Química 1 (4a. ed.). 9786077448471, 6077448478

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Víctor Manuel Ramírez Regalado

Química Serie Integral por competencias

DGB

4a

edición

1

QUÍMICA 1 Serie integral por competencias

QUÍMICA 1 Serie integral por competencias Víctor Manuel Ramírez Regalado

tercera edición ebook 2017

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Dirección editorial: Javier Enrique Callejas Coordinación editorial: Alma Sámano Castillo Supervisor de producción editorial: Miguel Ángel Morales Verdugo Diseño de interiores: Perla Alejandra López Romo / Juan Bernardo Rosado Solís Diseño de portada: Juan Bernardo Rosado Solís Diagramación: Perla Alejandra López Romo Ilustraciones: Carlos Enrique León Chávez, Perla Alejandra López Romo Fotografías: Thinkstock

Química 1 Serie integral por competencias

Derechos reservados: ©2014, 2016, 2017, Victor Manuel Ramírez Regalado ©2014, 2016, 2017, Grupo Editorial Patria, S.A. de C.V.

ISBN ebook: 978-607-744-847-1 (Tercera edición) ISBN ebook: 978-607-744-464-0 (Segunda edición) ISBN ebook: 978-607-744-006-2 (Primera edición)

Renacimiento 180, Col. San Juan Tlihuaca, Delegación Azcapotzalco, Código Postal 02400, Cd. de México. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro núm. 43

Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor. Impreso en México / Printed in Mexico

Primera edición ebook: 2014 Segunda edición ebook: 2016 Tercera edición ebook: 2017

fax pedidos: 5354 9109 (0155) 5354 9102

Grupo Editorial Patria ®

Introducción a la asignatura y a tu libro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII

Contenido

Competencias genéricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

IX

Competencias disciplinares básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII Relación de bloques de la asignatura con los aprendizajes claves del nuevo modelo educativo del campo disciplinar de ciencias experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII Las secciones de la serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV

BLOQUE

1

BLOQUE

2

BLOQUE

3

Química como herramienta de vida

Interrelación entre materia y energía

Modelo atómico y aplicaciones

1.1

Concepto de Química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.2

Historia de la Química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.3

Método científico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.1

Materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

2.2

Energía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

3.1

Modelos atómicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

3.2

Partículas subatómicas: electrón, protón y neutrón . . .

82

3.3

Configuraciones electrónicas y números cuánticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

Isótopos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

96

3.4

V

Contenido

BLOQUE

4

BLOQUE

5

BLOQUE

6

BLOQUE

7

Tabla periódica

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Nomenclatura de compuestos inorgánicos

Reacciones químicas

4.1

Tabla periódica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.2

Propiedades periódicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.1

Regla del octeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

5.2

Enlace químico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.3

Tipos de enlaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

5.4

Fuerzas intermoleculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

6.1

Nomenclatura uiqpa y común de los compuestos inorgánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

7.1

Reacción química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

7.2

Tipos de reacciones químicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

7.3

Ecuación química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

7.4

Balanceo de ecuaciones químicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Direcciones electrónicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

VI

Grupo Editorial Patria ®

Introducción a la asignatura y a tu libro

QUÍMICA 1

Víctor Manuel Ramírez Regalado

Química 1 pertenece a la Serie Integral por Competencias del Grupo Editorial Patria y está completamente apegado a los conocimientos correspondientes a la asignatura del plan de estudios del bachillerato general. Pertenece al campo de las Ciencias Experimentales, el cual está orientado a que los alumnos conozcan y apliquen métodos y procedimientos para la resolución de problemas. En este libro se encuentran las competencias genéricas y disciplinares básicas relativas a esta asignatura, integradas en bloques para el logro del aprendizaje y desarrollo de competencias. Algunas competencias disciplinares son las siguientes: diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos; utilizando esta ciencia experimental para la comprensión y mejora del mismo. Curricularmente, Química 1, posibilita el trabajo interdisciplinario con Taller de Lectura y Redacción 1, Ética 1 y Metodología de la Investigación. La distribución de los contenidos en los bloques es la siguiente: En el Bloque 1, Química como herramienta de vida, se presentan los grandes momentos de la Química y su influencia en el desarrollo de la humanidad, de manera conjunta con el estudio del método científico como herramienta importante para la resolución de problemas. En el Bloque 2, Interrelación entre materia y energía, se analizan las propiedades de la materia y sus cambios; así como la energía y sus interrelaciones con la materia. En el bloque 3, Modelo atómico y aplicaciones, se estudian los modelos atómicos que dieron origen al modelo atómico actual y sus aplicaciones en la vida cotidiana. En el bloque 4, Tabla periódica, se analizan los antecedentes que dieron lugar a la tabla periódica actual, se hace una interpretación de la tabla periódica y finalizan con un estudio de los metales y no metales más importantes del país desde el punto de vista socioeconómico. En el bloque 5, Enlaces químicos e interacciones intermoleculares, se identifican los diferentes compuestos a través del uso del lenguaje de la Química y se promueve el uso de normas de seguridad para el manejo de los productos químicos. En el bloque 6, Nomenclatura de compuestos inorgánicos, se relacionan las propiedades macroscópicas de las sustancias con los diferentes modelos de enlace tanto interatómicos como intermoleculares.

VII

Introducción En el bloque 7, Reacciones químicas, se describen los diferentes tipos de reacciones químicas y se aplica la ley de la conservación de la materia al balancear las ecuaciones. La estructura de la obra incluye al inicio de cada bloque una breve evaluación diagnóstica. Enseguida se encuentra la situación didáctica, que plantea una problemática a resolver por el estudiante, ya sea de manera individual o en equipo, y después se ubica la secuencia didáctica, que propone algunos pasos para resolver el problema, realizar un experimento, plantear un proyecto, realizar una investigación, etc., lo que posibilita que el estudiante adquiera un conocimiento y desarrolle competencias, a través de un reto. Para evaluar se integra una rúbrica. Además, contiene una amplia variedad de actividades para consolidar los conocimientos adquiridos en situaciones reales o hipotéticas. Contiene actividades experimentales suficientes para lograr los aprendizajes, mediante experimentos en laboratorios o talleres. Este libro también cuenta con glosario, bibliografía, direcciones electrónicas, diagramas, mapas conceptuales, además de atractivas imágenes y otras secciones y herramientas que resultan muy útiles y completan el aprendizaje. Asimismo, cuenta con evidencias como listas de cotejo, Rúbricas, Guías de observación, así como Autoevaluación, Coevaluación y Heteroevaluación. Al haber elegido este libro, el estudiante tiene acceso al sitio web, donde se encuentra material extra como videos, animaciones, audios y documentos para ampliar información Espero que este libro acompañe a los jóvenes estudiantes a lo largo del semestre en los diversos temas que aborda el fascinante mundo de la Química, deseando que logren obtener el mayor beneficio y éxito académico. Víctor Manuel Ramírez Regalado

VIII

Grupo Editorial Patria ®

Competencias genéricas

CLAVE

Se autodetermina y cuida de sí.

1. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue. 1.1 Enfrenta las dificultades que se le presentan y es consciente de sus valores, fortalezas y debilidades.

CG1.1

1.2 Identifica sus emociones, las maneja de manera constructiva y reconoce la necesidad de solicitar apoyo ante una situación que lo rebase.

CG1.2

1.3 Elige alternativas y cursos de acción con base en criterios sustentados y en el marco de un proyecto de vida.

CG1.3

1.4 Analiza críticamente los factores que influyen en su toma de decisiones.

CG1.4

1.5 Asume las consecuencias de sus comportamientos y decisiones.

CG1.5

1.6 Administra los recursos disponibles teniendo en cuenta las restricciones para el logro de sus metas.

CG1.6

2. Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación de sus expresiones en distintos géneros. 2.1 Valora el arte como manifestación de la belleza y expresión de ideas, sensaciones y emociones.

CG2.1

2.2 Experimenta el arte como un hecho histórico compartido que permite la comunicación entre individuos y culturas en el tiempo y el espacio, a la vez que desarrolla un sentido de identidad.

CG2.2

2.3 Participa en prácticas relacionadas con el arte.

CG2.3

3. Elige y practica estilos de vida saludables. 3.1 Reconoce la actividad física como un medio para su desarrollo físico, mental y social.

CG3.1

3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo.

CG3.2

3.3 Cultiva relaciones interpersonales que contribuyen a su desarrollo humano y el de quienes lo rodean.

CG3.3

Se expresa y comunica.

4. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemáticas o gráficas.

CG4.1

4.2 Aplica distintas estrategias comunicativas según quienes sean sus interlocutores, el contexto en el que se encuentra y los objetivos que persigue.

CG4.2

4.3 Identifica las ideas clave en un texto o discurso oral e infiere conclusiones a partir de ellas.

CG4.3

4.4 Se comunica en una segunda lengua en situaciones cotidianas.

CG4.4

4.5 Maneja las tecnologías de la información y la comunicación para obtener información y expresar ideas.

CG4.5

Piensa crítica y reflexivamente.

5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo.

CG5.1

5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones.

CG5.2

5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos.

CG5.3

5.4 Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez.

CG5.4

IX

Competencias genéricas

Competencias genéricas

CLAVE

5.5 Sintetiza evidencias obtenidas mediante la experimentación para producir conclusiones y formular nuevas preguntas.

CG 5. 5

5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información.

CG 5. 6

6. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general, considerando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad.

CG 6. 1

6.2 Evalúa argumentos y opiniones e identifica prejuicios y falacias.

CG 6. 2

6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta.

CG 6. 3

6.4 Estructura ideas y argumentos de manera clara, coherente y sintética.

CG 6. 4

Aprende de forma autónoma.

7. Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimiento.

CG 7. 1

7.2 Identifica las actividades que le resultan de menor y mayor interés y dificultad, reconociendo y controlando sus reacciones frente a retos y obstáculos.

CG 7. 2

7.3 Articula saberes de diversos campos y establece relaciones entre ellos y su vida cotidiana.

CG 7. 3

Trabaja en forma colaborativa.

8. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos. 8.1 Propone maneras de solucionar un problema o desarrollar un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos.

CG 8. 1

8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva.

CG 8. 2

8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

CG 8. 3

Participa con responsabilidad en la sociedad.

9. Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de su comunidad, región, México y el mundo.

X

9.1 Privilegia el diálogo como mecanismo para la solución de conflictos.

CG 9. 1

9.2 Toma decisiones a fin de contribuir a la equidad, bienestar y desarrollo democrático de la sociedad.

CG 9. 2

9.3 Conoce sus derechos y obligaciones como mexicano y miembro de distintas comunidades e instituciones, y reconoce el valor de la participación como herramienta para ejercerlos.

CG 9. 3

9.4 Contribuye a alcanzar un equilibrio entre el interés y bienestar individual y el interés general de la sociedad.

CG 9. 4

9.5 Actúa de manera propositiva frente a fenómenos de la sociedad y se mantiene informado.

CG 9. 5

9.6 Advierte que los fenómenos que se desarrollan en los ámbitos local, nacional e internacional ocurren dentro de un contexto global interdependiente.

CG 9. 6

Grupo Editorial Patria ®

Competencias genéricas

CLAVE

10. Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la diversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales. 10.1 Reconoce que la diversidad tiene lugar en un espacio democrático de igualdad de dignidad y derechos de todas las personas, y rechaza toda forma dediscriminación.

CG10.1

10.2 Dialoga y aprende de personas con distintos puntos de vista y tradiciones culturales mediante la ubicación de sus propias circunstancias en un contexto más amplio.

CG10.2

10.3 Asume que el respeto de las diferencias es el principio de integración y convivencia en los contextos local, nacional e internacional.

CG10.3

11. Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con acciones responsables. 11.1 Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional.

CG11.1

11.2 Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente.

CG11.2

11.3 Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente.

CG11.3

XI

Relación de contenidos con los aprendizajes clave...

Competencias disciplinares básicas

CLAVE

Ciencias experimentales

XII

1.

Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

CD B CE 1

2.

Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

CD B CE 2

3.

Identifica problemas, fórmula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.

CD B CE 3

4.

Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter cientifico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

CD B CE 4

5.

Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.

CD B CE 5

6.

Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas.

CD B CE 6

7.

Hace explícitas las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

CD B CE 7

8.

Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nociones científicas.

CD B CE 8

9.

Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

CD B CE 9

10.

Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

C D B CE 10

11.

Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas del impacto ambiental.

C D B CE 11

12.

Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece

C D B CE 12

13.

Relaciona los niveles de la organización química, biológica, física y ecológica de los sistemas vivos.

C D B CE 13

14.

Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

C D B CE 14

Grupo Editorial Patria ®

Relación de bloques de la asignatura con los aprendizajes claves del nuevo modelo educativo del campo disciplinar de ciencias experimentales Eje

Componente

Contenido central

Bloque

ƒ Modelos para compuestos iónicos Evidencia, explicación y modelos

Continuidad, equilibrio y cambio

Escala y medición

ƒ Modelos para compuestos covalentes

VI

ƒ El concepto de cambio químico

I

ƒ La ecuación química y su lenguaje

V

ƒ Análisis y síntesis químicas ƒ La energía se conserva ƒ Teoría cinético-molecular ƒ La primera ley ƒ Electromagnetismo

Sistemas e interacciones

ƒ Electricidad en los seres vivos

II

ƒ Generación y distribución de la energía eléctrica ƒ Procesos de cambios en el movimiento ƒ Transformaciones de la energía ƒ Conservación de energía Ciencias físico-químicas

ƒ Flujos de materia ƒ Flujos de energía ƒ Reconocimientos de sonidos (tono y timbre) ƒ Luz visible y espectro no visible

Estructura, orden y organización

ƒ Fuerzas a distancia

II

ƒ Átomos, moléculas e iones

III

ƒ Los átomos se conservan

IV

ƒ Modelo atómico molecular, modelo periódico ƒ El enlace químico ƒ Forma molecular y geometría: química tridimensional ƒ Relacion estructura-propiedades-función ƒ Campo Evidencias, explicación y modelos

Escala y medición

ƒ Representación matemática

ƒ Fenómenos físicos del macro y micro universo

XIII

Las secciones de la serie Al inicio del bloque 1. Propósito Se trata del objetivo educativo que se pretende alcanzar con el bloque. 2. Conocimientos Es el conjunto de saberes disciplinares desarrollados de forma ordenada y congruente con los fines formativos y académicos de tu libro. 3. Aprendizajes esperados Son los que se espera que logre el estudiante al terminar el semestre, al realizar actividades de forma concreta, precisa y visual en situaciones de la vida personal, escolar y social, que a su vez están relacionados directamente con el “saber”, el “saber hacer”, el “saber ser” y el “saber convivir”.

BLOQUE

1

1

Evaluación diagnóstica

1.

Propósito

Competencias disciplinares básicas

# horas

2

6

Competencias genéricas

2.

Conocimientos

3.

4.

3

5. Aprendizajes esperados

4. Habilidades Hacen referencia al “saber hacer”, mediante acciones que fomenten el talento, la pericia o la aptitud para desarrollar tareas específicas con eficiencia y eficacia.

Habilidades

Actitudes

4

5

y a su vez facilitan procesos de sensibilización y colaboración para favorecer el proceso afectivo y emocional.

5. Actitudes Son predisposiciones aprendidas a responder de un modo consistente a un objeto social, que comprenden el “saber ser” y el “saber convivir”. Sirven para atender un propósito, una situación o una actividad,

6. Evaluación diagnóstica Recuerdas tus conocimientos previos, mediante preguntas abiertas o de opción múltiple al inicio de cada bloque, lo cual te permite identificar tus capacidades cognitivas con relación a las temáticas a desarrollar en la obra.

Características constantes a lo largo de los bloques de la serie Notarás que en algunos temas importantes aparecen una serie de iconos acompañando a los títulos; éstos te indican la existencia de materiales auxiliares para tu aprendizaje, los cuales puedes consultar o descargar de SALI, el sitio que Editorial Patria ha desarrollado para ti.

Recursos en línea Videos para reforzar temas difíciles

7. Situación didáctica Se integra una situación por resolver que te posibilita la adquisición de conocimiento y que te permite fortalecer el desarrollo de competencias. 8. Secuencia didáctica Plantea secuencias para que puedas realizar la actividad, a fin de que resuelvas la problemática o situación. 9. Rúbrica Es la forma de valorar de manera práctica y concreta el logro de tus conocimientos, habilidades, actitudes y aprendizajes esperados.

Documentos adicionales para impresión

1

7

Situación didáctica

8

Secuencia didáctica

Audios para reforzar temas y pronunciación

Recursos docentes Guías para el docente Estrategias docentes

9

Rúbrica

4

A lo largo del bloque 10. Actividad transversal (social, ambiental, de salud o de habilidad lectora) Éstas favorecen tu formación integral, articulando saberes disciplinares en los contextos sociales, ambientales, culturales, éticos y de salud. 11. Actividad formativa con TIC Constituyen un incentivo para utilizar los recursos tecnológicos, con la finalidad de construir aprendizaje significativo.

Grupo Editorial Patria ® Comprensión lectora

10

12

12. Comprensión lectora Se integran textos para fomentar la comprensión lectora y la lecto-escritura de diversos temas relacionados con los contenidos desarrollados en cada bloque.

Actividad transversal

Actividad formativa

11

13

Actividad formativa con TIC

13. Actividades formativas Éstas fortalecen los avances y el desarrollo de competencias, mismas que permiten reconocer las dificultades que se presenten durante el proceso de aprendizaje, permitiendo mejorar, corregir o reajustar su progreso.

Figura 1.1

5

Recursos gráficos Líneas de tiempo Esquemas „ Mapas conceptuales „ Tablas „ Organizadores gráficos „ „

Talleres y actividades experimentales Brindan experiencias de aprendizaje, además de estimular y fomentar el aprendizaje cooperativo durante el trabajo en equipo.

Ejercicios

Ejemplos

Consolidan los conocimientos y propician seguridad y destreza durante el aprendizaje.

Tienen la finalidad de propiciar y facilitar tu aprendizaje.

Al final del bloque 14 14. Evaluación sumativa Se encuentra al final del bloque y en ella se integran evidencias de producto, conocimiento y desempeño, mismas que reflejan los resultados de los aprendizajes esperados.

15

1

Grupo Editorial Patria ®

Evaluación sumativa Nombre del estudiante:

¿Para qué me sirve la autoevaluación?

1. a.

(

)

b.

(

)

c.

(

)

      

(

)

Grupo:

(

)

Instrucciones:

Las evidencias son rúbricas, listas de cotejo y guías de observación.

(

Fecha de aplicación:

1. 2.

)

Conocimientos

2.

15. Autoevaluación y coevaluación Al final de tu libro encontrarás instrumentos que te ayudarán a reconocer el logro de los aprendizajes esperados. Considera los resultados para emprender acciones de mejora en tu formación académica y en el desarrollo de competencias.

Autoevaluación

Logrado Sí No

Considero que está en proceso porque…

3.

¿Qué aprendí durante el desarrollo de los bloques?

¿Qué debo mejorar?

Mis conclusiones son:

44

45

En las páginas finales del libro

Portafolio de evidencias

Para los estudiantes que desean saber más se agrega una breve bibliografía y direcciones electrónicas recomendadas, que tienen como finalidad fortalecer el autoaprendizaje.

En esta sección vas a integrar todos los trabajos que se realizaron durante el desarrollo del bloque, mismos que responderán a los criterios previamente establecidos en clase.

BLOQUE

1 5 horas

Química como herramienta de vida Propósito Argumenta la importancia de la Química como parte de su vida cotidiana, así como las disciplinas que se relacionan con ella, reconociendo el progreso que ha tenido ésta a través del tiempo y la forma en que ha empleado el método científico para resolver problemas del mundo que le rodea.

Conocimientos 1.1 Concepto de Química 1.2 Historia de la Química ƒ La química y su relación con otras ciencias 1.3 Método científico

Aprendizajes esperados ƒ Contrasta el concepto de la Química, su historia, sus aplicaciones e implicaciones con la vida cotidiana. ƒ Distingue la interrelación de la Química con otras ciencias, de acuerdo a su contexto, reconociendo el impacto de ésta en el desarrollo de la humanidad. ƒ Argumenta la utilidad del método científico para proponer posibles soluciones a problemas del entorno, relacionados con las ciencias experimentales.

Habilidades ƒ Reconoce a la Químca como ciencia y la relaciona con otras disciplinas. ƒ Describe el desarrollo de la Química a través del tiempo. ƒ Explica las características de cada uno de los pasos del método científico.

Evaluación diagnóstica Competencias genéricas 4.5 Maneja las tecnologías de la información y la comunicación para obtener información y expresar ideas. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 8.1 Propone maneras de solucionar un problema o desarrollar un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos.

Competencias disciplinares 1.

3.

5.

14.

Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la derecha. 1. La Química se define como: a) Ciencia que estudia la materia y sus transformaciones. b) Ciencia experimental que estudia los átomos. c) Ciencia que estudia la energía y sus manifestaciones. d) Ciencia que estudia la naturaleza y sus fenómenos físicos y químicos.

2. Es la cantidad de partículas contenidas en una sustancia: a) Peso

c) Materia

b) Masa

d) Energía

3. ¿Por qué es importante el estudio de la Química? a) Conocer la materia. b) Identificar los componentes de las sustancias. c) Para vivir mejor. d) Para ahorrar energía.

4. Demócrito definió a los átomos como: a) Las partículas de menor tamaño posible. b) Mínima porción de un compuesto. c) Aquellas partículas indivisibles. d) Los elementos presentes en la naturaleza.

5. Científico destacado en la Edad Media: a) Roger Bacon

c) Al Razi

b) Alberto Magno

d) Geber

6. El método científico se define como: a) Lo que define y diferencia el conocimiento de la ciencia del conocimiento común. b) Los pasos necesarios para lograr una investigación. c) El sentido común para descubrir algo nuevo. d) El procedimiento para explicar un fenómeno natural.

7. Métodos aplicados con mayor frecuencia en la investigación química:

Actitudes ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Muestra interés por participar en actividades experimentales y de campo. Promueve el trabajo metódico y organizado. Resuelve situaciones de forma creativa. Privilegia el diálogo para la construcción de nuevos conocimientos. Muestra un comportamiento propositivo en beneficio del entorno.

a) Deductivo

c) Hipotético

b) Inductivo

d) Experimental

8. Es el siglo que marca el surgimiento de la Química como ciencia: a)

XV

c)

XVII

b)

XVI

d)

XVIII

9. Científicos que surgieron en los siglos XVI

y XVII, respectivamente:

a) Galileo y Newton

c) Lavoisier y Rutherford

b) Torricelli y Boyle

d) Priestley y Cavendish

1

Química como herramienta de vida

Situación didáctica ¿Se vive mejor ahora que antes? Para contestar esta pregunta es necesario que entrevistes a un conocido, a tus padres o abuelos. Con tu grupo, deberás decidir cuáles preguntas incluirás en las entrevistas. A continuación se dan algunos ejemplos; puedes emplearlas o desarrollar tus propias preguntas, pero todos los equipos aplicarán las mismas para que sea posible comparar los resultados. 1. Describe la localidad donde vivió cuando era niño(a) (urbana, suburbana o rural). 2. ¿Cuál era la fuente principal de calefacción en la casa donde pasó su infancia? 3. ¿Cómo se abastecía esa fuente de calor? ¿Tenía que conseguir el combustible o era entregado en su casa? 4. ¿Cuál era la fuente principal de iluminación en la casa donde vivió su infancia? ¿Qué fuente de energía se empleaba para obtenerla? 5. ¿Cuál, si lo había, era el medio principal de transporte público? 6. ¿Cuál era el medio principal de transporte privado? 7. ¿Qué combustible se empleaba para cocinar? 8. Si compraba sus alimentos en vez de cultivarlos o criarlos, ¿cómo estaban empacados? 9. ¿En qué clase de recipiente se obtenía la leche? 10. ¿Qué clase de jabón se empleaba para lavar la ropa? 11. ¿Cuáles eran las telas principales que se empleaban para la fabricación de ropa? Antes de realizar la entrevista, cada equipo deberá practicarla con uno de sus miembros. Esto dará información actual que podrá compararse y te ayudará a mejorar tus habilidades como entrevistador.

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Grupo Editorial Patria ®

Secuencia didáctica Trabajo individual: „

Evidencias a recopilar

Haz una investigación, sobre cómo se vivía en el siglo pasado.

„

Investigación individual sobre el tipo de muebles actuales y los del siglo pasado, los medios de comunicación actuales. Qué instrumento usaban para realizar cálculos, escribir documentos; cocinar, transportarse, etcétera.

„

Escribe en media cuartilla qué tipo de vida prefieres, la pasada o la presente, de acuerdo con los avances tecnológicos.

„

¿Puedo distinguir entre cómo se vivió en el siglo pasado y cómo se vive en el actual, según mi propia concepción?

„

¿Puedo identificar algunas ventajas de vivir en el siglo pasado? ¿Cuáles?

„

¿Puedo identificar algunas desventajas de vivir en el siglo pasado? ¿Cuáles?

„

¿Puedo identificar algunas ventajas de vivir en el siglo presente? ¿Cuáles?

„

¿Puedo identificar algunas desventajas de vivir en el siglo presente? ¿Cuáles?

„

Me relacioné con los demás compañeros de forma colaborativa.

„

Promoví un trabajo metódico y organizado.

Trabajo en equipo: „

„

Cada integrante del equipo presenta los resultados de su investigación, de manera que todos definan un concepto propio sobre la vida en el siglo pasado respecto al siglo actual, promoviendo un trabajo metódico y organizado. El equipo hará una presentación de los resultados de esta investigación, mostrando un comportamiento propositivo en función de la información presentada.

Rúbrica Con la dirección del profesor organicen un debate sobre las ventajas modernas en tecnología respecto al pasado, en relación con el uso de las tecnologías de la información y la comunicación. Pueden utilizar como guía las siguientes preguntas. „

¿Cuántos aparatos de tu casa dejarían de funcionar sin electricidad? Enúncialos.

„

¿Qué harías si no tuvieras energía eléctrica en tu casa?

„

¿Qué propones para combinar la modernidad con la ecología?

„

¿Existía la contaminación ambiental? ¿Por qué?

Con el propósito de revisar el logro de tu aprendizaje responde lo siguiente: „

¿Leí todo el contenido del bloque?

„

¿Cuando lo hice comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta que lo comprendí?

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Química como herramienta de vida

1.1 Concepto de Química Actualmente la Química tiene gran relevancia por el avance científico y tecnológico de las civilizaciones presentes, y se ha convertido en una ciencia muy común entre los individuos. Prácticamente todo lo que nos rodea está constituido de sustancias químicas: alimentos, ropa, los edificios y casas en donde vivimos, las calles por donde transitamos, los vehículos; nuestro cuerpo mismo también está constituido de elementos químicos. Por medio de la Química, la Medicina ha logrado avances notables, como la erradicación de muchas enfermedades mortales; por ejemplo, la polio, tifoidea y difteria, entre otras. Aunque la gente no haya realizado estudios específicos sobre esta materia, es frecuente escuchar el siguiente comentario respecto a dos personas que se atraen: “hay química entre las dos”; también es común: “toma dos litros diarios de H2O y tendrás una buena salud”. Asimismo, se oye hablar con frecuencia, en todos los ámbitos del calentamiento global con sus graves consecuencias ambientales. También en relación con la Química y ante el incremento del número de metrópolis, como la Ciudad de México, Guadalajara y Monterrey, la palabra esmog es muy común. Por otra parte, la amplia variedad de productos derivados de esta ciencia son empleados diariamente en la casa, el trabajo, la escuela y otros lugares. Actividad transversal

Ambiental Las aplicaciones de la Química están presentes en todos los objetos y actividades cotidianas, los cuales llevan un componente químico que permite y facilita realizar nuestras actividades. En equipos de cinco integrantes realicen una investigación de campo en la que identifiquen las aplicaciones e implicaciones de la química presentes en al cotidianidad sobre el uso racional del agua potable H2O, la cual está compuesta por hidrógeno y oxígeno, además de contener ciertas sales, algunos minerales y otras sustancias disueltas en ella, también deberán describir qué acciones pueden llevar a cabo para hacer uso adecuado de este vital líquido, enfatizando actitudes de valor para un mejor cuidado de ésta y así fomentar una educación ambiental que ayude al desarrollo sustentable de su entorno.

Efectivamente, la Química se relaciona directamente con éstos y otros procesos, situaciones y productos, de ahí la importancia de conocer más de ella. La Química es la ciencia que trata de la naturaleza y composición de la materia y de los cambios que ésta experimenta; su estudio es muy importante para el ser humano, ya que se aplica a todo lo que le rodea, por ejemplo, en el lápiz que utilizas, en las páginas de este libro o de tu cuaderno, en el bolígrafo, en el perfume o en la loción que usas; en la ropa que te pones, en los zapatos, en los alimentos que ingieres; en fin, en todo. 6

Figura 1.1 La Química ha permitido un notable avance en el desarrollo de la civilización actual, pero también debemos cuidar nuestro medio ambiente.

Utilizamos todos nuestros sentidos (vista, oído, gusto, olfato y tacto) para percibir los objetos que tenemos a nuestro alcance, y la Química interviene en los cambios internos y externos que se realizan en nuestro organismo y a nuestro alrededor para percibirlos. El hombre se beneficia de las aplicaciones prácticas de la Química, ya que la vida moderna no sería tan cómoda si no tuviéramos la Actividad transversal

Comprensión lectora ¿Cuánto vale el cuerpo humano? En términos puramente químicos, la vida humana cuesta cerca de veinte pesos. La razón es muy simple: cerca de tres cuartas partes de nuestra masa es agua (y ésta casi siempre es barata); el resto, fundamentalmente carbono, oxígeno e hidrógeno (se presenta gratis en el aire). En pequeñas cantidades tenemos nitrógeno y fósforo, y todavía en menor proporción hierro, sodio, potasio, etc. En conclusión: como dice la canción “la vida no vale nada…”

Figura 1.2 Cada elemento de nuestro cuerpo es indispensable para su buen funcionamiento.

Actividad: Redacta una breve reflexión sobre la idea principal de esta lectura.

Grupo Editorial Patria ® tecnología que proporciona esta ciencia. Por ejemplo, junto con los físicos (en el diseño de circuitos electrónicos), los químicos han desarrollado nuevos materiales, como los plásticos de alta durabilidad, que permiten un amplio uso de los teléfonos celulares, computadoras personales (laptop), entre otros o los radiotransmisores que han revolucionado la comunicación, como los televisores portátiles, las cámaras digitales, etcétera.

„

Trabaja de manera colaborativa con tus compañeros para realizar un collage de todas las ideas que surgieron en el grupo, exponerlo de forma clara, asertiva y empática a la comunidad estudiantil de tu escuela y empezar a concientizar y sensibilizar sobre la importancia que tiene llevar a cabo medidas para prevenir y disminuir los graves problemas de la contaminación ambiental que se presentan en su comunidad.

Actividad formativa Para quienes viven en la Ciudad de México, una de las urbes más grandes del mundo y la más contaminada respecto al aire, es indudable que las soluciones a los problemas de contaminación tienen que dividirse de acuerdo con la asignación de responsabilidades y, desde luego, fijando tiempos para cumplir éstas. La principal fuente de contaminación del aire de la Ciudad de México es la combustión no controlada en los motores de los automóviles particulares y los camiones de carga. Los controles de esas emisiones se realizan actualmente en los llamados verificentros. Sin embargo, estas medidas no han sido ni serán aceptables en tanto las autoridades las impongan y los usuarios acepten esa imposición. Modernizar al parque vehicular en la ciudad es otra opción para disminuir la combustión no controlada; sin embargo, está llevándose a cabo de manera pausada por varios factores, entre los que destaca el bajo poder adquisitivo de la mayoría de la población, que imposibilita prácticamente la adquisición de un auto nuevo.

Actividad formativa Investiga los olores más comunes que se pueden percibir al visitar los siguientes lugares. De estos olores anota los productos que los generan y sus posibles elementos químicos, por ejemplo: Alberca Agua y cloro (H2O y Cl) Al finalizar, menciona la importancia que tiene la química como parte de la vida diaria. a) Tienda de abarrotes

b) Reparadora de calzado

Además, los combustibles que utilizamos no son óptimos para una buena combustión, por ello proponemos algunas soluciones posibles:

c) Lavandería

1. Reducir en un lapso de 20 años el uso de motores que funcionen con gasolina; se sugiere el uso de la electricidad o combustibles alternos no contaminantes, como el gas natural o el hidrógeno.

d) Tintorería

2. Control estricto o relocalización de plantas industriales y negocios que emitan gran cantidad de contaminantes.

e ) Hospital

3. Evitar el uso de aerosoles o productos que contengan o desprendan hidrocarburos.

Actividad „

Con base en lo que acabas de leer, investiga junto con tus compañeros, cuáles son las principales fuentes de contaminación del aire, agua y áreas verdes de tu estado, comunidad, municipio o colonia; menciona algunos métodos de prevención que puedes realizar como iniciativa para disminuir este problema que afecta al medio ambiente.

f ) Consultorio dental

g) Mercado

h) Cine

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Química como herramienta de vida

Figura 1.3 Gracias a la química, se han descubierto pigmentos que resisten la corrosión.

Los polímeros (compuestos químicos derivados del petróleo) han revolucionado la industria automotriz; por ejemplo, la carrocería de los automóviles es una resina de poliéster (un ejemplo de polímero) reforzada con fibra de vidrio y que lleva pintura aplicada con bicapa, que la hace lucir más atractiva. En el interior, algunos automóviles tienen accesorios que sirven para reproducir discos compactos, MP3 y MP4, ver una película (DVD) con gran fidelidad en imagen y sonido; también cuentan con diversos accesorios de seguridad y que proporcionan comodidad. Por otro lado, en la industria de la construcción hay una gran variedad de materiales nuevos, más económicos, resistentes y vistosos, que permiten dar mejores acabados y ahorros económicos, al reducirse el tiempo de construcción. El uso de las tecnologías actuales, como Internet, han favorecido el desarrollo tecnológico de la humanidad, al acercar a los diversos investigadores de todo el mundo a compartir sus descubrimientos con otros colegas, con el consecuente ahorro de dinero, esfuerzo y tiempo, ya que el uso de la computadora es indispensable en su trabajo cotidiano, en la solución de los problemas y retos que enfrenta la humanidad. La ingeniería química llegó a su madurez como ciencia de los procesos de transformación física y química de la materia por medio de las siguientes etapas: „

„

„

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Surgimiento: Arthur D. Little propuso el concepto de operación unitaria (1915-1920) y organizó la disciplina por primera vez (Walker, Lewis y Mc Adams, 1923). Nacimiento y desarrollo: se propone el concepto de fenómenos de transporte de materia, energía y cantidad de movimiento en la década de 1950 (Bird, Stewart y Lighfoot, 1960). Dichos fenómenos sirven como base científica común a las operaciones unitarias (destilación, fluidización, agitación, mezclado, absorción, flujos, intercambio iónico). Organización: a partir de 1937 surge la rama denominada “ingeniería de las reacciones químicas”, dedicada al estudio y al diseño de los equipos en los que se efectúan las reacciones químicas, es decir, de los reactores químicos.

Figura 1.4 Materiales naturales y sintéticos.

Actividad formativa La Química es la ciencia que se encarga de estudiar los cambios experimentados en la composición de la materia; explica esta definición mediante varios ejemplos de los procesos químicos que se dan en la vida cotidiana, argumenta tus respuestas con base en la relación que existe entre lo teórico y lo práctico.

Actividad Completa y analiza la información del cuadro e indica la utilidad y tipo de material de los objetos y sustancias que se mencionan, posteriormente describe la importancia de reconocer estos productos para darles un buen uso y contribuir a la conservación de los recursos naturales de tu entorno. Finalmente, describe cómo se relaciona la información que obtuviste con el estudio de ciencias como la física, la biología o las mátemáticas, y destaca la importancia de cada una en situaciones de la vida cotidiana. Identifica qué tipo de problemas se generan con el uso inadecuado o excesivo de productos químicos y explica de manera clara las implicaciones que éstos generan en el entorno. Objeto o sustancia Zapatos de playa

Aceite de maíz

Bolsa de hule

Tela de nylon

Utilidad

Tipo de material

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Objeto o sustancia

Utilidad

Tipo de material

Producto

Utilidad

Sustancia que contiene

5.

Penicilina

6. Azúcar

En la actualidad podemos referirnos al personal químico como especialistas por el área en que laboran. Por ejemplo: químico nuclear, químico ambiental, químico farmacéutico, bioquímico, fisicoquímico, químico en alimentos, químico agroquímico, químico orgánico, etcétera.

Botella de agua

Figura 1.6 Diversas aplicaciones de la química.

Figura 1.5 Es necesario reciclar una serie de productos comerciales como los envases de plástico o de aluminio que contienen diversas bebidas.

Actividad formativa con ǫǠǚ 1. Anota seis productos químicos que encuentres en tu casa (de preferencia en la cocina), explica su utilidad en casa, investiga en Internet su utilidad en la industria y busca en la etiqueta las sustancias que contengan. 2.

Producto 1. 2. 3. 4.

Utilidad

Sustancia que contiene

„

„

Fase final: el tratamiento global o macroscópico, mejor dicho, la “ingeniería de sistemas” y la modelación sistémica asociada (década de 1960). Como se puede observar, el campo de estudio de la Química es tan amplio que es imposible para una persona conocer todo cuanto se ha descubierto en esta ciencia, por lo que han surgido divisiones o especializaciones, como: la química general o descriptiva; la fisicoquímica, que estudia los sistemas químicos en términos de las leyes y los conceptos de la física; la química inorgánica, que trata de la composición y organización de la materia mineral; la química orgánica, que estudia los compuestos del carbono, ya sean naturales o de los seres vivos, y los sintéticos o producidos artificialmente; la química analítica, que se ocupa del reconocimiento y cuantificación de los materiales que constituyen cualquier objeto; la bioquímica, que estudia todas las sustancias que intervienen en los procesos vitales, constituidas por aminoácidos, proteínas, vitaminas, lípidos, etc. Asimismo, la ingeniería química estudia los procesos industriales existentes para mejorarlos tecnológicamente y hacerlos más rentables, entre otras muchas especializaciones. 9

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Química como herramienta de vida

1.2 Historia de la Química Grecia

Figura 1.7 Los cuatro elementos de la naturaleza.

Fuego (Ángel)

Calor

Seco

Tierra (Bestia)

Aire (Ave) Húmedo

Frío

Agua (Dragón)

Figura 1.8 Los cuatro elementos de los filósofos griegos: aire, agua, tierra y fuego.

Figura 1.9 Aristóteles.

10

Figura 1.10 Leucipo.

Tales de Mileto (639-546 a. C.). Es considerado como el primer teórico que se preocupó por la transformación de una sustancia en otra, se planteó las siguientes preguntas: si una piedra azul se convirtiera en cobre rojo, ¿la naturaleza de la sustancia sería de piedra, de metal o de ambas? Se planteó también la posibilidad de que una sustancia se transformara en otra por medio de un número definido de pasos; pero éstos sólo eran aspectos de una materia básica o elemento, ya que para él este elemento era el agua. En el párrafo anterior se enuncia en forma breve uno de los pensamientos más profundos que ha tenido el género humano; tal vez sea falso y obsoleto, pero fue el primer pensamiento sobre el origen básico de toda la materia. Anaxímenes de Mileto (585-524 a. C.). Postuló que el aire podía ser comprimido y originar una materia sólida; por tanto, el elemento básico podía ser el aire. Heráclito de Efeso (535-484 a. C.). Propuso que si el cambio era lo que caracterizaba al Universo, se debería buscar un elemento en el que el cambio fuera lo más notable y, por tanto, el elemento básico sería el fuego. Empédocles (495-430 a. C.). Se planteó, ¿por qué sólo un elemento básico? Podían ser varios: agua, aire, fuego y añadió tierra. Aristóteles (384-322 a. C.). Aceptó la doctrina de los cuatro elementos básicos, pero los concibió como pares de propiedades opuestas: frío-calor, humedad-sequedad. Las propiedades opuestas no se pueden combinar entre sí. Debido a lo anterior, se forman cuatro parejas distintas que darán origen a un elemento: calor y sequedad dan lugar al fuego; calor y humedad, al aire; frío y humedad, al agua, frío y sequedad, a la tierra. Además, asignó como quinto elemento al cielo, el éter (resplandecer), el cual era un elemento perfecto, ya que lo observaba inalterado. Los cuatro elementos anteriores eran imperfectos. Leucipo (450-370 a. C.). Planteó que la materia por muy pequeña que sea, siempre es capaz de dividirse en trozos cada vez más pequeños hasta que ya no se pueda dividir. Demócrito (460-370 a. C.). Llamó átomos (sin división) a las partículas de menor tamaño posible. Además, supuso que los átomos de cada elemento eran diferentes en tamaño y forma, razón por la cual le asignaba a los elementos propiedades distintas y también que una sustancia podía transformarse en otra alterando la naturaleza de la mezcla. Las ideas de Demócrito no fueron aceptadas en su tiempo, pero sí dos mil años después; su teoría perduró en parte en los poemas de Epicuro (341-271 a. C.) y Lucrecio Caro (99-55 a. C.). Es interesante mencionar la renovación que estos pensamientos implican y resaltar que los filósofos griegos se basaban en la observación y no en la experimentación para emitir sus teorías.

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Figura 1.11 Demócrito.

Figura 1.12 Epicuro.

Cultura helénica Ptolomeo I (367-283 a. C.) y Ptolomeo II (308-246 a. C.). Fundaron en Alejandría el templo dedicado a las musas, que derivó en lo que hoy se conoce como museo, el cual era propiamente un lugar dedicado a la investigación de las ciencias y donde también se coleccionaban objetos de arte, así como una biblioteca. Al unirse las culturas egipcia (experimental) y griega (teórica), los jonios aceptaron el misticismo en la ciencia, fenómeno que retrasó el avance del conocimiento. El arte de khemeia apareció estrechamente relacionado con la religión, y la gente común asociaba extraños poderes a aquellos que practicaban estas artes (magos); esto provocó el surgimiento de un lenguaje escrito en forma de clave para la práctica de la khemeia. En esta época ya se conocían siete metales y los siete cuerpos errantes en el cielo (cuerpos celestes). De esta manera se asocia a cada metal un cuerpo celeste: oro-Sol; plata-Luna; cobre-Venus; mercu-

Figura 1.13 Ptolomeo I y Ptolomeo II.

Figura 1.14 Zósimo.

rio-Mercurio; hierro-Marte; estaño-Júpiter; plomo-Saturno. Estos lenguajes confusos y la actitud mágica acerca del estudio de la materia retardaron el avance del conocimiento. Bolos de Mendes (pseudoDemócrito; 200 a. C.). Planteó la transmutación de un metal en otro para obtener oro. Con esta búsqueda se descubrieron aleaciones como la unión de cobre y zinc, que da por resultado el latón, que es dorado.

Dominación romana (100 a. C.) Con la dominación romana entra en decadencia el arte de khemeia y el conocimiento griego. Zósimo (300). Escribió una enciclopedia de 28 volúmenes donde describe al arsénico y al acetato de plomo como sustancias venenosas con sabor dulce. Diocleciano (245-311). Emperador romano que temeroso ante la posibilidad de que los enemigos pudieran obtener oro por me-

Figura 1.15 Diocleciano.

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Química como herramienta de vida

dios baratos y pusieran en peligro su imperio, ordenó quemar todo libro sobre khemeia. En esta época se perdió mucha información porque la biblioteca de Alejandría resultó seriamente mutilada a causa de los motines con los cristianos; fue un nuevo retraso al avance del conocimiento.

Dominación árabe Siglo vii. En esta época surgió el término “alquimia” y se mantuvo así hasta 1600. Se enriqueció el vocabulario químico con términos como: álcali, alcohol, nafta, circón, etcétera. Jabir Ihn-Hayyan (conocido en Europa como Geber, 721-815). Descubrió el cloruro de amonio, preparó el albayalde (carbonato de plomo), obtuvo el ácido acético por destilación del vinagre y preparó ácido nítrico. Aunque su fama la obtuvo por los estudios en transmutación de los metales, se debe considerar a Geber como el primer descubridor de los ácidos. Él creía que la mezcla mercurio-azufre produciría oro, a través de una sustancia seca y activadora, llamada al-iksir (elixir) y que en Europa se denominó piedra filosofal. En los siglos siguientes se desarrollaron dos aspectos fundamentales de la alquimia: el estudio de los minerales con la finalidad de obtener oro y el aspecto médico, cuyo objetivo era encontrar la panacea (remedio o solución para cualquier mal). Al Razi (Rhazes, 865-925). Inventó los emplastos para sellar huesos; en aquella época su seguidor Avicena fue el médico más importante.

Figura 1.18 Alberto Magno.

Alberto Magno (1200-1280) fue el primer alquimista europeo que descubrió el arsénico, aunque en forma impura.

La Química en la Edad Media Roger Bacon (1214-1294). Mostró interés en la idea de incorporar las matemáticas a la ciencia, idea que fue rechazada, y fue quien por primera vez inventó la pólvora negra, la cual causó estragos en los castillos medievales.

Después de tres siglos del liderazgo científico de los árabes, aparecieron los turcos y los mongoles. Sus victorias sobre el mundo islámico hicieron que ese liderazgo pasara a Europa. La herencia y culturas dejadas en la España árabe, que se tradujo al latín, despertaron el interés de las culturas de Occidente.

Seudónimo Geber (1300). Firmó sus trabajos con el nombre del árabe que descubrió el ácido acético. Este segundo Geber descubrió el ácido sulfúrico y el ácido nítrico fuerte, a los que denominó ácidos minerales. Su descubrimiento ha sido más importante para la humanidad que la transmutación de otros metales en oro; pero el hombre no lo consideró así y siguió en su persecución por el oro.

Figura 1.16 Jabir Ihn-Hayyan, Geber.

Figura 1.19 Roger Bacon.

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Figura 1.17 Al Razi, Rhazes.

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Figura 1.20 Seudónimo Geber.

Figura 1.21 Los alquimistas, grandes precursores de la Química moderna.

Figura 1.24 Isaac Newton.

Figura 1.25 Torricelli.

Papa Juan XXII (1299-1339). Declaró que la alquimia era un anatema y el conocimiento químico sufrió un tercer decaimiento. Desde entonces los alquimistas trabajaron a escondidas y en sus escritos emplearon símbolos más confusos. En este siglo se descubrió la brújula.

decadencia y resurgió en el siglo xviii como la ciencia que hoy se conoce como Química.

Caída del Imperio Bizantino (1453). En esta época los griegos recuperaron Constantinopla y reconstruyeron sus bibliotecas.

En los siglos xvi y xvii surgieron figuras como Galileo y Newton que aportaron bases para el enriquecimiento del conocimiento y la importancia de la medida y la cuantificación.

Época moderna Libarius (1550-1616). Publicó el primer texto de Química en 1597 y descubrió por primera vez el ácido clorhídrico, el tetracloruro de estaño, el sulfato de amonio y preparó el agua regia. Después tuvieron lugar los descubrimientos aislados, por ejemplo, el sulfato de sodio. En el siglo xvii la alquimia entró en una etapa de

Figura 1.22 Libarius.

Figura 1.23 Galileo Galilei.

En ese momento la realidad económica necesitaba del aprovechamiento de los minerales y de las medicinas, y no de la irracional búsqueda del oro.

El estudio de los gases lo realizó el italiano Torricelli (16081647); el alemán Gwerike (1602-1686); y el irlandés Boyle (1627-1691), quien de todos ellos fue el único químico. Los experimentos de Boyle sobre los gases mostraban un panorama halagador para los atomistas de esa época, pero Boyle aún creía en la transmutación de los metales. En 1680 preparó fósforo a partir de orina, pero este descubrimiento fue reconocido hasta doce años después de Brand.

Figura 1.26 Cavendish.

Figura 1.27 Lavoisier.

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Química como herramienta de vida

Figura 1.28 Boyle.

Figura 1.29 Máquina de vapor.

En esta época se originó la teoría del flogisto y, en 1700, Salavery construyó la máquina de vapor. En el siglo xviii, la proliferación de las aportaciones en la Química surgió como una respuesta al reconocimiento como ciencia que de ella se estableció. Se descubrieron los siguientes gases: hidrógeno por Cavendish, oxígeno por Lavoisier, nitrógeno por Rutherford y Lavoisier, dióxido de carbono por Priestley; se aislaron nuevos metales; níquel, manganeso y molibdeno; Lavoisier estableció la ley de la conservación de las masas. En el aspecto de la química de productos orgánicos se descubrieron nuevos ácidos; por ejemplo, el tartárico y el cítrico. Dalton emitió su teoría atómica sobre la combinación de átomos para formar moléculas.

Figura 1.30 Rutherford.

Siglos XIX y XX El siglo xix es el siglo de la explosión en la química del carbono, Whöler sintetizó la urea, Vanthall estableció que el átomo de carbono es tetraédrico y el aislamiento y síntesis de colorantes cobró gran importancia. Kekulé estableció la fórmula del benceno. A principios del siglo xx, Werner estudió la química de los compuestos metálicos y originó la química de coordinación. La química de explosivos se desarrolló notablemente a causa de las Primera y Segunda Guerras Mundiales. Se aislaron antibióticos y en los últimos 40 años el aspecto de investigación en química se tornó inmenso.

La química y su relación con otras ciencias Históricamente, las ciencias naturales a las cuales pertenece la Química se han relacionado con la observación de la naturaleza, es decir, del mundo físico y biológico que nos rodea. Las matemáticas son fundamentales para esta ciencia, en la cuantificación de los fenómenos químicos (desde la estequiometría hasta el cálculo de los tiempos de vida media de los elementos radiactivos); los laboratorios e industrias utilizan un sinnúmero de conocimientos provenientes de otras ciencias; la Química utiliza modelos generados por la Física; la Biología y las disciplinas asociadas a ella aportan a la Química conocimientos fundamentales sobre las sustancias necesarias para el funcionamiento de la vida.

Figura 1.31 La química de explosivos se desarrolló en la Primera y Segunda Guerra Mundiales.

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Una clasificación tradicional de la Química se representa en el mapa conceptual que se muestra en la página 15, en donde se observa la relación con otras ciencias, como la Física, Biología, Astronomía, Geología, etcétera. Sin embargo, a través del gran desarrollo tecnológico actual, la distancia entre las diversas ciencias se acorta, surgiendo nuevas ciencias como: Biomedicina y Bioquímica.

Grupo Editorial Patria ® "K@RHƥB@BH®MSQ@CHBHNM@KCDK@RBHDMBH@RM@STQ@KDRXQDK@BH®MCDK@0T¨LHB@BNMNSQ@RBHDMBH@R

MATEMÁTICAS

Requieren

CIENCIAS NATURALES

Inmunología

Toxicología

Farmacología

BIOQUÍMICA

Patología

Quinta médica

CIENCIAS FÍSICAS Estudio de la materia y energía

GEOLOGÍA

ASTRONOMÍA

Geoquímica

Cosmoquímica

Analítica

Determinación de la estructura y composición

Física

Procesos físicos básicos de la Química

FÍSICA

CIENCIAS BIOLÓGICAS Estudio de los organismos vivos

QUÍMICA

BOTÁNICA

ZOOLOGÍA

Plantas

Animales

Fisicoquímica

Orgánica

Compuestos de carbono

Inorgánica

Biología celular

Genética

Ecología

Funciones y estructura de la célula

Herencia

Medio ambiente

Microbiología

Fisiología

Organismos microscópicos

Funciones

Los demás compuestos

15

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Química como herramienta de vida Actividad formativa

Propiedades térmicas de los materiales Instrucciones: Lee las siguientes preguntas y contesta brevemente cada una de ellas, y al final anota tus conclusiones al respecto. 1. ¿Qué esperarías que se sintiera más fresco al tacto en un día caluroso y bajo el sol? a) ¿Una acera de concreto o una de asfalto? b) ¿Un asiento de bicicleta de plástico negro o uno de piel de borrego de color claro? 2. ¿Esperarías que la temperatura media fuera más baja durante un invierno con nieve abundante, o en uno con poca nieve? 3. ¿Por qué es el agua [capacidad calorífica 4.2 J/(g °C)] un fluido más apropiado para una bolsa de agua caliente que el alcohol [capacidad calorífica 2.6 J/(g °C)]? 4. La arena de la playa se siente más caliente que el césped en un día caluroso. ¿Qué es más importante en este fenómeno: la capacidad calorífica o la reflectividad? 5. ¿Por qué desciende más la temperatura en una noche despejada y fría que en una noche nublada, también fría? 6. ¿Cuál de las dos ciudades de tamaño medio que siguen, situadas en la misma latitud y longitud, esperarías que fuera más calurosa en el verano? ¿Por qué?

Q

Lavar la ropa y los trastos con jabones biodegradables.

Q

Utilizar detergente biodegradable y sólo usar la cantidad necesaria para así evitar grandes cantidades de espuma.

Q

No arrojar al drenaje solventes o residuos de aceites, petróleo, etcétera; tampoco tirarlo al suelo.

Q

Usar el cloro necesario para lavar la ropa.

Q

No arrojar basura en el drenaje.

Actividad: Al finalizar la lectura, indica cómo se relaciona con el contexto en el que vives y con los conocimientos que se han desarrollado hasta el momento. Coméntalo durante la clase.

a) Una ciudad con muchas calles de asfalto y edificios de concreto. b) La misma ciudad, pero situada cerca de una gran masa de agua. 7. ¿Es posible alterar el equilibrio térmico de nuestro planeta? ¿Afecta al clima la actividad humana?

Actividad transversal

Comprensión lectora El agua es la sustancia fundamental para sobrevivir a lo largo de la historia y día a día con el crecimiento de la población se hace indispensable su uso racionado y el no contaminarla, por lo que a continuación se sugiere tomar algunas medidas preventivas. Q

Mantener cerrados y con tapa los depósitos de agua.

Q

Asear por lo menos una o dos veces al año las cisternas, así como los tinacos cuando estén conectados a la cisterna.

Q

No arrojar desechos de ningún tipo a los depósitos o cubetas de agua.

Q

Mantener limpios y aseados los bebederos.

Q

Evitar las fugas de agua manteniendo llaves y muebles sanitarios en buen estado.

16

1.3 Método científico La Química se desarrolla día tras día e interviene en todos los aspectos de nuestro acontecer, hasta el momento mismo de la muerte. Al observar algún objeto detenidamente podemos preguntarnos: ¿de qué material está hecho? ¿A quién se le ocurrió fabricarlo? ¿Con qué motivo? ¿En qué momento lo hizo?, etcétera. La solución de éstas y otras interrogantes ha proporcionado fuentes de sabiduría y entendimiento para que la Química haya logrado grandes avances, en combinación con otras disciplinas (electrónica, mecánica, biología, computación, medicina, etcétera), las cuales han dado como resultado que el hombre goce de una vida más cómoda. En la Antigüedad, la Química sólo utilizaba sus hallazgos empíricos sin entender el principio de estas observaciones. El triunfo del método experimental en el siglo xix y la racionalización científica de él en el siglo xx originaron la investigación en química de acuerdo con el método científico. La expresión método científico se utiliza con diferentes significados y, a menudo, se abusa de ella para justificar una determinada posición personal o social con relativo desconocimiento de la complejidad del concepto. Como su propio nombre indica,

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Figura 1.32 La observación es uno de los pasos del método científico.

Figura 1.33 Diseño de experimentos.

representa la metodología que define y diferencia el conocimiento de la ciencia de otros tipos de conocimientos.

Ambos suelen ser susceptibles de contrastación empírica. Aunque el método deductivo es más propio de las ciencias formales y el inductivo de las ciencias empíricas, nada impide la aplicación indistinta de un método científico u otro a una teoría concreta.

La filosofía de la ciencia crea el método científico para excluir todo aquello que tiene naturaleza subjetiva y, por lo tanto, no es susceptible de formar parte de lo que denomina conocimiento científico. En última instancia, aquello que es aceptado por el sentido común propiamente dicho y, por ello, adquiere carácter de generalmente aceptado por la comunidad científica y la sociedad. El método deductivo, el método inductivo y el método hipotético-deductivo son los tres métodos científicos a que se refiere la denominación genérica de método científico. La primera característica del método científico es su naturaleza convencional; servir de marco de generación del conocimiento objetivo. Por ello existen múltiples características en función de la perspectiva con que se clasifiquen, se estudien e incluso se denominen. Lo primero que llama la atención es el hecho de que los dos primeros tienen un nombre difícil de distinguir, pues en el ámbito lingüístico, pueden representar un solo concepto con dos manifestaciones: razonamiento en una dirección o en la contraria, de lo general a lo particular o viceversa. El problema se deriva de la dificultad conceptual de separar un método científico de otro de una forma clara por tener elementos comunes; evidentemente los términos elegidos no ayudan a retener en la memoria estos dos conceptos de método científico. Tampoco ayuda mucho la denominación del tercer método científico. Una característica de ambos métodos es que pueden ir de lo general a lo particular o viceversa, en un sentido o en el inverso. Ambos utilizan la lógica y llegan a una conclusión. En última instancia, siempre tienen elementos filosóficos subyacentes.

La investigación en Química se lleva a cabo utilizando el método científico, que puede resumirse brevemente en los siguientes pasos o etapas: a) Observación del fenómeno. b) Planteamiento del problema. c) Formulación de la hipótesis. d) Planteamiento de los objetivos. e) Diseño del experimento. f) Obtención de resultados. g) Conclusiones.

Identificación de problemas y formulación de preguntas de carácter científico El razonamiento constituye un estricto proceso de deducción, del cual están excluidos la imaginación y el pensamiento intuitivo. La identificación del problema es la pregunta científica por resolver, se expresa mejor con una pregunta abierta. Las expresiones del pensamiento constituyen preguntas y problemas por resolver, o bien, respuestas y soluciones a las indagaciones realizadas. En este sentido, el curso del conocimiento científico consiste en una sucesión ininterrumpida de problemas que surgen a partir de los resultados obtenidos en las investigaciones anteriores y se resuelven mediante el razonamiento y la experimentación. 17

1

Química como herramienta de vida

Para encontrar la solución de esos problemas, la actividad científica ha establecido procedimientos adecuados y establece continuamente otros nuevos. Entre ellos se encuentran los experimentos que nos informan, exacta y completamente como es posible, acerca de los procesos naturales y sociales, lo mismo que sobre sus conexiones activas y su mutua causalidad. También se encuentran las teorías, que nos permiten reunir los resultados de los experimentos en una explicación común, necesaria y suficiente. Por último, tenemos la aplicación de dichas teorías para intervenir, de manera directa y concreta, en el comportamiento de los procesos de la sociedad y de la naturaleza, haciendo que produzcan la satisfacción de las necesidades humanas y resolviendo prácticamente, de esta manera, los problemas que impulsan la propia actividad científica. En términos generales, por problema entendemos cualquier dificultad que no se puede resolver de manera automática, es decir, con la sola acción de nuestros reflejos instintivos y condicionados, o mediante el recuerdo de los que hemos aprendido anteriormente. Por otra parte, además de los problemas que nos imponen en forma directa las condiciones naturales y sociales en que vivimos, constantemente estamos creando o inventando otros problemas; por ejemplo, la explicación de los procesos recién descubiertos, la demostración de teoremas, la verificación de hipótesis, la decisión entre dos o más teorías en pugna, o bien, la transformación de la naturaleza y la sociedad.

Formulación de la hipótesis Es la explicación que nos damos ante el hecho observado. Su utilidad consiste en que nos proporciona una interpretación de los hechos de que disponemos, interpretación que debe ser puesta a prueba por observaciones y experimentos posteriores. Las hipótesis no deben ser tomadas nunca como verdaderas, debido a que un mismo hecho observado puede explicarse mediante numerosas causas. La finalidad de una buena hipótesis consiste solamente en darnos una explicación para estimularnos a hacer más experimentos.

Obtención y registro de información Primero, se hace un plan de cómo se probará la hipótesis, cuáles materiales y equipos serán necesarios, qué personas asesorarán y en qué lugar y tiempo se hará la investigación.

Experimentación Una vez que tengas clara tu hipótesis, debes diseñar la forma en que vas a demostrarla. Es decir, tienes que diseñar un experimento en el que puedas probar tu hipótesis. Lo anterior se conoce como plan de investigación o procedimiento experimental. Al diseñar un experimento es importante conocer lo que son variables y controles. Para 18

que un experimento te dé las respuestas en las que puedas confiar debe tener un control, es el punto de referencia neutral para poder comparar el efecto de los cambios que haces en tu experimento.

Contrastación de resultados En esta etapa del método se analizan los datos derivados de la experimentación para dar una explicación del comportamiento de los fenómenos que se observan, además de confrontarse la hipótesis con dicho comportamiento y así concluir si la hipótesis es satisfactoria o se requiere formular una nueva.

Comunicación de las conclusiones Se concluye finalmente aprobando o desechando o invalidando la hipótesis formulada y dando un resumen final de lo obtenido. Se sugiere el siguiente formato para presentar un informe de investigación:

„

Informe de investigación: • Título • Autor • Institución

„

Resumen

„

Introducción

„

Método • Sujetos • Instrumentos • Procedimiento

„

Resultados

„

Discusión y/o conclusiones

„

Referencias

Si se analiza la secuencia de pasos, se observa que el paso determinante es la formulación de la hipótesis. La historia ha mostrado la formulación de hipótesis falsas puede llevar a retrasos en el avance de la ciencia. Por ejemplo, la hipótesis de la transmutación de los metales es falsa. Ahora bien, aunque éstas sean las etapas ideales en el método científico, no siempre se puede llevar a cabo una investigación que cumpla fielmente con todas ellas. Ejemplo de las etapas del método científico en un problema sencillo. a) Observación. Aparición del arco iris después de la lluvia.

Grupo Editorial Patria ® b) Problema. ¿A qué se debe la aparición del arco iris? c) Formulación de la hipótesis. El arco iris es la descomposición de la luz blanca por las gotas de lluvia. d) Objetivo. Comprobación de la hipótesis por medio de la reproducción de un fenómeno natural en el laboratorio.

A continuación se muestra el esquema de la interrelación de actividades en el método científico:





(MSDQQDK@BH®MCD@BSHUHC@CDR DMDKL¤SNCNBHDMS¨ƥBN

e) Diseño del experimento. Se simula la luz solar con un foco de luz blanca y las gotas de lluvia con un prisma. Se alinean ambos objetos hasta encontrar las condiciones de distancia e intensidad que reproduzcan el fenómeno natural. f) Realización del experimento. Se ubica la fuente luminosa a una distancia dada del prisma y se gira sobre su eje hasta obtener el mejor arco iris artificial; se tienen dos variables:

Teoría

Observaciones

Hipótesis

Observaciones

Experimentos

Experimentos

A. La distancia del foco al prisma. B. El ángulo de recepción de la luz sobre el prisma. g) Obtención y manejo de resultados. La posición de la fuente luminosa se fija y se procede a acercar y alejar el prisma (variable A) y a guiarlo (variable B) hasta encontrar la mejor proyección del arco iris sobre la pantalla colocada para este fin. h) Conclusiones (emisión de una teoría en un caso dado). La luz visible está compuesta por la serie espectral de colores correspondientes a la región visible del espectro electromagnético. Los resultados que se pueden obtener de un experimento como éste pueden ir más allá del objetivo fijado, que es la comprobación de la hipótesis por la reproducción de un fenómeno natural; ya que además es posible obtener los colores que forman la luz blanca y su orden entre sí. Cuando las observaciones llevan implícito un problema más complejo, entonces los incisos b y d contendrán, respectivamente, diversos problemas y objetivos, y los resultados llevarán a la comprobación o negación de las hipótesis correspondientes. La Química, como la gran mayoría de las ciencias, pertenece a las ciencias factuales, es decir, que se fundamentan en hechos basados en la observación, experimentación y comprobación, siguiendo los pasos del método científico. Otro producto de la investigación científica es la ley científica. Una ley científica es un enunciado preciso que resume los resultados de una amplia variedad de observaciones y experimentos. Una ley científica es diferente a una teoría, ya que esta última no sólo describe el fenómeno natural; sino que, además, intenta explicarlo. Las leyes científicas a menudo se expresan con simples relaciones matemáticas. Su razón de ser corresponde al comportamiento de la naturaleza, por lo que generalmente no aparecen como obvias de una manera inmediata. Por ejemplo, el enunciado de la Ley de Boyle: “El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión ejercida sobre él”, cumple con este criterio (y es derivada de la teoría cinética de los gases).

Ley

Este esquema del método científico muestra cómo las observaciones experimentales nos llevan al desarrollo de hipótesis y teorías. Una ley científica resume los resultados de muchos experimentos, pero no explica el porqué del comportamiento observado; ésa es la función de la hipótesis y la teoría. Es importante mencionar que, aunque los científicos utilizan los mismos hechos científicos, a menudo están en desacuerdo en la forma en que el conocimiento científico debería ser usado. Por ejemplo, un químico puede crear un nuevo producto químico para su uso como pesticida, mientras que otro apunta los peligros (sobre todo ecológicos o ambientales) de éste. A continuación se presentan cuatro problemas para que realices una investigación en química, aplicando el método científico experimental. Problema 1. Enciende una vela y obsérvala detenidamente, ¿qué se está quemando?, ¿la cera?, ¿el pabilo?, ¿el aire?

19

1

Química como herramienta de vida

Problema 2. Después de un rato el tamaño de la vela disminuye, ¿se está perdiendo masa?

Selecciona uno de los cuatro problemas anteriores y para resolver el que hayas elegido, realiza cada uno de los pasos que se te indican a continuación. Recuerda que no hay un método único y no en todas las investigaciones se aplican todos los pasos. ¿Hacia dónde se va el calor?

Paso núm. 1. Delimitación del problema. De los cuatro problemas anteriores, selecciona uno y anótalo en tu cuaderno. Paso núm. 2. Formulación de la hipótesis.

Problema 3. Enciende una vela, colócala en un pequeño plato y cúbrela con un vaso grande. ¿Por qué se apaga si no dejas entrar aire?

Después de tu observación, establece una hipótesis que dé respuesta a las preguntas que se te hacen en el planteamiento del problema seleccionado. Paso núm. 3. Diseño del experimento. Está indicado el procedimiento a seguir en el problema seleccionado para que experimentes y puedas comprobar tu hipótesis. Paso núm. 4. Obtención de resultados. Al realizar el experimento anota los resultados que vayas obteniendo al observar detenidamente lo que ocurre durante el mismo.

¿Por qué se apaga cuando le soplas con fuerza?

Paso núm. 5. Conclusiones. Analiza los resultados obtenidos y emite las conclusiones correspondientes. Paso núm. 6. Presentación del informe.

Problema 4. Repite el experimento anterior, pero ahora coloca la vela en un plato con agua. ¿Por qué al apagarse la vela sube el nivel del líquido dentro del vaso? 20

Contrasta los resultados obtenidos en tu investigación-experimento con las hipótesis previas y comunica tus conclusiones de manera clara, asertiva y ordenada.

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Situación didáctica ¿El conocimiento surgido por serendipia es válido científicamente? Realiza la siguiente lectura sobre los temas: “Origen de la palabra serendipia” y “Cómo se han dado los descubrimientos en la historia de la Química”.

Origen de la palabra serendipia Si buscas la palabra “Serendipia” en el Diccionario de la Real Academia Española será infructuoso, no aparece. El término se le atribuye a Horace Walpole (1717-1791), noble inglés, escritor y crítico de arte que vivió en las afueras de Londres. En 1740, de viaje en Florencia, Walpole entabla amistad con Horacio Mann y aunque no vuelven a verse, mantienen una correspondencia de cerca de 1 800 cartas. Es precisamente en una de esas misivas (fechada el 18 de enero de 1754) que Walpole hace uso de la palabra “Serendipia” por primera vez… “serendipia, una palabra muy expresiva, que como no tengo nada mejor que decirte voy a intentar explicártela; la entenderás mejor por derivación que por definición. Una vez leí un cuento tonto llamado Los tres Príncipes de serendipia (se supone que Serendipo era el nombre antiguo de Ceylán, actualmente Sri Lanka), mientras sus altezas viajaban iban siempre haciendo descubrimientos, por accidentes y sagacidad, de cosas que no estaban buscando… ¿entiendes ahora lo que es “Serendipia”? Como lo hizo en su carta Walpole Mann, por derivación, usando para ello ejemplos que han trascendido hasta nuestros días.

Cómo se han dado los descubrimientos en la historia de la Química

Figura 1.34 Evolución de la tecnología.

El nacimiento de la Química puede situarse cuando el hombre primitivo se percata de su capacidad para mejorar lo que la naturaleza le ofrece. Al observar los fenómenos naturales descubre que las propiedades de lo que le rodea (materia) pueden

cambiar. Con el descubrimiento del fuego se encuentra en posición de resolver sus problemas diarios de una forma más efectiva. Usa el barro cocido para hacer ladrillos y desarrollar la alfarería. Por medio del método de prueba y error descubre la cerámica, el vidrio y el vidriado. Con ese mismo método avanza desde la Edad de Piedra, pasando por las de Bronce y Hierro, hasta las antiguas culturas, egipcia y griega. Los avances de lo que se podía considerar “Química” en ese tiempo contribuyeron al desarrollo de los fundamentos de la civilización. Son los filósofos griegos los primeros en proponer explicaciones acerca de la composición y estructura de la materia. La Química moderna nace de lo que puede considerarse una seudociencia: la alquimia. Los alquimistas se dedican a buscar técnicas para convertir la materia en oro y el elixir mágico de la vida (la fuente de la eterna juventud). Aunque nunca consiguen alcanzar sus objetivos, generan en esa incesante búsqueda un amplio caudal de conocimientos químicos. Este periodo se extiende hasta el siglo xviii de nuestra era. A partir del siglo xviii puede considerarse que inicia la Química moderna y con ella otro método de trabajo para producir descubrimientos: las investigaciones planeadas. El descubrimiento por una investigación planeada surge de la realización de experimentos específicos para probar una hipótesis bien definida. La naturaleza carcinogénica (que produce cáncer) de algunos compuestos, así como el diseño de drogas (basado en el conocimiento de las interacciones moleculares) que permiten su acción en sitios específicos del cuerpo, representan ejemplos de ello.  „ Priestley rompió un termómetro y la porción de mercurio que había adentro lo condujo al descubrimiento del oxígeno.  „ Takamine derramó un poco de amoniaco en una preparación de glándulas suprarrenales y obtuvo cristales de adrenalina.  „ Schoenbein derramó una mezcla de ácidos, sulfúrico y nítrico, en la cocina de su casa y al limpiarlos con el delantal de algodón de su esposa produjo el algodón pólvora (nitrocelulosa). En resumen, cada investigador estaba efectuando algún experimento cuando “accidentalmente” encontró algún fenómeno que no había considerado inicialmente.

Secuencia didáctica Trabajo individual „

Investiga tres descubrimientos que hayan sido por accidente.

„

Haz una investigación utilizando los contenidos de las lecturas anteriores sobre el concepto de investigación, método científico y serendipia.

Trabajo por equipos „

Cada miembro del equipo presenta los resultados de su investigación de manera colaborativa para que entre todos definan un concepto sobre serendipia y método científico.

21

1 „

„

Química como herramienta de vida

Discutirán entre todos si los descubrimientos hechos por serendipia, tienen la misma validez que los descubrimientos por el método científico, favoreciendo la intervención de todos y priviligiando el diálogo para obtener conclusiones. Presentar los resultados de esta investigación, en los que destaquen la importancia de llegar a acuerdos para construir nuevos conocimientos.

Evidencias a recopilar „

Investigación individual sobre dos descubrimientos por accidente.

„

Cinco descubrimientos que se lograron aplicando el método científico.

„

¿Qué importancia tuvieron para la Química moderna, los descubrimientos de los alquimistas?

Rúbrica Investigación individual que debe incluir: la definición de los conceptos solicitados, los datos básicos y estar escrita en letra legible. Con la dirección del profesor organicen un debate sobre el contenido de la lectura. La mitad del grupo debe defender lo que expone dicha lectura y la otra tiene que desacreditarlo. Utilizando su cuaderno, anoten ejemplos de la situación que describe la lectura y establezcan sus conclusiones. Pueden utilizar como guía las siguientes preguntas: „

¿Qué entienden por la palabra serendipia?

„

¿Consideran que por medio de la serendipia puede pronosticarse si hoy va a llover?

„

„ „ „ „

¿Alguna vez ustedes han obtenido conocimiento por serendipia?

Si la respuesta es afirmativa, ¿en qué casos? „

Con el propósito de revisar el logro de tu aprendizaje, responde los siguiente:

„

¿Por qué la serendipia ha sido importante para el estudio de la Química?

„

Me relacioné con los demás de forma colaborativa. Promoví un trabajo metódico y organizado. ¿Leí todo el contenido del bloque? Cuando lo hice, ¿comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta que lo comprendí? ¿Puedo definir con mis propias palabras serendipia? ¿Identifico la importancia de seguir el método científico en una investigación?

Actividad formativa Investiga qué producto se obtiene al fermentarse cada una de las siguientes sustancias. Sustancia

Producto obtenido en la fermentación

Sustancia

a) Uva

b) Manzana

c) Piña

d) Leche

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Producto obtenido en la fermentación

Grupo Editorial Patria ®

Producto obtenido en la fermentación

Sustancia

Explica brevemente lo siguiente. a) ¿Cómo se da el proceso químico de la fermentación?

e) Aguamiel

b) ¿Cuál es la importancia industrial de la fermentación? c) ¿Qué beneficios se obtienen con este proceso? d) ¿Cómo impacta en el contexto social al que perteneces?

Reúnete con dos o tres de tus compañeros o compañeras y realicen las siguientes actividades experimentales en casa. Sigan las instrucciones, contesten las preguntas correspondientes y elabo-

ren un informe escrito donde destaquen los resultados y presenten sus conclusiones. Contrasten sus respuestas con otros compañeros de grupo.

Actividad experimental

Elaboración de una pelota de hule

¿Por qué?

Propósito Obtener un producto de origen sintético. Material Q

50 g de bórax

Q

50 mL de agua caliente

Q

Pegamento blanco

Q

2 vasos de precipitados

Q

Un agitador

Q

Una cuchara

¿Qué pasa si cambian las cantidades utilizadas de bórax y pegamento para elaborar otra pelota?

Háganlo y registren la diferencia con la anterior: Anoten sus conclusiones y describan el impacto que tiene en el medio ambiente el mal uso de los productos de origen sintético:

Procedimiento 1. En un vaso de precipitados viertan una cucharada de bórax y cinco de agua caliente. Mezclen perfectamente con el agitador. 2. Agreguen dos cucharadas de pegamento y con las dos manos denle forma esférica. ¿Qué observan?

¿De qué tipo de material es la pelota?

23

1

Química como herramienta de vida Actividad formativa con ǫǠǚ

Actividad formativa

¿Una máquina copiadora de seres vivos? Instrucciones: Lee el siguiente texto y contesta las preguntas que se hacen al final. Sin duda alguna, si hubieran existido elecciones para escoger al animal del año en 1997, ¡Dolly habría ganado! Dolly no es una oveja cualquiera. Es un clon de otra oveja. Un clon quiere decir: una copia. La clonación significa copiar “a partir de una copia maestra”. Los científicos lograron crear una oveja (Dolly) idéntica a otra oveja que hizo las veces de “copia maestra”. Fue el científico escocés Ian Wilmut quien diseñó la “máquina copiadora” de ovejas. Tomó una pequeñísima parte de la ubre de una oveja adulta (oveja 1). De esa parte, retiró el núcleo y lo transfirió al óvulo de otra oveja (hembra) (oveja 2). Pero primero, eliminó de ese óvulo toda la materia que pudiera determinar características de la oveja 2 en el cordero producido por ese óvulo. Ian Wilmut implantó el óvulo manipulado de la oveja 2 en una tercera oveja hembra (oveja 3). La oveja 3 quedó preñada y tuvo una cría: Dolly. Algunos científicos piensan que dentro de pocos años será posible clonar personas también. Pero muchos gobiernos han decidido prohibir por ley la clonación de personas. 1. ¿A cuál oveja es idéntica Dolly? a) Oveja 1 b) Oveja 2 c) Oveja 3 d) Al papá de Dolly 2. En las líneas 10 a 15, se describió la parte de la ubre que se utilizó como una pequeñísima parte. A partir del texto del artículo, puedes concluir lo que se quiso decir con “una pequeñísima parte”. Esa “pequeñísima parte” es a) Una célula

Auxiliándote con cualquier medio de comunicación que tengas, completa el siguiente crucigrama. Revista Conversus. Pág. 62, 2009. HORIZONTALES 1. Este físico germano-holandés fue fabricante de instrumentos meteorológicos. En 1774 hizo su gran descubrimiento al sustituir el alcohol por el mercurio en los termómetros, pues inventó un método para purificar el mercurio para que no se pegara al estrecho tubo del termómetro. 6. Estudió física, sin embargo, se decidió por la ingeniería civil y fue profesor en la Universidad de Glasgow. Él publicó el Manual de la máquina de vapor en 1859, que introdujo a los ingenieros en el dominio de la termodinámica. Usó una escala de temperaturas que empezaba con el cero absoluto y que estaba asociada con los grados Fahrenheit. 7. Este bioquímico nació en Praga en 1896. Se educó en Trieste, pero sus estudios de medicina los llevó a cabo en la universidad de Praga. Se casó con Gerty Theresa Radnitz, una compañera de clase, la cual colaboraría con sus trabajos de investigación. Durante los años 30 este matrimonio investigó cómo el glicógeno, el hidrato de carbono almacenado en el hígado y en el músculo se degradaba en el cuerpo y se volvía a sintetizar. Por sus trabajos sobre el proceso de degradación del glicógeno, la pareja compartió con Bernardo Alberto Houssay el Premio Nobel de Medicina en 1947. 8. Este físico y químico nació en Irlanda en 1627. Al mejorar la bomba de vacío, dejó caer dos objetos de distinto peso por un tubo que se le extrajo el aire y comprobó que llegaban al fondo con la misma velocidad todos los objetos en este vacío. En 1662 descubrió que el aire no sólo es comprimible, sino que la compresibilidad del aire era inversamente proporcional a la presión que se ejerciera. El científico transformó la alquimia en química en 1661 con la publicación de su libro El químico escéptico.

b) Un gen c) El núcleo de una célula

VERTICALES

d) Un cromosoma 3. En la última oración del artículo se afirma que muchos gobiernos han decidido prohibir por ley la clonación de personas. Abajo se mencionan dos posibles razones de esta decisión. ¿Son científicas estas razones? Encierra en un círculo alrededor de “Sí” o “No” para cada una. Razón

¿Es científica?

Las personas clonadas podrían ser más sensibles a ciertas enfermedades que las personas normales.

Sí/No

Las personas no deben asumir el papel de Creador.

Sí/No

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1. Este matemático francés nació en 1601. Él se dedicó a las matemáticas para su entretenimiento personal y junto con Pascal fundó la teoría de las probabilidades. No publicó sus descubrimientos ya que tenía la costumbre de registrar y hacer sus deducciones y cálculos en los márgenes de los libros o en cartas enviadas a sus amigos. El resultado de esto fue el perderse el honor de acreditarse el descubrimiento de la geometría analítica. 2. Este físico estadounidense nació en Nueva York en 1791. A los trece años fue aprendiz de relojero. Después de Benjamín Franklin fue el segundo estadounidense en realizar experimentos con la electricidad. Uno de sus descubrimientos señala que una corriente eléctrica que circula por una espiral no puede inducir otra corriente, no sólo en otra espiral sino en ella misma.

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3. Este filósofo griego después de enseñar en distintos lugares, decidió fijar su residencia en Atenas en el año 306 a.C. Su escuela fue la primera en admitir a estudiantes mujeres. Su filosofía era mecanicista y consideraba el placer como el don más importante. Él consideraba que el mayor placer consistía en vivir moderadamente, en comportarse amablemente y en disipar el miedo a los dioses y a la muerte. 4. Este naturalista alemán fue profesor de anatomía comparada en el Instituto Zoológico de Jena. Fue el primer biólogo alemán que estuvo más adelante que Darwin. Sin embargo, él creyó que la vida provenía de un modo evolucionista de lo inanimado y que la psicología no era más que una rama de la fisiología de manera que para él la mente encajaba, también, en el esquema de la evolución.

