compendioCiencias - Liceo Nacional de Maipú
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Liceo Nacional de Maipú. Ciencias Naturales Octavos años / Departamento de ciencias. J.C.H.Q COMPENDIO PARA TIEMPO DE PARLAMENTO PARA OCTAVOS AÑOS 2011 TRABAJO EN CASA Y EN CLASES DE CIENCIAS NATURALES Nombre:……………………………………………………………… Fecha:…………………… Curso:…………………… RECUERDA QUE PARA MOSTRAR UN BUEN RENDIMIENTO ACADÉMICO DEBES ESTUDIAR EL PRESENTE COMPENDIO, Y REALIZAR TODAS SUS ACTIVIDADES. ADEMÁS ESTUDIAR DE TUS APUNTES EN CLASE, Y SOBRE DEL LIBRO DE CIENCIAS. ADEMÁS ES IMPORTENTE PONER MUCHA ATENCION EN CLASES, Y CONSULTAR CUANDO ALGO NO TE QUEDE CLARO. CON ESFUERZO, PERSEVERANCIA Y DEDICACIÓN TODO SE PUEDE. TU INTELIGENCIA NO TIENE LÍMITES. “La genialidad está en la perseverancia” Juan Carlos Huaiquilaf Q. Profesor de Estado en Ciencias y Biología Pontificia Universidad Católica de Chile. Nivel: Octavos años 2011 1 ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA Quizás alguna vez te has preguntado de qué estamos formados o qué tienen en común, por ejemplo una piedra, un ave y una mariposa. La respuesta es que todo lo que nos rodea y de lo que los seres vivos están formados es por materia. Pero ¿qué es materia?. Es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Todo lo que existe en el Universo, aunque sean cosas de múltiples formas, tamaños, colores o sabores, tienen algo en común: están formados por materia. La materia se puede encontrar en cinco estados físicos, los más comunes son tres, toda la materia se encuentra en un estado físico o estado de agregación, el que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Para entender por qué la materia presenta distintos estados, se debe pensar que está formada por pequeñas partículas llamadas átomos, que se unen entre sí por fuerzas que las atraen. Entonces, dependiendo de estas fuerzas, es el estado en que se presenta. ESTADO SÓLIDO En estado sólido las partículas están fuertemente unidas entre sí, ocupan posiciones fijas y solo pueden vibrar en su lugar, sin desplazarse. Estas características les permiten tener: - Masa definida. - Forma definida. - Volumen constante. Estas mismas características no les permiten comprimirse, expandirse y fluir. Otra propiedad es la dureza, que es la resistencia que opone un sólido a ser rayado, es decir, a ser marcado en su superficie. Por ejemplo, el mineral más duro es el diamante, y uno de los más blandos es el yeso. Según cómo se deforman al aplicarles una fuerza, los sólidos pueden ser: elásticos, si se deforman con facilidad, pero después recuperan su forma, por ejemplo, una esponja; plásticos, si se deforman con facilidad pero no recuperan su forma al dejar de aplicar la fuerza, como la plasticina, y rígidos, si se deforman, por ejemplo, una piedra. ESTADO LÍQUIDO Las partículas de los líquidos se mantienen unidas por fuerzas de mediana intensidad, esto les permite estar un poco más libres, logrando deslizarse unas sobre otras. Estas características les permiten tener: - Masa definida. - Volumen constante. - Fluir con facilidad, es decir, pueden escurrir. Pero no les permite tener una forma definida, sino que se adaptan a la forma del recipiente que los contiene, no se comprimen y no se expanden. Otras propiedades de los líquidos son: la viscosidad, que mide la resistencia de un líquido a cambiar de forma (a mayor viscosidad, menor es la fluidez del líquido), y la volatilidad, que mide la velocidad con que un líquido se evapora (pasa a estado gaseoso). ESTADO GASEOSO Las partículas es estado gaseoso están completamente libres ya que las fuerzas de atracción entre ellas son muy débiles o no existen, las partículas se mueven independientemente unas de otras. Esto les permite tener: - Masa definida, generalmente muy pequeñas para su gran volumen. Fluir con mucha facilidad, es decir, pueden escurrir. Comprimirse, es decir, pueden ocupar un menor espacio. Expandirse, es decir, pueden ocupar un mayor espacio. 2 Pero no les permite tener una forma definida, ocupan todo el espacio disponible, y no tiene un volumen constante. Tienen compresibilidad, debido a que pueden reducir su volumen fácilmente cuando se aplica una fuerza sobre ellos. También se expanden (difunden) porque ocupan rápidamente todo el volumen disponible. La fluidez es la propiedad que tienen las moléculas de los gases y líquidos para ocupar todo el espacio debido a que, prácticamente, no poseen fuerzas de unión entre las partículas que lo conforman. Actividad Dibuja un sólido, un líquido y un gas, luego escribe cuatro característica de cada uno de ellos: a) Sólido: ……………………………………................................................................................................. ……………………………………………………………............................................................................ ……………………………………………………………............................................................................ ……………………………………………………………............................................................................ b) Líquido: ……………………………………................................................................................................ ……………………………………………………………............................................................................ ……………………………………………………………............................................................................ ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. c) Gas: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………….............................................................................................. ……………………………………………………………......................................................................... Cambios de estado Cada vez que se estudia el interior de la materia, se está hablando de su composición, es decir, de qué y cómo están formadas. Cada sustancia tiene su propia composición química y de ella dependen sus propiedades. Si imagina un helado dentro de un vaso, te darás cuenta de que el helado, al absorber energía, se derrite transformándose el hielo en líquido. Ahora, si imaginas un fósforo encendido, se está liberando energía al entorno. Cuando este se quema totalmente, quedando como residuo las cenizas, ¿puedes volver a encender las cenizas?. 3 En ambas situaciones se han producido cambios, sin embargo, no fueron los mismos, en el primer caso fue un cambio físico y en la segunda un cambio químico. En un cambio físico, como el del helado que se derrite, no cambia la composición interna de la materia, por lo que no se producen nuevas sustancias, solo ha cambiado el estado o la forma en que estas de presentan. Estos cambios generalmente son procesos reversibles, ya que sus moléculas permanecen inalteradas, lo que les permite volver a su estado inicial. En un cambio químico, como en el caso del fósforo que se quema, hay transformación de la composición interna de la materia, por lo que se forman nuevas sustancias com composición y propiedades diferentes. Estos cambios son procesos irreversibles, ya que las sustancias, al transformar su estructura interna, no pueden recuperar su estado inicial. En todo cambio químico ocurren reacciones químicas. Una reacción química es el proceso por el que las sustancias se transforman reordenando sus partículas, produciendo nuevas sustancias. A las sustancias iniciales se les llama reactantes y a las que se forman, productos. Las reacciones químicas se representan mediante una ecuación química, donde se escriben los reactantes, luego se representa la transformación a través de una flecha y, finalmente, se escriben los productos. Reactantes Se lee como: los reactantes Productos se transforman en productos Si observas atentamente el proceso, verás que al quemar papel, este se transforma en cenizas y humo, y libera energía en forma e calor y luz, por lo que puedes concluir que es una reacción química. Pero ¿será igual la masa del papel antes de quemarlo y después de quemarlo? Si midieras la masa del papel antes de quemarlo y luego la masa de las cenizas, esta no sería igual, por lo que pensarías que la respuesta a la pregunta es no, lo que es incorrecto. Una de las bases de la ciencia puede dar respuesta a esta pregunta: la ley de conservación de la masa, la cual plantea que en cualquier cambio, ya sea físico o químico, la masa total permanece constante. Entonces, ¿cómo se puede explicar la diferencia de masa en nuestra experiencia? Lo que sucede es que al quemar un papel este reacciona con el oxígeno del aire, formando no solo cenizas, sino que también “humo”. Por lo que la masa total de los reactantes debe ser igual a la masa total de los productos. Veamos cómo se representa el proceso e una ecuación química. Papel + Oxígeno Masa total de los reactantes Cenizas + “humo” + Energía = Masa total de los productos Podemos decir, como conclusión, que en la naturaleza la masa no se crea ni se destruye, solo existen transformaciones de ella. Una reacción química se produce cuando una o más sustancias, llamadas reactantes o reactivos, se transforman, bajo determinadas condiciones, en nuevas sustancias, llamadas productos de la reacción. Una forma de representar abreviadamente una reacción química es a través de una ecuación química. 