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Organización de la unidad
Los Años
2005Internacionales
fue el año internacional
de la Física
deyladeFísica
la Química
PRIMER TRIMESTRE : Título del primer trimestre
PROYECTO
Los Años Internacionales de la Física y de la Química
Proyecto
El libro comienza con una doble página dedicada al proyecto del
curso con un texto introductorio y tres apartados: Sitúate ante
el trabajo a realizar plantea una serie de cuestiones sobre el
texto que llaman a la reflexión, Lo que tienes que hacer muestra
lo que harás durante el desarrollo del proyecto y el objetivo perseguido y, por último, Pasos a seguir señala cuáles son los pasos
que tendrás que hacer por unidad para realizar el proyecto.
Añ
o
Mu
ial
nd
de
Sitúate ante el trabajo a realizar
la
Formad grupos de tres personas:
a) Leed el texto anterior con detalle:
■
■
El año 2005 fue declarado por la UNESCO el Año Internacional de la
Física para tomar conciencia de la importancia de la física para la humanidad, pero ¿por qué se eligió el año 2005?
¿Cuál puede ser el propósito del texto?
Justificar si el propósito de los Años Internacionales de la Física y de la Química ha quedado
explicado de forma clara y concisa.
b) Indicad las conclusiones que se pueden obtener tras la lectura del texto.
c) ¿Se puede considerar que es importante dedicar fechas a la celebracion de efemerides cientificas?
Si son de utilidad, ¿por qué deberian hacerse actuaciones todos los años y no una de vez en cuando?
En 1905 Albert Einstein, publicó unos trabajos en la revista alemana
Annalen der Physik, la más prestigiosa revista de física del momento.
El fotón, la teoría de la relatividad y la explicación del movimiento browniano nacían en 1905 de la mano de un joven empleado de la oficina de
patentes en Berna. Después de cien años, el profundo efecto de esos
trabajos en la Física, justifican designar a 2005 como Año de la Física.
Lo que tienes que hacer
El conocimiento empírico de ciertos principios físicos ha tenido desde los
primeros tiempos de la humanidad una profunda influencia en la vida del ser
humano, basta señalar el uso de la palanca y de la rueda como ejemplos. Cuando los
conocimientos empíricos comenzaron a incorporarse racionalmente se fue edificando
la ciencia y los efectos fueron mucho más notables. En el transcurso de los siglos la
física, como el resto de las ciencias, fue desarrollándose con una sólida estructura sin
dejar de cumplir el rol primitivo de generar conocimientos de aplicación para el bienestar de la sociedad. Desde los principios del siglo pasado, donde el año 1905 marcó un
punto de inflexión, la física sufrió un avance abismal tanto en su concepción como en la
inmensidad de conocimiento acumulado, producción que repercute en la vida corriente.
Es así que hoy en día nos rodean infinidad de productos basados en los principios físicos
cuya presencia no se debe una mera casualidad sino que su invención ha sido posible
gracias al descubrimiento de cada vez más complejas propiedades del mundo físico
y de los procedimientos para su aprovechamiento.
A lo largo del curso tienes una interesante tarea por delante: analizar el papel de la física y la quimica y
su relacion con la sociedad.
El producto final que tienes que crear es una presentacion en la que cuentes a tus companeros tus
conclusiones o afirmaciones personales sobre el conjunto de toda la tarea solicitada.
Para realizar la presentacion, te proponemos estos dos formatos digitales: un libro encuadernado en
Flip PDF o una presentacion en PowerPoint. Sin embargo, si conoces otros formatos digitales (programas,
aplicaciones online, etc.) en los que presentar este trabajo, consultalo con tu profesor y !adelante! Ten
siempre en cuenta que lo importante es que tu trabajo sea claro y atractivo visualmente.
Pasos a seguir
Para conseguir este reto personal, lo importante es ir paso a paso. Y para que no te canses, solo tendrás
que dar dos pasos por unidad.
Por otro lado, 2011 fue declarado el Año Internacional de la Química con el lema
«Química: nuestra vida, nuestro futuro». Sus objetivos fueron: a) aumentar la
apreciación, los beneficios y la comprensión de la química por la sociedad
para afianzar la percepción que se tiene de la misma; b) fomentar el interés
de los jóvenes estudiantes por la Ciencia en general y la química en particular;
c) generar entusiasmo para el futuro creativo de la química; d) celebrar el
papel de la mujer en el mundo de la ciencia y la química, así como conmemorar
el centenario del Premio Nobel de Química a Marie Curie.
Todas las personas somos químicos, lo sepamos o no. El mero hecho de cocinar
supone realizar una operación química, en la medida en que se provoca una transformación de la materia. La química está en todas partes, hasta tal punto que,
precisamente por su omnipresencia, la mayoría de las veces pasa desapercibida. Un mundo sin química estaría desprovisto de materiales sintéticos y, por lo tanto, carecería de ordenadores o fibras artificiales.
Sería también un mundo carente de aspirinas, jabones, champús, dentífricos, cosméticos, pinturas y papel, por lo que no habría tampoco ni
periódicos ni libros. En efecto, todos esos productos son el resultado de
transformaciones químicas. Además, la química contribuye con sus avances al bienestar de la sociedad, pues se usa para alimentar a la población, abastecerla de agua y energía, además se utiliza para preservar
el medio ambiente y es imprescindible para poder conocer los mecanismos de la vida.
1. La actividad científica.
PASO 1: Lectura comprensiva del texto.
PASO 2: Los fallos en la actividad científica.
2. Elementos y compuestos
químicos.
PASO 3: La evolución del concepto átomo.
PASO 4: La historia de Robert Boyle.
3. La Tabla Periódica.
PASO 5: El papel de la mujer en la ciencia.
PASO 6: Marie Curie.
4. Moléculas y cristales.
PASO 7: La química contribuye al desarrollo.
PASO 8: Hay vida porque somos química.
5. Cambios físicos y químicos.
PASO 9: Lavoisier: el padre de la química.
PASO 10: La química está en todas partes.
6. La reacción química.
PASO 11: La depuración de aguas residuales.
PASO 12: La química y el medioambiente.
7. Fuerzas y sus efectos.
PASO 13: La fuerza a través de la historia.
PASO 14: Seguridad vial: el airbag
8. Fuerzas de la naturaleza.
PASO 15: El fluido eléctrico.
PASO 16: El rayo y el trueno.
9. Energía eléctrica.
PASO 17: Las lámparas de incandescencia.
PASO 18: Las lámparas de bajo consumo.
6
7
Las fuerzas de la naturaleza
Presentación de la unidad
La doble página inicial de la unidad presenta una tabla que relaciona lo que se pretende aprender con las competencias clave
que vas a trabajar a lo largo de la unidad, un sumario de contenidos, un texto introductorio y el apartado La ciencia a nuestro
alrededor, donde podrás darte cuenta de la utilidad de lo que vas
a estudiar a lo largo de la unidad.
Cuando se está en contacto directo con la naturaleza, llama la
atención la existencia de una armonía de su conjunto, con un orden
natural del que son responsables las cuatro interacciones o fuerzas que gobiernan este: la gravitatoria, la electromagnética, formada por la interacción electrostática y la magnética, y las interacciones nucleares fuerte y débil.
8 Fuerzas de
la naturaleza
En la presente unidad didáctica se estudia cómo son estas interacciones, a qué causas se deben y mediante qué leyes se rigen,
dedicando una mayor atención a la interacción gravitatoria, la
electrostática y la magnética.
La ciencia a nuestro alrededor
En esta unidad
■
1. Las interacciones en la naturaleza
2. Interacción gravitatoria
3. Ley de gravitación universal
4. Interacción gravitatoria y energía
almacenada por un objeto
5. Interacción electrostática
6.
7.
8.
9.
10.
11.
■
El fenómeno de la electrización
Ley de Coulomb
Energía potencial eléctrica
Interacción magnética
Intensidad del campo magnético
Efectos eléctricos del magnetismo
Vamos a aprender a…
■
¿Es cierto que un astronauta no pesa en la Luna?