Actividad transversal

Ambiental Instrucciones: Forma equipo con tres compañeros y cada quien anote en la tabla 20 objetos usados en un día. Comparen las tablas y realicen una por equipo, luego preséntenla al grupo y envíenla por Internet a su profesor. Contesten las preguntas.

Objeto o sustancia

Usado para…

De origen natural

De origen sintético

5. Este microbiólogo sudafricano-estadounidense inició sus estudios en la Universidad de Capetown, pero al trasladarse a Londres los interrumpió pasando cuatro años en un hospital donde adquirió mucha experiencia en trabajos prácticos. En 1922 aceptó un puesto en la Harvard University Medical School. Durante esta década empezó a investigar sobre la fiebre amarilla obteniendo una vacuna para ésta. En 1937 preparó una vacuna más segura, la cual fue empleada en América del Sur. Por este trabajo de investigación, todavía sin títulos académicos recibió el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1951. 1

2

3

4

5

6

7

8

Actividad formativa Consulta en Internet la Revista Conversus del Instituto Politécnico Nacional No. 73, del mes de Septiembre del año 2008, de las páginas 11 a la 16, sobre el tema Anuario de Mentes Brillantes, redacta un reporte máximo de dos cuartillas y envíaselas a tu profesor por correo electrónico. [email protected].

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1

Química como herramienta de vida

Objeto o sustancia

Usado para…

De origen natural

De origen sintético

c) ¿Cuáles son más utilizados por las personas, los sintéticos o los naturales?

¿Por qué?

a) ¿Qué tipo de materiales prefieren usar,los de origen natural o los sintéticos?

d) El origen de la palabra “orgánico” se refiere a productos naturales o sintéticos?

¿Por qué?

¿Por qué?

b) Al desechar los productos utilizados,¿cuáles son más factibles de reutilizar? e) ¿Cuáles materiales son más abundantes, los naturales o sintéticos?

¿Por qué?

26

¿Por qué?

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Evaluación sumativa Con el propósito de que demuestres los saberes que has adquirido durante el desarrollo del Bloque, a continuación se presentan actividades que permiten evidenciar los aprendizajes logrados, para ello responde lo que se indica. 1. La expectativa de vida de un ciudadano mexicano en la actualidad es de 70 años. Hace 18 años era de 56 años. En tu opinión a qué se debe este espectacular incremento en la esperanza de vida de los mexicanos. Explica tu respuesta.

6. Consulta en el empaque o envase de los productos que se listan, la información nutrimental que presenta cada uno en relación con el contenido energético, proteínas, carbohidratos, grasas y vitaminas. Completa la información que se pide, contesta las preguntas y elabora un informe escrito donde muestres los resultados y presentes conclusiones. a) Hojuela de trigo integral

2. En una revista científica aparece un artículo del Dr. X, en el cual se menciona que él encontró un remedio para curar la diabetes. El remedio es un extracto de zanahoria. ¿Cómo clasificarías este artículo? a) Hecho

b) Teoría

c) Hipótesis d) Mentira

Argumenta tu respuesta.

3. Investiga qué tipo de profesionistas del área de la Química son requeridos por las industrias que están localizadas cerca de tu comunidad. Anota el nombre de la industria y el profesionista requerido.

b) Jugo de fruta c) Leche evaporada d) Yogur e) Queso f ) Jamón ¿Qué importancia tiene para ti la información nutrimental de un producto?

¿Cómo influyen para mejorar tu rendimiento físico?

¿Qué tipo de información nutrimental te agradó más? 4. ¿Cuál es el rol de la ciencia al tomar decisiones relacionadas con el ambiente?

5. ¿Cuál es el objetivo principal de los químicos en su trabajo?

Conclusiones:

27

1

Química como herramienta de vida

7. Según tu opinión, ¿por qué es importante estudiar Química como parte de tu vida cotidiana?

b)

8. Cita el lugar de la casa donde se presenta el mayor número de transformaciones químicas diariamente, indica por qué sucede ahí y no en otro lugar. c)

9. ¿De qué sustancias químicas están constituidos principalmente los seres vivos? Menciona la importancia que tiene esta información en la vida cotidiana. d)

10. Escribe cinco materiales que se puedan reciclar, ejemplifica con casos reales los productos que surgen como parte del reciclaje. a)

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e)

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&T¨@CDNARDQU@BH®M Guía de observación para valorar el logro de aprendizajes dispuestos en el bloque Nombre del estudiante: Grupo:

Fecha de aplicación: Hora de inicio:

Hora final:

Propósito: Reconocer los logros que muestra el estudiante para fortalecer el desarrollo de sus habilidades y actitudes. Instrucciones: 1. Leer con atención lo que se indica y realizar la actividad conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando se haya terminado, responder e indicar sí o no se ha logrado, o bien hacer un comentario acorde a la respuesta seleccionada.

Logrado Sí No

Comentarios

Desempeños

Asoció correctamente el concepto de la Química con aplicaciones e implicaciones presentes en situaciones de la vida cotidiana. Describió la interrelación de la Química con otras ciencias. Contextualizó los conocimientos adquiridos mediante situaciones cotidianas. Aplicó correctamente el proceso del método científico en un experimento. Reconoció ampliamente el uso del método científico como medio de resolución a problemas del entorno. Habilidades

Describió correctamente el desarrollo de la Química a través de la historia. Describió los pasos del método científico. Identificó las diferencias entre las etapas del método científico. Actitudes

Se comunicó de manera asertiva y empática con sus compañeros. Mostró participación activa durante todas las actividades. Promovió un sistema metódico y organizado durante las clases. Resolvió situaciones de manera creativa. Mostró buen comportamiento ante situaciones del entorno. Logros identificados en el desarrollo del bloque.

Acciones para fortalecer los aprendizajes.

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1

Química como herramienta de vida

&T¨@CDNARDQU@BH®M Guía de observación para evaluar los resultados obtenidos en la elaboración de una pelota de hule Equipo integrado por: Grupo:

Fecha de aplicación: Hora de inicio:

Hora final:

Propósito: Reconocer los logros que muestran los estudiantes al desarrollar habilidades, actitudes y conocimientos al realizar la actividad. Instrucciones: 1. Leer eer con atención lo que se indica y atender conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando se haya terminado, responder e indicar sí o no se ha logrado, o bien hacer un comentario acorde a la respuesta seleccionada. Logrado Sí No Conocimientos

Aplicaron correctamente los pasos del método científico. Reconocieron que en la aplicación del método científico se utilizan productos de uso cotidiano. Identificaron los diferentes significados que muestra el método científico. Reconocieron los productos de origen sintético. Habilidades

Reconocieron la importancia que tienen los conocimientos y su relación con aplicaciones en la vida cotidiana. Describieron las nuevas formas de utilizar y reutilizar productos de uso cotidiano. Describieron las diferencias del método científico al realizar la actividad. Utilizaron correctamente el material de laboratorio. Siguieron el procedimiento, de tal forma que obtuvieron los resultados esperados. Actitudes

Se comunicaron de manera asertiva con sus compañeros. Participaron activamente en la presentación de su trabajo. Son organizados al exponer sus ideas y aclarar dudas. Trabajaron de forma colaborativa. Fomentaron el diálogo ante las diferencias de ideas. Logros obtenidos.

Acciones para fortalecer los aprendizajes.

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¿Por qué?

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TSNDU@KT@BH®M Nombre del estudiante: Propósito: Reflexionar sobre mis competencias desarrolladas y logro de los aprendizajes esperados. ¿Para qué me sirve la autoevaluación? ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Es una herramienta muy valiosa para reflexionar sobre el desarrollo de competencias. Establecer acciones que favorezcan mi proceso de aprendizaje. Reconocer mis acciones ante diversas situaciones, además de saber cómo me perciben las personas que me rodean. Proporciona elementos para fortalecer mis desempeños e intervenir ante dificultades de aprendizaje que se presenten. Permite conducirme de manera responsable, respetuosa y empática hacia mis semejantes. Favorece habilidades y actitudes que van dirigidas al desarrollo de competencias. Fomenta al diálogo, para la retroalimentación y conclusión de actividades.

Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: 1. Lee con atención lo que se indica y atiende conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando hayas terminado, responde e indica sí o no cumpliste, o bien estás en proceso de desarrollarlo.

Conocimientos

Logrado Sí No

Considero que está en proceso porque…

Realicé las actividades conforme a las indicaciones establecidas. Interpreté la información de acuerdo con las necesidades del contexto. Seleccioné fuentes de información confiable, actualizada y de instituciones oficiales. Ordené la información conforme a categoría y jerarquías. Realicé anotaciones adicionales a las que se solicitaron. Anoté las referencias de las fuentes de información consultada. Resalté la información que complementa los conocimientos desarrollados. Analicé los aspectos teóricos que se desarrollaron en cada clase. Aporté elementos importantes que fueron útiles para retroalimentar los conocimientos adquiridos. Seguí instrucciones y procedimientos de forma reflexiva y responsable. Expuse mis ideas de forma clara, coherente y sintética.

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1

Química como herramienta de vida

Conocimientos

Expresé libremente mis ideas, mostrando respeto por las demás opiniones. Valoré la importancia de los conocimientos desarrollados y su práctica en la vida cotidiana. Me relacioné con los demás de forma colaborativa. Reconocí mis emociones para comunicarme de manera asertiva. Socialicé mis respuestas cuando se solicitó.

¿Qué aprendí durante el desarrollo del bloque?

¿Qué debo mejorar?

Mis conclusiones son:

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Logrado Sí No

Considero que está en proceso porque…

Grupo Editorial Patria ®

"NDU@KT@BH®M Nombre del estudiante a evaluar: Nombre del estudiante que evalúa: Propósito: Evaluar conocimientos del estudiante al realizar actividades que se desarrollaron durante el bloque de aprendizaje (se sugiere para exposiciones, presentaciones en plenaria, ejercicios, talleres, lecturas en voz alta, entre otras). Actividad a evaluar: Grupo:

Fecha de aplicación:

¿Para qué me sirve la coevaluación? ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Analizar detenidamente el propósito de la actividad asignada. Leer con mucha atención las preguntas o instrucciones que se deben realizar. Verificar que todas las preguntas o actividades estén contestadas y acorde a lo solicitado. Cotejar cada respuesta en cumplimiento con los criterios solicitados en este instrumento e ir marcando con un según corresponda. De ser necesario, realizar un comentario en el apartado correspondiente, a fin de que se tome en cuenta para retroalimentar y finalizar la actividad.

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Criterios a considerar

Logrado Sí No

Considero que está en proceso porque…

Contesta todas las preguntas. Realiza todos los ejercicios. Sus respuestas son breves, oportunas y se relacionan con lo solicitado. Sus respuestas son entendibles y comprobables de acuerdo con los requerimientos establecidos.

Conocimientos

Realiza comparaciones con información diferente. Contextualiza sus respuestas con situaciones de la vida cotidiana. Argumenta su postura sobre asuntos de interés que impactan en su comunidad. Menciona la importancia de la actividad y de los ejercicios realizados. Indica los procedimientos utilizados para obtener resultados correctos. Menciona cómo mejorar los resultados en futuras actividades. Indica los beneficios del aprendizaje logrado. Logra los objetivos planteados. Presenta conclusiones y da puntos de vista claros y coherentes.

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1

Química como herramienta de vida

Criterios a considerar

Logrado Sí No

Muestra buena actitud para trabajar de forma individual, en equipo y colaborativa. Atiende las indicaciones del profesor.

Desempeños

Muestra interés en sus aciertos y se dispone a recibir comentarios y sugerencias para hacer correcciones. Comenta sus dudas y retroalimenta la información de manera reflexiva y responsable. Coteja sus respuestas con las de sus compañeros, siempre manifestando respeto y tolerancia ante la diversidad. Privilegia el diálogo al intercambiar ideas y experiencias para fortalecer su aprendizaje y favorecer el desarrollo de competencias. Ayuda a sus compañeros a terminar las actividades, mostrando empatía y respeto por ellos. Asume una postura responsable y reflexiva. Como evaluador, ¿consideras que puede mejorar tu compañero o compañera? ¿En qué? Escribe de forma clara tus sugerencias.

Verificado por el profesor o profesora:

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Considero que está en proceso porque…

Grupo Editorial Patria ®

Lista de cotejo Nombre del estudiante: Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: 1. Lee con atención lo que se indica y realiza la actividad conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando hayas terminado, responde e Índica sí o no logrado, o en proceso de desarrollarlo. Logrado Sí No

Considero que está en proceso porque….

Desempeños

1. Comprende la importancia de la química en su vida cotidiana. 2. Determina la relación que tiene a química con otras ciencias. 3. Contextualiza su aprendizaje en situaciones relacionadas con su entorno. 4. Valora la importancia de la química en la preservación del medio ambiente. 5. Logró alcanzar los aprendizajes esperados. 6. Mostró interés durante el estudio del método científico. 7. La actividad permitió desarrollar alguna competencia. 8. Da ejemplos acorde a la actividad realizada. 9. Explica con claridad la diferencia entre un material natural y otro de origen sintético. 10. Asimiló correctamente los pasos del método científico

Mis conclusiones son:

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BLOQUE

2 10 horas

Interrelación entre materia y energía Propósito Examina la relación que existe entre las propiedades de la materia y los cambios que se dan en ella por efecto de la energía, valorando los beneficios y riesgos que tiene el utilizarla en su vida y en el medio ambiente para potenciar su uso sustentable.

Conocimientos 2.1

Materia ƒ Propiedades intensivas y extensivas ƒ Transformaciones

2.2

Energía ƒ Tipo y transformación ƒ Energías limpias ƒ Beneficios y riesgos del consumo de energía

Aprendizajes esperados ƒ Examina las propiedades y transformaciones de la materia, para comprender los cambios que se dan en su entorno, reconociendo que éstos son una constante manifestación de la naturaleza. ƒ Distingue en su entorno la presencia de diversos tipos de energía, sus características e interrelación. ƒ Argumenta la importancia que tienen las energías limpias en el cuidado del medio ambiente y su uso sustentable. ƒ Deduce los riesgos y beneficios del uso de la energía, ubicando el impacto de éstos en el medio ambiente.

Habilidades ƒ Identifica las propiedades de la materia, sus características y manifestaciones. ƒ Caracteriza los estado de agregación de la materia y sus cambios en los fenómenos que observan en la naturaleza. ƒ Describe lo diferentes tipos de energía, sus transformaciones y las interacciones. entre las fuentes de energías tanto limpias como contaminantes.

Evaluación diagnóstica Competencias genéricas 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemáticas o gráficas. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y la comunicación para procesar e interpretar información. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimiento. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo. 11.2 Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente.

Competencias disciplinares 2.

4.

Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la derecha. 1. Es la energía producida por la fuerza del viento: a) Geoésica

c) Solar

b) Eólica

d) Marítima

2. Es la energía almacenada que poseen los cuerpos con base en su posición: a) Eléctrica

c) Cinética

b) Potencial

d) Calorífica

3. Cuando una sustancia cambia del estado sólido al gaseoso, se lleva a cabo una: a) Fusión

c) Deposición

b) Sublimación

d) Solidificación

4. Se realiza un cambio químico durante: a) La fusión del fierro c) La corrosión de un metal b) El calentamiento del agua d) El viento de un huracán

5. Propiedad que identifica al cloruro de sodio (NaCl) o sal de mesa: a) Color

c) Punto de ebullición

b) Forma

d) Olor

6. Principal fuente de energía con que cuenta el hombre: a) Petróleo

c) Sol

b) Carbón

d) Gasolina

7. Es un ejemplo de energía potencial: a) Una resortera lista para disparar b) La luz del sol c) El viento de un huracán d) Un atleta corriendo

8. Una propiedad particular de la materia es la ductilidad, la cual se manifiesta cuando un metal: a) Conduce la corriente eléctrica b) Se hila c) Se lamina

Actitudes ƒ ƒ ƒ ƒ

Privilegia al diálogo para la construcción de nuevos conocimientos. Muestra un comportamiento propositivo en beneficio del medio ambiente. Se relaciona con las demás personas de forma colaborativa. Externa un pensamiento crítico y reflexivo de manera solidaria.

d) Se oxida

9. Son ejemplos de compuestos: a) Agua de mar, agua azucarada b) Hierro, bronce c) Cloruro de sodio, cal d) Vidrio, mayonesa

10. Propiedad general de la materia: a) Punto de fusión

c) Energía

b) Masa

d) Espacio

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Interrelación entre materia y energía

Situación didáctica ¿Cómo sería la vida sin petróleo como combustible en el año 2029? En el siglo pasado (1977), la famosa revista Time pidió al escritor de ciencia ficción Isaac Asimov que describiera un mundo sin gasolina. Asimov decidió situar su predicción 20 años en el futuro (1997), comentando lo siguiente: “Cualquier persona mayor de 10 años es capaz de recordar los automóviles. Desaparecieron poco a poco. Al principio se elevó el precio de la gasolina: se fue hasta las nubes. Al final solamente los ricos manejaban lo que era una clara indicación de que estaban nadando en dinero, de modo que cualquier automóvil que se atrevía a aparecer en las calles era volcado y quemado. Se introdujo el racionamiento para ‘igualar el sacrificio’, pero cada tres meses se reducía la ración. Los autos simplemente desaparecieron y se volvieron parte de los recursos de metal.” “Esto tiene muchas ventajas, si queremos encontrarlas. Nuestros diarios en 1997 lo señalan de continuo. El aire está más limpio y parece haber menos resfriados. Contra todas las predicciones, la criminalidad ha disminuido. Al hacerse los autos de la policía demasiados costosos (y blancos demasiado fáciles), los policías andan de nuevo a pie. Algo más importante es que las calles están llenas. Las piernas son las reinas de las ciudades en 1997, y la gente camina por todos lados a altas horas de la noche. Hasta los parques están repletos, y en las multitudes la protección es mutua.”

Secuencia didáctica A continuación se lista una serie de acciones que debes seguir para contestar la problemática de la pregunta central. Es importante que reflexiones, seas claro y objetivo para que esta experiencia sea útil al reconocer tus debilidades para superarlas y tus fortalezas para beneficiarte de ellas. 1. Escribe un cuento con tus propias predicciones sobre “la vida sin petróleo”, situado en el año 2036. Analiza estas preguntas para orientar tu escrito: a) ¿De qué manera cambiaría tu vida diaria en un mundo así? b) ¿Qué cambio implicaría la adaptación más difícil para ti? ¿Por qué? c) ¿Cuál sería la adaptación más fácil? ¿Por qué? 2. Las perspectivas actuales nos indican que la “vida real” en 2036 no será tan radicalmente diferente como sugiere el cuento presentado antes. 38

“En cuanto al invierno, bueno, es molesto tener frío, con eso de que el poco combustible que hay se guarda para la madrugada; pero los suéteres se han hecho populares en interiores y las duchas no son un lujo que se pueda dar todos los días. Es suficiente con baños de esponja con agua tibia, y si el aire no siempre es fragante en las cercanías de los humanos, al menos ha desaparecido el humo de los automóviles.” Ésta es la predicción de un escritor en 1977 respecto a la vida a fines de los años noventa. Imagina que en 2016 tú recibes una invitación para escribir tus propias predicciones respecto a “la vida sin petróleo” en el año 2036, es decir, 20 años adelante en tu propio futuro.

Grupo Editorial Patria ® a) Propón algunas acciones que podríamos actualmente podríamos realizar para evitar que esta situación se vuelva realidad en 2036. b) Propón algunas acciones que podrían ayudar a prevenir que se presente un panorama así en los próximos 20 años en tu región.

4. Debate cuáles de esas formas son válidas y cuáles no, fomentando el diálogo y respeto ante la diferencia de ideas. 5. Elabora tus conclusiones en las que destaques los riesgos que implica la escasez de petróleo en la vida actual. 6. Elabora un reporte donde expreses tus ideas y reflexiones sobre esta actividad.

3. Intégrate a un equipo de compañeros para que presenten sus respuestas en plenaria y analicen de forma colaborativa las diversas maneras de resolver el problema.

Rúbrica Con la dirección del maestro organicen un debate sobre: „

La importancia de conocer la materia y sus transformaciones.

„

Qué tipo de energías son más factibles de utilizar en México y cuáles tienen mayor repercusión en el desarrollo económico y ambiental.

„

Después, intégrate a un equipo de compañeros para que presenten sus respuestas en plenaria y analicen la problemática planteada. Contesta las siguientes preguntas:

„

¿Cuáles manifestaciones de la materia son más comunes en tu entorno? Escríbelas.

„

¿Cuáles tipos de energía son utilizados con mayor frecuencia en la industria y en la casa? ¿Qué tipo de semejanzas identifican? ¿Por qué?

Con el propósito de que revises el logro de tus aprendizajes, responde lo siguiente: „

¿Puedo establecer un futuro promisorio si cuidamos nuestro petróleo?, ¿cómo hacerlo?

„

¿Puedo mencionar tres formas de sustituir el petróleo como combustible? ¿Cuáles?

„

Pude elaborar mis propias conclusiones donde integré mis ideas con claridad.

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Interrelación entre materia y energía

2.1 Materia De acuerdo con la definición dada anteriormente, la Química es la ciencia que trata de la naturaleza y composición de la materia y de los cambios que ésta experimenta. En esta definición encontramos dos palabras clave: materia y cambios. Definida de una manera amplia, la materia es cualquier sustancia que tenga masa y ocupe un espacio. De acuerdo con la Física relativista, la materia tiene cuatro manifestaciones en el universo: masa y energía (que pertenecen a la materia), espacio y tiempo (que son asociados al cambio). La ley de la gravitación universal de Newton afirma que todos los objetos del universo atraen a los demás objetos con una fuerza (impulso) —llamada gravedad— que depende de la masa de cada objeto. La masa se define como la cantidad de materia en cada objeto y su resistencia a ser movido. Cuanto mayor es el objeto (o cuenta con mayor cantidad de masa), mayor será la fuerza (o impulso) que ejerce sobre otros objetos. Aunque sus propias leyes sugirieron otra cosa, Newton creyó hasta su muerte que era posible encontrar por medición el sitio exacto de la superficie terrestre donde algo sucedía, y establecer con precisión el intervalo entre dos sucesos separados. Consideró que para lograrlo sólo necesitaría reglas bastante extensas y relojes totalmente exactos, Newton llamaba a esas medidas espacio absoluto y tiempo absoluto. Einstein sugirió otro modelo nuevo y más exacto para describir lo que sucede en el mundo real. Por ejemplo, consideremos un tren que se desplaza velozmente y lleva en uno de los vagones a un pasajero que se encuentra comiendo un emparedado. El tren pasa con rapidez por una estación, tiempo durante el cual el pasajero da dos mordiscos al emparedado. Desde el punto de vista del pasajero, podría decir que tomó cada bocado mientras permanecía exactamente en un mismo lugar. Al final, estuvo sentado plácidamente en un asiento durante

todo el viaje, sin desplazarse. ¿Qué pasaría si otra persona estuviera en la plataforma de la estación cuando pasa el tren? Veríamos al pasajero dando su primer mordisco al emparedado justo cuando el tren llega a la estación y sólo un instante más tarde, lo veríamos tomando otro mordisco cuando el tren avanzara varios metros. Desde este punto de vista, podríamos decir que los dos mordiscos del pasajero se produjeron en dos sitios distintos y alejados varios metros uno de otro. ¿Cómo podríamos medir dónde mordió el pasajero el emparedado por segunda vez? ¿Masticó los dos bocados mientras estaba sentado en el mismo sitio o mordió el emparedado en dos puntos distintos separados por varios metros? ¿Quién podrá decir cuál era la “verdadera” posición del emparedado en el espacio, la del pasajero que estaba en el tren, o la persona que se encontraba en la plataforma de la estación? Einstein indicó que el problema estaba en el proceso de observación. Si viéramos en forma instantánea no sería difícil describir dónde sucedió el segundo mordisco. Pero sólo podemos ver con la ayuda de los rayos de luz, que viajan a una velocidad finita, extremadamente rápida. Cualquier teoría que describa dónde suceden las cosas debe incluir a un observador. No existe lo que se llama el espacio “absoluto”. Muchas propiedades de la materia son cuantitativas, es decir, están asociadas a las cifras. Cuando una de éstas representa una cantidad de medida, las unidades de tal cantidad deben especificarse. Las unidades que se utilizan para las mediciones son del Sistema Métrico. A fin de estandarizar las mediciones científicas, se realizaron una serie de acuerdos internacionales que dan como resultado la creación del Sistema Internacional de Unidades, cuyo fin primordial es la estandarización de las unidades en su uso en todo el orbe. En el trabajo científico se reconoce la utilización de dicho sistema de unidades, así como el inconveniente de no utilizar adecuadamente los instrumentos de medida.

Propiedades fundamentales de la materia Las propiedades de una sustancia se pueden dividir en dos clases. Una de ellas depende de la materia en sí y la otra depende, principalmente, del comportamiento de esa materia en presencia de otra. A la primera clase de propiedades se les llama propiedades físicas; por ejemplo, el color, la temperatura. Las propiedades físicas se pueden dividir en dos grupos: las propiedades extensivas y las intensivas.

Propiedades generales de la materia Figura 2.1 Isaac Newton.

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Figura 2.2 Albert Einstein.

Estas propiedades, también llamadas extensivas, son aditivas y se encuentran presentes en todas las sustancias, pues dependen de la cantidad de masa que poseen. Ejemplos: la masa, el peso, la iner-

Grupo Editorial Patria ® Actividad formativa Una propiedad particular de la materia es la maleabilidad, la cual se manifiesta cuando un metal: a) Conduce la corriente eléctrica

c) Se lamina

b) Se hila

d) Se oxida

Argumenta tu respuesta con un ejemplo de uso común en la vida cotidiana. Figura 2.3 Algunas propiedades específicas de la materia, como maleabilidad, ductilidad, color, resistencia, etcétera.

cia, la longitud, el volumen, la divisibilidad, etc., las cuales no nos sirven de mucho para identificar a una sustancia. La propiedad más importante de la materia es la masa, ya que forma parte de su definición. Una de las definiciones más completas de masa es la que da M. J. Sienko: “La masa es una medida cuantitativa de las propiedades inerciales intrínsecas de un objeto, es decir, la tendencia de un objeto a permanecer en reposo si se encuentra quieto, o a continuar moviéndose si se encuentra en movimiento”. Respecto al peso, éste se define como la fuerza con la cual un objeto es atraído hacia la Tierra y, naturalmente, varía un poco en los diferentes puntos de la superficie terrestre debido a las variaciones de altitud y latitud. Según Newton, el peso (p) y la masa (m), se relacionan de la siguiente manera: p=mg donde g representa la aceleración de la gravedad = 9.8 m/s2 Con base en lo anterior tenemos que puesto que la fuerza puede cambiar, el peso de un objeto no es constante. Sin embargo, su

Figura 2.4 Elasticidad. Al estirar una liga ésta se deforma.

masa es constante y se puede determinar comparando su peso con el de un objeto de masa conocida. En Química frecuentemente los dos conceptos (masa y peso) se usan de manera errónea como sinónimos, pues en el laboratorio la gravedad se mantiene prácticamente constante. No obstante, es fundamental usar en forma adecuada ambos conceptos.

Propiedades intensivas y extensivas Propiedades intensivas de la materia Las propiedades específicas o intensivas son aquellas que sirven para diferenciar a una sustancia de otra. Su valor es específico y no depende de la cantidad de masa que se estudia. Por ejemplo, cada muestra de una sustancia, sin importar su tamaño, tiene la misma densidad en todas sus partes. Otras propiedades intensivas son maleabilidad, ductilidad, conductividad, calor específico, temperatura de fusión, temperatura de ebullición, viscosidad, color, textura, solubilidad, dureza, brillo, etcétera.

Figura 2.5 Dureza. No es igual de fácil rayar un metal que una hoja de vidrio o papel.

Figura 2.6 Tenacidad. Algunos sólidos se rompen con más facilidad que otros.

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Interrelación entre materia y energía

Por ejemplo, el cobre puede martillarse fácilmente para convertirlo en láminas delgadas, es más maleable que el hierro, que se resiste a este martilleo. El cobre también se puede convertir en un alambre muy fino; pues es bastante dúctil. El cobre y la plata tienen una alta conductividad térmica y eléctrica; es decir, ofrecen poca resistencia al flujo de calor o de la electricidad.

Transformaciones ¿Qué es para ti un fenómeno químico? ¿Cómo se define un fenómeno físico? ¿Cuáles fenómenos observas más a tu alrededor? ¿Cuál es la diferencia entre una combustión y una oxidación? ¿Qué gas se consume en una combustión? ¿Cuál es el combustible utilizado por los cohetes y transbordadores espaciales? ¿Qué efecto tiene en tu estómago un antiácido disuelto en agua? ¿De qué tipo de sustancia son las burbujas formadas en la efervescencia? ¿Cómo sabes qué clase de extintor se utiliza para apagar el fuego? ¿Por qué la mayoría de los alimentos se descomponen si los dejamos afuera del refrigerador de un día para otro? ¿Cómo puedes evitar la descomposición de los alimentos?

Cambios físicos de la materia A las modificaciones o cambios que experimentan las sustancias bajo la acción de las diferentes formas de energía se les llama fenómenos. De esta manera, todo cambio que se produce en las sustancias de manera natural o provocada es un fenómeno. Las modificaciones o cambios que no alteran la composición íntima de las sustancias o que sólo lo hacen de un modo aparente y transitorio reciben el nombre de cambios o fenómenos físicos.

Actividad transversal

Comprensión lectora ¿Por qué el frío conserva los alimentos? Los alimentos congelados se conservan por que hay un cambio físico en su estructura. Como es bien sabido, la temperatura influye directamente en la preservación de los alimentos, es decir a menor temperatura menor degradación. Los alimentos congelados aparecieron en el mercado en 1878, al embarcarse por primera vez carne congelada de Buenos Aires a Le Havre, Francia. Los indígenas americanos de la helada provincia de Labrador ya sabían que el frío conserva los alimentos: congelaban de inmediato los peces que capturaban durante el invierno, y cuando meses más tarde los descongelaban, podían consumirlos sin ningún problema. El biólogo estadounidense Clarence Birdseye observó esto entre 1912 y 1915, y en 1923 fundó una compañía que producía alimentos congelados. En 1930, los nuevos propietarios de esa compañía pusieron a la venta productos congelados, incluyendo verduras, frutas, pescado y carnes. La congelación mantiene bajo control a los microorganismos y enzimas que deterioran los alimentos. Casi todo proceso químico de los seres vivos disminuye a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua. A –10 °C, pocos organismos pueden vivir: los hongos, bacterias y microbios que deterioran la comida no pueden crecer ni reproducirse.

Dichos fenómenos desaparecen al cesar la causa que los origina. En su mayoría son fenómenos reversibles. Ejemplos: reflexión y refracción de la luz; formación del arco iris; fusión de la cera; disolución del azúcar; electrización del vidrio; dilatación de un metal; movimiento de los cuerpos; transmisión del calor; cambios de estado. Figura 2.8 Algunos alimentos congelados.

Actividad: Al terminar la lectura, indica la importancia que tiene este proceso químico en tu entorno y en la vida familiar. Coméntalo durante la clase.

Actividad formativa

Figura 2.7 Al cortar la hoja de papel, su constitución no cambia.

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Describe el proceso de cómo la materia se transforma continuamente, explícalo con claridad mediante ejemplos de uso diario (hervir leche, cocinar alimentos, hornear un pastel, cortar leña, encender un

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coche, entre otros) y haz referencia a los beneficios y riesgos que esto produce en el entorno o en el medio ambiente en el que vives.

le dispara un neutrón al núcleo de un átomo de uranio, éste puede romperse en dos o más partes. De esta manera se forman nuevos elementos, pero no todos los neutrones del átomo de uranio se unen a otro de los nuevos átomos formados, algunos se escapan.

Cambios químicos de la materia

La división del átomo en partes se llama fisión, es decir, que ésta ocurre cuando un núcleo pesado se parte en dos ligeros.

Cuando el cambio experimentado modifica permanentemente la naturaleza íntima de las sustancias y no es reversible, el fenómeno es de tipo químico. Antes y después del cambio se tienen sustancias diferentes con propiedades diferentes. Ejemplos: digestión de los alimentos; corrosión de los metales; explosión de una bomba; acción de los medicamentos; un acumulador; fenómeno de la visión; revelado de una fotografía; encender un cerillo; el fenómeno de la fotosíntesis; la fermentación. Actividad formativa con ǫǠǚ Investiga en Internet y argumenta cómo se efectúa un cambio físico mediante la energía, indica la importancia que esto tiene para el medio ambiente y cómo se manifiesta en el entorno; menciona cuál sería tu postura ante este hecho.

Cambios nucleares de la materia El átomo está conformado por un núcleo, en el cual se tienen partículas positivas (protones) y partículas neutras (neutrones). Si se

Figura 2.9 Al quemarse la hoja de papel ocurre un fenómeno químico, ya que se descompone en dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Lo que impide recuperar su estado original.

El descubrimiento del neutrón proporcionó a los científicos una valiosa partícula de bombardeo. A partir de entonces una multitud de núcleos se ha sometido a “bombardeos” con diferentes partículas, y con ellos se han conseguido asombrosos resultados, como el aprovechamiento de la energía nuclear para fines benéficos o para la fabricación de misiles militares. La utilización de los cambios nucleares en aplicaciones no energéticas ha venido a apoyar el estudio del metabolismo humano y la eliminación de padecimientos; además, el hallazgo de nuevas partículas nucleares ha desembocado en el planteamiento de nuevas teorías acerca de la constitución de la materia. Al proceso en el que cambia el núcleo de un átomo se le llama reacción nuclear, ésta difiere de una reacción química en que los átomos se pueden juntar y algunos electrones (partículas negativas ubicadas en el exterior de un átomo) pueden compartir la misma órbita. Además, en una reacción nuclear son los núcleos los que cambian; de este proceso resulta una gran cantidad de calor como en algunas reacciones químicas, como la combustión, pero el calor que se consigue con una reacción nuclear es un millón de veces mayor que el de una reacción química.

Figura 2.10 Al bombardear un núcleo atómico de uranio, con un neutrón, se genera un cambio nuclear (fisión), con un alto desprendimiento de energía.

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Interrelación entre materia y energía

La pregunta obligada es: ¿qué ocurre a los dos o tres neutrones que escapan cuando un átomo se rompe? Continúan su viaje hasta que consiguen escapar del todo o bien chocan con el núcleo de uno de los átomos que los rodean; éstos se pueden romper de la misma forma que el primero, y entonces se disparan más neutrones. Si dos neutrones chocan con otros dos núcleos haciendo que se dividan, tendremos entonces seis neutrones lanzados en varias direcciones a una velocidad enorme. Si cuatro de éstos chocan con otros núcleos tendremos doce neutrones, y así sucesivamente, cada vez se disparan más neutrones, se dividen más átomos y en la fracción de un segundo todo el trozo de uranio hace explosión. ¡Y todo empezó con un neutrón solamente! A esto se le llama explosión por reacción en cadena y es el secreto de la bomba atómica, los incontables millones de átomos que se dividen por esa reacción dan lugar a la producción de calor y una onda de aire enorme. Una explosión de esta clase produce también radiación, que es peligrosa para todos los seres vivos. La reacción en cadena puede controlarse y ser aprovechada; el dispositivo que permite mantener una reacción sostenida, no explosiva, se conoce como reactor nuclear.

jabones, textiles) se tradujo en la fabricación a gran escala de carbonato de sodio. En 1796, Parker descubre el cemento, y se desarrolla también la siderurgia. Las relaciones entre la masa y la energía se expresan en forma matemática de varias maneras. Estas relaciones son las leyes de la conservación, pilares sobre los que se sostienen los conceptos químicos.

Ley de la conservación de la masa Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) sobresale en la historia como el primer investigador que enfoca la química con el rigor del método científico. Fue quien introdujo el principio de conservación de la masa para interpretar las reacciones químicas, y el primero en escribir, aunque de forma rudimentaria, la primera ecuación química. Alrededor de 1771 Lavoisier empezó a interesarse Figura 2.12 por el problema que presenta el Antoine Laurent Lavoisier. aire atmosférico en las reacciones de combustión, y propuso que “el aumento de peso al calentar un metal se debía a la combinación de éste con el oxígeno del aire y no al flogisto”. Fue así como se aventuró a dar una explicación de la formación de un metal a partir de sus minerales; diciendo que éstos eran una combinación de metal y gas; cuando se calentaban con carbón, éste tomaba el gas del mineral, formando dióxido de carbono y el metal libre. Esta ley fue enunciada por Lavoisier y establece que “la masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.

Figura 2.11 Reactor nuclear.

Leyes de la conservación Como ya se mencionó en el bloque 1, la Química moderna como ciencia empieza su desarrollo en el siglo xviii, gracias a los pioneros en el campo de la medición química, como Lavoisier, Priestley, Gay-Lussac, Avogadro, Davy, Berzelius y muchos otros, quienes proporcionaron los fundamentos experimentales de las teorías atómicas actuales. En esa época aparecen los primeros vínculos entre el laboratorio y la industria química. Se construye la primera fábrica de ácido sulfúrico en Inglaterra. El desarrollo de la industria química (vidrio, 44

Ley de la conservación de la energía Los cambios físicos y los químicos van siempre acompañados por cambios de energía. Se puede transferir energía entre un sistema y sus alrededores de dos maneras distintas; los alrededores pueden hacer trabajo sobre el sistema o el sistema puede hacer trabajo sobre los alrededores. Por ejemplo, si el sistema a considerar es un trozo de cobre, al martillarlo, realizamos un trabajo sobre él. Asimismo, los gases producidos por la combustión en el cilindro del motor de un automóvil, considerando éste como el sistema, realiza trabajo sobre el motor al expandirse y empujar el pistón del cilindro hacia abajo. Esto se lleva a cabo por medio del poder calorífico de la combustión de la gasolina, produciendo energía en forma de calor.

Grupo Editorial Patria ® La Ley de la conservación de la energía fue propuesta por Mayer y establece que: “La energía del universo se mantiene constante de tal manera que no puede ser creada ni destruida, y sólo cambia de una forma o clase a otra”.

Ley de la conservación de la materia Esta ley se basa en la teoría de la relatividad de Einstein, y dice que “la cantidad de masa-energía que se manifiesta en un determinado espacio-tiempo es constante”. Su expresión matemática es: E = mc2 Donde:

E = energía (en ergs, joules) m = masa (en gramos, kg) c = velocidad de la luz (31010 cm/s)

Figura 2.14 En la naturaleza podemos apreciar los diferentes estados de agregación de la materia, en las nubes y en el mar.

pados que no nos damos tiempo de disfrutar de la naturaleza y percatarnos del estado físico o de agregación y del color o sabor de las sustancias que nos rodean. Así, por ejemplo, al tomar alimentos como la leche, el agua o los jugos, al comer fruta, carne o verduras, o al beber refrescos que contienen un gas disuelto en ellos, nos podemos percatar de los diferentes estados físicos de la materia.

Figura 2.13 La conservación de la energía es fundamental para preservar la vida en el planeta.

Estados de agregación de la materia Al salir caminar por tu comunidad observarás diferentes objetos o sustancias del entorno, los cuales pueden ser sólidos, como casas, árboles, animales, líquidos, como lluvia, ríos, mar, o gaseosos, como las nubes, el humo o el viento. Estamos tan ocu-

Figura 2.15 Estado sólido.

Figura 2.16 Estado gaseoso.

La materia se presenta ante nuestros sentidos en forma de partículas, que al agregarse, constituyen las sustancias. Las partículas conservan determinada cantidad de energía cinética, pero existe cierto grado de cohesión entre ellas. Los estados físicos o de agregación de la materia son seis: sólido, líquido, gas, y plasma, condensado de Bose-Einstein (bec) y condensado fermiónico. El condensado de Bose-Einstein (bec) fue propuesto en el año 2001 y el condensado fermiónico en el 2004 por investigadores financiados por la nasa. En el estado sólido las sustancias ocupan un volumen definido y normalmente tienen forma propia, la movilidad de las partículas que las constituyen es casi nula, y presentan gran cohesión.

Figura 2.17 Estado plasma.

Figura 2.18 Estado líquido.

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Interrelación entre materia y energía

Un líquido también ocupa un volumen fijo, pero es necesario colocarlo en un recipiente. El líquido tomará la forma del recipiente que lo contenga; la movilidad y las fuerzas de cohesión de sus partículas son intermedias. Un gas no tiene forma ni volumen definidos; por lo que debe almacenarse en un recipiente cerrado. El gas tiende a ocupar todo el volumen del recipiente donde está confinado y sus partículas poseen gran energía cinética, por lo que éstas presentan movimientos desordenados.

Actividad transversal

Figura 2.19 El Sol, motor de la vida en el planeta, es considerado como un plasma.

Comprensión lectora ¿Qué conoces del cuarto, quinto y sexto estado de la materia?

Cuarto estado físico de la materia Los fenómenos físicos que acompañan a las descargas eléctricas han sido investigados por más de 300 años. Notables fueron los atrevidos experimentos realizados por Benjamin Franklin, en 1751, quien introducía alambres dentro de las nubes de tormenta para inducir la formación de chispas a partir de la electricidad atmosférica. El conocimiento de algunas propiedades poco comunes de los gases, particularmente de sus propiedades eléctricas llevaron a Crookes, en 1879, a sugerir que se podría considerar un cuarto estado de la materia. El estudio de las descargas eléctricas en los gases y la observación de los astros motivaron posteriores investigaciones con gases altamente ionizados. I. Langmuir introdujo el término “plasma” en 1930, el cual proviene de la palabra griega plasma que significa “moldeable”, para designar a los gases ionizados existentes en el universo. Se requiere una enorme cantidad de energía para producir un plasma totalmente ionizado. Un reactor de fusión nuclear requiere plasmas para lograr la unión de núcleos ligeros para formar núcleos pesados. Allí se mezclan los isótopos del hidrógeno, deuterio y tritio y se calientan a temperaturas muy elevadas para lograr su fusión. A estas temperaturas los átomos de deuterio y tritio están completamente ionizados, y sus electrones se separan del núcleo atómico, de modo que el gas caliente que se forma, llamado plasma, está casi totalmente ionizado. El movimiento del plasma se puede influenciar por campos magnéticos. En principio, es posible “atrapar” al plasma con campos magnéticos alejándolo de las paredes sólidas, pues de otra manera éstas se evaporarían por el intenso calor del plasma. Los campos magnéticos en forma de anillo son los más adecuados para confinar a los plasmas. 46

Con base en estos conceptos se han desarrollado diversos sistemas de los cuales el más prometedor es el dispositivo TOKAMAK, nombre que proviene de las palabras rusas con las que se designa a una cámara magnética de forma toroidal (de torus, palabra latina que significa protuberancia redonda expansiva en forma de rosquilla o anillo de anclaje). Actualmente los físicos teóricos desarrollan investigaciones en este campo, efectuando simulaciones en la computadora, con el propósito de tener otra alternativa para generar energía. La mayor parte del universo está constituido por plasma. Muchas estrellas están compuestas por plasma. El espacio sideral no está realmente vacío; está compuesto de plasma, extremadamente disperso. El cinturón de radiación Van Allen que rodea a la Tierra está compuesto de plasma. La materia que está en un tubo de neón o en un ciclotrón está en el estado de plasma. Los científicos estudian la naturaleza del plasma, ya que la reacción nuclear, llamada fusión, solamente ocurre en los plasmas. Como el plasma consta de partículas cargadas que viajan a alta velocidad, los campos eléctricos y magnéticos las afectan grandemente. El estudio del plasma se conoce como “magnetohidrodinámica” (MHD) y se relaciona con el confinamiento del plasma, y los científicos esperan que se pueda usar como fuente de energía obtenida a través de reacciones nucleares de fusión. También tiene que ver con el diseño de una unidad avanzada de propulsión para los vehículos espaciales.

Quinto estado físico de la materia En 1920, Santyendra Nath Bose desarrolló una estadística mediante la cual se estudiaba cuando dos fotones debían ser considerados como iguales o diferentes. Envió sus estudios a Albert Einstein, con el fin de que lo apoyara a publicar su novedoso estudio. Einstein aplicó lo desarrollado por Bose a los átomos y predijeron en conjunto el quinto estado de la materia en 1924. Los estadounidenses Eric A. Cornell y Carl E. Weiman, y el alemán Wolfgang Ketterle fueron

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macenar información en las futuras computadoras cuánticas. Y es tan fácil de lograr con aparatos de 50 a 100 mil dólares, que hay ya más de 20 equipos investigadores que lo han fabricado en todo el mundo. EFermi

Bosones

Fermiones

Figura 2.20 En el quinto estado de la materia condensado de Bose-Einstein, los átomos pierden su identidad propia y forman un conglomerado (“onda cuántica”) de partículas.

galardonados con el premio Nobel de Física 2001, según informó la Real Academia Sueca de Ciencias. El galardón se les concedió por haber descubierto el quinto estado físico de la materia, la condensación Bose-Einstein, un estado extremo de la materia en el cual los átomos dejan de comportarse de manera “normal”. Este fenómeno, pronosticado por Albert Einstein hace 70 años, fue realizado y observado por vez primera en 1995 por los tres científicos laureados. Los tres galardonados forman parte de una misma generación de jóvenes científicos en el campo de la Física. Cornell nació en 1961 y desarrolla su trabajo en el Instituto Nacional de Medidas y Tecnología de Boulder (Colorado); Weiman nació en 1951 e investiga en la Universidad de Colorado, mientras que Ketterle nació en 1957 y trabaja en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge. Cornell y Wieman trabajan también en el JILA, un instituto de investigación en Boulder, antes conocido como el Instituto Conjunto de Astrofísica en Laboratorio. Ketterle trabajaba de manera independiente en Alemania, antes de incorporarse al MIT en 1990. La investigación ayudará también a que los científicos midan propiedades fundamentales de la materia. “Las aplicaciones revolucionarias (...) parecen estar justo a la vuelta de la esquina”, añadió la academia. El término Bose-Einstein se refiere al físico indio Satyendra Nath Bose (descubridor del bosón) y al alemán Albert Einstein. En 1924, Bose realizó investigaciones sobre las partículas de luz llamadas “fotones” y envió su trabajo al célebre científico alemán, quien amplió la teoría para abarcar la masa. Einstein predijo que cuando las partículas se desaceleran y se aproximan entre sí, producen un nuevo estado de agregación de la materia, distinto del sólido, el líquido, el gaseoso y el plasma. En el nuevo estado de la materia, los átomos pierden su identidad propia y forman una sola onda cuántica de partículas. Tal como los fotones en un láser óptico, todos los átomos del condensado se hallan en la misma longitud de onda y laten en la misma frecuencia. A este quinto estado de la materia se le profetiza una serie de aplicaciones: el condensado Bose-Einstein hará aún más exactos instrumentos de medición y relojes atómicos, y podrá al-

Su aplicación mayor, sin embargo, será en un “láser atómico” que, en lugar de fotones, emita un rayo de átomos vibrando en el mismo estado mecánico cuántico. Tal láser atómico podría, por ejemplo, permitir construir pequeñísimas estructuras con precisión hasta hoy inédita, técnica de la cual podrían aprovecharse la nanotecnología y la industria de computadoras.

Sexto estado físico de la materia Un artículo publicado por la NASA el 12 de febrero de 2004: Hay por lo menos seis estados físicos de la materia: sólido, líquido, gas, plasma, condensado Bose-Einstein (BEC), y una nueva forma de materia llamada “condensado fermiónico”, recién descubierta por investigadores financiados por la NASA. La quinta forma, el condensado Bose-Einstein (BEC), descubierto en 1995, aparece cuando los científicos enfrían unas partículas llamadas bosones hasta alcanzar temperaturas muy bajas. Los bosones fríos se unen para formar una única super-partícula que es más parecida a una onda que a un ordinario pedazo de materia. Los BEC son frágiles, y la luz viaja muy lentamente a través de ellos. Ahora tenemos condensados fermiónicos tan recientes que la mayoría de sus propiedades básicas son desconocidas. Deborah S. Jin, Markus Greiner y Cindy Regal han dado un paso más y también, gracias a la ultra congelación de partículas, han encontrado un nuevo estado de la materia, el sexto, el gas fermiónico. Ciertamente, son fríos. Jin creó la sustancia enfriando una nube de 500 000 átomos de potasio-40 (K40) hasta menos de una millonésima de grado sobre el cero absoluto. Y ellos probablemente fluyan sin viscosidad. ¿Más allá de eso? Los investigadores aún están aprendiendo. “Cuando se encuentra una nueva forma de la materia”, hace notar Jin, “toma un tiempo entenderla”. Los condensados fermiónicos están relacionados con los BEC. Ambos están compuestos de átomos que se unen a bajas temperaturas para formar un objeto único. En un BEC, los átomos son bosones. En un condensado fermiónico los átomos son fermiones. Los bosones son sociables; les gusta estar juntos. Como regla general, cualquier átomo con un número par de electrones  protones  neutrones es un bosón. Así, por ejemplo, los átomos del sodio ordinario son bosones, y pueden unirse para formar condensados Bose-Einstein. Los fermiones, por otro lado, son antisociales. No pueden juntarse en el mismo estado cuántico (por el “Principio de Exclusión de Pauli” de la mecánica cuántica). Cualquier átomo con un número impar de electrones  protones  neutrones, como el potasio-40 (K40), es un fermión.

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Interrelación entre materia y energía

El grupo de Jin encontró una forma de esquivar el comportamiento antisocial de los fermiones. Utilizaron un campo magnético cuidadosamente aplicado para que actuara como un “Cupido” de sintonía fina. El campo hace que los átomos solitarios se unan en pares, y la fortaleza de esa unión puede ser controlada ajustando el campo magnético. Los átomos de potasio unidos débilmente retienen algo de su carácter fermiónico, pero también se comportan un poco como los bosones. Un par de fermiones puede unirse a otro par, y a otro y a otro, y eventualmente formar un condensado fermiónico. Jin sospechó que el sutil emparejamiento de un condensado fermiónico es el mismo fenómeno de emparejamiento que se observa en el helio-3 líquido, un superfluido. Los superfluidos fluyen sin viscosidad, así que los condensados fermiónicos deberían hacer lo mismo. Un fenómeno relacionado estrechamente es la superconductividad. En un superconductor, los pares de electrones (los electrones son fermiones) pueden fluir con resistencia cero. Existe un enorme interés comercial en los superconductores porque podrían ser utilizados para producir electricidad en forma más barata y más limpia para sistemas de alta tecnología como trenes levitantes y computadoras ultrarrápidas. Desdichadamente, los superconductores son difíciles de manejar y de estudiar. El mayor problema hoy en día con los superconductores es que la temperatura más cálida en la que pueden operar es de apenas –135 °C. El nitrógeno líquido o cualquier otro criogénico necesario para enfriar los alambres hace que los aparatos que utilizan superconductores sean caros y abultados. Los ingenieros preferirían trabajar con superconductores a temperatura ambiente. “La fuerza de unión en nuestro condensado fermiónico, ajustada para masa y densidad, podría corresponder a un superconductor de temperatura ambiente”, hace notar Jin. “Esto hace que sea optimista acerca de que la física fundamental que aprendamos a través de los condensados fermiónicos ayude a otros a diseñar materiales superconductores más prácticos”. Actividad: Al finalizar la lectura, reúnete con un compañero e identifiquen las ideas más significativas en relación con su contexto, contrasten sus respuestas con las de otros integrantes del grupo en un ambiente de respeto y tolerancia hacia posturas diferentes.

Actividad formativa Analiza las propiedades físicas y químicas de la materia, así como sus estados de agregación, argumentado la importancia que esto tiene para comprender los cambios que se generan en el ambiente. Actividad formativa De acuerdo con las características de los estados de agregación de la materia, indica los fenómenos que se pueden observar en la naturaleza y a partir de ellos qué beneficios se dan en la región donde vives.

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Actividad experimental

Pasas saltarinas Realiza esta actividad en tu casa y contesta las preguntas formuladas. Elabora un informe escrito donde analices los resultados y las conclusiones, compáralo con el de tus compañeros y compañeras. Propósito Observar el efecto de las burbujas del gas de un refresco carbonatado sobre un sólido, como las pasas. Material „

Cristalizador o refractario hondo

„

Cereal con pasas

„

Agua mineral

Figura 2.21 Preparación de cereal con pasas y agua mineral.

Procedimiento 1. Vierte el cereal con pasas en el cristalizador o refractario hondo. 2. Agrega agua mineral hasta tres cuartas partes del recipiente. 3. Observa lo que ocurre. Contesta las siguientes preguntas: ¿Qué les ocurre a las pasas? ¿Qué le ocurre al cereal? ¿Hasta qué momento deja de presentarse el fenómeno anterior? ¿Por qué unas sustancias suben y otras no? ¿Qué pasa si el recipiente es más hondo? Anota tus conclusiones:

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Cambios de estado de la materia ¿Qué le ocurre al agua líquida cuando la calientas? ¿Por qué en algunos lugares del mundo cae nieve? Si dejas agua en el congelador, ¿qué le ocurre? ¿Has dejado destapado un envase que contenga alcohol?, ¿qué le ocurre? ¿Sabes cómo se forma la lluvia? Si llueve y el patio de tu casa se moja, ¿qué pasa con el agua bajo la acción del viento y el sol? Un aspecto de la materia que nos es familiar y es de gran interés son sus cambios de estado. Estos cambios de estado de la materia son de tipo físico y no implican la creación de nuevas sustancias, debido a la alteración de su composición; por ejemplo: cuando el agua se congela, se obtiene hielo (agua congelada), pero no se forma una sustancia nueva; es decir, la sustancia es agua antes y después del cambio de estado. En la misma forma, el vapor que se produce cuando hierve el agua sigue siendo agua. Estos cambios generalmente requieren de un aumento o disminución de la temperatura, y pueden ir acompañados de variación en la presión. Los cambios de estado de la materia se explican a continuación.

Actividad transversal

Comprensión lectora ¿Por qué el hielo flota en el agua? Si te preguntan qué “pesa” más, una cubeta con agua o una cubeta con hielo, seguramente contestarás que la cubeta con hielo, porque es probable que pienses que los sólidos son más pesados que los líquidos. Pero de manera sorprendente, el hielo es más “liviano” que el agua. Esto es de suma importancia para la vida acuática, ya que los peces y las plantas que viven en lugares muy fríos quedan “protegidos”, cuando en la temporada de invierno se congelan los lagos y ríos, puesto que el hielo flota formando una capa resistente, la cual queda por encima debido a que tiene una menor densidad que el agua en estado líquido. Esto permite que los seres que habitan allí continúen normalmente su vida. Si el hielo tuviera una mayor densidad que el agua, la masa de agua se congelaría desde el fondo hasta la superficie.

Fusión Es el cambio que sufren las sustancias al pasar del estado sólido al líquido al incrementar la temperatura. El punto de fusión normal de una sustancia es la temperatura a la que funde el sólido a una atmósfera de presión. Este valor es característico de cada sustancia y se utiliza como un criterio de su pureza, ya que la presencia de impurezas lo modifican. Ejemplos: Fusión del acero para hacer láminas, tubos, etc.; fusión de los metales empleados en una aleación para acuñar una moneda; fusión de un plástico para moldearlo, etcétera.

Figura 2.23 El hielo es menos denso que el agua. Figura 2.22 Uno de los estados sólidos de la materia.

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Interrelación entre materia y energía

Evaporación Este cambio de estado se presenta cuando se calienta un líquido para convertirlo en gas y da lugar a su evaporación o ebullición. En muchas ocasiones las palabras gas y vapor se utilizan indistintamente, el término vapor se emplea para describir a las moléculas en estado gaseoso de una sustancia a la presión y temperatura ambientes. Por ejemplo, cuando el agua líquida se calienta, las moléculas que escapan de ella se denominan vapor de agua. La evaporación es el proceso por el cual las moléculas que se encuentran cerca de la superficie del líquido adquieren la energía necesaria para escapar de las fuerzas de atracción que las mantienen unidas a sus vecinas y pasan a la fase gaseosa. líquido

evaporación

gas

Un líquido aumenta su tendencia a evaporarse cuando: „

Se incrementa la temperatura.

„

Es mayor el área de superficie del líquido.

„

Se disminuye la atracción de las fuerzas intermoleculares.

tificación. El agua hierve a 100 °C al nivel del mar (760 mmHg), pero en la Ciudad de México su punto de ebullición disminuye hasta 93 °C (585 mmHg). Dependiendo de la altura del lugar respecto al nivel del mar cambia el valor del punto de ebullición, puesto que varía la presión atmosférica. A presiones altas el punto de ebullición es mayor; a presiones bajas, disminuye.

Punto de ebullición de algunos líquidos a 1 atm de presión Sustancia

Punto de ebullición (°C)

Éter etílico

34.6

Acetona

56.5

Cloroformo

61.2

Benceno

80.1

Gases de petróleo

Ebullición El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la que éste hierve cuando se expone a la presión de una atmósfera. El punto de ebullición depende de la presión y es característico de cada sustancia, por lo que esta propiedad física se utiliza para iden-

Gasolina

Queroseno Gasóleo Lubricantes Aceites combustibles

Petróleo crudo-caliente

Asfaltos Columna de destilación Figura 2.24 Figura 2.25 La evaporación provoca un descenso en la temperatura del líquido Productos derivados del petróleo obtenidos por diferencias del punto de ebullición. que se evapora.

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Temperaturas de fusión de algunas sustancias que subliman

Fracciones de destilación del petróleo Nombre

Intervalo del punto de ebullición (°C)

Gasolina

60-280

Combustible de aviones a propulsión

190-450

Queroseno

350-550

Combustible diesel

430-700

Aceite combustible

550-800

Aceite lubricante

600-1 000

Actividad transversal

Comprensión lectora Evaporación El enfriamiento por evaporación es evidente en muchos casos; por ejemplo, a este fenómeno se debe que las personas experimenten frío al salir de la regadera o de una alberca, ya que el agua que tienen sobre la piel se evapora. Lo mismo ocurre cuando se frota con alcohol a una persona que tiene fiebre o temperatura alta. El alcohol se evapora más rápidamente que el agua y baja la temperatura del cuerpo.

Sustancia Naftaleno

Figura 2.27 Sublimación del yodo.

Temperatura (°C) 80.2

Yodo

113.5

Ácido benzoico

121.7

La sublimación ocurre a una temperatura menor que la temperatura de fusión. El proceso en sentido inverso, o sea, cuando una sustancia en estado gaseoso se solidifica, sin pasar por el estado líquido, se llama deposición. Por ejemplo, la nieve se forma por la solidificación directa del vapor de agua. Este método es muy eficaz para la purificación de las sustancias. Algunos sólidos impuros se someten a sublimación y posterior deposición del gas sobre una superficie fría. El yodo suele purificarse mediante este procedimiento. El proceso comercial basado en la sublimación, que se llama “secado en frío” se utiliza para deshidratar alimentos y materiales biológicos que pueden descomponerse si son calentados para secarlos. Este proceso casi siempre va acompañado de una reducción de la presión y también se le conoce como liofilización. Este método se utiliza, por ejemplo, para fabricar “café instantáneo”. Al someter el café al vacío, se logra una presión menor en la que el hielo se sublima. Al eliminar el agua en esta forma se preservan las moléculas sensibles al calor que confieren al café su sabor, de manera que no se altera la calidad del producto. Actividad transversal

Comprensión lectora ¡Cuidado con la olla de presión! Figura 2.26 Al bañarnos el agua se evapora cuando toca la piel.

Sublimación La conversión directa de un sólido al estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido, se llama sublimación. A presión atmosférica, el hielo seco (dióxido de carbono sólido) se evapora sin fundirse.

En las ollas de presión caseras y en autoclaves industriales se aprovecha el hecho de que el punto de ebullición varía con la presión para reducir el tiempo de cocción. La tapa de la olla cierra de manera hermética el recipiente y está provista de una válvula de seguridad que evita que la olla explote. Al calentar la olla y su contenido y al evaporarse el agua que contiene, la presión dentro del recipiente aumenta por encima de una atmósfera, el agua hierve a mayor temperatura y los alimentos se cuecen en menor tiempo. En los hospitales se usa este mismo principio para esterilizar la ropa y los instrumentos en autoclaves, en los cuales se alcanzan temperaturas suficientemente altas para destruir las bacterias. 51

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Interrelación entre materia y energía

Condensación La condensación se presenta cuando un gas cambia a estado líquido al disminuir su temperatura. Por ejemplo, cuando el vidrio de una ventana se empaña debido a las pequeñas gotas de agua de la humedad atmosférica.

Licuefacción

Figura 2.28 Al cocinar nuestros alimentos aplicamos la Química.

Por otra parte, al trabajar con líquidos que tienen puntos de ebullición muy altos o procesos en los que pueden ocurrir reacciones químicas indeseables a temperaturas elevadas, se trata de que lleguen a la ebullición reduciendo la presión interna del sistema, llamado comúnmente “al vacío” lo que permite trabajar a bajas temperaturas.

Es el paso del estado gaseoso al líquido, y se lleva a cabo cuando se aumenta suficientemente la presión y se reduce la temperatura para conseguir el cambio, resultando además una disminución del volumen. Por ejemplo, para obtener aire líquido o alguno de sus componentes (como nitrógeno y oxígeno, que son gases en condiciones naturales), se puede licuar el aire atmosférico. Los aerosoles están comprimidos, es decir, se presentan en forma líquida, al apretar la válvula se gasifican al entrar en contacto con la atmósfera por una diferencia de presiones. La presión es mayor en el recipiente.

Estos procesos se usan en la preparación de alimentos como los concentrados de jugos de frutas. Parte del agua se elimina a presión reducida, así se concentra el producto sin tener que calentarlo a alta temperatura, ya que esto causaría variaciones en el sabor del jugo y disminuiría su valor nutritivo.

Sólido Solidificación Congelación

Fusión Líquido

Deposición Evaporación Ebullición

Solidificación Es el cambio de un líquido a sólido por enfriamiento, es decir, al disminuir la temperatura del cuerpo líquido. Por ejemplo, la formación de cubos de hielo en el refrigerador.

Figura 2.29 El agua se congela en el refrigerador.

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Figura 2.30 En las mañanas frías, los vidrios se empañan debido a la condensación del agua.

Sublimación Condensación Licuefacción

Gas

Figura 2.31 Tanque de gas de oxígeno comercial.

Figura 2.32 Los recipientes de los aerosoles están herméticamente sellados para soportar la presión a la que están sometidos los gases.

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2.2 Energía Esta manifestación de la materia es muy importante en las transformaciones químicas, ya que siempre se producen cambios en el tipo y cantidad de energía. La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo, donde la palabra trabajo significa el desplazamiento de una masa en contra de una fuerza. Actualmente la energía es considerada como el principio de actividad interna de la masa. Lo anterior explica, por ejemplo, la luz y el calor desprendido en la combustión de la madera o del papel.

El agua de una presa, un resorte comprimido, una batería o pila y los alimentos, son ejemplos de sistemas que poseen energía potencial. En un campo de fuerza gravitacional la energía potencial se expresa matemáticamente por la relación: Ep = mgh Ep = energía potencial = joules o ergs m = masa = kg o g g = aceleración de la gravedad = m/s2 o cm/s2 h = altura = m

Figura 2.33 Las combustiones implican una gran liberación de energía, como la de un volcán.

Tipos y transformación Desde la óptica de la Física clásica, la energía se puede estudiar en sus dos principales manifestaciones: la cinética (Ec) y la potencial (Ep).

Por ejemplo, el agua almacenada en una presa tiene energía potencial, y en el momento en que se abra la compuerta, la energía potencial se transformará en energía cinética conforme el agua va cayendo. Esta energía es tan poderosa que es capaz de mover una turbina y transformarse en energía mecánica; la turbina genera electricidad y la electricidad suministra luz al encender un foco, o calor si utilizamos un calentador. Estos tipos de energía también son susceptibles de transformarse. Cuando un clavadista se arroja de un trampolín, su energía potencial se transforma en cinética; lo mismo ocurre con el resorte de un reloj, el cual tiene energía potencial acumulada que gradualmente se convertirá en el movimiento de las agujas.

La energía cinética es aquella que poseen los cuerpos en movimiento, o bien, es la energía de una partícula en virtud de su velocidad. Su expresión matemática es: Ec = ½ mv2 Donde: Ec = energía cinética = joules o ergs m = masa = kg o g v = velocidad = m/s o cm/s La energía potencial es la que tiene una partícula debido a su posición dentro de un campo de fuerzas eléctrica, magnética o gravitacional.

Figura 2.34 Energía cinética: Ec = ½ mv 2. A mayor velocidad y masa, la energía cinética es mayor.

Figura 2.35 El agua almacenada en una presa posee energía potencial.

Figura 2.36 La energía cinética es una característica de los cuerpos en movimiento.

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2

Interrelación entre materia y energía

Actividad transversal

Comprensión lectora Pirotecnia La pólvora es una mezcla de carbono, azufre, una sal formada por perclorato de potasio y otros componentes. Esta sustancia es un poderoso oxidante que al reaccionar con los demás componentes de la mezcla produce diversos óxidos todos ellos gaseosos. Si la reacción iniciada por la mecha se lleva a cabo en un espacio cerrado, se produce una explosión debido a la rápida formación de los gases. Sin embargo, si existe un pequeño orificio, los productos gaseosos escapan por él e impulsan al conjunto, formando un cohete pirotécnico. El trasbordador espacial estadounidense utiliza el mismo principio para ponerse en órbita, aunque en este caso cada despegue requiere 750 kg de oxidante. Si a la pólvora se le añaden determinados metales o compuestos de dichos metales, se producen explosiones de varios colores.

Color de las luces emitidas por los fuegos artificiales Efecto

Sustancias que lo producen

Luz roja

Nitrato, cloruro o carbonato de estroncio

Luz verde

Nitrato, clorato o cloruro de bario

Luz azul

Carbonato, sulfato y óxido de cobre(II), cloruro de cobre(II)

Luz amarilla

Sodio, oxalato de sodio o criolita

Luz blanca

Magnesio

Humo blanco

Mezcla de nitrato de potasio y azufre

Actividad: Selecciona una de las cuatro lecturas realizadas en las páginas 49, 51, 52 y 54 e identifica las ideas principales que te permitan reconocer el impacto que generan los cambios de estado de la materia en el medio ambiente.

La energía potencial que se acumula al estirar la cuerda del arco y luego se transforma en el movimiento de la flecha puede medirse en kilográmetros (cuando se inventaron las primeras máquinas se consideraba que el trabajo de un caballo equivalía a 75 kilográmetros, o sea la capacidad de levantar 75 kg de peso cada segundo, de ahí que la unidad llamada HP o caballo de fuerza valga 75 kgm/s), pero las otras formas de energía tienen unidades diferentes. Algunas manifestaciones energéticas son: „

Energía térmica

„

Energía por biomasa

„

Energía mecánica

„

Energía solar

„

Energía química

„

Energía eléctrica

„

Energía hidráulica

„

Energía térmica o calorífica

„

Energía luminosa

„

Energía atómica o nuclear

„

Energía eólica

„

Energía geodésica

Enseguida se tratan algunas de estas manifestaciones energéticas.

Energía térmica El calor se define como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas.

Humo de colores Mezcla de clorato de potasio, azufre y colorantes Chispas blancas

Aluminio, magnesio

Silbato

Benzoato de potasio o salicilato de sodio

Figura 2.38 La energía calorífica es fundamental en el cultivo de los vegetales.

Energía luminosa Figura 2.37 El espectáculo de las luces producido por los fuegos artificiales se debe a la presencia de diversos compuestos químicos. Requiere de un manejo muy cuidadoso, tanto en su elaboración como al encenderlos.

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También es importante mencionar la energía luminosa, ya que sin la luz no sería posible el fenómeno de la visión. El estudio del comportamiento dual de la luz sirvió como base para comprender y desarrollar la teoría atómica actual.

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Figura 2.40 La energía por biomasa se obtiene mediante un generador doméstico de gas de metano.

Figura 2.39 Poste con panel de celdas solares.

La luz es un tipo de radiación electromagnética que presenta fenómenos de onda tales como la reflexión, la refracción, la difracción y la interferencia. Como partícula, la luz ejerce presión y este comportamiento se demuestra con el efecto fotoeléctrico.

haría retroceder a tiempos en que no existían productos elaborados, combustibles, etcétera. El rendimiento de la fotosíntesis (proceso mediante el cual los vegetales transforman la energía solar en energía química) es bajo — no sobrepasa 1% en promedio— aunque la energía recuperable de una selva no es despreciable: equivale, aproximadamente, a cuatro toneladas de petróleo por hectárea y por año.

En México, las principales fuentes energéticas son: el petróleo, que proporciona hidrocarburos; la energía eléctrica, que proviene de enormes complejos termoeléctricos e hidroeléctricos. México cuenta desde hace bastante tiempo con una planta nuclear (Laguna verde, en el estado de Veracruz). Nuestro país cuenta con días soleados la mayor parte del año, por lo que se han desarrollado varios prototipos de equipos que utilizan energía solar, la cual en un futuro cercano podrá ser más y mejor aprovechada. También contamos con yacimientos importantes de uranio, cuya energía atómica o nuclear podría emplearse para suministrar calor y electricidad. Actualmente se están haciendo planes y estudiando proyectos para desarrollar esta aplicación.

Energía por biomasa La biomasa es toda materia orgánica que existe en la naturaleza (árboles, arbustos, algas marinas, desechos agrícolas, animales, estiércol, etc.), y es susceptible de transformarse en energía por medio de una fermentación anaerobia (en ausencia de aire) y en un recipiente cerrado llamado biodigestor. A partir de la biomasa se generan combustibles sólidos, gaseosos y líquidos para producir vapor, electricidad y gases. Actualmente se desarrollan en México varios prototipos que aplican estos principios. El uso de la energía debe ser debidamente canalizado y aprovechado, ya que muchos materiales que ahora nos proporcionan energía no son renovables; es decir, no se pueden producir de manera artificial. Con el paso del tiempo y por el consumo excesivo, estos materiales se agotarán, y si no se buscan y aplican otras fuentes alternas de energía, el avance de la humanidad podría detenerse, lo cual nos

Figura 2.41 Proceso de la fotosíntesis.

Energía eólica La energía eólica es la energía del viento, y se ha utilizado desde tiempos remotos para aplicaciones muy diversas: molino de viento, para moler los granos y convertirlos en harina y en el bombeo de agua en los sembradíos. El inconveniente de esta fuente de energía proviene de la irregularidad del viento en cuanto a fuerza y dirección. Además plantea el difícil problema del almacenamiento. En

Figura 2.42 La energía eólica se utiliza frecuentemente en el campo para mover los aerogeneradores.

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Interrelación entre materia y energía

Figura 2.43 Planta de energía nuclear.

Suecia, se realiza la producción masiva de electricidad en forma de una cadena costera de grandes aerogeneradores acoplados al bombeo de agua de los lagos, con el fin de resolver el problema del almacenamiento. Aun en los casos más favorables, el precio del kWh eólico sigue siendo mayor que el kWh nuclear, por un factor comprendido entre 3 y 4.

Energía nuclear El origen de dicha energía es el hecho de que los nucleones (protones o neutrones) están mejor ligados en el núcleo de estaño (8.5 MeV por nucleón) que en el de uranio (7.5 MeV por nucleón). La energía nuclear se obtiene cuando el núcleo de uranio se divide en dos, en el transcurso de un proceso de fisión. La energía producida es de 200 millones de electronvoltios (200 MeV).

Figura 2.45 Las plantas hidroeléctricas utilizan la energía del agua que cae para generar electricidad.

El calor creado en el reactor de fisión de uranio (U) se utiliza para vaporizar el agua que circula alrededor. El vapor de agua bajo presión es conducido hacia una turbina donde pone en marcha una hélice; esta energía mecánica se transforma después en energía eléctrica por medio de un alternador. El principio de las plantas termoeléctricas es igual que el de las turbinas; solamente el combustible es diferente. En ambos casos se produce vapor a temperaturas de 400 a 500 °C y a una presión de 150 atmósferas.

Energía hidráulica Se denomina así a la energía que se obtiene a partir del agua y es una fuente de energía renovable, ya que el agua circula por la hidrosfera, movida por la energía que recibimos del Sol. El agua retenida en la presa posee energía potencial y cuando cae, la energía potencial del agua se convierte en energía cinética, la cual aprovecha para mover una turbina que, a su vez, mueve un alternador, lo que permite obtener electricidad.

Interrelación masa-energía La energía es matemáticamente idéntica al trabajo y es una cualidad intangible que causa cambio o reagrupamiento. Durante la transformación de una masa, se lleva a cabo un intercambio de una cantidad adecuada de energía. Ahora bien, como se acaba de mencionar en párrafos anteriores, la energía se manifiesta de muchas formas o maneras. Todas estas formas son conocidas, aunque los procesos terrestres sólo dependen de una de ellas: la energía radiante generada por el Sol. Por consiguiente, la energía radiante del Sol es el tipo de energía más importante para nuestro planeta. Figura 2.44 La energía hidráulica se utiliza para mover una turbina y generar electricidad.

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El estudio de la energía con sus múltiples características pertenece al dominio de la física.

Grupo Editorial Patria ® Cuando una fuerza mueve un objeto a cualquier distancia, se ha efectuado un trabajo y se ha gastado energía. La fuerza y la energía están relacionadas matemáticamente por la expresión: T=Fd Trabajo = fuerza  distancia F=ma Fuerza = masa  aceleración (segunda ley de Newton) y, por tanto: Trabajo = masa  aceleración  distancia T=mad También sabemos que la materia es todo lo que tiene masa y que ésta da origen a la inercia, que es la resistencia que ofrece la materia al cambio de estado, ya sea de reposo o de movimiento. La materia es, por tanto, todo lo que requiere energía para ponerse en movimiento. En el laboratorio frecuentemente estamos comparando pesos mediante las balanzas analíticas o granatarias, con el propósito de comprobar la ley de Lavoisier y esto da origen a que en gran escala en la industria se lleve a cabo el mismo proceso para determinar la cantidad de materiales por utilizar, así como de los productos finales que se obtendrán.

Energías limpias Las energías limpias son aquellas que son producto de un proceso que no genera contaminación ambiental ni daño ecológico (las plantas hidroeléctricas, que satisfacen el primer punto, no cumplen el segundo). Si bien el principio de operación de las celdas fotovoltaicas permite proveerse de energía eléctrica -desde la década de 1950 los satélites las utilizan-, su capacidad de generación está restringida para ser utilizada en el mismo lugar en donde se requiere energía eléctrica. Dicho de otra forma, “la red de distribución” se circunscribe a los circuitos existentes en una casa, siempre y cuando se utilicen suficientes paneles de celdas fotovoltaicas en el techo de la misma. Por otro lado, aunque su costo ha disminuido en los últimos años, todavía en el año 2000 el importe de la energía eléctrica (costo del panel de celdas fotovoltaicas/número total de watts producidos en su vida útil) era tres veces mayor que el costo de la energía eléctrica obtenida de la red (que por lo general es subsidiada por el gobierno).

Beneficios y riesgos del consumo de energía Los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural, en orden de consumo mayor a menor) representan una parte muy importante de los recursos no renovables, y se han utilizado abundantemente como fuente principal de energía en plantas termoeléctri-

cas. Han mantenido un crecimiento en los últimos años de 2 a 3% anual, sin que se prevea una disminución de su consumo en los próximos años. Además de las consideraciones que se están efectuando para diseñar nuestro futuro energético con base en la disponibilidad de recursos renovables, se estudian de manera intensiva los factores ambientales que en la actualidad oscurecen nuestro horizonte ambiental, fundamentalmente el cambio climático global debido a la acumulación de CO2, producto de la combustión de esos materiales fósiles, que han originado el efecto invernadero en nuestro planeta, y, por otro lado, el agotamiento de la capa de ozono, que permite la entrada a la troposfera de una mayor cantidad de radiación ultravioleta. Emisiones de CO2 de los combustibles fósiles por unidad de energía (gas natural = 100%; gasolina = 134%; petróleo crudo =138%; carbón =178%). La amenaza del cambio climático, que ya se ha hecho presente, probablemente obligue a recortar de manera drástica el consumo de combustibles fósiles en las plantas termoeléctricas mucho antes de que la misma limitación de estos recursos lo haga. Los efectos negativos del cambio climático en este 2017 se pueden observar en el entorno, el territorio que la acción humana ha transformado para el desarrollo de sus actividades económicas y para la reproducción de la vida social, que transcurre la mayor parte del tiempo en las aglomeraciones urbanas o ciudades. Las necesidades económicas y sociales de los individuos han transformado la superficie de los suelos debido al cambio periódico en cuanto a sus usos: por ejemplo, industrial y habitacional, que a su vez han obstruido el paso natural del agua, las lluvias intensas generan inundaciones y riesgos que son un peligro para la vida de los habitantes. La emisión de gases invernadero no sólo tiene consecuencias negativas en el cambio climático, sino en la salud de los habitantes de las urbes, déficit de servicios públicos, como salud y vida. La población con menos recursos es la más vulnerable a las manifestaciones extremas del clima, como son la intensidad de las lluvias o la sequía. Cerca de 3 millones de mexicanos en 2012 no tenían el servicio de agua potable, más de 6 millones no contaban con el servicio de drenaje, además de que en sus asentamientos no tenían tratamiento para aguas residuales. Actividad formativa La bilis es un líquido de color amarillento verdoso, producido en el hígado. Se almacena en la vesícula biliar y se secreta a través del sistema biliar al intestino delgado. Su función es ayudar a la digestión y absorción de las grasas, mediante un proceso llamado saponificación. Investiga: „

¿De qué sustancias está formada la bilis?

„

¿Qué función tiene el ácido biliar?

57

2

Interrelación entre materia y energía

„

¿Qué significa el término saponificación?

„

Escribe la reacción química que se llevó a cabo.

„

¿Cómo se fabrica el jabón de aceite de coco?

Con base en la información anterior, anota a continuación los alimentos que consumes durante un día y calcula el número de calorías adqui-ridas. Por otro lado anota las actividades que realizaste y el consumo de calorías que tuviste.

„

Explica brevemente cómo se fabrica el jabón en la industria.

Alimentos consumidos durante un día

Calorías adquiridas

Alimentos consumidos durante un día

Calorías adquiridas

Actividad transversal

Salud Cálculo del consumo de energía ¿Sabes cuánta energía gastas al realizar diversas actividades cotidianas? Valores energéticos en calorías

Gastados después de

1 manzana

65

2 min de podar el pasto

1 huevo

80

8 min de trotar

1 rebanada de pan de centeno

100

12 min de nadar

1 plátano (170 g)

105

25 min de jugar bádminton

1 copa de vino blanco

105

25 min de bailar

1 pieza de pan (40 g)

110

13 min de jugar tenis

1 rebanada de pan integral

120

24 min de jugar boliche

1 porción de yogur con fruta (150 g)

150

25 min de caminar

1 ración de crema batida (150 g)

150

40 min de quehaceres domésticos

200 g de carne de ave

210

30 min de andar en bicicleta

50 g de queso tipo Gruyére

210

60 min de caminata vigorosa (a 3 km/h)

½ litro de cerveza

235

40 min de caminar

1 rebanada de pastel de cerezas

290

50 min de caminar

150 g de helado

300

60 min de juego de pelota

½ litro de leche entera

330

70 min de caminar

2 salchichas (150 g)

375

47 min de jugar tenis

1 chuleta de puerco mediana con grasa (125 g)

470

90 min de caminar

1 barra de chocolate (110 g)

565

85 min de andar en bicicleta

Alimentos

58

¿Es igual el número de calorías que consumiste y que gastaste? ¿Por qué?

¿Qué sugieres realizar para que el número de calorías que consumiste y que gastaste sea igual?

Grupo Editorial Patria ®

Actividad transversal

Social Título: “Diez cosas que me encanta hacer” Objetivo: Que los alumnos se den cuenta de sus valores y reflexionen al respecto. La ciencia es imprescindible en nuestras vidas, sin ella no tendríamos la mayoría de los avances que hoy damos por hecho. Nuestra vida sería completamente diferente y mucho menos interesante. Es por ello que se deben unir talentos y pasiones, tanto de hombres como de mujeres, recordando que una comunidad diversa, con gente con diferentes ideas, aporta distintos puntos de vista que ayudan a avanzar en nuestro conocimiento como humanidad. Instrucciones: En una hoja en blanco y de acuerdo con las indicaciones de tu profesor, anota una lista de 10 actividades que te guste hacer cotidianamente; anotando el número 1 a la de mayor interés y el 10 a la de menor interés. Figura 2.46 El ejercicio físico y una buena alimentación nos permite tener un cuerpo sano.