4 Una ecuación química ocurre, de acuerdo con la teoría de las colisiones, cuando las partículas de los reactantes chocan con una nueva energía suficiente para que se rompan ciertos enlaces y se formen otros nuevos, que darán origen a los productos. En una reacción química, el número de átomos antes y después de la reacción debe ser el mismo. Cuando una reacción química cumple con esta condición se dice que es una ecuación equilibrada. Las reacciones químicas se producen constantemente en la naturaleza y en los seres vivos. Ejemplos de reacciones químicas de importancia en la naturaleza son la fotosíntesis, la respiración celular y la fermentación. La fotosíntesis corresponde a la reacción que ocurre en las células vegetales y que les permite producir glucosa y O2 a partir de agua y CO2. La respiración celular corresponde a la liberación de energía, a nivel celular, de los alimentos que consumen los organismos. La fermentación es una reacción de degradación de sustancias que contienen azúcares y que permite a algunos organismos obtener energía. Ejemplos de reacciones químicas que ocurren en el ambiente son la putrefacción, llevada a cabo por bacterias y hongos, la lluvia ácida, producto del agua con SO2, SO3 u óxidos de nitrógeno, el smog fotoquímico y la destrucción de la capa de ozono por parte de los clorofluorocarbonados (CFC). Un tipo particular de reacción es la combustión. La combustión consiste en la combinación de un combustible con O 2, produciéndose CO2 y vapor de agua. Esta reacción libera calor, forma de energía asociada al movimiento de las partículas que forman la materia. Actividad 1. Identifica el nombre de cada compuesto y cuántos átomos de cada elemento se encuentran contenidos en cada uno de los siguientes compuestos: a) H2O:____________________________ • e) NaClO: ___________________________ • • • Total de átomos: b) C6H12O6:_________________________ • • • Total de átomos: c) NaCl: __________________________ • • Total de átomos: d) 4CO2: ___________________________ • • Total de átomos: • Total de átomos: f) CH3COOH: ___________________________ • • • Total de átomos: g) H2SO4: ___________________________ • • • Total de átomos h) 2H2O2: ___________________________ • • Total de átomos: 5 La Energía En nuestro lenguaje cotidiano, no es extraño que empleemos la palabra energía. Por ejemplo, decimos que recibimos energía del sol, que los combustibles proporcionan energía, que los alimentos son nuestra energía, y que sin energía una ciudad se paraliza. Como puedes ver, el concepto de energía nos resulta familiar, pero, ¿qué es la energía?. La energía es la capacidad que permite a los cuerpos experimentar cambios, o producir cambios en otros cuerpos. En la naturaleza, así como en nuestras actividades cotidianas, la energía se presenta en fenómenos y en situaciones muy diversas. Por ejemplo, la encontramos en la luz solar, en un atleta que corre, en el viento que mueve las nubes, en el gas que mantiene encendida una estufa, así como en la electricidad que hace funcionar muchos de los artefactos que hay en nuestro hogar. Características de la energía: Las principales características de la energía son: - Puede manifestarse en diferentes formas, como por ejemplo electricidad, calor y movimiento. - Puede transferirse de un cuerpo a otro, como el calor que se transfiere a tus manos cuando tomas una taza de leche caliente. - Puede transformarse de un tipo a otro, como la energía eléctrica que se transforma en luminosa en una lámpara. - Puede transportarse de un cuerpo a otro, como la energía eléctrica que circula por los cables de alta tensión. - Puede almacenarse a lo largo del tiempo, como ocurre en los balones de gas, que almacenan energía química. - No puede crearse ni destruirse, solo se transforma. Nutrición en las plantas La más humilde de las plantas lleva en el interior de sus hojas una factoría química que los seres humanos aún no podemos emular: Las plantas, en sus microscópicas fábricas, emplean la luz del sol para transformar el dióxido de carbono en glucosa. Las plantas a diferencia de los animales no necesitan tomar alimento, pues ellas mismas fabrican su propia materia orgánica, mediante un proceso llamado Fotosíntesis. La Fotosíntesis La energía luminosa del sol es captada en los cloroplastos por los pigmentos fotosintéticos, unas moléculas capaces de transformar la energía luminosa en energía química. El pigmento más importante es la clorofila, a la que deben las plantas su color verde. La fotosíntesis se divide e dos fases: fase luminosa y fase oscura. En la fase luminosa se precisa luz y consiste en la transformación de la energía de la luz en energía química (ATP). En la fase oscura no se necesita luz y se emplea la energía obtenida en la fase luminosa en la síntesis de biomoléculas orgánicas. Ambas fases, luminosa y oscura, ocurren simultáneamente. El nombre de fase oscura no significa que ocurra en la noche, sino que no necesita que haya luz. En las plantas, las biomoléculas orgánicas más abundantes son los glúcidos o hidratos de carbono. Todas sus estructuras (raíz, tallo y hojas) contienen celulosa, que es un glúcido; y la mayor parte de sus reservas energéticas son de almidón, que también es un glúcido. Tanto la celulosa como el almidón están constituidos por multitud de moléculas de glucosa unidas entre sí. No es de extrañar, por tanto, que el producto de la fotosíntesis sea, principalmente glucosa. La reacción química global que ocurre en la fotosíntesis es: 6CO2 + 6H2O + energía luminosa C6H12O 6 + 6O2 6 La Respiración celular: Consiste en la combustión de la glucosa en el interior de la célula de los seres vivos, para esto se requiere de oxígeno (comburente). En la respiración celular se produce dióxido de carbono, vapor de agua y energía. Es una transformación de la energía química en otras formas de energía en presencia de oxígeno. Está representada por la siguiente fórmula química: C6H12O 6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energía Fuentes de Energía, Propagación del Calor y Cambios de estado Las Fuentes de Energía El Sol representa para la humanidad una fuente inagotable de energía. La vida es posible en nuestro planeta, gracias a la energía que nos llega del Sol en forma de luz y a sus transformaciones y transferencias en la tierra. El desarrollo de los fenómenos naturales, incluyendo las diferentes actividades de los seres vivos, de los seres humanos en particular, se produce gracias a la energía. Desde el movimiento de una hoja empujada por el aire hasta la erupción de un volcán. Las personas empleamos para nuestras actividades muchos tipos de energía diferentes: petróleo, gas, electricidad, etc., y además transformamos unas formas de energía en otras. Solemos clasificar o agrupar todas estas formas de energía, en función de su disponibilidad, en energías renovables y no renovables. Fuentes de Energía renovables: Las energías renovables son aquellas que no se agotan y que se generan a un ritmo más rápido que el de su extracción. También se las denomina fuentes de energía alternativas, porque, a