Dos varillas están cargadas y se repelen entre sí. ¿Qué puede
afirmarse sobre el signo de la carga de cada varilla?
¿Manifiestan alguna interacción los electrones de un átomo con
respecto de su núcleo?
Competencias
Saberes
científicos
–Identificar las interacciones que existen en la naturaleza.
CMCT, CPAA
–Reconocer las principales características de las interacciones gravitatoria, electrostática y magnética, y saber distinguir las diferencias que
existen entre ellas.
–Entender la existencia de leyes cuantitativas para explicar las interacciones gravitatoria, electrostática y magnética.
Lectura
y comprensión
–Identificar los vectores de las intensidades del campo gravitatorio, CMCT, CCL
eléctrico y magnético que actúan sobre un objeto.
–Representar gráficamente las fuerzas y los vectores de las intensidades de campo que actúan sobre un objeto y saber interpretar tablas de
valores y representaciones gráficas.
–Reconocer los efectos energéticos de las interacciones electrostáticas y gravitatorias.
Tratamiento
de la información
y competencia
digital
–Saber buscar información complementaria en los buscadores de Inter- CMCT, CD
net y en sus enciclopedias virtuales para estudiar las interacciones de
la naturaleza.
–Reconocer el uso de las simulaciones para el estudio de las fuerzas de
la naturaleza que actúan sobre los objetos y sus efectos.
–Valorar la importancia de un programa de hoja de cálculo como ayuda
para descubrir las relaciones entre las variables de una experiencia.
Aprende a
aprender ciencia
–Conocer la importancia de una ciencia experimental, como es la física, CMCT, CPAA, SIE
para la descripción y el estudio de nuestro entorno.
–Entender que el estudio del entorno requiere una simplificación de la
realidad.
La ciencia
en la sociedad
–Comprender que el saber científico es acumulativo y considerar la im- CMCT, CSC
portancia histórica del descubrimiento de las leyes que rigen las interacciones gravitatoria, electrostática y magnética.
Proyecto: Los Años –Comprender lo que se denomina el fluido eléctrico.
Internacionales
–Entender los fenómenos del rayo y del trueno.
de la Física
y de la Química
CCL, CPAA, CSC,
CMCT, CD, SIE
Competencias: competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología (CMCT), competencia en comunicación
lingüística (CCL), competencias sociales y cívicas (CSC), competencia para aprender a aprender (CPAA), competencia digital (CD),
sentido de la iniciativa y espíritu emprendedor (SIE), conciencia y expresiones culturales (CEC).
Unidad 5
Cambios físicos y químicos
1. Transformación de la materia
2. Mezcla o compuesto químico
La materia se transforma continuamente. Mira estas fotografías:
Desarrollo de contenidos
Una mezcla de limaduras de hierro y polvo de azufre se puede separar
por un procedimiento físico mediante un imán, ya que el imán atrae las
limaduras de hierro y no el polvo de azufre. Pero si se calienta la mezcla
de limaduras de hierro y polvo de azufre en un tubo de ensayo mediante
la llama de un mechero, al cabo de un tiempo se origina una sustancia de
color negro, llamada sulfuro de hierro(II), que no es atraída por un imán.
En el primer caso tenemos una mezcla de dos elementos químicos y
en el segundo, un compuesto químico. Es muy importante que distingas estos conceptos.
Todas ellas son ejemplos de cambios que puede experimentar la materia en la naturaleza, pero no todos estos cambios son del mismo
tipo. Así, la congelación del agua de un río o un lago es de naturaleza
muy diferente a la combustión de una rama de un árbol en un incendio
o a la oxidación de la verja de hierro.
Los cambios que pueden experimentar los sistemas materiales pueden
ser:
A continuación comienza el desarrollo de contenidos explicado con un
lenguaje sencillo, comprensible y riguroso, y siempre acompañado, donde se requiera, de fotografías y gráficos para mejorar la comprensión.
■
Cambios físicos.
■
Cambios químicos.
Una cadena de hierro sin proteger termina por oxidarse; una barbacoa mal apagada puede provocar un incendio forestal
que acabe con un bosque; en los días fríos
de invierno se congela el agua de ríos y
lagos; y, por último, el relieve marino es
modelado por las olas, las sales del mar,
el viento y la lluvia.
1.1. Cambios físicos
Son aquellos cambios en los que no se produce una modificación
de la naturaleza del sistema material.
Transformaciones
en la materia
La congelación del agua es un cambio físico, pues únicamente supone una modificación del estado de agregación del agua, ya que el compuesto químico agua es el mismo antes y después del cambio.
¿Se altera la naturaleza
de las sustancias?
1.2. Cambios químicos
Son aquellos cambios en los que se origina una modificación de la
naturaleza del sistema material.
Compuesto químico
Sus propiedades son diferentes de las
de sus componentes iniciales.
Los componentes se agrupan en cualquier proporción.
La proporción de sus componentes es
fija y determinada.
No tiene una fórmula química.
Tiene una fórmula química.
La separación de los componentes se
realiza por procedimientos físicos como
la destilación, la decantación, la atracción mediante un imán, etc.
La separación de sus componentes se
realiza por un procedimiento químico a
través de una reacción química.
Separación magnética de una mezcla de
azufre y hierro.
La fórmula química es una representación simbólica y proporciona la
relación numérica de los átomos o de los iones de los elementos químicos que constituyen la sustancia o el compuesto químico representado. Así, en el compuesto químico cloruro de calcio, formado por
la unión de los elementos cloro y calcio, la proporción de sus componentes es fija y tiene la fórmula química determinada CaCl 2, que indica que la relación entre ambos elementos químicos es 1 : 2, es decir,
un átomo de calcio por cada dos de cloro.
Sí
No
Fenómeno
químico
Fenómeno
físico
La fórmula empírica de una sustancia química se forma por la yuxtaposición de los símbolos químicos con los subíndices enteros adecuados, que proporciona la fórmula más sencilla posible de dicha sustancia. Así, CaCl2 es la fórmula empírica del cloruro de calcio y muestra
la proporción que existe entre los iones calcio y cloro en dicho compuesto iónico.
Modificar la naturaleza del sistema material significa alterar la relación existente entre los átomos que componen el sistema material que se estudie.
La fórmula molecular de una sustancia química formada por moléculas discretas muestra la existencia de moléculas. Así, H2O es la fórmula molecular del agua y muestra que una molécula de agua está
formada por la unión de un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno de
forma covalente.
Al arder un bosque en un incendio, los árboles se transforman en cenizas y en una serie de gases que se esparcen en la atmósfera. Todas
estas sustancias son de naturaleza muy diferente a la madera inicial
de los árboles.
Para aclarar las posibles dudas surgidas se intercalan numerosos ejercicios y actividades resueltos, que son problemas resueltos explicados de forma sencilla y rigurosa.
Mezcla
Conserva las propiedades de sus componentes.
Obtención del sulfuro de hierro(II), de color negro, que no es atraído por el imán.
Actividades y tareas
Asimismo, al oxidarse la verja, aparece una sustancia nueva en forma
de polvillo rojizo, que es diferente al hierro de la verja.
1. Coloca dentro de los paréntesis la que corresponda de las siguientes expresiones: elemento
químico, compuesto químico, mezcla homogénea, mezcla heterogénea, cambio físico o cambio
químico: «El hierro (
) no protegido al cabo de un tiempo adquiere un color rojizo y un aspecto quebradizo y se dice que lo ataca el aire (
), es decir, se ha oxidado (
) al combinarse con el oxígeno (
). Este óxido (
) se rompe al ser golpeado (
) y puede ser
arrastrado (
) por el agua (
), en la que no se disuelve (
), y formar una (
)».
En un cambio químico unas sustancias puras (elementos químicos
o compuestos químicos) se transforman en otras diferentes. Para
ello, tiene lugar una reordenación de los átomos de las distintas
sustancias puras que intervienen a través de una reacción química.
Muchos procesos como el modelado del relieve marino están causados por una combinación de cambios físicos y químicos.
