uv3 d’on procedeixen els elements?cesire.cat.mialias.net/recursos/context/quimica/uv v1.1...eix...

____________________________________Centre de Documentació i Experimentació en Ciències

Univers i vida 1 Química en context

UV3 D’on procedeixen els elements?

UV 3

pàg.

D’on procedeixen els elements? Com hem pogut saber com són els elements? L’Univers. Teoria de formació dels estels (atraccions gravitatòries i reaccions de fusió). Gasos a l’espai. Els núvols de gas. El descobriment d’elements radioactius, les aplicacions inicials i els usos actuals.

Caracterització del nombre atòmic com a criteri identificatiu dels elements. Interpretació de les experiències que van portar a l'elaboració dels primers models atòmics i al descobriment de les partícules subatòmiques.

UV 3.1

(L)

4 Els elements de l’Univers

L’Univers. Teoria de formació dels estels. Gasos a l’espai. Els núvols de gas. Reaccions nuclears. Fusió. Formació de planetes per condensació de núvols de gas i pols des d’un estel.

Un model de l’àtom.

UV 3.2

(TIC)

8 La història de les partícules. Simulacions experiments històrics Descobriments històrics

Utilització dels experiments de descobriment partícules atòmiques (Rutherford, raigs catòdics...) per a la construcció del model de l’àtom.

UV 3.3

(L)

14 Anàlisi isotòpica: Espectrometria de masses

Ions Espectrometria de masses per diferenciar isòtops.

UV 3.4

27 Què hem après? Síntesi-Conceptes .



UV 3.1 D’on procedeixen els elements? pàg.4

UV 3.2 La història de les partícules pàg.8



UV 3.3. Anàlisi isotòpica: espectrometria de masses pàg. 14

UV 3.4 Què hem après? pàg. 27



UV 3.1 D’on procedeixen els elements ?

D’on procedeixen els elements? El macrocosmos El coneixement de l’origen de l’Univers ens permet alhora establir models més precisos sobre

l’estructura de la matèria.

Aquest vídeo presenta el Big-Bang com a model de formació de l’Univers i fa una introducció de com es pot reproduir aquesta situació al laboratori, parla de matèria, antimatèria, gluons, quarks,protons, neutrons i electrons. Proposa l’estudi paral·lel de l’àtom i l’Univers. http://www.youtube.com/watch?v=h-PWlP6MKf4

En els primers temps, l’Univers estava format únicament d’hidrogen. Avui, encara l’hidrogen és l’element més abundant. El nostre cos conté bastant hidrogen, però també conté altres elements més pesants. La teoria de l’evolució dels estels mostra de quina manera poden formar-se els elements pesants a partir dels elements més lleugers i permet explicar com es distribueixen a l’Univers.

La teoria de la formació dels estels és un dels guanys científics més grans d’aquest segle. Es va desenvolupar a partir d’un model, basat en l’observació d’estels en diferents etapes del seu desenvolupament, que suposa que les diferències existents entre elles són degudes a la seva "edat".

Els dos elements, els àtoms dels quals són més abundants a l’espai són l’hidrogen i l’heli. Tot i així, hi ha molt pocs àtoms i es troben lluny els uns dels altres. La seva densitat és molt petita. A l’espai interestel·lar hi ha aproximadament un àtom per centímetre cúbic, mentre que a l’aire que respires hi ha més de 1019 àtoms per centímetre cúbic. Amb una densitat d’àtoms d’hidrogen a l’espai tan petita quasi bé és impossible que s’ajuntin els uns amb els altres per formar molècules.

Tanmateix, en algunes regions entre els estels, anomenades núvols de gas interestel·lar, hi pot haver més de 100 àtoms per cm3. Els núvols de gas estan formats principalment d’hidrogen molecular, però també contenen partícules sòlides molt petites anomenades pols, que són les restes d’antics estels escampades per l’espai.

Els núvols de gas interestel·lar es mantenen units per forces gravitacionals. Dins d’aquests núvols hi ha regions en les quals el camp gravitatori fa que el núvol es contregui sobre ell mateix, de manera que el gas es comprimeix. Així es formen "coàguls" de gas més densos.

La part més densa d’aquests "coàguls" és troba al centre. Allà, el gas està molt comprimit i és molt calent, a una temperatura de més de 10 milions de graus. Aquestes temperatures són suficients per desencadenar reaccions nuclears.

Les reaccions nuclears són diferents de les químiques. En les reaccions químiques els àtoms es reorganitzen, canvien els seus enllaços amb altres àtoms, però mantenen la seva identitat. En canvi, en les reaccions nuclears els àtoms canvien d’identitat, és a dir, un element es transforma en un altre.



La reacció nuclear que es produeix en el centre dels "coàguls" s’anomena fusió, perquè suposa la unió de nuclis lleugers per formar-ne d’altres més pesants. Com que es necessiten grans quantitats d’energia per vèncer les repulsions entre les càrregues positives dels dos nuclis, les reaccions de fusió només es produeixen en el centre dels núvols de gas, on les temperatures arriben a centenars de milions de graus.