pesar de su disponibilidad y de que son un recurso que no se agota, su uso es minoritario. Estas fuentes son menos contaminantes que las no renovables, pero su rendimiento energético es también mucho menor. En la mayoría de los casos no resultan rentables por la relación entre el coste de la extracción y el rendimiento que generan en comparación con otras fuentes de energía, como los derivados del petróleo, que disponen ya de una potente infraestructura de refinerías, gasolineras, vehículos, etc. Y probablemente continuará siendo así en las próximas décadas. Son fuentes de energía renovables la energía solar, eólica, hidroeléctrica, de la biomasa y maremotriz. Energías no renovables: Las energías no renovables son aquellas que tardan millones de años en formarse y que se regeneran demasiado despacio, de modo que se agotan a medida que las utilizamos. Sin embargo, son también las que consumimos de forma mayoritaria. Son energías no renovables la energía geotérmica (que aprovecha el calor que se desprende de las capas internas de la Tierra y que sale al exterior en forma de géisers, aguas termales y chimeneas volcánicas). La nuclear y todos los combustibles fósiles, como el petróleo, el gas natural y el carbón. La mayor parte de ellas se transforma en energía eléctrica; lista para el consumo en centrales térmicas. La energía y los cambios de estado de la materia. Si colocas unos de cubos de hielo en un vaso, al cabo de cierto tiempo estos se transforman en agua, pues el hielo, que es agua en estado sólido, pasó a estado líquido. ¿Qué cambio de estado ocurrió en esta situación?................................................................ A nuestro alrededor y generalmente, la materia se encuentra en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Sin embargo, la materia puede cambiar de un estado a otro sin que cambie su composición química. A estos cambios se les denomina cambios de estado de la materia. Según las condiciones externas de presión y temperatura, un mismo cuerpo puede existir en cualquiera de los tres estados. 7 En algunas circunstancias, cuando se aporta energía calorífica a un cuerpo, este no aumenta su temperatura, sino que esa energía se invierte en modificar las fuerzas que unen esas moléculas con otras, provocando que la materia cambie su estado de agregación. Los cambios de estado más corrientes son sólido líquido y líquido gas. Los cambios sólido gas son más raros y, en general, se producen en circunstancias no ordinarias. Los cambios de estado se caracterizan por lo siguiente: . No cambia la naturaleza de la sustancia. . Se producen a temperatura constante para cada presión. . La sustancia absorbe o cede calor. Desde el punto de vista energético, se conocen dos tipos de cambios de estado, los cambios progresivos y los regresivos. Los cambios de estado progresivos se producen cuando se aplica calor a los cuerpos, es decir, cuando desde el ambiente se transfiere calor a las sustancias, y estas, al absorberlo, cambian de estado. Son cambios progresivos: la fusión, la evaporación y la sublimación progresiva. Los cambios de estado regresivos, a diferencia de los anteriores, se producen cuando los cuerpos se enfrían, debido a que transfieren calor al ambiente. De este tipo de cambios son La solidificación, la condensación y la sublimación regresiva. ¿Qué tipo de cambio se produce cuando se forman las nubes en un día frío? ................................................................................................................................ …………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ¿Este cambio es progresivo o regresivo? ¿Por qué?......................................................................................................................... ………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Si bien en la evaporación y en la ebullición se produce el paso de líquido a gas, la evaporación en un fenómeno que ocurre solo en la superficie de los líquidos y a cualquier temperatura. Un ejemplo se produce cuando el agua de la superficie de los mares se evapora por la acción del calor del sol. En cambio, la ebullición ocurre a una temperatura determinada para cada líquido y es la totalidad del líquido la que se transforma en vapor, y no solo su superficie. Por ejemplo al calentar una olla con agua, todo el líquido aumenta su temperatura y al cabo de un tiempo se observa un desprendimiento violento de burbujas, cuando el líquido hierve. 8 Actividad Describe en qué consiste cada uno de los siguientes cambios de estado: Fusión:………………………………………………………………………………………………………………………………..……… ……………………………………………………………………………………………………………………………….................... Evaporación:………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………….................... Sublimación progresiva: ……………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Condensación: ………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………………............... Solidificación:…………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Sublimación regresiva: ……………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Escribe dos ejemplos de la vida diaria en que ocurra cada uno de los cambios descritos. Procesos reversibles e irreversibles. ¿Qué ocurre cuando un vaso de vidrio cae el suelo? Lo más probable es que se rompa en muchos pedazos que quedan dispersos. Pero ¿es posible que los pedazos de vidrio se unan repentinamente para formar un vaso entero?..................................................... Definitivamente, no. Muchos de los procesos que ocurren a nuestro alrededor, como cuando se quiebra un vidrio o un plato, o la caída de las hojas de los árboles, entre muchos otros, son irreversibles. Los procesos irreversibles son aquellos que ocurren en un solo sentido, y no en sentido inverso, de modo que no se puede volver a la situación inicial. Sin embargo, también hay procesos que son reversibles, es decir, que pueden ocurrir en ambos sentidos, por lo que existe la posibilidad de revertirlos y así volver al estado inicial. Por ejemplo, cuando sacas del refrigerador la cubeta de hielo, y estos se derriten, es posible volver a obtener los cubos de hielo colocando nuevamente la cubeta con agua líquida en el freezer. 9 Las Partículas de los Átomos Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento, produce además efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y movimiento relativos de las partículas con carga. En lo que respecta a los efectos eléctricos, estas partículas pueden ser neutras, positivas o negativas. La electricidad se ocupa de las partículas cargadas positivamente, como los protones, que se repelen mutuamente, y de las partículas cargadas negativamente, como los electrones, que también se repelen mutuamente. En cambio, las partículas negativas y positivas se atraen entre sí. Este comportamiento puede resumirse diciendo que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de distinto signo se atraen. Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor metálico, por ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta neutralización se lleva a cabo mediante un flujo de electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente, entonces se considera que la corriente fluye en sentido opuesto, es decir, de la carga positiva a la negativa. Átomo es la unidad más pequeña posible de un elemento químico. Cada átomo cuenta con un pequeño centro que es el núcleo y orbitas que giran alrededor del centro del núcleo. Tenemos el modelo del átomo el cual está formado por un núcleo atómico donde se encuentran partículas positivas llamados protones y partículas neutras sin carga estas determinan la masa del átomo. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones de carga negativa girando en órbita fijas. Cada órbita acepta un máximo de electrones. Protones: Son partículas elementales que representan una unidad de carga eléctrica positiva y una unidad de masa 1850 veces superior a la del electrón y se representa por 1p. Neutrones: Son partículas neutras, sin carga eléctrica aproximadamente igual a la del protón. Se simboliza por 1n. y una unidad de masa Electrones: Son partículas de carga eléctrica negativa, siendo su masa 1.840 veces menor que la del protón o la del neutrón. Número atómico es el número total de protones presentes en un núcleo. Se le designa por la letra Z. Ahora resulta comprensible el por qué toda la masa del átomo está concentrada en un espacio tan reducido como el núcleo, ya que la masa de un átomo está dada por la suma de las masas de los protones y los neutrones. Es una propiedad invariable de los átomos de cada elemento. Iones y sus Cargas Los iones son la formación de moléculas o átomos con carga eléctrica. Los átomos son eléctricamente neutros ya que los electrones con carga negativa son iguales en número a los protones de carga positiva en los núcleos. Al combinarse los átomos, mediante sus partículas, lo que se forma cuando un átomo neutro o un grupo de átomos ganan o pierden uno o más electrones. Un átomo que pierde un electrón forma un ión de carga positiva, llamado catión; un átomo que gana un electrón forma un ión de carga negativa, llamado anión. 10 Actividad 1. El átomo de cobre tiene en su núcleo 29 protones; ¿Qué debe ocurrir para que se forme el ión Cu +2? …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 2. El átomo de oxígeno tiene en su núcleo 8 protones; ¿Qué debe ocurrir para que se forme el ión O -2? …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 3. ¿Cuántos protones tiene el átomo de Helio si en su envoltura tiene 2 e? …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 4. ¿Cuántos electrones tiene el átomo de Hierro si en su envoltura tiene 26 e? …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………....................................................................... 5. El átomo de calcio tiene en su núcleo 20 protones; ¿Qué debe ocurrir para que se forme el ión Ca +2? …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 6. El átomo de Hierro tiene en su núcleo 26 protones; ¿Qué debe ocurrir para que se forme el ión Fe +2? …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………… 7. El átomo de Potasio tiene en su núcleo 19 protones; ¿Qué debe ocurrir para que se forme el ión K -4? ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. .......................................................................................................................... Símbolos químicos: los símbolos químicos son los distintos signos abreviados que se utilizan para identificar los elementos y compuestos químicos en lugar de sus nombres completos. Algunos elementos frecuentes y sus símbolos son: carbono, C; oxígeno, O; nitrógeno, N; hidrógeno, H; cloro, Cl; azufre, S; magnesio, Mg; aluminio, Al; cobre, Cu. La mayoría de los símbolos químicos se derivan de las letras del nombre del elemento, principalmente en español, pero a veces en inglés, alemán, francés, latín o ruso. La primera letra del símbolo se escribe con mayúscula, y la segunda con minúscula. Los símbolos de algunos elementos conocidos desde la antigüedad, proceden normalmente de sus nombres en latín. Por ejemplo, Cu de cuprum (cobre), Ag de argentum (plata), Au de aurum (oro) y Fe de ferrum (hierro). Este conjunto de símbolos que denomina a los elementos químicos es universal. 11 Los símbolos de los elementos pueden ser utilizados como abreviaciones para nombrar al elemento, pero también se utilizan en fórmulas y ecuaciones para indicar una cantidad relativa fija del mismo. El símbolo suele representar un átomo del elemento. Sin embargo, los átomos tienen unas masas fijas, denominadas masas atómicas, así que los símbolos representan a menudo una masa atómica del elemento. Actividad Busca en la tabla periódica de elementos químicos los símbolos químicos y número atómico de los siguientes elementos: .Carbono:………………; Nº atómico:………… .Oxígeno:………………; Nº atómico:………… .Sodio:………………….; Nº atómico:………… .Cloro:…………………..; Nº atómico:………… .Nitrógeno:……………..; Nº atómico:………… .Boro:…………………...; Nº atómico:………… Enlace Químico Es la fuerza entre los átomos que los mantiene unidos y origina las moléculas. Cuando dos o más átomos iguales o diferentes se acercan lo suficiente, se puede producir una fuerza de atracción entre los electrones de los átomos individuales y el núcleo de otro u otros átomos. Si esta fuerza es lo suficientemente grande para mantener unidos los átomos, se dice que se ha formado un enlace químico. Todos los enlaces químicos resultan de la atracción simultánea de uno o más electrones por más de un núcleo. Como estructura molecular se entiende a la distribución de los átomos en un compuesto por medio de los enlaces químicos. Existen varios tipos de enlace y las características típicas de la sustancia se deben a ellos. Cuando los átomos de un elemento pierden uno o más electrones se convierten en iones cargados positivamente (cationes). Estos electrones son captados por los átomos de otro elemento, convirtiéndolos en iones cargados negativamente (aniones). Como las cargas positivas y negativas se atraen, esos cationes y aniones se unen mediante un enlace iónico para formar un conjunto que consiste en grandes cantidades de iones de ambas clases. El compuesto resultante se llama compuesto iónico. Un ejemplo es el cloruro de sodio, que está compuesto por la misma cantidad de cationes de sodio y aniones de cloro. Casi todos los compuestos iónicos contienen un elemento metálico, porque sólo estos elementos pueden perder electrones fácilmente y formar cationes, y un elemento no metálico que capta los electrones. El enlace químico que resulta se llama enlace iónico y se caracteriza por que se transfieren electrones, el sodio y el cloro se unen mediante enlace iónico para formar cloruro de sodio. Los átomos o elementos se pueden unir compartiendo los electrones de valencia, este tipo de de enlace químico se conoce como enlace covalente, la molécula de agua está formada por la unión de 2 átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, mediante un enlace covalente. 12 Compuesto químico, sustancia formada por dos o más elementos que se combinan en proporción invariable, es decir, fijas y exactas. El agua, formada por hidrógeno y oxígeno, y la sal, formada por cloro y sodio, son ejemplos de compuestos químicos comunes. Tanto los elementos como los compuestos son sustancias puras. Los compuestos moleculares consisten en moléculas individuales en las que un número definido de átomos se unen formando una distribución espacial determinada. El número de átomos de una molécula puede variar entre dos como el hidrógeno molecular H 2, en el que están unidos dos átomos de hidrógeno, hasta varios miles, como son las moléculas llamadas proteínas, que controlan los procesos biológicos, y en los polímeros naturales y sintéticos que se utilizan en los materiales estructurales. Cada molécula individual de un compuesto consiste en un número específico de átomos distribuidos de una forma característica en el espacio, es decir, cada molécula tiene una forma y una composición atómica definida. La forma se indica normalmente proporcionando las longitudes de los enlaces entre los átomos, esto es la distancia entre los núcleos de los átomos unidos y entre los enlaces del mismo átomo. Una molécula no es una entidad completamente rígida, sino que las longitudes de los enlaces varían ligeramente conforme los átomos oscilan alrededor de sus posiciones medias; este movimiento se llama vibración molecular. Las moléculas de los gases giran también. En los líquidos, el movimiento de la molécula es semejante a un movimiento de acrobacia caótico, en lugar de la rotación libre y suave característica de los gases. Las moléculas están formadas por combinaciones específicas de átomos. Las sustancias comunes pueden dividirse teóricamente en moléculas simples, como aquí se representa, pero no se pueden dividir más sin alterar su naturaleza. Como en una receta en la que los átomos son los ingredientes, cada molécula tiene una fórmula química. Si se quita o cambia un ingrediente, la molécula resultante será completamente diferente. 