Teoría atómico

TEORIA ATOMICO-MOLECULAR DE LA MATERIA
En la primera mitad del curso se ha hecho una primera aproximación al estudio de la materia y sus
transformaciones desde el campo de la Física. Vamos a dedicar la segunda mitad del curso a abordar este
estudio desde el punto de vista de la Química, esto es, considerando la estructura íntima de la materia y
estudiando transformaciones que involucran cambios en las sustancias que intervienen. Las primeras
actividades concretarán el objeto de este nuevo estudio.
A.1 Recordatorio del concepto de transformación química y su diferenciación con las transformaciones
físicas. Algunos campos de aplicación de la Química.
A.2 Considerad siguientes transformaciones: a) Oxidación de un clavo de hierro. b) Preparación de café
con leche. c) Formación de una sustancia blanca en la boca de un grifo. ¿Cómo podríamos asegurar si se
ha producido o no un cambio químico?
A.3 Breve exposición por el profesor acerca del tipo de conocimiento que puede contribuir al estudio de
los cambios químicos y justificación del índice del tema.
Teniendo en cuenta las líneas principales de investigación que históricamente propiciaron avances en el
conocimiento de las trasformaciones químicas (el estudio del comportamiento de la materia en estado
gaseoso y la información acumulada durante siglos sobre los procesos de separación de sustancias,
transformaciones de las mismas, etc.), vamos a desarrollar este tema de acuerdo con el índice adjunto:
1. Contribución del estudio del comportamiento físico de los gases al establecimiento de la
estructura atómica de la materia.
2. Información acumulada sobre el estudio de las transformaciones químicas previo a la aplicación
del modelo corpuscular a las mismas.
3. Aplicación del modelo corpuscular al estudio de las transformaciones químicas. La teoría
atómico-molecular.
3.1. Teoría atómico-molecular de Dalton.
3.2. Trabajos de Gay-Lussac y Avogadro.
3.3. Determinación de masas atómicas y masas moleculares.
1. CONTRIBUCION DEL ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO FISICO DE LOS GASES AL ESTABLECIMIENTO
DE LA TEORIA ATOMICA DE LA MATERIA.
En el estado gaseoso la materia presenta un comportamiento más simple. Por ello, el estudio de los gases
fue históricamente una línea de trabajo muy fructífera para construir una concepción acerca de la
estructura de la materia. Dedicamos las próximas actividades a recordar lo esencial de este desarrollo.
A.4 Haced una lista de propiedades del comportamiento físico de los gases. Pensad experiencias sencillas
para mostrar dichas propiedades.
A.5 Propuesta, a modo de hipótesis, de un modelo para explicar el comportamiento de la materia en
estado gaseoso. (Ayuda: Particularmente tratad de explicar por qué se difunden tan fácilmente, por
ejemplo, por qué al destapar un frasco de colonia o de amoniaco se puede oler a distancia o por qué un
gas ocupa todo el recipiente en el que se encuentra).
A.6 Explicación de las propiedades del comportamiento físico de los gases, usando el modelo planteado
en la actividad anterior. Relación entre las magnitudes macroscópicas de estado de un gas (Presión,
Temperatura, Volumen) y las propiedades microscópicas derivadas del modelo. Unidades para medir la
presión, el volumen y la temperatura.
Pondremos a prueba el modelo cinético-corpuscular, buscando leyes macroscópicas deducibles del
mismo.
A.7 Proponed a título de hipótesis de qué variables ha de depender la presión de un gas y la forma de esa
dependencia. Plantead una ley que recoja estas hipótesis.
A.8 Enunciados de las leyes de Boyle-Mariotte, de Charles y de Gay Lusacc, y, a modo de síntesis,
expresión de la ley de los gases perfectos.
A.9 Un globo lleno de helio tiene un volumen de 1.80l a una presión de 1.2 atm y a 23ºC. a) ¿Cuál será el
volumen del globo si se enfría hasta -196ºC manteniendo la presión constante?
A.10 En un día frío una persona aspira 460ml de aire a -10ºC y 758mmHg. ¿Qué volumen ocuparía este
aire en los pulmones a una temperatura de 37ºC y presión 752mmHg?
A.11 (Laboratorio) Estudio experimental de la ley de Boyle y Mariotte, usando
el sensor de presión. Posible estudio experimental de las leyes de Charles y
Gay Lussac, usando sensores de presión y temperatura.