Posteriormente, divídanse en equipos de seis alumnos y comenten su lista de actividades que anotaron y compartan las cosas más deseadas y las menos deseadas, pueden basarse en las siguientes preguntas: 1. ¿Aprecio lo que hago y hago lo que aprecio?

¿Qué beneficios tendrías?

2. ¿Lo afirmo en público cuando hay oportunidad de hacerlo? 3. ¿Lo elegí entre varias alternativas? 4. ¿Lo elegí después de considerar y aceptar las consecuencias? 5. ¿Lo elegí libremente? 6. ¿Mi conducta está de acuerdo con lo que pienso y digo? 7. ¿Mis patrones de conducta son constantes y repetidos? De acuerdo con lo comentado en los equipos: a) ¿Qué reacción tuvieron al ver los valores de los demás, si son diferentes a los suyos? b) ¿Tendieron a criticar o a enjuiciar?

Conclusiones:

c) ¿Trataron de modificar los valores de otro creyendo que los suyos eran los correctos? d) ¿Hubo cambios en su escala de valores? e) Anota tus conclusiones de la actividad:

59

2

Interrelación entre materia y energía

Actividad transversal

Comprensión lectora ¿Cuál es el “peso ideal” de una persona? Para calcular de manera aproximada el peso ideal de una persona, se debe restar 100 a su estatura en centímetros por ejemplo, si mide 1.75 m o 175 cm, su peso ideal sería: Peso ideal = 175 – 100 = 75 kg Con base en lo anterior, ¿cuál sería tu peso ideal? Da tu opinión sobre la importancia de saber tu peso ideal para tu salud y vida en general. 2. Con ayuda del embudo, introduzcan el bicarbonato de sodio en el globo. 3. Con mucho cuidado coloquen el globo en la boca del matraz, cuidando que las sustancias no se mezclen. 4. Lleven el matraz con el vinagre, que tiene acoplado el globo con el bicarbonato, a la balanza para determinar la masa inicial (m1). masa inicial = m1 =

g

5. Sin quitar el matraz con todas las sustancias de la balanza, volteen con la mano el globo para que el bicarbonato caiga en el vinagre y se realice la reacción química.

Figura 2.47 Comer sano te ayudará a mantener tu cuerpo sano.

¿Qué se observa? 6. Cuando deje de reaccionar todo el bicarbonato con el vinagre, anoten la masa final obtenida. masa final = m2 =

Actividad experimental

Ley de la Conservación de la masa Bajo la guía de tu profesor reúnete en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen esta actividad. Contesten las preguntas y compárenlas con las de otros equipos. Anoten sus conclusiones.

g

Comparen los resultados de la masa inicial (m1) y de la masa final (m2). m1 =

g

m2 =

g

De acuerdo con los resultados anteriores, ¿se cumplió la Ley de Conservación de la masa? Justifiquen su respuesta

Propósito Comprobar experimentalmente la Ley de Lavoisier. Material „

10 g de bicarbonato de sodio (NaCOH3)

„

Un matraz Erlenmeyer de 250 mL

„

Un embudo

„

Un globo del número 6.

„

Una balanza granataria

„

10 mL de vinagre (CH3COOH)

Procedimiento 1. Viertan el vinagre dentro del matraz.

60

¿Qué sustancia quedó dentro del globo? Con la ayuda de su profesor, escriban la reacción química que se llevó a cabo. Anota tus conclusiones:

Grupo Editorial Patria ® Actividad formativa I.

Instrucciones: Completa el siguiente mapa conceptual. MATERIA

Estados físicos

1. Sólido

2.

3.

4.

5.

6.

Características

Características

No tiene forma ni volumen

Características

Características

Características

Ejemplo o aplicación

Ejemplo o aplicación

Ejemplo o aplicación

Ejemplo o aplicación

Ejemplo o aplicación

Ejemplo o aplicación

61

2

Interrelación entre materia y energía

II.

Instrucciones: Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda.

(

)

(

)

1. Se realiza un cambio físico durante:

a) Átomo

a) La oxidación de un clavo

b) Compuesto

b) La fusión del hierro

c) Molécula

c) La reducción de hierro de Fe+3 a Fe+2

d) Elemento

d) La reacción del cobre con ácido nítrico ( (

)

)

2. En una lámpara de baterías los cambios de energía que se presentan son:

b) Proust

b) Química, eléctrica, calorífica, lumínica

c) Lavoisier

c) Potencial, calorífica, lumínica

d) Richter

d) Química, cinética, lumínica, calorífica )

3. Es un ejemplo de energía potencial:

(

a) Un atleta corriendo

c) Luminosa

d) Una resortera lista para disparar 4. Partícula más pequeña que no puede descomponerse en otras más sencillas:

9. La energía que tiene un cuerpo debido a su posición o estado de reposo se le conoce como:

b) Radiante

c) La luz del Sol

)

)

a) Cinética

b) El viento de un huracán

(

8. “La masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma”, corresponde al enunciado de la ley de: a) Dalton

a) Eléctrica, calorífica, cinética, lumínica

(

7. Son sustancias que resultan de la unión de dos o más elementos diferentes en proporciones definidas y pueden separarse sólo por métodos químicos.

d) Potencial (

) 10. Se define como la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo:

a) Molécula a) Materia

b) Átomo

b) Masa

c) Mezcla

c) Energía

d) Elemento (

)

5. Todo lo que requiere energía para un cambio de estado, de reposo o de movimiento, se conoce como:

d) Volumen (

a) Masa

) 11. Expresión matemática de la ley de la conservación de la materia: a) E = mv 2

b) Densidad

b) E = mhg

c) Fuerza de gravedad

c) E = mc 2

d) Materia

d) E = wf (

62

)

6. Las sustancias puras que pueden descomponerse en otras más simples se llaman:

(

) 12. Son ejemplos de propiedades específicas de la materia:

a) Elementos

a) Masa, peso, volumen, inercia

b) Átomos

b) Volumen, densidad, punto de fusión, divisibilidad

c) Electrones

c) Temperatura, densidad, color, punto de fusión

d) Compuestos

d) Solubilidad, masa, longitud, inercia

Grupo Editorial Patria ®

(

) 13. Es un ejemplo de fenómeno químico:

(

a) La caída de un rayo b) La evaporación del agua

a) Dalton

c) La oxidación de un metal

b) Lavoisier

d) La fusión de la cera (

c) Einstein

) 14. Ciencia que estudia los fenómenos químicos que se presentan en los seres vivos. a) Fisicoquímica

) 20. En el universo, la cantidad de masa-energía que se manifiesta en determinado espacio-tiempo permanece constante. Esta ley la postuló:

d) Mayer (

) 21. Es la energía producida por la fuerza del agua.

b) Bioquímica

a) Mecánica

c) Biología

b) Eléctrica

d) Ecología

c) Hidráulica d) Geodésica

(

) 15. Cantidad de partículas contenidas en una sustancia. a) Átomos b) Masa c) Moléculas d) Peso

(

) 16. Lugar de una casa donde se presenta el mayor número de transformaciones químicas diariamente. a) Cocina

(

) 22. Cuando una sustancia cambia del estado sólido al gaseoso se verificó una: a) Sublimación b) Solidificación c) Deposición d) Fusión

III. Instrucciones: Anota el nombre del estado físico o de agregación en el que se encuentran los objetos y las sustancias.

b) Sala c) Baño d) Jardín (

) 17. Principal fuente de energía con que cuenta el hombre. a) El plástico b) El papel

(

a) Loción para después de afeitar b) Spray para el cabello c) El hielo contenido en un refresco d) La salsa de tomate para las papas a la francesa e) El suavizante para las telas

c) La madera

f) El anticongelante para los automóviles

d) El Sol

g) La flama de los calentadores de las estufas

) 18. Uno de los productos que se obtienen en la respiración.

h) El Sol

a) Monóxido de carbono, CO

i) La espuma de afeitar

b) Dióxido de carbono, CO2

j) La pólvora

c) Oxígeno, O2 d) Nitrógeno, N2 (

) 19. Es una propiedad fundamental de la materia. a) Punto de ebullición b) Elasticidad c) Volumen d) Color

63

2

Interrelación entre materia y energía Actividad experimental

Cambios de estado

¿Cuál fue el cambio de estado que se efectuó?

Bajo la dirección de tu maestro, forma un equipo con tres compañeros de grupo y resuelvan esta actividad experimental. Contesten las preguntas y elaboren un informe escrito con resultados y conclusiones. Expónganlo al resto del grupo. Propósito Verificar cambios de estado físico de algunas sustancias cotidianas Materiales „

Bolita de naftalina

„

2 g de parafina

„

50 mL de agua

„

Seis cubos de hielo

„

Dos vasos de precipitados de 250 mL

„

Tres cápsulas de porcelana

„

Soporte universal con anillo de hierro

„

Mechero

„

Mortero

3. Trituren en el mortero la bolita de naftalina y colóquenla en un vaso de precipitados. Tápenla con una cápsula que contenga unos cubos de hielo y un poco de agua, y calienten el vaso. Observen durante cinco minutos y anoten sus conclusiones:

¿Qué cambio de estado ocurrió?

Coloquen la parafina en una cápsula de porcelana y caliéntenla: Procedimiento

¿Qué ocurre?

1. Agreguen 20 mL de agua a un vaso de precipitados y caliéntenla. ¿Qué observan cuando han transcurrido cinco minutos?

¿Cómo se llama este cambio de estado? ¿Cómo se llama este cambio de estado?

¿Por qué? 2. En una cápsula de porcelana coloquen unos cubos de hielo y agua. Tapen con ella el vaso de precipitados en el que están calentando el agua. ¿Qué función tiene el hielo?

64

Grupo Editorial Patria ®

Evaluación sumativa Con el propósito de que demuestres los saberes que has adquirido durante el desarrollo del bloque, a continuación se presentan actividades que permiten evidenciar los aprendizajes logrados, para ello responde lo que se indica. I. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la derecha, posteriormente coméntalo con tus compañeros de clase y menciona la importancia que tiene conocer las propiedades de la energía y su uso correcto en la vida cotidiana. . Menciona, según sea el caso, los beneficios y riesgos de los cambios químicos que se dan en el hogar o en el medio ambiente. 1. El enunciado: “La materia en el Universo se transforma pero siempre se mantiene constante”, corresponde a la ley de la conservación de: ( ) a) b) c) d)

Volumen Peso Espacio Materia

Volumen, masa, acidez Peso, impenetrabilidad, inercia pH, densidad, divisibilidad Ebullición, porosidad, oxidación

4. Son propiedades específicas químicas. a) b) c) d)

a) b) c) d)

Destilación Fusión Solidificación Líquido

7. ¿Cuál ejemplo corresponde a un fenómeno químico? ( a) b) c) d)

)

Ennegrecimiento de un aguacate Estirar una liga Romper un vidrio Magnetizar el hierro

a) b) c) d)

Evaporación Fusión Sublimación Condensación

a) b) c) d)

Evapora Sublima Condensa Fusiona

10. ¿Cómo se llama la energía que tiene un objeto a una velocidad de 2 m/s? ( ) (

)

Volumen, oxidación Combustibilidad, acidez Inercia, porosidad Peso, densidad

5. Es un estado de la masa:

Materia Modelo Fenómeno Estado de agregación

9. ¿Qué le sucede al hielo seco, dióxido de carbono, si está a presión y temperatura ambiente? Se: ( )

3. Son tres propiedades generales de la materia en forma de masa. ( ) a) b) c) d)

a) b) c) d)

)

8. ¿Cómo se llama el cambio de estado si un gas pasa al estado líquido? ( )

Materia Masa Materia- energía Energía

2. Un tornillo oxidado, el arsénico, el calor, el magnetismo y el helio tienen en común que son: ( ) a) b) c) d)

6. Cualquier modificación que le sucede a la masa se llama: (

a) b) c) d)

Cinética Mecánica Cibernética Potencial

11. Son las fuentes de energía más importantes en nuestro país: ( ) (

)

a) b) c) d)

Marítima, luminosa, magnética Térmica, hidráulica, eólica Hidroeléctrica, termoeléctrica, petróleo Radiante, acústica, solar

65

2

Interrelación entre materia y energía

II. Instrucciones: Anota sobre la línea la palabra sólidos, líquidos o gases, según el estado físico a que se refiera la propiedad. a) Sus espacios intermoleculares son grandes y su densidad es baja: b) En este estado los espacios intermoleculares son muy pequeños y las partículas tienen escasa libertad: c) No tienen forma definida pues adoptan la forma del recipiente que los contiene: d) Tienen volumen definido y se oponen a ser comprimidos: e) Tienen a ocupar todo el espacio disponible y se pueden comprimir: f) Tienen volumen propio y difunden o fluyen con facilidad:

( ) ( ) ( ) ( )

Los sólidos pueden convertirse en hilos Es la resistencia que ofrece un líquido a fluir Es la fuerza que tienen los líquidos en su superficie Es la propiedad que tienen los líquidos de ascender o fluir a través de tubos o recipientes de diámetro pequeño

e) Maleabilidad f) Capilaridad g) Tenacidad h) Viscosidad

V. Anota en la línea correspondiente el nombre del estado de agregación en que se encuentran los objetos y sustancias mencionados en las frases siguientes: a) La pasta dental: b) Un licuado de fresa: c) Una manzana:

III. Instrucciones: Escribe la palabra homogénea o heterogénea, según corresponda a cada una de las siguientes mezclas:

d) El aceite lubricante: e) El hielo que se agrega a los refrescos:

a) Agua con aceite

f) La sal para darle sabor a los alimentos:

b) Vinagre con agua c) Arena de mar y agua

g) Los productos de la combustión que salen por el tubo de escape:

d) Leche con agua

h) El gas doméstico:

e) Limadura de hierro y azufre

i) Loción para después de afeitar:

f) Alcohol y agua destilada

j) Mayonesa:

g) Refresco con hielo IV. Instrucciones: Relaciona las siguientes columnas y escribe la letra que corresponda a la respuesta correcta dentro del paréntesis. ( )

( ) ( ) ( )

66

Propiedad de los sólidos, en mayor o menor grado, de recuperar su forma inicial Propiedad de estos cuerpos de oponerse a ser rayados Resistencia que presenta un sólido a la ruptura Los sólidos pueden ser laminados al golpearse con un martillo

a) Tensión superficial b) Elasticidad c) Ductibilidad d) Dureza

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Autoevaluación Nombre del estudiante: Propósito: Reflexionar sobre el logro, desarrollo de competencias y aprendizajes. ¿Para qué me sirve la autoevaluación? ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Es una herramienta muy valiosa para reflexionar sobre los desempeños logrados, así como el desarrollo de competencias. Establecer acciones que favorezcan mi proceso de aprendizaje. Reconocer mis acciones ante diversas situaciones, además de saber cómo me perciben las personas que me rodean. Proporciona elementos para fortalecer mis habilidades e intervenir ante dificultades de aprendizaje que se presenten. Permite conducirme de manera responsable, respetuosa y empática hacia mis semejantes. Favorece habilidades y actitudes que van dirigidas al desarrollo de competencias. Fomenta al diálogo, para la retroalimentación y conclusión de actividades.

Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: 1. Lee con atención lo que se indica y atiende conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando hayas terminado, responde e indica sí o no cumpliste, o bien estás en proceso de desarrollarlo.

Conocimientos

Logrado Sí No

Considero que está en proceso porque…

Describí cómo la materia está en constante transformación. Reconocí cómo se manifiestan los cambios en la naturaleza. Expliqué la importancia de las propiedades físicas y químicas mediante diversos experimentos. Comprendí cómo se dan los cambios de agregación contextualizados al entorno. Examiné los diversos tipos de energía, sus características e interrelación. Argumenté la importancia sobre el uso adecuado de la energía para cuidar el medio ambiente. Identifiqué los riesgos y beneficios del uso de la energía en mi entorno. Fundamenté mis ideas y postura basadas en los conocimientos desarrollados. Utilicé diversas fuentes de información para procesar y comunicar la información solicitada. Asumí una actitud respetuosa y constructiva ante los trabajos realizados, tanto en equipo o como de manera individual.

67

2

Interrelación entre materia y energía

¿Qué aprendí durante el desarrollo del bloque?

¿Qué debo mejorar?

Mis conclusiones son:

68

Grupo Editorial Patria ®

Guía de observación Estudiante:

Grupo:

Fecha de aplicación: Hora de inicio:

Hora final:

Propósito: Reconocer los logros que muestra el estudiante al desarrollar desempeños, habilidades y actitudes durante el desarrollo de actividades en el bloque. Instrucciones: 1. Leer eer con atención lo que se indica y atender conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando se haya terminado, responder e indicar sí o no lo realizó y ¿por qué? según la respuesta seleccionada.

Logrado Sí No

¿Por qué?

Desempeños

Describe cómo la materia se transforma continuamente siendo una manifestación de la naturaleza. Realiza experimentos sobre las propiedades químicas y físicas. Argumenta la importancia que tiene la energía en el cuidado del medio ambiente. Reconoce riesgos y beneficios del uso de la energía que impactan en el medio ambiente. Habilidades

Distingue las propiedades intensivas y extensivas. Reconoce características y propiedades de la materia. Caracteriza los estados líquido, sólido y gaseoso. Explica las aplicaciones de los cambios físicos, químicos y nucleares. Describe los tipos de energía. Actitudes

Se comunica de manera asertiva con sus compañeros. Participa activamente durante las actividades. Expone sus ideas de manera organizada. Privilegia al diálogo ante diferencia de ideas. Asume una actitud propositiva en beneficio del medio ambiente en general. Logros obtenidos.

Acciones para fortalecer los aprendizajes.

69

BLOQUE

3 10 horas

Modelo atómico y aplicaciones Propósito Explica los modelos atómicos que dieron origen al actual, describiendo tanto la estructura como el comportamiento del átomo y reconoce las propiedades de los elementos radiactivos identificando sus aplicaciones e impacto en su entorno.

Conocimientos 3.1

Modelos atómicos: ƒ Dalton ƒ Thomson ƒ Rutherford ƒ Bohr ƒ Modelo mecánico cuántico del átomo

3.2

Partículas subátomicas: electrón, protón y neutrón ƒ Número atómico ƒ Masa atómica ƒ Número de masa

3.3

Configuraciones electrónicas y números cuánticos: ƒ Principio de construcción de Auf-Bau ƒ Principio de exclusión de Pauli ƒ Principio de máxima multiplicidad o regla de Hund ƒ Prinipio de incertidumbre de Heisenberg ƒ n, l, m, s

3.4

Isótopos

Aprendizajes esperados ƒ Valora las aportaciones de los diferentes modelos atómicos como parte un proceso histórico que contribuye a la comprensión del modelo actual. ƒ Aplica los principios básicos de las configuraciones electrónicas y su relación con los número cuánticos para comprender el comportamiento del átomo. ƒ Constrasta en diferentes campos de conocimientos, el uso de isótopos radiactivos, reconociendo sus beneficios y riesgos en el medio ambiente.

Habilidades ƒ Reconoce las caracteríticas de cada uno de los modelos atómicos previos al actual. ƒ Relaciona las partículas subtómicas con el número atómico, masa atómica y número de masa de cualquier elemento químico. ƒ Identifica los electrones de valencia en la configuración electrónica de los elementos y los relaciona con las características de éstos. ƒ Distingue los números cuánticos de un electrón. ƒ Describe la relación entre el número atómico y el número de masa de los isótopos. ƒ Reconoce las principales aplicaciones y riesgos de algunos isótopos radiactivos.

Evaluación diagnóstica Competencias genéricas 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimiento. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Competencias disciplinares 1.

3.

4.

6.

9.

10.

Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la derecha. 1. Partícula más pequeña que no puede descomponerse en otras más sencillas: a) Elemento

c) Mezcla

b) Átomo

d) Molécula

2. Son átomos del mismo elemento que tienen igual número de protones y electrones, pero con diferente número de neutrones: a) Compuestos

c) Átomos

b) Moléculas

d) Isótopos

3. Es la suma de protones y neutrones en un átomo: a) Masa atómica

c) Número atómico

b) Peso atómico

d) Número de masa

4. Es la suma porcentual promedio de las masas de los isótopos más estables de un mismo elemento: a) Peso atómico

c) Masa molar

b) Masa atómica

d) Número masa

5. Es el número de protones que tiene el núcleo de un átomo: a) Número atómico

c) Masa molecular

b) Peso atómico

d) Masa isotópica

6. Es el número de orbitales que se tienen en el subnivel s: a) 1

c) 3

b) 5

d) 10

7. La configuración electrónica [Ar] 4s 2 3d 10 4p 2, corresponde al elemento: a) V

c) As

b) Ge

d) Ca

8. Identifica los números cuánticos del electrón diferencial

en la siguiente configuración electrónica: 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 1: a) n = 3, l = 0, m = 0, s = ½

Actitudes

b) n = 1, l = 0, m = 1, s = ½

ƒ ƒ ƒ ƒ

c) n = 1, l = 1, m = 1, s = ½

Muestra disposición al trabajo metódico y organizado. Se relaciona con las demás personas de forma colaborativa. Muestra una conciencia social ante las situaciones de su entorno. Favorece su pensamiento crítico.

d) n = 3, l = 0, m = 1, s = ½

9. La configuración electrónica de un elemento cuyo electrón diferencial está en 4px 1 es:

a) [Ar] 3s 2 3p 1 10

b) [Ar] 3d 4s

2

c) [Kr] 4p 1 d) [Ar] 4s 24 p 2

3

Modelo atómico y aplicaciones

Situación didáctica ¿Has visto o tocado físicamente un átomo, un electrón o alguna partícula subatómica?

Una manzana nos puede servir para conocer de qué se compone la materia.

Si la cortáramos en trozos más allá de lo que el ojo humano puede ver, la primera porción con la que La materia es tan interesante en su constitución, que nos encontraríamos serían las moléculas, constituien el mundo a diario los científicos están empeñadas por átomos que, a su vez, se componen de elecdos en descubrir nuevos materiales que puedan trones y núcleo. Los núcleos están formados por los solucionar diversas problemáticas sociales, tales protones y los neutrones. Dentro de ellos habitan los como la contaminación del medio ambiente, el reciquarks, las menores porciones de materia que el hombre clar diversos plásticos, minerales, etc., para lo cual tratan ha podido conocer hasta este momento. En realidad, todas de sumergirse en un viaje hacia las partículas que constitulas cosas y seres se forman sobre cuatro de estos constituyentes: los yen al átomo. Para lo anterior vamos a manifestar una analogía con dos quarks —llamados arriba y abajo siempre atados a las partíla siguiente pregunta: ¿qué hay dentro de una manzana? culas del núcleo— y, el electrón y el neutrino. Las otras dos familias de quarks y leptones se extinguieron tras el Big Bang. Fuerza Partícula Dónde se Forma Interacción El quark arriba tiene carga positiva, mientras su contrario, el relativa portadora manifiesta espacial quark abajo está cargado negativamente, igual que el elecFUERZA FUERTE 1 Gluón Núcleo trón, que interviene en la electricidad y en las reacciones quíMantiene unido el núcleo micas. El neutrino no tiene carga eléctrica. del átomo

FUERZA ELECTROMAGNÉTICA Mantiene unido el átomo

1/1 000

Fotón

FUERZA DÉBIL Provoca la desintegración radiactiva

1/100 000

Bosones

Desintegración radiactiva

10–38

Gravitón

Sistemas planetarios

GRAVITACIÓN Mantiene unido el Sistema Solar

Átomo

Cuatro fuerzas son las responsables de que se mantengan unidos tanto los átomos como las galaxias. Los físicos creen que están integradas en una única superfuerza. Los físicos opinan que estas cuatro interacciones no son más que formas de una fuerza única que actuó al principio de los tiempos. Las condiciones de la naturaleza no permiten que hoy se produzca la unificación; pero continúan las investigaciones para saber cómo fue aquella superfuerza original.

Secuencia didáctica A continuación se lista una serie de acciones que deben seguir para contestar la problemática de la pregunta central. Es importante reflexionar; ser claros, concisos y objetivos para que esta experiencia sea útil. 1. Describe las partes de una manzana natural, relacionándola con el texto anterior.

2. ¿En dónde se concentra la superfuerza de un átomo?

72

3. ¿Cuáles son los constituyentes principales de un átomo?

4. ¿Qué representan los quarks?

5. ¿Por qué es importante conocer la constitución interna de la materia?

Grupo Editorial Patria ® 6. ¿Por qué se muestra la analogía con una manzana y no con otra fruta; por ejemplo, una naranja?

8. Elabora un reporte en el que expreses de manera objetiva tus reflexiones sobre esta actividad.

7. ¿Cuántas partículas actualmente se conocen y que constituyen al átomo?

Rúbrica Con el propósito de verificar tus conocimientos sobre la constitución de la materia, contesta lo siguiente: Q

¿Cuántas partículas fundamentales constituyen un átomo?

      Q

¿Cuántas partículas subatómicas se conocen en la actualidad?

     

Responde a los siguientes cuestionamientos: Q

¿Leí todo el contenido del bloque?

      Q

Cuando lo hice, ¿comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta que lo comprendí?

      Q

¿Los aparatos modernos tienen que ver con los descubrimientos de partículas subatómicas? Justifica tu respuesta.

Q

¿Puedo comprender la influencia de conocer la estructura del átomo en beneficio propio y de mis semejantes? ¿Por qué?

 

 

 

 

 

 

Q

¿Ya se conocen todas las partículas del átomo o faltan por descubrirse más? Justifica tu respuesta.

Q

¿El uso del átomo en forma adecuada, beneficia el desarrollo de la sociedad actual? ¿Cómo?

 

 

 

 

 

 

73

3

Modelo atómico y aplicaciones

3.1 Modelos atómicos

Q

Todas las cosas están compuestas de átomos sólidos.

Q

Espacio o vacío, es decir, vacuidad, existe entre los átomos.

Q

Los átomos son eternos.

Q

Los átomos, por ser demasiado pequeños, no son visibles.

El conocimiento actual que tenemos del átomo es el resultado de un gran esfuerzo de los científicos a través del tiempo, lo cual, sin embargo, es algo que no está completo, ni es absoluto. Los grandes avances tecnológicos con que contamos en el mundo moderno, surgieron de las investigaciones sobre cómo está compuesta la materia; las partículas que la constituyen y en ir descubriendo sus diferentes propiedades al reaccionar con otras sustancias; sin perder de vista tener un sano equilibrio, cuidado y desarrollo con el ambiente que nos rodea.

Q

Los átomos son indivisibles, homogéneos e incomprensibles.

Q

Los átomos difieren uno de otro por su forma, tamaño y distribución geométrica.

Q

Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los átomos.

Gran parte de las actividades en nuestro planeta dependen de la electricidad, la mayor parte de ésta se desplaza de un sitio a otro por medio de alambres de cobre. Ahora supongamos que tomamos una muestra del elemento y la dividimos en pedazos cada vez más pequeños.

Alrededor de 1803 ganó gran aceptación la teoría de un científico inglés llamado John Dalton, la cual decía que la naturaleza de la materia y la forma en que los elementos se combinaban, sugería la existencia de un límite hasta el cual un elemento se podía subdividir. Actualmente sabemos que al dividir una muestra de cobre en trozos cada vez más pequeños, finalmente se encuentra una unidad básica que no puede seguir siendo dividida sin que la naturaleza del elemento cambie. Esta unidad básica se llama átomo y con su conocimiento se facilita el estudio de las reacciones químicas. Conforme ha ido avanzando la ciencia, el concepto de átomo ha ido cambiando también.

Los seres humanos somos únicos, originales e irrepetibles. Pertenecemos a una gran familia porque, a pesar de ser diferentes, nos parecemos.

Alrededor del año 400 a. C. los filósofos griegos Demócrito y Leucipo fueron los primeros en introducir la palabra átomo, que se refería a una porción indivisible de la materia. Cuando se divide un pedazo de madera —argumenta Demócrito—, es lógico admitir que la hoja del cuchillo penetra en intersticios existentes en la materia. Las partículas últimas indivisibles de la materia son los átomos. Cada uno de estos átomos eternos, indestructibles, y eternamente invariables, representa una unidad parmenidiana (de Parménides). Los átomos no poseen sabor, olor, ni color; todas estas propiedades no residen en la materia. Todas las cosas se componían de átomos. Resumiendo la filosofía atómica antigua:

Dalton

Figura 3.3 John Dalton, padre de la teoría atómica moderna. Figura 3.2 Símbolos de los cuatro elementos que consideraban los griegos. Figura 3.1 El átomo se ha convertido en el símbolo de nuestra época. Aquí se muestra el Atimium, erigido en Bruselas con motivo de su exposición universal.

74

A principios del siglo xix y retomando la explicación propuesta por Demócrito, John Dalton, en su teoría atómica, estudió a los átomos y utilizó símbolos para representar su combinación; usaba círculos negros para los átomos de carbono; los círculos blancos indicaban los átomos de oxígeno, un círculo negro junto a otro blanco simbolizaban al monóxido de carbono. Además, al mismo tiempo que formulaba su teoría, publicó una tabla de masas atómicas en la que asignó la masa de 1 al hidrógeno, el átomo más ligero de todos.

Los postulados de Dalton, incluso con sus errores, que se han ido corrigiendo con el paso del tiempo, y los nuevos descubrimientos proporcionaron una base de trabajo, por ello se le considera el padre de la teoría atómica moderna. A continuación se enuncian dichos postulados: 1. Los elementos están formados por partículas muy pequeñas, separadas, indivisibles e indestructibles llamadas átomos.

Grupo Editorial Patria ® Si en un tubo de descarga existe una concentración de carga eléctrica positiva y en otro una concentración de carga eléctrica negativa, entonces entre los dos se establece un potencial eléctrico. Bajo la fuerza impulsora de este potencial eléctrico fluye una corriente eléctrica desde un punto a otro. La corriente fluye más fácil a través de unos materiales que de otros. A los científicos del siglo xx les parecía razonable avanzar un paso más e intentar conducir una corriente eléctrica a través del vacío; sin embargo, para obtener resultados significativos se precisaba un vacío lo bastante perfecto como para permitir que la corriente cruzase (si es que lo hacía) sin interferencias significativas por parte de la materia. Figura 3.4 Símbolos atómicos propuestos por Dalton.

2. Los átomos de un mismo elemento son idénticos y poseen las mismas propiedades físicas y químicas, pero son diferentes de los átomos de otro elemento. Por ejemplo: los átomos de plata (Ag) son idénticos entre sí; por tanto, tienen las mismas propiedades, pero si se comparan con los átomos de sodio (Na), éstos tienen diferentes propiedades. 3. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos diferentes: Por ejemplo: el agua (H2O) se obtiene de la unión de dos átomos de hidrógeno (H) con uno de oxígeno (O). El vinagre o ácido acético (CH3COOH) resulta de la unión de dos átomos de carbono (C), dos átomos de oxígeno (O) y cuatro átomos de hidrógeno (H). 4. Al combinarse los átomos de dos mismos elementos para formar una serie de compuestos, lo hacen en una relación sencilla de números enteros. Por ejemplo, en el agua (H2O) y en el agua oxigenada (H2O2) la relación es de 2 a 1 y de 2 a 2, respectivamente. Nota. Actualmente sabemos que los átomos se pueden dividir liberando una gran cantidad de energía en forma de calor, el cual puede ser transformado en energía eléctrica. La palabra átomo se conserva por cuestiones meramente históricas. De acuerdo con los postulados anteriores, Dalton crea su modelo atómico, en el cual el átomo se considera como una esfera sólida, maciza, pequeña, indivisible y de peso fijo. Dalton mencionó en su hipótesis que los átomos eran indivisibles e indestructibles, pero actualmente las plantas de energía nuclear aprovechan la desintegración del núcleo, que libera una enorme cantidad de calor, el cual es transformado en energía eléctrica en los reactores nucleares, para beneficio del hombre.

Figura 3.5 Modelo atómico de Dalton.

Los intentos de Faraday para dirigir electricidad a través del vacío fracasaron, por no ser éste suficientemente perfecto. Pero en 1855 un soplador de vidrio, el alemán Heinrich Geissler (1814-1879), ideó un método para producir vacíos más altos que los que se habían obtenido hasta entonces. Preparó recipientes de vidrio haciendo vacío en ellos. Un amigo suyo, el físico alemán Julius Plücker (1801-1868), utilizó estos tubos de Geissler en sus experimentos eléctricos, introdujo dos electrodos en los tubos, estableció un potencial eléctrico entre ellos y consiguió hacer pasar una corriente a través de los mismos.

Figura 3.6 Michael Faraday fue de los primeros científicos que experimentaron con la electricidad.

La corriente producía efectos luminiscentes dentro del tubo y variaban, precisamente, de acuerdo con el grado de vacío. Si el vacío era muy alto, la luminiscencia desaparecía pero el vidrio del tubo despedía una luz verde alrededor del ánodo. El físico inglés William Crookes (1832-1919) ideó en 1875 un tubo con un vacío más perfecto (tubo de Crookes), que permitía estudiar con mayor facilidad el paso de la corriente a través del vacío. Parecía bastante claro que la corriente eléctrica se originaba en el cátodo y viajaba hasta el ánodo, donde chocaba con el vidrio que estaba junto a él y producía luminiscencia. Crookes comprobó esto al colocar un trozo de metal en el tubo y mostrar que proyectaba una sombra sobre el vidrio en el lado opuesto al cátodo. Los experimentadores en electricidad de los siglos xviii y xix, empezando con Benjamin Franklin, supusieron que la corriente fluía desde la concentración llamada arbitrariamente positiva hacia la llamada negativa. Crookes demostró que en realidad la suposición estaba equivocada y el flujo iba de la negativa a la positiva. 75

3

Modelo atómico y aplicaciones

Cátodo

Cátodo

Alta tensión Rayos cató dicos

A

Ánodo (electropositivo)

pantalla fluorescente

Figura 3.7 Tubos de descarga.

Vista superior

desviación de haz de electrones por un campo magnético

Pantalla fluorescente

A

Alto voltaje 10 000 voltios

Vista superior a la bomba de vacío

Ánodo

B Cátodo (electronegativo)

Ánodo

A la bomba de vacío

Vista superior a la bomba de vacío Ánodo

Cátodo

Figura 3.8 Experimentos con tubos de descarga.

Figura 3.9 Mediante un tubo de rayos catódicos modificado, Goldstein descubrió rayos que viajaban en dirección opuesta a la de los rayos catódicos.

Sin embargo, en aquella época los físicos no sabían qué era la corriente eléctrica, ni lo que se estaba moviendo desde el cátodo al ánodo. Fuese lo que fuese, viajaba en línea recta; en 1876, el físico alemán Eugen Goldstein (1850-1930) llamó a este flujo rayos catódicos.

El protón y los rayos canales

Parecía natural suponer que los rayos catódicos podían ser una forma de luz y estar formados por ondas. Las ondas viajaban en línea recta, como la luz, y lo mismo que ésta, no parecían afectadas por la gravedad. Por otra parte, podía igualmente inferirse que los rayos catódicos consistían en partículas veloces, que al ser tan ligeras o moverse tan rápido, no eran en absoluto afectadas por la gravedad o lo eran en cantidades inapreciables.

En 1886, el físico alemán Eugene Goldstein descubrió en un tubo de rayos catódicos una luminosidad situada detrás del cátodo. Para identificar esos rayos, el investigador hizo una perforación en el cátodo y, al aplicar un potencial eléctrico, observó que un angosto haz de luz pasaba a través de la abertura. Con esto probó la existencia de rayos positivos, o rayos canales, los cuales viajan en sentido opuesto al de los rayos catódicos.

El asunto fue motivo de considerable controversia durante algunas décadas, ya que mientras los físicos alemanes se inclinaban hacia la concepción ondulatoria, los físicos ingleses lo hacían a la corpuscular.

Thomson

Una manera de decidir entre las dos alternativas era investigar si los rayos catódicos eran desviados por la acción de un imán. Las partículas podían llevar una carga eléctrica y, en cualquier caso, serían mucho más fácilmente desviadas por un campo que si fuesen ondas. El mismo Plücker había mostrado que este efecto existía y Crookes había hecho lo propio independientemente. Sin embargo, aún

Actividad formativa Explica como surgen los modelos atómicos y el impacto social que actualmente tienen.

76

quedaba una cuestión: si los rayos catódicos estaban formados por partículas cargadas, un campo eléctrico podría desviarlas, aunque al principio no se detectó este efecto.

En 1897, partiendo del descubrimiento de los rayos canales Thomson, científico inlglés, introdujo considerables modificaciones en el tubo de rayos catódicos, e inventó el primer espectrómetro de masas. En este instrumento, dispuso la polaridad de los electrodos de manera que los rayos catódicos pasaran a través de un pequeño orificio en el ánodo, después de lo cual los rayos eran dirigidos a través de otro pequeño orificio para que finalmente incidieran sobre una pantalla de sulfuro de cinc (ZnS) colocada en el fondo del tubo. Al comunicar energía al circuito en condiciones de alto vacío, Figura 3.10 apareció en la pantalla de ZnS Modelo atómico de Thomson.

Grupo Editorial Patria ®

1.12

Figura 3.12 Experimento de Rutherford. Figura 3.11 Aparato de Thomson para la investigación de las partículas catódicas. M = Campo magnético.

una mancha fluorescente, característica de la relación entre la carga del electrón y su masa. Para dirigir el haz de rayos catódicos se aplicaron un campo eléctrico y un campo magnético. Basándose en el experimento anterior, Thomson propuso un modelo atómico semejante a una gelatina con pasas. Dijo que el átomo era una esfera de electrificación positiva en la que se encontraban incrustados los electrones (también se conoce como el “modelo del budín de pasas”). Se consideró que los electrones eran las primeras partículas constituyentes del átomo y que tenían “carga eléctrica negativa”.

Rutherford En 1896, el interés del físico francés Henri Becquerel en la fluorescencia que aparecía en las paredes de vidrio del tubo de rayos catódicos, lo llevó a descubrir accidentalmente la radiactividad. Olvidó sobre unas placas fotográficas vírgenes que estaban sobre su escritorio un trozo de mineral de uranio, y al examinarlas posteriormente vio que estaban “veladas”, a pesar de que la luz no podía haber penetrado a través de sus envolturas intactas. Becquerel sospechó que el uranio debía emitir rayos capaces de atravesar el papel y aun el metal. En el año de 1900, los esposos Pierre y Marie Curie apoyados en las bases de Becquerel, descubrieron el radio, elemento que nos ha permitido llegar al conocimiento actual de la radiactividad. Se sabe que los átomos son similares a sistemas planetarios, y es natural suponer que los más complicados son los más inestables, como los derivados del uranio (92 electrones), el torio (90 electrones) y el actinio (89 electrones). La radiactividad es la desintegración espontánea de estos átomos inestables. Al desintegrarse se transmutan, es decir, forman elementos más estables. Este fenómeno aportó el concepto de divisibilidad del átomo.

Cuando se lleva a cabo una desintegración nuclear se presentan emanaciones de partículas a grandes velocidades, lo que se denomina radiación. Entre los distintos tipos de radiación tenemos los siguientes: Partículas alfa (_): Son núcleos idénticos a los del helio (2 protones + 2 neutrones), relativamente pesados, y de carga positiva. Al emitirlos, el elemento cambia: el uranio se vuelve torio, el torio se vuelve radio, hasta concluir en el plomo y el talio. La pérdida de partículas del núcleo tiene un efecto profundo sobre el átomo radiactivo. El uranio, por ejemplo, cesa de ser uranio para convertirse en otro elemento: el torio. La diferencia entre los materiales básicos del universo reside justamente en la cantidad de protones que contienen, y cuando modifican alguno, se transforman en otro elemento: se transmutan. Esto se conoce como desintegración radiactiva. No todos los átomos de uranio se desintegran simultáneamente. Partículas beta (`): Son semejantes a los electrones, análogos a los del cortejo periférico del núcleo. Cuando el núcleo las emite, se producen cambios en la carga y en el número atómico. Rayos gamma (a): No tienen carga ni masa. No son partículas, sino radiaciones electromagnéticas, cuya velocidad es la de la luz, pero cuya energía es enorme, debido a que sus ondas son ultracortas. Es un fenómeno secundario que en general acompaña al decaimiento alfa y beta, pero no provoca que el elemento se transmute. Con todo lo anterior se demostró que la radiactividad está formada de tres tipos de decaimiento bastante diferentes, en presencia de un campo magnético. Las partículas alfa se desvían hacia un electrodo (tienen carga positiva), las partículas beta hacia el lado contrario (tienen carga negativa) y las gamma no sufren desviación alguna (son neutras). Unos 10 años después del descubrimiento de las partículas alfa, beta y gamma (1911), el inglés Rutherford propuso otro modelo atómico como resultado de sus experimentos al bombardear láminas de oro y platino con partículas alfa. Observó que la mayoría de las partículas alfa penetraban las laminillas sin desviarse, excepto unas pocas. Algunas de las que se desviaron lo hicieron formando ángulos, aunque una pequeña parte retrocedió hacia el haz inci77

3

Modelo atómico y aplicaciones Actividad

Explica la importancia que tienen las aportaciones de los científicos para poder realizar esta actividad.

Completa el siguiente mapa conceptual y dibuja tu modelo atómico, ubica las partículas fundamentales, con sus características principales.

dente. Esto condujo a Rutherford a formular una nueva teoría sobre la estructura atómica, en la cual colocó el núcleo en el centro del átomo y propuso que: 

Q



Q



Q

Partículas fundamentales del átomo

Neutrón

Su masa es:

Su masa es:

Su masa es:

La masa del átomo está concentrada en un núcleo pequeño situado en el centro. El diámetro del núcleo es, aproximadamente, 10–4 veces el del átomo. Los átomos están formados en su mayor parte por espacio vacío.

La masa y la carga positiva del átomo estaban concentradas en un núcleo y los electrones giraban a manera de satélites, describiendo diferentes trayectorias. Las dimensiones de este átomo eran 10–12 cm para el diámetro del núcleo y 10–8 cm (1 angstrom) para la extensión del átomo. Si consideramos a Thomson como el descubridor del electrón por haber medido la relación entre su carga y su masa, debemos reconocer que el descubridor del protón fue el físico alemán Wilhelm Wein, puesto que en 1898 midió la relación entre la carga y la masa del protón.

Se localiza

El experimento de Rutherford había establecido definitivamente que el protón era un componente del núcleo. Bombardeando nitrógeno con partículas alfa, Rutherford observó que se producían protones y oxígeno:

Girando fuera del núcleo

14

7N

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. Explica tu respuesta considerando la relación que tiene lo teórico con el uso en una actividad experimental. (

(

)

)

Ennegrecer las placas fotográficas, ionizar los gases y hacer los conductores de la electricidad, son algunas propiedades de: a) las partículas alfa

b) las partículas beta

c) los rayos gamma

d) los rayos X

 2He4

Con este experimento, Rutherford logró por primera vez que se desprendieran protones del núcleo y demostró que son unidades fundamentales de la estructura del núcleo atómico. Además, confirmó la proposición de William Prout, enunciada en 1815, de que el hidrógeno es el elemento del cual se originan todos los demás. También llevó a cabo la primera reacción nuclear artificial.

Son partículas poco penetrantes, pierden sus propiedades después de ser emitidas, su carga eléctrica es positiva, están constituidas por núcleos de helio: a) gamma

b) X

c) beta

d) alfa Figura 3.13 Modelo atómico de Rutherford.

78

17 1 8O  1H

Grupo Editorial Patria ® Actividad formativa

donde: h = 6.62  10–27 erg s

Menciona la importancia que tiene el modelo atómico en la actualidad, proporciona ejemplos de la vida cotidiana y su impacto social.

El neutrón y los experimentos de Chadwick En 1932, durante los experimentos sugeridos por Rutherford, el físico inglés James Chadwick descubrió una partícula que tenía exactamente la misma masa que el protón, pero no poseía ninguna carga eléctrica. Debido a que era eléctricamente neutra, se denominó neutrón, Chadwick reconoció que éste formaba parte de todos los núcleos, con excepción del hidrógeno. La existencia de los neutrones había sido ya predicha desde 1920. En 1930, W. Bothe y H. Becker lograron obtener una radiación de alta penetración al bombardear berilio con partículas alfa. Esta radiación, posteriormente identificada por Chadwick como formada por neutrones, desplaza protones de materiales que, como la parafina, contienen en sus estructuras combinaciones químicas del hidrógeno. Dos años después, James Chadwick propuso y demostró que el desprendimiento de un protón se efectúa a lo largo de un eficiente proceso de transferencia de energía entre protones y el bombardeo de partículas que tienen una masa aproximadamente igual a la del protón. El cálculo original de Chadwick indicó que el neutrón tenía 17% más de masa que el protón. Trabajos recientes y más precisos indican que sólo hay una diferencia de aproximadamente 0.1%. Las masas del protón y del neutrón son las siguientes:

A este número se le llama constante de Planck. El trabajo de Planck marca el comienzo de una disciplina conocida como “mecánica cuántica”, que sirve de base al concepto moderno de la estructura atómica y molecular. Basándose en los conceptos de Planck y en la validez de la ecuación de Rydberg, en 1908, Einstein llegó a la conclusión de que los átomos absorben y emiten energía en pequeñas cantidades, o cuantos, a menudo descrita como “paquetes de energía”. La diferencia entre la energía absorbida o emitida se debe al desplazamiento que sufre un electrón de un nivel de energía a otro. Un átomo se excita por la absorción de una cantidad característica de energía que causa el desplazamiento de un electrón de un nivel hacia otro más alejado del núcleo. El átomo puede autoestabilizarse por emisión de la misma cantidad de energía en la forma de luz. Puesto que la luz se origina de esas transiciones electrónicas y puede ser absorbida por el proceso inverso, se considera como discontinua y compuesta de pequeños cuantos llamados fotones. Un fotón es el resultado de una transición electrónica y tiene una energía E = hμ .

Bohr En 1913, Niels Bohr, físico danés, modificó el modelo de Rutherford y propuso un modelo planetario del átomo de hidrógeno. Los postulados de Bohr afirman que: „

Los electrones en los átomos ocupan niveles discretos.

„

Esos electrones no irradian energía en forma continua, como enunciaba la teoría electromagnética de la materia.

„

Los electrones pueden alcanzar niveles de energía más altos al absorber cantidades fijas de energía.

mp = 1.67252  10–24 g mn = 1.67482  10–24 g

Modelo atómico actual En 1900, el famoso físico alemán Max Planck desarrolló una ecuación matemática empírica para trazar una gráfica que relacionase la intensidad de la radiación con la longitud de onda. Planck pensó que la luz era producida de manera discontinua dentro de la cavidad de una esfera mediante un gran número de osciladores microscópicos, cada uno de los cuales vibraba con una frecuencia característica (+). Encontró también que la energía de cada oscilador podría expresarse por: E=h+

Figura 3.14 Modelo atómico de Bohr.

79

3

Modelo atómico y aplicaciones

n3

n2

„

Los electrones que caen a niveles más bajos de energía emiten cantidades fijas de energía.

„

El momento angular de un electrón en órbita es un múltiplo entero de h/2π (h = constante de Planck).

E3  E3  hv

Modelo de Sommerfeld n1

Figura 3.15 Modelo atómico de Bohr. Al saltar un electrón a una órbita de menor energía emite luz.

Actividad formativa Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda: (

(

)

)

Se le llama catión, al ion que tiene: a) carga negativa

b) carga positiva

c) carga neutra

d) no tiene carga

A los neutrones y protones que se encuentran en el núcleo y son responsables de toda la masa del átomo se les llama: a) núclidos

b) nucleones

c) positrones

d) neutrinos

En 1916, propone un modelo atómico con la existencia de órbitas elípticas y circulares en el segundo y en los más altos niveles de energía. Para describir cada uno de los niveles mayores de energía, Sommerfeld definió dos números cuánticos. Uno de ellos, n, designa los niveles principales de energía y es idéntico a los números usados por Bohr (n = 1, 2, 3, 4,..., etc.). El otro número cuántico, k, indica el grado en que la órbita elíptica se desvía de una circunferencia. Cuando k = n, la órbita es circular, y cuando k = 0, la elipse ha degenerado en una recta. Aceptando sólo valores enteros para k, puede verse que k tiene como límites k = 1 y k = n. Los modelos anteriores se han presentado con el objeto de familiarizarnos con la naturaleza del átomo.

Modelo mecánico cuántico del átomo De acuerdo con la secuencia presentada, el átomo puede definirse como un conjunto de cargas que posee un núcleo denso (cargado positivamente) rodeado por una cantidad equivalente de electrones (cargados negativamente) que describen una esfera cuyo diámetro es mil veces el del núcleo. El modelo actual del átomo fue desarrollado principalmente por Erwin Schrödinger, y en él se describe el comportamiento del electrón en función de sus características ondulatorias. La teoría moderna supone que el núcleo del átomo está rodeado por una tenue nube de electrones, lo cual conserva el concepto de niveles estacionarios de energía, pero a diferencia del modelo de Bohr, no le atribuye al electrón trayectorias definidas, sino que describe su localización en términos de probabilidad. Este modelo ha soportado la prueba del tiempo y actualmente aún proporciona los conceptos mediante los cuales los científicos explican el comportamiento de los sistemas atómicos y moleculares. Esta teoría se deriva de tres conceptos fundamentales: 1. Concepto de estados estacionarios de energía del electrón propuesto por Bohr

Figura 3.16 Las variaciones de energía potencial de un libro en un estante se realizan por “saltos”. Así ocurre con los electrones en los átomos.

80

Normalmente los electrones se encuentran en el nivel de mínima energía (estado basal o fundamental), pero pueden absorber energía pasando a un nivel superior, más alejado del núcleo (estado excitado); este estado es inestable y al regresar el electrón a su nivel original emite la energía absorbida en forma de radiación electromagnética.

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Figura 3.17 En el modelo de Bohr y según la física clásica, la fuerza de atracción electrostática que el núcleo ejerce sobre el electrón en movimiento le obliga a cerrar su trayectoria y a describir una circunferencia.

Mientras los electrones describen una órbita, no hay absorción ni emisión de energía. 2. Naturaleza dual de la masa sugerida por Louis de Broglie En 1924, Louis de Broglie, científico francés, propuso que la materia podría tener propiedades ondulatorias además de propiedades de partícula; es decir, ambas características de partícula y de onda. Fue apoyada por hechos experimentales al demostrarse que un haz de electrones podía ser difractado haciéndolo pasar a través de un sólido cristalino, de la misma manera que un rayo de luz es difractado por una rejilla. Schrödinger tomó esto en cuenta para formular la ecuación ondulatoria. 3. Principio de incertidumbre de Heisenberg

Figura 3.18 Los espacios entre átomos en una red cristalina, por su pequeña distancia forman rendijas apropiadas para poner de manifiesto el fenómeno de la difracción de las ondas de materia investigadas por De Broglie.

^ = función de onda que denota la amplitud de la vibración de un electrón en un punto determinado; es una función que muestra la probabilidad de encontrar al electrón en un cierto punto de un átomo. m = masa del electrón. h = constante de Planck. E = energía total del electrón. V = energía potencial del electrón. x, y, z = ejes coordenados. Según la ecuación de onda de Schrödinger, la posición probable de un electrón está determinada por cuatro parámetros llamados cuánticos, los cuales tienen valores mutuamente dependientes.

Este principio se revisará más adelante. En 1926, el austriaco Schrödinger (físico-matemático, 18871961) después de sopesar el concepto de niveles estacionarios de energía de Bohr, el comportamiento ondulatorio del electrón de De Broglie y la inexactitud de la posición del electrón de Heisenberg, se dio cuenta que sólo podía considerarlas tomando en cuenta la probabilidad de que el electrón se encontrara en una región, por lo que buscó y finalmente encontró un modelo que consideraba las tres características. Dedujo una ecuación matemática en la que el electrón era tratado en función de su comportamiento ondulatorio para determinados valores de energía y en forma probabilística; esta ecuación es: δ 2Ψ δ 2Ψ δ 2Ψ 8 π 2m + + + 2 ( E −V )Ψ= 0 en donde: δx 2 δ y2 δ z 2 h

Actividad formativa Selecciona la apción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda: ( )

La teoría que dice: “La energía radiante generada por un sistema vibratorio no es de naturaleza continua, sino que se emite en unidades discretas o cuantos”, fue formulada por: a) Bohr

(

)

b) Max Planck

c) De Broglie

d) Dirac

El enunciado: “Es imposible conocer con exactitud perfecta los dos factores importantes que rigen el movimiento de un electrón, su posición y su velocidad”, corresponde a: a) el principio de exclusión de Pauli

b) la ley de Hund

c) la ley de Moseley

d) el principio de Heisenberg

81

3

Modelo atómico y aplicaciones Actividad formativa con ǫǠǚ

La química también es música y suena El papel que juega la química en la elaboración de música instrumental no sólo está muy subestimado, sino que su aplicación a este ámbito es prácticamente desconocido por la mayoría de las personas. Sin embargo, la química moderna ha sido fundamental en el desarrollo y evolución de los instrumentos musicales que hoy conocemos. Desde la protección de la madera de los instrumentos hasta las lacas resistentes al agua, las pinturas y los barnices de los maletines donde se guardan y transportan (hechos de polímeros como el nylon) y forrados con espuma de poliuretano), la química está permanentemente ligada a la música y todo lo que le rodea a esta maravillosa expresión artística. La aportación de la química a la música se remonta a los tiempos más primitivos del hombre, puesto que ha tenido siempre un protagonismo primordial en la preparación y adaptación de los instrumentos musicales. La afinación es también un problema para los instrumentos de cuerda. Las cuerdas de Stradivarius debieron ser fabricadas a base de biopolímeros naturales, comúnmente conocidos como “tripa” por su procedencia de intestinos animales. Las cuerdas metálicas las han sustituido durante los últimos 100 años y la química ha jugado un papel fundamental en esta evolución. Las primeras guitarras con cuerdas de aleación de hierro aparecieron en 1890, las de polímeros sintéticos como nylon lo hicieron en la década de 1930. En los noventa, llegaron las cuerdas mediante el uso de varias capas de polímeros naturales o sintéticos. Sin embargo, estas capas pueden llegar a afectar la viveza de los sonidos debido a la pérdida de resonancia de las vibraciones, lo cual supone un gran deterioro en la calidad del sonido, especialmente en el caso de las guitarras. Este problema fue solucionado alrededor de 1990 con el uso de politetrafluoroetileno (PTFE). WL Gore y Asociados desarrollaron un proceso llamado elixir, que consistía en disponer una película en espiral de PTFE alrededor de una cuerda de metal tradicional. 1. Investiga en algún sitio de Internet que te recomiende tu profesor la definición de las palabras marcadas en negritas en el texto anterior. 2. Investiga cinco instrumentos musicales antiguos, indicando su nombre y el material que se utilizó en su fabricación. 3. Investiga qué tipos de materiales utilizados en la fabricación de instrumentos son de mejor calidad musical. Escribe tres ejemplos.

82

4. ¿Cuáles son mejores, los de origen natural o los de origen sintético? ¿Por qué?

5. ¿Tocar un instrumento te hace más inteligente? ¿Por qué?

6. ¿Aprender música nos hace más inteligentes? ¿Cómo?

3.2 Partículas subatómicas: electrón, protón y neutrón Como se vio anteriormente con la teoría atómica de Dalton, el átomo puede definirse como la unidad básica de un elemento que puede entrar en combinación química. Dalton imaginó un átomo como una partícula extremadamente pequeña e indivisible. Sin embargo, una serie de investigaciones que empezaron en la década de 1850 y se extendieron hasta el siglo xx, han demostrado claramente que los átomos en realidad poseen estructura interna; es decir, están formados por partículas aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas. La investigación condujo al descubrimiento de tres de esas partículas: electrones, protones y neutrones. Otras partículas subatómicas como el mesón y el neutrino también son importantes, pero su presencia no afecta los cambios químicos.

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Masa Partícula

Carga eléctrica (Coulombs)

Electrón (–1)

Localización en el átomo

Símbolo

0.00055

giran alrededor del núcleo

(e – )

1.67  10–24

1.00727

en el núcleo

(p)

1.68  10–24

1.00866

en el núcleo

(n 0 )

g

uma

–1.6  10–19

9.1  10–28

Protón (+1)

+1.6  10–19

Neutrón (0)

0

Actividad transversal

Comprensión lectora A 119 años del descubrimiento del electrón El electrón, al cual se debe la electricidad y la luz artificial que se usa cotidianamente, cumplió en 2016, 119 años de haber sido descubierto por Joseph John Thomson. En 1897 se anunció su descubrimiento: los átomos de Dalton no eran indivisibles, pues la luz ultravioleta, el calor, las fuerzas eléctricas, magnéticas y el impacto de átomos de rápido movimiento, podían desprender de ellos pequeñas partículas electrizadas negativamente; además, señaló que todas esas partículas tienen la misma masa, carga eléctrica, se encuentran en todos los átomos de los elementos químicos, y que la masa de esas partículas es inferior a la milésima parte de la masa de un átomo de hidrógeno.

Número atómico El número atómico (Z) es el número de protones en el núcleo de cada átomo de un elemento. En un átomo neutro, el número de protones es igual al número de electrones, de tal manera que el número atómico también indica el número de electrones presentes en un átomo. Por ejemplo, el número atómico del oxígeno es 8; esto significa que cada átomo neutro de oxígeno tiene ocho protones y ocho electrones. O, visto de otra manera, cada átomo en el universo que contenga ocho protones puede llamarse correctamente “oxígeno”. La cantidad de protones dentro del núcleo de un átomo o el número de electrones en órbita del mismo, se conoce con el nombre de número atómico. Z = número atómico = número de electrones = número de protones Cada elemento tiene un número atómico propio, el cual se encuentra incluido en la tabla periódica.

Masa atómica Una de las propiedades del átomo es su masa, la cual se relaciona con el número de electrones, protones y neutrones que contiene. Una de las diferencias importantes entre los átomos de diferentes elementos, es que tienen masas distintas. Sabemos que la masa de un átomo depende principalmente de la cantidad de neutrones y protones que contiene, y que la suma de protones y neutrones siempre es un número entero (no puede haber fracciones de protones ni de neutrones); sin embargo, la tabla periódica reporta valores fraccionarios para las masas de la mayoría de los elementos.

Actividad: Subraya la idea principal de la lectura.

Por acuerdo internacional, se considera que un átomo del isótopo de carbono que tiene seis protones y seis neutrones (llamado “carbono 12”) presenta una masa exactamente de 12 unidades de masa atómica (uma). Este átomo de carbono 12 sirve como patrón, de modo que una unidad de masa atómica (uma), se define como una masa exactamente igual a 1/12 de la masa del átomo de carbono 12. 83

3

Modelo atómico y aplicaciones

Masa del átomo de carbono 12  12 uma 1 uma 

masa del átomo de carbono 12 12 uma

Se ha demostrado experimentalmente que, en promedio, un átomo de hidrógeno tiene sólo 8.400% de la masa del átomo patrón de carbono 12. Si se acepta que la masa del átomo de carbono 12 es exactamente 12 uma, entonces la masa atómica del hidrógeno es: 0.08400  12  1.008 uma. Cálculos similares demuestran que la masa atómica del oxígeno (O) es de 16.00 uma, y la del hierro (Fe) es de 55.85 uma. Hemos hablado de que en un mismo elemento pueden existir átomos diferentes debido a los isótopos; de hecho, la mayoría de los elementos son mezclas de isótopos con distintas masas atómicas, es decir, en una muestra de un elemento existen diferentes porcentajes de isótopos. Entonces, la masa o peso atómico es la suma porcentual promedio de las masas isotópicas de una muestra de átomos de un mismo elemento.

Ejemplos: Número de neutrones del Na (sodio)  23  11  12 Número de neutrones del Ru (rutenio)  101  44  57 Número de neutrones del Cl (cloro)  35  17  18

Actividad formativa Revisa la siguiente tabla que contiene algunos isótopos comunes, después de leer los renglones contesta las preguntas que se te plantean y escribe tus conclusiones brevemente sobre los isótopos.

Símbolo

1 1H 2 3 Li 19 9F

Número de masa El número de masa (A) es el número total de protones y neutrones presentes en el núcleo del átomo de un elemento. A excepción del hidrógeno en su forma más común, que tiene un protón y ningún neutrón, todos los núcleos atómicos contienen protones y neutrones. A  número de masa  número de protones  número de neutrones A  número de masa  número atómico  número de neutrones El número de neutrones en un átomo es igual a la diferencia entre el número de masa y el número atómico:

Total de protones (número atómico)

Total de neutrones

Número de masa

Total de electrones

Hidrógeno –1

1

0

1

1

Litio –7

3

4

7

3

Nombre

Flúor –19

9

10

19

9

20 82 Pb

Plomo –208

82

126

208

82

208 82 Pb

Ion Plomo –208 (II)

82

126

208

80

Suponiendo que un producto de cierta reacción nuclear es un isótopo que contiene 85 protones y 120 neutrones. Tiene, por lo tanto, un número de masa de 205 (85 protones + 120 neutrones). ¿Cuál es el nombre de este elemento? 205 85

número de neutrones = A – Z n0 = A – Z El número de masa siempre es un número entero y no está reportado en la tabla periódica, pero es posible determinar este número utilizando la masa o peso atómico (número fraccionario que sí se incluye en la tabla periódica), aproximando el valor de éste al número entero inmediato superior o inferior, según sea el caso: Masa atómica del Na = 22.9 Número de masa del Na = 23 Masa atómica del Ru = 101.07 Número de masa del Ru = 101 De esta manera, conociendo el número de masa del átomo y su número atómico (número de p o número de e), es posible calcular el número de neutrones que tiene en su núcleo: Número de neutrones  número de masa  número atómico 84

Consultando la tabla periódica se ve que el elemento de número atómico 85 es el astato (At). 205 85 At

1. Prepara un diagrama sinóptico similar a la tabla de esta actividad para los seis isótopos que siguen. Consulta en la tabla periódica la información que te haga falta. a) 12? C

b) 147 ?

c) 16? O

d) 2142 ? 2+

e) 108? Hg

f)

238 92

?

2. ¿Qué relación observas entre el total de protones y el de neutrones? a) ¿En los átomos de los elementos más ligeros? b) ¿En los átomos de los elementos más pesados?

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Argumenta la importancia del uso de isótopos comunes en los diferentes campos del conocimiento en donde puedes reconocer sus beneficios.

Elemento

Electrones

Protones

Neutrones

Al P C F K N Ba

Elemento Un elemento es una sustancia que no se puede descomponer en otras más sencillas por métodos químicos. Uno de los aspectos más interesantes de la ciencia, es que toda la materia conocida se compone de aproximadamente 118 elementos; algunos de ellos eran conocidos desde la antigüedad como el cobre, hierro, plata, azufre, oro, etc. Los elementos que van del hidrógeno (H) al uranio (U), se conocen tradicionalmente como naturales y los restantes como sintéticos. Se estima que en el universo 90% es hidrógeno, 9% es helio y 1% corresponde a los demás elementos. En el Sol se han identificado unos 60 elementos conocidos. En nuestro planeta los elementos más abundantes son: oxígeno (O), silicio (Si), aluminio (Al), hierro (Fe), calcio (Ca), sodio (Na), magnesio (Mg), hidrógeno (H) y titanio (Ti).

)

1. Completa el siguiente cuadro: 17Cl

35.45

22.9

11Na

39.1 19K

Número atómico Número de masa

Actividad (

Actividad formativa

Sustancia compuesta por una sola clase de átomos. a) Mezcla

b) Molécula

c) Isómero

d) Elemento

Masa atómica Protones

Calcula el número de electrones, protones y neutrones de los siguientes elementos: Li, Mg, Fe, Al, P, C, F, K, N, Ba.

Elemento Li

Electrones

Protones

Neutrones

Electrones Neutrones

2. Describe la utilidad que tienen en la vida cotidiana.

Mg Fe

85

3

Modelo atómico y aplicaciones

3.3 Configuraciones electrónicas y números cuánticos

subniveles

niveles

Los números cuánticos son el resultado de la ecuación de Schrödinger, y la tabulación nos indica la zona atómica donde es probable encontrar al electrón.

n4

Las letras que representan a los números cuánticos son: n, l, m y s, y fueron aportados teórica y experimentalmente por Bohr, Sommerfeld, Zeeman y Stern-Gerlach, respectivamente.

n3

Número cuántico principal (n)

4f 4d 4p 3d 4s 3p 3s 2p

n2

El número cuántico principal designa el nivel energético principal en el cual se localiza un electrón dado; este número también expresa la energía de los niveles dentro del átomo. El número cuántico n puede asumir teóricamente cualquier valor entero desde 1 hasta infinito, aunque con 7 valores (1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7) es posible satisfacer a todos los átomos conocidos actualmente.

2s n1

n  1 l  0 1s

Figura 3.20 Diagrama de niveles y subniveles de energía de un átomo con más de un electrón.

Número cuántico secundario (l ) El número cuántico secundario l determina la energía asociada con el movimiento del electrón alrededor del núcleo; por tanto, el valor de l indica el tipo de subnivel en el cual se localiza el electrón y se relaciona con la forma de la nube electrónica.

Cada nivel electrónico se divide en subniveles que contienen electrones de la misma energía. Los valores l están determinados por el valor de n; para cierto nivel, l, puede asumir cualquier valor entero desde 0 hasta n–1.

n→ n6 n5 n4 n3

Así, en el 1er. nivel energético sólo hay un subnivel, al cual l da el valor de cero (0) y lo representa por la letra s (del inglés, sharp).

n2

En el 3er. nivel energético hay tres subniveles, a los que l da el valor de 0, 1 y 2; y los representa por las literales: s, p y d, respectivamente (d de diffuse).

Infrarroja

E(eV)

Visible

En el 4o. nivel energético hay cuatro subniveles, a los que l, da el valor de: 0, 1, 2 y 3; y los representa por las letras; s, p, d y f respectivamente (f de fundamental). Ultravioleta

13.6

n1

Figura 3.19 Diagrama de niveles de energía (líneas horizontales) del átomo de hidrógeno. Las energías se expresan en electrón-volts (1eV = 1.6  10–19 joules).

86

En el 2o. nivel energético hay dos subniveles, a los que l da el valor de 0 y 1; y los representa por las literales s y p, respectivamente (p del inglés principal).

Para el 5o., 6o. y 7o. nivel energético, teóricamente habría 5, 6 y 7 subniveles respectivamente, sólo que, para los átomos conocidos, son suficientes 4 subniveles en el 5o. nivel (s, p, d y f ); 3 subniveles para el 6o nivel (s, p, d y f ), y 2 subniveles en el 7o. nivel energético (s y p). Así podemos decir que para l: s0

p1

d2

f3

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Actividad transversal

Comprensión lectora El increíble mundo menguante Todo el cosmos está formado sólo por cuatro partículas elementales: el quark arriba, el quark abajo, el electrón y el neutrino. La naturaleza se rige por fuerzas. Gracias a ellas se mantienen atrapados los planetas dentro del Sistema Solar; los átomos se desintegran. Los físicos han reconocido varios tipos fundamentales de fuerzas en las que se basan todos los fenómenos naturales. La primera es la interacción fuerte, que actúa en el seno del núcleo atómico. Su oponente es la interacción débil, responsable de las desintegraciones radiactivas y que, junto al electromagnetismo, forma la llamada fuerza electrodébil. Por último está la más famosa de todas, la gravitación. El conocimiento de esas fuerzas ha servido a la ciencia para simplificar poco a poco el árbol genealógico de la materia, extremadamente complicado tras la aparición de cientos de componentes durante la década de 1960. Murray Gell-Mann, del Instituto de Tecnología de California, y George Zweig, en ese entonces investigador del Centro Europeo de Física de Partículas (CERN), en Ginebra, propusieron en 1964 reunir los cientos de partículas pertenecientes a la familia de los hadrones —es decir, las que son sensibles a las interacciones fuertes— en un grupo único. Entre ellas estaban el protón y el neutrón, además de una lista de partículas que pasa del centenar. Todas ellas tenían una característica común: estaban compuestas por unos corpúsculos hasta entonces desconocidos a los que llamaron quarks. El nombre fue robado por Gell-Mann de un pasaje del libro Finnegan’s Wake, del irlandés James Joyce (“Three quarks for muster mark”). En realidad, se trata de una palabra inventada que, según el traductor del libro al castellano, Víctor Pozanco, nos remite a los vocablos quark (graznido) o quart (jarra). Sea como fuere, lo cierto es que esa palabreja invadió para siempre el mundo de la física. Al principio se aislaron sólo tres quarks: el up (arriba), el down (abajo) y el strange (extraño), con los que se podían

construir todos los hadrones conocidos. Sin embargo, el descubrimiento de nuevas partículas, así como el conocimiento cada vez más profundo de sus comportamientos, harían necesaria la existencia de un cuarto quark, el charm (encanto), detectado en 1974 en la Universidad de Stanford, en San Francisco. A partir de entonces la teoría fue plenamente aceptada. La existencia de un quinto quark, el bottom (fondo), fue comprobada en el laboratorio Fermi, en las proximidades de Chicago, en 1977. Paralelamente, comenzaba a establecerse una analogía entre los quarks y los leptones, la otra gran familia de partículas que sólo son sensibles a la interacción electrodébil. Por el momento, se conocen seis leptones: el electrón, el neutrino, el muón, el neutrino del muón, el tau y el neutrino del tau. En correspondencia, debía haber un sexto quark, al que se llamó top (cima), cuya detección se ha confirmado recientemente en el colisionador de partículas Tevatron del laboratorio Fermi, en Chicago. Actividad: Subraya las ideas principales y elabora un resumen.

Número cuántico magnético (m) El número cuántico magnético representa la orientación espacial de los orbitales contenidos en los subniveles energéticos cuando éstos se encuentran sometidos a un campo magnético. Los subniveles energéticos están formados por orbitales. Un orbital o reempe (región espacio energética de manifestación probabilística electrónica). El número de electrones por subnivel depende del valor de éste y está dado por la relación (2l  1) que puede ser desde l hasta l, pasando por cero. En un subnivel s (l  0) hay un solo orbital al que m dará el valor de 0. l



0 m

 

s 0

En un subnivel p (l  1), hay tres orbitales, a los que m da los valores de: 1, 0 y 1, respectivamente. p



1



l m

 

p 1

p 0

p 1

En un subnivel d (l  2), hay cinco orbitales, a los que m da los valores de: 2, 1, 0, 1 y 2, respectivamente. m



d 2

d 1

d 0

d 1

d 2

En un subnivel f (l  3) hay siete orbitales, a los que m da los valores de: 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, respectivamente. f m



f

3 2

f

f

f

1

0

1

f

f

2 3 87

3

Modelo atómico y aplicaciones Características principales de los números cuánticos.

m1 n=l=1

Símbolo

m1 m1

Figura 3.21 Al aplicar un campo magnético, los subniveles se desdoblan en varios más.

Los tipos de orbitales para los primeros cuatro niveles de energía son: Nivel de energía

Tipo de orbital

n=1

s

n=2

syp

n=3

s, p y d

n=4

s, p, d y f

Nombre

Valores permitidos

Ejemplo

n

Número cuántico principal

Cualquier entero positivo

1, 2, 3, 4

l

Número cuántico secundario

Desde 0 hasta n –1

0, 1, 2, 3

m

Número cuántico magnético

Desde –l hasta +l pasando por 0

–1, 0, +1

s

Número cuántico espín

+½, –½

Los orbitales atómicos Los orbitales también reciben el nombre de nubes de carga, pues suelen representarse como una zona de las probables ubicaciones del electrón. La forma atribuida a los orbitales s es esférica; por tanto, son simétricos alrededor del núcleo; los otros orbitales tienen orientación espacial preferida. Puesto que sólo dos electrones pueden ocupar un orbital dado, los seis electrones en los subniveles p están divididos en tres orbitales:

Número cuántico de espín (s) (algunos autores lo identifican por la letra ms ).

Estas nubes electrónicas ocupan una región elipsoidal a cada lado del núcleo, como se observa en la figura.

Este número cuántico describe la orientación del giro del electrón. Indica el momento angular intrínseco del electrón, el cual sólo puede tener dos valores correspondientes al giro en el sentido de las manecillas del reloj y en sentido opuesto; los valores numéricos permitidos para el número cuántico espín s son: + 12

y

– 12

En cada orbital puede haber como máximo dos electrones, uno con giro positivo y el otro con giro negativo. Las dos orientaciones , las cuales representan el generalmente se designan por flechas sentido de giro del electrón.

Número de orbitales posibles

Número de electrones del subnivel

s

1 orbital s

2

p

3 orbitales p

6

d

5 orbitales d

10

f

7 orbitales f

14

Subnivel

88

Figura 3.22 Nube de probabilidad electrónica y orbital (se trata del orbital 1s).

Los tres orbitales p tienen la misma forma ovalada y están orientados en tres direcciones diferentes, correspondientes a los ejes x, y y z del sistema de coordenadas cartesianas. La orientación espacial de los orbitales atómicos determina la forma de una molécula y juega un papel muy importante en la determinación de las propiedades físicas y químicas de la molécula. La orientación espacial de los orbitales d y f es importante en los aspectos químicos de gran número de elementos metálicos.

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Reglas para elaborar las configuraciones electrónicas

m1 = –1 (px)

Con los temas anteriores se va obteniendo una configuración electrónica para cada elemento; sin embargo, es necesario tomar en cuenta ciertos principios fundamentales. m1 = 0 (py)

Principio de construcción de Auf-Bau

l = 1(orb.p.)

Los electrones deben acomodarse primero en los orbitales de menor energía, o sea, aquéllos donde la suma de n  l sea menor; es decir: “cada nuevo electrón añadido a un átomo entrará en el orbital disponible de menor energía”. Para iguales valores de la suma de n  l, primero se acomodan electrones en el orbital donde n sea menor.

m1 = +1 (pz)

Tomando en cuenta que: Figura 3.23 Las tres orientaciones posibles de los orbitales “p” (p x , p y , p z ).

x

fz

x

fyz2

x

y

y z

p

d

f

0

1

2

3

se obtiene el acomodo correcto de los electrones. La separación de energía en los subniveles de los átomos polielectrónicos origina una superposición o empalme del valor de energía de orbitales con diferentes valores de n.

fxz2 3

s

fx(x2 – 3y2)

x

y

y z

z

z

Considerando las energías relativas de los orbitales de un átomo polielectrónico, el orden de ocupación será el siguiente: 1s, 2s, 2p, 3s 3p, 4s 3d 4p, 5s 4d 5p, 6s 4f 5d 6p, 7s 5f 6d 7p Energía

fy(y2 – 3x2)

x

fz(x – 3y ) 2

fxyz

Esta secuencia puede deducirse aplicando el siguiente diagrama, conocido como la regla de las diagonales:

x

x

y

y

y

z

z

2

1s

z

Figura 3.24 Forma y designación más común de los orbitales “f ”.

z

z

z

y

y

x

y

x

dyz

3s

3p

3d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

6s

6p

6d

7s

7p

dxy

Principio de exclusión de Pauli

z

y

y

x

dxz

2p

x

dz 2 z

2s

x

dx 2 – y 2

Figura 3.25 Forma y designación más común de los orbitales “d ”.

Este principio determina el número posible de electrones en cualquier nivel principal y se debe a Wolfgang Pauli (1900-1958), quien encontró que cada electrón debía tener su propio conjunto de números cuánticos y estableció que: “dos electrones en un mismo átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales”. Por tanto, el número máximo de electrones se representa por la expresión: 2n2. 89

3

Modelo atómico y aplicaciones

Para: n  1

2(1)2  2(1)  2 electrones

n2

2(2)2  2(4)  8 electrones

n3

2(3)2  2(9)  18 electrones

n4

2(4)2  2(16)  32 electrones

Principio de máxima multiplicidad o regla de Hund “Dentro de un subnivel, los primeros electrones ocupan orbitales separados y tienen espines paralelos.” En otras palabras, los electrones entran de uno en uno a los orbitales de la misma energía. Cuando estos orbitales ya contienen un electrón, entonces cada uno de ellos se satura con dos electrones en el mismo orden y sentido contrario.

Tipo de orbital

Número de orbitales

Número de electrones

0

1s

1

2

0

0

2s

1

2

2

1

–1, 0, 1

2p

3

6

3

0

0

3s

1

2

3

1

–1, 0, 1

3p

3

6

3d

5

10

n

l

m

1

0

2

Aplicando estos principios o sencillas reglas, es posible escribir las configuraciones electrónicas de cada elemento.

3

2

–2, –1, 0, 1, 2

Principio de incertidumbre de Heisenberg

4

0

0

4s

1

2

4

1

–1, 0, 1

4p

3

6

2

–2, –1, 0, 1, 2

4d

5

10

3

–3, –2, –1, 0, 1, 2, 3

4f

7

14

Werner Heisenberg, físico alemán (1901-1976), aportó a los conocimientos del átomo el principio de incertidumbre y lo presentó como una consecuencia de la dualidad de la naturaleza del electrón. Heisenberg imaginó un microscopio superpotente por medio del cual se pudiese observar la colisión entre un fotón y un electrón, y postuló que: “Es imposible conocer con exactitud perfecta los dos factores importantes que gobiernan el movimiento de un electrón, su posición y su velocidad”.

n, l, s, m Relación entre nivel, subnivel, orbital, espín y número de electrones Los distintos números cuánticos se relacionan e indican las siguientes características de los orbitales: Número

n

90

Se refiere o relaciona con

El volumen o energía del orbital

Indica

Nivel

4

4

Distribuciones electrónicas de los números cuánticos Un orbital puede contener como máximo dos electrones. Los orbitales que tienen la misma energía forman los subniveles atómicos. Un subnivel s, con un solo orbital, puede contener máximo 2 electrones. Un subnivel p, con tres orbitales, puede contener máximo 6 electrones.

l

La forma de un orbital

Subnivel

m

La orientación de un orbital

Número de orbitales

Un subnivel f, con siete orbitales, puede contener máximo 14 electrones.

s

La posibilidad de que un orbital acepte o no un electrón

Giro del electrón

En el primer nivel energético (n  1) habrá máximo 2 electrones, ya que éste solamente tiene un orbital s.

Un subnivel d, con cinco orbitales, puede contener máximo 10 electrones.

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1s

2s

3s

4s n=4

2p

3p

n=3

n=2

4p

Figura 3.26 Comparación de los volúmenes de los orbitales s y p, correspondiente a distintos niveles.

n=1

n=1

l=0

Figura 3.27 Correspondencia entre orbitales y subniveles de energía.

En el segundo nivel energético (n  2) puede haber hasta 8 electrones, dos del orbital s y seis de los tres orbitales del subnivel p. En el tercer nivel energético (n  3) puede haber hasta 18 electrones; dos del orbital s, seis de los tres orbitales del subnivel p y 10 de los cinco orbitales del subnivel d. En el cuarto nivel energético (n  4) puede haber hasta 32 electrones; dos del orbital s, seis de los tres orbitales p, 10 de los cinco orbitales del subnivel d y 14 de los siete orbitales del subnivel f . De esta misma manera es posible calcular la cantidad máxima de electrones que pueden contener los niveles energéticos 5o, 6o y 7o. Con estos datos es posible identificar completamente un electrón de un átomo, sólo bastará con indicar el valor de sus cuatro números cuánticos.

s

p

d

Figura 3.28 Desdoblamientos sucesivos del nivel energético n = 2 asociados con los diferentes números cuánticos.

Configuración electrónica Para desarrollar la configuración electrónica de un átomo, se anota el nivel (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7), el tipo de subnivel (s, p, d, f ) y como exponente el número de electrones que cada subnivel contiene. Ejemplo:

Número de electrones

f

1

1H= 1s

6d 5f 7s 6p 5d 4f 6s

Subnivel

Nivel En la configuración del átomo de hidrógeno, su único electrón ocupa el subnivel s del 1er nivel energético.

5p 4d 5s 4p 3s 4s

Tabla de edificación progresiva

3p 3s 2p 2s

nl

n

l

Orbital

1

1

0

1s

2

2

0

2s

3

2

1

2p

3

0

3s

3

1

3p

4

0

4s

3

2

3d

4

1

4p

Aumento de energía

1s

Figura 3.29 Energías relativas de los distintos orbitales.