116
117
A lo largo del texto se plantean gran número de actividades y tareas que sirven para comprobar, comprender
y afianzar los contenidos desarrollados en cada epígrafe, y conocer ejemplos de su aplicación que se encuentran en la vida cotidiana.
PRÁCTICA DE LABORATORIO
Unidad 2
La descomposición del clorato de potasio: ¿sustancia
simple o compuesta?
Objetivos
Comprobar si el clorato de potasio es una sustancia simple o compuesta.
Práctica de laboratorio
El clorato de potasio es una sustancia cristalina de color blanco y
por su aspecto se podría decir que es una sustancia simple, pero
para elevar dicha hipótesis a la categoría de afirmación verdadera
debe someterse el clorato de potasio a la experimentación.
MATERIALES
■
■
■
Desarrollo
1. Se pone en el fondo de un tubo de ensayo limpio y seco una
muestra de alrededor de 4 g de clorato de potasio.
2. Se coloca al tubo de ensayo un tapón de caucho horadado y un
tubo como aparece en la figura del montaje adjunto:
Coloca las pinzas tan lejos
de la llama como sea posible
En este apartado aprenderás a realizar paso a paso una experiencia de laboratorio relacionada con los conceptos sobre los que
versa la unidad y con los que trabajarás el método científico.
■
■
Cristales blancos de clorato de potasio y vidrio de reloj.
Soporte metálico, pinzas y nuez para
el soporte.
Tubo de ensayo, tapón de caucho
horadado, tubo largo de vidrio y otro
de goma de caucho
Cubeta con agua, frasco de vidrio
y mechero Bunsen.
Libro de consulta para la búsqueda de información complementaria sobre el clorato de potasio.
Bata de laboratorio.
Gafas de seguridad.
■
Guantes de protección térmica.
54
7. Representación intuitiva de la experiencia mediante el modelo de bolas
Si la representación mediante el modelo de bolas, del oxígeno, el cloro y el potasio es:
Oxígeno
Cloro
Potasio
O
O
Entonces la representación de las moléculas que se producen
en la descomposición es:
Oxígeno
Cloruro de potasio
Cl
Clorato de potasio
K
O
Clorato de potasio.
La representación intuitiva de la descomposición del clorato de
potasio es la siguiente:
Actividades y tareas
9. ¿Por qué al oxígeno que se desprende en la experiencia también se lo puede llamar
dioxígeno?
4. Se enciende el mechero y se calienta el extremo del tubo de
ensayo que contiene la muestra de clorato de potasio. Al cabo
de un rato se puede observar cómo burbujea gas dentro del frasco existente en la cubeta, que proviene del tubo de ensayo a
través del tubo de desprendimiento. Por tanto, el clorato de potasio se descompone, pues produce un gas y queda un residuo
sólido en el tubo de ensayo, cuyo aspecto, después de dejarlo
enfriar, es menos blanco que el sólido de la muestra inicial.
5. Búsqueda de información adicional sobre el clorato de potasio,
lo que conduce a saber que el clorato de potasio está formado
por los elementos químicos cloro, oxígeno y potasio y tiene la
fórmula química KClO3 . Su descomposición por la acción del
calor de la llama del mechero proporciona el gas oxígeno, de
fórmula química O2, y el residuo sólido que queda en el tubo de
ensayo es cloruro de potasio, de fórmula química KCl.
La información anterior es relevante, pues además de comprobar que el clorato de potasio es
una sustancia pura compuesta formada por tres elementos químicos distintos, el cloro, el oxígeno y el potasio, también muestra que el oxígeno es una sustancia simple, pues forma moléculas que resultan de la unión de dos átomos de oxígeno, y que el cloruro de potasio es una
sustancia compuesta al estar formada por los elementos químicos cloro y potasio.
EPI:
■
■
3. Se llena la cubeta con agua hasta 2/3 de su volumen y se coloca dentro de ella un frasco de boca ancha invertido, para que
entre el agua este.
Conclusión: la experiencia sirve para poner en evidencia que
el clorato de potasio no es una sustancia simple, sino una sustancia compuesta; por tanto, la hipótesis de partida es falsa
y el clorato de potasio es una sustancia compuesta.
Elementos y compuestos químicos
6. Análisis final de la experiencia realizada
10. Explica por qué el dioxígeno, si está unido por dos átomos, es una sustancia simple y
no una compuesta.
11. ¿Por qué el clorato de potasio no es una mezcla homogénea?
12. ¿Cuál es la relación o proporción entre los átomos del clorato de potasio y los del
cloruro de potasio?
Cristales blancos de clorato de potasio.
13. Sabiendo que los átomos están formados por neutrones, protones y electrones y que
la teoría atómica de Dalton no muestra la existencia de dichas partículas subatómicas,
¿por qué la representación gráfica de átomos y moléculas en las sustancias simples y
compuestas, derivada de la teoría atómica de Dalton, es tan utilizada?
14. ¿Por qué la teoría atómica de Dalton no es un modelo atómico?
15. Existe el compuesto químico llamado perclorato de potasio, de fórmula química KClO4 .
¿Cuál es su representación mediante el modelo de bolas?
16. ¿Se puede admitir que el método experimental utilizado por Rutherford para conocer
el átomo es semejante a la forma de querer saber cómo es el enrejado de una ventana,
con los ojos tapados, lanzando canicas contra este y luego contar las que caen a la
calle?
17. Consulta Internet y explica el origen del descubrimiento de la radiactividad.
Cristales incoloros de cloruro de potasio.
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IMPORTANTE:
Todas las actividades propuestas en este libro deben realizarse en un cuaderno de trabajo, nunca en el propio libro.
Regístrate en nuestra web y accede a los
recursos adicionales: <www.editex.es>.
Ejercicios, actividades y tareas de recapitulación
EJERCICIOS, ACTIVIDADES Y TAREAS DE RECAPITULACIÓN
Teoría de colisiones
1. Explica mediante la teoría de colisiones la reacción química representada por la ecuación química:
CO (g) + NO2 (g) → CO2 (g) + NO (g).
2. Indica qué información, referida a enlaces rotos
y formados, contiene la siguiente ecuación química:
Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2.
Al finalizar la unidad y para que compruebes si has afianzado los
conocimientos, se plantean unas actividades agrupadas por contenidos.
3. Observa el dibujo de la figura adjunta y da una
explicación de la reacción química que tiene lugar.
+
media,
Concentración (mol/L)
Tiempo de reacción (s)
0,20
11
0,16
13
0,12
18
0,08
25
0,04
43
La reacción química
16. Escribe las ecuaciones químicas de formación de
los iones de los siguientes compuestos químicos:
a) FeCl3. b) K 2CO3. c) H2S. d) H3PO4 . e) Ba(OH)2.
23. Escribe las fórmulas de los ácidos que resultan al
hacer reaccionar los siguientes óxidos no metálicos
con el agua: SO3, OCl2, O7Cl2, N2O3 y NO2.
17. Escribe las ecuaciones de disociación o ionización en medio acuoso de los electrólitos: a) FeCl 3 .
b) Ca(HS)2 . c) Na 2CO3 . d) H2 SO 4 . e) KOH.
24. Escribe los productos de reacción y ajusta las ecuaciones químicas que resultan de las siguientes reacciones en medio acuoso:
a) H2SO4 + KOH →
Ácido-base
b) HClO3 + Al(OH)3 →
c) H2S + Ca(OH)2 →
Oxidación y reducción
25. El oligisto es un mineral de hierro en donde este
metal se encuentra en forma del óxido, Fe2O3. ¿Qué
crees que se debe hacer para convertir el óxido en hierro metal?
Catálisis
4. El hierro se oxida por acción del oxígeno del aire,
mientras que el oro no se oxida por este motivo. ¿Qué
podríamos afirmar acerca de la energía de activación
de la reacción del hierro con el oxígeno y la de la
reacción del oro con el oxígeno?
11. ¿Por qué la comida que se deja a la intemperie se
estropea más rápidamente que la que se guarda en el
frigorífico?