Els nuclis d’àtoms d’hidrogen presents en el centre del núvol de gas s’uneixen mitjançant la fusió nuclear per donar heli. El procés allibera una gran quantitat d’energia, que fa brillar el núvol de gas. Aquesta energia que es desprèn fa augmentar la temperatura, és a dir, intensifica l’agitació de les partícules. D’aquesta manera, es produeix un equilibri entre les forces gravitacionals (cap al centre) i les forces que resulten dels xocs entre els àtoms (cap a l’exterior).

A conseqüència de les reaccions nuclears de fusió i de l’atracció gravitatòria dels elements formats, s’origina un nou estel. La vida d’un estel depèn de l’evolució de l’equilibri de les dues forces esmentades anteriorment. A causa de l’elevada temperatura i de les condicions extremes durant el procés, es genera un vent calent que expel·leix pols i gas cap a l’exterior de la nova estrella. Molts estels estan rodejats de planetes que s’han format per la condensació d’aquests núvols de pols i gas.

Activitat 1:

Després de veure el vídeo i llegir el text:

Feu una hipòtesi i mireu de comprovar-la sobre:

Quin pot haver estat el procés de formació dels elements més pesats ?

http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/origen-elementos

Un model per l’àtom. Què hi ha a l’interior d’un àtom?

Ens aquests moments podem contestar que els àtoms estan formats per neutrons i protons que contenen d’altes partícules com els quarks i els gluons , però com hem arribat fins aquí ?

Activitat 2: Observeu la seqüència del model d’estructura de la matèria que us presentem, identifiqueu què representa i recolliu en una taula la relació entre les partícules atòmiques i subatòmiques i la mida de la seva possible observació.



Figura 2.Constitució de la matèria.

Pel que hem vist fins ara el procés a la natura s’ha produït exactament a l’inrevés de com el presenta aquest esquema.

La tecnologia actual ens permet reconstruir-lo i posar en evidència propietats dels elements i dels compostos químics que científics anteriors havien intuït. Us proposem una seqüència



d’activitats que repassen els experiments i els raonaments que ens han portat al model actual d’estructura de la matèria.

MATERIAL COMPLEMENTARI.

http://blogs.tv3.cat/quequicom.php?itemid=29584

Aquest vídeo del programa QUÈ ,QUI, COM? de TVE3 , Interrogant la matèria, de 20 ‘ ens explica quines són les recerques actuals per donar resposta a preguntes com:

Quines instal·lacions i tecnologies ens poden donar un nou coneixement sobre l’estructura de la matèria?

Com podem comprovar experimentalment per què els cossos tenen massa?

Com expliquem la dualitat matèria –antimatèria?

Quins experiments ens han permès posar en evidència l’energia i la matèria fosca de l’Univers? i com les caracteritzem?

Quin tipus d’experiments s’estan dissenyant per acabar de comprovar les teories actuals?



UV 3.2 La història de les partícules

Des de l’antiguitat els homes ens hem preguntat de què estem fets i com podem explicar l’estructura de la matèria. Al llarg de la història hem proposat diferents respostes, hem dissenyat diferents models.

Figura 1.Al començament… Figura 2.Dalton… Figura 3. Cap on anem ?...

Fins al segle XIX la idea fonamental de la matèria es resumia amb les teories de Dalton heretades de Demòcrit i els Epicurs que suposaven la matèria formada per boles. Els anomenats ÀTOMS.

Ningú ha estat capaç fins ara d’observar directament l’interior d’un àtom, però s’han reunit nombroses proves experimentals que ens permeten realitzar un bon model de la seva estructura.

ACTIVITAT 1. EXPERIMENTS I MODEL DE THOMSON

Els models científics no s’han de considerar com la “resposta correcta”, simplement es consideren útils quan ajuden a interpretar les nostres observacions de la natura. De fet l’acceptació o no d’un model o teoria científica està basat en tres passos:

Plantejament d’una hipòtesi Realització de proves o experiments Anàlisi dels resultats

I aquest és el camí que ens ha portat al anomenat “ zoo de partícules” en el que es mouen els científics que actualment estudien l’estructura de la matèria.

J.J Thomson va ser un dels primers científics que es va plantejar el procés experimental descrit a dalt.

De fet el descobriment de l’electró va ser el primer pas del procés experimental per estructurar la matèria tal com ara l’entenem.



J.J Thomson

Premi Nobel de física pel

descobriment de l’electró (1897).

A partir dels esquemes dels experiments de Thomson, feu recerca sobre la hipòtesi que es va plantejar. Com va dissenyar els experiments i com es va a arribar a acceptar l’existència de la partícula que ara coneixem com l’electró?

Quin va ser el model resultant del seu treball?

Webs per consultar: http://fisica-quimica.blogspot.com/2006/09/estructura-atmica-y-sistema-peridico.html http://www.deciencias.net/simulaciones/quimica/atomo/carga-masa.htm Escriviu un article per una revista de divulgació científica explicant la vostra recerca. Podeu plantejar-vos una recerca cooperativa per trobar:

La hipòtesi que es va plantejar La recerca de simulacions que expliquin els experiments Com va establir el model a partir dels resultats obtinguts.