Experimentos precisos han verificado el modelo de una estructura
discontinua y corpuscular de la materia en estado gaseoso, validando la ley de
los gases perfectos. No obstante, para la deducción de dicha ley se exigen algunas condiciones
simplificadoras que limitan su campo de validez.
A.12 Decid en qué condiciones dejará de cumplirse la ley de los gases.
Vamos ahora a generalizar el modelo propuesto a toda la materia y poner a prueba su capacidad para
explicar diferentes propiedades de ella.
A.13 Citad ejemplos de materiales conocidos que se presenten en diferentes estados (gaseoso, líquido,
sólido) Indicad qué debe ocurrir para que se produzca el cambio de un estado a otro.
A.14 Representad, de acuerdo con el modelo cinético-corpuscular tres sustancias un sólido, un líquido y
un gas, estando todos ellos a la temperatura ambiente.
A.15 Explicad, utilizando el modelo corpuscular de la materia, los siguientes hechos: a) En verano las
ruedas de los coches parecen más hinchadas que en invierno. b) Un trozo de hierro pesa más y es más
difícil de romper que un trozo igual de madera. c) Al calentar un trozo de hierro, éste se deforma y, si se
sigue calentando, se funde (se hace líquido).
A.16 La persona del dibujo está bebiendo un refresco utilizando una pajita. Explicad el hecho
de que el agua ascienda a la boca a través de la pajita.
2. INFORMACION ACUMULADA SOBRE EL ESTUDIO DE LAS TRANSFORMACIONES QUIMICAS ANTES DE
APLICARLES EL MODELO CORPUSCULAR.
Mencionaremos ahora algunos aspectos del desarrollo histórico en el estudio de las transformaciones
químicas previo a la aplicación a las mismas del modelo corpuscular de la materia. Desde este punto de
vista, clarificar si ha tenido lugar una transformación química no es fácil en la práctica, pues exige
caracterizar adecuadamente las sustancias para poder distinguir operativamente si en un determinado
material hay una o más sustancias. Dedicamos las próximas actividades a esta cuestión.
A.17 Al calentar una sustancia líquida y dejarla enfriar de nuevo se observa lo siguiente:
Color: Azul
Masa: 10g
Color: Verde
Masa: 6g
Explicad si se cree que se ha producido o no un cambio químico. Dad la máxima información posible sobre
las sustancias que intervienen en la transformación.
A.18 Haced una lista con propiedades que puedan servir para caracterizar a una sustancia y distinguirla de
otras.
A.19 Clarificación de los conceptos siguientes: elemento (definiciones de Boyle y de Lavoisier),
compuesto, mezcla y disolución. Mapa conceptual recogiendo estos conceptos y relaciones entre ellos.
A.20 Sea una mezcla de arena, sal común, azufre y limaduras de hierro (u otra cualquiera). Sugerid
procedimientos que habría que seguir para obtener las sustancias puras que contiene? ¿Cuándo
podremos estar seguros de que hemos agotado la búsqueda y hemos obtenido todas y cada una de
dichas sustancias?
3. APLICACIÓN DEL MODELO CINÉTICO-CORPUSCULAR DE LA MATERIA AL ESTUDIO DE LAS
TRANSFORMACIONES QUIMICAS. DESARROLLO DE LA TEORÍA ATÓMICO-MOLECULAR
Como acabamos de ver, los intentos de caracterizar las sustancias y los cambios químicos tienen un límite,
pues resulta imposible saber si se podrá hacer alguna experiencia adicional para extraer de un material
diferentes sustancias. Por eso el auténtico avance en el intento de clarificar los conceptos básicos de la
química se produjo cuando se aplicó el modelo corpuscular de la materia a las transformaciones química.
Veremos ahora los aspectos principales de este desarrollo.
3.1 Hipótesis atómico-molecular de Dalton.
A.21 Admitiendo que todas las sustancias están formadas por partículas, ¿cómo se puede explicar la
existencia de elementos distintos?, ¿y la de compuestos? Representad, según la teoría corpuscular, las
partículas de un elemento y las de un compuesto.
A.22 Explicad, a partir de las ideas anteriores, el hecho de que sólo exista un centenar de elementos y más
de dos millones de compuestos.
A.23 Representad, aplicando la hipótesis atómico-molecular de
Dalton, una disolución y una sustancia pura.
A
A.24 En el dibujo adjunto se representa una colección de
moléculas de varias sustancias. Identificad cada una de las
distintas sustancias representadas, escribid su fórmula química
y decid cuáles son compuestos y cuales son elementos.