6. Según la clasificación estructural, indica el tipo
al que pertenecen las reacciones químicas:
difícil.
a) FeS + 2 HCl → FeCl2 + H2S
c) 2 KClO3 → 2 KCl + 3 O2
b) SO2 + H2O → H2SO3
d) N2 + 3 H2 → 2 NH3
13. Se observa fácilmente que si se introduce un trozo
de mármol de 10 g en 100 cm3 de una disolución acuosa de HCl de concentración 2 mol/L, el desprendimiento de burbujas es mucho menor que si se introduce la
misma cantidad de mármol previamente molida y reducida al estado de polvo. ¿Por qué?
7. Si alguien te habla del valor: 3,4 · 10 -6 mol L -1 s -1,
¿qué se puede decir al respecto?
14. La descomposición de una disolución acuosa de
agua oxigenada, H2O2, en agua y oxígeno exige una energía de activación de 75,24 kJ, pero en presencia de iones
ioduro es de 56,43 kJ. Si se agrega platino, es de 48,91
kJ y si se añade la enzima catalasa del hígado, disminuye a 22,99 kJ. Escribe la ecuación química de dicha
descomposición y da una explicación de la actuación
de los iones ioduro, platino y la enzima catalasa.
8. Un aumento de temperatura de 10 °C duplica o
triplica la velocidad de reacción. ¿Se puede aplicar
esta regla a la observación del efecto en los procesos
biológicos de un animal de sangre fría, como un renacuajo, que se desarrolla dos o tres veces más rápidamente en agua a 20 °C que en agua a 10 °C?
15. Indica qué sustancias deben reaccionar para obtener los siguientes compuestos iónicos: a) Nitrato de
potasio. b) Sulfato de calcio. c) Fluoruro de sodio.
Velocidad de reacción
Reacciones nucleares
27. ¿Qué diferencia hay entre 235U y 238U?
18. La cáscara de un huevo de gallina está constituida por carbonato de calcio y el vinagre es un ácido
que contiene iones H+. Explica lo que sucede al echar
vinagre sobre la cáscara del huevo.
28. Explica la diferencia que hay entre fisión y fusión
nuclear.
19. El óxido de calcio reacciona con el agua para formar hidróxido de calcio. Halla la cantidad de óxido de
calcio que reacciona si se obtienen 360 g de hidróxido de calcio.
Tipos de reacciones químicas
5. ¿La reacción química entre el ácido clorhídrico y
el hidróxido de sodio es una reacción ácido-base o
de doble sustitución?
26. Explica si la reacción de una disolución acuosa de
carbonato de sodio con otra disolución acuosa de
ácido clorhídrico es una reacción ácido-base o una
de oxidación-reducción. Escribe la ecuación de dicha
reacción química indicando los productos que se obtienen.
10. Algunos medicamentos se presentan pulverizados
en vez de mostrarse en forma de pastillas. ¿Qué se
pretende con ello?
12. El azúcar arde en el aire a una temperatura superior
a 500 °C y se obtiene agua y dióxido de carbono.
¿Cómo pueden las personas metabolizar (quemar)
azúcar a una temperatura de 37 °C para formar los mismos productos?
Las actividades están clasificadas en tres niveles de dificultad mediante los siguientes símbolos:
Sencilla,
Unidad 6
9. La medida de la cinética de una determinada reacción química en disolución acuosa proporciona los
valores mostrados en la tabla adjunta, en la que se
observa la relación entre la concentración del reactivo que se descompone frente al tiempo de reacción.
Representa gráficamente el valor de dicha concentración en mol/L frente al tiempo de reacción y deduce
las conclusiones oportunas.
Ionización y disociación
20. Escribe la ecuación de la reacción del ácido sulfúrico con el cinc y la que tiene lugar entre el ácido
nítrico y el carbonato de magnesio.
21. Escribe la ecuación de la reacción entre el ácido
clorhídrico con el hidróxido de aluminio en disolución
acuosa y la que se verifica entre el ácido sulfúrico
con el hidróxido de potasio.
22. El cicatrizante pigmento rojo es una disolución de color rojo. Si
100 mL de dicha disolución tiene la siguiente
composición: eosina,
2 g; alcohol etílico, 10 g,
y agua destilada, 89 g,
halla: a) La concentración de la eosina y del
alcohol etílico en g/L.
b) La densidad de la disolución.
29. En la combustión de 1 kg de butano se obtienen
4,955 ⋅ 107 J y en la fisión de 1 kg de uranio, 6,308 ⋅ 1013 J.
¿Qué relación existe entre ambas magnitudes?
30. Un núcleo de litio de número másico 7 colisiona con
un protón y forma dos núcleos de helio de número másico 4. Escribe la reacción nuclear que tiene lugar.
164
165
Desafío PISA
DESAFÍO PISA
Unidad 9
Energía eléctrica
Actividades
Nuestro punto débil sigue siendo la elevada
dependencia energética
Tras la lectura del texto anterior, realiza las siguientes actividades:
Actividad 1:
A: ¿Qué es la electricidad renovable descarbonizada?
Noticia difundida por el diario La Vanguardia el 23 de agosto de 2010
A través de la lectura de un texto motivador y relacionado con la aplicación de la ciencia en la sociedad, se plantean actividades donde hay que
poner en acción la comprensión del citado texto, la relación de tareas
que necesiten la búsqueda de información complementaria en bibliografía escrita o en Internet y la realización de trabajos escritos individuales
o en grupo que requieran el uso de recursos informáticos adecuados para
la presentación de la información y su exposición escrita u oral. El diseño
de estos «desafíos » está inspirado en las pruebas PISA.
MI PROYECTO
La esencia de la crisis, lo que de verdad
subyace a la depresión económica, es
el exceso de capacidad productiva. En
España sobran coches y fábricas de
automóviles. Sobran casas, empresas
de construcción y centros comerciales. Sobran electrodomésticos y capacidad productiva. Sobran, sobre todo,
grandes infraestructuras, de forma
que un 25 % de aeropuertos, autovías,
embalses o plantas desaladoras están
infrautilizados. Sobran equipamientos
urbanos, parques vacíos, polideportivos, centros cívicos, bibliotecas, iglesias y clubs de jubilados. El símbolo
más evidente del éxito español y de la
sobredimensión económica es la capacidad de generación eléctrica. Sobran centrales nucleares, de carbón y
de ciclo combinado de gas. Sobra gas
importado, que tenemos que pagar
aunque no lo consumamos.
B: ¿Cuál es el objetivo por cumplir en España
en los próximos 30 años?
C: ¿Cuál es la dependencia energética de
nuestro país del exterior?
D: En el caso de que ocurriera un desabastecimiento de productos energéticos, ¿para
cuantos días hay reservas de petróleo y
de gas?
Actividad 2: Con frecuencia la construcción de nuevas líneas de alta tensión
es contestada por algunos sectores de la sociedad.
A: Recoge en una tabla cinco razones que justifiquen la construcción de las
líneas de alta tensión y otras cinco que defiendan la oposición a esa
construcción.
Utiliza Internet para acompañar tus propuestas con imágenes.
B: Utiliza las razones esgrimidas para realizar un debate en clase sobre los
pros y los contras de estas infraestructuras.
Sin embargo, uno de los sectores clave en el que hay demanda para años es el de la electricidad
renovable sostenible descarbonizada. Recordemos que un cambio hacia un modelo todo eléctrico
requerirá unos 30 o 40 años. España lleva 10 años de adelanto con respecto al resto de países del
mundo, junto con Alemania y Dinamarca, y tenemos que plantearnos objetivos más amplios. Las
dos Castillas, Aragón, la Andalucía interior y Extremadura son el verdadero mar del Norte eólico
y solar del sur de Europa.
Actividad 3: Una pequeña central hidroeléctrica transmite una potencia eléctrica de 1 000 kW a una
fábrica situada a una distancia de 20 km mediante una línea de conducción de cable de aluminio que
tiene una resistencia eléctrica de 0,14 Ω por cada km de longitud de red.