EIX CRONOLÒGIC DELS DESCOBRIMENTS MÉS RELLEVANTS FINS LA DESCRIPCIÓ DE LA MECÀNICA QUÀNTICA



ACTIVITAT 2. L’EXPERIMENT I EL MODEL DE RUTHERFORD El model proposat per J.J. Thomson presentava avantatges i limitacions: MODEL DE THOMSON AVANTATGES LIMITACIONS

- Explica els ions - Explica la naturalesa elèctrica de la

matèria

- No diferencia entre nucli i escorça - Tota la massa i la càrrega positiva

estan concentrades al nucli A.- ACTIVITAT D’EXPLORACIÓ: LA PREDICCIÓ DE RUTHERFORD L’objectiu de la primera part de la simulació consisteix en investigar la predicció de Rutherford basada en el model atòmic de Thomson en plantejar el seu experiment de “ la làmina d’or”.

Rutherford es proposava demostrar que mesurant les desviacions de les partícules alfa en travessar la làmina d’or es podria comprovar l’estructura interna de l’àtom.

La predicció de Rutherford era la següent: “Segons el model atòmic de Thomson, les partícules

alfa han de seguir una trajectòria recta com la que veiem a continuació en el simulador de

l’experiment, perquè si la càrrega positiva i la negativa dels àtoms es distribueixen de manera

homogènia, per tant les partícules alfa, amb un massa 8000 vegades superior a la d’un electró i

una gran velocitat, uns 20.000 km/s, les forces elèctriques d’unió haurien de ser insuficients per

aconseguir desviar les partícules alfa.”

Obriu la web de l’experiment de Rutherford:

http://www.kcvs.ca/site/projects/physics_files/rutherford/thomson_resources/main.html#

Cliqueu la pestanya de l’esquerra i obriu l’opció “ model de Thomson “ i la barra d’eina de la dreta per obrir l’applet.



Poseu en marxa l’applet reduint l’energia de les partícules alfa a 1 MeV i premen el botó d’auto bombardeig. Es dibuixaran traces per sobre i per sota de la línia central.

Sense netejar la pantalla ajusteu l’energia de les partícules a 10 MeV , recolliu novament traces dels impactes i compareu els resultats.

QUESTIÓ 1: Segons Thomson , on està localitzada la càrrega positiva a l’àtom ? QUESTIÓ 2: Els models estan justificats per evidències, quina va ser la que va originar el model de Thomson ? QUESTIÓ 3: Què heu vist en la simulació ? L’àtom de Thomson deixa passar sempre les partícules alfa ? Com justifiqueu els resultats ?

ACTIVITAT B: LA SIMULACIÓ DE L’ EXPERIMENT I L’ ANÀLISI DE LES DADES.

L’experiment de Rutherford consistia en bombardejar una làmina molt fina d’or de 10 µm de gruix amb un feix de partícules α (ions He2+, un tipus de partícules que es produeixen a partir d’una descomposició radioactiva del poloni). El muntatge es va realitzar aconseguint les partícules α del poloni col·locat dins una caixa de plom amb un orifici petit, per on havien de sortir les partícules. Perpendicularment al feix de partícules α es va col·locar la làmina d’or. Darrera d’aquesta es va col·locar una pantalla amb sulfur de zinc, que produeix centelleig quan les partícules α xoquen contra ella.

En la simulació que utilitzem, identifiquem el nombre de les desviacions relacionant l’angle de mesura amb la velocitat de centelleig de la pantalla.

Cliqueu ara la pestanya de l’esquerra i trieu l’opció de la simulació de l’experiment.



Arrossegueu el cursor per obrir l’applet. Amb el cursor podeu modificar l’angle de mesura. Podeu afegir filtres per disminuir el nombre de partícules alfa. Podeu canviar el material de la placa. Mesureu el centelleig a la pantalla.

Comenceu a prendre mesures , fixant com a condicions inicials les assenyalades a la taula de sota i mesureu el temps, les partícules que han bombardejat la placa i el centelleig de la simulació dels impactes fins la saturació de la pantalla. Per guardar les dades cliqueu el botó guardar les dades. Pareu la simulació abans de la saturació de la pantalla, per exemple sobre les 450 partícules mesurades, a partir de 500 partícules no podrem continuar mesurant. Clicant la pestanya options de l’esquerra de la simulació i l’opció evidence s’obre el recull de les dades que heu mesurat.

QUESTIÓ 4: Per exemple amb un angle de 145º, quants impactes compteu i en quants segons s’ha bombardejat la placa amb 2 milions de partícules alfa?

ANÀLISI DE DADES Nombre de filtres

Angle de mesura

Energia de les partícules alfa

Temps de bombardeig fins a la saturació de la pantalla

Nombre de partícules alfa

Mesura del centelleig ( impacte de partícules en aquest punt)

1 0ºC 18 MeV 1 145ºC 18 MeV



QUESTIÓ 5: Quina relació hi ha entre l’angle de mesura dels impactes de les partícules alfa i la mesura del centelleig (nombre de partícules)?

QUESTIÓ 6. Trieu algunes de les dades obtingudes, les que considereu més significatives i : a.- Analitzeu la relació entre el nombre de partícules alfa emeses i el nombre d’impactes mesurats per un angle determinat. b.- Construïu una gràfica que relacioni l’angle de la mesura i la velocitat de centelleig ( nombre de partícules que han impactat.

QUESTIÓ 7: Després de treballar amb les dades obtingudes, a quines conclusions podem arribar?