Actividad formativa

4

Para qué sirve calcular la expresión 2r2, argumenta tu respuesta. 5

91

3

Modelo atómico y aplicaciones

Tabla de edificación progresiva nl

Y Aumento de energía

n

l

Orbital

5

0

5s

4

2

4d

Pr

5

1

5p

Explica con claridad el procedimiento que realizaste para obtener los resultados. Anota diversos ejemplos.

6

0

6s

4

3

4f

5

2

5d

6

1

6p

7

0

7s

Tl

6

7

De esta manera, la configuración de los siguientes átomos será: 2 2He = 1s 2 1 3Li = 1s 2s 2 2 4Be = 1s 2s 2 2 1 5B = 1s 2s 2p 2 2 2 6C = 1s 2s 2p 2 2 3 7N = 1s 2s 2p 2 2 4 8O = 1s 2s 2p 2 2 5 9F = 1s 2s 2p 2 2 6 10Ne = 1s 2s 2p 2 2 6 2 6 2 5 25Mn = 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 2 2 6 2 6 2 10 92U = 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 6 2 4

[2He] [10Ne] [18Ar] [36Kr] [54Xe] [86Rn] Para nuestros ejemplos anteriores, tenemos: 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f 14 5d 10

Actividad formativa Utilizando la tabla periódica, determina la configuración electrónica y el diagrama energético de los siguientes elementos:

Zn

Este diagrama nos permite ver más claramente la distribución electrónica en cada uno de los átomos. Los electrones se representan con flechas y se anotan sobre una línea que representa cada uno de los orbitales correspondientes a cada subnivel; así: el s con 1; el p con 3; el d con 5 y el f con 7. Por debajo de esta línea se anota el número del nivel energético y el subnivel que corresponde a cada orbital. La flecha hacia arriba representa un electrón con giro positivo y la flecha hacia abajo es un electrón con giro negativo. Aprovechando los elementos anteriores, ahora vamos a escribir su diagrama energético: Como se puede observar, establecer las configuraciones electrónicas por medio de un diagrama energético para átomos multielectrónicos es muy laborioso, por lo que se utiliza el concepto de kernel (en Biología, indica el corazón o semilla de un fruto; es decir, algo interno); aquí se utiliza la propiedad de los gases nobles de tener su última órbita completa. Para facilitar la escritura de las configuraciones electrónicas, dentro de un paréntesis rectangular se coloca el gas noble correspondiente:

6p 7s 5f

S

Diagrama de niveles energéticos

Configuración electrónica

Diagrama energético

1 1H = 1s

1H =

2He = [He]

2He = 1

3Li = [He]2s

4Be = [He] 2s

1s

3Li = [He] 2

4Be = [He]

2 1 5B = [He] 2s 2p 11Na = [Ne] 3s

92

1s

1

5B = [He]

2s

2s 1s 2px 2py 2pz

11Na = [Ne]

2s

Grupo Editorial Patria ® 25Mn = [Ar] 4s

2

3d 5

2

92U = [Rn] 7s 5f

25Mn = [Ar]

4

92U = [Rn]

He

4s 3d 3d 3d 3d 3d 7s 5f 5f 5f 5f 5f 5f 5f

Por tanto, es conveniente aprenderse la regla de las diagonales utilizando el kernel:

2s2

Ne

2

3s

Ar

3d10

4s2

Kr

4d10

4f 14

2

5s

Xe

5d

10

5f 14

6s2

Rn

6d10

7s2

7p6

Diagrama de niveles energéticos 1H =

1s

2He =

3Li =

1s 1s

2s

1s

2s

4Be =

5B =

6C =

7N =

8O =

9F =

1s

2s

2px 2py 2pz

1s

2s

2px 2py 2pz

1s

2s

2px 2py 2pz

1s

2s

2px 2py 2pz

1s

2s

2px 2py 2pz

10Ne =

1s

2s

2px 2py 2pz

1s

2s

2px 2py 2pz

25Mn =

92U =

3s 3px 3py 3pz 4s

3d

3d

3d

3d

3d

1s

2s

2px 2py 2pz 3s

3px 3py 3pz

4s

3d

3d

3d

3d

3d

4px 4py 4pz

5s

4d

4d

4d

4d

5px 5py 5pz

6s

4f

4f

4f

4f

4f

4f

5d

5d

5d

5d

6px 6py 6pz

5f

5f

5f

5f

5f

5f

4d

7s

5f

4f

5d

93

3

Modelo atómico y aplicaciones Actividad formativa

n 3 l  0 (tipo de orbital s)

Indica a qué elemento corresponden las siguientes configuraciones electrónicas: 2

2

5

a) 1s 2s 2p :

m  0 (varía desde –l hasta l, pasando por cero) s   12 (el espín es positivo, y la flecha va hacia arriba )

b) [Ar] 4s 2 3d 10 4p 1:

electrón diferencial

2

c) [Xe] 6s : 2 6 26Fe = [Ar] 4s 3d

d) [Xe] 6s 2 5d 1 4f 7: 2

4s 3d 3d 3d 3d 3d

9

e) [Ar] 4s 3d :

n 3

f) [Kr] 5s 2 4d 7:

l  2 (tipo de orbital d) m  –2

Escribe la respuesta correcta en el paréntesis. (

26Fe = [Ar]

) ¿Cuál es la configuración electrónica del cobre: 29Cu63:

s  – 12 (el espín es negativo y la flecha va hacia abajo )

a) [Xe] 6s 2 5d 7 b) [Xe] 6s 2 5p 6 6d 1 c) [Ar] 4s 2 4p 6 3d 3 d) [Ar] 4s 2 3d 9 Actividad formativa

e) [Ar] 4s 1 3d 10

Configuración electrónica Instrucciones: Lee con cuidado la siguiente información antes de contestar las cinco preguntas planteadas al final.

Electrón diferencial Se llama así al último electrón que entra en un átomo, de acuerdo con las reglas de ocupación de los orbitales; es decir, aquello que distingue a un átomo de un elemento del que lo precede en la clasificación periódica. Este electrón diferencial es muy importante, ya que de él depende la ubicación de un elemento en la tabla periódica y, por tanto, sus propiedades químicas. Al conocer el electrón diferencial podemos indicar la posición del átomo en la tabla periódica. Para determinar los valores de los cuatro números cuánticos del electrón diferencial, se consideran, de acuerdo con la regla de Hund, todos los valores posibles del número cuántico magnético m, antes de asignar un número cuántico de espín s; el número cuántico n es el número anotado abajo del guión correspondiente, y el valor de l está determinado por el valor del subnivel en el que se encuentre el último electrón. Por ejemplo, para el sodio, cuyo número atómico es 11, se tiene: Electrón diferencial

Situada en una plaza comercial de Londres, se encuentra una estatua de Eros que ha permanecido en ese lugar durante más de un siglo sin haber sufrido ningún daño debido a la corrosión. Para su elaboración se utilizó aluminio, que es un elemento con un número atómico de 13 y una masa atómica de 27. En contacto con aire húmedo, el aluminio forma una capa de óxido que protege al metal de la corrosión. Sin embargo, esta capa puede romperse al contacto con el cloruro de mercurio (II) y formar una amalgama. Este metal es utilizado con frecuencia para fabricar utensilios de uso doméstico. Pregunta 1: El átomo de aluminio contiene: a) 13 neutrones y 14 electrones b) 13 electrones y 13 protones c) 14 protones y 14 electrones d) 14 neutrones y 13 electrones e) Un isótopo de número atómico 13 y otro de número atómico 14 Pregunta 2: En el átomo de aluminio, los electrones están distribuidos en los siguientes niveles energéticos: a) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

1 11Na = [Ne] 3s

94

11Na = [Ne]

3s

b) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 4s 1

Grupo Editorial Patria ®

c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 d) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 0 3p 3 e) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2 Pregunta 3: Del aluminio puede decirse que:

En un día claro, a 2 000 metros de altura sobre la Plaza de la Constitución (el Zócalo), se detona una bomba nuclear de un megatón. Este lugar es el punto cero de la explosión. Dos segundos después de la detonación se forma a 2 000 metros de altura una bola de fuego luminosa y una onda expansiva que toca la superficie del centro de la ciudad. La destrucción de gran parte de la capital se debe principalmente a los efectos del calor irradiado y a la onda de alta presión que continúa expandiéndose por decenas de kilómetros.

a) Es un elemento de transición b) Su máximo grado de oxidación es (III) c) Es un metal noble d) En agua puede encontrarse disuelto con dos grados de oxidación e) Ninguna de las anteriores Pregunta 4: La estatua de Eros no se ha corroído porque: a) Su posición en la serie de actividad de los metales (cercano al cinc) le impide oxidarse con el oxígeno del aire b) La superficie del metal se oxida con el oxígeno del aire formando una amalgama c) La formación de una capa protectora de Al2O3 d) Se limpia periódicamente con una disolución de cloruro de mercurio e) Está cubierta con un plástico transparente Pregunta 5: La elección del aluminio en la manufactura de cacerolas para la cocina es adecuada porque: a) Tiene apariencia metálica y es barato b) Es un elemento que se encuentra abundantemente en la naturaleza en su forma nativa c) Es un buen conductor del calor y de la electricidad d) Existen muchos minerales que contienen aluminio (III), a partir de los cuales se le obtiene fácilmente por amalgamación. e) Ninguna de las anteriores.

Actividad transversal

Comprensión lectora Una bomba de un megatón sobre la Ciudad de México La detonación de una bomba de un megatón sobre el centro de la Ciudad de México, constituye un ejemplo aplicable a cualquier metrópoli que abarque un círculo con radio de 10 kilómetros o más.

En un radio de cuatro kilómetros partiendo del Zócalo y durante los 10 primeros segundos después de la explosión, la presión sobrepasa las 10 psi (lb/pulg2), por lo que todas las construcciones quedan completamente destruidas y sin sobrevivientes. Esta zona tiene como límites el Monumento a la Raza, el extremo occidental del aeropuerto, el Palacio de los Deportes, el exparque del Seguro Social (donde anteriormente se practicaba el beisbol) y las rejas de Chapultepec, aledañas al Monumento de los Niños Héroes. A distancias entre cuatro y seis kilómetros del punto cero, 15 segundos después de la explosión las presiones alcanzan valores entre 5 y 10 psi, y quedan en pie solamente los cimientos y los subterráneos de los edificios. Las calles quedarán cubiertas por varios metros de escombros y más o menos la mitad de la población que habita en este anillo morirá, principalmente por el derrumbe de las construcciones. Quienes logren sobrevivir estarán heridos y necesitarán de ayuda médica. Los vientos originados por la onda explosiva tendrán velocidades de unos 300 kilómetros por hora. Esta zona de destrucción llegará hasta la Basílica de Guadalupe, por el norte, el Peñón de los Baños por el este, la colonia Portales y el World Trade Center (antes Hotel de México) por el sur y el Auditorio Nacional en Chapultepec por el oeste. El anillo comprendido de 6 a 11 kilómetros al Zócalo sentirá medio minuto después de la detonación, presiones entre 2 y 5 psi, por lo que las construcciones quedarán gravemente dañadas y habrá muchísimos heridos. Es probable que los edificios que sigan en pie se incendien debido al calor producido por la explosión, mismo que causará quemaduras en la piel de las personas. Estas distancias desde el punto cero llegarán hasta el límite norte con el Estado de México, al límite este con Ciudad Nezahualcóyotl y al límite sur con Ciudad Universitaria. Desde el Zócalo hasta estos límites, todas las ventanas de construcciones y edificios se quebrarán debido a la onda de presión. Finalmente, dentro del anillo formado por radios de 11 a 16 kilómetros desde el centro de la ciudad, el daño de la onda explosiva será menor en las construcciones, pero es posible que 25% de la población resulte herida. Este último anillo llegará hasta Tlalnepantla, Tlalpan y la delegación Magdalena Contreras. Medio minuto después de la explosión, la bola de fuego dejará de ser visible y al ascender a gran velocidad producirá corrien-tes de aire que arrastrarán polvo y restos de las construcciones destruidas

95

3

Modelo atómico y aplicaciones

será imposible (no sería fácil reconocer lo que antes era una calle) y seguramente los hospitales habrán sufrido el mismo daño que el resto de la ciudad. Tomando estos factores en cuenta, el número de víctimas podría llegar a 1 000 000 de personas. El análisis presentado supone que la metrópoli es atacada con un solo artefacto nuclear. La estrategia militar actual recomienda que toda ciudad con más de 3 000 000 de habitantes sea el blanco de tres bombas de un megatón, 10 bombas de 500 kilotones, y otras tantas de menor poder explosivo. De este modo, es seguro que no habrá sobrevivientes.

Figura 3.30 Zócalo de la Ciudad de México.

Actividad: Realiza la lectura de la siguiente información y emite tu opinión por escrito en máximo de una cuartilla de manera objetiva, reflexiva y crítica, acerca de las consecuencias que provocaría la detonación de una bomba nuclear en una ciudad altamente poblada, compara las conclusiones obtenidas con las de tus compañeros y emitan un informe grupal.

y darán forma al hongo nuclear. Una nube radiactiva que contiene elementos activados durante la explosión y productos de la fisión del uranio ascenderá hasta unos 20 kilómetros de altura y luego será dispersada por el viento, para volver a caer lentamente sobre regiones alejadas al lugar de la explosión. La radiación inmediata será letal para aquellas personas que se encuentren en el radio de tres kilómetros del punto cero, pero esta zona ya habrá sido totalmente devastada por los efectos de la onda de pre sión y del calor, por lo que de todos modos no habrá sobrevivientes. En un área de unos 1 000 km2 alrededor del Zócalo, durante uno o dos días después, caerá lluvia radiactiva en forma de polvo o granitos de tierra que emitirán radiación espontáneamente. Los niveles de radiación sobre un área de 2 600 km2 (hasta distancias de 29 km a partir del centro, es decir, Texcoco, Ecatepec, el Ajusco) serán letales para toda persona expuesta (es decir, sin la protección adecuada), ya que llegarán a los 900 rads. Dentro de una superficie de 10 500 km2 (57 km de distancia al Zócalo), la dosis de radiación recibida por individuos no protegidos durante los primeros días que sigan a la explosión llegará a unos 100 rads. Tal vez esto no cause la muerte inmediata, pero sí aumentaría gravemente la incidencia de cáncer y anormalidades genéticas en la población. En este ejemplo, dichos efectos se harán sentir en las zonas que llegan hasta los volcanes, el valle de Cuernavaca, Chalma y Toluca, o incluso más lejos, dependiendo de la intensidad y dirección de los vientos. El número total de muertes después de una explosión como la descrita dependería de muchos factores diferentes: la densidad de la población en las cercanías al punto cero, la hora del día en que ocurriera la explosión, las condiciones atmosféricas, y otras más difíciles de precisar. Para una ciudad muy poblada se estima que 500 000 personas morirán inmediatamente, quedando un número similar de heridos. Hay que recordar que, debido a la destrucción reinante, no sería posible ningún tipo de ayuda de los bomberos para sofocar incendios, ni de personal médico para rescatar heridos. El tránsito en las calles 96

3.4 Isótopos Como vimos anteriormente, un átomo de un elemento dado siempre contiene el mismo número de protones y electrones (éste es su número atómico); pero después de llevar a cabo un estudio profundo de los átomos de los elementos, se llegó a la conclusión de que la mayoría de ellos tiene dos o más formas diferentes. La diferencia entre estas clases de átomos del mismo elemento es que contienen distintas cantidades de neutrones. A estos átomos se les denomina isótopos. Los isótopos son átomos de un mismo elemento con igual número atómico (Z) y diferente número de masa (A) debido a diferente número de neutrones. Ejemplo: Los isótopos de hidrógeno son tres: 1

2

3

H

H

H

1

1

1

protio

deuterio

tritio

un protón un electrón

un protón un neutrón un electrón

un protón dos neutrones un electrón

Aunque un elemento cuente con isótopos, todos sus átomos se comportan de la misma manera, debido al número de electrones. De las tres partículas subatómicas, el electrón es el que manifiesta más efectos, ya sea de conducción eléctrica o en una reacción química. En medicina, los isótopos radiactivos tienen un amplio campo de aplicación, tanto en el tratamiento de tumores, como para esterilizar material y equipo

Grupo Editorial Patria ® quirúrgico; en la industria del petróleo y la petroquímica, se usan para separar fracciones; también es posible utilizarlos en el análisis, trazado y seguimiento de ríos, minerales, detergentes, en la elaboración de detergentes, de polímeros, en la producción de energía, etcétera. Lamentablemente, las radiaciones que estos isótopos radiactivos generan, pueden dañar las células de los seres vivos (animales, vegetales, organismo humano) y a partir de ciertas dosis, ocasionan tumores malignos y mutaciones genéticas. Tal vez el primer uso de los isótopos radiactivos fue en la fabricación de bombas (atómica, de neutrones, etc.), con fines bélicos. No obstante, ello motivó investigaciones posteriores, llegándose a encontrar un mayor campo de aplicación con fines altruistas. Actividad formativa

(

)

60Co

⎯→ 60Ni

0e 1

28

(

(

)

14C

⎯→

14N 7

e) Se usa como un rastreador en las velocidades de reacción.

0e 1

f) Se usa para tratar el cáncer en la glándula tiroidea.

)

238U

⎯→ 206Pb

g) Deuterio, protio, tritio. 8 He + 6 e

82

(

0n 0

d) Se usa en leches que contienen un conservador de formaldehído.

1

) _`d

h) Partículas radiactivas. i) Reacción de desintegración radiactiva del cobalto. j) Reacción de desintegración radiactiva del carbono.

Selecciona una de las tres lecturas de las páginas 83, 87, 95 y 96, e identifica las ideas principales que permitan reconocer el impacto social que generan en el entorno.

k) Reacción de desintegración radiactiva del uranio.

Actividad formativa I. Instrucciones: Selecciona la respuesta correcta. (

(

)

Son átomos de un mismo elemento con igual número atómico pero diferente número de masa, debido a diferente número de neutrones.

)

a) Isómeros

b) Isóbaros

c) Alótropos

d) Isótopos

El tritio, uno de los tres isótopos del hidrógeno (1H3), tiene en el núcleo: a) Un protón y un neutrón b) Dos protones y un neutrón c) Dos protones y ningún neutrón d) Un protón y dos neutrones

(

) Cobalto-60 (Co-60)

(

) Yodo-131 (1-131)

(

) Carbono-11 (C-11)

(

) Plomo-212 (Pb-212)

(

) Carbono-14 (C-14)

(

) Isótopos de hidrógeno

Elaboración de modelos atómicos Con la supervisión de tu profesor reúnete en equipos de 4 o 5 alumnos y resuelvan esta actividad. Contesten las preguntas y compárenlas con las de otros equipos. Analicen y discutan las respuestas en las que tengan dudas. Anoten sus conclusiones. Propósito Elaborar modelos de diferentes moléculas de alcanos. Materiales  „1

II. Instrucciones: Relaciona las siguientes columnas de isótopos y sus propiedades, anotando en el paréntesis de la izquierda la letra que corresponde a la respuesta correcta. Isótopo

Actividad experimental

Propiedades a) Se usa actualmente en el tratamiento del cáncer con base en los rayos gamma

caja de palillos

 „Pegamento  „ Pintura  „1

blanco

roja y negra

pan de caja o migajónn

 „Agua

Procedimiento

b) Se emplea en la datación de especímenes orgánicos.

1. Mezclen un poco de agua con pan (o migajón) y formen bolitas de dos tamaños diferentes (aproximadamente de 1 y 2 cm de diámetro). Agreguen un poco de pegamento para suavizar las esferas. Elaboren cinco de 2 cm y 15 de 1 cm.

c) Se usa en el tratamiento de desórdenes cerebrales.

2. Pinten de negro las bolitas más grandes (representan al átomo de carbono) y las más pequeñas de rojo (representan al hidrógeno). 3. Déjenlas secar perfectamente.

97

3

Modelo atómico y aplicaciones

Aplicaciones de los isótopos radiactivos 4. Armen sus diferentes estructuras de compuestos orgánicos, uniendo las bolitas negras y las bolitas rojas según el compuesto a formar. Dibujen en el espacio que se presenta a continuación los modelos atómicos de los alcanos normales que formaron. Observen la figura del libro. ¿Cuál es el nombre de cada hidrocarburo formado? ¿Qué característica tienen en común? ¿De qué color son los átomos de carbono e hidrógeno, respectivamente? Comparen los compuestos orgánicos saturados (alcanos) que formaron con los de otros compañeros de clase. Conclusiones:

Medicina Cobalto–60 (Co-60) En medicina la radiación de alta energía emitida por el radio fue utilizada durante mucho tiempo en el tratamiento del cáncer. Actualmente se usa el cobalto-60 (Co-60) para el tratamiento del cáncer porque emite una radiación con más energía que la que emite el radio y es más barato que éste. En medicina se usa el tratamiento con cobalto-60 para detener ciertos tipos de cáncer con base en la capacidad que tienen los rayos gamma para destruir tejidos cancerosos. El cobalto-60 se desintegra emitiendo partículas beta y rayos gamma, y tiene una vida media de 5.27 años. Su proceso de desintegración se representa mediante la ecuación química nuclear: 60 2 7Co

0 60 28Ni  1e

 00n.

t 1/2 = 5.27 años

Yodo–131 (I-131) Ciertos tipos de cáncer se pueden tratar internamente con isótopos radiactivos, como el cáncer de tiroides, como el yodo se va a la glándula tiroides, se trata con yoduro de sodio (NaI) que contenga iones de yoduros radiactivos provenientes del yodo-131 o del yodo-123. Allí la radiación destruye a las células cancerosas sin afectar al resto del cuerpo. Para detectar desórdenes circulatorios de la sangre se utiliza una disolución de cloruro de sodio (NaCl) que contenga una pequeña cantidad de sodio radiactivo y midiendo la radiación el médico puede saber si la circulación de la sangre es anormal.

Carbono–11 (C-11) Para el estudio de los desórdenes cerebrales se utiliza una tomografía de emisión de positrones conocida como pet. Se le administra al paciente una dosis de glucosa (C6H12O6) que contenga una pequeña cantidad de carbono-11 (C-11), que es radiactivo y emite positrones, luego se hace un barrido del cerebro para detectar los positrones emitidos por la glucosa radiactiva “marcada”. Se establecen las diferencias entre la glucosa inyectada y metabolizada por los cerebros normales y los anormales. Por ejemplo, con la técnica pet se ha encontrado que el cerebro de un esquizofrénico metaboliza alrededor de 20% de la glucosa que metaboliza un individuo normal.

Química Plomo–212 (Pb-212) Una de las primeras aplicaciones de los isótopos radiactivos en Química fue en el estudio de las velocidades de una reacción re98

Grupo Editorial Patria ® versible para establecer las condiciones de equilibrio. Por ejemplo, para conocer el equilibrio en una solución saturada de cloruro de plomo II (PbCl2). La ecuación química que representa el equilibrio de esta solución es: Pb21(ac)  2Cl1–(ac)

PbCl2(S)

Se usa el isótopo radiactivo de plomo-212 para comprobar que los procesos de disolución y de precipitación se producen a la misma velocidad. Se agrega a una solución saturada de cloruro de plomo II (PbCl2) una pequeña cantidad de nitrato de plomo II (Pb(NO3)2) que contenga el isótopo plomo-212. Un tiempo después se precipita plomo, lo que indica que se está produciendo un intercambio entre el cloruro de plomo sólido (Pb y el ion plomo +2 de la solución). En estudios de química orgánica se usan los isótopos radiactivos como trazadores o rastreadores (por ejemplo, carbono-14) para conocer los mecanismos de reacciones complejas como las de la fotosíntesis, en la que en varias etapas se van formando moléculas más complejas. Para el estudio de la trayectoria de las reacciones químicas en la fotosíntesis se nutre a la planta con dióxido de carbono (CO2) que contiene carbono-14. Por esto, el químico norteamericano Melvin Calvin (1911-1997) obtuvo el premio Nobel de Química en 1961, pues aclaró una parte del proceso químico de la fotosíntesis y de los productos intermedios que se producen (ciclo de Calvin).

Datación Las mediciones de la radiactividad se usan para determinar la edad de los minerales y de restos fósiles (datación). Por ejemplo, la existencia de núclidos radiactivos naturales sobre la superficie de la Tierra sugiere que sus vidas medias son comparables con las edades de los minerales en los cuales se encuentran, y éstos proporcionan una estimación de la edad de la Tierra. Como los isótopos radiactivos se usan para determinar el tiempo que hace que se solidificaron las rocas (edad de las rocas) se les conoce como “los relojes naturales”. Por ejemplo, si una roca contenía uranio-238 al solidificarse los productos de la desintegración radiactiva del uranio no pueden escapar por difusión, por lo que quedan retenidos en la roca, y se transforman en plomo-206. Para conocer la vida media (t1/2 ) de la roca se necesita conocer la reacción química global del proceso y la relación actual entre el plomo206 y el uranio-238 en la roca, y es: 238 92U

206 82Pb

8

4 2He

6

0 9 1e t1/2  4.5  10 años.

La reacción de desintegración es de primer orden, por lo que la ecuación que relaciona la concentración y el tiempo de reacción es: ln Ci/Cf = kt o log Ci/Cf = kt/2.3; donde Ci es la concentra-

ción inicial de reactivo, Cf es la concentración final de reactivo, t es el tiempo que tarda en descender la concentración del reactivo inicial y k es la relación de la velocidad de reacción entre la concentración inicial del reactivo y se conoce como la constante de velocidad. La edad de las rocas determinada por este método varía entre 3  109 años y 4  109 años. El valor más alto se toma como la edad aproximada de la Tierra (cuatro mil quinientos millones de años). A mediados del siglo pasado, el químico norteamericano Willard Frank Libby (1908-1980) y sus colaboradores desarrollaron un método basado en la desintegración del carbono-14, radiactivo, que sirve para calcular edades entre unos cientos de años hasta 50 000 años. Se ha usado para calcular la edad de reliquias que quedan del hombre prehistórico y para determinar la autenticidad de lienzos de la pintura renacentista. El carbono-14 se forma en la atmósfera por la interacción de los átomos de nitrógeno con los neutrones de los rayos cósmicos y la ecuación nuclear que representa dicho proceso es: 14 7N

 10n

14 6C

 11H

El carbono-14 formado en esta reacción nuclear se incorpora a la atmósfera como dióxido de carbono (CO2). El dióxido de carbono atmosférico alcanza una concentración estacionaria, que asciende aproximadamente a un átomo de carbono-14 por cada 1012 átomos de carbono-12 (C-12). Tanto los animales que se alimentan de plantas como una planta viva que absorbe dióxido de carbono de la atmósfera mantienen esta proporción de 14 C/12C. Cuando muere una planta o un animal se termina la ingestión de carbono radiactivo y en consecuencia, comienza a producirse la desintegración radiactiva del carbono-14 y la relación 14C/12C disminuye. 14 6C

0 14 7N  1e

Determinando la relación 14C/12C y comparándola con la edad de las plantas vivas, se puede saber el tiempo que hace que murió la planta o el animal mediante la ecuación cinética: ln Ci/Cf  kt o log Ci/Cf  kt/2.3.

Carbono –14 (C-14) El carbono-14 (14C, masa atómica = 14.003241) es un radioisótopo del carbono y fue descubierto el 27 de febrero de 1940 por Martin Kamen y Sam Ruben. Su núcleo contiene 6 protones y 8 neutrones. Willard Libby determinó un valor para el periodo de semidesintegración o semivida de este isótopo: 5 568 años. Determinaciones posteriores en Cambridge produjeron un valor 99

3

Modelo atómico y aplicaciones

de 5 730 años. Debido a su presencia en todos los materiales orgánicos, el carbono-14 se emplea en la datación de especímenes orgánicos.

Carbono 14 General Nombre, símbolo

Carbono-14, 14C

Neutrones

8

Protones

6

Figura 3.31 Conchas fósiles.

Datos del nucleido Abundancia natural

1 parte por billón (1012)

Periodo de semidesintegración

5 730 ± 40a

Producto de desintegración

14

Masa del isótopo

14.003241 u

Modo de desintegración

`–

Energía de desintegración

0.156 MeV

N

Este isótopo creado es inestable, por lo que, espontáneamente, se transmuta en nitrógeno-14 (14N). Estos procesos de generación-degradación de 14C se encuentran prácticamente equilibrados, de manera que el isótopo se encuentra homogéneamente mezclado con los átomos no radiactivos en el dióxido de carbono de la atmósfera. El proceso de fotosíntesis incorpora el átomo radiactivo en las plantas, de manera que la proporción 14C/12C en éstas es similar a la atmosférica. Los animales incorporan, por ingestión, el carbono de las plantas. Ahora bien, tras la muerte de un organismo vivo no se incorporan nuevos átomos de 14C a los tejidos, y la concentración del isótopo va decreciendo conforme va transformándose en 14N por decaimiento radiactivo. 14

La masa en isótopo C de cualquier espécimen disminuye a un ritmo exponencial, que es conocido: a los 5 730 años de la muerte de un ser vivo la cantidad de 14C en sus restos se ha reducido a la mitad. Así pues, al medir la cantidad de radiactividad en una muestra de origen orgánico, se calcula la cantidad de 14C que aún queda en el material. Así puede ser datado el momento de la muerte del organismo correspondiente. Es lo que se conoce como “edad radiocarbónica” o de 14C, y se expresa en años BP (Before Present). Esta escala equivale a los años transcurridos desde la muerte del ejemplar hasta el año 1950 de nuestro calendario. Se elige esta fecha por convenio y porque en la segunda mitad del siglo xx los 100

ensayos nucleares provocaron severas anomalías en las curvas de concentración relativa de los isótopos radiactivos en la atmósfera. Al comparar las concentraciones teóricas de 14C con las de muestras de maderas de edades conocidas mediante dendrocronología, se descubrió que existían diferencias con los resultados esperados. Esas diferencias se deben a que la concentración de carbono radiactivo en la atmósfera también ha variado respecto al tiempo. Hoy se conoce con suficiente precisión (un margen de error de entre 1 y 10 años) la evolución de la concentración de 14 C en los últimos 15 000 años, por lo que puede corregirse esa estimación de edad comparándolo con curvas obtenidas mediante interpolación de datos conocidos. La edad así hallada se denomina “edad calibrada” y se expresa en años Cal BP.

Carbono -11 (C-11) Esquema de desintegración de 11C. Carbono-11 o el 11C es un isótopo radiactivo de carbono. Se desintegra 100% por emisión de positrones con boro-11. Tiene una vida media de 20.38 min. 11 6

C

11 6

B  e  Ve  0.45 MeV

El carbono-11 es muy utilizado como radioisótopo radiactivo para el etiquetado de las moléculas en tomografía por emisión de positrones. Entre las muchas moléculas utilizadas en este contexto es la radioligando [11 C] DASB.

Yodo -131 (I-131) El I-131 es un emisor beta-gamma, por lo que se puede determinar mediante la detección de ambos tipos de radiación y, por tanto, podemos medirlo bien con el detector proporcional de flujo

Grupo Editorial Patria ®

En leches

Carbono 11 General Nombre, símbolo

Carbono -11, 11C

Neutrones

5

Protones

6

Datos del nucleido

El yodo de la muestra de leche que contiene un conservador HCHO (formaldehído) y el portador del yodo (NaI) se extrae utilizando una resina de intercambio aniónico. El yodo (I) se eluye de la resina tras la oxidación a IO3 (Hipoyodito) con una solución de hipoclorito (ClO3). Tras la reducción, el yodo (I) se extrae en CCl4 (tetracloruo de carbono), se reduce con bisulfito y es reextraído en agua. El yodo se precipita entonces como AgI (yoduro de plata). Se determina el rendimiento gravimétricamente y se mide en un detector proporcional de bajo fondo. Podemos determinar el yodo-131 por espectrometría gamma. Para ello, se toma la resina, se introduce en una petri y se mide en el detector de Ge.

Vida media

20.38 minutos

Producto de desintegración

11

Espín

–1/2

En muestras biológicas

Modo de desintegración

Por emisión de positrones

Energía de desintegración

0.45 MeV

El yodo de la muestra biológica se extrae añadiendo NaOH (hidróxido de sodio) a la muestra seca, reduciéndose a yoduro con el bisulfito. Se precipita como yoduro de plata (AgI). Se determina el rendimiento gravimétricamente y se mide en un contador proporcional de bajo fondo.

B

de gas bien con los detectores de semiconductor. El uso de una u otra técnica de medida vendrá fundamentalmente decidida por los requisitos de sensibilidad exigidos a la medida. Como criterio general y dada la mayor eficiencia de detección del primero, siempre que exista una separación radioquímica se efectuará la medida con el contador proporcional, que habrá sido necesariamente calibrado con un patrón de I-131. Por esta razón, se incluye en cada procedimiento una nota en la que se especifica el paso en el cual se procedería a la determinación del I-131 por espectrometría gamma.

Determinación de yodo -131 en aire (filtros de carbón activo) El yodo que se fija en el carbón activo está en forma no iónica. Tras su extracción por la adición de hidróxido de sodio (NaOH), se reduce con bisulfito a yoduro y se precipita como AgI. Se determina el rendimiento gravimétricamente y se mide en un detector proporcional de bajo fondo. El cartucho de carbón activo se puede medir directamente en el detector de Ge sin realizar ninguna operación previa o también se puede vaciar el cartucho y colocar el carbón activo en una petri de 90 cc para su posterior medida en el detector de Ge.

Podemos determinar el yodo-131 por espectrometría gamma. Para ello, se toma muestra triturada, se introduce en una petri o una marinelli y se mide en el detector de Ge. Comprensión lectora

Aplicación de yodo radiactivo para probar el funcionamiento tiroideo

Un método común para determinar el funcionamiento de la tiroides es el análisis del consumo de yodo radiactivo (RAIU). Tras su administración oral, el radioisótopo yodo-131 se mezcla con el yodo presente en la tiroides. A las 24 horas se determina la cantidad de consumo de yodo en la tiroides. Se mantiene un tubo de detección cerca del área en que se encuentra la glándula tiroides para detectar la radiación que procede del

Efecto del yodo.

101

3

Modelo atómico y aplicaciones

ello, dichos investigadores recibieron el premio Nobel de Química en 1996. De apariencia espectacular, los fullerenos son moléculas de carbono de estructura tridimensional cerrada, con diferentes números de átomos que van desde 28 hasta centenas e incluso millares. El más excepcional de ellos es el carbono 60 (C60), pues tiene una extraordinaria estabilidad y una estructura perfectamente ordenada debido a sus 60 átomos de carbono, que le dan una forma esférica, muy parecida a la de un balón de fútbol microscópico (por eso, también algunos los llaman futbolenos), con 12 pentágonos y 20 hexáfonos unidos, en cuyos vértices se sitúa cada átomo. Además, hay otros tipos de fullerenos, el carbono 70 (C70) que tiene la forma parecida a la de un balón de rugby, los carbonos C28, C32, C44, C45, C50, C56, C240, C540, C960 y los tubulenos o nanotubos, entre otros.

Figura 3.32 El yodo también se utiliza como desinfectante.

yodo-131 que ésta ha consumido. El consumo de yodo es directamente proporcional a la actividad de la tiroides. Si el paciente tiene “tiroides hiperactiva”, se detecta un nivel mayor de lo normal de yodo radiactivo, mientras que si tiene “tiroides hipoactiva”, el valor que se obtendrá será bajo. En caso de que el paciente tenga hipertiroidismo se inicia el tratamiento para hacer más lenta la actividad de esta glándula. Un tratamiento consiste en dar al paciente una dosis terapéutica de yodo radiactivo que tiene una cuantificación de radiación más alta que la dosis diagnosticada. El yodo radiactivo pasa a la glándula tiroides y la radiación destruye parte de las células de la misma. Así, la glándula produce menos hormonas tiroideas y se logra controlar la afección de hipertiroidismo.

Esta nueva familia de moléculas recibe su nombre del arquitecto estadounidense R. Buckminster Fuller, quien construyó domos geodésicos de estructura similar a los fulerenos o futbolenos. Estas moléculas pueden ser el origen de una nueva gama de materiales y compuestos orgánicos, cuyas aplicaciones tendrían un impacto similar al que obtuvo en el siglo pasado el benceno (C6H6), base de materiales indispensables en la vida de la sociedad actual. Propósito Elaborar modelo atómico de los fullerenos. Materiales  „1

 „Pegamento  „Pintura  „1

Actividad formativa

Elaboración del modelo de los fullerenos Con la supervisión de tu maestro reúnete en equipos de 4 o 5 integrantes y resuelvan esta actividad. Contesten las preguntas y compárenlas con las de otros equipos. Analicen y discutan las respuestas en las que tengan dudas. Elaboren sus conclusiones.

caja de palillos blanco

roja y negra

pan de caja o migajón

 „Agua

Procedimiento 1. Mezclen un poco de agua con pan (o migajón) y formen bolitas de dos tamaños diferentes (aproximadamente de 1 y 2 cm de diámetro). Agreguen un poco de pegamento para suavizar las esferas. Elaboren cinco de 2 cm y 15 de 1 cm. 2. Pinten de negro las bolitas más grandes (representan al átomo de carbono) y las más pequeñas de rojo (representan al hidrógeno).

Introducción

3. Déjenlas secar perfectamente.

Los fullerenos son una familia de moléculas descubierta de manera accidental en 1985 por los investigadores Harold W. Kroto, de la Universidad de Sussex en Inglaterra, y Richard E. Smalley y Robert F. Curl, de la Universidad de Rice en Houston, EUA, mientras realizaban trabajos en astrofísica en busca de moléculas de carbono desconocidas. Por

4. Armen sus diferentes estructuras de compuestos orgánicos, uniendo las bolitas negras y las bolitas rojas según el compuesto a formar.

102

Grupo Editorial Patria ®

Armen el modelo que presenta a continuación:

¿De qué color son los átomos de carbono e hidrógeno, respectivamente?

Comparen los compuestos orgánicos saturados (alcanos) que formaron con los de otros compañeros de clase. (Perspectiva volumétrica)

Argumenten la importancia que tiene el diseño de modelo para resolver problemas.

Actividades complementarias I.

Instrucciones: Completa el siguiente mapa conceptual.

MODELO CUÁNTICO DEL ÁTOMO

Fue propuesto por

Se deriva de tres conceptos fundamentales

Estados estacionarios de energía de Bohr

los cuales conducen a los números cuánticos

n

que representa

m

que representa

que representa

El giro del electrón

103

3

Modelo atómico y aplicaciones

Evaluación sumativa Con el propósito de que demuestres los saberes que has adquirido durante el desarrollo del Bloque, a continuación se presentan actividades que permiten evidenciar los aprendizajes logrados, para ello responde lo que se indica.

I. Relaciona ambas columnas escribiendo en el recuadro de la derecha la letra que conteste correctamente el enunciado.. a) Son compuestos formados por el mismo tipo de moléculas. b) Son átomos del mismo elemento que tienen igual número de protones y electrones, pero diferente número de neutrones. c) Es la parte mínima de un elemento que no tiene carga eléctrica y participa en una reacción química. d) Es la suma porcentual promedio de las masas de los isótopos más estables de un mismo elemento. e) La suma de electrones y neutrones tienen solamente una fase. f) Es el valor que señala el número de protones en un átomo. g) Es la suma de protones y neutrones que tiene el núcleo de un átomo. h) Postuló que el átomo tiene una carga positiva con los electrones incrustados, en forma de un “budín de pasas”. i) La forma del átomo es de una esfera compacta sin carga. j) Explica que el átomo no es una partícula compacta, sino más bien es un espacio vacío en su mayor parte. k) Es el número de electrones que tiene un átomo. l) Es la suma de protones y neutrones en el núcleo. m) Estableció que la masa no es creada ni destruida sólo transformada.

Átomo Número atómico Peso o masa atómica Número de masa Isótopos Modelo de Rutherford Lavoisier Thomson Dalton

II. Completa el siguiente cuadro utilizando para ello la tabla periódica de los elementos, en cada caso menciona un ejemplo que se relacione en la práctica de la vida común. Z = número atómico Elemento

p = protones

A = masa atómica Símbolo

Z

n0 = neutrones A

p

e = electrones e

46 82 Bromo 18 Tc

104

n0

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III. Instrucciones: De acuerdo con las siguientes configuraciones electrónicas, contesta lo que se pide a continuación. En el cuadro se te piden los valores de los números cuánticos del electrón diferencial o de valencia y el símbolo del elemento, menciona la importancia que tienen al ser utilizados de forma correcta y responsable en estudios y prácticas de carácter científico.

Configuración electrónica

Electrón diferencial

Periodo

Grupo

n

l

m

s

Elemento

[Ne10] 3s 2 3p 4 [Ar18] 4s 2 3d 5 [Xe54] 6s 2 4f 14 5d 2 [Rn86] 7s 2 5f 4

IV. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la derecha. 1. Las cargas del electrón, protón y neutrón son, respectivamente: a) , , 0

b) , 0, 

c) , 0, 

b) 2n  1

c) n  1

b) peso molecular

c) número de masa

b) peso molecular

c) número atómico

b) moles

c) iones

b) Bohr

c) Dalton

b) Hund

c) Pauling

(

)

(

)

(

)

(

)

d) Thomson

7. “Dos electrones en un mismo átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales”, corresponde al principio de: a) Máxima multiplicidad

)

d) isótopos

6. El átomo está formado por un núcleo positivo, donde está concentrada toda la masa y los electrones se encuentran girando en niveles de energía cuantificada. Es una descripción que hace referencia al modelo atómico de: a) Rutherford

(

d) peso atómico

5. Los átomos que poseen el mismo número atómico pero diferente número de masa se conocen como: a) moléculas

)

d) mol

4. La suma de protones y neutrones que existen en el núcleo de los átomos se conoce como: a) número de masa

(

d) 2n  1

3. La suma de protones y neutrones se conoce como: a) número atómico

)

d) , , 0

2. La expresión que nos permite calcular los posibles valores del número cuántico l es: a) n  1

(

d) Heisenberg

105

3

Modelo atómico y aplicaciones

8. Cuando el número cuántico l es igual a 2, significa que el electrón diferencial se encuentra en el subnivel: a) p

b) f

c) s

b) calcio

c) aluminio

b) 32

c) 8

d) 14

V. Mediante la aplicación de la regla de edificación progresiva (regla de las diagonales), determina lo que se te pide a continuación:

26Fe Nombre: Número atómico: Masa atómica: Protones: Neutrones: Electrones: Distribución electrónica: Configuración electrónica utilizando el concepto de kernel: Electrones de valencia: Electrón diferencial: Valores de los números cuánticos del electrón diferencial: n= l= m= s= Grupo: Periodo:

106

56

(

)

(

)

d) azufre

10. Número máximo de electrones que pueden encontrarse en el nivel n  2: a) 18

)

d) d

9. 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p3 corresponde a la configuración electrónica del elemento: a) fósforo

(

Grupo Editorial Patria ®

VI. Relaciona ambas columnas escribiendo en el recuadro de la izquierda la letra que conteste correctamente el enunciado: Se considera la partícula más pequeña de un elemento que interviene en un fenómeno químico. Nombre que se le da a un átomo o grupo atómico con carga eléctrica resultante de la pérdida o ganancia de electrones. Establece que los elementos están formados por partículas diminutas, indivisibles e indestructibles llamadas átomos. Átomos de un mismo elemento con igual número atómico y diferente número de masa. Partícula más pequeña de una sustancia pura que presenta sus propiedades y puede existir en libertad. Indica el tipo de subnivel en el cual se localiza un electrón y se relaciona con la forma de la nube electrónica. Propuso un modelo atómico en el cual una esfera cargada de electricidad positiva contenía las cargas negativas, uniformemente distribuidas como están las pasas en un budín. Se relaciona con las orientaciones espaciales de los orbitales que resultan cuando un átomo es sometido a un campo magnético. Postuló que los electrones existen en ciertos niveles permitidos de energía, o estados estacionarios, que corresponden a órbitas circulares definidas. Se le puede definir como la región espacial ocupada por electrones de energía aproximadamente igual.

a) Dalton b) Bohr c) Thomson d) Rutherford e) Ion f) n g) Isótopos h) Molécula i) m j) Átomo k) I l) s

VII. Escribe sobre la línea el símbolo n, l, m o s, según corresponda a cada enunciado: 1. Parámetro cuántico que representa la orientación magnética de los orbitales: 2. Determina el nivel de energía donde se encuentran los elementos diferenciales: 3. Adquiere valores de  12 y  12 : 4. Parámetro que determina el tipo de orbital ocupado por el electrón diferencial: 5. Parámetro cuántico con valores de 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3: 6. Adquiere valores desde 1 hasta 7: 7. Parámetro cuántico con valores de 0, 1, 2, 3: 8. Representa el giro del electrón:

107

3

Modelo atómico y aplicaciones

Lista de cotejo Nombre del estudiante: Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: 1. Lee con atención lo que se indica y realiza la actividad conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando hayas terminado, responde e indica sí o no logrado, o bien está en proceso de desarrollarlo.

Desempeños

1. Utiliza correctamente la tabla periódica como instrumento para realizar la actividad. 2. Determina la configuración electrónica y el diagrama energético de los cinco elementos propuestos. 3. Lleva a cabo los pasos del proceso solicitado. 4. Explica con claridad cómo realizó la distribución electrónica de los elementos. 5. Comprende la actividad de acuerdo con los recursos que utilizó. 6. Da ejemplos acorde a la actividad realizada. 7. Logró alcanzar los aprendizajes esperados. 8. Mostró interés durante la actividad. 9. La actividad le permitió desarrollar alguna competencia. 10. Contextualiza su aprendizaje en situaciones de su vida cotidiana.

Acciones para concretar la actividad acorde a los conocimientos que se desarrollaron.

108

¿Logrado? Sí

No

Grupo Editorial Patria ®

Rúbrica Nombre del estudiante: Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: Lee los criterios a evaluar y selecciona el valor según corresponda a lo realizado, anota el número del nivel seleccionado en la columna de la puntuación del criterio, después suma todo para obtener el puntaje final.

Valor Criterio

Excelente (3 puntos)

Bueno (2 puntos)

Satisfactorio (1 punto)

Pone sus datos generales (nombre, matrícula, nombre del profesor(a), nombre de la asignatura, grupo, turno y fecha).

Tiene datos como: nombre, matrícula, nombre del profesor(a) y nombre de la asignatura.

Indica su nombre, grupo y asignatura.

No tiene ningún error de ortografía, de acentuación, ni de puntuación, está escrito correctamente.

Se observan pocos errores, son de ortografía, acentuación o de puntuación, el escrito es aceptable.

Se notan varios errores ortográficos, de acentuación y puntuación, el escrito no es muy bueno.

Su letra es clara y entendible.

Varía el estilo de letra, no es del todo clara.

Su letra es difícil de entender.

Ocupa una cuartilla, tal y como se establece en la actividad.

Ocupa una cuartilla y media.

Es muy extensa, su opinión ocupa dos cuartillas.

Organiza adecuadamente la información y señala su importancia en un contexto real.

Trata de ordenar la información y menciona su importancia, en general lo contextualiza en la vida cotidiana.

No está organizada, ni contextualizada a situaciones reales.

Presentación

Análisis

Muestra un claro análisis y reflexión Analiza la información, pero se le sobre el contenido de la lectura. dificulta reflexionar al respecto.

Muestra dificultad en analizar y reflexionar sobre el contenido de la lectura.

Muestra buena comprensión del contenido de la lectura, profundiza y se basa en detalles.

Su comprensión es básica, Comprende gran parte de la no profundiza ni especifica la lectura, describe lo más que puede. información.

Identifica todas las ideas principales y relevantes al tema.

Reconoce en gran medida las ideas principales, aunque algunas son un tanto irrelevantes.

Relaciona la información con ejemplos de diversos contextos culturales.

Señala ejemplos de diversos contextos, pero no todos están relacionados con la información que plasma.

Explica la información, pero no proporciona ejemplos de ningún tipo.

Integra conclusiones claras, congruentes y acordes al contenido y a lo solicitado.

Menciona conclusiones de manera general, son un poco confusas.

Emite conclusiones de forma básica, no las relacionan del todo con el tema.

Contenido

Puntuación del criterio

Registra ideas básicas, la información no es sobresaliente.

Puntuación final:

109

BLOQUE

4

Tabla periódica Propósito Utiliza la tabla periódica como herramienta para obtener información de los elementos, identificando aquellos que se encuentran entre los recursos de su región, valorando el manejo sustentable de ellos.

10 horas

Conocimientos 4.1

Tabla periódica: ƒ Antecedentes históricos ƒ Grupos o familias ƒ Periodos ƒ Metales, no metales y metaloides ƒ Bloques

4.2

Propiedades periódicas: ƒ Radio atómico ƒ Energía de ionización ƒ Afinidad electrónica ƒ Electronegatividad

Aprendizajes esperados ƒ Clasifica los elementos en la tabla periódica, relacionando sus propiedades con materiales de uso común. ƒ Deduce que la electronegatividad como una propiedad distintiva de los elementos para formación de compuestos químicos útiles en la vida diaria. ƒ Explica los beneficios del manejo racional de algunos elementos que tiene relevancia económica en su región y su uso responsable. ƒ Organiza los metales, no metales y metaloides relevantes en las actividades económicas del país y en su vida cotidiana.

Habilidades ƒ Reconoce los antecedentes históricos que permitieron la construcción de la tabla periódica actual ƒ Ordena los elementos de la tabla periódica para obtener información sobre las caracterísitcas y propiedades de los mismos. ƒ Identifica los elementos en metales, no metales y metoloides destacando sus características. ƒ Identifica las propiedaes periódica de los elementos en la tabla periódica.

Evaluación diagnóstica Competencias genéricas 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 8.1 Propone maneras de solucionar un problema o desarrollar un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 11.2 Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente.

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la derecha. 1. Las propiedades de los elementos en función periódica de sus pesos atómicos fueron dados a conocer por: a) Newlands y Döbereiner

c) Mendeléiev y Meyer

b) Lavoisier

d) Moseley

2. Los elementos más electronegativos son: a) K, Sr, Bi

c) Ca, Mg, Be

b) Fr, Cs, Ba

d) F, O, Cl

Competencias disciplinares 2.

4.

10.

Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

3. La Ley de las octavas fue formulada por: a) Meyer

c) Mendeléiev

b) Döbereiner

d) Newlands

4. Es la distancia comprendida entre el centro del núcleo y el nivel externo de un átomo: a) Electronegatividad b) Afinidad electrónica

c) Radio atómico d) Radio iónico

5. Se define como la energía liberada cuando un átomo gaseoso recibe un electrón para formar un ion negativo gaseoso: a) Electronegatividad

c) Afinidad electrónica

b) Cinética

d) Potencial

6. La configuración electrónica 1s 2 2s 2 2px1 2py1 2pz1 corresponde a un elemento que se encuentra en la: a) Familia IA, periodo 2

c) Familia VA, periodo 2

b) Familia IIIA, periodo 2

d) Familia VA, periodo 3

7. Conjunto de elementos dispuestos en líneas horizontales en la tabla periódica: a) Grupo

c) Oeriodo

b) Familia

d) Clase

8. Familia de elementos de la tabla periódica que se caracteriza por ser formadores de sales:

Actitudes ƒ Reflexiona las consecuencias de sus actos como ser social. ƒ Muestra empatía con sus pares favoreciendo una postura con conciencia social. ƒ Privilegia el diálogo para la construcción de nuevos conocimientos. ƒ Muestra un comportamiento propositivo en beneficio del entorno. ƒ Toma decisiones de manera responsable.

a) IA

c) VIIA

b) VIIIA

d) IIA

9. Es la representación ordenada de los elementos que permite visualizar y predecir cómo varían sus propiedades físicas y químicas: a) Grupo

c) Periodo

b) Bloque

d) Tabla periódica

4

Tabla periódica

Situación didáctica ¿Cuál será el impacto de los nuevos materiales en la sociedad? La sociedad actualmente es muy exigente en cuanto a la calidad de vida que desea tener: más comodidad, mejores alimentos, ropa, artículos electrodomésticos, aparatos electrónicos, computadora, auto, perfumes, casa, jardines, etc. Esto se consigue a través de un esfuerzo sostenido con respecto a una superación personal o familiar. Asimismo, las personas buscan calidad en la educación y practican algún deporte o pasatiempo. Los científicos, pendientes de descubrir nuevos materiales, usan de manera combinada a las disciplinas científicas: electrónica, computación, robótica, química, física, telecomunicaciones, construcción, etc. Como resultado, se ven inmersas en un universo fabricado a partir de materiales de naturaleza metálica, polimérica, cerámica y todas sus posibles combinaciones. Estos materiales sustentan nuestro presente bienestar y hacen factible nuestro progreso futuro.

nueva tecnología (desde el tren de alta velocidad a las pequeñas baterías de nuestros teléfonos móviles, pasando por los implantes quirúrgicos) necesita el desarrollo de un conjunto amplio de materiales con propiedades muy específicas, los cuales modelarán el bienestar y progreso de los ciudadanos en las próximas décadas, al igual que ocurrió con los plásticos y semiconductores de los años 50. Sin el concurso de dichos materiales estas tecnologías no podrían ser operativas. Los científicos han desarrollado nuevos materiales (cerámicos, poliméricos, magnéticos), así como sus aplicaciones más relevantes, como en nanotecnología, medicina, energía, medio ambiente y láseres de estado sólido. Entre las técnicas de caracterización de estos materiales se encuentra la radiación de sincrotrón.

Han sido tan importantes los materiales en la vida del hombre que los historiadores han clasificado las primeras edades de la humanidad, según los materiales utilizados; así han surgido las edades de Piedra, del Bronce y del Hierro. Podemos afirmar que en los albores del siglo xxi nos encontramos al comienzo de una nueva etapa marcada por el devenir de los nuevos materiales. No es difícil imaginar el impacto que la investigación en nuevos materiales va a tener en el próximo futuro en la sociedad actual. Toda

Secuencia didáctica A continuación se lista una serie de preguntas que te ayudarán a contestar la problemática de la pregunta central. Es importante que reflexiones, seas claro y objetivo para que esta experiencia sea útil al reconocer tus debilidades para superarlas así como tus fortalezas para beneficiarte de ellas. 1. Escribe un informe de una cuartilla que incluya cinco ventajas y cinco desventajas de vivir en un mundo tecnológicamente más avanzado y globalizado por las tecnologías de información y comunicación en relación con la calidad de vida que se tiene por los nuevos materiales descubiertos. 2. Utiliza estas preguntas para orientar tu escrito. a) ¿Qué sería mejor para ti, dormir en una cama de piedra o en una de madera o metal y su colchón de poliuretano? b) ¿Qué prefieres, ver la TV a colores o en blanco y negro? 112

c) ¿Te gustaría usar ropa que no se lave o planche?

d) ¿Qué prefieres, escuchar a tu artista favorito en un iPod o en un reproductor MP3?

Grupo Editorial Patria ® i) ¿Te aburren programas de TV que no presentan calidad en su transmisión o fallas de recepción y transmisión?

e) ¿Qué tipo de alimentos prefieres, los preparados en casa o los de comida rápida? f ) ¿De qué manera cambiaría tu vida diaria si no tuvieras Internet, TV, radio, cine, teléfono celular, iPod?

j) ¿Qué otros descubrimientos faltan por hacer en la sociedad actual? ¿Como cuáles? Enúncialos.

g) ¿Te gusta estar bien informado? ¿Por qué? ¿A través de qué medio? ¿Cuál prefieres? k) ¿Te gustaría viajar de una manera diferente a las establecidas actualmente? ¿Cuál? h) ¿Al transportarte de un lugar a otro, qué medio prefieres? ¿Por qué?

Rúbrica Con el propósito de revisar si adquiriste los conocimientos de este bloque realiza lo siguiente.

„

Menciona cinco nuevos materiales usados en la actualidad y su aplicación.

„

Con la dirección del profesor organicen un debate sobre el impacto de los nuevos materiales en la sociedad.

 

„

Intégrate a un equipo de compañeros para que presenten sus respuestas en plenaria y analicen las formas de contestar la pregunta central.

Responde los siguientes cuestionamientos.

„

¿Cómo se llamaría la sociedad actual de acuerdo con el material más utilizado? Justifica tu respuesta.

 

„

  „

    „

¿Los nuevos materiales favorecen o perjudican el desarrollo sustentable del país? ¿Cómo?

   

¿Leí todo el contenido del bloque? ¿Puedo distinguir claramente entre un material moderno y uno antiguo? ¿Cómo?

    „

Establezcan las conclusiones correspondientes.

Finalmente, elabora un reporte donde expreses de manera objetiva tus reflexiones sobre esta actividad. 113

4

Tabla periódica

4.1 Tabla periódica La clasificación es una forma útil e importante de sistematizar el conocimiento. La tabla periódica es uno de los medios que permite la organización del conocimiento químico. Se dice que la tabla periódica es tan importante para los químicos como un buen mapa para el viajero. La tabla es una representación de la ordenación de los elementos que permite visualizar y predecir la forma en que varían sus propiedades físicas y químicas. De acuerdo con lo anterior, es posible estudiar de manera sistemática cómo varían las propiedades, dependiendo de la posición que ocupan los elementos en la tabla y, al mismo tiempo, facilita entender, recordar y vaticinar las similitudes y diferencias entre los elementos.

Antecedentes históricos A lo largo de la historia había un desorden con respecto a los elementos descubiertos. Hay un curioso paralelismo en el siglo xix entre las historias de la química orgánica y de la inorgánica: hubo una proliferación en el número de compuestos orgánicos y el número de elementos. Kekulé, con sus fórmulas estructurales ayudó a poner orden. También se ordenó el mundo de los elementos, y al menos parte del mérito de ambos cambios se debió a una reunión internacional de químicos. A comienzos de ese siglo (xix) se descubrieron nuevos elementos, además de los nueve conocidos por los antiguos y los cuatro estudiados por los alquimistas medievales (agua, aire, tierra y fuego, ya comentados en un bloque anterior). Los elementos gaseosos, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y cloro, habían sido descubiertos. Y lo mismo los metales: cobalto, platino, níquel, manganeso, tungsteno, molibdeno, uranio, titanio y cromo. En la primera década del siglo xix (6 de octubre de 1807), Davy hizo pasar una corriente a través de potasa fundida (carbonato de potasio) y liberó pequeños glóbulos de un metal que inmediatamente llamó potasio. Una semana después, él mismo aisló el sodio del carbonato de sodio y en 1808 también aisló el magnesio, estroncio, bario y calcio. Mostró que el gas verdoso que Scheele había descubierto era el cloro, vocablo que en griego significa verde. También en esta época se descubrieron los metales cobalto, platino, níquel, manganeso, tungsteno, molibdeno, uranio, titanio y cromo. En la primera década del siglo xix se añadieron a la lista no menos de 14 elementos. Gay-Lussac y Thénard aislaron el boro; Wollaston, el paladio y el rodio, mientras que Berzelius el cerio. El químico inglés Smithson Tennant (1761-1815) descubrió el osmio y el iridio. Otro químico inglés, Charles Hatchett (17651847) aisló el niobio; por su parte, el químico sueco Anders Gustaf Ekeberg (1767-1813) descubrió el tántalo. El impulso en las décadas sucesivas no fue tan fuerte, pero el número de elementos continuó en aumento. Berzelius, por ejemplo, descubrió cuatro elementos más: selenio, silicio, circonio y 114

torio. Asimismo, Louis Nicolas Vauquelin, en 1797, descubrió el berilio. Hacia 1830 se conocían 55 elementos diferentes, un buen paso desde los cuatro elementos de la antigua teoría. De hecho, el número era demasiado grande para no inquietar a los químicos. Los elementos variaban extensamente en sus propiedades, y parecía existir poco orden entre ellos. ¿Por qué había tantos? Y ¿cuántos más quedaban todavía por descubrir? ¿Diez? ¿Cien? ¿Mil? ¿Un número infinito? Era tentador buscar un orden en el conjunto de los elementos ya conocidos. El primero en captar un orden fue el químico alemán Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849). En 1829 observó que el elemento bromo, descubierto tres años antes por el químico francés Antoine Jeróme Balard (1802-1876), parecía tener propiedades que estaban justo a la mitad del camino entre las del cloro y las del yodo. Es decir que varios grupos de tres elementos, a los cuales llamó tríadas, poseían propiedades parecidas en las cuales el peso atómico del elemento intermedio o central tenía un peso atómico que era casi el promedio aritmético de los pesos atómicos de los otros dos. Por ejemplo: Li

Na

K

Ca

Sr

Ba

Cl

Br

I

7

23

39

40

88

137

35

80

126

En 1850 Pattenköfer demostró que el peso atómico de los elementos semejantes difiere por múltiplos enteros de ocho: Li Na

K

Mg Ca

Sr

O

S

Se

7

39

24

88

16

32

80 128

23 16

16

40 16

48

16

48

Te

48

En 1864, el químico inglés John Alexander Reina Newlands (1837-1898) clasificó los elementos conocidos según sus pesos atómicos crecientes, y observó que esta ordenación también colocaba las propiedades de los elementos en un orden, al disponer los elementos en columnas verticales de siete, los que eran semejantes tendían a quedar en la misma fila horizontal. Así, el potasio quedó cerca del sodio, pues es muy semejante a él; el selenio quedó en la misma línea que el azufre, pues es muy parecido; el calcio se ubicó próximo al magnesio, y así sucesivamente. Y en efecto, las tres tríadas de Döbereiner se hallaban en dichas filas. Newlands llamó a esto ley de las octavas (en música, siete notas forman una octava, en donde la octava nota tiene una frecuencia del doble de la primera). Dos años antes el geólogo francés Alexandre Emile Beguyer de Chancourtois (1820-1886) también había ordenado los elementos según su peso atómico creciente, y los había distribuido en una

Grupo Editorial Patria ®

Figura 4.1 Hélice de Chancourtois.

Figura 4.2 Los alquimistas, grandes precursores de la química moderna.

especie de gráfico cilíndrico, llamado hélice o tornillo de Chancourtois y dividió cada circunferencia en 16 subdivisiones. Encontró que los elementos que difieren de otros por 16 unidades o sus múltiplos en peso atómico, poseen un comportamiento semejante y concluyó que las propiedades de los elementos son las propiedades de los números. También aquí los elementos semejantes tendían a coincidir en columnas verticales.

los elementos se acomodan en orden de aumento de sus pesos atómicos. La tabla de Meyer se basa en las propiedades físicas de los elementos, en tanto que la de Mendeléiev en sus propiedades químicas.

La ley periódica surgió en forma empírica antes de que se conocieran sus verdaderos fundamentos. Sus descubridores y antecesores nada sabían de electrones, protones, neutrones, número atómico y menos aún, de estructura atómica. No obstante, tanto la ley como el sistema por ella conformados, fueron de gran valor para el desarrollo de la Química a fines del siglo xix.

La tabla periódica de Mendeléiev (conocida como Tabla corta) La preponderancia que adquirió Mendeléiev en los estudios sobre la ley periódica se debe a que al hacer sus audaces predicciones, el gran sabio ruso no aplicó únicamente el método inductivo como lo hicieron sus antecesores y el propio Meyer, sino que empleó también el método deductivo. El químico ruso Dimitri Ivánovich Mendeléiev (1834-1907) es reconocido como el investigador que puso orden en la selva de los elementos. En 1869, él y el químico alemán Julius Lothar Meyer (1830-1895), descubrieron y propusieron en forma independiente tablas de los elementos que, esencialmente, se regían por las ideas de Chancourtois y Newlands. Observaron que las propiedades de

Figura 4.3 Dimitri I. Mendeléiev.

Estos dos eminentes científicos postularon la clasificación no como un simple sistema para organización, sino como una “ley de la naturaleza”, extraordinaria generalización que resume no sólo el comportamiento conocido, sino que también se puede extrapolar para predecir el comportamiento de elementos que aún eran desconocidos. Meyer y Mendeléiev sostuvieron una larga batalla sobre la prioridad en el descubrimiento del sistema periódico. La primera tabla publicada por Mendeléiev se dio a conocer en abril de 1869. Meyer publicó la suya en diciembre del mismo año; la que hizo en 1868 no la dio a conocer por considerarla imperfecta. El éxito de Mendeléiev se debió al acierto de dejar espacios vacíos en su tabla, para elementos desconocidos en su tiempo y la facilidad con la cual los gases nobles encajaron en ella cuando fueron descubiertos posteriormente. En 1906 Mendeléiev escribió: Ni de Chancourtois, al que los franceses atribuyen la prioridad en el descubrimiento de la ley periódica; ni Newlands, para quien este derecho recaban los ingleses; ni Meyer, al que otros han citado como el fundador de la ley periódica, se han arriesgado a anticipar las propiedades de elementos no descubiertos, a cambiar los “pesos atómicos aceptados” ni a considerar en absoluto la ley de periodicidad como una ley nueva, rigurosamente establecida, de la naturaleza, capaz de abarcar todos los hechos hasta ahora no generalizados, como yo lo he hecho desde el comienzo mismo (1869). 115

4

Tabla periódica

Tabla periódica “corta” de Mendeléiev I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

R2O ------

RO ------

R2O3 ------

RO2 H4 R

R2O5 H3R

RO3 H2R

R2O7 HR

RO4 ------

Grupo Óxidos e hidruros Serie 1 2

H(1) Li(7)

Be(9.4)

3 4

Na(23) K(39) Cu(63) Rb(85)

7 8

-----

11 12

?Di(138) ---

--Au(199)

---

In(113)

--?Er(178)

Hg(200) ---

Sn(118)

Tl(204) ---

Sb(122)

Ta(182)

Pb(207) Th(231)

Te(125)

---

---

W(184)

Ni(59), Cu(63)

I (127)

Ru(104), Rh(104), Pd(106), Ag(108)

--Os(195), lr(197), Pt(198), Au(199)

-----

U(240)

Br(80)

-----

Bi(208)

Fe(56), Co(59)

–100

---

--?La(180)

Sc(78) Mo(96)

---

Cl(35.5) Mn(55)

As(75) Nb(94)

?Ce(140)

S(32) Cr(52)

-(72) Zr(90)

F(19)

Pb(31) V(51)

-(68)

Cd(112)

O(16)

Si(28) Ti(48)

?Yt(88)

Ba(137)

N(14)

Al(27.3) -(44)

Sr(87)

Cs(133)

C(12)

Zn(659

Ag(108)

9 10

Mg(24) Ca(40)

5 6

B(11)

-----

Mendeléiev es reconocido por la ciencia porque tuvo el valor y la confianza de llevar sus ideas más allá que otros. En la primera tabla periódica de Mendeléiev aparecen interrogaciones frente a los símbolos de los elementos cuyos pesos atómicos consideró inexactos, los que rectificó posteriormente.

„

Un cambio brusco de los halógenos (grupo VII A), que se caracterizan por ser electronegativos en relación con los metales alcalinos (grupo IA), indujo a Mendeléiev a la predicción de la existencia de los elementos inertes con valencia, ya sea de ocho o de cero.

Los elementos similares se colocan en columnas verticales, llamadas grupos. Los miembros de cada grupo tienen en común la composición de sus óxidos. Los del grupo I forman óxidos de fórmula R2O, los del II, RO, los del III, R2O3, etc., donde R representa el elemento de ese grupo y O el oxígeno.

„

A partir de las posiciones de los huecos en la tabla, Mendeléiev predijo las propiedades de los elementos faltantes. Así por ejemplo, al elemento que según Mendeléiev faltaba en el grupo IV de su tabla lo llamó eka-silicio (eka, en sánscrito significa primero), primer elemento debajo del silicio en el mismo grupo.

Las filas horizontales de los elementos, que él llamó series, se denominan actualmente periodos. Dicho ordenamiento tiene varias ventajas, entre las que se pueden señalar las siguientes: „

El número del grupo (excepto para el grupo VIII) proporciona el estado de valencia más alto que es posible para los elementos.

116

En la siguiente tabla se muestran las propiedades del eka-silicio predichas por Mendeléiev con las del elemento germanio, que fue aislado 15 años después, por el químico alemán C. Winkler. El descubrimiento del galio (del latín gallium, Francia) en 1875 realizado por Lecoq de Boisbaudran; del escandio (por Escandi-

Grupo Editorial Patria ®

Propiedades predichas por Mendeléiev para el eka-silicio (Es) 1. El peso atómico tiene que ser la media aritmética de los cuatro elementos análogos: Si, Sn, Se, Zn; es decir, ¼ (28.5 + 119 + 65.37 + 79.2 ) = 73

Propiedades del germanio, Ge, descubierto por Winkler

1. Peso atómico: 72.60

2. El peso específico deducido en forma similar al peso atómico será: 2. Peso específico: 5.469 a 20 °C 5.5 3. El volumen atómico debe estar comprendido entre el del Si (13) y el del Sn (16), pero no debe exceder mucho de 13

3. Volumen atómico: 13.1

4. Alto punto de fusión

4. Punto de fusión: 958 °C

5. Se obtendrá de K2 EsF6

5. Se obtiene de K2 GeF6

6. Poco soluble en HCI

6. No se disuelve en HCI

7. Formará EsO2

7. Forma un óxido (GeO2)

„

Aunque los elementos adyacentes se colocan en grupos contiguos, el grupo VIII incluye tres elementos consecutivos, hierro, cobalto y níquel, en el cuarto periodo; rutenio, rodio y paladio en el sexto; y osmio, iridio y platino, en el décimo periodo.

„

No obstante que el número de grupo indica el estado de valencia máximo de los elementos (salvo para el rutenio y el osmio) ninguno de los otros elementos del grupo VIII muestra una valencia de ocho. Es más, una valencia de ocho no puede explicarse con base en la ganancia, pérdida y compartición de electrones durante la formación de enlaces.

El cuadro nos muestra que las predicciones de Mendeléiev estaban bastante correctas. A continuación se muestra el arreglo de los elementos hecho por Mendeléiev como se publicó en 1869.

Tabla de Mendeléiev (1869)

8. Densidad de EsO2= 4.7 g/cm3

navia) por J. L. Nilson en 1879 y del germanio (de Germania) en 1886 que poseen propiedades semejantes a las que predijo Mendeléiev, y el de los gases inertes, que tienen pesos atómicos entre los de los halógenos y los metales alcalinos, confirmó la validez de la tabla de Mendeléiev.

H=1

A pesar de sus ventajas, esta tabla tiene algunas limitaciones, por ejemplo: „

„

El orden de los elementos, de acuerdo con sus pesos atómicos, se invirtió en algunos casos con el fin de permitir la colocación de los elementos en los grupos apropiados. Así el yodo (I = 127) se colocó después del telurio (Te = 128); el potasio (K = 39), después del argón (Ar = 40) y el níquel (Ni = 58), después del cobalto (Co = 59). No se ofrece ningún lugar para los isótopos (átomos del mismo elemento con masa diferente) en los diferentes grupos.

Actividad formativa Establece la relación que se da entre un fenómeno de la naturaleza con las propiedades de los elementos de la tabla periódica, explícalo mediante situaciones generadas en el entorno.

Li = 7

Ti = 50

Zr = 90

? = 180

V = 51

Nb = 94

Ta = 182

Cr = 52

Mo = 96

W = 186

Mn = 55

Rh = 104.4

Pt = 197.4

Fe = 56

Ru = 104.4

Ir = 198

Ni = Co = 59

Pt = 106.6

Os = 199

Cu = 63.4

Ag = 108

Hg = 200

Be = 9.4

Mg = 24

Zn = 65.2

Cd = 112

B = 11

Al = 27.4

? = 68

Ur = 116

C = 12

Si = 28

? = 70

Sn = 118

N = 14

P = 31

As = 75

Sb = 122

O = 16

S = 32

Sc = 79.4

Te = 128?

F = 19

Cl = 35.5

Br = 80

I = 127

Na = 23

K = 39

Rb = 85.4

Cs = 133

Tl = 204

Ca = 40

Sr = 87.4

Ba = 137

Pb = 207

?= 45

Ce = 92

?Er = 56

La = 94

? = 60

Di = 95

?In = 75.6

Th = 118?

Au = 197?

Bi = 210

117

4

Tabla periódica

La ley periódica de Mendeléiev establecía que las propiedades de los elementos son una función periódica de sus masas o pesos atómicos crecientes.

Los números atómicos de los elementos en controversia son: Ar = 18, K = 19, Co = 27, Ni = 28, Te = 52 y I = 53. Por primera vez fue posible predecir el número de elementos que faltaban por descubrir. En 1913, los números atómicos del 1 al 92 estaban ocupados por elementos conocidos, excepto los números: 43, 61, 72, 75, 85, 87 y 91. En 1917 se descubrió el de número atómico 91 (protactinio), en 1923 el de número 72 (hafnio) y en 1925, el 75 (renio). Hacia la década de 1930 se reportaron los cuatro restantes: 43 (tecnecio), 61 (prometio), 85 (astato) y 87 (francio).

Tabla periódica moderna Como se mencionó en párrafos anteriores se tenían algunos problemas con la tabla de Mendeléiev. Tuvieron que pasar 50 años para que se diera un paso fundamental en la clasificación de los elementos, la asignación de un número esencial a cada elemento denominado número atómico.

El número atómico siempre se expresa en números enteros, mientras que los valores del peso atómico no.

En 1911, el físico inglés C. G. Barkia (premio Nobel de Física), descubrió que cuando los rayos X se dispersaban al atravesar un metal, dichos rayos, refractados, tenían un sensible poder de penetración que dependía de la naturaleza del metal. En otras palabras, que cada elemento daba lugar a una serie de rayos X característicos.

Una nueva expresión de la ley periódica surgió cuando el físico danés Niels Bohr (premio Nobel de Física en 1922) propuso un sistema de clasificación basado en la distribución de los electrones (configuración electrónica) en los elementos, de acuerdo con su modelo atómico. La relación entre el comportamiento químico y la estructura atómica se integran de manera sorprendente en esta clasificación.

Con base en estos estudios, el físico inglés Henry G. Moseley (1887-1915), usando un espectrómetro de rayos X, obtuvo los espectros de 38 elementos diferentes. En ellos identificó líneas pertenecientes a las series K.

Ubicación y clasificación de los elementos

Con el descubrimiento de los rayos X, Moseley demostró que en el núcleo se encuentran las cargas positivas (protones), que constan de números enteros que coinciden con su número atómico. Por tanto, se puede enunciar la ley periódica de la siguiente manera: Las propiedades de los elementos y de sus compuestos son una función periódica del núcleo atómico.

El número atómico de un elemento químico nos indica el número de protones contenidos en el núcleo, que es igual al número de electrones que giran alrededor del mismo. Por tanto, la tabla periódica moderna permite agruparlos de acuerdo con su configuración electrónica.

Si se sigue la secuencia en el incremento del número atómico, la inversión en el orden de los elementos yodo-telurio, potasio-argón, níquel-cobalto en la tabla de Mendeléiev es totalmente innecesaria.

Para los elementos de Z = 1 a Z = 10, se tienen las configuraciones electrónicas siguientes:

Elemento

118

Configuración electrónica

Símbolo

Núm. atómico (Z)

H

1

He

2

Li

Forma A 1s

2p 2s

Forma B

Forma C

1s 2 1s 2

[He]

3

1s 22s 1

[He]2s 1

Be

4

1s 22s 2

[He]2s 2

B

5

1s 22s 22p 1

[He]2s 22p1

C

6

1s 22s 22p 2

[He]2s 22p 2

N

7

1s 22s 22p 3

[He]2s 22p 3

O

8

1s 22s 22p4

[He]2s 22p 4

F

9

1s 22s 22p 5

[He]2s 22p 5

Ne

10

1s 22s 22p 6

[Ne]

Grupo Editorial Patria ® La configuración del hidrógeno (Z = 1), es 1s1. La del helio (Z = 2), es 1s2; el tercer elemento, litio (Z = 3), es 1s2 2s1 (tiene dos electrones en el subnivel 1s y un electrón en el subnivel 2s). El litio es similar al hidrógeno en que sólo tiene un electrón en su subnivel externo. Por tanto, lo colocaremos en la misma columna que el hidrógeno. El próximo elemento, el berilio (Z = 4), tiene dos electrones en el subnivel 1s y dos electrones en el subnivel 2s. Por ello, podría pertenecer a la misma columna del helio. Sin embargo, los dos electrones que están en la capa exterior del helio llenan ese nivel. Los dos electrones en el subnivel 2s del berilio, no llenan el segundo nivel, ya que también hay subnivel p. El boro (Z = 5) tiene una configuración: 1s2 2s2 2p1, y encabeza una nueva columna. Le siguen el carbono, nitrógeno, oxígeno y flúor. Se hace lo mismo con los elementos de transición, los lantánidos y los actínidos. A través de un periodo se van llenando, en forma consecutiva, las subcapas s y p de los periodos 2 y 3; s, d y p en los periodos 3 y 4, y las subcapas s, d, f y p en los periodos 6 y 7. Sin embargo, es necesario resaltar que el primer periodo contiene sólo dos elementos, el hidrógeno y el helio (como ya se mencionó), cuyas posiciones presentan problemas. El primero pertenece electrónicamente al grupo IA, pero químicamente no tiene congéneres; el segundo pertenece electrónicamente al grupo IIA, pero químicamente corresponde al grupo de los gases nobles. Los elementos de transición tienen la característica de poseer electrones en la subcapa d. Por ejemplo, el escandio (Z = 21) tiene un electrón en 3d, el titanio (Z = 22), posee dos electrones en 3d, el vanadio (Z = 23) tres electrones, hasta llegar al cinc (Z = 30) que tiene 10 electrones. Este último completa la subcapa 3d. Los elementos de transición interna: los lantánidos y los actínidos, se caracterizan por tener electrones en la subcapa f. Se comprueba que el gas noble con su configuración completa cierra el periodo. Después del gas noble se inicia un nuevo periodo, empieza el llenado de otra capa. El gas neón [He] 2s2 2p6 completa

la capa 2 y termina el periodo 2; el elemento sodio [He] 3s1 inicia el periodo 3 y el argón [Ne] 3s2 3p6 finaliza el llenado de la capa 3, y así sucesivamente. Al examinar las familias representativas, se ve que la suma del número de electrones que se acomodan en las últimas subcapas s y p concuerda con el número romano que encabeza la familia, como se muestra con las familias de los metales alcalinotérreos y los halógenos.

Metales alcalinotérreos Familia IIA

Configuración

4Be

[He] 2s 2

12Mg

[Ne] 3s 2

20Ca

[Ar] 4s 2

38Sr

[Kr] 5s 2

56Ba

[Xe] 6s 2

88Ra

[Ra] 7s 2

Halógenos Familia VIIA

Configuración gF

[He] 2s 22p 5

17Cl

[Ne] 3s 23p 5

35Br

[Ar] 3d 10 4s 2 4p 5

53l

[Kr] 4d 10 5s 2 5p 5

85At

[Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 5

119

4

Tabla periódica

1s 1

1s 22s 22p 63s 1

1s 22s 22p 63s 23p 64s 23d 1

1s 2

1s 22s 22p 63s 23p 64s 1

1s 22s 1 1s 22s 22p 63s 23p 64s 23d 1

1s 22s 2 1s 22s 22p 2 1s 22s 22p 1

1s 22s 22p 3 1s 22s 22p 4 1s 22s 22p 5 1s 22s 22p 6 Figura 4.4 Construcción de la tabla periódica moderna.

120

Figura 4.5 Tabla periódica moderna de los elementos químicos.

Grupo Editorial Patria ®

121

4

Tabla periódica

p s 1s 2s 2p 3s3p

d

4s3d 4p 5s4d 5p 6s4f 5d 6p 7s5f 6d 7p

f 4f

5f

Figura 4.6 Tabla periódica de los elementos representativos y de transición.

Figura 4.7 Tabla periódica moderna. Los números atómicos de los elementos por descubrir están encerrados entre paréntesis.

122

Grupo Editorial Patria ® La configuración de las familias se representa, en forma general: Familia

Configuración externa

y 12. Las dos filas que se encuentran en la parte inferior de la tabla se denominan elementos de transición interna, y cada serie horizontal recibe el nombre del elemento al que sigue en el cuerpo principal de la tabla.

IA

(1)

ns 1

IIA

(2)

ns 2

IIIA

(13)

ns 2 np 1

Los catorce elementos del sexto periodo (Ce, Z = 58 al Lu, Z = 71) se les llama lantánidos, por el nombre del primer elemento de la serie, el lantano (La, Z = 57). Los elementos del séptimo periodo (del 90 al 103) se denominan actínidos porque siguen al actinio (Ac, Z = 89).

IVA

(14)

ns 2 np 2

Metales, no metales y metaloides

VA

(15)

ns 2 np 3

VIA

(16)

ns 2 np 4

De acuerdo con los conceptos anteriores, la tabla periódica, se divide principalmente en metales, no metales y metaloides.