El todo eléctrico renovable sostenible y descarbonizado es un objetivo por cumplir en los próximos
30 años en España y es el que requiere el cambio del alma del modelo económico. No solo hay que
ampliar la red eléctrica con Europa a través de Francia y Portugal, sino que hay que crear una nueva, gigantesca y modélica malla eléctrica, de alta tensión, de alta inteligencia. Navarra, Aragón y
Cataluña tienen la responsabilidad de acoger las torres y líneas de alta tensión como un servicio
definitivo al resto de España y un pequeño sacrificio paisajístico.
A: Calcula la resistencia eléctrica del tendido.
B: Calcula la intensidad de la corriente eléctrica cuando el transporte de la energía se realiza a la
diferencia de potencial de 10 kV y cuando se realiza a 100 kV.
C: ¿Qué potencia eléctrica se degrada por efecto Joule en los dos casos?
La clave del futuro del todo eléctrico (su punto débil) está en el combustible no fósil para el funcionamiento de casi 30 millones de vehículos, que en España circulan con hidrocarburos. Sustituir
la gasolina y el gasóleo por electricidad es imposible sin rehacer y fortalecer toda la red de transmisión de alta y media tensión, e incluso baja tensión en las comunidades de vecinos, para poder
cargar las baterías de los coches.
D: ¿Qué conclusión se puede sacar de los resultados anteriores?
No deja de ser paradójico que el Plan Estratégico de Infraestructuras Terrestres (PEIT) no se ocupe de la más importante de todas: el transporte de electricidad y la operación del sistema eléctrico. Nuestro punto débil es nuestra dependencia energética, especialmente de los países musulmanes. Entre el 80 % y el 90 % de la energía es importada y tenemos reservas de petróleo para
unos 120 días y de gas, para 40.
Actividad 4:
A: Elabora una secuencia de diapositivas que describan el
camino que sigue la energía eléctrica desde los centros
de producción hasta que llega al consumidor.
B: Explica oral y brevemente las características de los diferentes tramos de ese recorrido.
La salida de la crisis, que necesitará probablemente 10 años, se hará en gran parte gracias a las
energías renovables, especialmente a la electricidad. Muy sencillo y desafiante.
270
271
Unidad 3
Los Años Internacionales de la Física y de la Química
Mi proyecto
Paso 5: El papel de la mujer en la ciencia
Analiza la secuencia de las tres ilustraciones siguientes y con base en ello:
a) Explica si el orden de las ilustraciones mostrado es el correcto y si no lo es, indica cuál puede ser.
b) Justifica cuál es el papel de la mujer en la ciencia de cada ilustración.
c) ¿Qué conclusión se puede obtener de las citadas ilustraciones?
Paso 6: Marie Curie
Busca información complementaria en la Red y explica:
a) ¿Quién fue Marie Curie?
b) ¿Por qué se otorgó a Marie Curie el Premio Nobel en 1911?
c) ¿En qué consisten los Premios Nobel?
A través de un texto se contextualiza la tarea que hay que realizar
en la unidad con relación al proyecto de investigación que se trabajará durante el curso. Estas tareas te ayudarán a experimentar
y reflexionar sobre los diferentes tipos de métodos e instrumentos de trabajo, no solo en relación con el desarrollo de la unidad,
sino también en otros contextos en los que puedan ser relevantes
el conocimiento científico y su utilización.
Sellos conmemorativos de los Premios Nobel de
Química de Marie Curie (1911), Irene Joliot-Curie
(1935) y Dorothy Hodgkins (1964). Solo 4 de los
159 premiados han sido mujeres. La cuarta fue
Ada Yonath en 2009.
86
EVALÚATE
Energía eléctrica
Autoevaluación
1. ¿Qué conexión es la correcta?
a)
b)
– +
c)
– +
– +
V
– +
A
7. Una bombilla de una linterna de resistencia
eléctrica de 15 Ω se alimenta con tres pilas de
1,5 V cada una. La intensidad que recorre el
filamento es: a) 3 A. b) 10 A. c) 30 A. d) 0,3 A.
A
V
Evalúate
6. Por un conductor pasan 6,25 ⋅ 1015 electrones en un segundo. La intensidad de la corriente eléctrica es: a) 1 A. b) 10 A. c) 1 mA.
d) 19 mA.
d)
2. Por un circuito pasa una intensidad de 0,5 A. Al
cabo de un minuto, pasa una carga de: a) 0,5
C. b) 60 C. c) 30 C. d) 10 C.
8. Una pila de 9 V proporciona a un circuito una
intensidad de 0,3 A. La energía transformada
durante 15 min es: a) 2,43 J. b) 2 430 J. c) 35 J.
d) 2,7 J.
3. Por una resistencia de 90 Ω conectada a una
diferencia de potencial de 18 V pasa una intensidad de: a) 1 A. b) 2 A. c) 5 A. d) 0,2 A.
9. La energía que transforma un aerogenerador de 800 kW de potencia durante 10 h
es: a) 80 kW. b) 80 kWh. c) 8 000 kW.
d) 8 000 kWh.
4. Un alambre de cobre, ρ = 1,72 ⋅ 10−8 Ω ⋅ m, de 100 m
de longitud y 3 mm2 de sección tiene una resistencia de: a) 57 Ω. b) 0,57 Ω. c) 5,7 Ω. d) 2 Ω.
5. El voltímetro de la figura
indica: a) 120 V. b) 0,1 V.
c) 120 V. d) 12 V.
–
+
120 Ω
10. Tres resistencias eléctricas de 1 kΩ, 2 kΩ y 3 kΩ
se conectan en serie a una pila de 12 V. La intensidad que recorre el circuito es: a) 2 mA.
b) 72 mA. c) 2 A. d) 6 A.
0,1A
V
Soluciones: 1. a - 2. c - 3. d - 4. b - 5. d - 6. c - 7. d - 8. b - 9. d - 10. a
Al término de cada unidad didáctica, en el apartado Evalúate, se vinculan los contenidos
y las actividades realizadas en dos secciones. En Autoevaluación se plantean diversas
preguntas tipo test centradas en los conocimientos explicados en la unidad y cuya solución se muestra en la misma página. En el apartado Mis progresos se incorporan unas
rúbricas finales de autoevaluación para que reflexiones sobre tus progresos.
Mis progresos
Sobresaliente
¡Soy muy competente!
Bien
Soy competente,
pero puedo mejorar
Suficiente
Soy competente,
pero debo mejorar
Insuficiente
Me faltan competencias.
¡Debo esforzame mucho más!
¿Sé aplicar
lo aprendido?
Identifico los efectos de la energía eléctrica y las magnitudes
que caracterizan a un circuito
eléctrico, y reconozco la utilidad
de la energía eléctrica en la sociedad.
Identifico los efectos de la energía eléctrica y la utilidad de la
energía eléctrica en la sociedad,
y reconozco, a veces, las magnitudes que caracterizan a un circuito eléctrico.
Reconozco la utilidad de la
energía eléctrica, pero tengo
dificultad para identificar los
efectos de la energía eléctrica
y las magnitudes que caracterizan a un circuito eléctrico.
No reconozco la gran utilidad
de la energía eléctrica en la sociedad ni identifico los efectos
de la energía eléctrica, y tampoco reconozco las magnitudes que caracterizan a un circuito eléctrico.
Sé hacer…
Resuelvo ejercicios de aplicación sobre circuitos eléctricos
y sobre las magnitudes energéticas asociadas a los mismos.
Resuelvo ejercicios de aplicación sobre circuitos eléctricos y
tengo dificultad con los de las
magnitudes energéticas asociadas a los mismos.
Me cuesta resolver ejercicios
de aplicación sobre circuitos
eléctricos y sobre las magnitudes energéticas asociadas a
los mismos.
No sé resolver ejercicios de aplicación sobre circuitos eléctricos ni tampoco sobre las magnitudes energéticas asociadas a
los mismos.
La tecnología
y yo…
Navego, encuentro mucha información interesante en la web y
tengo dominio de las herramientas TIC para la realización de las
actividades propuestas.
Navego, encuentro a veces información interesante en la web
y tengo dominio alto de las herramientas TIC para la realización de las actividades propuestas.
Navego con dificultad por la
web, y mi forma de su uso no
es adecuada y tengo poco dominio de las herramientas TIC
para la realización de las actividades propuestas.