13 Actividad: Realiza una lista con 6 compuestos químicos y descomponlos según el número de átomos que los constituyen NOTA: Las propiedades de un compuesto son distintas a las propiedades de los elementos que lo constituyen debido a que su estructura química que está dada por los enlaces que se establecen por los átomos de los elementos constituyentes, que les otorgan propiedades completamente diferentes. Ejemplo: .Sodio es un elemento sólido que reacciona rápidamente al contacto con el aire. .Cloro es un elemento en estado gaseoso, de color verde, altamente tóxico y venenoso. Cuando se unen por enlace iónico, forman un compuesto llamado Cloruro de Sodio (NaCl), sal común o de mesa, que se usa para sazonar las comidas. La carga eléctrica La carga eléctrica es una propiedad transferible de la materia, esto es, un cuerpo puede entregar carga a otro cuerpo. Además, existe un portador de carga, comúnmente denominado electrón y abreviado por la letra e. La carga de cualquier cuerpo será siempre un múltiplo entero de e. Lo anterior se puede entender en analogía con lo que sucede con el sistema monetario de nuestro país, cuya unidad fundamental es el peso. Si quisiéramos comprar un chocolate, este no puede costar 731,5 pesos, pues no existe una moneda de 0,5 pesos. Cualquier cosa costará, entonces, un múltiplo entero de un peso. Ahora bien, en el caso del sistema monetario el panorama puede cambiar, pues si en algún momento las autoridades deciden fabricar monedas de 0,5 pesos, entonces algunos chocolates sí podrían costar 731,5 pesos. Sin embargo, en el caso de la naturaleza jamás encontraremos una carga que no sea un múltiplo entero de e, o bien que sea menor a este. 14 En caso de que un material posea carga total neta igual a cero, se dice que se encuentra en estado neutro. El estado neutro no se caracteriza por la ausencia de cargas, sino más bien por una igualdad entre el número de cargas positivas y negativas dentro del material; de ahí que se hable de carga total neta. Cuando cargamos eléctricamente un cuerpo, no estamos creando cargas en el material. La carga eléctrica no se crea ni se destruye; solo se transfiere. Lo anterior es conocido como conservación de la carga. En base a esto podemos entender lo que sucede en el experimento del electroscopio. Cuando frotamos la cuchara sobre la superficie frisada, estamos removiendo cargas desde un cuerpo al otro, lo cual se traduce en que la cuchara queda cargada positivamente, y el chaleco, negativamente. Debemos precisar nuevamente que no hemos creado cargas sobre la cuchara ni sobre el chaleco; solo las hemos reordenado; es decir, hemos cambiado el lugar donde estas se ubican. Ahora bien, si la cuchara queda cargada positivamente, ¿por qué cuando la acercamos al electroscopio las láminas de aluminio dentro de este se separan? Composición de la materia El mundo material nos impresiona por la cantidad y variedad de sustancias diferentes que en él podemos distinguir. Existen unas pocas sustancias simples y muchas compuestas. Los elementos químicos Las investigaciones de físicos y químicos acerca de la composición de la materia nos muestran que hay poco más de un centenar de distintas sustancias simples. Entendemos por sustancias simples aquellas que están formadas por una sola clase de las partículas más pequeñas de la materia. Estas sustancias tienen idéntica constitución en toda su masa y son totalmente homogéneas. Así, al analizar un cristal de diamante, se comprueba que está formado únicamente por partículas de carbono. Del mismo modo, si observamos con el microscopio metalográfico 15 láminas de oro, se aprecia que sólo hay un componente: oro. Por ello, carbono y oro son sustancias simples. Hay otras muchas sustancias materiales, formadas por dos o más sustancias simples, que las llamamos sustancias compuestas. Por ejemplo, en la electrólisis del agua obtenemos siempre dos sustancias simples: oxígeno e hidrógeno. El agua es, por tanto, una sustancia compuesta. La mayor parte de la materia conocida está formada por sustancias compuestas. En ellas entran dos o más clases de elementos siempre combinados en proporciones exactas y fijas. Las sustancias simples, como hidrógeno, oxígeno, carbono, silicio, se pueden dividir en partes cada vez más pequeñas, hasta el momento en que la partícula no puede hacerse más pequeña sin perder sus propiedades características. A esta partícula la llamamos átomo. Elemento: es cada uno de los tipos de sustancias simples posibles en la naturaleza. Átomo: es la menor porción de un elemento que conserva sus propiedades características. Molécula: está formada por la unión de varios átomos y es la menor porción de sustancia que conserva sus características propias. Los compuestos naturales se presentan como tales en la naturaleza, mientras que los compuestos artificiales han sido producidos por las personas en laboratorios, industrias... La química estudia, tanto en unos como en otros, su composición, comportamiento, propiedades, relaciones, etc. Símbolos químicos modernos Los símbolos químicos de los elementos se representan con una letra mayúscula, cuando son más de dos letras la primera se escribe con mayúscula y las otras con minúscula. 16 Las fórmulas Las sustancias se representan mediante fórmulas, que indican el número de átomos de cada clase que la forman o bien la relación entre el número de átomos de cada elemento que interviene en la sustancia. ¿Cómo hacer?, ahora te toca a ti; explica el significado de las fórmulas que aparecen a continuación: O2 O3 NaF C4H10 (butano) CO2 - La fórmula O2 indica que en dicha sustancia (oxígeno molecular) existen dos átomos del elemento oxígeno enlazado. - En el caso de O3 (ozono) hay tres átomos de oxígeno agrupados. - En el NaF (fluoruro sódico), por cada átomo de sodio hay un átomo de flúor. - En el C4H10 (butano), cuatro átomos de carbono se agrupan con diez átomos de hidrógeno. - En el CO2, un átomo de carbono se combina con dos átomos de oxígeno. Representación del oxígeno (gas). Número atómico y masa atómica En los distintos modelos atómicos, los átomos se diferencian entre sí por el número de protones, neutrones y electrones que contienen. Para identificar el número de estas partículas, se determinan el número másico y el número atómico. El número másico y el número atómico Un átomo suele definirse mediante dos números: El número atómico, Z, es el número de protones que tiene un átomo. Como el átomo es neutro, el número de protones coincide con el número de electrones. Z = número de protones = número de electrones (para un átomo) Se llama número másico, A, al número de partículas que tiene un átomo en su núcleo. Es la suma de los protones y los neutrones. A = número de protones + número de neutrones 17 La relación existente entre ellos es: Número másico = número atómico + número de neutrones A=Z+N El valor de A es útil, pero no nos dice de qué elemento se trata. Lo que realmente identifica el átomo de cada elemento es Z, el número de protones. Representación abreviada de los átomos A cada clase de átomo diferente se le llama elemento químico. ¿Cómo sabemos si dos átomos son del mismo o de diferente elemento? Si dos átomos tienen el mismo número atómico, esto es, el mismo número de protones en su núcleo, podemos afirmar que son de la misma clase; es decir, del mismo elemento. Por tanto, lo que define a cada elemento es el número atómico. Para indicar los números atómico y másico de un elemento de manera abreviada se suele representar el número atómico como un subíndice a la izquierda del símbolo. El número másico como un superíndice, también a la izquierda. Representación del número atómico y del número másico de un átomo La masa atómica Ya hemos identificado el número de partículas en un átomo, pero ¿cuál es su masa? ¿En qué unidad se puede medir? Expresar las masas de los átomos en gramos no parece útil, ya que es una unidad demasiado grande para una partícula tan pequeña; por eso se definió una nueva unidad, la unidad de masa atómica (u). La unidad de masa atómica (u) equivale a la doceava parte (1/12) de la masa del átomo de carbono-12. La unidad de masa atómica es prácticamente la masa de un protón. La ionización En la naturaleza también existen partículas de tamaño atómico pero con