ACTIVITAT C: LA PROPOSTA DEL NOU MODEL DE RUTHERFORD La reacció inicial de Rutherford en veure els resultats obtinguts el va fer expressar: “ Que una partícula α hagi rebotat és el fet més increïble que m’ha passat mai, és com si una

petxina de 30 cm rebotes després d’impactar en un full de paper de seda”.

Per reproduir el model proposat per Rutherford i comparar els resultats amb el de Thomson, cliqueu la pestanya mòduls de l’esquerra de l’applet i obriu la finestres: àtom nuclear, desviacions, estructura i mida del nucli.

QUESTIÓ 8: D’acord amb la teoria de Thomson, pot un àtom aturar les partícules α ?

QUESTIÓ 9: Després d’executar l’applet, redacteu les vostres conclusions en relació als avantatges del model proposat per Rutherford.



UV 3.3 Anàlisi isotòpica. Espectrometria de masses

Introducció

L’Espectrometria de Masses (EM), en anglès MassSpectrometry (MS), és una tècnica d’anàlisi molt útil per determinar la massa i l’abundància dels diferents isòtops d’un element. També és molt útil en l’estudi de molècules, per a conèixer la massa i per a determinar l’estructura d’aquestes, encara que aquest estudi es farà més endavant.

En aquesta activitat estudiareu diferents aplicacions d’aquesta tècnica basada en l’anàlisi isotòpica. Per això haureu d’entrar a la següent pàgina: http://www.kcvs.ca/site/projects/chemistry.html . Entreu en “isotopicratioanalysis”. L’EM ens permetrà donar resposta a preguntes com:

Com poden ser obtingudes dades de temperatura de 400000 anys d’antiguitat de mostres de gel? Com és detecta la testosterona sintètica en els atletes professionals? Com podríeu dir si la vostra mel ha estat diluïda amb almívar? Com poden els científics descobrir les fonts de metà de la Terra o Mart?

Proposta de treball

Feu 4 grups de manera que cada grup esculli un dels temes on s’utilitza l’espectrometria de masses. A continuació llegiu la lectura corresponent i responeu les qüestions que hi ha continuació. Finalment, es tracta de fer una exposició de cada part per a què la resta de companys entenguin totes les aplicacions estudiades.

Altres propostes de treball són que cadascun agafi el tema que més li agradi i completi l’activitat individualment per aquell tema o bé que tothom agafi el mateix tema i es realitzi l’activitat entre tots.

Qüestions

1. Descriviu breument el funcionament d’un espectròmetre de masses. Per això cliqueu en la mateixa pàgina anterior on diu “aboutthe instrument” o bé entreu a la següent pàgina: http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey/student/olc/ch13ms.html Per ajudar-vos amb l’explicació feu un dibuix d’un espectròmetre de masses.

2. Recordeu i escriviu la definició d’isòtop i escriviu els diferents isòtops que s’estudien en

el tema que heu escollit.

3. Feu un resum del tema que heu escollit intentant donar resposta a la pregunta formulada a la introducció d’aquesta activitat.

4. Exposeu a la resta de companys la vostra part.



Exercici

En l’EM s’obté un gràfic en el qual a l’eix horitzontal es representa la relació massa/càrrega dels diferents fragments de la mostra i a l’eix vertical l’abundància relativa d’aquests fragments.

Donat, el següent gràfic, calculeu la massa atòmica relativa de l’element plom a partir de l’espectre obtingut en analitzar una mostra de plom.

Exercicis d’ampliació 1a lectura El vostre equip ha extret una mostra de gel d’una capa d’un glaciar situat en Groenlàndia i l’analitza en un espectròmetre de masses. Per determinar la temperatura d’aquest gel es mira la relació entre el 16O i el 18O que conté el CO2 que es troba en equilibri amb la mostra de gel, un amb massa 44 (C16O2) i l’altre amb massa 46 (C16O18O).

Per conèixer la temperatura s’ha de comparar la relació C16O18O/C16O2, és a dir, la relació d’abundància entre els dos isòtops de l’oxigen 18O/16O, amb un valor de estàndard que és 0,00200520 i aplicar la següent fórmula:

δ =(



Ara ja podeu calcular la temperatura que hi havia en aquesta mostra de gel a l’any 1948 mirant el gràfic.

2a lectura A continuació hi ha les mostres d’esteroide dels atletes que han quedat en primer i segon lloc detectades amb un espectròmetre de masses. Els metabòlits de testosterona i altres esteroides de referència han estat separats de mostres d’orina i cremats per a obtenir CO2. Els pics que s’obtenen corresponen al diòxid de carboni produït en cremar la testosterona i l’esteroide de referència de l’atleta que ha quedat en 1r i en 2n lloc respectivament, donant els valors dels pics 44 (12C16O2) i 45 (13C16O2).



Les dades que heu obtingut per a la massa 44 corresponen a l’abundància de l’isòtop 12C, i la massa 45 correspon al 13C. Dividiu l’abundància del 13C entre l’abundància del 12C per a determinar la proporció 13C/12C pels metabòlits de testosterona i els esteroides de referència. Per a convertir-los en la notació delta,

useu la fórmula que hi ha continuació. El valor estàndard és de 0,0112372.