Me cuesta mucho navegar por
la web, no sé utilizarla y no tengo dominio de las herramientas
TIC para la realización de las
actividades propuestas.
¿Sé trabajar
en grupo?
Asumo mi rol sin interferir en
el trabajo de los demás y aporto ideas al grupo.
Asumo mi rol y aporto ideas al
grupo, pero suelo interferir en
el trabajo de los demás.
Asumo mi rol, no aporto ideas
al grupo e interfiero en el trabajo de los demás.
No asumo mi rol e interfiero en
el trabajo de los demás sin aportar ideas al grupo.
Unidad 9
273
5
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4 Moléculas
y cristales
En esta unidad
1. La unión entre átomos
2. Enlace iónico
3. Los metales
4. Enlace metálico
Vamos a aprender a…
5. Enlace covalente
6. Alotropía
7. Masa molecular y masa fórmula
8. Compuestos químicos de especial interés
Competencias
Saberes
científicos
–Enumerar los tres tipos de vínculos que pueden existir entre los átomos CMCT, CPAA
o sus iones: enlace iónico, metálico y covalente, y relacionarlos con las
propiedades de las sustancias puras que se originan.
–Explicar la importancia de la combinación externa completa de la capa
electrónica de los átomos.
–Reconocer que los materiales que nos rodean tienen diferentes propiedades que dependen de cómo se unen los átomos y los iones para formar estos.
Lectura
y comprensión
–Describir con dibujos cómo se forman el enlace iónico en una estructu- CMCT, CCL
ra cristalina, el enlace metálico, los enlaces covalentes sencillo, doble
y triple moleculares y los sólidos covalentes reticulares.
–Resolver ejercicios de composición centesimal utilizando adecuadamente la masa molecular y la masa fórmula.
Tratamiento
de la información
y competencia
digital
–Saber buscar información en los buscadores de Internet y en sus enci- CMCT, CD
clopedias virtuales para analizar propiedades de las distintas sustancias puras en función de su enlace químico.
–Reconocer la importancia de utilizar técnicas como la elaboración de
mapas conceptuales con las herramientas propias de los procesadores
de texto, como Word, para presentar la información sistematizada de
los distintos enlaces químicos.
Aprende a
aprender ciencia
–Conocer la importancia de la existencia de teorías y modelos en el CMCT, CPAA, SIE
campo de la ciencia.
–Saber la importancia de tener un principio de referencia para poder clasificar los distintos tipos de enlaces químicos que existen.
La ciencia
en la sociedad
–Conocer que el saber científico es acumulativo y a considerar la impor- CMCT, CSC
tancia histórica de la evolución de la teoría del enlace químico en el
conocimiento de las distintas sustancias puras que existen.
–Conocer la importancia del conocimiento tanto de las aleaciones y de
sus grandes aplicaciones en la sociedad actual como de algunos compuestos químicos de especial interés.
Proyecto: Los Años –Comprender la importancia para nuestra vida diaria de los nuevos ma- CCL, CMCT, CD, CPAA,
CSC, SIE
teriales que el conocimiento químico nos ha permitido sintetizar.
Internacionales
de la Física
–Conocer cómo el conocimiento químico es fundamental para el desay de la Química
rrollo de la medicina.
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Diferentes tipos de enlace entre átomos para
diferentes propiedades
Los átomos se unen para formar toda la variedad de sustancias que
existen en la naturaleza o que ha creado el ser humano.
Los átomos se unen de diversas maneras, como vas a estudiar en
esta unidad. Los átomos que conforman el agua y los que conforman la arena de la playa se unen de la misma manera, es decir, con
el mismo tipo de enlace químico, pero el agua está formada por
pequeñas asociaciones de solo tres átomos (moléculas), mientras
que la arena la componen grandes conjuntos de muchos átomos
(redes cristalinas). La sal marina es también una red cristalina, pero
su tipo de enlace es distinto al de la arena. También existen moléculas con muchísimos átomos: el color verde de las plantas se
debe a una molécula llamada clorofila, formada por 137 átomos.
Esta unidad didáctica se completa con el conocimiento de las reglas básicas de la formulación y de la nomenclatura química de
los compuestos binarios, que se desarrolla en un anexo específico.
Las unidades didácticas de la 2 a la 6 se han dedicado al estudio
de la materia y proporcionan una primera imagen de los aspectos
básicos de la química. Este estudio se completa con un segundo
bloque de unidades didácticas, de la 7 a la 9, en donde se analizan
las cuestiones cuantitativas de esta ciencia.
La ciencia a nuestro alrededor
■
■
■
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En la naturaleza, tanto el hidrógeno como el nitrógeno se encuentran formando moléculas diatómicas. Representa gráficamente
dichas moléculas mediante el modelo de bolas, sabiendo que el
tamaño del átomo de nitrógeno es mayor que el del hidrógeno.
Indica el número y la clase de átomos que hay en las fórmulas
químicas de las siguientes sustancias: Cl2, H2O, SiO2, NH3 y CO2.
En algunos sitios cuando en clase de química nombran al fósforo, lo llaman tetrafósforo. ¿Sabrías decir por qué?
23/04/15 13:56
Unidad 4
1. La unión entre átomos
¿Cómo es posible que exista una gran variedad de compuestos químicos si solo se dispone de un número reducido de elementos químicos con los que se pueden formar dichos compuestos? La respuesta
a esta pregunta se encuentra en los distintos tipos de enlace químico
que existen.
Un análisis detallado de la variedad de sustancias existentes y sus
fórmulas químicas plantea nuevas preguntas, como ¿cuál es la razón
de que el hidrógeno se una con el oxígeno para formar moléculas de
agua?, ¿por qué la fórmula del agua es H2O y no HO? o ¿por qué el
oxígeno que respiramos tiene la fórmula O2 y no O?
Estas preguntas quedan hoy resueltas dentro de lo que se conoce
como teoría del enlace químico, que arranca del trabajo del químico
alemán Richard Abegg, de comienzos del siglo xx, al explicar las uniones entre los átomos en términos de electrones.
Teniendo en cuenta que el conjunto de los electrones situados en los
niveles energéticos más profundos de la corteza atómica son los más
estables, desde el punto de vista químico se puede considerar que los
átomos están formados por dos partes:
■
■
Ley y teoría científica
Una ley científica es el resultado de la generalización de múltiples observaciones, generalmente en forma matemática,
para que se pueda predecir el
comportamiento de otras observaciones en situaciones semejantes.
Una teoría científica es la expresión de un fenómeno conocido mediante un modelo que
se apoya en hechos y leyes, de
forma que dicho modelo debe intentar explicar el conjunto de los
fenómenos que abarca la teoría
científica.
Una, constituida por el núcleo y los electrones profundos, que origina un todo inseparable llamado core atómico.
Otra, responsable del comportamiento químico, y formada por los
electrones del nivel o capa electrónica más externa o de valencia.
A los electrones de dicha capa se los denomina electrones de valencia.
Al interaccionar los átomos para formar diversas sustancias, solo
intervienen los electrones de la capa de valencia, sin alterarse el core
atómico.
Dentro del marco de la teoría del enlace químico, un átomo se representa mediante el símbolo del elemento químico rodeado por un conjunto de puntos redondos. Esta representación se conoce como diagrama de Lewis, de forma que:
■
■
El símbolo del elemento químico muestra el core atómico.
Los puntos redondos hacen referencia a los electrones de valencia.
Así, por ejemplo, sabiendo que el hidrógeno tiene un electrón de valencia y el oxígeno seis, resulta que los diagramas de Lewis de los
átomos de dichos elementos químicos son:
. .
H H
. .
:O
. :
. :: O
Electrones de valencia del gas noble neón
situados en sus distintos niveles electrónicos.
Actividades y tareas
1. Sabiendo que los números atómicos del carbono, nitrógeno, flúor y neón son, respectivamente, 6, 7, 9 y 10,
dibuja los diagramas de Lewis de dichos elementos químicos.
90
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Moléculas y cristales
1.1. ¿Por qué los átomos se unen entre sí?