carga eléctrica. Por tanto, no son átomos que, por definición, son neutros. Estas partículas reciben el nombre de iones. Pueden ser iones positivos o cationes o iones negativos o aniones. ¿Como se forma un ión? La parte más externa y voluminosa del átomo la determinan los electrones. Es lógico pensar que para formar un ión a partir de un átomo sea el número de electrones lo que varíe. Para formar un ión negativo o anión, un átomo debe tomar algún electrón del entorno; así, tendrá más cargas negativas que positivas, más electrones que protones, y, por tanto, no será neutro. Si toma un electrón, se formará un anión con una carga negativa o monovalente; si toma dos, tendrá dos cargas negativas y será divalente; en general: X + n e- Xn Para obtener un ión positivo o catión, un átomo debe perder algún electrón; así, tendrá más cargas positivas que negativas, más protones que electrones, y, por tanto, no será neutro. Si pierde un electrón se formará un catión con una carga positiva o monovalente; si pierde dos, tendrá dos cargas positivas y será divalente; en general: X - n e- Xn 18 Los iones se representan con el mismo símbolo que el elemento del que provienen indicando el número de cargas y el signo de estas con un superíndice a la derecha. Así, por ejemplo, el ion yoduro, I-, tiene una carga negativa por tener un electrón de más, mientras que el ion Ca2+ tiene dos cargas positivas por tener dos electrones de menos. Formación de iones Propiedades de la materia a escala atómica . Electrización: Se llama electrización al efecto de ganar o perder cargas en un cuerpo que originalmente se hallaba en estado neutro. L electrización se puede producir por: 19 . Conductividad eléctrica: . Conductividad térmica: 20 . Emisión y absorción de luz: 21 Propiedades de los gases Ya hemos estudiado que todo lo que nos rodea está compuesto de materia, esta materia puede encontrarse en cinco estados siendo los más comunes el sólido, el líquido y el gaseoso. Los estados sólido y líquido resultan muy familiares ya que son palpables y notorios a simple vista, pero no así el estado gaseoso que es aparentemente difícil de percibir. Debido a esto, generalmente resulta confuso pensar que vivimos sumergidos en un “océano de gases” como lo es la atmósfera. Considerando esto podemos comparar a los seres que habitan sobre la tierra con los peces que habitan en el mar. Durante muchos siglos, los gases fueron ignorados por los estudiosos por varios motivos, el principal era que representaban “un misterio” debido a que no eran visibles ni palpables y a que se tenía, desde la antigüedad, la creencia de que sólo existía el aire atmosférico como única sustancia “aérea”. Sólo a partir del siglo XVII y gracias a los aportes de varios estudiosos como Jan Baptist Van Helmont, que entre otras cosas inventó la palabra gas (del latín chaos=caos) los gases fueron considerados un material como cualquier otro, se despertó en los científicos el interés por estudiarlos y se abrió paso a la química moderna. Comenzó la utilización de técnicas de medición precisas y además, asociado al estudio de los gases, se retomaron las ideas de Demócrito y Leucipo acerca de los átomos, comenzando a gestarse muchos años después las teorías atómicas estudiadas en la unidad anterior. Las propiedades de los gases nos permiten explicar muchos de los fenómenos que observamos diariamente en la atmósfera, como el vuelo de un ave por ejemplo. Es muy común que en nuestra vida diaria nos sirvamos de las propiedades de los gases sin notarlo en actos tan simples como inflar un globo o usar desodorantes en spray, o sentir el aroma de una comida. ¿Cuales son las propiedades de los gases? Un gas es una sustancia que en condiciones ambientales normales se encuentra en estado gaseoso. El estado gaseoso es el menos denso de los tres estados más comunes de la materia. En él las partículas se mueven libremente lo que hace que estén muy distanciadas unas de otras. Por este motivo el estado gaseoso se percibe como el más móvil de los tres. Todos los gases presentan propiedades generales que son fáciles de notar si ponemos atención a ciertos fenómenos de la vida diaria. A continuación se mencionan las propiedades generales de los gases 1.- Materia: Los gases, al estar constituidos por materia, poseen masa y ocupan un lugar en el espacio, sin embargo no poseen forma ni volumen fijo y adoptan la forma del recipiente que los contiene. 2.- Fluidez: Los gases pueden fluir, es decir pueden moverse y circular (fluir) por cualquier orificio o abertura sin mayores dificultades y tienden a ocupar todo el espacio que tengan disponible. 3.- Difusión: Los gases pueden difundir, es decir las partículas de un gas pueden moverse o difundir a través de las partículas de otro gas, mezclándose con él. Esta propiedad la percibimos ante una fuga por ejemplo, en donde el gas emanado de la fuente difunde hacia todos lados y es percibido luego por toda la habitación donde se encuentre la fuga. A la capacidad de un gas de moverse por las partículas de otro llamamos difusión .4.- Roce: Un gas ejerce roce, los gases oponen resistencia al movimiento de los cuerpos, esta resistencia se debe a la acción de una fuerza llamada roce. El efecto de la fuerza de roce aumenta a medida que aumenta la velocidad del objeto que se mueve y también varía con la forma del objeto. 5.- Compresión y expansión: Los gases pueden comprimirse y expandirse: Debido a que los gases no poseen un volumen definido, éste puede variar. La compresión es la disminución del volumen de un gas y la expansión es el aumento del volumen de un gas. 6.- Presión: Un gas ejerce presión: Los gases ejercen una presión sobre las paredes del recipiente que los contenga y sobre la superficie de cualquier cuerpo con el que entren en contacto. 22 Actividades 1.- ¿Qué entiendes por estado gaseoso? 2.- ¿Qué es un gas? 3.- Mencione al menos un fenómeno de la vida diaria para cada una de las propiedades de los gases mencionadas 4.- ¿Por qué se dice que vivimos sumergidos en un océano de gases? 5.- ¿Mencione cuál fue el aporte de Jan Baptist Van Helmont al estudio de los gases? Responde. La teoría cinética de los gases Por su naturaleza los gases presentan varias dificultades para su estudio, por ejemplo no son visibles y además muchos de ellos no poseen olor, por lo cual es difícil detectarlos. Debido a esto los científicos han desarrollado un modelo que, basado en muchos resultados experimentales, permite explicar el comportamiento observado de los gases. Este modelo se denomina “teoría cinética de los gases”. La teoría cinética de los gases plantea los siguientes postulados: 1.- Un gas está compuesto por partículas diminutas (átomos o moléculas) 2.- La distancia entre las partículas es muy grande comparado con el tamaño de las partículas. La mayor parte del volumen ocupado por un gas es espacio vacío. 3.- Las partículas de un gas no ejercen fuerzas de atracción entre sí. 4.- Las partículas del gas se mueven en rápidamente en línea recta en todas direcciones, chocando entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene ejerciendo una presión determinada. 5.- Los choques o colisiones de las partículas entre sí y con las paredes del recipiente son totalmente elásticos, por lo que no se produce pérdida de energía. 6.- Un aumento en la temperatura de un gas, aumenta también la velocidad a la que se mueven las partículas que lo conforman. Los postulados de esta teoría nos permiten explicar las propiedades de los gases enunciadas anteriormente. Por ejemplo el hecho de que los gases estén formados por partículas en constante movimiento, ya sean átomos o moléculas, nos permite entender porqué un gas es capaz de fluir por cualquier orificio por más pequeño que éste sea, ocupando todo el espacio que tenga disponible. También debido a este continuo movimiento de las partículas es que los gases pueden difundir ya que las partículas que forman el olor pueden moverse a través de otras partículas del aire desde la fuente para llegar hasta nuestra nariz en donde las percibiremos. Si consideramos el postulado de que las partículas de un gas están separadas por grandes distancias, podremos entender el fenómeno de la compresión, ya que al aplicar una fuerza en el recipiente que contenga gas sus partículas pueden acercarse y reducir así el volumen, es decir el gas puede comprimirse, tal como ocurre al presionar el émbolo de una jeringa con el orificio tapado. 