VIIA

(17)

ns 2 np 5

VIII o 0

(18)

ns 2 np 6

Grupos o familias Hasta el año de 1990 se conocían 109 elementos; de éstos, cerca de 90 se encontraron en la naturaleza; el resto, incluidos aquéllos con número atómico mayor a 92, se han obtenido por medio de reacciones nucleares. A los grupos se les ha conocido tradicionalmente como familias debido a la similitud en las propiedades químicas que presentan los integrantes de cada una de ellas. Una de las formas más conocida es aquella en la que los grupos se dividen en A y B; existen ocho grupos A y ocho B. El subgrupo VIII B está formado por tríadas de elementos que se caracterizan por poseer propiedades muy parecidas y pesos atómicos muy próximos. Sin embargo, existen otras presentaciones actuales en las que las clasificaciones A y B desaparecen, y a los grupos se les asigna un número secuencial del 1 al 18. Las familias que pertenecen a la letra A, junto con el 0, se les conoce como elementos representativos, o sea el 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 y 18 en esta última consideración.

Periodos En el sistema periódico los elementos están distribuidos en series horizontales llamadas periodos, y en columnas llamadas grupos. A medida que se avanza a lo largo de un periodo, las propiedades de los elementos varían de una manera regular. La palabra periodo, en griego, significa camino circular, después de recorrerlo se regresa al punto de partida. Un fenómeno es periódico cuando reaparece a intervalos definidos de tiempo o de espacio. La tabla consta de siete periodos. Los elementos colocados bajo la letra B, en el centro de la tabla, se llaman de transición y corresponden al 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11

Metales El carácter metálico en la tabla aumenta de arriba hacia abajo en un grupo y de derecha a izquierda en un periodo. El carácter no metálico aumenta de abajo hacia arriba en un grupo y de izquierda a derecha en un periodo. Así, el elemento más metálico es el francio (Fr) y el elemento más no metálico es el flúor (F). Aproximadamente 78% de los elementos son metales, 10% son no metales, 5.5% son gases nobles y el resto son metaloides.

Propiedades generales de los metales Poseen bajo potencial de ionización y alto peso específico. Por regla general, en su último nivel de energía tienen de uno a tres electrones. Son sólidos a excepción del mercurio (Hg), galio (Ga), cesio (Cs) y francio (Fr) que son líquidos. Presentan aspecto y brillo metálicos. Son buenos conductores del calor y la electricidad. Son dúctiles y maleables, algunos son tenaces, otros blandos. Se oxidan con pérdida de electrones. Su molécula está formada por un solo átomo, su estructura cristalina al unirse con el oxígeno forma óxidos y éstos al reaccionar con agua forman hidróxidos. Los elementos alcalinos son los más activos.

Propiedades generales de los no metales Tienen tendencia a ganar electrones. Poseen alto potencial de ionización y bajo peso específico. Por regla general, en su último nivel de energía tienen de cuatro a siete electrones. Se presentan en los tres estados físicos de agregación. No poseen aspecto ni brillo metálico. Son malos conductores del calor y la electricidad. No son dúctiles, maleables o tenaces. Se reducen por ganancia de electrones. Su molécula está formada por dos o más átomos. Al unirse con el oxígeno forman anhídridos y éstos al reaccionar con el agua forman oxiácidos. Los halógenos y el oxígeno son los más activos. Varios no metales presentan alotropía. Al grupo IA, del litio en adelante, se le llama de los metales alcalinos. 123

4

Tabla periódica

Al IIA se le denomina de los metales alcalinotérreos. A la derecha de la tabla se encuentra el grupo A; los elementos pertenecientes a éste se les denomina halógenos (formadores de sales). El llamado grupo 0, ahora 18, es el que comprende a los gases nobles, que en un tiempo se les consideró gases inertes, característica que dejó de atribuírseles cuando, en 1962, el químico anglocanadiense N. Bartlett, asombró al mundo de la Química al lograr que reaccionara el xenón (Xe) y formara el flúor platinato de xenón, primer compuesto de un gas inerte.

Actividad formativa Selecciona la opción que consideres correcta: (

Grupo IIIA = familia del boro-aluminio

„

Grupo IVA = familia del carbono

„

Grupo VA = familia del nitrógeno

Los elementos de una familia tienen propiedades químicas semejantes, y generalmente el número del grupo nos da a conocer el número de electrones que el elemento posee en su último nivel; éstos se conocen con el nombre de: a) Isótopos c) Periodo químico

A la familia IVA se le llama de los calcógenos. Los grupos III A, IVA y VA no tienen nombres especiales, por lo que a veces se les asigna por los elementos que inician la serie, así tenemos: „

)

(

)

b) Niveles de energía d) Electrones de valencia

Los elementos del grupo IA se caracterizan por tener en su último nivel: a) 7 electrones c) 2 electrones

(

La siguiente configuración electrónica: 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p4, corresponde a un elemento que pertenece al grupo y periodo:

)

a) IVA, 6

Se ha presentado una controversia a raíz de que las tablas perió- dicas difieren en la designación de las familias por las letras A y B. A través de la historia, estas letras se han utilizado en forma opuesta para designar a las columnas. En América se usa la A para designar a los elementos representativos y la letra B para los elementos de transición. En Europa se utiliza la letra B para señalar a los elementos representativos, y los de transición se agrupan con la letra A.

(

b) 1 electrón d) 8 electrones

)

b) IIA, 3

c) IIB, 8

d) VIA, 6

La tabla periódica en su forma actual ha sido dividida en: a) 4 regiones o bloques s, p, d, f b) 7 regiones o bloques J, K, L, M, N, O, P c) 3 regiones o bloques s, p, d d) 2 regiones o bloques s, p

Para eliminar esta confusión, en noviembre de 1983 y posteriormente en 1987, el Comité de Nomenclatura de la American Chemical Society (ACS) aprobó el formato final.

Metaloides o semimetales Son los elementos que se encuentran en la región fronteriza entre metales y no metales. Su comportamiento en unos casos corresponde al de un metal además de su aspecto, y en otros casos se parece al de un no metal: Al, Si, Ge, As, Sb, Te, At. Algunos autores opinan que el término metaloide está mal empleado para estos elementos, y que el más apropiado sería “semimetales”.

área s área p

s1 s2

p1

p2

p3

p4

p5

p6

área d d1

d2

d3

d4

d5

d6

d7

d8

d9

d 10

Bloques De acuerdo con la configuración electrónica de los elementos se tienen cuatro áreas o bloques: s, p, d y f.

f1

f2

f3

f4

f5

f6

f7

f8

De acuerdo con el modelo de Bohr, los elementos son de tres tipos principales: „

Elementos representativos, en los que se llenan las subcapas s y p.

124

s2

área f

Figura 4.8 Áreas o bloques de la tabla periódica moderna.

f9

f 10 f 11 f 12 f 13 f 14

Grupo Editorial Patria ®

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

H

18

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

TL

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Uut

Fl

Uup

Lv

Uus

Uuo

La

Ce

Pn

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Figura 4.9 Formato de la tabla periódica recomendado por la American Chemical Society (ACS).

„

Elementos de transición con electrones en las subcapas d.

„

Lantánidos y actínidos que poseen electrones en las sub- capas f.

Este criterio da lugar al diagrama de bloques en el que se muestran los orbitales que se llenan en una forma simplificada. Lo más importante de cualquier instrumento científico es la utilidad que proporcione; así, en el caso de la tabla periódica, lo más importante es saberla utilizar. Por ejemplo, en el sodio Z = 11, Na = Ne 3s1, nos indica que está colocado en el periodo 3, grupo IA. El potasio

tendrá su configuración externa en 4s1, porque está colocado abajo del sodio. Este mismo procedimiento puede utilizarse para los grupos IIIA hasta el VIIIA, que varían desde p1 hasta p6. Para los grupos desde el IIIB (3) hasta el IIB (12), las terminaciones van desde d1 hasta el d10, precedidas por un coeficiente que es uno menos que el número del periodo. Hay que recordar que para los elementos de transición, el subnivel d siempre está precedido por un subnivel s, cuyo número cuántico principal es mayor por uno. Para los lantánidos, las terminaciones van desde f 1 hasta f 14, precedidas por un coeficiente que es dos menos que el número del periodo.

Figura 4.10 Sistema periódico por bloques.

125

4

Tabla periódica

Figura 4.11 Tabla periódica larga con las dos denominaciones para los grupos: con las letras A y B; con la numeración del 1 al 18.

Actividad formativa Escribe en el paréntesis de la izquierda la letra correspondiente a la respuesta correcta. (

)

Los elementos que pertenecen a la misma familia de la tabla periódica presentan el mismo número de: a) Electrones b) Niveles ocupados por los electrones c) Electrones en el último nivel d) Protones

(

)

)

Elemento Símbolo

Los elementos que forman una familia tienen propiedades semejantes porque presentan el mismo número de: a) Electrones c) Atómico

(

Completa el siguiente cuadro con los datos que se te piden, utilizando la tabla periódica de los elementos.

b) Electrones en el último nivel d) Niveles

El número de elementos que forman el periodo seis de la clasificación periódica es: a) 8

b) 18

c) 10

Nitrógeno Titanio Potasio Plata Plomo

d) 32 Selenio

126

Masa atómica (aproximada)

Masa de un mol o masa molar

Número de moles

Grupo Editorial Patria ®

Analiza la tabla de Mendeléiev y contesta lo que se te pide. Grupos

1a

1b

2a

2b

3a

3b

4a

4b

5a

5b

6a

6b

7a

7b

8a

Periodo 1

H

Periodo 2

Li

Be

B

C

N

O

F

XXX

Periodo 3

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

XXX

Periodo 4

K

Periodo 4 Periodo 5

Periodo 6 Periodo 6 Periodo 7

XXX

Al

Ca

Cu Rb

Periodo 5

8b

XXX Zn

XXX

Sr Ag

Cs

XXX

Ba

V As

Zr Sn

XXX Hg

XXX

XXX XXX

Cd

Au

Ti

Cr Se

Nb Sb

Hf

Mn Br

Mo Te

Ta

Pb

Bi

XXX

XXX

Th

XXX

XXX

XXX XXX

I W

Tl

Fe

XXX Re

XXX

XXX

¿En qué grupo se localizan los elementos de la familia del nitrógeno? ¿En qué periodo se localiza el hierro? Escribe los nombres de los elementos del periodo 2:

Los casilleros marcados con XXX, Mendeléiev los dejó vacíos porque no se conocían en su época. Investiga cuáles elementos son y anota su nombre y símbolo:

¿Cuál es la importancia de la tabla de Mendeléiev?

127

4

Tabla periódica

4.2 Propiedades periódicas Una vez determinado el número atómico de la mayoría de los elementos, el siguiente paso fue buscar las correlaciones entre las tendencias de las propiedades observadas y las estructuras electrónicas. El estudio de estas relaciones es un aspecto muy interesante de la Química. Como ya se ha mencionado en párrafos anteriores las propiedades físicas y químicas de los elementos son una manifestación de la ley periódica. Propiedades físicas como: aspecto metálico, conductividad térmica, conductividad eléctrica, volumen atómico, densidad, punto de fusión, punto de ebullición y dureza, entre otras, y químicas como las relaciones estequiométricas en los óxidos (compuestos con oxígeno), hidruros (compuestos con hidrógeno) y de los cloruros (compuestos con cloro) muestran variaciones periódicas. A continuación se describen brevemente algunas de las propiedades periódicas de los elementos.

Radio atómico El radio atómico se define como la distancia comprendida entre el centro del núcleo y el nivel externo de un átomo. Generalmente aumenta con el número atómico del grupo, ya que al aumentar un nivel de energía la distancia entre el centro del núcleo el nivel también se incrementa. En un periodo el radio atómico disminuye de izquierda a derecha, debido a la contracción de la nube electrónica al ser atraída por el núcleo. El radio atómico se expresa en angstroms (Å). Cuando un elemento metálico pierde electrones, su radio se ve disminuido, y cuando un elemento no metálico gana electrones su radio se ve incrementado.

Figura 4.12 Afinidad electrónica como una función del número atómico.

128

Ejemplos: r Na  1.54 Å

pero r Na 1.0 Å

r Cl  0.9 Å

pero r Cl 1.9 Å

1 Å  1  1010 m

Radio iónico En general, cuando los átomos se unen para formar moléculas o compuestos, sus estructuras resultan más estables. El potasio al ceder un electrón queda cargado +1, por lo cual disminuye su radio atómico de 0.227 a 0.113 nanómetros. En cambio el azufre al ganar dos electrones aumenta su radio de 0.104 a 0.184 nanómetros. El átomo de cloro ha ganado un electrón. Los 17 protones que se encuentran en su núcleo están atrayendo ahora 18 electrones. El ion cloro, por tanto, tiene una carga de −1. Además, el ion cloro es más grande que el átomo de cloro. El ion es estable porque tiene una configuración en los niveles exteriores como la del gas noble argón. En resumen: el ion de sodio es más pequeño que el átomo de sodio. El ion cloro es más grande que el átomo de cloro. Al generalizar esta propiedad: los átomos metálicos pierden electrones para formar iones más pequeños; los átomos no metálicos ganan electrones para formar átomos más grandes.

Figura 4.13 Gráfica que muestra el radio de los elementos como función del número atómico.

Grupo Editorial Patria ®

0.31

0.32

Tabla periódica de los radios atómicos

H 1

He 2

I

II

1.23

0.89

Li

Be

3

4

1.54

1.36

Na

Mg

Al

Si

P

11

12

13

14

15

2.03

1.74

1.44

Tabla periódica con los radios atómicos de los elementos, en unidades angstrom.

1.32

1.22

1.19

1.17

1.17

1.16

III

IV

V

VI

VII

0.82

0.77

0.75

0.73

0.72

0.71

B

C

N

O

F

Ne

4

6

7

8

9

10

1.18

1.11

1.06

1.02

0.99

0.38

S

Cl

Ar

16

17

18

1.15

1.17

1.25

1.26

1.22

1.20

1.17

1.14

1.12 Kr

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

2.16

1.91

1.62

1.45

1.34

1.30

1.27

1.25

1.25

1.28

1.34

1.48

1.44

1.40

1.40

1.36

1.33

1.31

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

2.35

1.98

1.56

1.44

1.34

1.30

1.28

1.26

1.27

1.30

1.34

1.49

1.48

1.48

1.47

1.46

1.40

Cs

Ba

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

55

56

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

104

105

106

107

108

109

1.69

1.65

1.64

1.64

1.63

1.62

1.85

1.62

1.61

1.60

1.58

1.58

1.58

1.70

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

2.0

1.65

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

2.20 Fr

Ra

Lr

87

88

103

1.42

Figura 4.14 Tabla periódica de los radios atómicos.

Energía de ionización Es la energía necesaria para arrancar un electrón de un átomo aislado en estado gaseoso. El P I aumenta de abajo hacia arriba en un grupo y de izquierda a derecha en un periodo. Los metales alcalinos son los de menor P I, y los gases nobles los de mayor P I. Este P I se mide en electrón-volts o en kcal por mol. Algunos átomos tienden a perder electrones y convertirse en iones positivos, mientras que otros al ganar electrones se convierten en iones negativos. Ejemplos: Na0

Na1

1e

EI = 5.16 eV

0

2

e

EI = 22.7 eV

e

EI = 21.5 eV

e

EI = 53.2 eV

Mg Ne Al

0

0

Mg

1

Ne

3

Al

2 1 3

Al observar las primeras energías de ionización de los primeros 95 elementos se encuentra que, como otras propiedades de

los elementos, son periódicas. La energía de ionización tiende a aumentar según se incrementa el número atómico horizontalmente, en cada fila o periodo. En cada columna o grupo, hay una disminución gradual en la energía de ionización según aumenta el número atómico; por ejemplo, la disminución gradual en la energía de ionización en los metales alcalinos, desde el litio hasta el cesio. Se observa la misma tendencia en los gases nobles, desde el helio hasta el radón. Si observamos la tabla anterior, la energía de ionización disminuye, según se baja a través de una columna en la tabla periódica. Por ejemplo, el litio, sodio, potasio. El aumento en la distancia de los electrones exteriores al núcleo y el efecto de pantalla de los electrones internos, tienden a disminuir la energía de ionización. Aunque aparentemente con el aumento de la carga nuclear de un elemento con un número atómico mayor tendería a incrementarse la energía de ionización, la tendencia a disminuir es mayor. Entre los principales factores que afectan la energía de ionización se tienen: 129

4

Tabla periódica „

La carga nuclear: A mayor carga nuclear, mayor energía de ionización.

„

El efecto de pantalla: Mientras mayor es el efecto de pantalla, menor es la energía de ionización.

„

El radio: Mientras mayor es la distancia entre el núcleo y los electrones externos del átomo, menor es la energía de ionización.

„

El subnivel: Un electrón en un subnivel que está lleno o a medio llenar, requiere energía adicional para ser removido.

(a)

(b)

La segunda y tercera energías de ionización de los elementos aumentan sustancialmente y habiéndose removido el primer o más lejano electrón, la carga nuclear llega a ser más efectiva, ya que la pantalla de electrones disminuye y, como resultado, los electrones restantes son atraídos con más fuerza hacia el núcleo.

Afinidad electrónica (A E) La afinidad electrónica se define como el cambio de energía que acompaña a la adición de un electrón a un átomo gaseoso. Los halógenos (grupo 17) tienen las más altas afinidades electrónicas, dado que al agregarle un electrón a un átomo neutro da lugar a la formación de un nivel externo lleno en los subniveles s y p. Figura 4.15 Gráfica (a) que muestra la primera energía de ionización como una función del número atómico. En la gráfica (b) se observa la relativa facilidad con que los elementos alcalinos (grupo 1) se ionizan y la dificultad de los gases nobles (grupo 18) para ionizarse.

Figura 4.16 Tabla periódica de las primeras energías de ionización.

130

En otras palabras, la afinidad electrónica (A E) se define como la energía liberada cuando un átomo gaseoso recibe un electrón, para formar un ion negativo gaseoso. X0(g)  2e–

X(g)–2

Grupo Editorial Patria ® En general es mayor para los no metales. La facilidad con que los elementos captan electrones es una consecuencia de la configuración electrónica, que es mucho mayor para los elementos situados cerca de los gases nobles. Los metales tienen una baja afinidad electrónica; los no metales poseen una alta afinidad electrónica. Los mismos factores que afectan la energía de ionización, también afectarán la afinidad electrónica. En general, a mayor afinidad electrónica, se puede esperar un aumento en la energía de ionización. Los metales poseen una baja afinidad electrónica. Los no metales tienen afinidades electrónicas altas.

Electronegatividad La electronegatividad de un elemento es la tendencia de un átomo para atraer electrones hacia él, cuando está combinado químicamente con otro elemento. En otras palabras: es una medida relativa del poder para atraer electrones de un átomo que forma parte de un enlace químico. Las electronegatividades han sido calculadas para cada elemento y se expresan en unidades arbitrarias, tomando como base la escala de electronegatividades de Pauling (en honor de Linus C. Pauling, quien la estableció). Esta escala se basa en un cierto número de factores, incluyendo la afinidad electrónica y el potencial de ionización de los átomos. Las electronegatividades dispuestas en la forma de la tabla periódica se muestran en la figura 4.12.

A pesar de no ser tan regulares como las energías de ionización, las afinidades electrónicas demuestran tendencias periódicas. Por ejemplo, al observar la columna que está encabezada por el hidrógeno, la tendencia general es una disminución en la ganancia de electrones. Observando el periodo que comienza con el litio. La tendencia general es que, mientras avanzamos de izquierda a derecha, hay una mayor atracción hacia los electrones. El aumento en la carga nuclear en cada elemento sucesivo explica esta tendencia.

En un grupo la electronegatividad aumenta de abajo hacia arriba, y en un periodo, aumenta de izquierda a derecha. Así, el elemento más electronegativo es el flúor (4.0), le sigue el oxígeno (3.5), luego el cloro (3.0), etc. El elemento más electropositivo es el francio, con 0.7 pauling. Con la propiedad de electronegatividad, se puede saber si un átomo cede o gana electrones a otro átomo. El átomo del elemento más electronegativo gana electrones.

Los lantánidos y actínidos también llamados tierras raras, no tienen más que una sola posición o un solo lugar, por lo que deben colocarse fuera de la tabla; las propiedades físicas y químicas de todos ellos son prácticamente iguales.

Así, todos los elementos de la tabla periódica ceden electrones al oxígeno, excepto el flúor, ya que el oxígeno cede electrones al flúor. Entre el cloro y la plata, el primero gana electrones y queda con carga negativa. Pero entre el cloro y el oxígeno, el cloro pierde

Figura 4.17 Tabla periódica de electronegatividades.

131

4

Tabla periódica

electrones y queda con carga positiva. Como se verá en el bloque siguiente, los valores de electronegatividad nos permiten predecir el tipo de enlace químico que puede existir entre los átomos de un compuesto.

Actividad formativa Realiza una descripción de los elementos de la tabla periódica, sus características y propiedades; posteriormente, resalta aquellos que sean tóxicos, corrosivos y altamente peligrosos en su manejo, mostrando la importancia que tiene su uso responsable.

Actividad formativa Explica a qué se refiere la electronegatividad como una propiedad distintiva de los elementos para formación de compuestos químicos útiles en la vida diaria.

Actividad experimental

El clip volador Propósito Observar mediante la experimentación qué tipo de sustancias son atraídas por un imán.

Actividad transversal

Material Q

Un clip

Comprensión lectora

Q

Un hilo

Los fulerenos o futbolenos

Q

Un imán de barra

Q

Diferentes materiales de vidrio, papel, metal, madera, etcétera.

Los fulerenos son una familia de moléculas descubierta en 1985, de manera accidental, por los investigadores Harold W. Kroto, de la Universidad de Sussex, Inglaterra, y Richard E. Smalley y Robert F. Curl, de la Universidad de Rice, en Houston, EU, mientras realizaban trabajos de astrofísica, buscando moléculas de carbono desconocidas. El carbono 60 (C60) tiene una estructura ordenada debido a sus 60 átomos de carbono, muy parecida a la de un balón de futbol (por eso algunos también los llaman “futbolenos”), con 12 pentágonos y 20 hexágonos unidos, en cuyos vértices se encuentra cada átomo. Esta nueva familia de moléculas recibe su nombre en honor del arquitecto estadounidense R. Buckminster Fuller, quien construyó domos geodésicos de estructura similar a los fulerenos o futbolenos. Estas moléculas podrían ser el origen de una nueva gama de materiales y compuestos orgánicos, cuyas aplicaciones tendrían un impacto similar al que tuvo en el siglo pasado el benceno (C6H6), que ha sido base de materiales indispensables en la vida de la sociedad actual.

Procedimiento Pega el imán en un lugar alto. 1. Amarra un extremo del hilo al clip y acerca éste al imán hasta casi tocarlo.

IMÁN

Vidrio Madera Papel Plástico Aluminio Cobre Fierro

Figura 4.18 El carbono-60, tiene forma de balón de futbol.

Actividad: Formen un círculo de lectura en el que participen todos los integrantes del grupo y expongan sus ideas sobre la lectura, su relación con los conocimientos desarrollados y su aplicación en el entorno.

132

118

Grupo Editorial Patria ®

2. Sujeta la otra orilla del hilo a una mesa con una cinta adhesiva. El arreglo debe quedar de tal forma que haya un espacio libre entre el clip y el imán. Entonces parecerá que el clip flota. 3. Ahora ve pasando por el espacio entre el clip y el imán diferentes materiales: papel, vidrio, plástico, madera, aluminio, cobre y, por último, fierro. ¿Qué pasará con el clip cuando se pase cada uno de estos materiales?

Actividad formativa Reúnete con dos o tres de tus compañeros e identifiquen el nombre del elemento correspondiente. Compártelos al grupo y maestro. a) Metal reactivo con un alto punto de fusión. Se emplea en la fabricación de conos para la punta de cohetes debido a su baja densidad y notable resistencia.

Materiales de vidrio ¿Son atraídos? ¿Por qué? Materiales de papel

b) Componente de toda la materia viviente y de los combustibles fósiles; el material negro de una mecha quemada.

¿Son atraídos? ¿Por qué? Materiales de madera ¿Son atraídos?

c) Elemento metálico, amarillo y no reactivo, que ha sido apreciado en alto grado desde la antigüedad por su belleza y durabilidad.

¿Por qué? Materiales de tela ¿Son atraídos? ¿Por qué?

d) No metal gaseoso, altamente reactivo. Sus compuestos se añaden a ciertas pastas dentales para prevenir las caries dental y a muchos suministros de agua urbanos.

Materiales de metal ¿Son atraídos? ¿Por qué?

Conclusiones:

e) El metal más abundante en la corteza terrestre; este elemento de color blanco plateado se caracteriza por su baja densidad.

f) No metal gaseoso, el elemento más abundante en la Tierra. Constituye alrededor del 21% de la atmósfera terrestre y es esencial para la mayoría de las formas de vida.

133

4

Tabla periódica Actividad experimental

g) Gas amarillo verdoso, altamente reactivo. Unos de sus compuestos se usan como blanqueador y como desinfectante del agua. Es un componente de la sal de mesa.

Densidad de un líquido Bajo la dirección de tu profesor reúnete en equipos de tres o cuatro alumnos para llevar a cabo esta actividad. Hagan las mediciones pertinentes y analicen las semejanzas y diferencias de los valores obtenidos. Elaboren un informe por escrito donde analicen los resultados y presenten las conclusiones; discútanlo con sus compañeros de grupo. Propósito

h) Metal caro, blanco plateado, que se emplea en joyería.

Determinar la densidad de un refresco. Material

i) Uno de los tres elementos magnéticos; este metal se emplea en monedas, en galvanoplastia y en el alambre de micromel.

Q

Matraz Erlenmeyer de 50 mL

Q

Balanza granataria

Q

Pinzas para tubo de ensayo

Q

25 mL de un refresco cualquiera

Q

Tapón de caucho

Q

Bureta de 50 mL o probeta de 50 o 100 mL

Procedimiento

j) Elemento cuyo símbolo se basa en su nombre en latín. Se emplea junto con el plomo en baterías de un automóvil.

1. Determinen lo más exacto posible la masa de un matraz Erlenmeyer limpio y seco, provisto de un tapón de caucho seco; no lo toques con las manos (utilicen unas pinzas). Será la masa m1. Masa del matraz 1 tapón m1 =

g

2. Viertan, con ayuda de una bureta, 25 mL exactos de refresco en el matraz y tápenlo con el mismo tapón. Determinen esta nueva masa (m2). Masa del matraz con el líquido y el tapón m2 = Por tanto: Masa del líquido problema (m2 − m1 ) = k) Metal duro, magnético, que se emplea en la producción de acero. Una forma radiactiva de este elemento se utiliza en el tratamiento del cáncer.

g g

3. Calculen la densidad Densidad =

(m2 − m1 ) g 25 mL

=

g/mL

Comparen el valor que obtuvieron con los que determinaron sus compañeros. Anoten sus conclusiones:

Analicen todas sus respuestas y determinen los beneficios del manejo racional de algunos de estos elementos y que sean de relevancia económica en su región.

134

Grupo Editorial Patria ® Actividad experimental

Sustancias de uso cotidiano conductoras y no conductoras de la electricidad

Completen el siguiente cuadro: ¿Con cuáles objetos se encendió el foco?

Reúnete en equipos de cuatro o cinco alumnos y alumnas para llevar a cabo esta actividad. Contesten las preguntas y elaboren un informe escrito de la actividad con sus conclusiones. Compárenlo y discútanlo con los otros equipos. ¿Con cuáles no?

¿Qué tienen en común los materiales con los que sí se encendió el foco?

Conclusiones: Propósito Determinar cuáles objetos conducen la corriente eléctrica y cuáles son aislantes o no la conducen. Material Q

Una pila de 1.5 volts

Q

Algunos alambres delgados, como los que se usan en los teléfonos

Q

Cinta adhesiva

Q

Un foquito para lámpara

Q

Por lo menos 10 objetos diferentes que se encuentren en tu casa

Q

Dos caimanes

Procedimiento

Actividad formativa Relaciona la fórmula del compuesto con el nombre químico que le corresponda Fórmula 1) KHCO3

a) Sulfato de hierro (III)

2) Fe2SO3

b) Bisulfato de potasio

3) Fe2(SO4)3

c) Sulfato de hierro (II)

4) FeSO4

d) Bicarbonato de potasio e) Sulfato de hierro (II)

1. Construyan un circuito eléctrico como se muestra en la figura anterior. 2. Ahora, recolecten varios objetos que encuentren en la casa, en la calle o en la escuela. Puede ser una cuchara, un lápiz, una corcholata, un zapato, etc.; conecten en cada uno de ellos las terminales del circuito (o caimanes) que acaban de construir.

Nombre químico

A) 1b, 2c, 3e, 4a B) 1d, 2e, 3a, 4c C) 1d, 2e, 3a, 4e D) 1b, 2e, 3a, 4c E) 1d, 2c, 3a, 4e

135

4

Tabla periódica Actividad formativa

I.

Instrucciones: Completa el siguiente mapa conceptual. LA TABLA PERIÓDICA ACTUAL

Fue propuesta por:

Está formada por:

Líneas horizontales llamadas

Líneas verticales llamadas

A la izquierda se localizan los metales

A la derecha se localizan los

Clasificados en:

Transición

Cuyas principales propiedades periódicas son:

Radio atómico

Se define

136

Se define

Se define

Se define

Grupo Editorial Patria ®

lI. Instrucciones: Contesta correctamente cada una de las siguientes cuestiones:

5. (

) El modelo atómico que incluye niveles energéticos fue descrito por:

1. Localiza nueve elementos químicos en la siguiente sopa de letras: D

P

S

B

A

N

C

T

O

R

O

L

C

P

V

O

B

J

M N

C

A

T

B

O

N

O

S

O O

X

L

A

S

M D

L

V

Z

N

E

C

I

T

I

I

A

T

Z

D

F

C

D

I

N

G

D

R

A

S

G

P

H

N

U

O

I

L

A

Ñ

O

N

L

S

E

E

M

F

O

S

F

O

R

O

S

R

D

Z

I

N

N M

I

H

I

E

R

R

O

P

T

K

Ñ

O G

O

P

N

Z

D

U

C

E

Z

V

I

A

Q

C A

Q

T

P

N

J

O

A

D

Z

D

N

C

D

S M

S

H

I

D

R

O

G

E

N

O

C

V

L

R D

6. (

7. (

8. (

a) Thomson

c) Rutherford

b) Dalton

d) Bohr

) La carga del electrón es: a) Positiva

c) Neutra

b) Negativa

d) No tiene carga

) Cuando I tiene un valor de 2 el número de orbitales para este subnivel es de: a) 3

c) 1

b) 5

d) 7

) La siguiente configuración 1s 2, 2s 2, 2p 7, 3s 1 no cumple con: a) La regla de Hund b) El principio de incertidumbre progresiva

2. Escribe el nombre y símbolo de los elementos localizados:

c) El principio de exclusión d) El principio de edificación 9. (

 

III. Instrucciones: Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. 1. (

c) Subnivel

b) Orbital

d) Espín

1s

2s

2px 2py 2pz

a) La regla de Hund

) El número cuántico m representa: a) Nivel

) El siguiente diagrama energético no cumple con:

b) El principio de exclusión de Pauli c) El principio de Aufbau d) El principio de incertidumbre

2. (

3. (

4. (

) Ningún átomo puede tener sus cuatro números cuánticos iguales, lo estableció:

10. (

) El número de electrones presentes en el nivel 3 es de:

a) Pauli

c) Max Planck

a) 3

c) 2

b) Heinsenberg

d) Hund

b) 18

d) 8

) El último electrón que entra en la configuración de un átomo se denomina: a) Diferencial

c) Basal

b) Espín

d) Excitado

) Son átomos del mismo elemento pero con diferente número de masa. a) Neutrones

c) Electrones

b) Isótopos

d) Láser

11. (

12. (

) Son elementos no metálicos: a) Li, Cs, Fe

c) Ca, Ba, F

b) S, As, I

d) As, Na, Cu

) La tabla periódica larga dividida en columnas A y B tiene: a) 7 periodos y 18 grupos b) 9 periodos y 14 grupos c) 6 periodos y 15 grupos d) 8 periodos y 12 grupos

137

4 13. (

14. (

Tabla periódica

) Si tenemos un elemento que pertenece al grupo II A y al periodo 3 debe tener la siguiente configuración electrónica: a) 1s 2 2s 2 2p 6 3s1 3p 1

c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2

b) 1s 2 2s 2 2p5 3s 2

d) 1s 2 2s 1 2p 5 3s 2

V.

1. Parámetro cuántico que representa la orientación magnética de los orbitales: 2. Determina el nivel de energía donde se encuentran los elementos diferenciales: 1 y – 1: 3. Adquiere valores de – 2 2

) Teoría que menciona cómo debe ser el comportamiento de las moléculas o partículas durante una reacción: a) De las colisiones

c) Exergónica

b) De Hess

d) Cinética molecular

Escribe sobre la línea el símbolo n, l, m o s, según corresponda a cada enunciado:

4. Parámetro que determina el tipo de orbital ocupado por el electrón diferencial: 5. Parámetro cuántico con valores de 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3:

IV. Relaciona ambas columnas escribiendo en el paréntesis de la izquierda las letras que contesten correctamente el enunciado: ) Se considera la partícula más pequeña de un elemento que interviene en un fenómeno químico.

CO) Dalton

(

) Nombre que se le da a un átomo o grupo atómico con carga eléctrica resultante de la pérdida o ganancia de electrones.

AE) Bohr

(

) Establece que los elementos están formados por partículas diminutas, indivisibles e indestructibles llamadas átomos.

SA) Thomson

(

) Átomos de un mismo elemento con igual número atómico y diferente número.

YU) Rutherford

(

) Partícula más pequeña de una sustancia pura que presenta sus propiedades y puede existir en libertad.

(

VG) Ion

(

) Propuso un modelo atómico en el cual una esfera cargada de electricidad positiva contenía las cargas negativas, uniformemente distribuidas como están las pasas en un budín.

ZX) Isótopos

) Postuló que los electrones existen en ciertos niveles permitidos de energía, o estados estacionarios, que corresponden a órbitas circulares definidas.

(

) Se le puede definir como la región espacial ocupada por electrones de energía aproximadamente igual.

138

(

(

)

Conjunto de elementos que presentan a su electrón diferencial en el mismo subnivel de energía, se conoce con el nombre de:

)

)

b) Grupo

b) Periodo

PL) Átomo

CA) “l ”

b) VIIIA

c) Nivel

d) Subnivel

c) VIIA

d) IIA

Es la herramienta más útil para un químico: a) Bloque

c) Periodo

b) Tabla periódica

d) Grupo

Con ayuda de la tabla periódica completa lo que se te pide: Núm. Masa atómico atómica

Rubidio Platino Estaño Cloro De los cuatro elementos anteriores indica: ¿Cuál es el más electronegativo?

LZ) “s ”

d) Familia

Familia de elementos de la tabla periódica que se caracteriza por ser donadores de un par de electrones:

Elemento Símbolo

IO) “m”

c) Clase

Los elementos oxígeno (O) y selenio (Se), de acuerdo con su configuración electrónica, son considerados de igual:

a) IA (

JH) Moléculas

)

a) Grupo (

KL) “n”

(

VI. Instrucciones: Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda.

a) Periodo

) Indica el tipo de subnivel en el cual se localiza un electrón y se relaciona con la forma de la nube electrónica.

) Se relaciona con las orientaciones espaciales de los orbitales que resultan cuando un átomo es sometido a un campo magnético.

7. Parámetro cuántico con valores de 0, 1, 2, 3 8. Representa el giro del electrón

(

(

6. Adquiere valores desde 1 hasta 7

¿Cuál tiene carácter más metálico?

Grupo

Periodo

Grupo Editorial Patria ® Actividad formativa con ǫǠǚ Reúnete con tus compañeros y contesten las preguntas, consulten en libros, visiten bibliotecas, pregunten a otras personas que consideren convenientes, o también pueden recurrir a Internet. Después de responderlas envíenselas a su profesor por correo electrónico u otro medio electrónico. a) ¿De qué sustancias están formadas las amalgamas que utilizan los dentistas para arreglarnos la dentadura?

b) ¿Qué material plástico o resinoso es el que utilizan los dentistas actualmente en lugar de las amalgamas?

c) ¿Cómo prepara un yesero el material para que no quede quebradizo al aplicarlo en las paredes?

Actividad formativa

¿Quién soy? En esta actividad se pretende saber qué tanto se confía en el organismo, necesidades, valores y sentimientos. Comenta tus respuestas en equipos de cinco personas para comentar con otros alumnos las preguntas que están al final. Tenemos ejemplos de no confiar en el organismo: ƒ Una persona que está en una fiesta se siente cansada y su organismo le pide dormir, pero el miedo a quedar mal, al qué dirán, a que la rechacen o juzguen, la obliga a quedarse. Ni goza ni descansa. ƒ Otra persona sigue trabajando aunque se encuentra agotada, ni se hace caso, con riesgo de provocarse un infarto, ni su trabajo es eficiente. Contesta las siguientes preguntas y anota tus conclusiones. 1. ¿Qué capacidades o sensibilidades creo tener?

d) ¿Cuáles son los componentes de una mezcla de concreto para colar techos?

2. ¿Tengo alguna fuerza especial?

e) ¿Qué sustancias constituyen el líquido de frenos? 3. ¿Me trato con respeto o juego a devaluarme? f) ¿Qué sustancias se utilizan para fabricar la grasa o crema para calzado?

g) ¿Qué sustancias permiten elaborar el anticongelante?

4. ¿Qué hago por mí?

h) ¿Qué sustancias permiten elaborar el talco? 5. ¿Me permito cierta indulgencia? i) ¿De qué sustancias está constituido el acero utilizado en la construcción?

j) ¿Qué sustancias constituyen el limpiador multiusos, utilizado por las amas de casa?

6. ¿Pido que los demás respeten mis necesidades o juego a que yo no importo?

139

4

Tabla periódica

7. ¿Respeto mis urgencias físicas y emocionales y trato activamente de satisfacerlas?

Actividad formativa

Los elementos en el cuerpo humano Instrucciones: Analiza las siguientes tablas y contesta las preguntas que se te presentan al final.

8. ¿Me permito disponer de tiempo para pasarlo con personas que me agradan?

La siguiente tabla muestra los 26 elementos que componen tu cuerpo y los porcentajes de la masa corporal, que los posee un adulto sano. Se encuentran en las biomoléculas y como iones en los fluidos corporales.

Tabla 1. Composición elemental de un adulto de 70 kg 9. ¿Reservo tiempo para hacer cosas que me gustan?

10. ¿Hay congruencia entre lo que soy y lo que hago?

Porcentaje en la masa corporal

Elementos H, O, C, N, Ca

98

P, Cl, K, S, Mg

2

Fe, Zn

0.01

Cu, Sn, Mn, I, Br, F, Mo, As ,Co, Cr, Li, Ni, Cd, Se

Menos de 0.001 cada uno

Tabla 2. Minerales 11. ¿Busco personas que me valoren por lo que hago?

Mineral

Fuente

Consecuencia de la deficiencia

Microminerales

12. ¿Busco personas que me valoren por lo que soy?

Azufre (S)

Proteínas

--------------------------

Calcio (Ca)

Pescado enlatado, leche, productos lácteos

Raquitismo en niños, osteomalacia y osteoporosis en adultos

Cloro (Cl)

Carnes, alimentos procesados con sal, sal de mesa Proteínas animales

Fósforo (P)

Conclusiones:

Magnesio (Mg)

Potasio (K)

Sodio (Na)

140

Pescados y mariscos, granos de cereal, nueces, vegetales de color verde oscuro, cacao Jugo de naranja, plátanos, frutas secas, papas Carnes, alimentos procesados con sal, sal de mesa

-------------------------

Falla cardiaca debida a espasmos

Funcionamiento nervioso deficiente ritmo cardiaco irregular; muerte repentina durante el ayuno Jaqueca, debilidad, sed, mala memoria, pérdida de apetito

Grupo Editorial Patria ®

Tabla 2. Minerales Mineral

Fuente

Elemento seleccionado

Consecuencia de la deficiencia

Minerales traza Cobalto (Co) Cobre (Cu)

Cromo (Cr) Flúor (F)

Hierro (Fe)

Manganeso (Mn)

Molibdeno (Mo)

Níquel (Ni)

Hígado, proteínas animales Hígado, riñón, yema de huevo, granos enteros Hígado, tejido animal y vegetal Pescados y mariscos, agua potable fluorada Hígado, carnes, vegetales de hojas verdes, granos enteros Hígado, riñón, germen de trigo, legumbres, nueces, té Hígado, riñón, granos enteros, legumbres, vegetales de hoja verde Pescados y mariscos, granos, semillas, frijoles, vegetales Hígado, vísceras, granos, vegetales

Anemia

Pescados y mariscos, sales yodatadas

Cirrosis hepática, insuficiencia renal, tensión nerviosa

Hígado, mariscos, Carnes, germen de trigo, legumbres Selenio (Se)

Parte del cuerpo o tipo de biomolécula en el que se encuentra

Papel que desempeña en la conservación de la salud

1. 2.

---------------------------

3. 4.

Pérdida de eficiencia de la insulina con la edad Deterioro dental

5.

1. ¿Es correcto decir que los elementos que son muy abundantes en el cuerpo (como el calcio y el fósforo) son más esenciales que los elementos traza como el hierro y el yodo? ¿Por qué?

Anemia, cansancio y apatía

Pérdida de peso, dermatitis

2. Por qué es más probable que un cambio en la dieta provoque una deficiencia de elementos traza que de elementos muy abundantes?

3. ¿Por qué son más comunes los casos de envenenamiento por sobredosis en el caso de los elementos traza?

Enfermedad de Kashan (trastorno cardiaco que se presenta en China) Bocio

4. ¿Cuáles elementos son los más abundantes y en qué relación porcentual están en la masa corporal? Escríbelos a continuación. Yodo (I) Anemia, crecimiento atrofiado Cinc (Zn)

Selecciona cinco elementos que se encuentran en el cuerpo, y con el apoyo de las tablas y lo que ya conoces, responde.

5. ¿Por qué los elementos como el yodo, selenio, cobre y flúor son esenciales para la salud, no obstante que normalmente se encuentran presentes en cantidades de menos de 10 partes por millón (ppm) de la masa corporal?

¿En qué parte del cuerpo (o en qué tipo de biomolécula) se encuentra cada elemento?

141

4

Tabla periódica

Evaluación sumativa Con el propósito de que demuestres los saberes que has adquirido durante el desarrollo del bloque, a continuación se presentan actividades que permiten evidenciar los aprendizajes logrados, para ello responde lo que se indica.

I.

Relaciona las siguientes columnas, escribiendo en el paréntesis de la izquierda, el número que corresponde al concepto de la derecha.

( )

Explicación

Concepto

Distancia del centro del núcleo del átomo al último nivel energético.

1) valencia 2) radio atómico

( )

Elementos del subgrupo A, clases s y p.

( )

Energía liberada cuando un átomo gaseoso adquiere un electrón.

( )

Número de electrones que un elemento puede ceder, recibir o compartir.

3) electronegatividad 4) afinidad electrónica 5) ley periódica 6) elementos de transición 7) elementos representativos

( )

8) clase

Las propiedades de los elementos son funciones periódicas de sus números atómicos.

II. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda 1. La configuración electrónica 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 4s 2 3d 10 4p4 pertenece a un elemento con número atómico 34 y ubicación en el grupo: a) IV A

c) VI A

b) IV B

d) VI B

(

e) VIII

2. ¿Cuántos orbitales habrá exclusivamente en el cuarto nivel energético? a) 3

c) 18

b) 9

d) 10

( ) e) 7

3. Se tienen 2 átomos; uno con 2 neutrones y 13 electrones y el otro con 24 neutrones y 13 protones. Esto corresponde a: a) Elementos diferentes

c) Alótropos

b) Isómeros

d) Isótopos

2

6

2

6

2

a) 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d

6

b) 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 3d 8

2

2

6

2

6

2

6

)

c) 1s 2s 2p 3s 3p 4s 4p

( ) 2

2

6

10

2

4

e) 1s 2s 2p 2d 3s 3p

d) 1s 2 1p6 2s 2 2p6 3s 2 3p6 4s 2

5. La distribución electrónica en el estado de menor energía para el catión 2+ del elemento con Z = 28 es:

142

(

e) Un par conjugado

4. La configuración electrónica en estado basal del elemento con número atómico Z = 26 es: 2

)

a) 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 4s 2 3d 6

c) 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 4s 2 3d 6

b) 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 3d 8

d) 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 4s 2 3d 10

e) 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 4s 1 3d 7

( )

Grupo Editorial Patria ®

II. Con ayuda de la tabla periódica completa lo que se te pide. Elemento

Símbolo

Núm. atómico

Masa atómica

Grupo

Periodo

Sodio Paladio Cobre Bromo

De los cuatro elementos anteriores indica: ¿Cuál es el más electronegativo? ¿Cuál tiene carácter más metálico? ¿Cuál tiene mayor número atómico? ¿Cuál tiene menor masa atómica?

III. Dibuja un esqueleto de la tabla periódica e ilumina de color rojo a los metales, de azul a los no metales y de verde a los metaloides.

IV. Consulta la bibliografía correspondiente y dibuja los alótropos que se te indica a continuación: Alótropos del carbono: Diamante

Grafito

Amorfo

Monoclínica

Amorfa

Fullereno

Alótropos del azufre: Rómbica

143

4

Tabla periódica Guía de observación

Guía de observación. para evaluar actividades experimentales del bloque. Equipo integrado por: Grupo:

Fecha de aplicación: Hora de inicio:

Hora final:

Propósito: Reconocer los logros que muestran los estudiantes, a través del desarrollo de habilidades, actitudes y conocimientos al realizar la actividad. Instrucciones: 1. Leer eer con atención lo que se indica y atender conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando se haya terminado, responder e indicar sí o no se ha logrado, o bien hacer un comentario acorde a la respuesta seleccionada. Logrado Sí No Habilidades

Indicaron con claridad los contendidos a desarrollar en la actividad. Hicieron referencia a las sustancias conductoras y no conductoras de la electricidad. Reconocieron la densidad de un líquido durante la actividad. Utilizaron correctamente los materiales de laboratorio. Siguieron el procedimiento, de tal forma que obtuvieron los resultados esperados. Actitudes

Se comunican de manera asertiva con sus compañeros. Participan activamente en la presentación de su trabajo. Se organizan al exponer sus ideas y aclarar dudas. Trabajan de forma colaborativa. Toman decisiones de manera responsable. Desempeños

Explican los beneficios sobre el manejo de elementos químicos. Destacan con claridad los objetivos de las actividades. Comparan los resultados obtenidos con los de otros compañeros. Conocimientos

Aplicaron correctamente los pasos para realizar las actividades. Contextualizan los conocimientos con situaciones cotidianas. Encaminan los conocimientos hacia el desarrollo de la actividad. Logros obtenidos.

Acciones para fortalecer los aprendizajes.

144

¿Por qué?

Grupo Editorial Patria ®

Lista de cotejo Nombre del estudiante Propósito: Verificar sobre la comprensión del proceso que se establece para las configuraciones electrónicas y los números cuánticos. Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: 1. Lee con atención lo que se indica y realiza la actividad conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando hayas terminado, responde e indica sí o no logrado, o bien está en proceso de desarrollarlo.

Contenidos

Excelente

Bueno

Regular

Responde correctamente todas las preguntas. Hace una revisión de los conocimientos desarrollados. Reconoce las propiedades químicas que se indican. Sabe cómo está dividida la tabla periódica. Argumente sus respuestas y señale la importancia de los conocimientos adquiridos. Desempeño

Toma una postura y la sustenta con bases teóricas. Contextualiza los resultados obtenidos. Aporta ideas o experiencias, acordes a las actividades. Señala la importancia y función de los elementos químicos en su entorno. Relaciona significativamente su aprendizaje con situaciones de su vida diaria. Acciones para concretar la actividad acorde a los conocimientos que se desarrollaron.

145

4

Tabla periódica

Autoevaluación Nombre del estudiante: Propósito: Reflexionar sobre competencias desarrolladas y logro de los aprendizajes esperados. ¿Para qué me sirve la autoevaluación? ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Es una herramienta muy valiosa para reflexionar sobre los aprendizajes esperados, así como el desarrollo de competencias. Establecer acciones que favorezcan mi proceso de aprendizaje. Reconocer mis acciones ante diversas situaciones, además de saber cómo me perciben las personas que me rodean. Proporciona elementos para fortalecer mis desempeños e intervenir ante dificultades de aprendizaje que se presenten. Permite conducirme de manera responsable, respetuosa y empática hacia mis semejantes. Favorece habilidades y actitudes que van dirigidas al desarrollo de competencias. Fomenta al diálogo, para la retroalimentación y conclusión de actividades.

Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: 1. Lee con atención lo que se indica y atender conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando hayas terminado, responde e indica sí o no cumpliste, o bien estás en proceso de desarrollarlo. Desempeños

Realicé la actividad del libro. Anoté las respuestas en los incisos correspondientes. Comprendí la importancia de los elementos metálicos y no metálicos en situaciones de mi vida cotidiana. Expliqué mis respuestas y las argumenté con elementos teóricos-metodológicos analizados durante la clase. Comprendí la relación que se da entre el desarrollo de conocimientos y el medio ambiente. Mis respuestas son claras y congruentes, de la forma que mis compañeros/as no requieren de explicación alguna. Aporté ideas relevantes durante la comparación de resultados. Hice preguntas sobre dudas o diferencias que surgieron durante la actividad. Asumí con respeto la diversidad de opiniones que se generaron durante la dinámica. La actividad me ayudó a comprender la importancia de la tabla periódica como una herramienta básica en la coprensión de la química como ciencia. Elaboré conclusiones y las compartí con el resto del grupo. En general, tuve un aprendizaje significativo y relevante sobre la tabla periódica. ¿Qué aprendí en esta actividad?

¿Qué debo mejorar?

146

Logrado Sí No

Considero que está en proceso porque…

Grupo Editorial Patria ®

Rúbrica Rubrica para evaluar debates. Nombre del estudiante: Nombre del docente:

Nivel Criterio

Fecha de aplicación:

Excelente (4 puntos)

Bueno (3 puntos)

Satisfactorio (2 puntos)

Deficiente (1 puntos)

Organización y claridad

Durante el debate en Durante el debate expresa algunos momentos sus puntos de vista de expresa sus puntos de manera clara y ordenada. vista de manera clara y ordenada.

Durante el debate en algunos momentos Durante el debate no expresa sus puntos de expresa sus puntos de vista de manera clara pero vista. no ordenada.

Argumentación

Argumenta su posición con información suficiente y presenta ejemplos en todo momento.

Argumena su posición pero con información insuficiente. Sólo presenta ejemplos escasos.

Presenta alguna evidencias para defender su postura. No maneja ejemplos de refuerzo.

No presenta evidencias para la defensa de su postura, no presenta ejemplos que refuercen las ideas.

Claridad y cantidad de información

Presenta información suficiente y adecuada para exponer y debatir ideas y opiniones.

Presenta información adecuada pero insuficiente para exponer y debatir ideas y opiniones.

Parcialmente presenta información suficiente para debatir ideas y opiniones.

No presenta información suficiente o adecuada para debatir ideas.

Coherencia

Muestra coherencia en sus comentarios, denota su conocimiento sobre el tema. Maneja los términos adecuados y correctos.

Muestra coherencia en sus comentarios y denota conocimiento del tema. Maneja parcialmente los términos adecuados y correctos.

Muestra parcial coherencia en sus comentarios, denota mínimo conocimiento del tema. Maneja algunos término adecuados y correctos.

No muestra coherencia en sus comentarios, No maneja términos correspondientes o adecuados.

Respeto

Respeta todo el tiempo las opiniones contrarias durante el debate. No interrumpe, ni critica a sus compañeros durante el debate.

La mayor parte del tiempo respeta las opiniones contrarias durante el debate. No interrumpe, ni critica a sus compañeros.

Algunas veces no respeta las opiniones contrarias durante el debate. No interrumpe, ni critica a sus compañeros.

No respeta las opiniones contrarias, interrumpe y critica a sus compañeros durante el debate.

Puntuación del criterio

Puntuación final:

Comentarios

147

BLOQUE

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares Propósito Clasifica las propiedades macroscópicas de las sustancias con los diferentes modelos de enlaces y las interacciones moleculares, para comprender el comportamiento de la naturaleza de la materia.

10 horas

Conocimientos 5.1

Regla del Octeto ƒ Estructuras de Lewis ƒ Fórmula molecular o condensada ƒ Fórmula semidesarrollada ƒ Fórmula desarrollada o gráfica

5.2

Enlace químico

5.3

Tipo de enlaces: ƒ Iónico ƒ Covalente polar ƒ Covalente no polar ƒ Metálico

5.4

Fuerzas intermoleculares ƒ Puente de hidrógeno

Aprendizajes esperados ƒ Usa los enlaces químicos para comprender las características de sustancias comunes en su entorno. ƒ Utiliza la representación de los electrones de valencia de los elementos representativos y los valores de electronegatividad, para mostrar la formación de enlace iónico y covalente en sustancias cotidianas. ƒ Experimenta con compuestos iónicos, covalentes y metálicos presentes en productos de uso cotidiano, relacionando el tipo de enlace con sus propiedades macroscópicas. ƒ Explica la importancia del puente de hidrógeno en el comportamiento químico de compuestos presentes en la vida diaria.

Habilidades ƒ Describe la representación de Lewis para mostrar los electrones de valencia de un elemento químico ƒ Identifica el enlace iónico y los covalentes basándose en los valores de electronegatividad de cada elemento ƒ Explica las propiedades de los metales a partir del modelo de electrones libres y la teoría de bandas. ƒ Relaciona las características del enlace iónico, covalente y metálico con las propiedades macroscópicas de los compuestos ƒ Asocia las fuerzas moleculares con las propiedades que presenten los gases y los líquidos. ƒ Describe la importancia de los puentes de hidrógeno en las propiedades de compuestos que forman parte de los seres vivos.

Evaluación diagnóstica Competencias genéricas 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y la comunicación para procesar e interpretar información. 8.1 Propone maneras de solucionar un problema o desarrollar un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 11.3 Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente.

Competencias disciplinares 4.

5.

10.

11.

Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de impacto ambiental.

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la derecha. 1. Es la capacidad de combinación que tiene un átomo y consiste en el número de electrones que puede ganar o perder en su último nivel de energía: a) Número de oxidación

c) Afinidad electrónica

b) Valencia

d) Electronegatividad

2. El número de oxidación del cromo en el compuesto: K2Cr2O7, es: a) 13

c) 26

b) 12

d) 16

3. Tipo de enlace que resulta de la unión de dos átomos mediante la compartición de un par de electrones: a) Iónico

c) Metálico

b) Covalente

d) Puente de hidrógeno

4. ¿Cuál de los siguientes compuestos presenta enlace iónico? a) HCl

c) CsF

b) CCl4

d) CO2

5. Compuesto que presenta un enlace covalente coordinado: a) CO2

c) H2O

b) NH3

d) H2SO4

6. Enlace en donde se tienen cationes ordenados que comparten cargas sumergidas en un mar de electrones: a) Puente de hidrógeno

c) Metálico

b) Covalente polar

d) Iónico

7. Un postulado básico de la teoría cinético-molecular es: a) Cuando las moléculas del gas chocan pierden energía. b) Las moléculas no chocan unas con otras.

Actitudes ƒ Externa un pensamiento crítico y reflexivo de manera solidaria. ƒ Demuestra una conciencia social ante las situaciones de su entorno. ƒ Se relaciona con sus semejantes de forma colaborativa mostrando disposición al trabajo metódico y organizado. ƒ Expresa de manera crítica sus ideas y muestra respeto por las demás. ƒ Expresa diversas opciones para dar solución a problemas de su contexto.

c) El gas está formado por diminutas partículas llamadas átomos o moléculas. d) Las moléculas de un gas se mueven en una sola dirección.

8. Enlace que no permite que los seres vivos mueran al congelarse el agua de los mares o ríos: a) London

c) Puente de hidrógeno

b) Dipolo-dipolo

d) Ion dipolo

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Situación didáctica ¿Qué función desempeñan los elementos en el cuerpo humano? A continuación se muestran dos tablas que vas a utilizar para resolver esta situación didáctica. La primera menciona 26 elementos que componen tu cuerpo, junto con los porcentajes de cada uno que en condiciones normales se hallan presentes en un adulto sano. Estos elementos se encuentran en las biomoléculas y como iones en los fluidos corporales. Como se observa en la tabla, los más abundantes son el oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno y calcio. En conjunto constituyen cerca de 98% de la masa corporal. El 63% de todos los átomos del cuerpo son de hidrógeno, 25% de oxígeno, 10% de carbono y 1.4% de nitrógeno. La mayor parte de estos átomos están presentes en compuestos orgánicos como los carbohidratos, proteínas y grasas. El calcio (1.5% de la masa del cuerpo) es un elemento estructural importante en dientes y huesos, e interviene en la transmisión de los impulsos nerviosos, la contracción muscular y la coagulación de la sangre.

Los elementos como el yodo, selenio, cobre y flúor son esenciales para la salud, no obstante que normalmente se encuentran presentes en cantidades de menos de 10 partes por millón (ppm) (10 pesos de 1 000 000 de pesos también equivalen a 10 ppm) de masa corporal.

Composición elemental de un adulto de 70 kg Elementos

Porcentaje de la masa corporal

Hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, calcio

98

Fósforo, cloro, potasio, azufre, magnesio

2

Hierro, cinc

0.01

Cobre, estaño, manganeso, yodo, bromo, flúor, molibdeno, arsénico, cobalto, cromo, litio, níquel, cadmio, selenio

Menos de 0.001 cada uno

La siguiente tabla describe las funciones de algunos elementos traza en el cuerpo.

Minerales Mineral

Fuente

Consecuencias de la deficiencia Macrominerales

Azufre (S)

Proteínas

Calcio (Ca)

Pescado enlatado, leche, productos lácteos

Cloro (Cl)

Carnes, alimentos procesados con sal, sal de mesa

Raquitismo en niños; osteomalacia y osteoporosis en adultos

Fósforo (P)

Proteínas animales

Magnesio (Mg)

Pescados y mariscos, granos de cereal, nueces, vegetales de color verde oscuro, cacao

Falla cardiaca debida a espasmos

Potasio (K)

Jugo de naranja, plátanos, frutas secas, papas

Funcionamiento nervioso deficiente; ritmo cardiaco irregular; muerte repentina durante el ayuno

Sodio (Na)

Carnes, alimentos procesados con sal, sal de mesa

Jaqueca, debilidad, sed, mala memoria, pérdida de apetito

Minerales traza Cobalto (Co)

Hígado, proteínas animales

Cobre (Cu)

Hígado, riñón, yema de huevo, granos enteros

Anemia

Cromo (Cr)

Hígado, tejido animal y vegetal

Pérdida de eficiencia de la insulina con la edad

Flúor (F)

Pescados y mariscos, agua potable fluorada

Deterioro dental

Hierro (Fe)

Hígado, carnes, vegetales verdes de hoja, granos enteros

Anemia, cansancio y apatía

Manganeso (Mn)

Hígado, riñón, germen de trigo, legumbres, nueces, té

Pérdida de peso, dermatitis

Molibdeno (Mo)

Hígado, riñón, granos enteros, legumbres, vegetales de hoja

Níquel (Ni)

Pescados y mariscos, granos, semillas, frijoles, vegetales

Cirrosis del hígado, falla de los riñones, tensión nerviosa

Selenio (Se)

Hígado, vísceras, granos, vegetales

Enfermedad de Kashan (enfermedad cardiaca que se presenta en China)

Yodo (I)

Pescados y mariscos, sales yodatadas

Bocio

Cinc (Zn)

Hígado, mariscos, carnes, germen de trigo, legumbres

Anemia, crecimiento atrofiado

150

Grupo Editorial Patria ®

Secuencia didáctica 1. Forma equipos para resolver la situación didáctica. 2. Seleccionen por equipo cinco elementos que se encuentran en el cuerpo humano. Aplicando las tablas 1 y 2 y lo que ya conocen acerca de estos elementos, respondan las siguientes preguntas: a) ¿En qué parte del cuerpo (o en qué tipo de biomolécula) se encuentra cada elemento que seleccionaron? b) ¿Qué papel desempeña cada uno de ellos en la conservación de la salud? 3. ¿Es correcto decir que los elementos que son muy abundantes en el cuerpo (como el calcio y el fósforo) son más esenciales que los elementos traza como el hierro y el yodo? ¿Por qué? 4. a) ¿Por qué es más probable que un cambio en la dieta provoque una deficiencia de elementos traza que de elementos muy abundantes? b) ¿Por qué son más comunes los casos de envenenamiento por sobredosis en el caso de los elementos traza?

5. Integren sus respuestas en un escrito. 6. Que cada equipo presente sus respuestas en plenaria y analice las formas para contestar la pregunta central, tomando como sugerencias los temas siguientes: a) Tener un cuerpo sano. b) Comer solamente las cantidades necesarias de alimento. c) Preparación y consumo de alimentos nutritivos. d) Difusión de la cultura nutricional del ser humano. e) Detectar a tiempo la carencia de algún elemento del cuerpo humano. f) La comida chatarra porque no se debe consumir. 7. Organicen un debate que les permita compartir ideas y crar nuvos conocimientos. 8. Establezcan las conclusiones correspondientes.

Rúbrica „

„

„

„

Con la dirección del profesor organicen un debate sobre la importancia de conocer los elementos constituyentes del cuerpo humano y las enfermedades que produce la carencia de alguno de ellos.

„

¿Cómo mejorarías tu salud física?

„

¿Cómo identificarías los alimentos que te hacen falta para mejorar y tener una óptima salud física?

¿Qué produce en el organismo humano la carencia de los elementos: calcio (Ca), magnesio (Mg), potasio (K), sodio (Na), hierro (Fe) y flúor (F)?

Responde los siguiente: „

¿Leí todo el contenido del bloque?

„

Cuando lo hice, ¿comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta comprenderlo?

„

¿Puedo identificar las propiedades nutricionales de los elementos principales que constituyen el cuerpo humano?

„

¿Será necesario aprenderse de memoria las funciones de todos los elementos fundamentales de la nutrición? ¿Por qué?

„

¿Puedo identificar las ventajas de este tipo de conocimiento sobre los elementos y sus propiedades alimenticias? Justifica tu respuesta.

Escribe en la línea el símbolo del elemento cuya deficiencia produce: a) Pérdida de peso b) Cirrosis del hígado c) Tensión nerviosa d) Dermatitis e) Falla de riñones f) Bocio ¿Qué harías para mejorar la frecuencia cardiaca?

151

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

5.1 Regla del octeto En los bloques anteriores se han visto temas referentes a las propiedades físicas que exhiben las sustancias, y la periodicidad de las propiedades químicas de los elementos en función de su configuración electrónica, pero, ¿cómo se agrupan los átomos para formar compuestos? ¿Qué tipo de interacciones se presentan entre las moléculas que permiten la licuefacción de los gases e incluso su solidificación? ¿Qué fuerzas existen entre las moléculas de agua que le dan un punto de ebullición relativamente alto?

Por otro lado, esto se presenta también en algunas moléculas en las cuales el átomo central presenta más de ocho electrones a su alrededor, como cuando un átomo forma parte de cuatro enlaces. Ejemplos característicos de este caso son el pentacloruro de fósforo (PCl5) y el hexafluoruro de azufre (SF6). El fósforo tiene 10 electrones a su alrededor y el azufre 12. En estos casos se habla de que ocurre una expansión del octeto. Cl

En este bloque se trata de dar respuesta a estas preguntas presentando un panorama de los tipos de enlace.

Cl

Cl P

La regla del octeto dice que los átomos de los elementos representativos forman enlaces de tal manera que tengan acceso a exactamente ocho electrones s y p externos (también conocidos como electrones de valencia).

C

Cl F F

Los átomos de los elementos del sistema periódico tienden a completar sus últimos niveles de energía con una cantidad de electrones tal, que adquieran configuración semejante a la de un gas noble. Como la configuración electrónica de los gases nobles en s2p6 es con un total de ocho electrones, los otros elementos ganarán o perderán electrones hasta quedar con esa cantidad en su capa externa. Lo anterior se realiza de la siguiente manera: „

Un metal puede perder de uno a tres electrones para formar un catión con la estructura del gas noble que lo antecede en la tabla.

„

Un no metal puede ganar de uno a tres electrones para formar un anión con la estructura del gas noble siguiente.

„

Los átomos (usualmente dos no metales), pueden compartir electrones con otros átomos para alcanzar el número de electrones del gas noble siguiente en la tabla.

F S

F

F F

Para comprender mejor la naturaleza de los enlaces químicos es necesario tener en cuenta los siguientes conceptos que son fundamentales para los enlaces químicos. Actividad formativa Representa mediante un diagrama que es un enlace químico y establece la importancia que tiene para identificar sustancias de uso común en el entorno. Comenta con tus compañeros y proporcionen ejemplos en un ambiente de colaboración y respeto ante la diferencia de ideas.

Los dos primeros casos se complementan uno al otro para formar compuestos iónicos. El tercer caso produce compuestos covalentes. Esta regla del octeto tiene limitaciones, pues hay muchos ejemplos de compuestos covalentes que no la siguen, como los cloruros de berilio y de boro:

Ejemplos Escribe los símbolos electrónicos de Lewis para hidrógeno, helio, oxígeno, calcio y cadmio. Paso 1: H, He, O, Ca, Cd Paso 2: Configuración electrónica

1s 1

He = 1s 2

1s 2

H = 1s Cl

Be

Cl

Electrones de valencia

1

O = 1s 22s 22p 4 Cl

Cl

B

Cl

Ca = 1s 22s 22p 63s 23p 64s 2

4s 2

Cd = 1s 22s 22p 63s 23p 64s 23d 104p 65s 24d 10

5s 2

Paso 3: H

152

1s 22p 4

He

O

Ca

Cd

Grupo Editorial Patria ®

•



•



H

•



H

O

H H H H N•H

H

•

• •



NH3 (amoniaco)

Como ayuda didáctica se representa por una cruz los electrones del enlace que pertenecen al hidrógeno, para diferenciarlos de los electrones de valencia que pertenecen a los otros átomos (4 al C, 6 al O, Ejemplos PCl3 P Cl



H

Cada “lado” (arriba, abajo, a la izquierda, a la derecha) del símbolo representa un orbital. Es importante recordar cuáles electrones están pareados y cuáles no lo están. No es importante qué lado representa a qué orbital.

H2O (agua)

•

C



H

Se escribe la configuración electrónica del elemento. Se seleccionan los electrones que están en el último nivel energético.

CH4 (metano)

H O ••

• •

H H C•H H

Se escribe el símbolo del elemento que representa el núcleo y todos los electrones, excepto aquellos en su último nivel o capa de valencia.

Las estructuras de Lewis se pueden usar tanto para moléculas diatómicas (de dos átomos) como para moléculas poliatómicas (de varios átomos) para predecir la formación de los enlaces covalentes que constituyen la molécula. Como ejemplos tenemos las siguientes moléculas:

Cl

•

„



„

H

•

„

Los enlaces covalentes también se pueden indicar con guiones o líneas, que representan un par de electrones.



El enlace de los elementos representativos se enfoca principalmente a los electrones de valencia, que son las subcapas s y p externas. El químico norteamericano Gilbert N. Lewis propuso representar los electrones de valencia por cruces o puntos a fin de visualizar cómo se transfieren o comparten los electrones en un enlace químico cuando los átomos se unen. Éstos se colocan alrededor del símbolo del elemento. Dado que el enlace de estos elementos entraña el acceso a ocho electrones (cuatro pares), los electrones se representan mediante uno o dos puntos en los cuatro lados del símbolo del elemento. Aunque los electrones de valencia provienen de dos diferentes subcapas (s y p), sólo el número total de estos electrones es importante para cuestiones de enlaces. Así, primero es conveniente colocar un electrón en cada lado del símbolo (grupos IA a IVA) y después representar pares de electrones (grupo VA a 0). Se recomienda aplicar los siguientes pasos:

5 al N); ya que los electrones no se pueden distinguir, todos son iguales en masa y carga. El átomo central cumple con la regla del octeto.



Estructuras de Lewis

H

N

H

En algunos casos los átomos unidos comparten más de un par de electrones. Cuando esto sucede se dice que los átomos están unidos por enlaces múltiples. Para comprender mejor la naturaleza de los enlaces químicos es necesario mencionar los tipos de fórmulas utilizados con mayor frecuencia: N ••• N   

N2

N

N

Fórmula molecular o condensada Indica la clase y el número de átomos que constituyen la molécula de un compuesto.

C2H6 Cl H

H

H

C

C

H

H

Ejemplos H

Ácido nítrico

HNO3

Ácidoo sul sulfúrico

H2SO4

Hidróxido de calcio

Ca(OH)2

Dicromato de potasio

K2Cr2O7

Ácido clorhídrico

HCl

153

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Fórmula semidesarrollada Expresa por medio de grupos o radicales los átomos que forman la molécula. Este tipo de fórmula es el más adecuado para estudiar los compuestos orgánicos. Ejemplos Acetileno

— CH CH— —

Etano

Propano

CH3—CH2—CH3

Ácido acético CH3COOH

CH3—CH3

Alcohol etílico CH3—CH2—OH

La fórmula anterior nos indica que para el nitrato de potasio deben existir: 1 átomo de potasio con 1 valencia o unión, 1 átomo de nitrógeno con 5 valencias y 3 átomos de oxígeno con 2 valencias cada uno. Los subíndices expresan átomos y las cargas eléctricas en la parte superior, las valencias o estados de oxidación. El fosfuro de cinc (Zn3P2) contiene 3 átomos del metal con 2 valencias o uniones cada uno, y 2 átomos de fósforo con 3 uniones cada uno. Cada unión se cuenta para dos átomos. También se puede observar la fórmula condensada y tomar como base el elemento central, rodeando a este elemento de los demás. Se necesita también un poco de imaginación y geometría. Actividad formativa

Fórmula desarrollada o gráfica Da idea de la distribución de los átomos en el espacio. Ejemplos Ácido clorhídrico

HCl

H

Cl

Escribe las fórmulas desarrolladas y electrónicas, e indica el tipo de enlace en los siguientes ejemplos. Compara tus respuestas con otros compañeros para retroalimentar sus resultados y obtener los correctos. Compuesto

O Ácido sulfúrico

H

H2SO4

O

S

O

H

H 2O

O NH3

H Metano

CH4

H

C

H

H

Acetileno

H2

— H— C— — C— H

C2H2

Cada línea (—) representa un enlace químico o valencia, que equivale a dos electrones. Para escribir una fórmula desarrollada a partir de una semidesarrollada, se aplica el concepto de número de oxidación. Por ejemplo:

H2SO4

HNO3

K1N5032 Nitrato de potasio

154

y

Zn32 P23 Fosfuro de cinc

Fórmula desarrollada

Fórmula electrónica

Grupo Editorial Patria ®

Actividad transversal Compuesto

Fórmula desarrollada

Fórmula electrónica

Comprensión lectora Linus Pauling

H3 PO4

5.2 Enlace químico La mayoría de los átomos tienden a combinarse para formar moléculas diatómicas o poliatómicas, aunque ciertos elementos no muestran afinidad hacia otros átomos y constituyen moléculas monoatómicas, como en el caso de los gases nobles. Cuando los átomos se unen para formar moléculas, hay un intercambio de electrones de valencia, esto es, de los electrones de la capa más externa de cada átomo. Esta unión, que es la más estable, se logra porque los átomos ganan, pierden o comparten electrones, y la atracción resultante entre los átomos participantes recibe el nombre de enlace químico. El enlace también se define como la fuerza que mantiene unidos a dos o más átomos, condicionada por la cantidad de energía contenida en ellos, que debe ser suficiente para vencer las fuerzas de repulsión que se deben a la presencia de cargas eléctricas en los átomos. L. C. Pauling (1901-1994) dio la siguiente definición: “la fuerza de enlace entre ellos (los átomos), es de una magnitud tal que conduzca a la formación de un agregado de estabilidad suficiente que garantice su consideración como una especie molecular independiente”. Al estudiar la constitución de las sustancias se encuentra que todas están formadas por agrupaciones de átomos, que unas veces forman agregados neutros llamados moléculas, y otras resultan con carga: los iones (únicamente los gases nobles y algunos metales en estado de vapor poseen moléculas monoatómicas). La unión entre átomos, moléculas o iones es lo que constituye el enlace químico. Para comprender el comportamiento de los elementos, es necesario establecer un modelo teórico que explique lo que ocurre cuando se unen los átomos. Existen interacciones en las sustancias comunes como el agua, el dióxido de azufre (un contaminante de la atmósfera), el metano (gas natural), el octano (componente de la gasolina), el etanol (alcohol de 96° ) y desde luego también están presentes en las moléculas de los seres vivos. Las fuerzas que dan origen al enlace químico se han clasificado en dos grandes grupos: interacciones

Linus Pauling nació en Oregón, en 1901, y se graduó en ingeniería química y posteriormente obtuvo su doctorado en California en 1925. En 1954 le fue concedido el premio Nobel de Química por su investigación sobre la naturaleza del enlace químico y su aplicación a la estructura de sustancias complejas. Realizó estudios experimentales sobre Figura 5.1 la estructura de los cristales por di- L.C. Pauling. fracción de rayos X y la estructura de moléculas gaseosas por difracción de electrones, también de las propiedades magnéticas de las sustancias. Investigó la naturaleza de los sistemas serológicos y la estructura de los anticuerpos y especialmente la aplicación de la mecánica cuántica a la estructura de las moléculas y a la naturaleza del enlace químico. Publicó más de 400 trabajos científicos, 100 artículos sobre temas sociales y políticos, especialmente sobre la paz. Actividad: Indica cómo impactan en la actualidad los experimentos realizados por L.C. Pauling, contextualízalo con situaciones de la vida diaria.

fuertes (fuerzas intramoleculares = fuerzas interatómicas) e interacciones débiles (fuerzas intermoleculares). Las fuerzas intramoleculares son los enlaces químicos que dan origen a las moléculas. Cuando se afectan estas atracciones ocurre una reacción química. Las fuerzas intermoleculares determinan y explican muchas propiedades físicas de las sustancias: ¿Por qué se pueden licuar los gases? ¿Por qué el hielo seco se sublima a temperatura ambiente? ¿Por qué flota el hielo? En el enlace químico la configuración electrónica del nivel más externo de los átomos, llamado también nivel de valencia, juega un papel decisivo. De esta configuración depende, además, el tipo de enlace que se forme. Los gases nobles presentan una distribución electrónica de máxima estabilidad con los orbitales s y p de valencia ocupados por completo (s2p6). Los demás elementos poseen niveles de valencia incompletos y de ahí su mayor o menor reactividad. La formación espontánea de un enlace es una manifestación de la tendencia de cada átomo a alcanzar el ordenamiento electrónico más estable posible. Es decir, la molécula que se forma representa un estado de menor energía que los átomos aislados. 155

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Los principales modelos utilizados para interpretar a las fuerzas intramoleculares son el enlace covalente y el enlace iónico, con sus variantes, los enlaces polar, covalente coordinado y metálico. Con respecto a las fuerzas intermoleculares se consideran cuatro tipos de interacciones: ion-dipolo, dipolo-dipolo, las fuerzas de London y el puente de hidrógeno. También se estudia el aspecto geométrico de las moléculas de una manera sencilla. Las sustancias covalentes, ya sean moléculas o iones poliatómicos, presentan formas características. Los estudios con rayos X de los cristales moleculares constituyen una fuente de información muy amplia sobre la estructura de las moléculas.

b) Alta energía de ionización y baja afinidad electrónica c) Baja energía de ionización y alta afinidad electrónica d) Alta energía de ionización y alta afinidad electrónica (

(

Actividad formativa Instrucciones: Resuelve las siguientes preguntas referentes al tema de enlace químico, anota en el paréntesis de la izquierda la opción correcta. I. Reactivos de opción múltiple. (

(

(

(

(

(

(

) 1. El enlace químico resulta de la combinación de los elementos para formar: a) Electrones

c) Átomos

b) Sustancias

d) Niveles de energía

) 2. El centro de un átomo recibe el nombre de: a) Electrón

c) Nivel de energía

b) Octeto

d) Núcleo

) 3. El máximo número de electrones que se pueden tener en el segundo nivel de energía es: a) 1

c) 8

b) 2

d) 18

) 4. El enlace químico que involucra una transferencia de electrones se llama: a) Covalente

c) Iónico

b) Metálico

d) Coordinado

) 5. Enlace que involucra vibración de electrones dentro de una molécula. a) Metálico

c) Iónico

b) Covalente

d) Cristal

) 6. La combinación de átomos formados por enlaces covalentes se llama: a) Elemento

c) Ion

b) Molécula

d) Cristal

) 7. Aquellos átomos que pierden electrones presentan: a) Baja energía de ionización y baja afinidad electrónica

156

(

) 8. Un ejemplo de un ion poliatómico es: a) SO4-2

c) NaCl

b) Ca+2

d) O2

) 9. Un mar de electrones está basado en el enlace dentro de: a) Metales

c) No metales

b) Sustancias iónicas

d) Sustancias covalentes

) 10. El enlace entre átomos del lado izquierdo con los del lado derecho de la tabla periódica tiende a ser: a) Covalente

c) Metálico

b) Iónico

d) Imposible

II. Reactivos de falso-verdadero. Anota en la línea al final del párrafo la letra (V) verdadero o (F) falso, según tu opinión, y cambia la palabra correcta según el caso, anotándola por debajo de la palabra subrayada. 1. Los electrones del nivel más externo de energía de un átomo son llamados electrones de oxidación.

(

)

2. Los enlaces covalentes forman cristales.

(

)

3. La tendencia de un átomo para atraer electrones se llama afinidad electrónica.

(

)

4. La capacidad de combinación de un átomo se describe por su estructura cristalina.

(

)

5. Los sólidos maleables son aquéllas sustancias cuyas moléculas son muy largas.

(

)

6. Un átomo con carga se llama molécula.

(

)

7. El bromo es un elemento diatómico.

(

)

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III. Completa el siguiente mapa conceptual, anotando las palabras correspondientes en donde está el signo de interrogación (?).

Hay constricción de los vasos sanguíneos y la sangre es dirigida a otros órganos, que necesitan mayor volumen sanguíneo en el organismo con estrés.

ENLACE QUÍMICO

Incluye

formas

Elementos

¿

Hechos de

¿

Fíjate cómo tus estados de ánimo contribuyen a que tengas buena salud o, por el contario, la disminuyen. Además, tu sistema nervioso se comunica por mediación de los neuropéptidos con todas las células del cuerpo.

determinadas por

- contiene -

Si fabricas cortisol en exceso, esta hormona contribuye a que tu cuerpo libere glucosa en la sangre, y como el cuerpo no está utilizando la fuerza muscular para responder a la situación, la glucosa se deposita como grasa en el tejido adiposo.

¿

La mente y el cuerpo son una unidad y, por tanto, tus sentimientos, cómo te enfrentas a la vida, tus glóbulos blancos, el sistema nervioso, la rapidez con la que se te cura una herida, todas estas cosas están unidas entre sí. Contesta lo siguiente.

¿

1. Investiga el significado de cada uno de los términos o conceptos destacados en negritas.

consta de Núcleo

2. Define brevemente los siguientes conceptos: a) Alegría; escribe la estructura química de la dopamina.

Contiene

b) Amor; escribe la fórmula química de la oxitocina. c) Odio; escribe la fórmula de la serotonina.

¿

d) Tristeza; escribe la fórmula de la noradrenalina.