Los gases nobles existen en la naturaleza en forma atómica y espontáneamente no tienden a combinarse para formar otras sustancias.
Si se analiza la distribución de sus electrones, se comprueba que los
gases nobles poseen todos sus niveles electrónicos llenos y se puede
concluir que la estabilidad de dichos gases se relaciona con la estructura electrónica completamente llena de estos.
Los átomos se unen o combinan para formar diversas sustancias y
así alcanzar una estructura o disposición más estable que la inicial.
Se puede considerar el enlace químico como un modo de incrementar la estabilidad del sistema químico.
La justificación de las propiedades de las
sustancias puras hay que encontrarla en
el tipo de enlace que manifiestan.
1.2. Tipos de enlaces químicos
En 1916, el alemán Walther Kossel y el norteamericano Gilbert Newton Lewis, de forma independiente y basándose en la estabilidad de
los gases nobles, sugieren la teoría de que la combinación de los átomos de los elementos químicos se puede inter pretar como consecuencia de la tendencia de estos a adquirir la configuración electrónica estable del gas noble más próximo a ellos.
Puesto que las configuraciones electrónicas de los gases nobles del
segundo y tercer período tienen ocho electrones en su último nivel
energético, se establece la regla del octeto, que permite explicar la
formación de compuestos químicos y de elementos químicos poliatómicos, como consecuencia de la tendencia de los átomos a completar, con ocho electrones, su último nivel electrónico.
El gas noble helio no cumple esta regla, ya que pertenece al primer
período y su estabilidad se consigue únicamente con dos electrones.
La regla del octeto afirma que un grupo exterior de ocho electrones
constituye una estructura o disposición electrónica muy estable.
Regla del octeto
A pesar de la innegable utilidad
de la regla del octeto, debe tenerse en cuenta que esta tendencia de los átomos no es en
modo alguno general y solamente la cumplen, no sin excepciones, los elementos químicos C,
N, O y F, que se caracterizan
porque su capa electrónica más
externa tiene una cabida máxima de ocho electrones.
Así, el hidrógeno tiene un electrón de valencia y puede incorporar un
electrón para convertirse en el anión hidruro H - y alcanzar así la configuración electrónica estable del helio o también puede perder su
electrón y alcanzar una configuración electrónica totalmente vacía
correspondiente al catión H + , llamado hidrón o hidrógeno(1+).
El oxígeno tiene seis electrones de valencia, por lo que puede adquirir
la configuración electrónica estable del gas noble más próximo, el
neón, mediante la incorporación de dos electrones a su estructura
electrónica para convertirse en el anión óxido O2- .
Según cómo se alcance la estabilidad de gas noble, existen tres diferentes tipos de enlaces químicos, que son:
■
Enlace iónico.
Tapa metálica:
enlace metálico
■
Enlace metálico.
■
Enlace covalente.
Importante
La formación de un ion siempre
ocurre por la pérdida o ganancia de electrones, nunca de protones.
Vidrio: enlace
covalente
Sal: enlace
iónico
91
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Unidad 4
2. Enlace iónico
Si se introducen en un vaso con agua destilada dos electrodos metálicos conectados a una bombilla y a una fuente de alimentación de
corriente continua, como una pila de petaca, se observa que no hay
paso de corriente eléctrica porque la bombilla no se enciende.
¿Qué ocurre si se añaden al agua diversas sustancias, como sal común,
aceite, bicarbonato de sodio o azúcar?
Se observa que la sal común o cloruro de sodio, el azúcar y el bicarbonato de sodio se disuelven en el agua, pero no el aceite. Además,
las disoluciones en el agua del bicarbonato de sodio y del cloruro de
sodio encienden la bombilla, pero no la disolución del azúcar ni la
mezcla de agua y aceite.
La sal común y el bicarbonato de sodio tienen la propiedad común de
hacer conductora de la electricidad su disolución acuosa, por lo que
se denominan electrólitos. Por el contrario, el aceite y el azúcar no
son conductores de la electricidad y se llaman no electrólitos.
NaCl
en H2O
La disolución de un electrólito conduce la
corriente eléctrica y la bombilla se enciende.
Atendiendo a este tipo de experiencia, Kossel afirmó que electrólitos
como la sal común, el bicarbonato de sodio o el cloruro de calcio, se
caracterizan por tener un tipo de enlace químico denominado enlace
iónico.
El enlace iónico se origina por la transferencia de electrones de un
átomo de un elemento químico a otro átomo de otro elemento químico distinto para formar un conjunto de iones positivos y negativos
que se atraen eléctricamente por la ley de Coulomb.
Así, el cloro tiene siete electrones de valencia y el sodio solo uno, y
puede ocurrir que el átomo de sodio transfiera su electrón de valencia
al átomo de cloro para así obtener, ambos, la estructura electrónica
estable del gas noble más próximo, en este caso, el neón para el sodio
y el argón para el cloro. Pero el átomo de cloro con un electrón más y
el átomo de sodio con un electrón menos ya no son átomos eléctricamente neutros, sino que son iones: el catión sodio, Na +, y el anión
cloruro, Cl - .
El catión sodio, Na + , se forma por la pérdida del electrón de valencia
del átomo de sodio, Na, según: Na - 1 e - → Na + o bien: Na → Na + + 1 e - .
El anión cloruro, Cl - , se origina por la adición a la capa de valencia del
cloro del electrón procedente del proceso anterior, según: Cl + 1 e- → Cl- .
De esta forma, el cloruro de sodio es un conjunto de cationes y aniones
que se muestra mediante la siguiente ecuación: NaCl → Na + + Cl - .
Azúcar
en H2O
La disolución de un noelectrólito no conduce la corriente eléctrica y la bombilla no se
enciende.
Enlace iónico
La ley de Coulomb expresa cuantitativamente la interacción entre dos cargas eléctricas aisladas, según la ecuación:
F = K⋅
q1 ⋅ q2
d2
Por tanto, la fuerza del enlace
iónico depende de la carga de
los iones y de la distancia entre
ellos.
Cl–
Cl
e–
Na
Na+
Red cristalina de NaCl.
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Moléculas y cristales
Los iones son especies cargadas eléctricamente, de forma que los
iones de signos opuestos se atraen con fuerza eléctrica de acuerdo
con la ley de Coulomb. Esta atracción entre cationes y aniones origina agregados estables, lo que significa que, en el estado sólido, los
compuestos iónicos se caracterizan por formar redes cristalinas entre
los cationes y los aniones.
En un sólido iónico, como el cloruro de sodio, NaCl, no existen moléculas,
ya que en realidad todo el sólido es un agregado gigante de iones y su
fórmula expresa la proporción o relación estequiométrica entre cationes
y aniones que componen dicho compuesto químico, en este caso 1 : 1.
Los elementos químicos que tienen tendencia a perder o a ganar
electrones formarán entre sí compuestos iónicos.
Atendiendo a la capacidad para ceder
o ganar electrones, resulta que:
■
■
■
El cristal
Un cristal es una estructura regular con una distribución microscópica elemental que se repite un
gran número de veces, del mismo
modo que la muestra de tejido de
una tela.
La unidad básica que se repite
en el cristal se llama celda unidad o elemental y es la unidad
más pequeña que tiene la simetría de la estructura del cristal
macroscópico.
Los elementos metálicos, como los alcalinos, alcalinotérreos y elementos de transición tienen tendencia a perder
electrones para adquirir la configuración estable de gas noble. El carácter metálico es mayor en los alcalinos que en los
alcalinotérreos. En un mismo grupo, el carácter metálico
aumenta al descender dentro de este, ya que con el aumento del tamaño del átomo los electrones de valencia están
menos fuertemente retenidos por el núcleo.
Los elementos no metálicos, como los calcógenos y halógenos, tienden a captar electrones para adquirir la configuración de gas noble. El carácter no metálico es mayor en los
halógenos que en los calcógenos. Dentro de un mismo grupo
el carácter no metálico disminuye al descender en este, porque los elementos químicos pequeños, como el flúor, atraen
con más fuerza al electrón que incorporan que los elementos
químicos más grandes, en virtud de las fuerzas eléctricas
que se ponen en juego.