δ13C =(

Per trobar si la testosterona era exògena, dividiu el valor de delta 13C de la testosterona de cada atleta pel valor de delta 13C dels seus esteroides de referència.

Si la proporció resultant és superior a 1,1 es pot assumir que l’atleta al qual se li va fer el mostreig havia pres esteroides exògens per augmentar la seva marca. Ara, us toca a vosaltres: podreu acusar ambdós atletes de dopatge? 3a lectura Seguint el procediment descrit a la lectura, heu incinerat les proteïnes i les mostres de sucre de les companyies HoboHolly’sHoneyandSam’sStickySweets. Després d’haver passat les mostres del CO2 produït en la combustions del sucre i les proteïnes d’ambdues companyies per un espectròmetre de masses, heu obtingut els següents valors corresponents a les masses 44 (12C16O2) i 45 (13C16O2).

Els valors obtinguts per al pic 44 i al 45 corresponen a l’isòtop de carboni 13 i 12 respectivament. S’ha de dividir l’abundància del 13C entre la del 12C per cada mostra de mel i proteïna de cada companyia i així obtindreu la proporció entre proporció 13C/12C. Per a



convertir-los en la notació delta, useu la fórmula que hi ha continuació. El valor estàndard és de 0,0112372.

δ13C =(

Ara ja podeu trobar si la mel ha estat adulterada, usant la fórmula següent:

Adulteració (%) =

Una valor d’adulteració del 7 % o més és acceptat com a prova de que la mel ha estat adulterada. Podrieu confirmar que amdues companyies han estat diluïnt la seva mel amb almívar? O són probablement innocents? 4a lectura És un típic dia al laboratori, i teniu dues mostres desconegudes de metà de l’atmosfera de la Terra esperant per ser analitzades. Seguint el procediment descrit a la lectura, les mostres de metà s’han cremat i purificat per a formar diòxid de carboni i aigua. A continuació teniu els resultats de les dues mostres de CO2 obtingudes en l’espectròmetre de masses. Observeu l’abundància del pic 44 (12C16O2) i 45 (13C16O2).

Els valors obtinguts per al pic 44 i al 45 corresponen a l’isòtop de carboni 13 i 12 respectivament. S’ha de dividir l’abundància del 13C entre la del 12C per cada mostra de mel i proteïna de cada companyia i així obtindreu la proporció entre proporció 13C/12C. Per a convertir-los en la notació delta, useu la fórmula que hi ha continuació. El valor estàndard és de 0,0112372.

δ13C =(

Usant els vostres càlculs i el gràfic, observeu si podeu determinar si les mostres de metà són probablement termogèniques o biogèniques. Quines són les possibles fonts d’on prové el metà?



Les proporcions d’isòtops estables són més elevades a l’aigua dels oceans, menor al vapor d’aigua i núvols, i intermitja en l’aigua de precipitació. Això es degut al fraccionament isotòpic que passa durant el procés d’evaporació i condensació.

Lectures

1. Com es poden obtenir dades de temperatura de 400000 anys d’antiguitat de mostres de gel? Trobar una manera de determinar dades de temperatura del passat és importantíssim ja que el canvi climàtic global és un dels actuals problemes que ha d’enfrontar en nostre món modern. El nostre clima està canviant, nosaltres hem de descobrir si els canvis que actualment estem vivint han tingut precedents en el passat. Els investigadors en climatologia han extret nuclis de gel de geleres i capes de gel de tot el món. Trobant la relació dels isòtops estables d’aquests nuclis de gel, es poden determinar les dades de temperatura de fa 400000 anys.

Imagineu que recentment us heu unit a un equip buscant les tendències de temperatura del passat en Groenlàndia. Però abans de començar a provar, primer heu de tenir una idea bàsica de què és el que està succeint.

Per què una proporció d’isòtops?

La majoria de molècules d’aigua (H2O) estan compostes per només 16O i 1H isòtops, però un percentatge petit conté isòtops estables pesats 18O i D (2H, o deuteri). Quan l’aigua dels oceans i dels llacs s’evapora a l’atmosfera, les molècules d’aigua compostes pels isòtops més lleugers s’evaporen més fàcilment que aquelles amb isòtops pesats. Com a conseqüència, el vapor d’aigua en l’atmosfera és isotòpicament més lleuger que a l’aigua dels oceans.

Quan el vapor de l’aigua és condensa per a formar precipitacions, els isòtops més pesats es condensen més fàcilment que els lleugers, causant que les proporcions 18O/16O i D/H de la precipitació sigui inferior que a l’aigua dels oceans, però



superior que al vapor d’aigua. A aquest procés sovint es fa referència com a fraccionament isotòpic.

Les precipitacions contenen menys isòtops pesats que els oceans i llacs, però això normalment no marca la diferència perquè degut als cicles de l’aigua, grans masses d’aigua s’escapen cap als rierols i rius. Quan les geleres s’expandeixen a causa de pluges i neu addicionals, però, la precipitació pot romandre localitzada en un lloc durant segles, causant geleres que actuen com a reserva d’aigua isotòpicament lleugera. La diferència entre la proporció d’isòtops entre una gelera i un oceà depèn molt de la temperatura; temperatures molt baixes significa que pocs isòtops pesats han estat capaços d’evaporar-se i les diferències en l’abundància d’isòtops és més gran. A mesura que la temperatura baixa, per tant, les proporcions 18O/16O i D/H al gel disminueixen.