¿

e) Miedo; ¿qué sustancias químicas intervienen en el miedo? 3. ¿Se pueden modificar las emociones a través de los pensamientos? ¿Cómo? Actividad transversal

Social Las emociones provocan reacciones químicas en tu cuerpo Es increíble la forma en que determinados pensamientos alteran la química del cuerpo. Todos sabemos que cuando te ríes o estás feliz tu cerebro libera unas hormonas denominadas endorfinas (neurotransmisores secretados por la glándula pituitaria del cerebro, que tienen un efecto del tipo opiáceo similar a la morfina). También la risa libera un neurotransmisor cerebral llamado dopamina, relacionado con los estados de bienestar psicológico, que influye en la disminución de los niveles de cortisol, una hormona conocida como “la hormona del estrés”. Algo que no debes olvidar nunca es que reírnos genera una mayor respuesta del sistema inmunológico ante las enfermedades. Las personas felices tienen unos neuropéptidos (hormonas) en la sangre, diferentes de las que tienen las personas que están deprimidas, son coléricas o están siempre ansiosas y generan cortisol. 157

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

5.3 Tipos de enlaces Iónico El enlace iónico resulta de la transferencia de uno o más electrones de un átomo a otro o grupo de átomos. La pérdida o ganancia de electrones es un proceso compartido, ya que un elemento dona electrones y otro los acepta. Este modelo describe particularmente a los compuestos que forman los metales con los no metales. Este enlace también se conoce como salino o electrovalente. Dado que las electronegatividades de los átomos participantes son muy diferentes, hay una gran diferencia de electronegatividades, que en promedio es de 1.7 o mayor. El origen del modelo iónico se debe a J. T. Berzelius, quien consideró que los átomos poseían unos “polos” eléctricos positivos o negativos, y propuso que la fuerza que une a los átomos en una molécula inorgánica o en un radical orgánico era de naturaleza eléctrica. Por ejemplo, en la formación del cloruro de sodio (NaCl). El cloro es un elemento del grupo VII y con electronegatividad de 3.0 pauling. El sodio es un elemento del grupo IA y con electronegatividad de 0.9 pauling (el concepto de electronegatividad se estudió en el bloque anterior).

Naº

Na+ + 1e– Clº + 1e–

Cl–

ion sodio

ion cloro

(Esto se lleva a cabo con una energía de ionización)

Al formarse los iones , la nube electrónica del sodio se ve disminuida mientras que la del cloro se ve incrementada, luego se unen y forman el compuesto o producto que es una sal. kcal nNaCl Energía de enlace  298.3 nNa  nCl mol El sodio finalmente queda como: 1s22s22p63s0  Na (catión) El cloro queda como: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6  Cl (anión) Dicha cantidad corresponde a un mol del compuesto. Un mol es una cantidad numéricamente igual a su peso molecular (suma de los pesos atómicos de los átomos participantes) y se expresa en gramos. Para calcular la diferencia de electronegatividades entre dos átomos (d. E.) se aplica lo siguiente: d. E.  Electronegatividad del átomo más electronegativo – electronegatividad del átomo menos electronegativo En el ejemplo del NaCl, resulta: d. E.  Cl  Na  3.0  0.9  2.1  1.7 ; por tanto, se trata de un enlace iónico.

Propiedades de los compuestos que presentan enlace iónico Los compuestos iónicos en estado sólido no conducen la corriente eléctrica, debido a que los iones no pueden migrar. Sin embargo, cuando se funden o disuelven en agua, sí conducen la electricidad. La conductividad eléctrica requiere del transporte de las cargas; al disolverse en agua estas sustancias, sus iones se separan y pueden

+ Energía

+ Energía

de sublimación

de ionización

Na(s)

de disociación Cl2(g)

Na+Cl–(g)

– Afinidad

+ Energía

Figura 5.2 Formación de un enlace iónico.

Ene – Energía reticu reticular

Na+(g)

Na(g)

electrónica

Cl(g)

Cl–(g)

Figura 5.3 Proceso de formación del NaCl cristalino a partir de sus elementos.

158

Grupo Editorial Patria ®

Figura 5.4 Unión de los iones sodio (Na+) y cloro (Cl–), para formar el cloruro de sodio o sal común.

Figura 5.6 El número de iones que rodea a otro de signo opuesto en la red cristalina, depende de la relación entre sus radios respectivos. El cesio (Cs) es mayor al sodio (Na).

moverse en forma independiente. Lo mismo sucede en los sólidos iónicos fundidos, cuando los iones dejan de ocupar posiciones definidas en el cristal tienen libertad de movimiento y, bajo la influencia en un campo eléctrico, conducen la corriente. Así, por ejemplo, la molécula de cloruro de sodio no puede determinarse, ya que no hay tal molécula, es mejor hablar de la red de cloruro de sodio, un empaquetamiento cúbico perfecto donde hay un número igual de iones Na que de iones Cl. Es correcto escribir Na17Cl17 o Na80Cl80, ya que la proporción es 1 a 1. Ejemplos de sustancias que presentan este tipo de enlace son las sales inorgánicas y los óxidos inorgánicos, que contienen un metal y un no metal, como NaCl, CaF2, K2O, BaS. Como se observa, los elementos de los grupos I y II se unen con elementos de los grupos VI y VII.

De acuerdo con lo anteriormente señalado, los compuestos con enlace iónico, presentan las siguientes propiedades: „

Tienen puntos de fusión y ebullición elevados.

„

Fundidos o en disolución acuosa son buenos conductores de la corriente eléctrica.

„

Son solubles en disolventes polares.

„

En solución son químicamente activos.

„

La forma del cristal es geométrica (cúbica, rómbica, hexagonal). No se forman verdaderas moléculas sino redes cristalinas. Ejemplos: NaCl, CaF2, K2O y BaS.

Actividad formativa Representa un ion y muestra su importancia en sustancias de uso común.

Explica qué se requiere para que se forme un enlace iónico, argumenta tu respuesta con ejemplos de uso práctico.

Figura 5.5 Red cristalina de NaCl. En el modelo de varillas de la izquierda puede apreciarse mejor su simetría cúbica.

159

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares Actividad formativa

Compuestos iónicos A continuación se presenta una tabla que contiene una serie de compuestos iónicos, con algunos de sus usos; identifica al catión, el anión, escribe la fórmula correcta y el nombre correspondiente según cada inciso. Observa el ejemplo contestado. Compuesto iónico

Catión

Anión

Fórmula

Nombre

El cloruro de potasio es el principal ingrediente de la “sal” especial que toman las personas que siguen una dieta baja en sodio.

K

Cl

KCl

Cloruro de potasio

Es un componente del yeso. Forma parte de cierto tipo de fertilizantes que contienen fósforo. Es un componente importante de los huesos y los dientes.

CaSO4

Ca2

Se usa en la purificación de agua.

Cloruro de hierro (III)

Este enlace se lleva a cabo entre elementos de alta electronegatividad, es decir, entre no metales y siempre por compartición de pares de electrones. Se distinguen tres tipos de covalencia: polar, no polar y coordinada. Cuando se presenta una simple covalencia entre dos átomos es por compartición de un par de electrones, pero si son dos pares de electrones los que se comparten, entonces será una doble covalencia y se puede presentar hasta una triple.

H — Cl

También se utiliza para purificar el agua en algunas localidades.

Bicarbonato de sodio

Se le llama leche de magnesia.

Hidróxido de magnesio Fe3

H—H

Simple covalencia

O— —O Doble covalencia

—N N— — Triple covalencia

Geometría molecular y polaridad

Al2(SO4)3

Es un compuesto formado por iones de sodio e iones hidrogenocarbonados. Se usa en el malestar estomacal.

O2 Carbonato de calcio

Distingue la diferencia que existe entre uno y otro; destaca la importancia que cada uno tiene como parte de un proceso químico.

160

Cuando la diferencia de electronegatividades entre dos o más átomos es cero o tiene un valor muy pequeño, estos átomos tienden a compartir los electrones de valencia de sus capas externas, ya que cada átomo ejerce la misma atracción sobre los electrones. Este modelo se conoce como enlace covalente y la compartición de dos electrones corresponde a la formación de un enlace. Esta combinación de átomos se denomina molécula y es eléctricamente neutra.

Ejemplos

Nitrato de amonio

Se presenta en la piedra caliza y el mármol.

El enlace covalente resulta de la compartición de uno o más pares de electrones entre los átomos que se unen. Este modelo de enlace se utiliza para explicar la unión de los elementos clasificados como no metales.

PO43

Es una rica fuente de nitrógeno, se emplea a menudo en mezclas fertilizantes.

Componente importante de la herrumbre.

Enlace covalente

Las moléculas que contienen tres o más átomos adquieren formas tridimensionales características. La geometría molecular describe la forma en que los átomos se distribuyen en el espacio, dentro de una molécula. Este arreglo de los átomos se puede determinar experimentalmente, no así el arreglo geométrico de los electrones.

Modelo de la Repulsión de Pares Electrónicos en la Capa de Valencia (RPECV) Una primera aproximación para predecir la geometría de las moléculas la propusieron, en 1940, N. V. Sidgwick y H. M. Powell. Posteriormente esta teoría la ampliaron y popularizaron R. J. Gillespie y R. N. Nyholm en 1957. Esta teoría se conoce comúnmente por sus siglas en inglés vsepr (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory), o bien, por su traducción al español rpecv (Repulsión de Pares Electrónicos en la Capa de Valencia) y se aplica sólo al enlace covalente.

Grupo Editorial Patria ® Según este modelo la geometría de una especie está determinada principalmente por las interacciones repulsivas que se producen entre los pares de electrones de la capa de valencia. Así, tenemos que la mayoría de las moléculas presentan formas que derivan de cinco geometrías básicas diferentes. Dos pares electrónicos se acomodan en el espacio linealmente en un ángulo de 180°, de tal forma que aumente al máximo la distancia entre ellos. Con este mismo criterio, tres pares de electrones se distribuyen bajo la forma geométrica de un triángulo, cuatro en forma de tetraedro, cinco en la figura de una bipirámide trigonal y seis en un octaedro. Para aplicar el método rpecv a las moléculas primero se debe dibujar la estructura de Lewis de la molécula para determinar el número de pares de electrones que están alrededor del átomo central. Después se procede a acomodar los pares de electrones enlazantes de forma que exista la máxima separación entre ellos, para que sea mínima la repulsión. Por ejemplo, en la molécula BeF2 el átomo central es el Be y tiene 2 pares de electrones enlazantes a su alrededor. Estos pares se colocan en lugares opuestos del átomo central (Be), de manera que el ángulo de separación sea el máximo posible. En el BeF2 es de 180° y los tres átomos se colocarán en forma lineal.

a)

2p

2s

sp

2s

2p

sp2

p

2s

2p

sp3

p

b)

c)

Figura 5.7 a) Tipos de hibridación en la molécula del BeF2, BeF3 y CH4. b) Orientación de los orbitales híbridos del BeF2, BeF3 y CH4. c) Geometría de las moléculas del BeF2, BeF3 y CH4.

H 109.5°

C 180°

F

Be

F

F

Be

H

La molécula del PCl5 presenta el átomo de fósforo (átomo central) rodeado por cinco pares de electrones que forman los enlaces con los cinco átomos de cloro. Los pares enlazantes tienden a orientarse hacia los vértices de una bipirámide trigonal. Los tres átomos “ecuatoriales” del cloro están en un mismo plano con el átomo de fósforo, y el ángulo Cl-P-Cl en este plano es de 120°. Los átomos axiales (o polares) del cloro están encima y debajo de este plano ecuatorial, en el eje de la bipirámide. El ángulo formado por el átomo axial de cloro, el átomo de fósforo y un átomo ecuatorial de cloro es de 90°.

F

F

H

F

El boro posee tres electrones de valencia, luego, en la molécula BF3, los tres pares que formarán los enlaces se colocarán a la mayor distancia posible, en los vértices de un triángulo equilátero formando un ángulo de 120°. La molécula presenta geometría triangular plana.

120°

H

B

F

En el caso del metano (CH4), tenemos cuatro pares de electrones que unen al carbono con cuatro hidrógenos. Luego se distribuyen de manera que las repulsiones sean mínimas, lo que corresponde a la figura de un tetraedro. Los ángulos de separación entre los átomos de hidrógeno son de 109.5°. El tetraedro es la forma básica de muchas moléculas orgánicas. En general, cuando el carbono forma cuatro enlaces sencillos presenta geometría tetraédrica.

Cl Cl

90°

Cl

P

120°

Cl Cl

161

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Finalmente, en el hexafluoruro de azufre (SF6) el átomo central, el azufre, tiene sus seis electrones de valencia apareados formando seis enlaces. Esta molécula presenta la estructura de un octaedro regular. La forma octaédrica también disminuye la repulsión entre seis pares electrónicos y presenta un ángulo de 90°.

La geometría del dióxido de carbono (CO2) le hace ser una molécula lineal y por tanto no polar. Dióxido de carbono (CO2)

O— —C— —O

d. E.  1.0 (enlace polar)

molécula no polar

Para el trifluoruro de boro, la geometría corresponde a un triángulo equilátero, por tanto, la molécula es no polar.

F

F

90° 9

F

F F

F F

Una molécula puede ser polar o no, dependiendo de su geometría y no de su tipo de enlace por presentar polaridad, y será atraída por campos eléctricos o solubles en disolventes polares y conducirá la corriente eléctrica. Ejemplos de moléculas no polares son: H2 , CH4 , CO2 , CCl4 , BF3 . Obsérvese que en el caso del hidrógeno (H2), su enlace es no polar. Para el metano (CH4) la diferencia de electronegatividades de los átomos C–H es de 0.4 pauling. Sin embargo, la molécula es no polar por su geometría y existe una distribución uniforme de electrones en el exterior de la molécula y esta distribución ocurre a pesar del número de enlaces y su dirección en el espacio.

Figura 5.8 La molécula del BF3 es no polar, aun teniendo sus tres enlaces polares (centro). Los tres momentos dipolares se anulan entre sí.

Trifluoruro de boro (BF3)

F

B

F

d. E. = 2.0 (enlace polar) Molécula no polar

H F H

C

Algunas moléculas polares son: H2O; HCl; NH3; PH3 d. E. = 0.4 (enlace polar)

H

Molécula no polar por su estructura

La misma situación es para el tetracloruro de carbono, CCl4.

En estas moléculas su geometría permite distinguir una región más negativa que otra; se presenta un dipolo (dos polos:  y ).

Para el agua H2O H

Cl

O H

Cl

C d. E. = 0.5 (enlace polar) Cl

162

Molécula no polar por su geometría

d. E. = 1.4 (enlace polar) Molécula polar Geometría tetraédrica

Para el ácido clorhídrico HCl H

Cl

d. E. = 0.9 (enlace polar) Molécula polar Geometría lineal

Grupo Editorial Patria ®

Para la fosfina PH3

Para el amoniaco NH3

P

N

H

H

H d. E. = 0.9 (enlace polar) Molécula polar Geometría tetraédrica

H

H

H d. E. = 0.9 Molécula polar Geometría tetraédrica

La polaridad de un compuesto se mide en un aparato llamado dipolímetro y se reporta en unidades Debye d). Esta medida es entonces su momento dipolar (+).

Sustancia

Momento dipolar (+)

CO2, bióxido de carbono

0

CH4, metano

0

C6H6, benceno

0

PH3, fosfina

0.55

H2S, ácido sulfhídrico

0.93

CH3COCH3, acetona

2.76

CH3OCH3, éter etílico

1.22

SO2, bióxido de azufre

1.61

NH3, amoniaco

1.47

H2O, agua

1.84

HCl, ácido clorhídrico

1.08

KCl, cloruro de potasio

10.6

KBr, bromuro de potasio

10.85

KI, yoduro de potasio

11.05

CHCl3, cloroformo

1.22

CH3–CH3–OH, etanol

1.74

Figura 5.9 Nube electrónica de los enlaces químicos.

Covalente polar Es aquel que se realiza entre dos no metales diferentes, el par de electrones del enlace está distribuido de manera asimétrica entre los átomos, lo cual trae como consecuencia la formación de un dipolo. Esta polaridad se indica mediante los símbolos: δ+ y δ– (delta: δ = densidad electrónica), que es una forma de identificar al átomo con “carga parcial positiva” y al átomo con “carga parcial negativa”. Ejemplos En el caso de la formación de la molécula de cloruro de hidrógeno (HCl), la diferencia de electronegatividades es 0.9 (H = 2.1, Cl = 3.0). Esto da como resultado una molécula polar debido a la distribución desigual de la densidad electrónica alrededor del enlace. ×× H •  × Cl ×× ××

×× H • × Cl ×× ×× b()

b()

H • × Cl Se produce una distribución desigual alrededor del enlace, el par de electrones del enlace se encuentra más cerca del átomo con mayor electronegatividad. Otras sustancias con este tipo de enlace son las siguientes: H2O, HBr, PCl3 , SO2 , NH3 , H2SO4 , HNO3 , CH3COOH

163

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares Actividad experimental

Sustancias polares y no polares En esta actividad se va a investigar la solubilidad de siete solutos en dos disolventes distintos: agua (H2O), un disolvente polar, y el hexano (C6H14), un disolvente no polar. Escribe la palabra soluble, poco soluble e insoluble, en la columna correspondiente a cada caso experimentado.

Soluto

Solubilidad en Solubilidad en agua (polar) hexano (no polar) (H2O) (C6H14)

Cuando dos átomos no metálicos de diferente electronegatividad se unen, comparten electrones pero la nube electrónica se deforma y se ve desplazada hacia el átomo de mayor electronegatividad, originando polos en la molécula, uno con carga parcialmente positiva y el otro con carga parcialmente negativa. En general, la diferencia de electronegatividades es menor a 1.7.

Covalente no polar Este tipo de enlace se tiene cuando dos átomos de un mismo elemento se unen para formar una molécula verdadera, sin carga eléctrica, simétrica y cuya diferencia de electronegatividad es cero.

Urea (CO(NH2)2) Yodo (I2)

Ejemplos

Cloruro de amonio (NH4Cl) Naftaleno (C10H8)

Molécula de oxígeno:

Sulfato de cobre (II) (CuSO4) Etanol (C2H5OH)

O ••  ×× O

•• •× ×× O •× O •• ××

(O2)

(O — — O)

Cloruro de sodio (NaCl)

Procedimiento Q Q

Q

Q Q

Toma siete tubos de ensayo y agrégales 5 mL de agua de la llave. Adiciona a cada tubo de ensayo una pequeña cantidad de cada uno de los solutos mencionados en la tabla anterior. En el caso de solutos líquidos agrega 1 mL (o 20 gotas).

Otras moléculas no polares son: flúor (F2), cloro (Cl2), bromo (Br2) y yodo (I2).

Mezcla con cuidado el contenido de los tubos de ensayo y anota tus observaciones.

Ejemplos

Desecha el contenido de los tubos de ensayo. Repite los pasos anteriores, usando el hexano como disolvente y registra tus observaciones nuevamente.

Contesta las siguientes preguntas: ¿Cuáles solutos fueron más solubles en agua que en hexano?

Enlace covalente no polar Molécula de hidrógeno:

H•  ×H

El par de electrones compartido se representa por una línea que une los símbolos de los átomos. H

¿Cuáles fueron más solubles en hexano que en agua?

H •× H

H

(H2)

Se puede representar de la siguiente forma esta molécula, que en realidad es una nube debido al movimiento de los electrones.

Describe cómo se distingue una reacción química de otra con diferentes sustancias, anota tus conclusiones, socializa tus respuestas y emite tu opinión sobre el uso correcto de los materiales como medida de prevención de accidentes. 1s 1



1s 1

1s 2

El par de electrones compartidos está en el centro, a igual distancia de cada núcleo.

164

Grupo Editorial Patria ® Ejemplos La molécula N2O contiene un enlace de este tipo: •• ••

× ×ו• • • × N וN •O •

N

N

Enlace covalente coordinado

O

Figura 5.10 Modelos de casquetes de las moléculas.

Enlace covalente coordinado

Ácido sulfúrico (H2SO4) O

H

O

S

O

H

La coordinación de los electrones entre átomos, o bien, qué átomo comparte sus electrones con el otro, se indica con una flecha. Así, en los ejemplos anteriores, se ve que el azufre dona electrones al oxígeno (H2SO4) y el nitrógeno al oxígeno (HNO3). Otro ejemplo es el cloruro de amonio (NH4Cl), donde el nitrógeno dona electrones al hidrógeno.

O

Cloruro de amonio (NH4Cl) H

O

H

O

S

O

H

H

N

H

Cl H

O

Enlaces covalentes coordinados

H H

N

H

Cl

Ácido nítrico (HNO3) O H

O

Enlace covalente coordinado

N O

H

Enlace covalente coordinado O H

O

N O

Enlace covalente coordinado Cuando el par de electrones que forma el enlace covalente es donado por uno solo de los átomos, se denomina enlace covalente coordinado. Una vez formado este enlace no se puede distinguir del resto de los enlaces covalentes que forman la molécula. Este enlace también se le llama dativo, un átomo no metálico comparte un par de electrones con otro átomo pero el segundo los acomoda en un orbital vacío. Se dice entonces que el primer átomo da un par de electrones o que ambos átomos se coordinan para completar su “octeto”.

Actividad formativa Argumenta la importancia que tiene el estudio de los diferentes modelos de enlaces y sus interacciones como parte del comportamiento de la naturaleza de la materia, simplifícalo con dos ejemplos del entorno que presenten los tipos de enlaces.

Propiedades de los compuestos covalentes Así como las sustancias iónicas poseen varias propiedades características, en el caso de los compuestos covalentes es difícil establecer en forma categórica estas propiedades. El enlace covalente se presenta en la mayoría de los compuestos orgánicos y en muchos inorgánicos. Se encuentra en gases, líquidos 165

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

y sólidos. Estos últimos pueden presentar puntos de fusión muy bajos, como en el caso de la parafina y la naftalina. Sin embargo, existe otro tipo se sólidos en el que los átomos forman una red tridimensional unida por enlaces covalentes. Estos sólidos son duros y quebradizos, con puntos de fusión altos. Estas propiedades se deben, en parte, a la fuerza de los enlaces covalentes, y también a la estabilidad de la estructura tridimensional.

„

Baja solubilidad en agua.

„

No conducen el calor o la electricidad.

„

Estado físico gaseoso, aunque pueden existir como sólidos o líquidos.

„

Son sustancias gaseosas o muy volátiles, como por ejemplo; H2, O2, Cl2, N2.

Como ejemplos de sólidos que presentan esta estructura se encuentran el diamante, el dióxido de silicio (la arena común) y el carburo de silicio, un material que se utiliza como abrasivo y que contiene átomos de carbono y silicio alternados. Todos poseen la misma estructura del diamante como se puede apreciar en la siguiente figura:

„

Algunos presentan puntos de fusión enormemente elevados. Son cuerpos muy duros. Insolubles en casi todos los disolventes. Ejemplos SO2,

HCl,

PCl5

Actividad formativa

Ozono Instrucciones: Lee el siguiente fragmento de un artículo sobre la capa de ozono y contesta las preguntas que se hacen al final. Figura 5.11 Redes cristalinas del diamante y grafito.

De acuerdo con el tipo de enlace químico covalente presente en las sustancias se tienen las siguientes propiedades para cada uno de ellos:

Propiedades de los compuestos con enlace covalente polar „

Moléculas que existen en los tres estados físicos de agregación de la materia.

„

Gran actividad química.

„

Solubles en disolventes polares.

„

En disolución acuosa son conductores de la electricidad.

„

Sus puntos de fusión y ebullición son bajos, pero más altos que los de las sustancias no polares.

„

Presentan puntos de fusión y ebullición bajos, pero mayores que los de las sustancias formadas por moléculas no polares de magnitud parecida.

Propiedades de los compuestos con enlace covalente no polar „

Moléculas verdaderas y diatómicas (con dos átomos).

„

Actividad química media.

166

La atmósfera es un océano de aire y un recurso natural valioso para mantener la vida en la Tierra. Desgraciadamente, las actividades humanas basadas en los intereses nacionales o personales están causando daño a este recurso, especialmente al reducir la frágil capa de ozono, la cual funciona como un escudo protector para la vida en la Tierra. Las moléculas de ozono están compuestas por tres átomos de oxígeno, a diferencia de la molécula de oxígeno que sólo tiene dos átomos. Las moléculas de ozono son muy raras: menos de diez en cada millón de moléculas de aire. Sin embargo, aproximadamente en un billón de años, su presencia en la atmósfera ha jugado un papel importante para proteger la vida en la Tierra. Dependiendo en dónde se localice, el ozono puede proteger o dañar la vida en la Tierra. En la tropósfera (hasta unos 10 km sobre la superficie de la Tierra) es ozono “malo”, ya que puede perjudicar los tejidos del pulmón y a las plantas. Pero casi 90% del ozono que se encuentra en la estratosfera (entre 10 y 40 km sobre la superficie de la Tierra) es ozono “bueno”, ya que es benéfico al absorber la peligrosa radiación ultravioleta (UV) del Sol. Sin esta benéfica capa de ozono, los humanos seríamos más susceptibles a ciertas enfermedades debido al incremento de la incidencia de los rayos ultravioleta del Sol. En las últimas décadas, la cantidad de ozono ha disminuido. En 1974 se elaboró la hipótesis de que los clorofluorocarbonos (CFC) pudieran ser la causa de esto. Hasta 1987, los científicos midieron que la relación causa efecto no era lo suficientemente convincente para implicar a los CFC. Sim embargo, en septiembre de 1987 se reunieron en Montreal (Canadá) diplomáticos de todo el mundo, los cuales estuvieron de acuerdo en establecer límites al uso de los CFC.

Grupo Editorial Patria ®

En el texto anterior no se menciona nada sobre cómo se forma el ozono en la atmósfera. En realidad, cada día se forma algo de ozono y otra parte desaparece. La manera en la que se forma se ilustra en la siguiente tira cómica.

Elige la respuesta y la explicación que esté apoyada en el texto. ¿Es ozono bueno o malo?

Explicación

A

Malo

Se forma durante el mal tiempo

B

Malo

Se forma en la troposfera

C

Bueno

Se forma en la estratosfera

D

Bueno

Huele bien

La lectura plantea lo siguiente: “Sin esta benéfica capa de ozono, los humanos seríamos más susceptibles a ciertas enfermedades debido al incremento de la incidencia de los rayos ultravioleta del Sol”. 4. Menciona una de estas enfermedades específicas.

1. Imagina que tienes un tío que intenta comprender el significado de la tira cómica. Sin embargo, él no tiene ninguna educación escolar en ciencias, por tanto, no entiende lo que el autor desea explicar. Tu tío sabe que no existen pequeños amiguitos en la atmósfera, pero se pregunta qué representan en los dibujos esos amiguitos, qué significan esas extrañas anotaciones O2 y O3, y qué procesos se presentan en la tira cómica. Por lo que él pide que se la expliques. Considera lo que tu tío sabe: ƒ Que O es el símbolo del oxígeno. ƒ Qué son los átomos y las moléculas. 2. Escribe una explicación de la tira cómica para tu tío. Usa las palabras átomos y moléculas en la manera en que son usadas en el texto.

Al final del texto, se menciona una reunión internacional en Montreal, en la cual surgieron muchas preguntas en relación con la reducción de la capa de ozono. Dos de estas preguntas se mencionan en la tabla de abajo. 5. ¿Los siguientes cuestionamientos pueden ser contestados por medio de una investigación científica? Encierra en un círculo Sí o No para cada una.

Pregunta

¿Puede ser contestada por investigación científica?

El hecho de que haya incertidumbre sobre la influencia de los CFC en la capa de ozono, ¿puede ser una razón para que los gobiernos no hagan algo al respecto?

Sí/No

¿Cuál será la concentración de CFC en la atmósfera en el año 2022, si la liberación de CFC hacia la atmósfera se sigue presentando en la misma proporción que hasta ahora?

Sí/No

Metálico El ozono también se forma durante las tormentas eléctricas. Esto origina el típico olor después de cada tormenta. El autor de la lectura anterior distingue entre ozono “malo” y ozono “bueno”. 3. En términos del artículo, el ozono que se forma durante las tormentas eléctricas, ¿es ozono “malo” o “bueno”?

Teoría del mar de electrones Los cristales de los metales se caracterizan por presentar el llamado “brillo metálico”, alta conductividad eléctrica y térmica, y por la facilidad con que pueden ser estirados, forjados y doblados sin romperse. 167

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Los electrones de valencia están localizados en todo el cristal, de tal manera que este enlace se considera como una serie de iones positivos rodeados por un “mar” de electrones móviles.

elementos adquieren fuerza y se modifican sus propiedades. Por ejemplo, la adición de cromo al acero aumenta la resistencia a la corrosión, igual que la adición del carbono al hierro para formar el acero.

La alta conductividad eléctrica de los metales se explica fácilmente, considerando que sus electrones de valencia se encuentran libres para moverse cuando se les aplica un potencial eléctrico. La alta conductividad térmica de los metales es también una consecuencia de los electrones libres que pueden adquirir gran energía, moverse rápidamente a través del cristal y, por tanto, transportar el calor.

Ejemplos de sustancias que presentan el enlace metálico: todos los metales, oro (Au), sodio (Na), hierro (Fe), aleaciones como los aceros, amalgamas de mercurio (Hg), cobre (Cu), y sus aleaciones: cobre-cinc (Cu-Zn), cobre-níquel (Cu-Ni), cobre-estaño (Cu-Sn), etcétera.

Figura 5.12 Los electrones se mueven con libertad por todo el metal entre los iones positivos. En la imagen se muestran los iones positivos derivados del metal (esferas positivas) rodeados por los electrones (esferas negativas) que se mueven libremente.

Actividad formativa Elabora un modelo que represente un enlace metálico, considera sus características, su uso e importancia en la vida diaria; sustenta su importancia. Describe ejemplos de aleaciones que se puedan utilizar en diversas situaciones cotidianas; argumenta tu respuesta bajo elementos teóricos y comprobables.

La realidad nos muestra que la mayoría de los metales son maleables (forman láminas) y dúctiles (forman cables), lo que indica que sus átomos pueden deslizarse unos sobre otros. Este desplazamiento no produce grandes fuerzas repulsivas, porque el mar móvil de electrones proporciona una amortiguación constante entre los iones positivos. Los metales se disuelven en otros metales formando mezclas homogéneas llamadas aleaciones. A menudo, los metales puros son demasiado suaves para usos prácticos, como sucede con el aluminio; pero al mezclarlos con pequeñas cantidades de otros 168

Los electrones libres y la energía de ionización En el enlace metálico, a diferencia del covalente, los electrones de enlace no están sujetos a un par concreto de átomos, sino que se mueven libremente por todo el metal entre los iones positivos, formados al desprenderse dichos electrones de sus respectivos átomos y se constituye lo que denominamos mar de electrones de un metal. El transporte de energía eléctrica a través del metal no requiere sólo de electrones libres, sino también necesita que se le aplique una fuerza que los obligue a desplazarse en una dirección. Cuando eso ocurre, se produce una corriente eléctrica, pues surge un transporte de carga de un extremo a otro del material. Lo anterior está en función de la llamada energía de ionización, la cual se define como la energía mínima requerida para quitar un electrón de un átomo gaseoso en su estado fundamental. M(g)

M(g)  e

Se mide en kilojoules por mol (kJ/mol). La magnitud de la energía de ionización es una medida de esfuerzo necesario para que un átomo libere un electrón, o de cuán “fuertemente” está enlazado un electrón al núcleo en el átomo. A mayor energía de ionización es más difícil quitar el electrón. Veamos algunos ejemplos de energía de ionización en algunos elementos de los grupos IA y IIA: Grupo IA (1): Li  520 kJ

Na  495.9 kJ

K  418.7 kJ

Grupo IIA (2): Be  899 kJ

Mg  738.1 kJ

Ca  589.5 kJ

Los metales alcalinos (grupo 1 o IA) tienen las menores energías de ionización, ya que es relativamente fácil quitarles un electrón. Los metales alcalinotérreos (grupo 2 o IIA) tienen valores más altos de energía de ionización que los alcalinos. La importancia de la energía de ionización radica en la relación entre la configuración electrónica (los electrones de valencia) del átomo y la estabilidad de éstos.

Teoría de bandas Esta teoría representa un modelo más elaborado para explicar la formación del enlace metálico; se basa en la teoría de los orbitales

Grupo Editorial Patria ® En los metales se forman dos bandas. Una en la que se encuentran los electrones de la banda de valencia que se denomina “banda de valencia” y otra que se llama “banda de conducción”, que es la primera banda vacía.

Figura 5.13 Comparación entre propiedades mecánicas de los sólidos metálicos y los iónicos.

moleculares, la cual establece que cuando dos átomos se enlazan, los orbitales de la banda de valencia se combinan para formar dos orbitales nuevos que pertenecen a toda la molécula, uno que se denomina enlazante (de menor energía) y otro antienlazante (de mayor energía). Si se combinan 3 átomos se forman 3 orbitales moleculares, con una diferencia de energía entre ellos menor que en el caso anterior. En general, cuando se combinan “n” orbitales, de otros tantos átomos, se obtienen “n” orbitales moleculares de energía muy próxima entre sí y constituyen lo que se llama una banda. En los metales existe un número muy grande de orbitales atómicos para formar enlaces deslocalizados que pertenezcan a toda la red metálica (como si fuese una gran molécula). Como el número de orbitales moleculares es muy grande forman una banda en la que los niveles de energía, como se ha dicho anteriormente, están muy próximos.

En los metales, la banda de valencia está llena o parcialmente llena; pero en estas sustancias, la diferencia energética entre la banda de valencia y la de conducción es nula, es decir están solapadas. Por ello, tanto si la banda de valencia está total o parcialmente llena, los electrones pueden moverse a lo largo de los orbitales vacíos y conducir la corriente eléctrica al aplicar una diferencia de potencial. En el caso de los aislantes la banda de valencia está completa y la de conducción vacía; pero a diferencia de los metales, no sólo no solapan sino que además hay una importante diferencia de energía entre una y otra (hay una zona prohibida) por lo que no pueden producirse saltos electrónicos de una a otra. Es decir, los electrones no gozan de la movilidad que tienen en los metales y, por ello, estas sustancias no conducen la corriente eléctrica. Un caso intermedio lo constituyen los semiconductores; en el caso de las sustancias de este tipo, la banda de valencia también está llena y hay una separación entre las dos bandas, pero la zona prohibida no es tan grande, energéticamente hablando, y algunos electrones pueden saltar a la banda de conducción. Estos electrones y los huecos dejados en la banda de valencia permiten que haya cierta conductividad eléctrica. La conductividad en los semiconductores aumenta con la temperatura, ya que se facilitan los saltos de los electrones a la banda de conducción. Son ejemplos de semiconductores: germanio (Ge), silicio (Si), arseniuro de galio (Ga-As) y el antimoniuro de indio (In-Sb).

Características que se derivan del enlace metálico Las propiedades del enlace metálico son las siguientes:

Figura 5.14 Se observa que la conductividad depende de la posición de las bandas de conducción y de valencia.

„

A excepción del mercurio, los metales puros son sólidos a temperatura ambiente. No obstante, sus puntos de fusión son muy variables, aunque generalmente altos.

„

Son buenos conductores de la electricidad y del calor.

„

Presentan un brillo característico.

„

Son dúctiles y maleables. Esto se debe a la no direccionalidad del enlace metálico y a que los “restos positivos” son todos similares, con lo que cualquier tracción no modifica la estructura de la red metálica, sin aparecer repulsiones internas.

„

Presentan el llamado “efecto fotoeléctrico”; es decir, emiten electrones cuando son sometidos a una radiación de determinada energía.

„

Se suelen disolver unos en otros formando disoluciones que reciben el nombre de aleaciones. 169

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

En la industria los metales tienen una amplia aplicación, por su ductilidad y conductividad se fabrican cables y alambres de diferentes diámetros; por su maleabilidad se tienen láminas y hojas para cubiertas; por su dureza y tenacidad se les emplea en la fabricación de herramientas, utensilios, piezas mecánicas, etcétera. También se aplican en equipo instrumental científico o de laboratorio, médico, mecánico, partes de automóviles, tuberías para conexiones de agua y eléctricas, acuñación de monedas, soldaduras, linotipos, joyería, adornos, protecciones, etcétera.

Conocer las diferentes formas de interactuar que tienen los elementos entre sí nos ha permitido, en años recientes, tener un notable desarrollo de nuevos materiales que se aplican en muchos ámbitos: alimentación, textiles, colorantes, agricultura, medicina, comunicaciones, vehículos, etc., lo cual nos proporciona mayor comodidad en nuestras actividades. Los notables avances en los viajes espaciales, para descubrir nuevas galaxias, planetas o estrellas, es sumamente interesante y motivador para seguir buscando nuevos materiales.

Los nuevos materiales a base de aleaciones metálicas. Principales características y usos Material

Metales

Aplicación

Fusibles térmicos.

Cu-Zn-Al Cu-Zn-Ni

Rearmables.

Detectores y accionadores de dispositivos de control térmico (por ejemplo, alarmas contra incendios).

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

El elemento con memoria de forma puede efectuar las dos funciones al mismo tiempo.

Detectores de calentamiento excesivo de celdas en cuñas electrolíticas.

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Elimina la detección manual.

Anillos de ensamblaje rápido de tubería.

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Elimina la necesidad de soldadura en tubería submarina (Ti-Ni). Procesos económicos.

Barras de tratamiento de escoliosis severas (desviaciones de la columna vertebral).

Ti-Ni

Implantable en el cuerpo humano. Aleación inerte.

Grapas para ligadura de trompas de Falopio.

Ti-Ni

Anticoncepción.

Dispositivos diversos para ortopedia.

Ti-Ni

Aleación inerte. Buena resistencia mecánica.

Antenas autodesplegables para satélites.

Ti-Ni

Ya han sido utilizadas.

Controles térmicos de flujo de agua o gas.

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Válvulas térmicas.

Relevadores térmicos.

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

No necesitan ser rearmables.

Motores de estado sólido.

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

De baja eficiencia pero económicos y de mantenimiento simple.

Alambres para guías de fibras ópticas.

Ti-Ni

Ayudan a la introducción de una fibra óptica en el cuerpo humano.

Sistemas de abertura automática de aireación.

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Invernaderos, automóviles, etcétera.

Resortes con geometrías diversas.

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Aplicaciones de alta tenacidad.

Partes de aviones y automóviles.

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Se han usado también en cohetes militares.

Sistemas de reducción de ruido.

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Cubren el espectro audible.

170

Grupo Editorial Patria ®

Dispositivo de implante en uso o probados, su función y los biomateriales empleados Dispositivo

Biomaterial

Función

Humor artificial vítreo.

Esponja de silicón, teflón: poligliceril metacrilato (PGMA).

Llenar la cavidad vítrea del ojo.

Prótesis de córnea.

Polimetil metacrilato (PMMA); hidrogel.

Proporciona una vía óptica a la retina.

Lentes intraoculares.

PMMA (lentes); nylon, polipropileno, Pt, Ti, Au

Ducto artificial del saco lagrimal.

PMMA.

Corregir la obstrucción crónica.

Trompa de Eustaquio artificial.

Goma elástica de silicón, teflón.

Propiciar tránsito de ventilación pura.

Tubulación nerviosa.

Membrana de silicón, metales quirúrgicos porosos.

Poner en línea recta diversos nervios.

Prótesis oído medio.

PMMA; hilo

Reemplazar huesos dañados del oído medio.

Guías percutáneas.

Nylon o dacrón terciopelado, PMMA.

Conducir potencia o electricidad a dispositivos sensoriales.

Prótesis auditivas, prótesis visuales.

Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón; PMMA.

Restauración de oído y visión.

Analgesia eléctrica.

Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón; PMMA.

Eliminar dolor crónico.

Control eléctrico de ataque epiléptico.

Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón.

Conducir señales eléctricas al cerebro.

Estimulación frénica.

Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón.

Control de la respiración eléctricamente.

Control de la vejiga.

Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón.

Estimular la liberación de la vejiga.

(aros).

metálico; proplast (PTFE + fibra de carbón); biovidrio.

Corregir problemas causados por cataratas.

Corazón y sistema cardiovascular Estimulación al miocardio y endocardio (marcapasos de corazón).

Acero inoxidable, contenedores de Ti, goma elástica de silicón, cera epoxi encapsulada; electrodos de Pt o aleaciones Pt-Ir.

Mantener el ritmo cardiaco.

Desviaciones crónicas y catéteres.

Polietileno, revestimientos hidrofílicos.

Auxiliar en hemodiálisis.

Válvulas cardiacas.

Aleaciones Co-Cr; carbón isotrópico a baja temperatura, injertos porcinos; aleaciones de Ti con silastic o discos de carbón pirolítico.

Reemplazar válvulas enfermas.

Prótesis arteriales y vasculares; componentes artificiales del corazón; dispositivos auxiliares del corazón.

Segmentos de poliuretano, goma elástica de silicón o ejes de carbón pirolítico con mallas de dacrón; heparina + GBH o TGBH revestimiento sobre teflón o goma elástica de silicón; PHEMA revestidas con polímeros; dacrón terciopelado, fieltros y tejidos; tejidos de poliolefinas (TP), TP con superficie de gelatina enlazada transversal; tan sólo teflón (PTFE).

Reemplazar arterias dañadas y vasos sanguíneos; reemplazar el corazón.

Reparar y reemplazar el esqueleto

Cadera total artificial, rodilla, hombro, codo, carpo, etcétera.

Vástagos: acero inoxidable 316L; aleaciones Co-Cr; Ti y aleaciones T-Al-V; aleaciones ahuecadas de Co-Cr-Mo-Ni; polietileno de alta densidad y alto peso molecular; alúmina de alta densidad; “cemento” PMMA; alúmina de baja densidad; Reconstrucción artrítica o fractura de polímero poliacetal; recubrimientos de metal-carbón pirolítico; recubrimiento de articulaciones. metal-biovidrio; politetrafluoroetileno poroso (PTFE); recubrimientos de PTFEcarbón sobre metal; fibras de PMMA-carbón, polvos compuestos de PMMAceravital; acero inoxidable poroso; Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti

171

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Dispositivo

Biomaterial

Función

Placas de hueso, tornillos, alambre.

Acero inoxidable 316L; aleaciones Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti; fibra compuesta de polisulfona-carbón; fibra compuesta de biovidrio-metal; compuesto de ácido polilático-ácido poliglicólico.

Reparar fracturas.

Clavos intramedulares.

Acero inoxidable 316L; aleaciones Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti; fibra compuesta de polisulfona-carbón; fibra compuesta de biovidrio-metal; compuesto de ácido polilático-ácido poliglicólico.

Alinear fracturas.

Varillas Harrington.

Acero inoxidable 316L; aleaciones Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti; fibra compuesta de polisulfona-carbón; fibra compuesta de biovidrio-metal; compuesto de ácido polilático-ácido poliglicólico.

Corregir la curvatura crónica de la espina.

Miembros del cuerpo artificiales implantados permanentemente.

Acero inoxidable 316L; aleaciones Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti; fibra compuesta de polisulfona-carbón; fibra compuesta de biovidrio-metal; compuesto de ácido polilático-ácido poliglicólico, además de nylon o dacrón terciopelado sobre silastic para tejido suave con crecimiento interno.

Reemplazar extremidades perdidas.

Separadores y extensores vertebrales.

Al2O3.

Corregir deformidades congénitas.

Fusión espinal.

Biovidrio.

Inmovilizar vértebras para proteger la médula espinal.

Estimulación funcional neuromuscular.

Electrodos de Pt, Pt-Ir; silicón, aislamiento de teflón.

Controlar músculos eléctricamente.

Dental Reposición de hueso alveolar, reconstrucción mandibular.

PTFE carbón

compuesto (proplast); Al2O3 poroso; ceravital; HEMA hidrogel-relleno, apatidentalta porosa; fosfato tricálcico; copolímero PLA/PGA; biovidrio, apatita densa.

Restaurar el soporte alveolar para mejorar la dentadura adecuada.

Implantes de reemplazo de dientes (aletas, anclas, espirales, cilindros en forma natural o con base modificada).

Acero inoxidable, aleaciones Co-Cr-Mo, Ti y aleaciones de Ti, Al2O3, biovidrio, carbón LTl, PMMA, proplast, aluminato de calcio poroso, mineral de MgAl2O4 , carbono vítreo, hidroxiapatita densa.

Reemplazar dientes enfermos, lesionados o no existentes.

Implantes de reemplazo o de dientes subperiósticos.

Acero inoxidable, aleación de Co-Cr-Mo, recubrimientos de carbón LTI .

Soportar el puente de trabajo o directamente dientes sobre el hueso alveolar.

Anclas ortodónticas.

Biovidrio bañado de Al2O3 ; biovidrio bañado de Vittalium.

Proporcionar postes para la aplicación del esfuerzo requerido para cambiar deformidades.

Prótesis para relleno de tejido blando Contorno de cara y prótesis de relleno (nariz, oreja, mejilla).

Reemplazar tejido enfermo, traumatizado o con tumores.

Goma elástica de silicón (silastic), polietileno, fluido, fluido de colágeno disuelto.

Prótesis mamarias.

Gel y goma elástica de silicón, tejido de dacrón, esponja hydrón.

Reemplazar o aumentar el seno.

Hueso para defectos craneales y prótesis de reconstrucción maxilofacial.

Resina acrílica, curada-uniforme; acero inoxidable, aleación Co-Cr, lámina de Ta, polietileno y uretano poliéster cubierto de tereftalato de polietileno recubierto de malla tejida.

Rellenar defectos.

Cartílago articular artificial.

Hidrogel PVA cristalizado y polímeros de poliuretano; PFTE con fibras de grafito (proplast).

Reemplazar los cartílagos deteriorados por artritis.

PTFE, silicón

Miscelánea de tejido suave Uretra, vejiga y pared intestinal artificiales.

Teflón, nylon-poliuretano compuesto; pericardio tratado de bovino; banda elástica Reemplazar tejido dañado. de silicón.

Piel artificial.

Colágeno procesado; membrana de silicón ultradelgada de espuma de policaprolactona (PCA); película PCA compuesta.

Tratamiento en quemaduras severas.

Desviación hidrocefálica.

Cinta elástica de silicón.

Propiciar el drenaje y reducir la presión.

172

Grupo Editorial Patria ®

Dispositivo

Biomaterial

Función

Parches suaves.

Acero inoxidable, malla de dacrón.

Reparar hernias.

Desviaciones internas.

Colágeno modificado; silastic.

Propiciar el acceso rutinario a las unidades de diálisis.

Desviaciones externas.

Silastic-teflón o dacrón.

Propiciar el acceso rutinario para diálisis.

Suturas.

Acero inoxidable, seda, nylon, PGA, dacrón, cuerda de tripa, polipropileno.

Mantener el contacto suave para ayudar a la cicatrización.

Sistemas de liberación de drogas.

Cinta elástica de silicón, hidrogeles de copolímero etileno-acetato de vinilo, PLA/PGA polisacáridos-polímeros de vinil.

Reemplazar drogas progresivamente; inmovilizar enzimas.

Tráquea artificial.

Malla de dacrón poroso-poliéster uretano, malla de Ta, esponja Ivalon y malla de polipropileno.

Reconstrucción de la tráquea.

Actividad experimental

Enlace químico En función de las propiedades de una sustancia, determinará la importancia del enlace y la polaridad de una sustancia en situaciones prácticas de uso común. Consideraciones teóricas Los átomos de un compuesto químico se encuentran unidos entre sí mediante fuerzas de atracción, a las cuales se les denomina enlace químico. La unión de los elementos de la tabla periódica genera moléculas, radicales o iones. Una de las características principales de los gases nobles e inertes es su extrema estabilidad debido a que sus niveles energéticos se encuentran completos. El enlace iónico se forma entre dos átomos, uno positivo (metálico) y otro negativo (no metálico). El enlace covalente puede ser polar, no polar o coordinado. Se realiza entre dos no metales, con sus diferentes variaciones entre cada uno de ellos. También existe el enlace metálico, porque se produce cuando se combina dos o más elementos metálicos. También existe el enlace por puente de hidrógeno que tiene propiedades muy importantes.

Experimento 1 Procedimiento En 4 vasos de precipitados de 100 mL agrega las siguientes soluciones: en el primero, 25 mL de agua destilada; en el segundo, solución de cloruro de sodio; en el tercero, solución de azúcar y en el cuarto, ácido clorhídrico. Mide la conductividad eléctrica introduciendo en cada una de las soluciones las terminales de cobre, cerrando el circuito.

Sustancias „

25 mL de solución de cloruro de sodio

„

25 mL de solución de azúcar

„

25 mL de ácido clorhídrico

„

25 mL de agua destilada

Observa lo que ocurre, anota tus comentarios:

Completa lo siguiente: Sustancia

Solubilidad Benceno Sí/No

Polar/ No polar

Solución de Cloruro de sodio Solución de azúcar Ácido clorhídrico

Compara resultados y comenta las dudas que hayan surgido durante el experimento, retroalimenten la información a fin de contar con el procedimiento correcto.

Material y aparatos „

4 vasos de precipitados de 100 mL

„

1 circuito eléctrico

173

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares Actividad experimental

Experimento 2 Procedimiento Coloca en un tubo de ensayo 3 g de cloruro de sodio y en otro 3 g de vaselina y, en el último 3 g de ácido benzoico; a cada uno agrega 10 mL de agua. Tápalos y agítalos. Observa lo que ocurre. Repite el experimento usando benceno en sustitución de agua, tapa y agita. Material „

6 tubos de ensayo de 15  150 mm

Sustancias „

2 mL de benceno

„

3 g de ácido benzoico

„

3 g de cloruro de sodio

„

10 mL de agua

„

3 g de vaselina sólida

Describe a qué se debe la reacción de cada experimento y qué implicaciones tendrías al mezclar sustancias sin saber cuál va a ser la reacción química que se va a generar, da tu opinión al respecto.

Observa lo que ocurre, anota tus comentarios: Completa el siguiente cuadro: Sustancia

¿Qué tipo de solvente es el agua?

Agua Sí/No

Ácido benzoico

¿Qué tipo de solvente es el benceno? Cloruro de sodio

¿Qué utilidad tiene este experimento?

Vaselina

Actividad experimental

Experimento 3

Sustancias

Procedimiento

„

5 g de cloruro de sodio

En una cápsula de porcelana coloca 5 g de azúcar, sostén la cápsula con las pinzas y acércala a la flama del mechero durante 3 minutos; observa lo que ocurre.

„

5 g de azúcar

„

5 g de almidón

Repite el experimento, pero ahora con 5 g de cloruro de sodio y posteriormente con 5 g de almidón. Observa lo que ocurre en cada caso. Material „

3 cápsulas de porcelana

„

1 pinzas para cápsula

„

1 mechero

174

Solubilidad Benceno Sí/No

Polar/ No polar

Grupo Editorial Patria ®

Procedimiento:

Observa lo que ocurre, anota tus comentarios:

1. Dar a los participantes un trozo de zanahoria y pedirles que lo coman como acostumbran hacerlo. Darles otra porción y pedirles que lo mastiquen hasta que esté bien líquido y entonces lo traguen, Completa el siguiente cuadro: Sustancia

Se fundió Sí/No

Polar/ No polar

Solución de cloruro de sodio

2. Solicitar que describan la sensación que tuvieron al comer la zanahoria lentamente, y cómo creen ellos que será mejor asimilada. 3. El instructor comenta a los participantes que la forma o estilo de comer se relaciona íntimamente con la de asimilar nuevas ideas, nueva información y nuevos conceptos. En grupos de seis alumnos comenten la comparación que existe entre su forma de comer con la de tomar nuevas ideas. Algunos pueden decir: “Trago rápidamente sin masticar”; “mastico rápidamente sin asimilar”; “mastico lentamente antes de tragar”.

Azúcar Almidón

Menciona varios ejemplos de cada sustancia y que tenga que ver productos de uso común en tu hogar, da tu opinión sobre la importancia de cada uno de ellos y el uso correcto que se les debe dar como beneficio de éstos.

4. Comparen estos dos estilos de comer y los efectos que tienen en el organismo: ¿cuál es el mejor? 5. Sugieran al grupo qué autoconcepto podrá tener una persona que come rápidamente o que traga sin masticar y lo hace de la misma manera con las ideas o información. Podrán decir frases como: “Acepto todo lo que me dicen”, “No puedo discriminar”, “Lo tomo tal como viene”, “Soy capaz de decidir qué es lo que acepto o qué rehúso por sí mismo”, etcétera. Anota tus conclusiones:

Actividad formativa TEMA: Confiando en nuestro organismo Material: Una zanahoria por participante. Objetivos: 1. Conocer la diferencia que existe entre integrar nuevas cosas dentro del organismo sin masticarlas, tragándolas, y por otra parte tomar conciencia de ello, saboreándolas, distinguiendo su sabor y textura (se aplica también a ideas y conceptos) y emociones que se reflejan en la autoestima. 2. Comparar los modelos físicos y emocionales que se reflejan en la autoestima. 3. Ayudar a los participantes a entender el significado de consultar al organismo para nuevas informaciones y conceptos.

5.4 Fuerzas intermoleculares Anteriormente se estudiaron las propiedades físicas de los gases en términos de la teoría cinética-molecular. En los gases las moléculas se encuentran muy separadas y en movimiento caótico constante. La energía cinética promedio de las moléculas es mucho mayor que la energía de atracción promedio entre ellas, y esta falta de fuerzas de atracción entre moléculas permite que un gas se expanda para llenar el recipiente que lo contiene. En los líquidos, las fuerzas de atracción intermoleculares tienen la suficiente intensidad para mantener juntas a las moléculas, por ello, son mucho más densos y menos compresibles que los gases. A di175

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

ferencia de éstos, los líquidos tienen un volumen definido, independientemente del tamaño y la forma del recipiente que los contenga. Las fuerzas de atracción en los líquidos no son, sin embargo, tan fuertes como para evitar que las moléculas estén en continuo movimiento. Así, se pueden verter y tomar las formas de sus recipientes. En los sólidos, las fuerzas de atracción intermoleculares son tan fuertes que no sólo mantienen a las moléculas muy juntas unas a otras, sino que ocupan un lugar definido. Los sólidos, como los líquidos, no son compresibles porque hay poco espacio entre sus moléculas y, con frecuencia, éstas toman posiciones de acuerdo con un patrón regular. Como las partículas de un sólido no tienen libertad de movimiento, son rígidos; tienen estructuras muy ordenadas, son cristalinos. El estado de una sustancia depende mucho del equilibrio entre la energía cinética de las partículas y las energías de atracción entre ellas. La energía cinética, que depende de la temperatura, tiende a conservar apartadas y en movimiento a las partículas, las atracciones intermoleculares tienden a mantenerlas unidas. Aquellas sustancias que son gases a la temperatura ambiente tienen atracciones intermoleculares más débiles que las líquidas y éstas, a su vez, tienen atracciones más débiles que las sólidas. Se puede cambiar una sustancia de un estado a otro, calentándola o enfriándola, lo cual cambia la energía cinética promedio de sus partículas. Por ejemplo, el cloruro de sodio (NaCl), que es un sólido a la temperatura ambiente, se funde a 804 °C y hierve a 1 465 °C a una atmósfera de presión. A la inversa, el monóxido de nitrógeno (N2O), un gas a la temperatura ambiente, se licua a −88.5 °C y solidifica a −102.4 °C a una atmósfera. La intensidad de las fuerzas intermoleculares de las diferentes sustancias varía dentro de un amplio margen. A pesar de ello, generalmente son mucho más débiles que los enlaces iónicos o covalentes. Por ejemplo, se requieren sólo 16 kJ/mol para vencer las atracciones intermoleculares entre las moléculas de ácido clorhídrico (HCl) en el estado líquido y lograr su evaporación. En contraste, la energía requerida para romper el enlace covalente y disociar el HCl en átomos de H y de Cl es de 431 kJ/mol. Se requiere menos energía para evaporar un líquido o fundir un sólido que para romper los enlaces covalentes de las moléculas. Así, cuando una sustancia molecular como el HCl cambia de sólido a líquido y a gas, las moléculas permanecen intactas. Muchas propiedades de los líquidos, incluidos sus puntos de ebullición, reflejan la intensidad de las fuerzas intermoleculares. Un líquido hierve cuando se forman dentro de sí burbujas de su vapor. Las moléculas de un líquido deben vencer sus fuerzas de atracción a fin de separarse y formar un vapor. Cuanto más intensas sean dichas fuerzas mayor será la temperatura a la cual hierve el líquido. Del mismo modo, los puntos de fusión de los sólidos aumentan al incrementarse la intensidad de las fuerzas intermoleculares. 176

Se conocen tres tipos de fuerzas de atracción entre las moléculas neutras: fuerzas dipolo-dipolo, fuerzas de dispersión de London, y puentes de hidrógeno. Las dos primeras se llaman también fuerzas de Van der Waals, en honor de Johannes Van der Waals, quien desarrolló la ecuación para predecir la desviación de los gases del comportamiento ideal. Otra clase de fuerza de atracción, la fuerza dipolo-dipolo inducido, tiene importancia en las disoluciones. Como grupo, las fuerzas intermoleculares tienen menos de 15% de la intensidad de los enlaces covalentes o iónicos. Al estudiarlas, se debe observar que cada una es de naturaleza electrostática e implica la atracción entre especies positivas y negativas.

Fuerzas dipolo-dipolo inducido En ciertas ocasiones, una molécula polar (dipolo), al estar próxima a otra no polar, induce en ésta un dipolo transitorio, produciendo una fuerza de atracción intermolecular llamada dipolodipolo inducido. Así, el agua cuya molécula es un dipolo, produce una pequeña polarización en la molécula no polar de oxígeno, la cual se transforma en un dipolo inducido. Esto hace que el oxígeno (O) y el dióxido de carbono (CO2), que son no polares, presenten cierta solubilidad en solventes polares, como el agua. Por ejemplo, el HCl es una molécula polar porque hay una diferencia en las electronegatividades de los átomos de H y Cl. El grado de separación de las cargas en una molécula polar se mide por su momento dipolar, el del HCl es de 1.03 Debyes d). Los iones positivos son atraídos al extremo negativo de un dipolo, en tanto que los iones negativos son atraídos al extremo positivo, como se muestra en la figura. La magnitud de la energía de la interacción depende de la carga del ion (Q), del momento dipolar del dipolo +, y de la distancia del centro del ion al punto medio del dipolo d): E _ Q +/d 2.

Molécula no polar

  Figura 5.15 Fuerzas dipolo-dipolo inducido.

Dipolo inducido o transitorio

Dipolo

Grupo Editorial Patria ®

Fuerzas dipolo-dipolo Las fuerzas dipolo-dipolo existen entre moléculas polares neutras. Las moléculas polares se atraen unas a otras cuando el extremo positivo de una molécula está cerca del extremo negativo de otra, como se ilustra a continuación:

una de la otra que dos partículas que se repelen entre sí. De esta forma, el efecto general es una atracción neta. Al examinar varios líquidos se observa que para las moléculas de masa y tamaño semejante, las energías de las atracciones intermoleculares aumentan cuando la polaridad aumenta. Los puntos de ebullición crecen cuando el momento dipolar se incrementa.

Masas moleculares, momentos dipolares y puntos de ebullición de sustancias Masa molecular (uma)

Momento dipolar + d)

Punto de ebullición (K)

Propano, CH3CH2CH3

44

0.1

231

Éter dimetílico, CH3OCH3

46

1.3

249

Cloruro de metilo, CH3Cl

50

2.0

249

Acetaldehído, CH3CHO

44

2.7

293

Acetonitrilo, CH3CN

41

3.9

355

Sustancias

Figura 5.16 La molécula del agua constituye un ejemplo de molécula polar.

Las fuerzas dipolo-dipolo son efectivas sólo cuando las moléculas polares están muy próximas y, generalmente, son más débiles que las fuerzas ion-dipolo. Cuando dos moléculas polares (dipolo) se aproximan, se produce una atracción entre el polo positivo de una de ellas y el negativo de la otra. Esta fuerza de atracción entre dos dipolos es tanto más intensa cuanto mayor es la polarización de dichas moléculas polares.

Figura 5.17 Un ion en el seno de un disolvente polar como el agua es rodeado por los pequeños dipolos eléctricos que constituyen sus moléculas, las cuales se orientan de modo que la carga del ion sea envuelta por cargas de signo contrario. Si el disolvente es agua, el fenómeno se denomina hidratación. En el caso más general recibe el nombre de solvatación y permite explicar la capacidad de los líquidos polares para disolver sólidos iónicos.

Estas fuerzas de atracción, llamadas dipolo-dipolo, se observan en las moléculas covalentes polares, como el sulfuro de hidrógeno (H2S), el metanol (CH3OH), la glucosa (C6H12O6), etc. Estas sustancias de elevada polaridad se disuelven en solventes polares tales como el agua. En los líquidos, las moléculas dipolares están libres para moverse unas respecto a otras. Algunas veces tendrán una orientación en que se atraen y otras en que se repelen. Dos moléculas que se atraen pasan más tiempo cerca

Fuerzas de dispersión o fuerzas de London ¿Qué clase de fuerzas intermoleculares puede haber entre átomos o moléculas no polares? Desde luego, no pueden ser fuerzas dipolo-dipolo si las partículas son no polares. Puesto que los gases no polares se pueden licuar, ello indica que debe haber alguna clase de fuerzas de atracción entre ellas. El origen de esta atracción la propuso por primera vez en 1930 Fritz London, físico germanoestadounidense. London reconoció que el movimiento de los electrones en un átomo o en una molécula puede crear un momento dipolar instantáneo. Por ejemplo, los átomos de helio. En un conjunto de átomos de helio, la distribución promedio de los electrones alrededor de cada núcleo es esféricamente simétrica. Los átomos son no polares y no poseen momento dipolar permanente. La distribución instantánea de los electrones puede, sin embargo, ser diferente de la distribución promedio. Por ejemplo, si en determinado instante pudiéramos congelar el movimiento de los electrones en un átomo de helio, ambos podrían estar de un solo lado del núcleo. Entonces, justo en ese momento, el átomo podría tener un momento dipolar instantáneo. Como los electrones se repelen uno al otro los movimientos de los electrones de sus átomos vecinos pueden inducir un dipolo similar en un átomo adyacente, ocasionando la atracción de los átomos entre sí. 177

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares punto de ebullición del n-pentano es 27 K superior al del neopentano. La diferencia se puede atribuir a la diversidad en la forma de las dos moléculas. La atracción entre las moléculas es mayor en el caso del n-pentano porque su forma es cilíndrica y tiene un área superficial mayor y, por tanto, una mayor superficie de contacto que el neopentano, molécula de forma casi esférica.

 

Punto de ebullición de los halógenos y de los gases nobles

Figura 5.18 Dos representaciones esquemáticas de los dipolos instantáneos en dos átomos de helio adyacentes, que muestran la atracción electrostática entre ellos.

Esta fuerza de atracción se llama fuerza de dispersión de London (o fuerza de dispersión). Esta fuerza es significativa sólo cuando las moléculas están muy próximas entre sí. La facilidad con la que una fuerza externa distorsiona la distribución de cargas en una molécula se llama polarizabilidad. Cuanto mayor sea la polarizabilidad de una molécula, más fácilmente se puede distorsionar su nube electrónica para dar un dipolo momentáneo, y así, mayor será la energía de las fuerzas de dispersión de London. En general, las moléculas más grandes tienen mayor polarizabilidad porque sus electrones están más alejados de los núcleos. Por consiguiente, la energía de las fuerzas de dispersión de London tiende a aumentar con el incremento en el tamaño molecular. Como el tamaño y el peso molecular son generalmente paralelos, las fuerzas de dispersión tienden a aumentar cuando el peso molecular se incrementa. Así, los puntos de ebullición de las sustancias enumeradas en el cuadro siguiente aumentan con el incremento en el peso molecular. En las moléculas no polares puede producirse transitoriamente un desplazamiento relativo de los electrones originando un polo positivo y otro negativo (dipolo transitorio) que determinan una atracción entre dichas moléculas (el polo positivo de una molécula atrae al polo negativo de la otra, y viceversa). Estas fuerzas de atracción son muy débiles y se denominan fuerzas de London. La forma de las moléculas también juega un papel importante en la magnitud de las fuerzas de dispersión. Por ejemplo, el n-pentano y el neopentano tienen la misma fórmula molecular, C5H12, pero el 178

Halógenos

Punto de ebullición (K)

Gas noble

Punto de ebullición (K)

F2

85.1

He

4.6

Cl2

238.6

Ne

27.3

Br2

332.0

Ar

87.5

I2

457.6

Kr

120.9

Xe

166.1

Las fuerzas de dispersión actúan sobre todas las moléculas, sean polares o no polares, de hecho, las fuerzas de dispersión entre moléculas polares pueden contribuir más a las fuerzas de atracción totales que las fuerzas dipolo-dipolo. Por ejemplo, el hecho de que el punto de ebullición del HBr (206.2 K) sea más alto que el del HCl (189.5 K), indica que las fuerzas de atracción totales son más fuertes para el HBr. La intensidad de las fuerzas de atracción no se puede atribuir a mayores fuerzas dipolo-dipolo, ya que el HBr es menos polar que el HCl (0.79D en comparación con 1.03D). Sin embargo, como el HBr tiene mayor peso y es más polarizable que el HCl, las fuerzas de dispersión son más fuertes para HBr, lo que origina que haya una fuerza de atracción total más intensa para esta molécula. Es difícil hacer generalizaciones acerca de las intensidades relativas de las fuerzas de atracción intermoleculares, a menos que se comparen moléculas ya sean de tamaño y forma similares o de polaridad y forma similares. Si las moléculas tienen tamaño y forma semejantes, las fuerzas de dispersión serán aproximadamente iguales y, por consiguiente, las fuerzas de atracción se incrementan al aumentar la polaridad. Si las moléculas son de polaridad y forma similares, las fuerzas de atracción tienden a incrementarse con el aumento en el peso molecular porque las fuerzas de dispersión son mayores.

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Puente de hidrógeno El enlace por puenteo de hidrógeno es un enlace intermolecular más fuerte que los otros de este tipo (ion-dipolo, dipolo-dipolo y fuerzas de dispersión de London), pero más débil en comparación con la mayoría de los enlaces covalentes o iónicos. La energía necesaria para romper un puente de hidrógeno es alrededor de 5 kcal/ mol; en cambio, se necesitan de 80 a 100 kcal/mol para destruir un enlace covalente. En este enlace un átomo de hidrógeno está enlazado a un átomo pequeño y muy electronegativo (flúor, oxígeno y nitrógeno); este átomo electronegativo atrae al de hidrógeno parcialmente positivo de otra molécula formando un puente que une a las moléculas. Sin los enlaces de hidrógeno no podría existir la vida, ya que a este enlace se debe la propiedad excepcional del agua de tener menor densidad en estado sólido que en estado líquido.

Figura 5.19 Obsérvense los enlaces entre los átomos de H y los de O de moléculas contiguas. El hielo y la nieve, a pesar de su apariencia distinta poseen la misma estructura cristalina.

Como el hielo es menos denso que el agua, flota. Así, al formarse una capa de hielo en los lagos actúa como aislante y protege la capa inferior de agua de la congelación. Si el hielo fuera más denso que el agua líquida, los lagos y los ríos de las regiones frías quedarían totalmente congelados desde el fondo hasta la superficie y morirían los peces y toda la vida acuática. En el mundo biológico el puente de hidrógeno se presenta en las proteínas, cuya estructura en forma de espiral está unida por enlaces de hidrógeno. Este enlace es la fuerza que mantiene unidas a las dos tiras que constituyen la espiral doble del adn. El adn se encuentra en el núcleo de la célula y es el principal depósito de la información genética.

los puentes y la estructura abierta sufren un colapso parcial que ocasiona que las moléculas caigan en los espacios vacíos. El empaquetamiento de las moléculas en el agua líquida es más apretado, ocupa menos volumen que el hielo, y causa que aumente la densidad. La densidad del agua llega a su máximo a 3.98 °C. Por encima de esta temperatura, la expansión debida al movimiento de las moléculas es mayor que la concentración causada por el rompimiento de los puentes de hidrógeno y las moléculas ocupan más espacio. A partir de ese punto el agua se comporta normalmente y su densidad disminuye conforme la temperatura aumenta.

Se debe a la atracción electrostática entre el protón combinado y otro átomo de gran electronegatividad y volumen pequeño. El protón de una molécula atrae hacia él un par de electrones solitarios de un átomo como el carbono c), nitrógeno (N) u oxígeno (O), de una molécula próxima, o a veces de la misma molécula. Este “puente de hidrógeno” no es un verdadero enlace y origina un comportamiento especial de las sustancias que lo presentan. Ejemplos: H2O, HF, CH3OH, adn.

Al subir la temperatura el movimiento de las moléculas aumenta, y el espacio entre ellas crece, provocando la expansión del líquido. Finalmente, los puentes de hidrógeno se rompen al llegar al punto de ebullición. El vapor de agua a más de 100 °C, consiste en moléculas de agua individuales.

Las sustancias con este tipo de enlace tienen puntos de fusión y ebullición elevados, y son líquidos de alto poder de disociación de los cristales iónicos. Un ejemplo interesante es el agua, compuesto líquido a temperatura ambiente, cuando por su fórmula debería ser un gas, según las fórmulas de los hidruros de azufre, selenio y telurio. Al solidificarse el agua y formar hielo presenta una estructura tetraédrica en la que cada átomo de oxígeno está rodeado por otros cuatro y entre dos oxígenos está el hidrógeno. Cada molécula es individual y como resultado de la estructura abierta, el volumen aumenta cuando el agua se congela.

Establece la importancia del puente de hidrogeno y su relación en el comportamiento químico de compuestos de uso diario.

El hielo es menos denso que el agua, porque presenta una estructura abierta con cadenas hexagonales que se asemeja a un panal de abejas. Cuando se funde se rompen algunos enlaces de hidrógeno,

Actividad formativa

Escribe tres propiedades de las sustancias con enlace covalente puro o no polar, señala cómo estas sustancias se pueden aplicar y qué importancia tienen en la vida cotidiana:

Escribe dos ejemplos de sustancias que presenten puentes de hidrógeno y en qué situaciones las podrías utilizar:

179

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Características físicas y químicas del agua El agua es la única sustancia que se presenta en la naturaleza en tres estados físicos. Como líquido se encuentra en mares, ríos, océanos, lagunas y en la lluvia; en forma sólida, en el hielo, el granizo y la nieve, y como gas, en el vapor de agua. Por tanto, el agua se evapora, se condensa, se solidifica y se funde. El agua pura es líquida, incolora, inodora e insípida; hierve a 100 °C a nivel del mar (a una presión de 760 mm Hg) y se congela a 0 °C. En la Ciudad de México el agua hierve a 93 °C, es decir, siete grados menos que a nivel del mar; esto se debe a que se encuentra a una altura de 2 240 m sobre el nivel del mar (con una presión de 585 mm Hg). La mayor densidad del agua se alcanza a 4 °C, y es de 1 g/mL; en otras palabras, un mililitro de agua equivale a un gramo de agua, por lo que un litro de agua equivaldrá a un kilogramo de agua. Su calor específico es de 1 caloría por grado por gramo; es decir, un gramo de agua elevará su temperatura un grado Celsius cuando se le suministre una cantidad de energía en forma de calor equivalente a una caloría. Como se puede observar, no todas las propiedades físicas del agua tienen por valor numérico el 1. Después del aire, el agua es la sustancia más abundante sobre la Tierra. Es el único compuesto líquido con masa molecular baja (18 uma). Su forma sólida (hielo) es menos densa que la líquida, característica excepcional que permite que los peces y otros organismos acuáticos sobrevivan durante el invierno en las zonas frías. Si el hielo fuese más denso que el agua líquida, se hundiría y provocaría una congelación total desde la superficie hasta el fondo, con la consecuente desaparición de la vida acuática. Un gramo de hielo ocupa mayor volumen que un gramo de agua, de manera que cuando se forman cristales de hielo en células vivas, su expansión las rompe y las destruye. Cuanto menor es la tempe-

Figura 5.21 La refrigeración reduce el crecimiento de microorganismos que descomponen alimentos.

ratura, los cristales de hielo son más grandes y peor el daño celular. La industria de la congelación de alimentos tiene en cuenta esta propiedad del agua. El alimento se congela en forma “ultrarrápida”; es decir, con tanta rapidez que los cristales de hielo formados son muy pequeños y el daño que causan a la estructura celular de los alimentos es mínimo. Otra propiedad poco común del agua es su elevada capacidad calorífica. Se necesita una caloría para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 °C, lo que equivale a 10 veces la energía requerida para elevar 1 °C la temperatura de la misma cantidad de hierro (Fe). Esta energía se llama calor específico. La razón por la cual los utensilios de cocina se fabrican de hierro, cobre, aluminio o vidrio, es que estos materiales tienen calores específicos bajos; en consecuencia, se calientan rápidamente. Los mangos de las sartenes se hacen de madera o de plástico porque estos materiales tienen calores específicos elevados, de manera que cuando se exponen al calor, su temperatura se eleva más lentamente. La elevada capacidad calorífica del agua significa no sólo que se requiere mucha energía para elevar su temperatura, sino también que

Figura 5.20 Los copos de nieve son cristales pequeñísimos que se forman sobre la superficie de cualquier polvo (o hielo) en la atmósfera superior, cuando el vapor de agua pasa directamente a sólido.

180

Figura 5.22 ¡Sólo el 3% del agua total del planeta es apta para el desarrollo de la vida terrestre!

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Calor específico de algunas sustancias comunes Sustancia

Calor específico (Cal/g °C)

Actividad experimental

Determinación del punto de ebullición del agua Con la dirección de su maestro reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y resuelvan la siguiente actividad. Contesten las preguntas. Elaboren un informe escrito donde analicen los resultados y presenten las conclusiones. Expónganlo ante sus compañeros de grupo, de forma ordenada y colaborativa.

Agua (líquida)

1.0

Agua (sólida)

0.5

Alcohol etílico

0.54

Objetivo

Madera

0.42

Determinar a qué temperatura hierve el agua.

Vidrio

0.12

Materiales

Hierro

0.11

Aluminio

0.21

Cobre

0.09

Plata

0.06

Oro

0.03

„ „ „ „ „ „ „ „ „

el agua cede mucho calor cuando experimenta una disminución de temperatura, aunque sea pequeña. Las enormes cantidades de agua en la superficie de la Tierra actúan como un termostato gigante para moderar las variaciones diurnas de temperatura. A fin de apreciar la importancia de esta propiedad del agua basta considerar los cambios de temperatura extremos en la superficie de la Luna, carente de agua. La temperatura de la Luna varía de poco más de los 100 °C hasta casi –175 °C, una diferencia de 275 °C. En la Tierra la variación oscila de –50 °C hasta 50 °C, una diferencia de sólo 100 °C. Además, el agua tiene mayor densidad que muchos líquidos comunes, incluyendo los derivados del petróleo; algunos de ellos al ser insolubles en agua flotan sobre la superficie de ésta. Esto ha causado enormes daños al ambiente en los últimos años. Por ejemplo, los gigantescos derrames de petróleo que ocurren cuando se fractura un buque-tanque o cuando un pozo petrolero queda fuera de control, producen una capa oleosa sobre la superficie del agua. El aceite cubre las plumas de las aves acuáticas y la piel de los animales marinos y en ocasiones se deposita en las playas, donde produce daños ecológicos considerables. Si el petróleo fuese más denso, se hundiría; por lo que Figura 5.23 El derrame de petróleo en el mar el problema sería de naturaleza perjudica enormemente a la fauna diferente, mas no necesariamente acuática. menos dañino.

„

Soporte universal Termómetro de 0 a 120 °C Anillo de hierro Mechero de Bunsen o lámpara de alcohol 2 pinzas de nuez Agua de la llave Malla o tela de alambre con asbesto Sal de cocina o de mesa (de polvo o grano) Matraz de fondo plano Erlenmeyer, o un vaso de precipitados 1 varilla

Material alternativo „

1 recipiente de vidrio que soporte el calentamiento del agua.

Procedimiento ¡PRECAUCIÓN! Manejen con cuidado el mechero o la lámpara de alcohol, los materiales de vidrio y el termómetro. No toquen el anillo de hierro una vez calentado. Tengan cuidado con el agua caliente. 1. Monten el aparato como se muestra en la figura; asegúrense de que todos los materiales estén sujetos correctamente.

Varilla Hilo

2. Dentro del matraz viertan aproximadamente 250 mL de agua de la llave.

Termómetro

3. Cuelguen el termómetro con un hilo amarrado a una varilla. Si es posible acoplen un tapón de hule al termómetro que va en el matraz.

Matraz balón de fondo plano

4. Calienten el agua hasta que empiece a hervir. Observen cuidadosamente el valor que marca el termómetro.

Manguera

Agua de la llave

Mechero

160

Soporte universal

181

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Algunas propiedades químicas del agua ¿Qué valor obtuvieron en la temperatura de ebullición del agua? °C. ¿Por qué la temperatura no aumenta después de alcanzar el punto de ebullición?

Si viven en lugares cercanos al mar, ¿qué valor del punto de ebullición del agua se obtiene?

Químicamente, el agua existe en forma de moléculas compuestas por dos átomos de hidrógeno unidos a uno de oxígeno por medio de enlaces covalentes. Se dice que la molécula del agua tiene una forma angular, ya que al estar unidos con el oxígeno sus dos átomos de hidrógeno forman un ángulo de 104.5°. Los enlaces covalentes implican compartir electrones entre el hidrógeno y el oxígeno. El oxígeno atrae los electrones con mayor fuerza que el hidrógeno, por lo que se forma una molécula polar en la que el oxígeno tiene una carga parcial negativa y el hidrógeno, una carga parcial positiva.

Si viven en lugares muy altos con respecto al nivel del mar, ¿el punto de ebullición del agua aumenta o disminuye?

¿A qué se debe esta variación?

Repitan el experimento anterior, pero agreguen al agua una o dos cucharadas de sal común. ¿A qué temperatura hirvió el agua?

°C.

¿Cómo resultó esta temperatura con respecto al agua simple? ¿Por qué?

Figura 5.24 Enlace covalente polar en la molécula de agua. El ángulo de 104.5° corresponde al formado por los átomos de hidrógeno y del oxígeno.

¿Qué función realiza la sal común en el agua?

Esto quiere decir que las moléculas polares tienen un extremo positivo y otro negativo al igual que un imán. La polaridad de las moléculas del agua explica algunas de sus propiedades singulares; por ejemplo, que se desvíe de su trayectoria al acercarle un imán potente.

Da tu opinión sobre el procedimiento que llevaste a cabo y los resultados que obtuviste al realizar la práctica, menciona la importancia que esto tiene en tu vida diaria.

El agua tiene propiedades conocidas por la mayoría de las personas; por ejemplo, en estado puro es incolora, inodora e insípida, y es el único compuesto químico de la naturaleza que se puede presentar en los tres estados de agregación: sólido (nieve); líquido (mar) y gas (nubes). Como el agua es un agregado de moléculas unidas por puentes de hidrógeno, para separarlas se necesita aplicar energía extra; por eso tiene puntos de fusión y ebullición más altos que los esperados. La mayoría de las sustancias se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. El agua se rige por este comportamiento, pero a 4 °C ya no se contrae, sino que comienza a expandirse. Si se enfría todavía más se congela formando “hielo”; de pronto

182

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Figura 5.25 Representación de la molécula del agua.

comienza a expandirse 10% para formar un sólido que es menos denso que el agua líquida de la cual se formó. Las moléculas que forman el hielo están todavía más separadas de lo que estaban en la forma líquida. La naturaleza polar de las moléculas del agua permite explicar algunas otras de sus propiedades, como su capacidad para disolver muchas sustancias, su tensión superficial y la acción capilar. El agua que se obtiene como producto de la combustión del hidrógeno y del oxígeno es sumamente estable, porque para descomponerla es necesario restituirle la energía que desprendió al formarse. Para disociar su molécula se requieren temperaturas mayores a los 2 500 °C, o bien, se puede recurrir a la electrólisis, que consiste en pasar corriente eléctrica a través del agua.

A una temperatura superior a 374 °C el agua es un gas perfecto; esto significa que sus moléculas se mueven con tal energía que no se puede transformar en un líquido. Se le denomina vapor cuando puede licuarse por simple presión. La presión a la que se licua al llegar a 374 °C, es de 274 atmósferas (1 atmósfera a nivel del mar equivale a 760 mm Hg). A estas medidas se les denomina presión y temperatura críticas.

5.27

Agua Figura 5.27 Al aplicar energía eléctrica al agua, ésta se descompone en los elementos que la forman: oxígeno e hidrógeno.