23 Si consideramos también que los gases están formados por partículas, entenderemos mejor el concepto de roce. Cuando un cuerpo cualquiera se mueve por el aire, como un ave o un balón, las partículas que conforman el aire chocan contra él oponiéndose al movimiento, lo que genera el roce. La consideración del roce a la hora de diseñar medios de transporte ha sido muy importante, no es casualidad la forma en la que se construyen los aviones, los automóviles o los paracaídas. Actividades 1.-Explique la propiedad de difusión según los postulados de la teoría cinética de los gases 2.- ¿Por qué el efecto del roce varía con la forma del objeto? 3.- Explique por qué un aumento de la temperatura de un gas aumenta también la velocidad de sus partículas Responde. 4.- Explique con sus palabras el fenómeno de la compresión, considerando la teoría cinética de los gases y esquematice su explicación Antes de la compresión Después de la compresión Concepto de presión Cada vez que queremos mover algún objeto como un lápiz o presionar algún botón estamos realizando lo que científicamente se conoce como fuerza. A diario realizamos un sinnúmero de fuerzas como tomar nuestros bolsos, girar la llave para beber agua, levantar un vaso, etc. Una fuerza es la acción que un cuerpo ejerce sobre otro cuerpo. Esta definición nos indica que las fuerzas se ejercen, por lo tanto una fuerza puede ser aplicada o recibida, pero no se posee, es decir un cuerpo cualquiera no puede poseer fuerza ni tampoco almacenarla. A diario observamos y aplicamos muchas fuerzas en diversas acciones, incluso la tierra ejerce una fuerza sobre todo lo que se encuentra en ella, los seres vivos, los mares, la atmósfera, etc. Esta fuerza que atrae a los cuerpos se denomina fuerza de gravedad. Debemos recordar además que cada cuerpo tiene un peso respectivo que depende de la acción de la gravedad y de la masa respectiva del cuerpo. Consideremos un estanque lleno de lodo espeso en el que depositaremos dos cuerpos de cemento que poseen igual cantidad de masa y por lo tanto igual peso, pero tienen distinta forma tal como se aprecia en la figura 1. A B Fig. 1 24 Ambos cuerpos tienen igual masa y con ello igual peso, pero tienen distinta forma. En ambos estanques hay barro de la misma consistencia. En el caso B el bloque se hunde más en el barro que en el caso A, si consideramos que los dos bloques tienen igual masa y que el barro tiene las mismas condiciones, la única diferencia entre el caso A y el caso B es el área de contacto que hay entre el bloque y el barro, es decir la cantidad de superficie del bloque que hace contacto con el barro. En el caso A vemos claramente que el área de contacto entre el bloque y el barro es mayor que en el caso B. Vemos también que en el caso A el bloque se hunde menos en el barro, es decir deja una huella menos profunda, que en el caso B. Podemos decir entonces que la profundidad de la marca que dejan los dos bloques (de igual masa) es inversamente proporcional al área de contacto entre el bloque y el barro. Por lo tanto, si la masa de los bloques es igual en ambos casos, la fuerza que se ejerce es la misma, pero vemos que los efectos que producen los bloques en el barro (evidenciados con la profundidad de la huella) son distintos. Esto se debe a que la fuerza se distribuye de manera distinta en ambos casos, ya que el área de contacto que se produce entre el bloque y el barro es distinta. Por lo tanto la fuerza se distribuye de manera desigual. Considerando lo anterior podemos decir que a pesar de que la fuerza es la misma (ya que ambos bloques tienen igual masa y por tanto igual peso) el efecto sobre la superficie del lodo es distinta debido a que el área de contacto es diferente. La relación entre la fuerza y el área se denomina presión (P) y se expresa por: F P A Donde P es la presión, F es la fuerza y A es el área de contacto La presión P se mide en unidades llamadas pascal en donde 1 pascal =1Newton / metro2. Los gases también ejercen presión, como ya vimos la teoría cinética de los gases nos dice que los choques de las partículas de un gas contra las paredes del recipiente que lo contiene provocan una presión determinada, ya sabemos que la presión es una fuerza que se ejerce sobre una determinada área o superficie. De esta forma la presión que ejerce un gas es el resultado de la fuerza que ejercen sus partículas al chocar con las paredes del recipiente que lo contiene. Es muy importante mencionar que la presión que ejerce el gas se ejerce en todas direcciones y sentidos dentro del recipiente y no sólo en sus paredes. Relación presión volumen de un gas Ahora que entendemos la presión como la fuerza por unidad de área, podemos estudiar la presión relacionada con los gases, imaginemos una jeringa en la que tapamos el orificio de salida con el dedo y comenzamos a presionar el émbolo, a medida que apretamos sentiremos que aumenta la presión que ejerce el aire sobre nuestro dedo. Pero si pensamos en el aire que está dentro de la jeringa, ¿Qué ha ocurrido con él?, sólo es cosa de mirar la medida de la jeringa para notar que el volumen del aire al interior de la jeringa ha disminuido. A medida que aumentamos la presión sobre un gas su volumen disminuye, mientras la temperatura se mantenga constante La teoría cinética de los gases nos dice que las partículas de un gas se mueven continuamente chocando entre ellas y con las paredes del recipiente que las contiene, con esto la presión que ejerce el gas sobre las paredes de un recipiente (como la jeringa) corresponde a la suma de todos los choques de las partículas contra las paredes del recipiente, que representan nuestra área de contacto. Si el volumen disminuye también disminuye el espacio que hay entre las partículas del gas. Al encontrarse más juntas las partículas del gas, los choques por unidad de área sobre las paredes del recipiente aumentarán lo que se traducirá en un aumento de la presión. Esta situación se ilustra en la figura 2. 25 La relación descrita en el párrafo anterior fue estudiada por el científico ingles Robert Boyle, quién trabajó y estudió detalladamente, durante el siglo XVII, la relación que podría existir entre la presión y el volumen de un gas encerrado en un recipiente. Realizó numerosas investigaciones encerrando un gas en un recipiente cilíndrico provisto de un émbolo, ( tal como el que aparece en la figura 2). Presión (atm) 0,5 1,0 1,5 Volumen (L) 60 30 20 Presión x volumen 30 30 30 En el cuadro anterior se muestran algunos de los datos obtenidos por Boyle durante sus investigaciones. si observamos los datos de la tabla notamos que al disminuir el volumen la presión aumenta y que al multiplicar el valor de la presión por el del volumen, el valor obtenido es siempre el mismo, en este caso 30. A partir de esta regularidad observada, a lo largo de sus muchas experimentaciones, Boyle enunció la ley que lleva su nombre: Ley de Boyle: a temperatura constante, el volumen ocupado por una determinada masa de gas es inversamente proporcional a la presión. Boyle logró establecer que al multiplicar presión por volumen, para un gas encerrado en un recipiente a temperatura constante, se obtiene siempre un valor constante: P x V = constante. Actividades 1.- ¿Qué es la presión? 2.- Calcula la presión que ejerce: Un bloque de 100 Kg sobre una superficie de 1m2. Un cuerpo de 20 Kg sobre una superficie de 2m 2. Una lámina de 5 Kg sobre una superficie de 10m2. 3.- Mencione ejemplos de fenómenos cotidianos en los que se busca reducir el área de contacto para aumentar la presión. 4.- ¿A qué corresponde la presión que ejerce un gas en las paredes de un recipiente, según la teoría cinética de los gases? 5.- Si en recipiente de la derecha del esquema se produjera una abertura ¿qué pasaría: con la presión y con el volumen del gas? Responde. 