Els investigadors han desenvolupats equacions que quantifiquen la relació entre les proporcions isotòpiques a les geleres i la temperatura en el moment en què la capa de gel es va formar. Aquestes equacions són molt complicades, però han donat resultats força precisos quan es compara amb dades de temperatura actuals.

Diferents equacions són necessàries per a cada regió del món degut a les variacions climàtiques. Com el vostre laboratori analitzarà aquestes proporcions isotòpiques? Ambdós isòtops d’oxigen i deuteri poden ser analitzats per a trobar dades de temperatura de nuclis de gel, però els isòtops d’oxigen són generalment més freqüents. Per a trobar les proporcions 18O/16O, podeu tallar una mostra d’un nucli de gel a certa profunditat. Llavors l’heu de fondre a temperatura ambient i col·locar l’aigua resultant en un vial. Heu d’afegir al vial, diòxid de carboni pur amb una coneguda proporció isotòpica, i el mantindreu a 40ºC durant cinc hores.



Això permetrà als isòtops d’oxigen-16 transferir-se de l’aigua al diòxid de carboni en un procés d’equilibri, com es mostra en la següent equació: C 16O2 + H2

18O C 16O 18O + H2 16O

Seguint l’equilibri, els isòtops 18O han estat transferits de l’aigua al diòxid de carboni, donant CO2 amb l’original proporció isotòpica de l’aigua del nucli del gel. Finalment,podeu fer passar el CO2 a través d’un espectròmetre de masses per a determinar la proporció de 18O/16O de la mostra mesurant les intensitats dels pics 44 i 46. Una equació pot usar-se per relacionar aquesta proporció amb la temperatura original atmosfèrica en el moment en què el gel es va formar.

Aquestes equacions varien depenent de la localització, ja que la relació entre l’abundància isotòpica i la temperatura és lleugerament diferent en cada clima.

2. Com és detecta la testosterona sintètica en els atletes professionals? Han passat quatre dies després d'una carrera important, i tu i els teus companys de feina a la Companyia de Proves d’Atletisme sou informats de què el primer i el segon lloc van donar positius de dopatge. Nivells anormals de testosterona (una hormona sexual masculina que actua com un esteroide anabolitzant, en la formació de músculs i ossos) ha estat trobada en ambdues mostres d’orina quan els atletes van set sotmesos a la prova al final de la carrera. La dificultat, però, és determinar si la testosterona és endògena (produïda naturalment al cos) o exògena ( produïda externament i presa com una droga).

Podríeu assumir que els atletes tenen testosterona exògena (i per tant es van dopar) basant-vos en els seus nivells més alts d’hormona que el recompte de testosterona mitjà? O Si O No La resposta no és tan fàcil com sembla.

És relativament difícil trobar si es va fer servir testosterona sintètica. Els nivells naturals de testosterona varien significativament d’una persona a una altra, per això recomptes molt alts de testosterona no signifiquen necessàriament que s’hagi produït un dopatge. La proporció entre testosterona i epitestosterona, un altre esteroide endogen trobat en tots els atletes, és algunes vegades usat per a determinar si s’ha produït un dopatge de testosterona. Si els atletes, de manera natural, tenen nivells alts de testosterona, també haurien de tenir nivells alts de epitestosterona. Per acord del Comitè Olímpic Internacional, una relació testosterona/epitestosterona (T/E) de més de 6, indica que l’atleta probablement ha pres un suplement de testosterona.



Als atletes que van quedar en el primer i segon lloc se’ls va trobar proporcions T/E de 6,2 i 6,4 respectivament. Us sembla que aquesta evidència és suficient per a què retornin les seves medalles i anunciïn oficialment que van mentir? O Si O No Podria succeir això, però no voldríeu que es fes una acusació falsa. La proporció de T/E pot ser un bon indicador de si és va produir un engany, però no són sempre segures.

La proporció de testosterona/epitestosterona pot ser una magnífica eina per a determinar si es va produir o no dopatge. Les proporcions trobades en aquests dos atletes podrien indicar que menteixen; però, algunes vegades una proporció elevada pot produir-se de manera natural. Un altre problema és que els atletes ocasionalment poden prendre epitestosterona exògena a la vegada que testosterona per a mantenir una baixa proporció, per això aquest mètode no és prou segur.

L’estructura de la testosterona es troba a la dreta. Cada molècula de testosterona serà idèntica? O Si O No Sorprenentment, cada molècula de testosterona no és igual.

Encara que les nostres representacions de l’estructura de la testosterona són sempre les mateixes, hi ha petites diferències no representades a les imatges. La proporció dels isòtops de carboni pot ajudar-nos a distingir entre molècules de testosterona de diferents fonts. En humans, la testosterona es produeix a partir del colesterol que prové del vegetals i carns de la nostra dieta, que conté una proporció 13C/12C que reflexa el nivell de 13C de la dieta d’una persona. D’altra banda, els esteroides exògens, normalment tenen nivells de 13C inferiors ja que s’originen únicament a partir de soja o de nyam silvestre, que són les plantes C3. Aquestes plantes generalment tenen baixes proporcions de 13C/12C; com a resultat, el fet d’administrar testosterona a un atleta causarà una menor proporció de 13C/12C en la seva testosterona. Com detectarà el vostre laboratori aquesta proporció isotòpica?