La masa molar del agua es de 18 g; 16 g por el oxígeno y 1 g por cada mol de átomos de hidrógeno. Existe el agua pesada, también llamada deuterada, cuya masa molar es de 20 g, ya que consta de hidrógeno pesado o deuterio, cuyo átomo tiene una masa de 2 uma igual a 2 g. El agua pesada es más inerte que el agua común y los seres vivos que la consuman se verían afectados por esto. A pesar que el D2O (agua pesada) se parece químicamente al H2O en todos los aspectos, es una sustancia tóxica. Esto sucede porque el deuterio es más pesado que el hidrógeno; así que sus compuestos a menudo reaccionan más lentamente que los del isótopo más ligero. Beber con regularidad D2O en vez de H2O podría ser fatal, debido a la menor velocidad de transferencia del D comparada con la del H. El agua reacciona con muchas sustancias formando nuevos compuestos; por ejemplo, al reaccionar con el dióxido de carbono (CO2) produce el ácido carbono (H2CO3). CO2(g)  H2O(l)

Figura 5.26 Formación de puentes de hidrógeno entre moléculas de agua.

Oxígeno

Hidrógeno

H2CO3(l)

Figura 5.28 El agua pesada es más inerte que el agua común debido al deuterio (isótopo del hidrógeno) cuyo mol tiene una masa de 2 uma.

183

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Reacción de los metales con el agua

Propiedades del H2O y D2O Propiedad Masa molecular (g/mol) Punto de fusión (ºC) Punto de ebullición (ºC) Densidad a 4 ºC (g/cm3)

H2O

D2O

18

20

0

3.8

100

101.4

1.0

Metal

1.1

En general, los metaloides (boro, B; aluminio, Al; silicio, Si; germanio, Ge; arsénico, As; antimonio, Sb; teluro, Te; polonio, Po), no reaccionan con el agua.

Sodio, potasio, calcio

Reaccionan con agua fría

Magnesio

Reacciona con agua caliente

Aluminio, cinc, hierro

El metal caliente reacciona con vapor de agua

Plomo, cobre, plata, oro

No reaccionan

Cuando el agua reacciona con el sodio (Na), se forma hidróxido de sodio (NaOH) y se desprende hidrógeno (H2).

El cloro (Cl) y sus homólogos flúor (F), bromo (Br), etc., reaccionan formando ácidos, ácido clorhídrico (HCl); ácido bromhídrico (HBr); ácido yodhídrico (HI); ácido fluorhídrico (HF).

2Na(s)  2H2O(l)

2NaOH(l)  H2(g)

Con los no metales activos, como el flúor (F2), se produce ácido fluorhídrico (HF) y se libera oxígeno (O2):

Cuando el agua reacciona con el cloro (Cl2), se forma ácido hipocloroso (HClO) y ácido clorhídrico (HCl). Cl2(g)  H2O(l)

Reacción con el agua

2F2(g)  2H2O(l)

HClO(l) + HCl(g)

4HF(l)  O2(g)

Otros compuestos que presentan puente de hidrógeno:

Propiedades físicas del agua y otros compuestos de hidrógeno con los elementos del grupo VIA Fórmula

Color

Masa molar

Punto de fusión (ºC)

Punto de ebullición (ºC)

Calor de fusión J/g (cal/g)

Calor de evaporación J/g (cal/g)

H2O

Incoloro

18.0

0.00

100.0

335 (80.0)

2.26  103 (540)

H2S

Incoloro

34.1

–85.5

–60.3

69.9 (16.7)

548 (131)

H2Se

Incoloro

81.0

–65.7

–41.3

31 (7.4)

238 (57.0)

H2Te

Incoloro

129.6

–49

–2

------------

179 (42.8)

Características de las moléculas de importancia biológica que presentan un puente de hidrógeno En la actualidad es fundamental el estudio de las sustancias químicas llamadas macromoléculas por el gran tamaño y peso de las mismas. Se conocen dos tipos de dichas moléculas: las naturales y las sintéticas. Dentro de las naturales se encuentran los carbohidratos, los lípidos y las proteínas, las cuales forman parte de los seres vivos. 184

La función principal de los carbohidratos es aportar energía al organismo. Los lípidos representan una fuente de energía, constituida por las grasas y aceites de origen vegetal y animal. Cuando los átomos son de distintos elementos, los electrones se acomodan más cerca del átomo que tiene más afinidad hacia ellos; a la tendencia de los átomos de atraer los electrones en un enlace se le conoce como electronegatividad. Los elementos de mayor electronegatividad atraen con más fuerza los electrones de los elementos menos electronegativos.

Grupo Editorial Patria ® Hay uniones especiales que no pueden considerarse como un enlace propiamente dicho, su importancia radica en que intervienen en la estructura de moléculas tan importantes como lo son los ácidos nucleicos, las proteínas, las grasas, el agua, etc.; estas uniones se conocen como puentes de hidrógeno, se establecen entre un átomo de hidrógeno unido en enlace covalente a un átomo muy electronegativo (por ejemplo flúor, nitrógeno, oxígeno) y otro átomo menos electronegativo. Por ejemplo, el agua está formada por un átomo de oxígeno (muy electronegativo) y dos átomos de hidrógeno (muy poco electronegativos). Esto propicia que el oxígeno atraiga los electrones del enlace hacia él, con lo que el hidrógeno pierde parcialmente sus electrones adquiriendo una carga parcial positiva y el oxígeno una carga parcial negativa que se representan (b) y (b), respectivamente; esto quiere decir que no son cargas por completo positivas o negativas. Nb

Nb Ob

Nb

Nb Ob

Nb

Ob Nb

Figura 5.29 Representación del arreglo plano en las proteínas.

Nb Ob Nb

Gracias a los puentes de hidrógeno el agua se comporta como un líquido a temperatura ambiente; si no existieran estos puentes, las moléculas de agua se atraerían con menor fuerza y sería muy fácil separarlas. En los compuestos orgánicos de importancia biológica y su estructura química basada en el puente de hidrógeno se tienen: proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos. Las proteínas son polímeros de moléculas más pequeñas llamadas aminoácidos. Hay 20 aminoácidos distintos. La estructura típica de un aminoácido es un carbono alfa unido a un hidrógeno, un grupo amino, un grupo carboxilo y una cadena lateral R que es distinta en cada uno de los 20 aminoácidos que existen. Los aminoácidos se unen entre sí por una reacción de deshidratación entre el grupo amino de un aminoácido y el carboxilo del otro en lo que se llama un enlace peptídico, para formar las largas cadenas polipeptídicas que forman las proteínas. Los ácidos nucleicos son el adn y el arn. También son polímeros de moléculas más pequeñas llamadas nucleótidos. La estructura química de un nucleótido consiste en un grupo fosfato unido a un azúcar de 5 carbonos (pentosa) que puede ser una ribosa o una desoxirribosa y ésta a su vez está unida a una base nitrogenada que puede ser una purina (2 anillos) o una pirimidina (1 anillo). Los nucleótidos se unen entre sí por uniones fosfodiester para formar los ácidos nucleicos.

Los hidratos de carbono o polisacáridos son polímeros de moléculas más pequeñas llamados monosacáridos. Los monosacáridos son aldehídos y cetonas con más de una función alcohol en carbonos diferentes. Responde a la fórmula molecular Cn(H2O)n, donde n es un número entero, por lo general 5 y 6. Los monosacáridos de 5 y 6 carbonos se llaman pentosas y hexosas. La glucosa, la manosa y la galactosa son aldohexosas. La fructosa es una cetohexosa. Los monosacáridos se asocian entre sí por reacción de deshidratación para formar uniones glucosídicas. Existe gran variedad de lípidos. Los ácidos grasos consisten en un grupo carboxilo y una larga cadena hidrocarbonada. Los ácidos grasos por esterificación con el glicerol forman los triglicéridos. Un grupo muy diverso de proteínas contiene estructuras hélice-α: las queratinas, que es un grupo de proteínas fibrosas poseen estructuras que están básicamente compuestas por esta estructura secundaria. Estas proteínas son los componentes mayoritarios del pelo y la piel. La rigidez de estos tejidos depende de la presencia de puentes disulfuro en las proteínas. A diferencia de las queratinas, la hemoglobina posee sólo 80% de hélice-α y es una proteína globular y flexible. Una hélice-α está estabilizada por puentes de hidrógeno entre los oxígenos de los grupos carbonilo del enlace peptídico y los hidrógenos de las amidas que son parte del esqueleto del polipéptido (véase figura anterior). Los puentes de hidrógeno se forman desde el grupo carbonilo de un enlace peptídico hasta el hidrógeno de la amida del cuarto enlace peptídico siguiente (o anterior en la parte 185

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares Actividad

Funciones de las proteínas Proteínas estructurales

Funciones

¿Cómo se limpian las monedas?

Insolubles en agua:

Localizadas en:

Colágenos

Tejido conjuntivo

Con la guía de tu profesor, intégrense de forma organizada en equipos de 4 o 5 compañeros. Realicen esta actividad en casa y contesten las preguntas correspondientes.

Elastinas

Tendones y las arterias

Actividad

Miocinas

Tejidos musculares

Coloquen una moneda de cobre manchada dentro de un vaso, agreguen jugo de limón y observen el resultado.

Queratinas

Pelo y uñas Proteínas globulares

Se pueden dispersar en soluciones acuosas:

Localizadas en:

Albúminas

Sangre

Globulinas

Toman parte en el transporte del oxígeno a todo el cuerpo (hemoglobina) y en la defensa del organismo contra las enfermedades (gammaglobulina) Proteínas conjugadas

Complejos de proteínas enlazadas a otras moléculas:

Localizadas en los complejos de:

Nucleoproteínas

Proteínas y ácidos nucleicos

Lipoproteínas

Proteínas y lípidos

Fosfoproteínas

Proteínas y compuestos fosforados

Cromoproteínas

Proteínas y pigmentos (es decir, hemoglobina)

¿Qué ocurre?

media de la hélice), esto le da a la estructura su carácter helicoidal. De tal forma que todos los residuos que participan en la hélice están unidos por puentes de hidrógeno. La hoja beta es otra forma de estructura secundaria en la cual todos los componentes del enlace peptídico están involucrados en la formación de puentes de hidrógeno. Las superficies de las hojas beta aparecen plegadas y, por tanto, a menudo se les denomina como “hojas beta plegadas”. Cuando se realizan ilustraciones de esta estructura secundaria en la proteína, se representa con flechas anchas. Los cinco elementos que existen en la mayor parte de las proteínas naturales son carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre. Hay una amplia variación en la cantidad de azufre de las proteínas. La gelatina, por ejemplo, contiene aproximadamente 0.2%, en contraste con 3.4% en la insulina.

186

Ahora, tomen un poco de sal de mesa y añádanla al vaso. ¿Qué le pasó a la moneda?

Grupo Editorial Patria ® Actividad formativa con ǫǠǚ Repitan el experimento anterior agregando únicamente sal. ¿Qué sucedió?

Investiguen qué otros ácidos caseros se pueden utilizar mezclados con la sal en lugar del jugo de limón. Anótenlos a continuación:

I.

Utilizando el Internet contesta las siguientes preguntas: 1. Metal reactivo con alto punto de fusión. Se emplea en la fabricación de conos para la punta de los cohetes debido a su baja densidad y notable resistencia.

2. Metal reactivo, plateado, que sigue al sodio en abundancia en el agua de mar. Debido a su baja densidad y alta resistencia, sus aleaciones se emplean en los rines de autos deportivos.

3. Metal blando y pesado que se emplea en balas y baterías de automóviles.

Repitan el experimento utilizando vinagre (ácido acético).

4. Con el punto de fusión más elevado de todos los elementos puros, constituye el filamento de los focos. Su símbolos es de una sola letra.

¿Se puede quitar el óxido de esta manera? ¿Por qué? 5. Metal que se emplea para fabricar acero inoxidable.

6. Este metal se emplea en detectores de incendio por su bajo punto de fusión, así como en fusibles eléctricos.

7. Elemento metálico, amarillo y no reactivo, apreciado en alto grado desde la antigüedad por su belleza y durabilidad.

Comprueben si es posible limpiar monedas de níquel u otros metales. Representen en hojas de rotafolio sus conclusiones para exponerlo en clase, explicar por qué es tan importante saber la composición de diversas sustancias y cómo impacta en tu vida actual. Elaboren sus conclusiones sobre la actividad, cada integrante proporcionará su opinión e ideas a las que haya llegado.

8. Es uno de los tres elementos magnéticos. Este metal se emplea en monedas, en galvanoplastia y en el alambre de nicromel.

9. Es el metal más abundante en la corteza terrestre, este elemento de color blanco plateado se caracteriza por su baja densidad y resistencia a la corrosión.

10. Metal suave, altamente reactivo. Sus compuestos incluyen sal de mesa, sosa cáustica y bicarbonato.

187

5 II.

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Instrucciones: En la siguiente fórmula electrónica indica los tipos de enlaces que se presentan, con base en la diferencia de electronegatividades de los elementos; además, escribe su correspondiente fórmula condensada: •• • O• ••

Electronegatividad: Na = 0.9 P = 2.2

••

++

(1) ••

Na + • O + • P + • O • + Na ••

O = 3.5

•+

••

• • O • • (2) •+

Na Tipo de enlace:

(3)

(1)

VI. ¿Cómo determinaste y seleccionaste las páginas web para obtener resultados confiables y correctos? VII. Busca en la siguiente sopa de letras los nombres de algunos medicamentos y escríbelos en la tabla que aparece a la derecha. Indica su efecto. X

H

J

P

D

S

G

H

J

K

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O

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S

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F

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C

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L

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Z

X

L

C

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N

G

J

R

H

G

I

F

G

S

F

A

P

(2) (3) (4) Fórmula condensada III. Instrucciones: Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda.

L

W

E

R

T

P

Y

U

I

O

A

Q

A

N

T

I

B

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S

(

N

B

S

M

Z

T

C

H

C

L

G

Q

(

(

(

)

)

)

)

Es un átomo que presenta carga eléctrica: a) Valencia

c) Electronegatividad

A

V

E

X

S

N

A

Ñ

K

J

R

F

b) Número de oxidación

d) Ion

P

R

U

N

Ñ

A

O

V

T

S

P

R

Enlace en el que los electrones se comparten entre un metal y un no metal: a) Polar

c) Coordinado

b) No polar

d) Iónico

El número de oxidación del azufre en el compuesto Na2SO4 es: a) +6

c) +12

b) +2

d) −3

De los siguientes grupos, ¿cuál es el que tiene los elementos más electropositivos? a) K, Rb, Sr, Bi

c) Ca, Mg, Li, Be

b) Fr, Cs, Ba, Al

d) F, O, Cl, N

IV. Comenta en clase tus resultados y avala la información con datos de procedencia legal. V.

¿Qué conocimientos debes dominar para hacer buen uso de la información que investigaste?

188

Tipo de medicamento

Efecto

Grupo Editorial Patria ®

Completa la siguiente tabla anotando el nombre comercial de los medicamentos que se indican, consulta en páginas web confiables y de procedencia oficial. Tipo de medicamento

Nombre comercial

Ácido acetil salicílico Oxalamina Cloranfenicol Bactrim Metamizol sódico Benzocaína Bromofeniramina Pseudoefedrina Acetominofén Paracetamol

189

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Evaluación sumativa Con el propósito de que demuestres los saberes que has adquirido durante el desarrollo del Bloque, a continuación se presentan actividades que permiten evidenciar los aprendizajes logrados, para ello responde lo que se indica.

I. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la derecha. 1. Un postulado de la teoría cinético-molecular es:

( )

a) Cuando las moléculas del gas chocan, pierden energía. b) Las moléculas no chocan unas con otras. c) El gas está formado por diminutas partículas llamadas átomos o moléculas. d) Las moléculas de un gas se mueven en una sola dirección. 2. Enlace donde ocurre una transferencia de electrones de un átomo a otro: a) Covalente coordinado

b) Covalente polar

( )

c) Iónico

d) Metálico

3. En el enlace covalente no polar, los átomos:

( )

a) Al compartir electrones lo hacen con la misma intensidad. b) Al compartir electrones lo hacen con diferente intensidad. c) No comparten electrones con la misma intensidad. d) Transfieren sus electrones. 4. Enlace en donde son cationes ordenados que comparten cargas sumergidas en un mar de electrones: a) Por puente de hidrógeno

b) Covalente polar

c) Metálico

( )

d) Iónico

5. Representa la fórmula condensada de un compuesto: a) RbI

b) Rb-I

( )

c) Rb-I ++

d) Rb-I **

c) K–I

×× d) K•× I ×× ××

6. Es la fórmula de Lewis o electrónica de un compuesto: a) KI

b) K–I++

( )

7. La carga eléctrica que presenta un elemento dentro de un compuesto se llama: a) Valencia

b) Número de oxidación

c) Electronegatividad

( )

d) Ion

8. Enlace en el que los electrones se transfieren totalmente de un átomo a otro: a) Polar

b) No polar

c) Coordinado

( )

d) Iónico

9. El número de oxidación del cromo en el compuesto K2Cr2O7 es: a) 6

b) 2

( )

c) 12

d) 3

10. De los siguientes grupos, ¿cuál es el que tiene los elementos más electronegativos? a) K, Rb, Sr, Bi

190

b) Fr, Cs, Ba, Al

c) Ca, Mg, Li, Be

( )

d) F, O, Cl, N

Grupo Editorial Patria ®

11. Los compuestos que presentan este tipo de enlace son buenos conductores de corriente eléctrica cuando están en solución acuosa: a) Covalente polar

b) Covalente no polar

c) Iónico

b) Covalente no polar

c) Iónico

b) Covalente polar

c) Iónico

(

)

d) Puente de hidrógeno

13. Es el enlace que se forma cuando uno de los elementos “dona” el par de electrones: a) Covalente coordinado

)

d) Metálico

12. Este tipo de enlace se forma generalmente por dos elementos no metálicos, que comparten pares de electrones: a) Covalente polar

(

(

)

d) Metálico

14. Expresa que los átomos al reaccionar entre sí tienden a completar la estructura del gas noble más próximo en la tabla periódica. ( ) a) Polaridad

b) Regla del octeto

c) Estructura de Lewis

d) Fuerza intermolecular

15. Es la mínima unidad que presenta las propiedades de un compuesto: a) Átomo

b) Mezcla

c) Molécula

b) Semidesarrollada

c) Condensada

b) Iónico

c) No polar

b) H2O, CO2

c) H2SO4 , HNO

b) H2SO4

c) HBr

(

)

(

)

(

)

d) MgCl2

19. Es un ejemplo de enlace covalente coordinado: a) HCl

)

d) Coordinado

18. Son ejemplos de enlace covalente no polar: a) H2O2

(

d) Gráfica

17. Enlace químico que se lleva a cabo entre metales y no metales por transferencia de electrones: a) Polar

)

d) Compuesto

16. Fórmula que indica la clase y el número de átomos que constituyen la molécula de un compuesto. a) Desarrollada

(

d) NaOH

II. Completa lo que se te indica en el cuadro siguiente: Compuesto

Estructura de Lewis

Número de oxidación para el:

H2SO4

Azufre

NaClO

Cloro

Nombre

191

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

III. Contesta brevemente cada una de las siguientes preguntas:

5. ¿Qué es la polaridad molecular?

1. ¿Qué establece el principio de incertidumbre que enunció en 1926 el físico alemán Heisenberg?

6. Nombra cinco materiales nuevos, con sus características de fabricación y usos principales: 2. ¿Qué entiendes por electronegatividad?

a)

b)

3. ¿Qué establece la regla del octeto propuesta por G. Lewis? c)

d) 4. ¿Qué es la geometría molecular?

e)

192

Grupo Editorial Patria ®

Guía de observación Equipo integrado por:

Grupo:

Fecha de aplicación: Hora de inicio:

Hora final:

Propósito: Reconocer los logros del estudiante en el desarrollo de habilidades y actitudes al realizar las actividades planteadas en clase. Instrucciones: 1. Leer eer con atención lo que se indica y atender conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando se haya terminado, responder e indicar sí o no lo realizó y ¿por qué?, según corresponda a la respuesta seleccionada. Logrado Sí No

¿Por qué?

Habilidades

Demuestra los electrones de valencia, mediante la representación de Lewis. Identifica enlaces iónicos y covalentes de acuerdo a lo establecido. Explica las propiedades de los metales de acuerdo a los elementos teóricos desarrollados. Demuestra las características del enlace iónico, covalente y metálico. Detalla la importancia del uso de los puentes de hidrogeno en compuestos de los seres vivos. Actitudes

Muestra un pensamiento crítico, a partir del planteamiento de sus ideas. Es consciente ante los acontecimientos de su entorno. Muestra disposición al trabajo colaborativo. Desempeños

Aprecia la utilidad de los enlaces químicos en sustancias de su entorno Representa la electronegatividad a partir del planteamiento teórico. Relaciona los tipos de enlaces con sus propiedades macroscópicas. Demuestra la importancia de los puentes de hidrogeno. Logros obtenidos.

Acciones para fortalecer los aprendizajes.

193

5

Enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Lista de cotejo Equipo integrado por: Propósito: Reconocer los logros del estudiante en el desarrollo de habilidades y actitudes al realizar las actividades planteadas en clase. Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: 1. Leer con atención lo que se indica y atender conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando se haya terminado, responder e indicar sí o no se ha logrado, o bien está en proceso de desarrollarlo.

Logrado Sí No Contenidos

1. Demuestra dominio de los conocimientos al realizar la actividad. 2. La información que indican está de acuerdo al desarrollo de las teorías previamente revisadas. 3. Efectúa correctamente el procedimiento establecido. 4. Establece la relación entre los conceptos y el experimento realizado. 5. Plantea hipótesis y las comprueba mediante los experimentos. Desempeños

6. Utiliza correctamente los materiales del laboratorio. 7. Propone diversas formas de solucionar un problema. 8. Contribuye al logro de resultados. 9. Argumenta la importancia de las prácticas como proceso de comprensión de los conocimientos desarrollados. 10. Elabora conclusiones y argumenta bajo criterios teóricos - prácticos.

Acciones para mejorar en el desarrollo de actividades experimentales.

194

¿Por qué?

Grupo Editorial Patria ®

Autoevaluación Nombre del estudiante: Propósito: Reflexionar sobre mis competencias desarrolladas y logro de los aprendizajes esperados. ¿Para qué me sirve la autoevaluación? ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Es una herramienta muy valiosa para reflexionar sobre el desarrollo de competencias. Establecer acciones que favorezcan mi proceso de aprendizaje. Reconocer mis acciones ante diversas situaciones, además de saber cómo me perciben las personas que me rodean. Proporciona elementos para fortalecer mis desempeños e intervenir ante dificultades de aprendizaje que se presenten. Permite conducirme de manera responsable, respetuosa y empática hacia mis semejantes. Favorece habilidades y actitudes que van dirigidas al desarrollo de competencias. Fomenta al diálogo, para la retroalimentación y conclusión de actividades.

Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: 1. Lee con atención lo que se indica y atiende conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando hayas terminado, responde e indica sí o no cumpliste, o bien estás en proceso de desarrollarlo.

Conocimientos

Logrado Sí No

Considero que está en proceso porque…

Realicé las actividades conforme a las indicaciones establecidas. Seleccioné fuentes de información confiable, actualizada y de instituciones oficiales. Ordené la información conforme a categoría y jerarquías. Anoté las referencias de las fuentes de información consultada. Resalté la información que complementa los conocimientos desarrollados. Aporté elementos importantes que fueron útiles para retroalimentar los conocimientos adquiridos. Expuse mis ideas de forma clara, coherente y sintética. Valoré la importancia de los conocimientos desarrollados y su práctica en la vida cotidiana. Me relacioné con los demás de forma colaborativa. Reconocí mis emociones para comunicarme de manera asertiva. ¿Qué aprendí durante el desarrollo del bloque?

¿Qué debo mejorar?

Mis conclusiones son:

195

BLOQUE

6

Nomenclatura de compuestos inorgánicos Propósito Emplea diferentes compuestos inorgánicos a través del lenguaje y simbología química, promoviendo el uso y manejo correcto de los productos químicos, mediante la aplicación de normas de seguridad.

20 horas

Conocimientos 6.1

Nomenclatura UIQPA y común de los compuestos inorgánicos: ƒ Óxidos metálicos ƒ Óxidos no metálicos ƒ Oxiácidos ƒ Hidrácidos ƒ Hidróxidos ƒ Hidruros ƒ Sales binarias ƒ Sales terciarias

Aprendizajes esperados

Habilidades

ƒ Usa el lenguaje y simbología química al resolver ejercicios de nomenclatura de compuestos inorgánicos, reales e hipotéticos presentes en sustancias de uso común ƒ Utiliza compuestos de manera responsable, previniendo riesgos en el uso de productos comunes.

ƒ Identifica por la función química, los diferentes tipos de compuestos inorgánicos (óxidos, ácidos, bases y sales) de mayor uso. ƒ Resuelve ejercicios de nomenclatura química inorgánica siguiendo las reglas establecidas por la UIQPA, retroalimentando con otras nomenclaturas. ƒ Identifica las características de diversas sustancias para ubicarlas en el tipo de compuesto que le corresponde atendiendo a normas de seguridad.

Evaluación diagnóstica Competencias genéricas 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 8.1 Propone maneras de solucionar un problema o desarrollar un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 11.2 Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente.

Competencias disciplinares 3.

4.

7.

10.

Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Hace explícitas las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la derecha. 1. ¿Cuál de las siguientes fórmulas corresponde al sulfuro de cobre(I)? a) S2Cu

c) CuS

b) Cu2S

d) CuS2

2. ¿Cuál de las siguientes fórmulas corresponde al óxido férrico? a) Fe3O

c) Fe3O2

b) FeO

d) Fe2O3

3. Son sumamente reactivos y a temperaturas elevadas reaccionan a una gran velocidad. a) Halógenos b) Metales alcalinos c) Metales alcalinotérreos d) Gases nobles

4. Son elementos no metálicos. a) Sn, Pb, Br

c) S, As, Br

b) Li, Cs, Cu

d) Ca, Na, F

5. La fórmula KClO3, corresponde al: a) Cloruro de potasio

c) Clorato de potasio

b) Clorito de potasio

d) Hipocloruro de sodio

6. El último electrón de la configuración electrónica de un elemento se llama: a) Catión

c) Ion

b) Anión

d) Electrón diferencial

7. El nombre del compuesto Au2(CO3)3, es: a) Carbonato áurico

c) Carbonato de plata

b) Carbonato auroso

d) Carbonato de oro

8. La fórmula del carbonato ferroso es:

Actitudes ƒ Se relaciona con los demás de forma colaborativa mostrando disposición al trabajo metódico y organizado. ƒ Actúa de manera congruente y consciente previniendo riesgos. ƒ Muestra un comportamiento propositivo en beneficio del entorno.

a) FeCO3

c) FeCO

b) Fe2C2O3

d) Fe2CO2

9. El nombre del compuesto CaH2, es: a) Ácido de calcio

c) Hidruro de carbono

b) Hidruro de calcio

d) Ácido cálcico

10. La fórmula del tiosulfato de sodio es: a) NaSO3

c) Na2SO

b) Na2S2O3

d) Na2S2O7

6

Nomenclatura de compuestos inorgánicos

Situación didáctica ¿El cobre, un metal muy útil en la época actual… y en el futuro? Los avances tecnológicos y los cambios de estilo de vida pueden alterar con rapidez nuestras necesidades de recursos. Aunque es difícil predecir tales cambios, debemos estar preparados para enfrentarnos a ellos. El cobre es uno de los metales más conocidos y de más amplio uso en la sociedad moderna. Tiene la conductividad eléctrica más alta después de la plata. Esta propiedad, unida a su bajo costo, resistencia a la corrosión y capacidad para estirarse con facilidad formando alambres delgados, ha hecho del cobre la opción más común para el cableado eléctrico y la transmisión eléctrica. Se emplea también en la fabricación de latón, bronce y otras aleaciones, diversos compuestos importantes y obras de arte.

Los recursos de este metal se encuentran distribuidos ampliamente (pero de manera desigual) en todo el mundo. Estados Unidos ha sido un proveedor importante de mena de cobre; Canadá, Chile, Perú y Zambia poseen también cantidades significativas de ella. Para obtener una utilidad adecuada extrayendo una mena en particular de un sitio específico, depende de varios factores: la situación de la oferta y demanda del metal, el tipo de extracción y procesamiento necesarios para obtenerlo, la cantidad de mineral útil en el lugar y el porcentaje de metal en el mineral. En la actualidad es costeable explotar menas con menos de 1% de cobre. La mena de cobre se procesa químicamente para producir cobre metálico, que de manera posterior se transforma en diversos materiales útiles. La siguiente figura resume el ciclo del cobre desde sus fuentes, pasando por los usos, hasta los productos de desecho.

Reducción

Menas de cobre: • Sulfuros como calcocita (CU2S) • Óxidos como cuprita (Cu2O) • Carbonatos como malaquita (Cu2CO3(OH)2)

Moldeo, vaciado, cobre metálico fundido

A fundición nuevamente

Cobre reciclado Suministra 21 % de las necesidades de cobre del país. Usos del cobre • Eléctricos: 60% del uso total. Motores, generadores, distribución de electricidad, equipo de comunicación y cableado de casas. • No eléctricos: 40% del uso total. Plomería, techos, monedas, joyería, ollas y cazuelas, casquillos, maquinaria para preparar alimentos, radiadores de automóvil.

198

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Secuencia didáctica 1. ¿Qué propiedades hacen que el cobre sea adecuado para usarse en generadores de energía eléctrica?

a) Comunicaciones

2. Considera los usos restantes del cobre que se ilustran y mencionan en la figura anterior. Identifica las propiedades específicas que explican la aptitud del cobre en cada caso:

c) Generación de electricidad

a) ¿De qué manera afectaría el reciclado de fragmentos de cobre la disponibilidad futura de este metal? b) ¿Existe un límite al papel que el cobre puede desempeñar? c) ¿Por qué? 3. Para cada uso del cobre que se menciona en seguida, describe un cambio tecnológico que podría reducir la demanda de este metal:

b) Monedas d) Cableado dentro de aparatos 4. Intégrate a un equipo de compañeros para que presenten sus respuestas en plenaria y analicen las formas de resolver el problema. 5. Organicen un debate que les permita combatir ideas y crear nuevos conocimientos. 6. Elabora un reporte donde expreses de manera objetiva tus reflexiones sobre esta actividad.

Rúbrica 1. Selecciona cuatro usos del cobre de los indicados en la figura anterior del cobre. Sugiere para cada uno de ellos un material alternativo que pudiera servir para el mismo propósito. Considera tanto materiales convencionales como posibles materiales nuevos.

7. Analicen en equipo las respuestas y una síntesis de los resultados obtenidos.

2. Sugiere algunos objetos metálicos ordinarios que pudieran sustituirse por versiones de cerámica o plástico.

9. Organicen un debate sobre las cuestiones anteriores.

3. Imagina que la plata se volviera tan común y poco costosa como el cobre. ¿En qué aplicaciones sería más probable que la plata reemplazará al cobre?, argumenta tu respuesta. 4. ¿Por qué es importante el reciclado de materiales de cobre metálico? 5. ¿Garantiza este reciclado que siempre tendremos suficiente cantidad de un metal determinado? ¿Por qué?

8. Que cada equipo presente sus respuestas en plenaria y analicen las diferentes formas para contestar la pregunta central, tomando como sugerencias las preguntas anteriores: 10. Establezcan las conclusiones correspondientes. 11. Elaboren un reporte donde expresen de manera objetiva su opinión sobre esta actividad.

Responde lo siguiente: „

¿Leí todo el contenido del bloque?

6. Proporciona el nombre químico de los siguientes minerales de cobre:

„

Cuando lo hice, ¿comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta comprenderlo?

Nombre común

Fórmula

„

Calcocita

Cu2S

¿Puedo identificar la importancia del cobre en la actualidad y sus posibles sustitutos en los diversos usos?

„

Calcopirita

CuFeS2

Malaquita

Cu2CO3(OH)2

¿Puedo mencionar cinco formas de ahorrar cobre metálico, mediante el uso de otro material que presente características similares?

Azurita

Cu3(CO3)2(OH)2

Nombre químico

199

6

Nomenclatura de compuestos inorgánicos

6.1 Nomenclatura UIQPA y común de los compuestos inorgánicos

Ejemplos aceite de vitriolo

(ácido sulfúrico)

vitriolo azul

(sulfato de cobre)

Antecedentes

cal viva

(óxido de calcio)

Cuando Lavoisier era estudiante de química, el lenguaje de esta rama del conocimiento a la que aún no se le reconocía el carácter de ciencia, era muy oscuro. Había en ese entonces una gran cantidad de palabras sin una definición clara, e incluso carentes totalmente de definición.

cal apagada

(hidróxido de calcio)

El lenguaje de los alquimistas, entre otras cosas, originó una multitud de sinónimos que dificultaban el estudio de la química. Los químicos de mediados del siglo xviii, Bergman, Morveau, Berthelot y Berzelius entre otros, sentían la necesidad de establecer una nomenclatura química que permitiera la comunicación y el avance de esta ciencia. El 17 de abril de 1787, Lavoisier leyó en la Real Academia de las Ciencias, una memoria sobre la necesidad de reformar y perfeccionar la nomenclatura química. La nueva nomenclatura trataba de designar las propiedades fundamentales de las sustancias y seguir una lógica que permitiera ordenar el universo de la química. Las sustancias se caracterizan por sus propiedades generales y específicas (físicas y químicas), o bien, por su nombre. Este nombre es distintivo y descriptivo a la sustancia. Sin embargo, varios nom-

Figura 6.1 Evolución de la simbología química.

200

bres han sido mal empleados o mal asignados, otros por demás son raros y confusos.

Lenguaje de la química Símbolos y fórmulas químicas En la actualidad, conocemos de la existencia de millones de compuestos que resultan de la unión de 118 elementos químicos, por lo que es conveniente representar los elementos y sus compuestos utilizando símbolos. Éstos permiten la comunicación entre toda la comunidad científica, lo que ayuda a clasificarlos rápidamente. Los símbolos de los elementos son una forma de taquigrafía. Sustituyen a los nombres completos de los elementos. A continuación se presentan unas figuras que muestran los símbolos antiguos de algunos elementos.

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Elementos nombrados en honor de personajes famosos Símbolo

Número atómico

Nombre en honor de

Curio

Cm

96

Pierre y Marie Curie (radiactividad)

Einstenio

Es

99

Albert Einstein (teoría de la relatividad)

Fermio

Fm

100

Enrico Fermi (reacciones nucleares)

Gadolinio

Gd

64

Johann Gadolin (descubrió el itrio)

Laurencio

Lr

103

Ernest Lawrence (descubridor del ciclotrón)

Mendelevio

Md

101

Dimitri Mendeléiev (tabla periódica de los elementos)

Nobelio

No

102

Alfred Nobel (inventor de la dinamita)

Elemento

Figura 6.2 Símbolos usados por los alquimistas.

Elementos nombrados por su color Símbolo

Número atómico

Bismuto

Bi

83

alemán, veisee masse, “masa blanca”

Cromo

Cr

24

griego, chroma, “color”

Cesio

Cs

55

latín, caesius, “azul claro”

Cloro

Cl

17

griego, chloros, “verde”

Yodo

l

53

griego, iodes, “violeta”

Iridio

Ir

77

latín, arco iris

Rubidio

Rb

37

latín, rubidus, “rojo oscuro”

Rodio

Rh

45

griego, rodon, “rosa”

Circonio

Zr

40

árabe, zargun, “color de oro”

Elemento

Al químico sueco J. J. Berzelius se le dio el crédito por haber creado los símbolos modernos para los elementos. Él fue quien propuso que se les dieran a los elementos un símbolo correspondiente a la primera letra de sus nombres. Los elementos se representan por un símbolo que consiste en una, dos o tres letras, que se derivan de su nombre latino. Los símbolos de los elementos tuvieron una evolución bastante larga que dificultaba el desarrollo de la química; lo cual podemos observar en los símbolos utilizados por los alquimistas. La nomenclatura actual está basada en el sistema propuesto por la uiqpa1 (En inglés uiqpa, International Union of Pure and Applied Chemistry); los elementos se escriben con una, dos o tres letras, que se derivan del latín. Ejemplos: N = Nitrógeno; Ca = Calcio; Cf = Californio, y Unq = unnilquadium. Los nombres de los elementos pueden variar de un idioma a otro, pero los símbolos son universales. Cada símbolo consta de una, dos o tres letras tomadas del nombre del elemento. Estos nombres tienen el origen más diverso: algunos se deben a dioses y diosas de la mitología; otros a cuerpos celestes; otros más, a países y ciudades, y algunos debido a su color característico, etcétera. A continuación se presenta una lista de elementos clasificados según el origen de su nombre.

1

uiqpa, Unión Internacional de Química Pura y Aplicada.

El nombre se deriva del

Elementos cuyos nombres tienen su origen en dioses de la mitología Símbolo

Número atómico

En honor de

Niobio

Nb

41

Niobe, diosa griega hija de Tántalo

Prometio

Pm

61

Prometeo, portador griego del fuego

Tántalo

Ta

73

Dios griego de la frustración

Torio

Th

90

Thor, dios escandinavo de la guerra

Titanio

Ti

22

Titanes, hijos del Cielo y de la Tierra

Vanadio

V

23

Vanadis, diosa escandinava de la belleza

Elemento

201

6

Nomenclatura de compuestos inorgánicos

Elementos designados en honor a diversos cuerpos celestes Símbolo

Número atómico

Cerio

Ce

58

asteroide Ceres

Helio

He

2

griego, Helios, sol

Mercurio

Hg

80

planeta Mercurio

Neptunio

Np

93

planeta Neptuno

Plutonio

Pu

94

planeta Plutón

Selenio

Se

34

latín, selene, Luna

Telurio

Te

52

Elemento

Uranio

U

92

Nombre en honor del

facilitar la comunicación entre ellos, surgió la necesidad de elaborar un lenguaje único, sistematizado y uniforme para identificar a las sustancias químicas. Este lenguaje ha sido desarrollado por la uiqpa (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada), con el fin de adaptarlo a los compuestos que se van descubriendo. Como se mencionó antes, a algunos compuestos se les asigna un nombre común o trivial; por ejemplo: Nombre químico

Nombre común o comercial

Fórmula

Óxido de cobre (I)

Cuprita

Cu2O

Hidroxicarbonato de cobre

Malaquita

CuCO3Cu(OH)2

Sulfuro de cobre (I)

Calcocita

Cu2S

latín, tellus, Tierra

Sulfuro doble de cobre y hierro

Calcopirita

CuFeS2

planeta Urano

Carbonato de plomo

Cerusita

PbCO3

Sulfuro de plomo

Galena

PbS

Sulfato de plomo

Anglesita

PbSO4

Sulfuro de cinc

Esfalerita

ZnS

Óxido de cinc

Cincita

ZnO

Óxido de hierro (III)

Hematita

Fe2O3

Óxido de hierro (IV)

Magnetita

Fe3O4

Elementos cuyo nombre se deriva de países, ciudades y continentes Símbolo

Número atómico

Americio

Am

95

América

Óxido de hierro (III) hidratado

Limonita

Fe2O3, H2O

Berkelio

Bk

97

Berkeley, California

Carbonato de fierro (II)

Siderita

FeCO3

Californio

Cf

98

California

Nitrato de potasio

Salpeter, salitre, sal de Chile

KNO3

“Ammophos A”

(NH4)3PO4

Elemento

Nombrado en honor de

Cobre

Cu

29

latín, Cuprum, de la isla de Chipre

Escandio

Sc

21

Escandinavia

Fosfato de amonio, Fosfato primario de amonio, Bifosfato amónico, Fosfato amónico monobásico

Estroncio

Sr

38

Estroncia, ciudad de Escocia

Carbonildiamida

Urea o carbamida

NH2CO.NH2

Europio

Eu

63

Europa

Sulfato de potasio

Sulfato de potasa

K2SO4

Francio

Fr

87

Francia

Fosfato monopotásico

Fosfato ácido de potasio

K2H(PO4)

Galio

Ga

31

latín, Galia, Francia

Cloruro de potasio

Muriato de potasa, cloruro de potasa, sylvita (en forma mineral)

KCl

Rutenio

Ru

44

latín, Ruthenia, Rusia

Fosfato de calcio

Superfosfato de calcio

Ca3(PO4)

Ácido fosfórico

Ácido ortofosfórico

H3PO4

Sulfato de calcio dihidratado

Sulfato de calcio precipitado o nativo, alabastro de yeso

CaSO4, 2H2O

Sulfato de magnesio

Sal de Epsom; se vende en forma anhidra (sin agua)

MgSO4

Sulfato de hierro heptahidratado

Vitriolo verde, vitriolo de hierro, caparrosa

FeSO4, 7H2O

Sulfato de cinc heptahidratado

Vitriolo blanco o de cinc

ZnSO4, 7H2O

Ácido bórico

Ácido ortobórico

H3BO3

Uno de los aspectos más interesantes de la ciencia es que toda la materia conocida se compone de aproximadamente 118 elementos, algunos de ellos conocidos desde la antigüedad como el cobre, hierro, plata, azufre, oro, etc. Los elementos que van del hidrógeno al uranio se conocen tradicionalmente como naturales, y los restantes como sintéticos.

Nomenclatura y escritura de fórmulas En química, al igual que en otras ciencias, la necesidad de una nomenclatura general se hizo sentir en cuanto aumentó el número de compuestos conocidos y al mismo tiempo se incrementó el número de químicos en los diferentes países del mundo. Entonces, para 202

Sulfato cúprico, piedra azul, Sulfato de cobre pentahidratado caparrosa azul Nitrato de sodio

Nitrato de Chile, salpeter de Chile

CuSO4, 5H2O NaNO3

Grupo Editorial Patria ®

Número de oxidación En fórmulas más complicadas que incluyen más de dos elementos, es conveniente definir el “estado de oxidación” o número de oxidación de cada elemento, ya que éste puede variar dependiendo del compuesto que esté formando. La uiqpa define: “El número de oxidación de un elemento en cualquier entidad química, es la carga con la cual actúa un átomo del elemento cuando se asignan al átomo más electronegativo los electrones que forman el enlace”. Los números de oxidación están relacionados con las configuraciones electrónicas de los elementos. Los átomos, al formar compuestos, tienden a ganar, perder o compartir electrones para llenar su capa externa. Recordemos que a los electrones que se encuentran en la capa más externa se les denomina electrones de valencia. El número de electrones ganados, perdidos o prestados se conoce como número de oxidación del átomo. Cuando se pierden o ceden parcialmente estos electrones al formar el enlace, el número de oxidación tiene signo positivo. Al establecer las estructuras de Lewis para los metales alcalinos se puede predecir que su número de oxidación será 1, al ceder un electrón de la capa externa para lograr la configuración de gas noble. Los metales alcalinotérreos tendrán como número de oxidación 2, al ceder dos electrones para alcanzar su configuración más estable. En la familia IIIA el estado de oxidación 3 es el más común. El resto de las familias presentan números de oxidación positivos y negativos. No obstante, la familia IVA presenta el número de oxidación 4, la familia VA presenta 5, en el grupo VIA el azufre, el selenio y el teluro actúan con 2 y en la familia VIIA, el cloro y el yodo presentan el número de oxidación 1. El flúor, dado que es el elemento más electronegativo, se encuentra restringido al estado de oxidación 1. Predecir los estados de oxidación probables de los elementos de transición es más difícil, ya que la mayoría presentan más de un estado de oxidación. Para recordar las fórmulas de los compuestos y escribirlas correctamente, resulta útil emplear el sistema llamado números de oxidación que incluye las siguientes reglas básicas: 1. El número de oxidación de un elemento en estado puro o sin combinar es de “cero”. Ejemplos: H02 , Cu0, O02 , Cl02 , Fe0. 2. El hidrógeno tiene número de oxidación 1, excepto en los hidruros, donde es 1. 2 Na1H1 Ejemplos: H1 2 O 3. El oxígeno tiene número de oxidación 2, excepto en los peróxidos, donde es 1. 1 Na1 Ejemplos: Cu2O2 2 O2

4. La suma algebraica de los números de oxidación de los elementos en un compuesto es igual a cero, ya que las moléculas son neutras. Ejemplos:

K1Mn7O2 4

1  7  8  0

Como se ha visto, el número de oxidación es muy importante en la formulación, puesto que éste determina la relación de elementos positivos y negativos en un compuesto. A los elementos con número de oxidación positivo se les llama cationes y aniones a los que tienen número de oxidación negativo. Cuando se unen dos o más elementos la especie se llama radical químico y su número de oxidación es la suma algebraica de los números de oxidación de cada elemento. Al escribir la fórmula de un compuesto, se acostumbra poner primero el símbolo del componente que posee el número de oxidación positivo, y para nombrarlos se empieza por el nombre del radical negativo. Una vez conocidos los números de oxidación, es fácil deducir y escribir la fórmula de un compuesto correctamente. El método mecánico consiste en escribir el número de oxidación encima del símbolo representativo de cada elemento o ion y colocar cada uno de estos números como subíndice del otro símbolo. Nunca se escribe el subíndice 1 en la fórmula; cuando no hay subíndice se sobreentiende que es 1. Ejemplos CaSO4

Sulfato de calcio

NaCl

Cloruro de sodio

Fórmula

Nombre del compuesto

Al+3 O−2

Al2O3

Óxido de aluminio

Ca+2 Cl −1

CaCl2

Cloruro de calcio

Ba+2(NO3) −1

Ba(NO3)2

Nitrato de bario

Ca+2(SO4) −2

CaSO4

Sulfato de calcio

H 2+1 O 2–1

H2O2

Peróxido de hidrógeno

Número de oxidación

Las fórmulas de los compuestos se clasifican por el número de elementos que las forman en: Binarios: Se componen de dos elementos diferentes. Ternarios: Se componen de tres elementos diferentes. Poliatómicos: Se componen de más de tres elementos. A continuación se incluye una lista de los elementos más comunes con sus respectivos valores: 203

6

Nomenclatura de compuestos inorgánicos

Tabla de iones positivos (cationes) Monovalentes

Divalentes

Trivalentes

Tetravalentes

Na1

ion sodio

Ca2

ion calcio

Al3

ion aluminio

Pb4

ion plúmbico

Hg1

ion mercuroso

Cr2

ion cromoso

Fe3

ion férrico

Sn4

ion estáñico

K1

ion potasio

Sr2

ion estroncio

Cr3

ion crómico

Ag1

ion plata

Fe2

ion ferroso

Au3

ion áurico

Rb1

ion rubidio

Ba2

ion bario

Mn3

ion mangánico

Au1

ion auroso

Cu2

ion cúprico

Ni3

ion niquélico

Cs1

ion cesio

Mg2

ion magnesio

Co3

ion cobáltico

NH 41

ion amonio

Co2

ion cobaltoso

B3

ion boro

Li1

ion litio

Ra2

ion radio

Bi3

ion bismuto

H1

ion ácido

Ni2

ion niqueloso

Cu1

ion cuproso

Zn2

ion cinc

[H3O]1

ion hidronio

Be2

ion berilio

Cd2

ion cadmio

Sn2

ion estañoso

Hg2

ion mercúrico

Pb2

ion plumboso

Tabla de iones negativos (aniones) Grupo III [AlO 2]

204

–1

ion aluminato

Grupo IV CO 3–2

ion carbonato

HCO 3–1 SiO 3–2

Grupo V N

–3

Grupo VI –2

Grupo VII –1

ion fluoruro

ion nitruro

O

ion óxido

F

ion bicarbonato o NO 2–1 carbonato ácido

ion nitrito

O 2–2

ion peróxido

Cl –1

ion cloruro

ion silicato

NO 3–1

ion nitrato

OH–1

ion hidróxido

Br–1

ion bromuro

C–4

ion carburo

P–3

ion fosfuro

S–2

ion sulfuro

I –1

ion yoduro

CN–1

ion cianuro

PO 3–3

ion fosfito

HS–1

ion sulfuro ácido o bisulfuro

ClO–1

ion hipoclorito

CON–1

ion cianato

PO 4–3

ion fosfato

SO 3–2

ion sulfito

ClO 2–1

ion clorito

HPO 4–2

ion fosfato monohidrógeno

SO 4–2

ion sulfato

ClO 3–1

ion clorato

H2PO 4–1

ion fosfato dihidrógeno

HSO 3–1

ion sulfito ácido

ClO 4–2

ion perclorato

AsO 3–3

ion arsenito

HSO 4–1

ion sulfato ácido

AsO 4–3

ion arseniato

S2O 3–2

ion tiosulfato

SCN–1

ion sulfocianuro o tiocianato

Grupo Editorial Patria ®

Actividad transversal

Tabla con metales de transición Comprensión lectora

CrO 4–2

ion cromato

Fe(CN) 6–4

ion ferrocianuro

Cr2O 7–2

ion dicromato

ZnO 2–2

ion cincato

Funciones de los principales electrolitos

MnO 4–2

ion manganato

MoO 4–2

ion molibdato

MnO 4–1

ion permanganato

TiO 4–2

ion titanato

El cuerpo humano contiene sales en forma de iones a las que se les llama electrolitos, los cuales son indispensables para la vida.

Fe(CN) 6–3

ion ferricianuro Ion

Na

Catión primario extracelular, mantiene la presión osmótica en la sangre y tejidos; es necesario para la actividad nerviosa y muscular.

K1

Catión primario intracelular, mantiene la presión osmótica en la célula; es necesario para la actividad nerviosa y muscular.

Ca2

Es necesario para huesos y dientes y para la actividad muscular.

Mg2

Es necesario para la actividad enzimática y del sistema neuromuscular.

Cl 1

Anión extracelular; es necesario para la secreción del jugo gástrico; participa en el transporte de O2 y CO2 en la sangre.

HPO 42

Anión intracelular; está presente en los huesos con el Ca+2; amortiguador ácido-base.

HCO 32

Es necesario como amortiguador para mantener el equilibrio ácido-base de la sangre.

SO 42

Está presente en las células con proteínas.

1

Actividad formativa Analiza la información de las tablas que se han presentado hasta el momento y con ello identifica diferentes tipos de compuestos inorgánicos que existen en tu entorno, coméntalo durante la clase e indica las medidas de seguridad que debes saber para su uso.

Óxidos metálicos Los óxidos metálicos también son llamados “óxidos básicos”, y resultan de la unión de un metal con el oxígeno. El número de oxidación del oxígeno es –2. Para nombrar a estos compuestos se antepone la palabra óxido, seguida del nombre del metal correspondiente. Metal  Oxígeno

Óxido metálico

MO

MO

Función

Ejemplos Na1 y O2 Li

1

Ca Fe

yO

2

Cu

2

2

3

Na2O

óxido de sodio

Li2O

óxido de litio

2

CaO

óxido de calcio

2

CuO

óxido cúprico u óxido de cobre (II)

2

Fe2O3

óxido férrico u óxido de hierro (III)

yO

yO yO

Actividad formativa Identifica qué tipos de problemas se generan a partir de la emisión de óxidos metálicos y no metálicos en el medio ambiente, socializa tus ideas con todos los compañeros y propongan medidas de seguridad ante la dispersión de estos óxidos.

205

6

Nomenclatura de compuestos inorgánicos

Óxidos no metálicos

Ejemplos

Los óxidos no metálicos, llamados también óxidos ácidos o anhídridos, resultan de la combinación de un no metal (con número de oxidación positivo) con el oxígeno. Para darles nombre se utilizan los prefijos griegos: mono (1), di (2), tri (3), tetra (4), penta (5), para indicar el número respectivo de átomos en el compuesto correspondiente. No metal  Oxígeno

Óxido no metálico

NO

NO

CO2

anhídrido carbónico

SO2

anhídrido sulfuroso

SO3

anhídrido sulfúrico

P2O3

anhídrido fosforoso

P2O5

anhídrido fosfórico

Ejemplos

Estos óxidos producen ácidos al combinarse con el agua y; por tanto, también se nombran anteponiendo la palabra anhídrido, seguida del nombre del ácido que formarán.

Para el átomo de cloro, se tienen los siguientes números de oxidación: Cl1, Cl3, Cl5, Cl7

Algunos no metales pueden producir más de dos anhídridos, y para designarlos se consideran dos de ellos como normales y se nombran en la forma usual (con la terminación oso para el de menor número de oxidación, e ico para el de mayor); y aquel que tiene el menor número de oxidación lleva el prefijo hipo con la terminación oso, y el que tiene mayor número de oxidación el prefijo per con la terminación ico.

El número de oxidación menor es 1: Cl1

„ „

El siguiente número de oxidación mayor que el menor es 3: Cl3

„

El siguiente número de oxidación menor que el mayor es 5: Cl5 El número de oxidación mayor es 7: Cl7

„

Cl12O2 2 2O3

3

Cl

Cl52O52

Anhídridos

• hipo- -oso

(menor número de oxidación)

• -oso

(siguiente número de oxidación mayor que el menor)

• -ico

• per- -ico

(siguiente número de oxidación menor que el mayor)

Br52O52 3

I2

O32

N25 O52 1

N2

O

2

Cl2O

anhídrido cloroso

Cl2O3

anhídrido clórico

Cl2O5

anhídrido perclórico

Cl2O7

anhídrido brómico

Br2O5

anhídrido yodoso

I2O3

anhídrido nítrico

N2O5

anhídrido hiponitroso

N 2O

(mayor número de oxidación)

Ejemplos CO

monóxido de carbono

CO2

dióxido de carbono

NO2

dióxido de nitrógeno

N2O5

pentóxido de dinitrógeno

SO3

trióxido de azufre

Cl2O7

heptóxido de dicloro

206

Cl

2 2O7

7

anhídrido hipocloroso

Actividad formativa Anota las fórmulas de los siguientes compuestos, indica si son orgánicos e inorgánicos y menciona en que productos de uso común se encuentran y que medidas de prevención deben saber ante los riesgos que se presenten. a) Sulfuro de amonio

b) Sulfato de cromo (III)

Grupo Editorial Patria ®

Oxiácidos c) Sulfuro de molibdeno (IV)

d) Cloruro de estaño (IV)

Los oxiácidos son los ácidos que contienen oxígeno y resultan de la reacción del agua con los anhídridos (óxidos ácidos). Se nombran anteponiendo la palabra ácido, seguida del nombre del radical negativo correspondiente (también aquí el número de oxidación del hidrógeno es 1). Óxido no metálico  agua

Oxiácido

NO  H2O

e) Bromato de calcio

HNO Ejemplos

f ) Cianuro de níquel

H1 y ClO1 1

y

1

y

1

y

H

1

y

H

1

y

1

y

H g) Hidróxido de magnesio

H H

h) Ácido perbrómico

H

BrO21 NO31 SO32 SO42 CO32 PO43

HClO

ácido hipocloroso

HBrO2

ácido bromoso

HNO3

ácido nítrico

H2SO3

ácido sulfuroso

H2SO4

ácido sulfúrico

H2CO3

ácido carbónico

H3PO4

ácido fosfórico

i) Ácido sulfuroso

Actividad formativa Escribe la fórmula de los siguientes oxiácidos:

j) Ácido nitroso

a) ácido nitroso b) ácido carbónico

k) Nitrato de mercurio

c) ácido sulfuroso d) ácido fosforoso e) ácido fosfórico

l) Cloruro de aluminio f) ácido sulfúrico Escribe los nombres de las siguientes sustancias: m) Anhídrido yodoso

a) NaNO2 b) K3PO4

n) Hipoclorito de potasio

c) KMnO4 d) CrCl3 e) MnO2

o) Bicarbonato de calcio

f) HgCl g) CaS

207

6

Nomenclatura de compuestos inorgánicos Ejemplo

h) Fe2(CO3)3 Na1 y OH1

i) BaSO4

1

K

j) KNO2

2

Zn

Comenta con tus compañeros cómo se manifiestan estos compuestos en nuestro organismo y en el medio ambiente, dando importancia al estudio de las nociones científicas y su impacto en la vida actual.

Al

3

Fe

3

NaOH

hidróxido de sodio

1

KOH

hidróxido de potasio

1

Zn(OH)2 hidróxido de cinc

1

Al(OH)3

1

Fe(OH)3 hidróxido férrico o hidróxido de fierro (III)

y OH y OH y OH

y OH

Actividad formativa

Hidrácidos Los hidrácidos resultan de la combinación de los aniones de la serie de los haluros con el hidrógeno; es decir, de la combinación de un no metal con el hidrógeno. En los hidrácidos, el hidrógeno siempre tiene el número de oxidación 1. Para el nombre de estos compuestos se antepone la palabra ácido, seguida siempre del nombre del no metal correspondiente, con la terminación hídrico. No metal  hidrógeno

hidrácido

NH

HN Ejemplos

H1 y F1 HF H1 y Cl1 H1 y Br1 H1 y S2 H2S

hidróxido de aluminio

ácido fluorhídrico HCl ácido clorhídrico HBr ácido bromhídrico ácido sulfhídrico

Identifica qué productos de uso diario están compuestos por hidróxidos y comenta la importancia del uso correcto del lenguaje y simbología química para poderlos identificar, escríbelo.

Hidruros Los hidruros resultan de la combinación del hidrógeno con cualquier metal. En los hidruros, el hidrógeno tiene número de oxidación 1. Para nombrar estos compuestos, se antepone la palabra hidruro, seguida del nombre del metal correspondiente. Metal  hidrógeno

hidruro

MH

MH Ejemplos

Actividad formativa Identifica qué productos de uso diario están compuestos por hidrácidos y comenta la importancia del uso correcto del lenguaje y simbología química para poderlos identificar, escríbelo.

Na1 y K1 y Ca2 y Al3 y Fe2 y Fe3 y

H1 H1 H1 H1 H1 H1

NaH KH CaH2 AlH3 FeH2 FeH3

hidruro de sodio hidruro de potasio hidruro de calcio hidruro de aluminio hidruro ferroso o hidruro de hierro (II) hidruro férrico o hidruro de hierro (III)

Sales

Hidróxidos Los hidróxidos o bases, que resultan de la reacción entre un metal y el hidróxido, siempre llevan en su fórmula un metal unido al radical OH. Se nombran anteponiendo la palabra hidróxido, seguida del nombre del metal correspondiente.

208

Metal  agua

hidróxido

M  H2O

MOH

La combinación entre un metal y un no metal, produce una sal. Dependiendo del origen de las sustancias originales, se pueden obtener: sales binarias, oxisales, sales ácidas, sales básicas, sales neutras y sales hidratadas.

Sales binarias Las sales binarias son sales que provienen de los hidrácidos; es decir, su molécula tiene un metal unido a un no metal. Para nombrarlas se

Grupo Editorial Patria ® cambia la terminación del no metal de hídrico a uro, seguida del nombre del metal correspondiente. Metal  No metal

Sal binaria

MN

MN

Ejemplos

Actividad formativa Indica el nombre de las siguientes oxisales, haz una comparación entre su aplicación y uso para que determines en qué productos se manifiestan y valores su impacto ambiental o social en tu comunidad. Reflexiona sobre la actividad y comenta en clase acciones que favorezcan la comprensión de conceptos, propiedades, usos y beneficios de este compuesto químico. a) CuSO4

1

Na

1

Rb

3

Al

Fe

3

1

y Cl

1

y I

1

y Br

2

y S

NaCl

cloruro de sodio

RbI

yoduro de rubidio

AlBr3

bromuro de aluminio

Fe2S3

sulfuro férrico o sulfuro de fierro (III)

b) CuNO2 c) Sn(CO3)2 d) Ni3(PO3)2

Actividad formativa con ǫǠǚ e) Fe2(SO3)3 Investiga en Internet para qué se utilizan las sales sencillas en productos de uso doméstico, fábricas, talleres, entre otros. En equipos de trabajo planteen qué problemáticas de salud o ambientales se pueden presentar ante el abuso de estas sustancias.

f) (NH4)2SO4

Sales ácidas

Sales terciarias Son sales que se derivan de los oxiácidos; es decir, contienen un metal unido a un radical negativo que contenga oxígeno. Se nombran cambiando la terminación oso de los ácidos por ito, y la terminación ico de los ácidos por ato en las sales (este cambio es el nombre del radical), y a continuación se incluye el nombre del metal correspondiente. Metal  Óxido no metálico

Oxisal

M  NO

MNO

Ejemplos

En solución acuosa, el pH de estas sales es menor a 7. La molécula de las sales ácidas se presenta unida a un metal y a un radical negativo, pero entre ellos se encuentra el hidrógeno. Para nombrarlas se utiliza el nombre del radical para las sales con el prefijo bi y después el nombre del metal. Las sales son el producto de la reacción entre ácidos y bases, y al disolverse en agua le imparten cierto carácter. Éste resulta de la fuerza que domine, ya sea por parte del ácido o de la base, y cuando ambos compuestos son fuertes, entonces se neutralizan. Una forma de medir el grado de acidez de una disolución es por medio de su pH (potencial de hidrógeno), o bien, utilizando colorantes indicadores. El pH se mide en un aparato llamado “potenciómetro” o “pH metro”. Ejemplo

1

y

2

y

Na Pb

Ca Fe K

2

2

1 2

SO42 NO31 –1

y ClO y y

Mg y

CO32 MnO41 PO43

Na2SO4

sulfato de sodio

Pb(NO3)2

nitrato de plomo (II)

Ca(ClO)2 FeCO3 KMnO4

hipoclorito de calcio carbonato ferroso o carbonato de fierro (II) permanganato de potasio

Mg3(PO4)2 fosfato de magnesio

Li1 y HCO31

LiHCO3

bicarbonato de litio

HSO31 HSO41 HCO31

KHSO3

bisulfito de potasio

Ca(HSO4)2

bisulfato de calcio

Fe(HCO3)2

bicarbonato férrico o bicarbonato de hierro (III)

1

K

y

1

y

3

y

Ca Fe

209

6

Nomenclatura de compuestos inorgánicos

Sales básicas En solución, dan valores de pH mayores a 7.

b) Sulfato de cromo (III) Ejemplos

Na1 y S2 2

1

Mg , OH

1

y Cl

Na1 y CO32

Na2S

sulfuro de sodio

MgOHCl

cloruro básico de magnesio

Na2CO3

carbonato de sodio

c) Sulfuro de molibdeno (IV) d) Cloruro de estaño e) Bromato de calcio f) Cianuro de níquel (II)

Sales neutras El pH resultante de la disolución de estas sales es 7.

g) Hidróxido de magnesio Ejemplos h) Ácido perbrómico

1

Na

1

K

–1

y Cl

NaCl

cloruro de sodio

NO31

KNO3

nitrato de potasio

y

i) Ácido sulfuroso j) Ácido nitroso

Sales hidratadas Estos compuestos contienen agua de cristalización en su molécula, y para escribir la fórmula se asocian el número de moléculas de agua presentes por medio de un coeficiente y un punto. Para dar el nombre químico del compuesto, se nombra primero la función química inorgánica y luego el número de moléculas de agua con los prefijos mono, di, tri, tetra, penta, etc., y la terminación hidratado. Ejemplos CuSO4·5H2O

Sulfato cúprico pentahidratado

Na2CO3·10H2O

Carbonato de sodio decahidratado

CoCl2·6H2O

Cloruro cobaltoso hexahidratado

FeSO4·7H2O

Sulfato ferroso heptahidratado

k) Nitrato de mercurio (I) l) Anhídrido yodoso m) Hipoclorito de potasio n) Bicarbonato de calcio

Actividad formativa Relaciona la fórmula del compuesto con el nombre químico que le corresponda. Fórmula

Actividad formativa Investiga para qué se utilizan los siguientes compuestos e identifica los productos que utilices en tu casa, menciona si son sustancias peligrosas y cómo afectan en el medio ambiente de la región donde te encuentras. Comenta con tus compañeros y elaboren acciones que puedan llevar a cabo como medidas de seguridad ante este tipo de manifestaciones. a) Sulfuro de amonio

210

Nombre químico

1) KHCO3

a) Sulfato de hierro (III)

2) Fe2SO3

b) Bisulfato de potasio

3) Fe2(SO4)3

c) Sulfato de hierro (II)

4) FeSO4

d) Bicarbonato de potasio e) Sulfato de hierro (II)

A) 1b, 2c, 3e, 4a

C) 1d, 2e, 3a, 4e

B) 1d, 2e, 3a, 4c

D) 1b, 2e, 3a, 4c

E) 1d, 2c, 3a, 4e

Grupo Editorial Patria ® Actividad experimental

Obtengamos un compuesto Con la guía de tu profesor, integrarse en equipos de 4 o 5 participantes y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas y elaboren un informe sobre la información obtenida. Presenten su trabajo de forma organizada.

¿Qué compuesto se formó?

Propósito Obtener un compuesto en estado gaseoso a partir de un sólido y un líquido. Material „

Un vaso

„

Cáscaras de huevo

„

Vinagre ¿Con qué otra sustancia se pueden sustituir las cáscaras de huevo para realizar el experimento?

Procedimiento 1. Coloquen vinagre hasta la mitad de un vaso. 2. Desmenucen una cáscara de huevo y coloquen los trozos dentro del vinagre.

Elaboren sus conclusiones enfatizando la pertinencia y relevancia que tienen este tipo de experimentos para comprobar la importancia y estudio de los compuestos químicos relacionados con productos de uso cotidiano.

¿Qué ocurre?

211

6

Nomenclatura de compuestos inorgánicos Actividad formativa

Utiliza el lenguaje y simbología química para completar el siguiente mapa conceptual. Nomenclatura química inorgánica

Se aplican las siguientes reglas de la UIQPA que significa

Se tienen los siguientes compuestos inorgánicos principales

Hidruros

Óxidos metálicos

Hidróxidos

Oxisales

Hidroácidos

Ejemplo

NaH

CO

NaCl

Se nombren respectivamente al combinarse las palabras

Hidruro de (metal)

212

H2SO4

HCl

Grupo Editorial Patria ® Actividad formativa Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. 1. (

6. (

) En la ecuación SbCl3 + KCl A k3SbCl3 ¿cuál es el coeficiente del cloruro de potasio que ajusta dicha ecuación?:

) La reacción química se define como: a) Las transformaciones que experimentan las sustancias.

a) 1

d) 4

b) 2

e) 5

c) 3

b) Todo proceso que se realiza en el universo. c) Los cambios de estado que caracterizan a los sistemas.

2. (

7. (

) El nombre del compuesto Au(OH)2 es: a) Hidróxido de antimonio

d) Las fases que presentan los sistemas.

b) Hidróxido de arsénico

e) Las propiedades que caracterizan a los sistemas.

c) Hidróxido de aluminio

) En la ecuación Ag + HNO3 A AgNO3 + NO + H2O los productos son:

d) Hidróxido auroso 8. (

) La reacción de un no metal con hidrógeno da como producto:

a) Ag, AgNo3, NO

a) Hidruro

c) Anhídrido

b) HNO3, AgNO3, NO

b) Hidróxido

d) Hidrácido

c) AgNO3, NO, H2O d) Ag, NO, 2H2O

9. (

e) HNO3, NO, H2O 3. (

a) 1, 1, 6, 2

) S1O2 + 4HF A S1F4 + 2H2O. En la ecuación dada, los coeficientes: 1, 4, 1 y 2 nos representan los: a) Átomos

d) Moles

b) Valencias

e) Compuestos

c) Iones 4. (

) Son los números de oxidación de los elementos que forman el compuesto KHSO4, respectivamente:

) La reacción: S1O2 + 4HF A S1F4 + 2H2O se clasifica como una reacción de:

b) 2, 1, 6, 4 c) 2, 4, 4, 2 d) 3, 6, 8 10. Escribe el nombre o la fórmula según corresponda: a) H2S b) Nitrito de potasio

a) Análisis

c) NO2

b) Síntesis

d) Sulfato de oro II

c) Sustitución simple

e) KClO3

d) Sustitución doble e) Oxidación-reducción 5. (

) Es una reacción de análisis: a) CaO + CO2 A CaCO3 b) Zn + 2HCl A ZnCl2 + H2 c) 2Ag + S A Ag2S d) 2KClO3 ±6A 2KCl + 302

11. Escribe el nombre o la fórmula según corresponda: a) CaH2 b) Ácido nítrico c) SO2 d) Carbonato de fierro II e) KCl

e) Ag + HNO3 A AgNO3 + NO + H2O

213

6

Nomenclatura de compuestos inorgánicos Actividad formativa

12. Escribe el nombre de los siguientes óxidos no metálicos: a) CO

Instrucciones: Lee el siguiente texto y contesta la pregunta en un espacio no mayor a media cuartilla.

b) CO2

El precio de la supervivencia

c) Cl2O7

La mayor parte de la población mundial depende de alimentos cultivados y conservados con productos de la industria química, por ejemplo: combustibles, fertilizantes, fungicidas y plaguicidas. Sin estos materiales, el acceso mundial a los alimentos sería insuficiente para sostener a todos los habitantes humanos del planeta.

d) Cl2O5 e) Cl2O3 13. Escribe la fórmula de los siguientes óxidos no metálicos: a) Pentóxido de dinitrógeno b) Heptóxido de dibromo c) Monóxido de dibromo d) Dióxido de manganeso e) Trióxido de azufre

14. Escribe el nombre de los siguientes hidróxidos: a) CuOH b) Cu(OH)2 c) Al(OH)3 d) Fe(OH)2 e) Fe(OH)3 15. Escribe la fórmula de los siguientes ácidos: a) HMnO4 b) HIO c) HClO d) HClO2 e) HClO3 f) HClO4

214

La lucha mundial contra la contaminación, el calentamiento global y un entorno químicamente seguro, ¿está en conflicto con la meta de alimentar y alojar a una población mundial en rápido crecimiento? En media cuartilla reflexiona y escribe tu opinión al respecto:

Grupo Editorial Patria ®

Evaluación sumativa Con el propósito de que demuestres los saberes que has adquirido durante el desarrollo del Bloque, a continuación se presentan actividades que permiten evidenciar los aprendizajes logrados, para ello responde lo que se indica.

I. Anota en el paréntesis de la derecha la letra de la respuesta correcta. 1. El nombre del siguiente compuesto Au2(CO3)3 es carbonato: a) áurico

b) arsénico

c) de aluminio

b) óxido

c) anhídrido

b) 1, 6, 4

c) 2, 6, 2

b) de arsénico

c) de aluminio

b) condensada

c) empírica

b) oxisales

c) oxiácidos

b) hidróxidos

c) hidruros

b) H2 SO4

c) Na2O

b) un metal

II. Escribe la fórmula química de los siguientes compuestos.

c) halógeno

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

d) AgCl

9. Los hidruros resultan de la combinación del hidrógeno con: a) un no metal

)

d) ácidos

8. Es un ejemplo de óxido metálico: a) NaOH

(

d) sales binarias

7. Compuestos que se obtienen mediante la combinación del hidrógeno con cualquier metal: a) hidrácidos

)

d) molecular

6. Son compuestos cuyo nombre lleva la terminación “uro” seguida del nombre del metal correspondiente: a) hidrácidos

(

d) auroso

5. La fórmula más pequeña con la información sobre la proporción de átomos presente en la molécula de un compuesto se llama: a) desarrollada

)

d) 3, 6, 8

4. El nombre del compuesto Al(OH)3 es hidróxido: a) de plata

(

d) hidrácido

3. Son los números de oxidación de los elementos que forman el compuesto BaSO4: a) 1, 6, 2

)

d) auroso

2. La reacción de un metal con oxígeno da como producto: a) hidruro

(

d) oxígeno

e) Ácido carbónico

a) Óxido de cobre II f ) Anhídrido cloroso b) Sulfato férrico g) Hidróxido de aluminio c) Hidruro de calcio h) Ácido sulfhídrico d) Hidróxido férrico i) Cianuro de potasio

215

6

Nomenclatura de compuestos inorgánicos

III. Relaciona las siguientes columnas, coloca en el cuadro de la derecha la letra que corresponda a la respuesta correcta. a) Na2SO4

Son las cargas aparentes asignadas a cada uno de los átomos que forman un compuesto

b) Sal de azufre

La suma de los números de oxidación de un compuesto debe ser igual a

c) NaHCO3

Sal binaria

d) CaH2

Anhídrido

e) NH 4+1

Hidruro

f ) MnCl4

Sal ácida

g) Número de oxidación

Hidróxido

h) Óxido cuproso

Catión

i) SO2 j) Cero k) Al(OH)3

IV. Completa el siguiente cuadro, combinando los cationes (), con los aniones (). Escribe la fórmula resultante y su nombre respectivo. Iones

Se−2 seleniuro

HCO3–1 bicarbonato

CN−1 cianuro

K+1 potasio Au+3 áurico NH4+1 amonio Fe+3 férrico H+1 ácido

Escribe el nombre de las siguientes sustancias:

e) MnO2

a) NaNO2

f ) Hg2Cl2

b) K3PO4

g) CaS

c) KMnO4

h) Fe(CO3)

d) CrCl3

i) BaSO4

216

OH−1 hidróxido

ClO 31 clorato

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j) KNO2

f ) Pr

k) P4O10

g) Te

l) N2O5

h) As

m) Li3N

i) Bk

n) Mg2C o) (NH4)2SO4 p) H3AsO4

Escribe el nombre o la fórmula, según corresponda a las siguientes sustancias químicas: Óxido férrico:

Escribe el nombre de los siguientes iones: a) NO1 3 b) SO2 3 c) CrO1 4 d) Cr2O2 7 e) ClO1 f ) CN1 g) HSO1 3 h) HCO1 3

CaCl2: CO2: Clorato de potasio: Nitrato cúprico: HNO3 : H2S: Peróxido de hidrógeno: NaOH: Permanganato de potasio: Hipoclorito de sodio:

Escribe el nombre de los siguientes elementos: a) Cu b) Am c) Sr d) Cd

Na2S2O7: HgI2: NH4OH: Yodato de litio: Ácido fluorhídrico:

e) Ar

217

6

Nomenclatura de compuestos inorgánicos

Guía de observación Equipo integrado por: Grupo:

Fecha de aplicación: Hora de inicio:

Hora final:

Propósito: Reconocer los logros del estudiante en el desarrollo de habilidades y actitudes al realizar las actividades planteadas en clase. Instrucciones: 1. Leer eer con atención lo que se indica y atender conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando se haya terminado, responder e indicar sí o no se ha logrado, lo realizó y ¿por qué?, según corresponda a la respuesta seleccionada. Logrado Sí No Habilidades

Identifica con claridad la función de los tipos de compuestos inorgánicos. Resuelve ejercicios correctamente. Reconoce las reglas establecidas por la UIQPA. Identifica las características de las sustancias que se mencionan. Ubica el tipo de compuestos químicos que se abordan en la actividad. Actitudes

Colabora contantemente en el desarrollo de las actividades. Se comunica de manera asertiva con sus compañeros. Muestra un trabajo metódico y organizado. Es congruente con sus ideas y acciones. Tiene una conducta propositiva ante situaciones de su entorno. Desempeños

Hace buen uso del lenguaje y simbología química. Plantea ejemplos de diversos compuestos químicos. Es responsable en el manejo de sustancias de uso diario. Logros obtenidos.

Acciones para fortalecer los aprendizajes.

218

¿Por qué?

Grupo Editorial Patria ®

Autoevaluación Nombre del estudiante a evaluar: Nombre del estudiante que evalúa: Propósito: Evaluar el logro de conocimientos al realizar diversas actividades del bloque. Actividad a evaluar: Grupo:

Fecha de aplicación:

¿Para qué me sirve la autoevaluación? ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Analizar detenidamente el propósito de la actividad asignada. Leer con mucha atención las preguntas o instrucciones que se deben realizar. Verificar que todas las preguntas o actividades estén contestadas y acorde a lo solicitado. según corresponda. Cotejar cada respuesta en cumplimiento con los criterios solicitados en este instrumento e ir marcando con un De ser necesario, realizar un comentario en el apartado correspondiente, a fin de que se tome en cuenta para retroalimentar y finalizar la actividad.

2

Criterios a considerar

Logrado Sí No

Considero que está en proceso porque…

Resuelve todas las actividades, atendiendo las indicaciones establecidas. Plantea ejemplos basados en los compuestos químicos. Conocimientos

Todas las formulas y definiciones están planteadas correctamente. Reconoce los óxidos básicos y el impacto de éstos en el medio ambiente. Reconoce los hidrácidos y su uso en la vida cotidiana. Diferencia los compuestos orgánicos de los inorgánicos. Reconoce sustancias químicas y sus riesgos en el uso diario. Describe correctamente las fórmulas de los oxácidos. Reconoce las aplicaciones y uso de las oxisales. Sabe el qué y para qué del uso de los tipos de sales.

Desempeños

Atiende las indicaciones del profesor. Muestra buena actitud para trabajar de forma colaborativa. Comenta sus dudas y retroalimenta la información de manera reflexiva y responsable. Asume una postura responsable, reflexiva y propositiva ante situaciones de beneficio en su entorno. Previene riesgos ante diversas situaciones. Como evaluador, ¿consideras que puede mejorar tu compañero o compañera? ¿En qué? Escribe de forma clara tus sugerencias.

Verificado por el profesor o profesora:

219

BLOQUE

7

Reacciones químicas Propósito Examina los tipos de reacciones químicas, aplicando la ley de la conservación de la materia en el balanceo de ecuaciones químicas, para reconocer los procesos de transformación en su entorno.

15 horas

Conocimientos 7.1

Reacción química

7.2

Tipo de reacciones químicas: ƒ Síntesis ƒ Descomposición ƒ Sustitución simple ƒ Sustitución doble

7.3

Ecuación química

7.4

Balanceo de ecuaciones químicas ƒ Método de tanteo ƒ Método de REDOX

Aprendizajes esperados ƒ Representa cambios químicos de la materia al identificar y completar reacciones químicas que ocurren en su entorno ƒ Experimenta para identificar diferentes tipos de reacciones relacionados con su cotidianidad. ƒ Aplica la Ley de la conservación de la materia, a través del balanceo de reacciones que ocurren en su organismo y en situaciones de su contexto. ƒ Explica la importancia de las reacciones de óxido-reducción en el entorno y en su organismo.

Habilidades ƒ Identifica los diferentes tipos de reacciones químicas ƒ Establece los productos de diferentes reacciones químicas ƒ Demuestra la Ley de la conservación de la materia a partir del balanceo de ecuaciones. ƒ Infiere el número de oxidación de los elemento que participan en una reacción química, tipo REDOX; identificando los elementos que se oxidan y se reducen.

Evaluación diagnóstica Competencias genéricas 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 8.1 Propone maneras de solucionar un problema o desarrollar un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 11.3 Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente.

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la derecha. 1. La reacción entre un anhídrido y el agua, se clasifica como de: a) Simple sustitución

c) Análisis

b) Doble sustitución

d) Síntesis

2. La reacción entre el H2SO4 y el NaOH, se clasifica como de:

Competencias disciplinares 4.

7.

10.

Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Hace explícitas las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

a) Análisis

c) Doble sustitución

b) Simple sustitución

d) Síntesis

3. Los óxidos que al reaccionar con el agua forman ácidos, se les llama: a) Metálicos

c) No metálicos

b) Neutros

d) Peróxidos

4. La reacción: azufre oxígeno

anhídrido carbónico, puede representarse por el siguiente modelo: a) A B

CD

c) A B

b) AB

AC B

d) AC B

5. La reacción : H2O

AB ABC

H2 O2 se clasifica como de:

a) Análisis

c) Simple sustitución

b) Síntesis

d) Doble sustitución

6. Es la representación matemática de una reacción química: a) Ecuación química

c) Fórmula química

b) Fenómeno

d) Reactivos

7. Indica el desprendimiento de una sustancia gaseosa: a)

c)

b)

d)

8. Al reaccionar el ácido clorhídrico con el hidróxido de amonio, se obtiene: a) Cloruro de amonio más agua b) Agua más amoniaco c) Ácido nítrico más agua

Actitudes ƒ Asume las repercusiones positivas o negativas sobre el medio ambiente y la sociedad ƒ Se relaciona con sus semejantes de forma colaborativa mostrando disposición al trabajo metódico y organizado. ƒ Favorece un pensamiento crítico ante las acciones humanas del impacto ambiental. ƒ Privilegia al diálogo para la construcción de nuevos conocimientos.

d) Amoniaco más sal

9. Al reaccionar el sodio con el hidrógeno, se obtiene: a) Hidróxido de sodio

c) Hidrácido de sodio

b) Hidruro de sodio

d) Agua sódica

7

Reacciones químicas

Situación didáctica A continuación descubriremos la importancia que tiene el reciclado y el saber qué y cómo reciclar. Se ha mencionado que hay sociedades de lo “desechable” como la estadounidense. Ese país arroja a la basura 1.1 millones de toneladas de platos y vasos desechables por año. Esa cantidad es suficiente para ofrecer seis días de campo anualmente ¡a la población total del planeta! En un sentido más general, cerca de 30% de la producción de materiales importantes en ese país termina en la basura. Algunos críticos dicen que esa sociedad sobreempaca los alimentos y productos de consumo. Los materiales de empaque constituyen alrededor de la mitad de todos los desechos sólidos de Estados Unidos en volumen, y casi un tercio en masa. Piensa en el empaque para usarse una sola vez que implica una comida rápida. El inventario desechable incluiría un recipiente para hamburguesa, vaso desechable, tapa de plástico, popote de plástico, bolsa de papel para las papas fritas, sobres de plástico para la salsa de tomate, la sal y la pimienta, servilleta de papel y, si es una orden para llevar, una bolsa de papel para contener la comida. El empaque es necesario en cierta medida, pues protege los ingredientes, mantiene juntos los objetos pequeños, y en muchos casos favorece la higiene y la seguridad. Pero hasta un simple bolígrafo se empaca a menudo en plástico y cartón, y el cajero lo coloca en una bolsa para que puedas llevarlo a casa.