B
C
A.25 En una reacción química se producen nuevas sustancias (productos) partiendo de otras iniciales
(reactivos). Explicad este proceso mediante un ejemplo ilustrado con la hipótesis atómico-molecular.
A.26 Deducid consecuencias generales aplicables a las reacciones químicas en relación con: a) La masa de
las sustancias que intervienen. b) Las proporciones en peso de las mismas.
A.27 Lectura de los postulados fundamentales de la hipótesis atómico-molecular de Dalton.
A.28 La relación de combinación entre hidrógeno y el oxígeno para formar agua es de 1/8 (1g de
hidrógeno por 8g de oxígeno). Se prepara una reacción entre 18g de hidrógeno y 18g de oxígeno. Indicad
qué reactivo está en exceso, calculad la masa en exceso de dicho reactivo y obtened la cantidad de
compuesto formado.
A.29 El amoniaco es un compuesto obtenible de un 82.3% de nitrógeno y un 17.7% de hidrógeno, ¿cuánto
amoniaco podremos obtener si disponemos de 8,5g de nitrógeno y 2.2g de hidrógeno?
3.2 Revisión de la hipótesis atómico-molecular producida con los trabajos de Gay-Lussac y Avogadro.
La hipótesis atómico-molecular es un modelo que logró describir
satisfactoriamente la estructura de la materia y clarificar conceptos básicos de la
química. Además permitió realizar predicciones cuantitativas para los cambios
químicos y, también, acerca de la estructura muchas de sustancias. Al mismo
tiempo, el avance hacia la búsqueda de estas relaciones obligó a revisar y mejorar
esta teoría. Los trabajos de Gay-Lussac y el postulado de Avogadro, que
repasaremos ahora, contribuyeron especialmente a esta revisión y refinamiento
del modelo.
Avogadro (1776-1856)
A.30 Partiendo de la ecuación general de los gases, decid cómo podríamos obtener cantidades de gases
diferentes de tal forma que tuvieran el mismo número de partículas o números de partículas
proporcionales (por ejemplo, el triple del gas A que del gas B). Enunciado, posterior a este razonamiento,
de la hipótesis de Avogadro.
A.31 Breve explicación acerca de los experimentos de Gay-Lussac. En uno de ellos encontró que al
combinar cloro e hidrógeno gaseosos a determinada presión y temperatura se cumplía que:
1 vol. cloro + 1 vol. hidrógeno = 2 vol. compuesto
Deducid las fórmulas químicas del cloro, hidrógeno y cloruro de hidrógeno, para que se cumplan estas
proporciones.
A.32 Interpretad, de acuerdo con la teoría atómico-molecular, las siguientes reacciones entre gases:
1 litro Nitrógeno (g) + 3 litros Hidrógeno (g) = 2 litros Amoniaco (g)
1 vol. Oxígeno (g) + 2 vol. Hidrógeno (g) = 2 vol. Agua (g)
3.3 Determinación de masas atómicas relativas.
La interpretación de los datos volumétricos a la luz de la hipótesis de Avogadro permitió obtener fórmulas
correctas de muchos elementos y compuestos, evitando la regla de máxima simplicidad. Adicionalmente,
la combinación de estos conocimientos con los resultados del análisis químico también sirvió para obtener
masas atómicas y masas moleculares relativas.
A.33 Al descomponer 3.65 g de cloruro de hidrógeno (HCl) se obtienen 3.55 g de cloro (Cl2) y 0.10 g de
hidrógeno (H2). ¿Qué podemos deducir respecto a las masas del átomo de cloro y del átomo de
hidrógeno?
A.34 Cuando se obtiene amoniaco (NH3) se comprueba que cada g de H2 que reacciona lo hace con 4.67
grs. de N2. Obtened la relación entre la masa del átomo de nitrógeno y la del átomo de hidrógeno.
A.35 Definición de los conceptos de masa atómica y masa molecular.
A.36 Buscad en la tabla periódica de los elementos los datos necesarios para obtener la masa molecular
de las siguientes sustancias: Monóxido de carbono (CO), metano (CH4), ácido sulfúrico (H2SO4).
A.37 Obtened la composición porcentual en peso de los componentes del agua (H2O).
A.38 ¿Cuanto Ca se podría obtener a partir de un pedazo de mármol? (Considerad un pedazo de 200g del
80% de pureza en CaCO3)
A.39 Haced una estimación de la cantidad de hidrógeno necesaria para obtener químicamente el agua
que cabe en un vaso de 1/4 de litro. (Suponed una pureza del agua del 90%).