Primer, haureu d’usar la cromatografia de gasos per a separar alguns metabòlits de testosterona de l’orina dels atletes, com d’altres esteroides endògens que podrien ser usats com a referència. Si s’han produït de les mateixes fonts dietètiques, tots aquests esteroides haurien de tenir proporcions isotòpiques similars. Després, cremareu els esteroides per a formar CO2, que



s’analitzarà amb un espectròmetre de masses. Dels valors dels pics 44 (12C16O2) i 45 (13C16O2) que enregistrarà el espectròmetre de masses, podreu calcular les proporcions de 13C/12C. Això us permetrà comparar les proporcions de 13C/12C dels metabòlits de testosterona amb uns esteroides de referència. Si la testosterona de l’atleta té nivells inferiors de 13C que els seus esteroides de referència, es pot suposar que part de la testosterona fos sintetitzada en un laboratori a partir de plantes de soja o de nyam. 3. Com podríeu dir si la vostra mel ha estat diluïda amb almívar? Com a treballador del Laboratori d’Anàlisis de Mel Ltd., sou abordat pels gerents enfadats de duess companyies productores de mel, HoboHolly’sHoney and Sam’sStickySweets. Ambdues companyies han estat acusades de diluir la seva mel amb almívar barat per a reduir costos. Els managers s’han posat en contacte amb vosaltres per a trobar si els seus empleats realment han estat adulterant la seva mel o si aquestes acusacions són injustificades.

La mel és produïda del nèctar recol·lectat per les abelles. Com a resultat, cada àtom de carboni en la mel, podria provenir de dues fonts naturals: a partir dels sucres de la mel (produïts a través de la fotosíntesis de les plantes productores de nèctar) o partir de les proteïnes de la mel (produïdes per les abelles en forma d’enzims per millorar la maduració del nèctar).

Abans de començar a analitzar les mostres sospitoses de mel d’aquestes dues companyies, necessiteu saber com la proporció d’isòtops pot distingir entre una mel pura i una diluïda. La proporció estable dels isòtops de carboni (13C i 12C) és generalment usada amb aquest propòsit. En una mostra pura de mel, esperaríeu les mateixes proporcions de 13C/12C dels sucres de la mel i de les proteïnes? O Si O No Les proporcions haurien de ser similars.

Les abelles obtenen el carboni que incorporen als enzims i el carboni que converteixen en mel de les mateixes plantes originàries. Això significa que tots els àtoms de carboni en la mel, estiguin en forma de sucre o de proteïnes, provenen de la mateixa font i haurien de tenir aproximadament la mateixa proporció isotòpica.

Les plantes que les abelles usen com a font de carboni estan classificades com a plantes C3, perquè el carboni s’incorpora primer en un compost de 3 carbonis durant la fotosíntesis. D’altra banda, la canya de sucre o de blat de moro, estan classificades com a plantes de 4 carbonis perquè el carboni primer s’incorpora en un compost de 4 carbonis. La fotosíntesis en les plantes C4 tendeixen a afavorir la formació de molècules de carboni-1, per tant la canya de sucre i el blat de moro tendeixen a tenir una proporció de 13C/12C més gran que les plantes C3. Com a conseqüència, si



l’almívar obtingut a partir de les canyes de sucre o del blat de moro és afegit a la mel, el producte resultant tindrà una proporció 13C/12C més elevada perquè s’han afegit productes procedents de plantes C4. Si la mel és adulterada amb almívar o xarop de blat de moro, esperaríeu que les proporcions isotòpiques dels sucres i proteïnes de la mel tinguessin la mateixa proporció o només als sucres?

O Si O No

Afegint sucres C4 només hauria de canviar la proporció dels sucres de la mel, però no de les proteïnes.

La proteïna de la mel hauria de tenir la mateixa proporció sense tenir en compte si la mel ha estat diluïda o no, perquè la proteïna prové directament dels enzims produïts per les abelles, però no de la solució de sucre. A més, els científics poden comparar la proporció 13C/12C de la proteïna de la mel amb la proporció 13C/12C dels sucres de la mel. Si les proporcions són similars, la mel serà amb molta probabilitat pura. D’altra banda, si els sucres tenen una proporció superior de 13C/12C que les proteïnes, es pot assumir que la mel ha estat contaminada amb l’almívar procedent de la canya de sucre o xarop de blat de moro. Com detectarà el vostre laboratori aquesta proporció isotòpica? Per a detectar la puresa, haureu d’incinerar les mostres de mel i proteïnes en càpsules de porcellana a 850 ºC, fent que el CO2 format es reculli en un recipient de nitrogen líquid i es condensi. Haureu de recollir el CO2 i fer-lo passar a través d’un espectròmetre de masses. Després, podreu calcular les proporcions de carboni-13 i carboni-12 i convertir aquestes proporcions en la notació delta. Ara ja és possible determinar si la mel ha estat adulterada o no. 4. Com poden els científics descobrir les fonts de metà de la Terra o Mart? El metà (CH4) és un poderós gas d’efecte hivernacle, el qual significativament pot contribuir a l’efecte hivernacle i al canvi climàtic global en petits nivells atmosfèrics. El metà en l’atmosfera de la Terra prové de nombroses fonts naturals i antropogèniques. Com a científics, el vostre

treball s’encarrega d’intentar descobrir les principals fonts de metà a la Terra de manera que es puguin desenvolupar diferents actuacions per a reduir la quantitat de metà que es produeix.