26 Relación presión temperatura Ya hemos visto que un gas encerrado en un recipiente como una jeringa puede ser comprimido, esto es hacer disminuir su volumen realizando una presión sobre él. ¿Qué pasará si aplicamos calor a un recipiente que contenga gas y cuyo volumen no pueda cambiar como en el caso de una olla a presión? Para responder a esta pregunta debemos considerar el postulado de la teoría cinética de los gases que establece que si aumentamos la temperatura de un gas aumentará también el movimiento o agitación de sus partículas. Con esto al aplicar calor a un gas la energía térmica es absorbida por las partículas que lo conforman haciendo que se muevan con mayor rapidez, es decir la energía térmica se transforma en energía cinética. Debido a que el recipiente es cerrado y no puede cambiar su volumen el incremento en el movimiento de las partículas se traduce en un aumento de la presión en el recipiente, tal como se aprecia en la figura 3. Si se aumenta la temperatura de un gas, a volumen constante, se producirá un aumento proporcional de la presión de dicho gas. Fig. 3 Esta relación que acabamos de describir, fue estudiada por el químico francés Gay-Lussac a comienzos del siglo XIX, estudió al igual que Boyle, un gas encerrado en un recipiente, pero en este caso no existía un émbolo por lo que el gas no podía variar su volumen. Al aplicar temperatura al recipiente Gay-Lussac notó, tal como se aprecia en la imagen anterior, que la presión aumentaba. En la siguiente tabla se muestran algunos datos experimentales obtenidos por Gay-Lussac durante sus investigaciones: Temperatura (K) 200 250 400 Presión 1,0 1,25 2,0 Al analizar los datos Gay-Lussac notó que si se duplicaba la temperatura, la presión del gas también se duplicaba, con estos antecedentes, comprobados con muchas experimentaciones, Gay-Lussac enunció la ley que lleva su nombre: Ley de Gay-Lussac: A volumen constante, la presión ejercida por una determinada masa de gas es directamente proporcional a la temperatura. Gay-Lussac estableció la relación presión / temperatura = constante. 27 Actividades 1.- ¿Qué sucede al calentar un gas en un recipiente cerrado? 2.- Considera dos recipientes que están llenos de la misma cantidad de gas, tienen un volumen de dos litros cada uno, y la presión del gas en el segundo es el doble que en el primero ¿Qué recipiente estará a menor temperatura? Responde. 3.- ¿Qué sucedería si en lugar de aumentar el calor introdujéramos más gas al recipiente sin aumentar el volumen?. Esquematice su respuesta Antes Después Relación volumen temperatura Hemos visto que al comprimir un gas a temperatura constante, su volumen disminuye, también hemos visto que al calentar un gas a volumen constante, su presión aumenta. ¿Qué pasaría si ahora calentamos un gas en un recipiente cerrado, pero cuyo volumen puede variar manteniendo constante la presión sobre él? De esta manera sólo nos preocupamos de lo que sucede con las variables volumen (ya que en nuestro recipiente puede variar) y temperatura. Para responder a esta pregunta debemos imaginar un recipiente cerrado que tenga un émbolo que pueda desplazarse libremente. Si dentro de este recipiente ponemos un gas y le aplicamos calor, observaremos que la energía térmica es absorbida por las partículas del gas haciendo que se muevan con mayor rapidez, esto hará que se produzcan más choques contra las paredes del recipiente haciendo desplazar al émbolo, con lo cual aumenta el volumen pero la presión se mantiene constante, tal como se aprecia en la figura 4. Al calentar un gas, a presión constante, su volumen aumenta. Fig. 4 28 La relación descrita en el párrafo anterior fue estudiada, de manera independiente, primero por Jacques Charles y posteriormente por Gay-Lussac. Fue éste último quién publicó los trabajos. Los trabajos de ambos científicos demostraron que al calentar un gas en un recipiente cerrado que esté provisto de un émbolo (como el de la figura 4) de manera de mantener la presión constante, se observa que el volumen aumenta En la siguiente tabla se observan algunos datos experimentales obtenidos por los científicos: Temperatura (K) 200 250 400 Volumen (L) 1,0 1,25 2,0 Al analizar los datos ambos científicos notaron que al duplicar la temperatura, el volumen del gas también se duplicaba. Con estos antecedentes se enunció la ley de Charles-GayLussac. Ley de Charles-Gay-Lussac: a presión constante el volumen que ocupa un gas es directamente proporcional a la temperatura. Se estableció, de esta manera la relación volumen / temperatura = constante. Hasta el momento hemos estudiado el comportamiento de un gas considerando situaciones con algunas restricciones, como mantener la temperatura, la presión o el volumen constante, esto se hace para poder comprender de mejor manera el comportamiento de un gas, pero lo cierto es que en la vida real es poco usual tener estas restricciones y el comportamiento de un gas está dado generalmente por cambios en todas las variables de manera simultánea. Actividades 1.- Explique con sus propias palabras porqué aumenta el volumen en el esquema anterior 2.- Menciona alguna situación que conozcas en que se caliente un gas parea aprovechar su aumento de volumen. 3.- Se tienen dos globos llenos con el mismo tipo y cantidad de gas, en uno de ellos, comienza a aumentar la temperatura. ¿Cuál tendrá un volumen final mayor? Justifica tu respuesta. 4.- Considere dos globos llenos con el mismo tipo y cantidad de gas. Si en uno de ellos se hace bajar la temperatura ¿Qué sucederá con su volumen? Responde. 29 Presión atmosférica La atmósfera al estar constituida de gases ejerce también una presión que se denomina presión atmosférica, esta presión es ejercida sobre la superficie de la tierra y sobre todos los cuerpos que se encuentran en ella. Como ya vimos la presión es la fuerza ejercida por unidad de área, la presión atmosférica no es la excepción y corresponde al peso que ejerce la atmósfera por unidad de superficie terrestre. La presión atmosférica se ejerce en todas direcciones. En al año 1643 el científico italiano Evangelista Torricelli realizó un experimento que le permitió medir por primera vez la presión atmosférica, como se observa en la imagen llenó un tubo con mercurio y lo introdujo por su extremo abierto en una cubeta que también tenia mercurio, al mirar el resultado observó que el mercurio se situó exactamente a 760 mm. Concluyó que se alcanzaba esa posición debido a que la presión ejercida en la cubeta por el mercurio del tubo se igualaba con la presión ejercida por la atmósfera en la cubeta. De manera tal que la presión atmosférica equivalía a la presión que ejerce una columna de 760 mm de Hg. Fig. 5: Esquema del experimento realizado por Torricelli para medir la presión atmosférica. Si bien la presión atmosférica se debe al peso del aire también es el resultado de los choques en todas direcciones y contra cualquier superficie de las partículas que conforman el aire, por lo que la presión atmosférica actúa en todas direcciones para los cuerpos que están “inmersos” en la atmósfera. De esta forma un cuerpo siente la presión atmosférica en toda su superficie, por ejemplo en una mesa la presión atmosférica actúa como se observa en la figura. La presión atmosférica disminuye a medida que se asciende desde la superficie de la tierra, como al subir una montaña muy alta por ejemplo. En las zonas más cercanas a la superficie el aire es más denso que en las capas más altas, es decir hay más partículas de aire por unidad de volumen cerca de la superficie de la tierra que lejos de ella, por esto la presión es mayor cerca de la superficie de la tierra y disminuye a medida que ascendemos. Fig. 6: En el esquema las flechas representan sólo algunas de las posibles direcciones en que actúa la presión atmosférica sobre una mesa cualquiera. 30 Actividades 1.- ¿Qué entiendes por presión atmosférica? 2.- Como será la presión atmosférica en la cima de una montaña comparada con la superficie terrestre. Explique. 3.- A qué crees que se deben las prohibiciones de jugar fútbol en ciudades en altura como La Paz, tendrá relación con la presión atmosférica. Responde. 31