¿Cuáles son las alternativas? Una es usar menos productos. Otra es comprar al mayoreo para utilizar menos material de empaque. Otras alternativas son usar los objetos durante más tiempo o bien reutilizarlos o reciclarlos. El reciclado exige un compromiso y un esfuerzo considerables. ¿Cuáles son los beneficios? Para encontrar respuestas, examinemos tres materiales: papel, aluminio y vidrio. Papel. Es un recurso renovable importante. Como el papel se hace de pulpa de madera, es posible plantar nuevos árboles para reemplazar los que se cortaron. Sin embargo, 222

se requiere cerca de 25 años para que las semillas se conviertan en árboles del tamaño apropiado para ser económicamente útiles. ¡“Renovar” este recurso toma tiempo! Se necesitan unos 17 árboles para producir una tonelada de papel. Esta cantidad es apenas suficiente para suministrar el papel que dos ciudadanos utilizan en un año. Se requiere energía para hacer papel con un árbol. Para procesar papel reciclado se necesita menos de la mitad de la energía que para hacer papel nuevo. Actualmente en Estados Unidos se recicla el 68% del papel que se usa. Aluminio. Éste es un recurso químico no renovable: el número total de átomos de aluminio en el mundo es, para todo propósito práctico, fijo e inmutable. Cuando hayamos consumido este recurso, no habrá más. El aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre (8%). Sin embargo, gran parte de este aluminio está encerrado en silicatos, de los cuales no es fácil extraerlo. La demanda de aluminio en muchos países es tan grande que el suministro interno de la mena (bauxita) no satisface las necesidades. En muchos países latinoamericanos se importa 100% del aluminio y en Estados Unidos sólo se importa el 18%. La producción de aluminio a partir de mena bauxita requiere mucha energía. Reciclar el aluminio usado consume solamente de 5 a 10% de esa cantidad de energía. Gracias a esfuerzos nacionales organizados, en la actualidad se recicla más de la mitad de las latas de aluminio usadas. Vidrio. Una forma simple del vidrio se hace fundiendo juntos, a elevadas temperaturas, arena (dióxido de silicio, SiO2), cenizas de sosa (carbonato de sodio, Na2CO3) y piedra caliza (carbonato de calcio, CaCO3). Los tres materiales no son renovables pero sí muy abundantes. Se calcula que cerca de 34% de los recipientes de vidrio que se fabrican en Estados Unidos se producen con vidrio de desecho o reciclado. De acuerdo con un análisis reciente, el reciclado del vidrio ayuda a reducir en parte la energía que requiere su manufactura. Si se empleara 100% de vidrio de desecho y reciclado para los recipientes nuevos, el ahorro de energía de procesamiento sería de alrededor de 15%, con un ahorro adicional de 16% en costos de extracción y transporte necesarios para los materiales nuevos.

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Secuencia didáctica Organízate con tus compañeros de clase y formen un equipo, analicen posibles respuestas para las preguntas que siguen. Analicen sus respuestas y socialicen con los demás equipos de trabajo. 1. ¿Cuál de los tres materiales (papel, aluminio o vidrio) es más importante reciclar? a) ¿Por razones económicas?

f ) ¿Cómo obtendrías los resultados logrados ante esta situación?

g) ¿Cuál sería el plan para darle seguimiento a este proceso?, al menos arma el que llevarías a cabo en tu hogar.

b) ¿Por razones ecológicas? c) ¿Por razones socioculturales? d) ¿Por razones de salud pública? 2. Argumenta tus respuestas destacando la importancia que tiene cada uno para el cuidado del medio ambiente y por consecuencia del entorno en el que vives.

h) En equipo con tus compañeros de clase, elaboren un plan de seguimiento para concientizar a la comunidad estudiantil sobre el impacto y la importancia que tiene el reciclar diversos materiales en la actualidad. 3. Como individuos, podemos reemplazar, reutilizar o reciclar materiales de diversas maneras. Por ejemplo, podemos utilizar los dos lados del papel para escribir; o bien, cuando se tiene la opción, adquirir bebidas en botellas retornables y devolverlas. Identifica al menos otras cinco formas en que nosotros, como individuos, podemos reemplazar, reutilizar o reciclar ciertos materiales. 4. Plantamos árboles para satisfacer nuestras necesidades de papel. Imagina que toda comunicación impresa y mecanografiada fuera reemplazada en el futuro por redes electrónicas basadas en computadoras.

a) De ser así identifica algunos materiales de uso común en el hogar, en la oficina, en las fábricas, en establecimientos comerciales, en talleres mecánicos, tiendas de abarrotes, entre otros que deban reciclarse conforme a esa ley.

a) ¿Qué usos actuales del papel cesarían?

b) ¿Cómo crees que se podría hacer cumplir una ley como ésa?

c) ¿Cómo implementarías estas acciones en tu hogar?

d) ¿De qué forma difundirías la importancia de esta práctica en tu comunidad?

e) ¿Qué medidas tomarías para que se lleven a cabo estas acciones en tu plantel educativo?

223

7

Reacciones químicas

b) ¿Qué trabajos u ocupaciones desaparecerían?

d) ¿Qué estarías leyendo en lugar de este libro de texto de química hecho de papel?

c) ¿Qué trabajos u ocupaciones se crearían?

e) ¿En qué otros aspectos cambiaría tu rutina diaria debido a este avance tecnológico?

Rúbrica 1. a) Menciona y describe brevemente las tres regiones principales de la Tierra.

b) ¿Qué región funge como el principal “almacén” de recursos químicos que se emplean en la manufactura de productos de consumo?

2. Escribe las ecuaciones balanceadas para cada caso: Caso a) Preparación de ácido fosfórico (H3PO4); se usa para hacer bebidas gaseosas, detergentes y otros productos, a partir de roca fosfórica y ácido sulfúrico: Ca3(PO4)2(s)  H2SO4(ac)

H3PO4(ac)  CaSO4(s)

Caso b) Preparación de tungsteno (W) a partir de su mena: WO3(s)  H2(g)

W(s) H2O(l )

5. Cada equipo presente sus respuestas en plenaria y argumenta sus ideas bajo elementos prácticos. 6. Generar un debate para argumentar los resultados que cada equipo obtuvo. 7. Elaborar conclusiones estableciendo sus puntos de vista sobre la temática desarrollada y la relación que ésta tiene en su entorno. 8. Elaboren un ensayo donde expresen sus reflexiones sobre esta actividad manteniendo objetividad y pertinencia. Responde lo siguiente:

Caso c)

„

¿Leí todo el contenido del bloque?

¿Por qué?

„

Cuando lo hice, ¿comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta comprenderlo?

„

¿Puedo comprender la importancia del reciclado en la preservación del medio ambiente? Explícalo brevemente.

Calentar mena de sulfuro de plomo en aire: PbS(s)  O2(g)

PbO(s)  SO2(g)

3. Describe una rutina cotidiana que estarías dispuesto a modificar para reducir los problemas de eliminación de desechos sólidos.

4. Elaboren en equipo un reporte sobre los resultados que obtuvieron. 224

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7.1 Reacción química

Actividad formativa

Una reacción química es un proceso en el cual un sistema caracterizado por las propiedades físicas y químicas de las sustancias que lo constituyen experimenta un cambio. Por tanto, cuando ocurre un cambio químico, los átomos de los compuestos se reacomodan para formar otros compuestos. Las reacciones químicas suponen una reorganización de los átomos a nivel microscópico para formar nuevas moléculas: los enlaces se rompen y las uniones atómicas se recomponen de otra manera.

Propón diferentes experimentos relacionados con situaciones cotidianas, en donde puedas reconocer los tipos de reacciones químicas que se generan en conjunto con el uso de la energía eléctrica, comprueba tus experimentos mediante la ley de la conservación de la materia en el balanceo de ecuaciones; socializa los resultados para establecer conclusiones y reconocer las repercusiones positivas y negativas sobre el impacto que esto genera en el medio ambiente y en la sociedad en general.

Para estudiar las reacciones químicas, es necesario tener en cuenta lo siguiente: a) Toda reacción química debe estar de acuerdo con los resultados experimentales. Ejemplos 1. Al calentar clorato de potasio (KClO3) en un recipiente con tubo de desprendimiento, se efectúa una reacción química, porque el clorato desaparece pero, simultáneamente, aparecen dos sustancias: cloruro de potasio (KCl) y oxígeno (O2) gaseoso, que sale por el tubo de desprendimiento. 2KClO3(s)

2KCl(s)  3O2(s)

2. De la misma manera, si se coloca un trozo de sodio metálico (Na) en un vaso de precipitados que contiene agua, el sodio (Na) se desplaza sobre la superficie del agua hasta desaparecer completamente. Ocurre una reacción química entre el sodio y el agua, obteniéndose una nueva sustancia llamada hidróxido de sodio (NaOH) y desprendiéndose un gas de hidrógeno (H2). Esto se puede comprobar sumergiendo un papel tornasol en el recipiente que se utilizó y la solución cambia de color. 2Na(s)  2H2O(l)

Comprensión lectora Las reacciones químicas en la vida cotidiana Casi todos los alimentos que consumimos (carne, pescado, verduras, frutas, etc.), son sustancias orgánicas derivadas de animales o plantas. Una vez separadas del organismo de origen comienzan a descomponerse por la acción de microorganismos que provocan reacciones de oxidación rápidas, como por ejemplo: la carne se pudre, la mantequilla se arrancia, etc. Por tanto, es necesario disminuir la velocidad de estas reacciones, y para ello se conservan los alimentos a baja temperatura. En el refrigerador, donde la temperatura es de aproximadamente 2.5 °C, se preservan sólo por algunos días; en cambio en el congelador, estas reacciones prácticamente se bloquean y algunos alimentos se conservan varios meses. La cocción de los alimentos es otra reacción química que se hace en agua para evitar que se carbonicen. El tiempo de cocción se reduce conforme la temperatura aumenta. Como en circunstancias normales la temperatura no puede pasar de 100 °C, se recurre a cocinar en una olla a presión, donde se alcanzan temperaturas del orden

2NaOH(ac)  H2(g)

3. Al poner en contacto una solución acuosa de nitrato de plata (AgNO3) con una solución acuosa de cloruro de sodio (NaCl), ambas incoloras, se efectúa una reacción química porque se forma otra sustancia insoluble en agua, el cloruro de plata (AgCl), que al principio da un aspecto lechoso a la solución, y después forma un precipitado blanco y grumoso; en solución queda el nitrato de sodio. NaCl(ac)  AgNO3(ac)

Actividad transversal

AgCl(s)  NaNO3(ac)

Figura 7.1 Alimentos con microorganismos por su descomposición.

Figura 7.2 El quemar la madera, cartón u otros materiales produce gases contaminantes al medio ambiente.

225

7

Reacciones químicas

(Na2S2O3,“hiposulfito”), donde se efectúa una reacción lenta cuyos productos quedan en la solución: 2AgBr(s)  Na2S2O3(ac)

Ag2S2O3(ac)  2NaBr(s)

Esta reacción de revelado es muy sensible a las variaciones de temperatura. Si el baño está a 25 °C, se recomienda 1 minuto para el revelado; a 20 °C, se requieren 4 min, y a 15 °C, 10 min. En las zonas de la película sobre las que incide la luz en el momento de tomar la fotografía, la sal se convierte en plata metálica y queda formando las zonas oscuras del negativo.

Figura 7.3 El revelado de fotografías es un ejemplo de reacción química.

b) Se debe cumplir con la ley de la conservación de la masa, es decir, que en el proceso de transformación no haya pérdida ni ganancia de materia.

de 120 °C, gracias a que la presión en el interior puede llegar a 2 atmósferas. Así, las reacciones químicas propias de la cocción se aceleran y el tiempo puede reducirse considerablemente.

c) El número de átomos de cada elemento que interviene en la reacción se conserva constante y la forma en que se encuentran unidos estos átomos cambia.

Otra reacción muy común es la que se produce al quemar la madera o el carbón, en la cual además de dióxido de carbono y agua, es inevitable que produzca también monóxido de carbono, que es muy tóxico. A partir de los 700 °C, el monóxido se descompone en carbón (hollín), y dióxido: 2CO

CO2 + C

Por debajo de 400 °C, la velocidad de esta reacción es casi nula. Por ello debe evitarse que los gases desprendidos se enfríen bruscamente, ya que bloquearían esta descomposición. Por el contrario, en una chimenea se logra un enfriamiento progresivo que permite la reacción de descomposición. Con ello se evita arrojar un importante volumen de CO a la atmósfera. Otra aplicación de las reacciones químicas es en el proceso de revelado, el cual conduce a la obtención del negativo. Cuando el proceso es en blanco y negro, consiste en eliminar el bromuro de plata no impresionado por la luz (partes oscuras de la imagen y claras del negativo) y que queda sobre la película. Para ello, se sumerge la película en un baño de una solución de tiosulfato de sodio

d) La carga neta en productos y reactivos debe ser la misma. En este último ejemplo conviene hacer las siguientes observaciones: a) Cuando se ponen en contacto cristales de cloruro de sodio y de nitrato de sodio la reacción química no es tan evidente como cuando se usan sus soluciones. b) Cuando se preparan independientemente cada una de las soluciones por separado, se observa que los cristales desaparecen. Sin embargo, en esta operación no se efectúa una reacción química, porque no se forma ninguna sustancia diferente, sino una mezcla homogénea de la sustancia con el agua, llamada solución acuosa (al preparar una solución acuosa se efectúa una mezcla, pero no se realiza una reacción química). c) Las sustancias que se forman durante esta reacción pueden separarse mediante operaciones físicas, tales como la decantación, la filtración y la evaporación, durante las cuales, aunque se separan entre sí tanto como del agua, no se forman otras sustancias diferentes.

Actividad formativa Resuelve los siguientes ejercicios de tipos de reacciones químicas: 1. Clasifica las siguientes reacciones en de síntesis o descomposición. Anota tu respuesta en el espacio en blanco. a) 2 Al(s) + 3Br2(l)

2AlBr3(s)

b) 2Cl2O5(g)

2Cl2(g) + 5O2(g)

c) 2Zn(NO3)2(s)

2ZnO(s) + 4NO2(g) + O2(g)

d) MgSO4.7H2O(s)

MgSO4(s) + 7H2O(g)

e) CaO(s) + SO2(g)

CaSO3(s)

226

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2. Clasifica las siguientes reacciones en simple sustitución y doble sustitución. a) BaCl2aq) + H2SO4(aq)

2HCl(aq) + BaSO4

b) 2K(s) + 2H2O(l)

2KOH(aq) + H2(g)

c) Al2O3(s) + 3H2SO4(aq)

Al2(SO4)3(aq) + 3H2O(l)

d) F2(g) + 2NaCl(aq)

2NaF(aq) + Cl2(g)

e) 2KCl(s) + H2SO4(l)

K2SO4(s)+2HCl(g)

3. Completa las siguientes reacciones de simple sustitución, anotando en el espacio correspondiente la sustancia química. a) Al(s) + NiCl2(aq)

_______ + _______

b) Mg(s) + HNO3(aq)

_______ + _______

c) _______ + KI(aq)

KCl(aq) + _______

d) Al(s) + Fe2O3(s)

_______ + FeS(s)

4. Completa las siguientes reacciones de doble sustitución, anotando en el espacio correspondiente la sustancia química. a) Na2S(aq) + CuSO4(aq)

_______ + CuS(s)

b) _______+ H2C2O4(aq)

HCl(aq) +CaC2O4(s)

c) Mg(OH)2(s) + HNO3(aq)

_______+ _______

d) BaCO3(s) + ________

BaCl2(aq) + _______+ _______

Actividad formativa

Programa conduce sin alcohol (alcoholímetro) El programa “Conduce sin alcohol”, conocido simplemente como “alcoholímetro”, se inició el 19 de septiembre de 2003, colocando 10 alcoholímetros en un operativo policiaco de la Secretaría de Seguridad Pública de la Ciudad de México (SSP-CDMX), que aplica pruebas rápidas de alcoholemia mediante el alcoholímetro en retenes itinerantes por todo el Valle de México. Tiene como objetivo prevenir que los automovilistas conduzcan en estado de ebriedad, y provoquen accidentes viales por dicha causa. Se aplica de forma aleatoria por las 16 delegaciones y su práctica se ha extendido a otros municipios del estado de México, como Naucalpan y Tlalnepantla.

4. ¿Cómo se mide el grado de alcohol que ha ingerido una persona? 5. ¿Qué beneficios se han logrado con este programa en la sociedad mexicana en el periodo de 2003 a 2015, en relación con la reducción de accidentes y personas sancionadas? 6. Según tu opinión: ¿es aceptado o rechazado este programa por la sociedad? ¿Por qué? Conclusiones:

Contesta brevemente lo siguiente y anota tus conclusiones. 1. Investiga qué reacción química se produce en el organismo al ingerir una bebida alcohólica. 2. Investiga los efectos del nivel de alcohol ingerido en la sangre de una persona. 3. ¿Cómo funciona el alcoholímetro utilizado en este programa?

227

7

Reacciones químicas

d) Cl2 (g)  H2(g) Cloro  Hidrógeno

2HCl(g) Ácido clorhídrico

e) 2Fe(s)  3Cl2(g) Fierro  Cloro

2FeCl3(s) Cloruro férrico

Las reacciones de adición son aquéllas en las que las sustancias iniciales son dos compuestos, o un compuesto y un elemento, y la sustancia final es un compuesto. Figura 7.4 Hay que evitar la emisión de contaminantes a la atmósfera.

Ejemplos

7.2 Tipos de reacciones químicas De acuerdo con lo anteriormente explicado, es necesario reconocer que una ecuación química sólo puede corresponder a un fenómeno químico que se verifique en condiciones adecuadas, es decir, no se debe proponer una ecuación química “inventada” o que no se refiera a una reacción química real. La ecuación química es el modelo matemático de un fenómeno químico real. No siempre es posible predecir si al poner en contacto ciertas sustancias reaccionarán, y qué sustancias se producirán. Sin embargo, debido a muchos miles de experimentos realizados en el mundo que nos rodea, debidamente repetidos y controlados en el laboratorio, las reacciones químicas se han clasificado en cuatro tipos principales: síntesis, descomposición, sustitución simple y sustitución doble.

Síntesis Fórmula general:

Cu (OH)2(l)

Óxido de cobre (II)  Agua

Hidróxido de cobre (II)

b) CO2(g)  H2O(l)

H2CO3(l)

Dióxido de carbono  Agua

Ácido carbónico

c) CuO(s)  CO2(g)

CuCO3(s)

Óxido de cobre (II)  Dióxido de carbono Carbonato de cobre (II) d) 2SO2(g)  O2(g)

2SO3(g)

Dióxido de azufre + Oxígeno

Trióxido de azufre

Descomposición

AB

AB

E

A  B;

E = Energía

Las reacciones de síntesis son aquéllas en las que las sustancias reaccionantes son elementos y la sustancia producida es un compuesto. Ejemplos

Las reacciones de análisis son aquellas en las que la sustancia reaccionante es un compuesto que, por acción del calor, de la electricidad o algún otro medio (por ejemplo enzimas en procesos de fermentación), se descompone en dos o más elementos o compuestos.

a) 4Na(s)  O2(g) Sodio  Oxígeno

2Na2O(s) Óxido de sodio

 O2(g) b) S(s) Azufre  Oxígeno

SO2(g) Dióxido de azufre

a) 2KClO3(s)

c) Ca(s)  H2(g) Calcio  Hidrógeno

CaH2(s) Hidruro de calcio

b) CaCO3(s)

228

AB

a) CuO(s)  H2O(l)

Fórmula general: AB

AB

Fórmula general:

Ejemplos

Clorato de potasio

Carbonato de calcio

2KCI(s)

 3O2(g)

Cloruro de potasio  Oxígeno

CaO(s)

 CO2(g)

Óxido de calcio

 Dióxido de carbono

Grupo Editorial Patria ®

c) 2NaCl(s) Cloruro de sodio

d) 2H2O(l) Agua

2Na(s)

 Cl2(g)

Sodio

 Cloro

2H2(g)

 O2(g)

Hidrógeno

 Oxígeno

b) AgNO3(ac)

 NaCl(ac)

AgCl(ac)

Nitrato de plata  Cloruro de sodio

c) 2KI(ac)

 Pb(NO3)2(ac)

d) BaO2(ac)

Fórmula general: A  BC

AC  B

 H2SO4(ac)

Óxido de bario  Ácido sulfúrico

En estas reacciones las sustancias reaccionantes son un compuesto y un elemento, y las sustancias producidas, un elemento y un compuesto diferentes de los anteriores.

Cloruro de plata  Nitrato de sodio

2KNO3(ac)  PbI2(ac)

Yoduro de potasio  Nitrato de plomo

Sustitución simple

 NaNO3(ac)

Nitrato de potasio  Yoduro de plomo

BaSO4(ac)  H2O2(ac) Sulfato de bario  Peróxido de hidrógeno

Ejemplos a) Zn(s)  2HCl(l) Cinc  Ácido clorhídrico

b) Mg(s)  H2SO4(l) Magnesio  Ácido sulfúrico

c) 2Na(s)  2H2O(l)

ZnCl2(l)

 H2(g)

Cloruro de cinc

 Hidrógeno

MgSO4(l)

 H2(g)

Sulfato de magnesio  Hidrógeno

2NaOH(l)

Sodio  Agua

 H2(g)

Hidróxido de sodio  Hidrógeno

d) Cu(s)  AgNO3(ac)

CuNO3(ac)

Cobre  Nitrato de plata

 Ag(s)

Nitrato de cobre (l)  Plata

Actividad formativa Anota el nombre de los productos y el tipo de reacción de que se trata, menciona en cada caso un ejemplo de uso común. Contrasta tu información con la de tus compañeros y establezcan en qué procesos de transmisión se manifiestan dentro de su entorno. Reactivos

Productos

Tipo de reacción

1. Na H2 2. Ca O2 3. Na H2O

Sustitución doble Fórmula general:

4. K H2SO4

AB  CD

AD  CB

5. Fe2  S 6. I2 H2

A B  C D

A D  C B

7. Cl2  O2 8. SO3  H2O

En este tipo de reacciones las sustancias reaccionantes son dos compuestos, y las sustancias producidas son otros dos compuestos diferentes de los anteriores; de tal manera que hay un intercambio de iones y elementos entre ellos. En otras palabras, hay un intercambio de iones entre las sustancias participantes.

9. CaO  H8O 10. Al(OH)3  HCl 11. H2  Cl2 12. H2S  H2O 13. K2O  H2O

Ejemplos a) Na+1OH –1(ac) H+1Cl –1(ac)

Na+1Cl –1(ac) H+1 OH(l)

H idróxido de sodio  Ácido clorhídrico Cloruro de sodio  Agua N aOH(ac)

 HCl(ac)

NaCl(ac)

 H2O(l)

14. Zn  H3PO4 15. KClO3 16. SO3  H2O 17. MgSO4  Ba(NO3)2

229

7

Reacciones químicas Actividad formativa

Actividad transversal

Comprensión lectora La carcoma de la piedra Aunque todo el mundo cree que la piedra es el material más duradero de los utilizados en la construcción, también sufre los efectos de la agresividad del medio, lo que da lugar a su “degradación”. Estos efectos del medio sobre la piedra se hacen particularmente visibles en monumentos antiguos, en los que se percibe el desgaste sufrido a lo largo del tiempo. Los materiales calcáreos, en particular la “caliza”, se degradan sufriendo un ataque superficial. El agua de lluvia es ligeramente ácida, debido a la incorporación del CO2 atmosférico. La disolución de la caliza por el agua de lluvia es un proceso lento, pero que al cabo del tiempo puede dar lugar a efectos importantes. En presencia de contaminantes atmosféricos de tipo ácido se produce una aceleración de la degradación.

Escribe las ecuaciones químicas correspondientes a cada una de las reacciones químicas enunciadas; identifica en conjunto con un compañero en qué situaciones de tu entorno se manifiestan dichas reacciones. Elaboren sus conclusiones en las que mencionen su pertinencia. Reacciones de adición: a) Óxido de Óxido de  cobre (II) carbono (IV)

Carbonato de cobre (II)

b) Óxido de azufre  Oxígeno

Trióxido de azufre

Reacciones de síntesis: a) Sodio  Oxígeno

Óxido de sodio

b) Azufre  Oxígeno

Anhídrido sulfúrico

c) Calcio  Hidrógeno

Hidruro de calcio

d) Cloro  Hidrógeno

Ácido clorhídrico

e) Azufre  Magnesio

Sulfuro de magnesio

Reacciones de descomposición: a) Clorato de potasio

Cloruro de potasio  Oxígeno

b) Carbonato de calcio

Óxido de calcio  Dióxido de carbono

c) Cloruro de sodio Figura 7.5 Escultura dañada por la contaminación.

d) Agua

E lectricidad

E lectricidad

Sodio + Cloro

Hidrógeno + Oxígeno

Reacciones de simple sustitución: Actividad: Identifica algunas zonas rocosas aledañas a tu comunidad en las que puedas comprobar este proceso de degradación, analiza en qué estado se encuentran y explica cómo se da este fenómeno químico al paso de los años. En conjunto con su profesor y de forma organizada, asignen 10 minutos para realizar la lectura sobre “Las reacciones químicas en la vida cotidiana”, en donde por turnos participarán al leer, comenten sus ideas principales de la lectura y formulen preguntas que permitan la comprensión de los conocimientos que se relacionan en ésta.

230

a) Cinc  Ácido clorhídrico

Cloruro de cinc  Hidrógeno

b) Magnesio  Ácido sulfúrico

Sulfato de magnesio  Hidrógeno

c) Sodio  Agua

Hidróxido de sodio + Hidrógeno

Reacciones de doble sustitución: a) Hidróxido de Sulfato de  cobre (II) hidrógeno

Sulfato de cobre  Agua

b) Cloruro Solución de  de bario sulfato de fierro (III)

Sulfato de bario  Cloruro de fierro (III)

Grupo Editorial Patria ® Reacciones químicas inorgánicas

Se define como

Síntesis o adición

Análisis o descomposición

Expresión matemática

Expresión matemática

Ejemplo

Ejemplo

Figura 7.6 Mediante las reacciones químicas, se transforma la materia, para obtener nuevas sustancias.

Doble sustitución

A  BC

AC  B

Expresión matemática

Ejemplo

Ejemplo

Figura 7.7 El conocimiento teórico ha desarrollado la ciencia.

231

7

Reacciones químicas

7.3 Ecuación química La naturaleza es dinámica, y tanto la materia viva como la inerte sufren continuamente procesos de transformación, de los cuales los más importantes son los que afectan a su constitución. La formación de las rocas, la erosión química por el agua, el nacimiento de una planta o la respiración de un mamífero, son procesos observables que suponen transformación de unas sustancias a otras. Todos ellos, más allá de sus diferencias, tienen algo en común: implican transformaciones a escala molecular que dan lugar a los cambios materiales observables a simple vista. En los bloques anteriores se ha visto cómo los elementos químicos forman compuestos por medio de enlaces que unen entre sí a sus átomos. Las reacciones químicas son procesos de transformación de unas sustancias a otras y según la teoría atómica de la materia, se explican como el resultado de un reagrupamiento de átomos para dar nuevas moléculas. Las sustancias participan en la reacción química correspondiente, la cual sirve de base para la realización de diferentes tipos de cálculos químicos. Una ecuación química es la representación matemática de una reacción química, en la cual se indica el símbolo de cada elemento o compuesto y el estado físico en que se encuentra. En las reacciones químicas las sustancias iniciales (que se escriben del lado izquierdo) se llaman reactivos, y son sustituidas por las nuevas que se forman (que se escriben del lado derecho) y se llaman productos: AB

CD

Reactivos

Productos

Actividad formativa Identifica los diferentes tipos de reacciones químicas que se dan en tu entorno, describe cómo se aplica la ley de la conservación de la materia para reconocer los procesos de transformación en las manifestaciones que detectaste. Describe los efectos que se manifiestan en la naturaleza y en la vida cotidiana, a partir de las reacciones químicas; comenta durante la clase lo importante que esta reconocer este proceso como generador de vida para todos los seres vivos.

c) En el miembro de la derecha se escriben las fórmulas de las sustancias que se forman en la reacción química, o productos, también separadas por signos de adición. d) Ambos miembros de la ecuación química deben contener los mismos elementos y además el mismo número de átomos. Para escribir una ecuación química, se recomienda seguir estos pasos: 1. Escribir con palabras los nombres de las sustancias reaccionantes, así como de las sustancias producidas separadas por los signos de adición y la flecha horizontal: Clorato de potasio

Calor

Cloruro de potasio  Oxígeno

2. Escribir la fórmula de cada una de las sustancias con su nombre; se debe recordar que:

Por ejemplo: cuando quemamos papel, se produce humo; esto se puede representar de la siguiente manera: C(s)  O2(g)

Δ

CO2(g)  H2O(l)

Se puede leer de la siguiente manera: al quemar el carbón sólido con calor, se produce el gas dióxido de carbono más agua en estado líquido. Por tanto, una ecuación química nos indica el proceso que se está realizando o se puede realizar en la naturaleza. Por lo general, las ecuaciones químicas indican los estados inicial y final de una reacción y no los pasos intermedios. A continuación se mencionan algunas características de las ecuaciones químicas: a) Presentan dos miembros separados por una flecha horizontal, en el sentido en que se efectúa la reacción. b) En el miembro de la izquierda, se escriben las fórmulas de las sustancias iniciales o reactivos separados por el signo de adición. 232

Figura 7.8 Las reacciones químicas son fundamentales en la obtención de nuevos materiales.

Figura 7.9 Un país puede recibir grandes beneficios económicos de la producción de ácido sulfúrico.

Grupo Editorial Patria ®

Significado de los signos convencionales en una ecuación química

a) La fórmula de los elementos generalmente corresponde a su símbolo; aunque se pueden presentar moléculas diatómicas, por ejemplo: H2 , N2 , O2 , F2 , Cl2 , Br2 , I2 .

En el estudio de la química, los procesos que se verifican en la naturaleza deben describirse de la manera más explícita posible, por lo que en la escritura de las reacciones químicas se utilizan los siguientes símbolos convencionales que nos permiten una mayor comprensión del fenómeno que ocurre.

b) Las fórmulas de los compuestos se escriben de acuerdo con lo establecido por las reglas de la uiqpa. c) El símbolo correspondiente al calor es la letra delta (Δ) mayúscula.

Signo auxiliar

Figura 7.10 Reacción química del azúcar con el ácido sulfúrico.

2KCl(s)  3O2 (g)

2KClO3(s)

La flecha en sentido vertical indica que esta sustancia se desprende como gas. Analiza el funcionamiento de tu organismo e identifica cómo se da la reacción de oxidación, describe este proceso y la relación que existe entre éste y una reacción química.

Actividad formativa Indica con la letra que corresponda las partes de los signos auxiliares de una reacción química. (A)

(B)

H2SO3(ac)  Na(s) (E)

(I)

(C)

(H)

(D)

Na2SO3(s)  H2(g)

Δ (F)

(g)

Gas

(l)

Líquido

(s)

Sólido

(ac.) o (aq.)

Por tanto, la ecuación química se escribe así:

(G)

(

) Sentido de la reacción

(

) Ácido sulfuroso

(

) Sólido que precipita

(

) Sulfito de sodio

(

) Aplicación de calor

(

) Productos

(

) Gas que se desprende

(

) Sodio metálico

(

) Reactivos

Contrasta tus respuestas con las de un compañero y reflexionen sobre la importancia de reconocer las expresiones simbólicas de las reacciones químicas ante fenómenos de la naturaleza que se generan en tu región.

Significado

Disolución acuosa

(E)

Energía

(Δ)

Calor

(hf)

Energía de radiación electromagnética

( )

Gas que se desprende en el proceso

( )

Sólido que se precipita

(

)

Reacción en un sentido (irreversible)

(

)

Reacción en ambos sentidos (reversible)

Cada símbolo químico que aparece en la ecuación no sólo constituye la abreviatura del nombre del elemento correspondiente, sino que además representa un átomo de dicho elemento. Análogamente, la fórmula de un compuesto designa a dicho compuesto y muestra los átomos (o los iones) que componen su molécula (o su agregado iónico elemental), así como la relación numérica entre ellos. Esta forma simbólica de escribir las reacciones químicas constituye, por tanto, la descripción de las transformaciones a nivel molecular que aquéllas implican. La representación visual de tales procesos puede efectuarse recurriendo a modelos o construcciones mediante esferas que reproducen la estructura aproximada de la molécula o agregado iónico en cuestión. En este tipo de modelos, cada esfera con su color correspondiente representa un átomo o un ion y el conjunto describe la forma exterior de la molécula o del agregado iónico. Ejemplos 4Fe(s)  3O2 (g) Ag1(ac)  Cl–1(ac) NaCl(ac)  AgNO3(ac)

2Fe2O3(s) AgCl(s) AgCl(s)  NaNO3(ac)

233

7

Reacciones químicas

7.4 Balanceo de ecuaciones químicas Cuando se estudia química es fundamental conocer perfectamente la tabla periódica de los elementos, sus propiedades y características, cómo se combinan con otros elementos, así como los compuestos que forman y los diferentes tipos de reacciones que ocurren. Por tanto, el siguiente paso es aprender a balancear correctamente una ecuación química, ya que de esto dependen muchos factores de cálculos en las reacciones, el equilibrio químico. En nuestro diario acontecer, si observamos cuidadosamente nos daremos cuenta de la gran cantidad de reacciones químicas que ocurren. Por ejemplo, al dejar la basura de tipo orgánico a la intemperie, al cabo de unas horas se percibe un olor desagradable que indica que está ocurriendo una reacción de fermentación. Las plantas producen su alimento por medio de la fotosíntesis. En esta reacción se absorbe energía radiante a medida que el dióxido de carbono y el agua se combinan para formar glucosa y oxígeno. Durante esta reacción ocurren transferencias de electrones. Ejemplos

Ley de la conservación de la masa Esta ley, que es fundamental para realizar cualquier cálculo en una reacción química, la estableció Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794), químico francés que se distinguió por su obsesión en medir y sistematizar sus experimentos. En 1772 cambió un diamante en monóxido de carbono por medio de calentamiento. También sometió a calentamiento diversos metales en recipientes cerrados con una cantidad limitada de aire, y observó que se formaba una capa de calcinado en la superficie del metal: el peso del metal, aire y recipiente era igual al del metal con calcinado y recipiente. Estos experimentos le permitieron establecer dos aspectos importantes: la conservación de la masa y la existencia en el aire de un gas llamado oxígeno (formador de óxidos). Lavoisier realizó su experimento con mercurio estableciendo el siguiente principio: En un sistema sometido a un cambio químico, la masa total de las sustancias que intervienen permanece constante. O en otras palabras: La masa de los reactivos es igual a la masa de los productos.

2. Coloca la tableta efervescente pulverizada dentro del globo y colócalo en la boca de la botella. Voltea el globo de tal manera que caiga el polvo de la tableta efervescente en el agua que está dentro de la botella de refresco. Observa lo que ocurre, vuelve a pesar todo lo anterior y anota la masa final: m2 =

g

Contesta lo siguiente: ¿Cómo resultaron las masas anteriores? ¿Por qué?

¿Qué sustancia infló el globo? ¿Qué ley se demostró?

Consulta con tu profesor acerca de la reacción que se verificó y anótala:

¿Cuáles son las sustancias iniciales? Procedimiento 1. Coloca en una balanza granataria o digital un globo, una tableta efervescente, una botella de refresco (de plástico) que contenga un poco de agua y pesa la masa. Ésta corresponde a la masa inicial del sistema: m1 =

234

g

También llamadas: ¿Cuáles son las sustancias finales? También llamadas:

Grupo Editorial Patria ®

Completa el siguiente cuadro: Elemento que interviene

En las sustancias iniciales

En las sustancias finales

Figura 7.11 Representación esquemática de la reacción del nitrógeno para formar amoniaco.

¿El número de átomos para cada elemento que interviene resultó igual o diferente? ¿Por qué? En tu opinión, ¿qué importancia tiene el conocer o experimentar los diferentes cambios químicos que se dan con elementos de uso común?

Los coeficientes anteriores nos proporcionan la siguiente información: 2 moléculas de hidrógeno

1 molécula  de oxígeno

2 moléculas  de agua

2 moles de hidrógeno

1 mol de  oxígeno

2 moles  de agua

2  6.023  1023  1  6.023  1023  2  6.023  1023 moléculas de hidrógeno

moléculas de oxígeno

2 volúmenes de hidrógeno



Una reacción química puede definirse como el proceso mediante el cual dos o más sustancias se combinan para obtener a su vez una o más sustancias diferentes. Las reacciones químicas se pueden representar por medio de una ecuación. Una ecuación química, al ser balanceada, indica las cantidades que se combinan de los diferentes reactivos y las cantidades de los productos que se obtendrán.

22g

 1  32 g

Reactivos

Producto

Las ecuaciones químicas proporcionan información de hechos que ocurren experimentalmente bajo ciertas condiciones de operación dadas. Debe existir el mismo número de átomos tanto en los reactivos como en los productos para que se cumpla la ley de la conservación de la masa.

4 átomos de hidrógeno

producen 4 átomos de hidrógeno

2 átomos de oxígeno

producen 2 átomos de oxígeno

Métodos de balanceo

1 volumen de oxígeno

moléculas de agua

4 g de hidrógeno  32 g de oxígeno



2 volúmenes de agua

 2  18 g  36 g de agua

36 g de reactivos  36 g de producto

Como se tiene el mismo número de cada clase de átomos en ambos lados de la ecuación, ésta queda balanceada. Nota:

Ejemplos El hidrógeno se combina con el oxígeno para formar agua. 2H2  O2 Reactivos

2H2O Producto

Un mol de una sustancia química tiene un número de elementos igual al número de Avogadro. Balancear o ajustar una ecuación química significa tener el mismo número de átomos de cada elemento que interviene; para esto se aplican principalmente dos métodos: el de tanteo y el de óxidoreducción o redox. 235

7

Reacciones químicas Paso 1. El mercurio (Hg) ya está balanceado, 1 átomo = 1 átomo. Paso 2. No hay hidrógenos, por tanto se omite este paso. Paso 3. Se balancean los oxígenos colocando un 2 delante del HgO Hg  O2

2HgO

Paso 4. Al hacer esto se desajusta el Hg, por lo que colocamos un 2 delante de este elemento: 2Hg  O2 Figura 7.12 Las reacciones químicas suponen una reorganización de los átomos a nivel microscópico para formar nuevas moléculas. Los enlaces se rompen y las uniones atómicas se recomponen de otra manera.

Para balancear una reacción química se siguen estos pasos:

2HgO

con lo cual queda balanceada la ecuación anterior: Reactivos

Producto

2 átomos de mercurio

producen

2 átomos de mercurio

2 átomos de oxígeno

producen

2 átomos de oxígeno

Paso 1. Indicar correctamente cuáles son los reactivos y cuáles los productos. Paso 2. Escribir las fórmulas de los reactivos en el lado izquierdo de la flecha y los productos en el lado derecho: AB

CD

Reactivos

Productos

Ejemplos Balancea la siguiente ecuación química por el método de tanteo: KClO3

Paso 3. Balancear la ecuación por el método adecuado.

Método de tanteo Este método de balanceo de ecuaciones químicas es el más sencillo y se aplica para ajustar ecuaciones simples; a continuación se da un conjunto de reglas o pasos, la aplicación de los cuales permite llegar más rápido al resultado buscado, pero se puede seguir cualquier método hasta obtener el mismo número de átomos para cada elemento en los reactivos y productos. Paso 1. Se balancean todos los elementos diferentes al oxígeno y al hidrógeno.

Δ

KCl  O2

Paso 1. KClO3

KCl  O2

Paso 2. KClO3

KCl  O2

Paso 3. 2 KClO3

KCl  3O2

Paso 4. 2 KClO3

2KCl  3O2

Reactivos

Producto

2 átomos de potasio

producen

2 átomos de potasio

2 átomos de cloro

producen

2 átomos de cloro

6 átomos de oxígeno

producen

6 átomos de oxígeno

Paso 2. Se balancean los hidrógenos.

Ejemplos

Paso 3. Se balancean los oxígenos. Balancea la siguiente ecuación química por el método de tanteo:

Paso 4. Se comprueban todos los elementos. Paso 5. Se repite el procedimiento en el mismo orden hasta que todos los elementos estén igualados. Ejemplos Balancea la siguiente ecuación química por el método de tanteo: Hg  O2

236

HgO

C2H2  O2

Paso 1. C2H2  O2

Δ

CO2  H2O

2CO2  H2O

Paso 2. Ya están balanceados los hidrógenos Paso 3. C2H2  5O2

4CO2  2H2O

Paso 4. 2C2H2  5O2

4CO2  2H2O

Grupo Editorial Patria ® Reactivos

Producto

4 átomos de carbono

producen

4 átomos de carbono

4 átomos de hidrógeno

producen

4 átomos de hidrógeno

10 átomos de oxígeno

producen

10 átomos de oxígeno Actividad formativa

Balancea por el método de tanteo las siguientes ecuaciones químicas: a)

KHCO3

K2CO3  CO2  H2O

b)

Fe  O2

Fe2O3

c)

Na2S2O3  I2

Na2S4O6  NaI

d)

C2H5OH  O2

CO2  H2O

e)

CH4  O2

CO2 + H2O

f)

C4H10 + O2

CO2 + H2O

Al finalizar, determina los usos que se le dan a este método e indica qué pasaría si al balancear no se cumple con la ley de conservación de la materia.

Método de

REDOX

Cada vez que enciendes una lámpara de mano ocurre una reacción química, llamada por los químicos de óxido-reducción (redox en forma abreviada). La explicación de este tipo de reacciones permite comprender el funcionamiento de las baterías o pilas y de los acumuladores.

Ahora contesta: ¿Con cuál sustancia se desplaza más rápido el bote?, argumenta tu respuesta en la que menciones la importancia que tienen las reacciones de óxido-reducción en tu entorno. El método de óxido-reducción o redox consiste en un intercambio de electrones entre los elementos participantes en la reacción. Estas reacciones son muy importantes en nuestra vida cotidiana; por ejemplo, las pilas o baterías son resultado de reacciones redox. Se obtienen metales como el sodio, el aluminio y el fierro, y otros muchos metales son productos de procesos electrolíticos; también se obtienen muchos no metales. Por consiguiente, es básico conocer este método para ajustar ecuaciones químicas. Lo primero y fundamental de este método es determinar el número de oxidación. En tu opinión, qué impacto tiene el no saber sobre las reacciones químicas como parte de un proceso químico que se manifiesta en el medio ambiente y en la sociedad, cita algunos ejemplos y coméntalo con tus compañeros a fin de detectar problemáticas o situaciones presentes en su región.

tijeras cartulinas o plástico

recipiente (palangana) de plástico 5 2.5 Material para fabricar un motor de jabón

Actividad formativa

¿Te interesa fabricar un motor de jabón? Se necesita un pedazo de cartulina o plástico delgado, tijeras, un recipiente ancho de plástico (palangana) con agua, detergente y un desarmador.

Actividad Dibuja un barco sencillo sobre el pedazo de cartulina o plástico como el que se indica en la figura, de unos 5 cm de largo por 2.5 cm de ancho. Es conveniente que se respete la forma sugerida, similar a un triángulo. Ponlo en el recipiente con agua y asegúrate de que flote bien. Toma un poco de detergente con la punta del desarmador y déjalo caer suavemente en la pequeña abertura triangular que se encuentra en la parte posterior del barco. En poco tiempo el pequeño barco empezará a moverse. En lugar de detergente, utiliza unas gotas de aceite o de alcanfor.

Número de oxidación Como ya se vio anteriormente, el número de oxidación es muy importante en la escritura de fórmulas químicas, puesto que éste determina la relación de elementos positivos y negativos en un compuesto. Se define como la carga eléctrica que tendría un átomo en una molécula o en un compuesto iónico si los electrones fueron transferidos completamente. También se le llama estado de oxidación. Para determinar este número se aplican las siguientes reglas básicas: 1. Los elementos en estado puro o sin combinar en una reacción química tienen como número de oxidación cero. 237

7

Reacciones químicas Ejemplos

Na0, H 20, O20, N20, F20, Cl20, Br20, I 20, Mn0, Cu0.

2. En los iones compuestos de un solo átomo, el número de oxidación es igual a la carga del ion. Ejemplos

temperie, formándose el óxido férrico (Fe2O3). Cuando se quema el oxígeno se combina rápidamente con el carbono para formar CO2. Estas dos reacciones dan lugar al concepto de oxidación lenta y oxidación rápida, respectivamente. Sin embargo, hay otros elementos no metálicos que se combinan con sustancias en forma similar a la del oxígeno, por lo que el término oxidación tiene en la actualidad una definición más amplia y se dice que es el proceso por el cual se remueven electrones de un átomo o de un ion. Un elemento sufre oxidación cuando aumenta su número de oxidación en una reacción; también se define como la pérdida de electrones por un elemento.

Los metales alcalinos tienen 1: Na1, Li1, K1, Rb1. Los metales alcalinotérreos tienen 2: Ca2, Be2, Mg2. El aluminio tiene Al3.

Ejemplos

3. El número de oxidación del oxígeno es de 2, excepto en el peróxido de hidrógeno (H2O2) y en el ion peróxido O1 2 , que es de 1. 4. El número de oxidación del hidrógeno es 1, excepto cuando está unido a un metal. Ejemplos

Zn2

El cinc pasa de número de oxidación de cero a 2; por lo tanto, pierde 2 electrones. Fe0 – 3e–

Fe3

El fierro pasa de 0 a +3, perdiendo tres electrones. C0 – 4e

C+4

El carbono pasa de 0 a 4, perdiendo cuatro electrones.

LiH, NaH, CaH2, que es de −1.

5. En una molécula neutra, la suma de los números de oxidación de todos los átomos es cero. Ejemplos KMnO4. 1 7 2(4)  8 8  0

6. En un ion poliatómico, la suma de los números de oxidación de todos sus elementos es igual a la carga neta del ion. Ejemplo ion carbonato

Zn0 – 2e

(CO3)–2 4  3(−2)  4 − 6  −2

Reducción En un principio las reacciones de reducción estaban limitadas al tipo de reacción en el cual los minerales se reducían de sus óxidos. Por ejemplo, el óxido férrico (Fe2O3) se reducía a fierro puro (Fe0) por la acción del monóxido de carbono. De igual manera, el óxido cúprico (CuO) puede reducirse a cobre puro (Cu0) haciéndole pasar hidrógeno gaseoso. En estos ejemplos se producen elementos en estado puro, removiéndose el oxígeno de sus compuestos. Pero también se puede producir un elemento en estado puro de otras formas; por ejemplo, al sumergir un clavo de hierro en una solución de sulfato cúprico (CuSO4) se produce cobre metálico. Al pasar una corriente eléctrica en cloruro de sodio (NaCl) se obtienen el sodio y el cloro puros. Por tanto, se puede definir a la reducción de manera más amplia como el proceso por el cual se añaden electrones a los átomos o iones. Ejemplos

Oxidación El término oxidación lo usaron originalmente los químicos para explicar la combinación del oxígeno con otros elementos. Por ejemplo, se dice que el fierro (Fe) se “oxida” cuando se deja a la in238

Fe2–3 + 3e

Fe0

El fierro gana 3 electrones al pasar de 3 a 0.

Grupo Editorial Patria ®

Cu2 + 2e

Vocabulario de la óxido-reducción

Cu0

El cobre gana 2 electrones al pasar de 2 a 0. 1

Na



Términos

Significado

Ejemplo

Agente oxidante

Oxida a otros y él se reduce

Cl2

Agente reductor

Reduce a otros y él se oxida

Mg

Sustancia oxidada

Ha perdido electrones

Mg2

Sustancia reducida

Ha ganado electrones

Cl

0

+ 1e

Na

El sodio gana un electrón al pasar de 1 a 0.

Agentes oxidantes En todas las reacciones de óxido-reducción se transfieren electrones, los cuales indican el elemento que se oxida y el que se reduce. Los dos procesos se verifican simultáneamente, es decir, los electrones que se pierden por un átomo, otro los está ganando, de tal manera que sea el mismo número de electrones ganados y perdidos.

Agentes reductores De acuerdo con lo anterior, la sustancia que pierde electrones en una reacción química es el agente reductor (contiene el átomo que se oxida) y la sustancia que gana electrones en una reacción es el agente oxidante (contiene el átomo que se reduce). Por lo general el agente oxidante es una sustancia que contiene átomos de oxígeno, por ejemplo, el permanganato de potasio (KMnO4), el dicromato de potasio (K2Cr2O7), etc. Resumiendo los conceptos anteriores, tenemos que la oxidación es la pérdida de electrones, la reducción es la ganancia de electrones; el agente oxidante es la sustancia que contiene el elemento que se reduce y el agente reductor contiene el elemento que se oxida.

Paso 2. Se identifican los elementos que cambian su número de oxidación. Paso 3. Se escriben las semirreacciones del agente oxidante y el agente reductor, anotando el número de electrones que se pierden o ganan. Paso 4. Se iguala el número de electrones ganados y perdidos, multiplicando en forma cruzada los coeficientes de cada átomo por el número de electrones que se transfieren. Paso 5. Se sustituyen estos coeficientes obtenidos al igualar las dos semirreacciones en la ecuación original, observando correctamente a qué átomo corresponde en su número de oxidación. Paso 6. Se balancea la ecuación química por el método de tanteo aplicando los pasos correspondientes a este método y que ya fueron explicados anteriormente.

Pasos para el balanceo de ecuaciones por el método de óxido-reducción (REDOX)

Ejemplos

Una ecuación química redox, que representa un intercambio de electrones, se puede balancear determinando el número de oxidación al elemento que se oxida y al que se reduce; en ella se aplican los siguientes pasos: Paso 1. Se determinan los números de oxidación de cada uno de los elementos que intervienen en la ecuación química, aplicando las reglas descritas previamente.

Balancea por el método de óxido-reducción la siguiente ecuación química y contesta lo que se indica al final. Al  S

Al2S3

Paso 1.

Al0  SO

Al 23 S 32

Paso 2.

Al0  3e–

Al 23 (oxidación)

S0  2e–

S 32 (reducción)

Vocabulario de la óxido-reducción Términos

Significado

Oxidación

Pérdida de electrones

Reducción

Ganancia de electrones

Ejemplo Mg  2e

Mg2

Cl2  2e

2Cl

Mg  Cl2

Mg2  2Cl1

En este caso se observa que tanto el aluminio como el azufre tienen un subíndice (2 y 3, respectivamente). Siempre se debe comparar el mismo número de átomos; por tanto, hacemos lo siguiente: Quitamos el subíndice del aluminio, multiplicando la semirreacción por 2. 2 Al0  6e

Al3 239

7

Reacciones químicas

Quitamos el subíndice del azufre, multiplicando la semirreacción por 3. 0

3 S  6e



S

2 Al  6e

Al3

3 S0  6e

S2

0

Paso 3.

2



Paso 4. En este ejemplo se suprime, porque ya está igualado el número de electrones perdidos y ganados. Paso 5.

2Al0  3S0

Al2 3S2 3

Paso 6.

2Al  3S

Al2S3

Elemento oxidado:

Al

Elemento reducido:

S

Paso 4. Zn0  2e

Zn2

2N5  2e

2 N4

Paso 5. Zn  2HNO3

Zn (NO3)2  2NO2  H2O

Paso 6. Zn  4HNO3

Zn (NO3)2  2NO2  2H2O

Elemento oxidado:

Zn

Elemento reducido:

N

Electrones intercambiados: 2e Agente oxidante:

HNO3

Agente reductor:

Zn

Ecuación balanceada: Zn(NO3)2  2NO2  2H2O

Zn  4HNO3

Electrones intercambiados: 6e Agente oxidante:

S

Agente reductor:

Al

Ecuación balanceada:

2Al  3S

Comprobación Al2S3

Comprobación Elementos

Reactivos

Productos

Al

2

2

S

3

3

Total

5

5

Elementos

Reactivos

Productos

Zn

1

1

N

4

4

H

4

4

O

12

12

Total

21

21

Ejemplos Balancea la siguiente ecuación por el método de óxido-reducción: Zn  HNO3

Zn(NO3)2  NO2  H2O

Paso 1. Zn0  H1N5O2 3 Paso 2. Zn0 – 2e

1 Zn2(N5O2 3 )2 1 2 N4O2 2  H2 O

Actividad formativa Para cada una de las siguientes reacciones químicas determina el elemento que se oxida, el que se reduce, el agente oxidante y el agente reductor. Escribe al final la ecuación balanceada por el método de óxido-reducción o redox y explica cómo se da este proceso en el entorno. a) Al  S

Zn2 (oxidación)

Al2S3

Elemento oxidado: Elemento reducido: Agente oxidante:

El cinc al perder dos electrones por su cambio del número de oxidación los cede al nitrógeno que gana un electrón.

Paso 3. N5  1e

240

Ecuación balanceada:

N4 (reducción) Zn

–4 –3 Reducción (ganancia de e–)

Agente reductor:

–2

–1

0

+1e–

N

–2e– +1

+2

+3

+4

+5 Oxidación (pérdida de e–)

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c) Oxiácidos b) Zn  HNO3

d) Sales binarias

Zn(NO3)2  H2

Elemento oxidado:

(

)

Elemento reducido:

Compuestos que se obtienen mediante la combinación del hidrógeno con cualquier metal:

Agente oxidante:

a) Hidrácidos

Agente reductor:

b) Hidróxidos c) Hidruros

Ecuación balanceada:

d) Ácidos c) SiO2  C

SiC  CO

(

)

Es la representación matemática de una reacción química:

Elemento oxidado:

a) Ecuación química

Elemento reducido:

b) Fenómeno

Agente oxidante:

c) Fórmula química

Agente reductor:

d) Reactivos

Ecuación balanceada: d) KMnO4  MnSO4  KOH

(

)

Indica la precipitación de un compuesto en una reacción química: a) A

K2SO4  MnO2  H2O

Elemento oxidado:

b) ?

Elemento reducido:

c) @ d) B

Agente oxidante: Agente reductor:

Escribe el nombre o la fórmula, según corresponda, a las siguientes sustancias químicas:

Ecuación balanceada:

Óxido férrico: Actividad formativa

CaCl2: CO2:

I.

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis.

Clorato de potasio:

(

)

HNO3:

La fórmula más pequeña con la información sobre la proporción de átomos presente en la molécula de un compuesto se llama:

)

H2S:

a) Desarrollada

Peróxido de hidrógeno:

b) Condensada

NaOH:

c) Empírica

Permanganato de potasio:

d) Molecular (

Nitrato cúprico:

Son compuestos cuyo nombre lleva la terminación “uro” seguida del nombre del metal correspondiente: a) Hidrácidos b) Oxisales

Hipoclorito de sodio: Na2S2O7: HgI2: NH4OH:

241

7

Reacciones químicas

Yodato de litio:

Tipo de reacción:

Ácido fluorhídrico: II.

+

Completa las siguientes reacciones anotando los productos formados y el tipo de reacción química al que pertenecen: H2

+

S

Na

+

H2

C

+

O2

Cu

+

O2

CaO

+

H2O

HCl

+

NaOH

SO2

+

H2O

Mg

+

I2

Fe

+

O2

HNO3

+

KOH

H2SO3

Ca + H2SO4

+

Tipo de reacción:

IV. Responde de manera breve las siguientes preguntas: 1. ¿Qué se entiende por balancear una ecuación química?

2. Dos métodos para balancear una ecuación química son:

V.

III. Escribe en la línea la fórmula o el nombre, según corresponda, tanto en reactivos como en productos, asimismo escribe el tipo de reacción de que se trata: O2 +

Cloruro de manganeso + 2H2O +

Tipo de reacción: Fe(OH)3 + HNO3

+

B

Balancea por el método de tanteo las siguientes ecuaciones químicas:

a) KHCO3

K2CO3 + CO2 + H2O

b) Fe + O2

Fe2O3

c) Na2S2O3 + I2

NaS4O6 + NaI

d) C3HOH + O2

CO2 + H2O

e) CH4 + O2

CO2 + H2O

f) C4H10 + O2

CO2 + H2O

VI. Para cada una de las siguientes reacciones químicas determina el elemento que se oxida, el que se reduce, el agente oxidante y el agente reductor:

Tipo de reacción:

a) Al + S

SO2 +

H2SO3

Al2S3

Elemento oxidado: Elemento reducido:

Tipo de reacción:

Agente oxidante: Na + H2O

+

Agente reductor: Ecuación balanceada:

Tipo de reacción: +

Fe(NO3)3 + H2O

b) Zn + HNO3 Elemento oxidado:

Tipo de reacción:

Elemento reducido: (NH4)2CO3

242

+

+

+

Agente oxidante:

Zn(NO3)2

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Agente reductor:

h) KCIO3

Ecuación balanceada: c) SiO2 + C

KCl + O2

Elemento oxidado: Elemento reducido:

SiC + CO

Agente oxidante:

Elemento oxidado:

Agente reductor:

Elemento reducido:

Ecuación balanceada:

Agente oxidante: i) Na2S2O3 + I2

Agente reductor:

Na2S4O6 + NaI

Elemento oxidado:

Ecuación balanceada:

Elemento reducido: d) Sn + HF

SnF2 + H2

Agente oxidante:

Elemento oxidado:

Agente reductor:

Elemento reducido:

Ecuación balanceada:

Agente oxidante: VI. Contesta brevemente las siguientes preguntas:

Agente reductor:

1. ¿De dónde forman las plantas el dióxido de carbono (CO2)?

Ecuación balanceada: e) KMnO4 + MnSO4 + KOH

K2SO4 + MnO2 + H2O

Elemento oxidado:

2. ¿Para qué utilizan el CO2 los vegetales?

Elemento reducido: Agente oxidante Agente reductor:

3. ¿Cómo afecta al clima mundial el efecto invernadero?

Ecuación balanceada: f) Ag3AsO4 + Zn + HCl

AsH3 + Ag + ZnCl2 + H2O

4. ¿Qué consecuencias traerá dicho efecto?

Elemento oxidado: Elemento reducido: Agente oxidante:

5. ¿Qué función tiene el ciclo del nitrógeno para los seres vivos?

Agente reductor: Ecuación balanceada: g) Sb + HNO3

Sb2O5 + NO + H2O

6. ¿Cuáles son los efectos del dióxido de nitrógeno (NO2) en la salud?

Elemento oxidado: Elemento reducido: Agente oxidante: Agente reductor:

7. ¿Qué significa el término biodegradable?

Ecuación balanceada:

243

7

Reacciones químicas

8. ¿Crees que es adecuado que los desechos domésticos se vacíen en los ríos o en el mar? Justifica tu respuesta:

9. ¿Qué es la lluvia ácida?

4. (

5. (

10. ¿Qué es el desarrollo sustentable?

6. (

) De la siguiente serie de compuestos, ¿en cuál, el átomo de cromo (Cr) presenta número de oxidación de +3? a) Cr2O3

c) K2Cr2O7

b) Na2CrO4

d) Cr

) En toda reacción de reducción, el número de oxidación: a) Se eleva

c) No cambia

b) Se reduce

d) Se duplica

) En la reacción Cu + HNO3

Cu (NO3)2 + NO + H2O,

el agente oxidante es el: 11. Escribe cinco sugerencias para mejorar el desarrollo sustentable del país. a)

7. (

2. (

c) HNO3

b) Cu

d) Cu(NO3)2

) En una reacción redox, el agente reductor:

b)

a) Gana electrones

c)

b) Gana protones

d)

c) Pierde electrones

e)

d) Pierde protones

VII. Coloca en el paréntesis la letra que corresponda a la respuesta correcta. 1. (

a) H2O

8. (

) Al balancear una ecuación química se encuentran los: a) Subíndices

c) Coeficientes

b) Exponentes

d) Productos

9. (

) El número de oxidación del átomo de cloro de −1 y de +5 se localiza en los compuestos respectivamente: a) CaCl2, Cl2

c) AlCl3, MnCl2

b) NaCl, KCIO3

d) LiCl, Cu(CIO4)2

) En la ecuación: CdS + I2 + HCl

CdCl2 + HI + S,

el agente oxidante es:

) Balancear una ecuación significa: a) Saber el número de moles de los reactivos

a) CdS

c) I2

b) Encontrar el número de moles de los productos

b) S

d) HCl

c) Igualar el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos d) Cumplir con la ley de Proust. 3. (

) De las siguientes ecuaciones indica cuál no está balanceada correctamente: a) N2 + 3H2

2NH3

b) Ca(ClO3)2

CaCl2 + 3O2

c) Na2CO3 + Ca(OH)2 d) CaC2 + H2O

244

CaCO3 + 2NaOH C2H2 + Ca(OH)2

Actividad formativa

Los procesos químicos en nuestra vida Para percibir hasta qué grado están presentes los productos del procesamiento químico en los asuntos cotidianos, intenta hacer una lista de cinco objetos o materiales a tu alrededor que no hayan sido producidos o alterados por la industria química. Comienza por considerar cosas de todos los días: ropa, objetos domésticos, medios de transporte, libros, instrumentos de escritura, equipo para deportes y recreación; es decir, cualquier cosa que encuentras de manera rutinaria.

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Redacta respuestas a las preguntas que siguen. Prepárate para comentar tus respuestas con tus compañeros de grupo.

b) ¿Qué tan importante es este material de empaque?

Respuestas: 1. Objetos seleccionados de mi entorno y que no fueron producidos por la industria química o alterados: 3. ¿En qué sentido son los objetos o materiales de tu lista mejores o peores que las alternativas manufacturadas o sintéticas? Toma en cuenta factores como costo, disponibilidad y calidad.

2. a) ¿Fue empacado alguno de los objetos de tu lista en materiales que produce la industria química? Describe el objeto o material y el empaque utilizado:

4. Si un producto es 100% natural, ¿significa que no ha sido procesado por la industria química? ¿Por qué? Apoya tu respuesta con un ejemplo.

245

7

Reacciones químicas

Evaluación sumativa Con el propósito de que demuestres los saberes que has adquirido durante el desarrollo del Bloque, a continuación se presentan actividades que permiten evidenciar los aprendizajes logrados, para ello responde lo que se indica.

I. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala dentro del paréntesis. 1. Al balancear la siguiente ecuación química por el método de tanteo: C8H18 + O2

CO2 + H2O

Los coeficientes estequiométricos que se obtienen, respectivamente, son: a) 1, 25, 8, 9

b) 2, 25, 16, 18

( ) c) 3, 50, 8, 9

d) 4, 12, 18, 26

2. Al balancear una ecuación química se encuentran los: a) subíndices

b) exponentes

( ) c) coeficientes

d) productos

3. Balancear una ecuación, significa:

( )

a) saber el número de moles de los reactivos. b) encontrar el número de moles de los productos. c) igualar el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos . d) cumplir con la Ley de Proust. 4. De las siguientes ecuaciones, indica cuál NO está balanceada correctamente: a) N2  3 H2

2 NH3

b) Ca(ClO3)2

CaCl2  3 O2

c) Na2CO3  Ca(OH)2 d) CaC2  H2O

( )

CaCO3  2NaOH C2H2  Ca(OH)2

5. De la siguiente serie de compuestos, ¿en cuál el átomo de cromo (Cr) presenta número de oxidación de 6? a) Cr2O3

b) Na 2CrO4

6. En la reacción: Cu  HNO3

c) K2Cr2O7

(

)

(

)

d) CrCl2

Cu(NO3)2  NO  H2O.

El agente oxidante es: b) H2O

a) Cu

c) NO

7. El número de oxidación del átomo de cloro de 1 y 5 se localiza en los compuestos, respectivamente: a) CaCl2, Cl2

b) NaCl , KClO3

c) AlCl3, MnCl2

d) HNO3 ( ) d) LiCl, Cu(ClO4)2

II. Completa las siguientes reacciones, anotando en el espacio en blanco la sustancia que hace falta de acuerdo con los reactivos y/o productos indicados. 1. Reacción de síntesis o adición: a) C 

CO

b) CaO  H2O c)

246

 O2

Fe2O3

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d) H2  Al e) Cl2O 

HClO

2. Reacción de análisis o descomposición: Δ

a)

KNO2  O2

Δ

b) CaCO3

 Δ

c) NH4NO3



MnO2

d) H2O2

 NO  O2

e)

3. Reacción de sustitución simple: 

a)

Fe2O3  H2

b) Al  Cr2O3



c) AgNO3  Cu

 

d)

NaCl  Br2

e) CuSO4  Zn



4. Reacción de sustitución doble: a) CaCl2  NaOH



b) PbCl2  H2S



c)



FeCl3  H2S

d)



Ca3(PO4)2  KCl

e) Pb(NO3)2  KI



III. Anota el tipo de reacción al que pertenecen las siguientes ecuaciones químicas: Ecuación química

Cu  2HCl

CuCl2  H2

H2SO4  Ca (OH)2

2H2  O2

Tipo de reacción

CaSO4  2H2O

2H2O

247

7

Reacciones químicas

IV. Balancea las siguientes ecuaciones por el método de tanteo:

1. P2  H2

PH3

V. Balancea las siguientes ecuaciones químicas por el método de óxido-reducción, anota lo que se indica para cada una en un reporte en tu cuaderno, de acuerdo con el siguiente esquema. Elemento que se oxida:

2. Al  Br2

AlBr3

Elemento que se reduce: Agente oxidante: Agente reductor:

3. HNO3

N2O5  H2O

Número de electrones transferidos: Ecuación balanceada:

4. Fe  H2CO3

5. Cr2O3(s)  Si(s)

6. Al(OH)3  HNO3

Fe2(CO3)3  H2

Cr(s)  SiO2(s)

Al(NO3)3  H2O

1. C  H2SO3 2. HNO2

H2S  CO2 HNO3  NO  H2O

3. KClO3  H2SO4

KHSO4  O2  Cl2O  H2O KOH  MnO2  NaOH  S

4. KMnO4  Na2S  H2O 5. KMnO4  H2SO4 + H2O2

7. Ba(OH)2  HPO3

8. NaHCO3(s)

9. Mg(OH)2 + H2SO4

Ba(H2PO4)2

Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g)

6. Br2  H3AsO4

Cr2(SO4)3  H2O  S  NaHSO4

8. Cr2O3  Na2CO3  KNO3

NaCrO4  CO2 KNO2

MgSO4 + H2O

248

CO2(g) + H2O(g)

As4  HBrO2  H2O

7. H2S  Na2Cr2O7  H2SO4

9. KMnO4  H2SO4  Sb 10. C2H2(g) + O2(g)

K2SO4  MnSO4  H2O  O2

10. C2H5OH  K2Cr2O7  H2SO4

K2SO4  MnSO4  Sb2O3  H2O C2H4  K2SO4  Cr2(SO4)3  H2O  12 O2

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Autoevaluación Nombre del estudiante: Propósito: Reflexionar sobre el proceso de aprendizaje. ¿Para qué me sirve la autoevaluación? ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Es una herramienta muy valiosa para reflexionar sobre el desarrollo de competencias. Establecer acciones que favorezcan mi proceso de aprendizaje. Reconocer mis acciones ante diversas situaciones, además de saber cómo me perciben las personas que me rodean. Proporciona elementos para fortalecer mis habilidades e intervenir ante dificultades de aprendizaje que se presenten. Permite conducirme de manera responsable, respetuosa y empática hacia mis semejantes. Favorece habilidades y actitudes que van dirigidas al desarrollo de competencias. Fomenta al diálogo, para la retroalimentación y conclusión de actividades.

Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: 1. Lee con atención lo que se indica y atender conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando hayas terminado, responde e indica sí o no cumpliste, o bien estás en proceso de desarrollarlo.

Conocimientos

Logrado Sí No

Considero que está en proceso porque…

Mostré interés durante el desarrollo de las actividades. Me comprometí para concretar las actividades en la clase y en el horario establecido. Comenté con mis compañeros sobre dudas y aporte ideas para retroalimentar la información. Me relacioné con mis compañeros de forma colaborativa. Participé activamente, propiciando un ambiente de respeto y tolerancia hacia la diversidad de ideas. Escribí con claridad todo lo solicitado. Identifiqué los cambios químicos presentes en mi entorno. Identifiqué los tipos de reacciones químicas relacionadas con mi vida cotidiana. Argumenté mis respuestas con base en los conocimientos desarrollados. Comprendí todos los conceptos que se abordan. ¿Qué aprendí durante el desarrollo del bloque?

¿Qué debo mejorar?

Mis conclusiones son:

249

7

Reacciones químicas

Guía de observación Nombre del estudiante: Grupo:

Grupo: Fecha de aplicación: Hora de inicio:

Hora final:

Propósito: Reconocer los logros que muestran los estudiantes al desarrollar habilidades, actitudes y conocimientos al realizar la actividad. Instrucciones: 1. Leer eer con atención lo que se indica y atender conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando se haya terminado, responder e indicar sí o no lo realizo y ¿por qué? según corresponda a la respuesta seleccionada..

Logrado Sí No Habilidades

Identifica correctamente los tipos de reacciones químicas. Determina los productos que se establecen en las reacciones químicas. Muestra la ley de la conservación de la materia. Identifica los elementos que se oxidas y se reducen. Actitudes

Se compromete positivamente sobre el cuidado al medio ambiente y a su entorno. Muestra disposición al trabajo colaborativo. Fomenta un pensamiento crítico ante hechos de impacto ambiental en su comunidad. Desempeños

Interpreta correctamente los cambios químicos de la materia. Realiza experimentos y sus resultados los relaciona con situaciones del entorno. Aplica correctamente la ley de la conservación de la materia. Establece la importancia de los procesos de trasformación presentes en el medio ambiente. Logros obtenidos.

Acciones para fortalecer los aprendizajes.

250

¿Por qué?

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Portafolio de evidencias El propósito de integrar al final de tu libro un portafolio de evidencias es para que reconozcas los resultados del proceso de formación obtenido a lo largo del semestre, así como el cambio de los procesos de pensamiento sobre ti mismo y lo que te rodea, a partir de los conocimientos de los distintos temas de estudio, en un ambiente que te permita el uso óptimo de la información generada. Es por ello, que debes integrar las evidencias o trabajos que realizaste en cada bloque, seleccionando aquellos que indique tu profesor y, de acuerdo al cumplimiento de los criterios establecidos, éstos pueden ser: investigaciones, resúmenes, síntesis, cuadros comparativos, cuadros sinópticos, reportes de prácticas de laboratorio o experimentos, entre otros. Finalmente, te invitamos a comentar con tu profesor sobre los criterios generales para lograr el propósito del portafolio de evidencias, el cual sea un medio más para favorecer significativamente el proceso de aprendizaje en el nivel educativo que estás cursando.

251

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Glosario Ángulo de enlace. Ángulo que se forma entre los átomos de una molécula.

Electrón. Partícula subatómica que representa la unidad de carga negativa.

Anión. Ion negativo.

Electrón diferencial. Es aquel que entra al final en el átomo, le asigna su lugar en la tabla periódica y distingue a cada elemento.

Átomo. Partícula más pequeña de un elemento que posee todas las propiedades de ese elemento. Átomo de Bohr. Átomo planetario.

Electrones libres. Electrones que no están ligados a un átomo o asociados con un enlace.

Binario. Compuesto que contiene dos elementos.

Electronegatividad. La atracción relativa de un átomo por un par de electrones compartidos.

Calor. Flujo de energía de un cuerpo de mayor temperatura hacia uno de menor temperatura.

Elemento. Sustancia cuyos átomos tienen todos el mismo número de protones en el núcleo.

Cambios de estado. Transformaciones de la materia de sólida, líquida o gaseosa.

Elemento de transición. Elemento cuyo electrón de más alta energía se encuentra en un subnivel d.

Catión. Ion positivo.

Elemento sintético. Elemento que no existe en la naturaleza y que se produce por medio de reacciones nucleares.

Combustión. Tipo particular de oxidación, en la cual las sustancias se combinan con el oxígeno produciendo luz y calor. Configuración electrónica. Descripción de todos los niveles y subniveles de energía ocupados por los electrones en un átomo. Contaminación. Alteración nociva del ambiente causada por residuos de la actividad humana. Cuanto. “Paquete” discreto de energía. Descomposición. Reacción en la cual un compuesto se divide en dos o más sustancias sencillas. Desplazamiento doble. Reacción en la cual la parte positiva de un compuesto se combina con la parte negativa de otro y viceversa. Desplazamiento simple. Reacción en la cual un elemento reemplaza a otro en un compuesto. Ecuación. Representación abreviada de un cambio químico utilizando símbolos y fórmulas. Efecto fotoeléctrico. Emisión de electrones de una superficie de un metal al exponerlo a la luz.

Energía de ionización. La energía requerida para remover un electrón de un átomo. Enlace. Fuerza que mantiene unidos a los átomos en un compuesto. Enlace covalente. Enlace que se caracteriza por un par de electrones compartidos. Enlace covalente coordinado. Enlace covalente en el que los electrones del par compartido son donados por el mismo átomo. Enlace covalente polar. Par de electrones compartidos que son atraídos más fuertemente por uno de los átomos. Enlace doble. Enlace covalente en el cual dos átomos comparten dos pares de electrones. Enlace iónico. Atracción electrostática entre iones de cargas opuestas. Enlace metálico. Fuerza que mantiene unidos a los átomos de los metales y que se caracteriza por tener electrones móviles o deslocalizados. 253

Glosario

Enlace triple. Enlace covalente en el cual dos átomos comparten tres pares de electrones.

Ley periódica. Las propiedades de los elementos son una función periódica de sus números atómicos.

Espectro. Conjunto de longitudes de onda absorbidas o emitidas por una sustancia.

Longitud de enlace. Distancia intermolecular entre dos átomos enlazados.

Espín. Propiedad de las partículas subatómicas que corresponde mejor a nuestro concepto de rotación sobre el propio eje.

Maleabilidad. La propiedad de una sustancia que hace que pueda ser moldeada en láminas delgadas.

Familia. Una columna vertical de la tabla periódica.

Masa atómica. Masa promedio de los átomos de un elemento.

Fotón. Un cuanto.

Masa de fórmula. Suma de las masas atómicas de los átomos en una fórmula.

Frecuencia. Número de ciclos de onda completos por unidad de tiempo.

Mesón. Una partícula subatómica clasificada como un hadrón.

Fuerza intermolecular. Fuerza que mantiene a las moléculas unidas.

Metal. Un elemento que tiende a perder electrones en las reacciones químicas.

Gas noble. Cualquiera de los elementos del grupo VIIIA (18) de la tabla periódica.

Metal alcalino. Un elemento del grupo IA (1) de la tabla periódica.

Gluón. Partícula teórica sin masa, intercambiada por los quarks.

Metal alcalinotérreo. Elemento del grupo IIA (2) de la tabla periódica.

Grupo. Los miembros de una columna vertical en la tabla periódica. Hadrones. Tipo de partículas subatómicas pesadas. Hertz. Unidad de frecuencia igual a un ciclo por segundo. Hidrácidos. Sustancias que resultan de la combinación del hidrógeno con un no metal.

Metaloide. Elemento que posee propiedades características de los metales y de los no metales. Molécula. Partícula neutra constituida por dos o más átomos unidos covalentemente.

Hidróxidos. Se producen al reaccionar los óxidos metálicos con el agua o el metal con agua.

Naturaleza dual onda-partícula. Propiedad que consiste en que las partículas se comportan como ondas y las ondas como partículas.

Hidruro. Compuesto que resulta al combinarse un metal con el hidrógeno.

Neutrino. Una partícula neutra que complementa el balance de energía.

Higroscópico. Que absorbe agua del aire.

Neutrón. Partícula sin carga que se encuentra en los núcleos de los átomos, que tiene una masa aproximadamente igual a la del protón.

Hipótesis de Louis de Broglie. Las partículas pueden tener propiedades de ondas. Ion. Partícula cargada eléctricamente. Isótopos. Dos o más átomos de un elemento que tienen el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. Lantánido. Elemento cuyo electrón de más alta energía se encuentra en el subnivel 4f. Leptones. Clase de partículas subatómicas livianas. 254

Nivel energético. Cantidad específica de energía o grupo de energías que pueden poseer los electrones de un átomo. Nube electrónica. Espacio ocupado efectivamente por un electrón en un átomo. Nucleón. Partícula que se encuentra en el núcleo de un átomo. Un protón o un neutrón. Número atómico. Número de protones en el núcleo de un átomo.

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Número cuántico. Número que describe una de las propiedades de un electrón en un átomo. Número cuántico principal. Valor de “n” en la ecuación de Schröedinger. Número de masa. Número de nucleones en un átomo (protones más neutrones). Número de oxidación. La carga de un átomo luego de asignar los electrones en el compuesto, según las reglas ya establecidas. Orbital. Espacio que pueden ocupar 1 o 2 electrones que estén en el mismo nivel y subnivel energético y con igual orientación espacial. Oxiácidos. Compuestos que contienen en su molécula el hidrógeno, un no metal y el oxígeno. Óxidos metálicos. Sustancias que resultan de la combinación del oxígeno con los metales. Son óxidos básicos. Óxidos no metálicos. También son llamados anhídridos. Se obtienen al combinar un no metal con el oxígeno. Oxisales. Compuestos que contienen en su molécula un metal, un no metal y el oxígeno. Partícula alfa. Núcleo de helio cargado positivamente. Partícula beta. Partícula nuclear con carga (–) general. Periodo. Una fila horizontal de la tabla periódica. Polaridad. Distribución asimétrica de la carga.

Puente de hidrógeno. Interacción dipolo-dipolo excepcionalmente fuerte debida a la región intensamente positiva en las moléculas donde el hidrógeno está enlazado a un átomo muy electroatrayente (N, O, F). Quark. Partícula teórica que se cree que es un constituyente del hadrón. Reacción química. Un cambio químico. Reactivo. Una sustancia que sufre un cambio químico. Radio atómico. El radio de un átomo sin considerar los átomos circundantes. Rayos catódicos. Haz de electrones en un tubo de descargas de gas. Rayos gamma. Emisiones de energía que poseen una frecuencia muy alta y una longitud de onda muy pequeña. Regla del octeto. Tendencia de los átomos a reaccionar de forma que adquieren ocho electrones en su capa exterior. La última capa del helio se completa con dos. Sales ácidas. Compuestos que se obtienen al reaccionar un ácido fuerte con una base débil. Sales binarias. Compuestos que resultan al unir un metal con un no metal. Serie de los actínidos. Los 14 elementos que comienzan con el actinio, de los cuales, la regla diagonal predice que el electrón de más alta energía está en subnivel 5f.

Positrón. Partícula subatómica idéntica a un electrón, excepto que posee una carga positiva.

Subnivel. Subdivisión de un nivel energético.

Precipitado. Sólido que se produce en una reacción que se lleva a cabo en disolución.

Tabla periódica. Arreglo gráfico de los elementos basado en sus configuraciones electrónicas.

Primera energía de ionización. La energía necesaria para remover el electrón más levemente unido a un átomo.

Teoría atómica. Conjunto de conocimientos relacionados con la existencia de los átomos y sus estructuras.

Producto. Sustancia resultante de la combinación o descomposición de otras.

Unidad de masa atómica. Doceava parte de la masa de un átomo de carbono 12.

Protón. Partícula positiva que se encuentra en el núcleo y tiene una masa de aproximadamente una unidad de masa atómica.

Valencia. La carga eléctrica de un átomo según el grupo al que pertenece en la tabla periódica.

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Bibliografía

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