Però com podríeu dir on es genera el metà? Els investigadors han descobert que diferents processos afavoreixen els isòtops de carboni i hidrogen lleugers o pesats segons variïn alguns graus, formant-se molècules de metà en algunes fonts isotòpicament més pesades que en d’altres fonts. Això fa possible trobar d’on procedirà el metà basant-se en proporcions isotòpiques.



Els arrossars i els abocadors són exemples de fonts antropogèniques de metà. Els metanògens microscòpics naturalment

produeixen metà.

D’on prové el metà majoritàriament? Una part pot ser causada per fonts no biològiques, incloent les erupcions volcàniques i reaccions de serpentinització als oceans. Però el 90-95% del metà a la Terra té un origen biològic. Els dos principals tipus de metà biològic són el termogènic i el biogènic. El metà termogènic és produït a les profunditats del sòl a partir de restes d’organismes morts, els quals gradualment es transformen en combustibles fòssils després d’haver estat exposats a la calor i la pressió durant segles. El metà biogènic (biogàs) és produït per metanògens, microorganismes productors de metà que normalment troben condicions anaeròbiques. Com detectarà el nostre laboratori aquesta proporció isotòpica? Al vostre laboratori, feu servir proporcions d’isòtops estables de carboni (13C/12C) i deuteri/hidrogen (2H/1H) per a determinar l’origen de les mostres de metà. Per fer això, cremeu una mostra pura de metà, produint diòxid de carboni i aigua. El CO2 és purificat i llavors mesurat amb un espectròmetre de masses. Podeu calcular la proporció 13C/12C dividint la intensitat del pic 45 (13C16O2) amb la del pic 44 (12C16O2). Per a major certesa, algunes vegades també treballeu amb proporcions deuteri/hidrogen de l’aigua que ha estat produïda en la combustió.

Què passa a Mart?

El vostre equip no és l’únic grup de científics intentant determinar l’origen de les molècules de metà. La molècula més simple de totes les molècules orgàniques, al metà sovint se l’ha anomenat “la signatura de la vida”. Quan va ser descobert a l’atmosfera marciana al 2003, determinar d’on provenia va arribar a ser l’ambició d’alguns investigadors intentant aprendre si les condicions són favorables per a la vida al planeta vermell. Però pot ser l’origen del metà ser descobert de la mateixa manera que a la Terra?



A la Terra, els científics han fet investigacions molt extenses i poden determinar si el metà és biogènic, termogènic o no biològic basant-se en valors estàndard. Però a Mart, no és tan fàcil. L’experimentació és molt més difícil, ja que els instruments s’han de transportar en transbordadors espacials per alguns mesos i els humans han d’operar tot des de la Terra. No hi ha valors estàndard per a realitzar càlculs i comparacions a Mart. La vida al nostre planeta ha evolucionat cap a certes proporcions de

13C/12C com a resultat de processos biològics. És possible que la vida a Mart, si existeix, evolucioni totalment cap a proporcions diferents. En aquest cas, els càlculs que es fan a la Terra per a determinar on s’origina el metà no podrien aplicar-se de la mateixa manera a estudiar el metà a Mart.



UV 3.4 Síntesi-Conceptes. Què hem après? En aquesta activitat trobareu una llista amb els punts fonamentals que convé que tingueu

recollits en els vostres apunts i unes qüestions per comprovar els vostres coneixements de

química.

Assegureu-vos que els vostres apunts recullen els punts següents. Recordeu que haureu de consultar moltes vegades aquests conceptes i aquests procediments en estudiar unitats posteriors.

• Model atòmic de Thomson • Model atòmic de Rutheford • Funcionament de l’espectròmetre de masses • Diferenciar masses dels isòtops per tècniques d’ espectrometria de masses • Aplicacions de l’espectrometria de masses

Exercicis i qüestions

1. Una mostra gasosa pot ser analitzada usant un espectròmetre de masses. a. Descriviu breument com es formen els ions positius a partir dels àtoms gasosos en

un espectròmetre de masses.

b. Què s’usa per a accelerar els ions positius en un espectròmetre de masses?

c. Què s’usa per a desviar els ions positius en un espectròmetre de masses?

d. Els següents resultats van ser obtinguts de l’espectre de masses d’una mostra de crom.

Calculeu la massa atòmica relativa del crom en aquesta mostra. e. Expliqueu perquè els quatre isòtops del crom es comporten de la mateixa manera en

les reaccions químiques.

f. En quin grup de la taula periòdica es troba el crom?

Relació massa/càrrega % abundància 50,0 4,3 52,0 83,8 53,0 9,5 54,0 2,4

uv3 d’on procedeixen els elements?cesire.cat.mialias.net/recursos/context/quimica/uv v1.1...eix...

Documents