Los elementos semimetálicos tienen una tendencia intermedia entre los elementos de carácter metálico y no metálico.
Pertenecen a esta clase un conjunto reducido de elementos
químicos como el galio o el germanio, que son conocidos
como elementos semiconductores.
ion Cl–
ion Na+
Estructura sólida del NaCl.
Aunque el modelo exagera las distancias
entre los iones, sirve para mostrar la forma en la que se empaquetan los iones
cloruro (más grandes) y sodio (más pequeños). Lógicamente, las líneas que unen los
iones no existen en la realidad.
Ejercicios y actividades resueltos
Explica la formación del compuesto iónico entre el cloro y el calcio, sabiendo que está formado por iones Ca2+ y aniones Cl - .
El calcio pierde sus dos electrones de valencia para originar: Ca → Ca2+ + 2 e - . Como transfiere sus
dos electrones de valencia y en la formación del anión cloruro solo está implicado un electrón
según: Cl + 1 e - → Cl- , resulta que es necesario que se originen dos aniones cloruro por cada catión de
calcio. Se forma así un conjunto eléctricamente neutro: Ca → Ca2+ + 2 e - , Cl + e - → Cl- y Cl + e - → Cly la fórmula del compuesto formado es CaCl2.
La proporción estequiométrica entre los iones de distinto signo en el CaCl2 es 1 : 2 y: CaCl2 → Ca2+ + 2 Cl- .
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Unidad 4
2.1. Características de los compuestos iónicos
La teoría del enlace iónico no solo debe explicar la formación de las
sustancias iónicas, sino también las propiedades de estas.
El enlace iónico entre aniones y cationes es un enlace muy fuerte, puesto que las fuerzas de Coulomb que lo componen son fuerzas de gran
intensidad. Las estructuras sólidas formadas son el resultado del empaquetamiento de iones positivos y negativos, de forma que cada ion
está rodeado de iones de signo opuesto, aunque también tiene próximos
en la red cristalina, pero más alejados, iones del mismo signo.
Aniones
flúor (F–)
Temperaturas de fusión de
diversos compuestos iónicos:
Compuesto
iónico
Temperatura
de fusión (°C)
KCl
771
NaCl
803
PbO
897
BaSO4
1 350
Cationes
calcio (Ca2+)
Fluorita (CaF2) y su estructura cristalina. La fluorita se emplea para obtener flúor y también como gema.
Las principales características de los compuestos iónicos son:
■
Poseen elevadas temperaturas de fusión y ebullición.
Estas elevadas temperaturas se explican por la enorme energía
térmica que se requiere para romper sus estructuras cristalinas.
■
En estado sólido forman estructuras cristalinas que son muy duras,
pero al mismo tiempo son frágiles o quebradizas.
La dureza de estas estructuras se debe a la intensidad de sus enlaces. Sin embargo, un golpe seco puede producir un desplazamiento
lateral de los iones y da lugar a que se encuentren enfrentados
iones del mismo signo entre los que existen fuerzas repulsivas. Esto
produce una inestabilidad del sistema y es la causa de la fragilidad
de los sólidos iónicos.
■
En el caso de que sean solubles, lo son en disolventes como el
agua, pero no en otros disolventes como la gasolina o el benceno.
La disolución de un sólido cristalino no es más que el desmoronamiento de su estructura sólida, al introducirse las moléculas de un
disolvente en el interior de la red cristalina y neutralizar así la atracción entre los iones. Los iones se desprenden y separan del cristal
para quedar dispersos dentro de la disolución formada por el disolvente y el compuesto iónico.
La dureza
La dureza es una propiedad que se
define como la resistencia que
ofrece un objeto a ser rayado por
otro.
Fuerza
–+–+–+
–+–+–+
–+–+–+
–+–+–+
–+–+–+
–+–+–+
+
– –+–+
–+–+–+
Sólido
cristalino
+ Catión
–+–+–+
–+–+–+
–+–+–+
–+–+–+
Sólido
cristalino roto
– Anión
La rotura de un sólido cristalino.
Se llama ecuación de disociación a la ecuación química que muestra la separación de los iones de un compuesto iónico, como:
NaCl → Na + + Cl - ; CaCl2 → Ca2+ + 2 Cl - ; Na2S → 2 Na + + S2Para disolver un sólido iónico, hay que utilizar un disolvente que sea
capaz de romper su estructura cristalina, como el agua. Disolventes
como la gasolina o el benceno son incapaces de romper estructuras cristalinas.
■
Ion de sodio
Ion
cloruro
Solamente fundidos o disueltos conducen la corriente eléctrica.
En estado sólido, los compuestos iónicos no conducen la electricidad, ya que los iones tienen posiciones fijas y no pueden moverse en la red iónica, pero al fundirse o al disolver se, se rompe la
estructura cristalina y los iones (cargas eléctricas) quedan libres y
pueden conducir la electricidad.
Molécula
de agua
Las moléculas de agua, al interponerse entre los iones de la sal (NaCl), producen su
disociación.
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Moléculas y cristales
3. Los metales
La mayor parte de los elementos químicos de la tabla periódica son
metales y poseen unas propiedades muy peculiares que hacen que
puedan diferenciarse fácilmente de las restantes sustancias puras.
Propiedades de los metales
■
■
■
■
■
■
Los metales son excelentes conductores del calor y de la electricidad en estado sólido, a diferencia de las sustancias iónicas y covalentes.
Los metales en estado sólido suelen aparecer en forma de estructuras cristalinas, que son fácilmente deformables. La ductilidad y la maleabilidad son propiedades típicas de los metales. La
ductilidad es la propiedad que tienen los metales de poderse estirar en forma de hilos o alambres,
mientras que la maleabilidad es la propiedad que tienen de formar planchas o láminas delgadas
cuando son golpeados.
Tienen un brillo típico, llamado brillo metálico, y una elevada densidad.
En general, se presentan como sólidos de dureza variable y con temperaturas de fusión y ebullición normalmente muy altas en los metales más típicos, como el oro, el cobre, el hierro o el níquel.
Se distinguen por tener una facilidad relativa para perder electrones y originar cationes, lo que
constituye el denominado carácter metálico.
Existen numerosas aleaciones de metales que se utilizan con frecuencia, porque normalmente
mejoran las propiedades prácticas de los metales.
Estatua medieval de bronce, llantas de aleación de aluminio y saxofón de latón (aleación de cobre y cinc).
Una aleación es una mezcla sólida homogénea de carácter metálico que se obtiene al solidificar una disolución líquida de dos o más
metales o de un metal con un elemento químico no metálico, como
el carbono.
Los hombres prehistóricos ya tenían conocimiento de las aleaciones cuando utilizaban el bronce, que es una aleación de cobre y
estaño, hace unos cuatro mil o cinco mil años. Hoy se puede decir
que los químicos hacen aleaciones casi a medida para cada aplicación. Así:
■
■
■
El acero es una aleación de hierro con carbono que puede tener,
además, pequeñas cantidades de otros metales como cromo o níquel y es una aleación resistente a la corrosión.
El duraluminio es una aleación de aluminio con cobre y otros metales
como manganeso, que es más ligera y más dura que el aluminio.
El metal utilizado por fontaneros y electricistas para soldar es una
aleación formada por plomo y estaño, que tiene una temperatura
de fusión mucho más baja que dichos metales por separado.
Los utensilios básicos para preparar una
aleación en el laboratorio son soporte base
de hierro con barra cilíndrica, aro metálico
con nuez para sujetar a la barra del soporte
base triángulo de tierra refractaria crisol
y un mechero. Por ejemplo, para obtener
una aleación de plomo y estaño, se calienta
el plomo en un crisol hasta su temperatura
de fusión y luego se añade el estaño poco a
poco y removiendo. Se añade una pizca de
carbón en polvo para evitar la reacción de los
metales con el oxígeno del aire, se vierte la
masa fundida en un molde y se deja enfriar.
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Unidad 4
4. Enlace metálico
Las propiedades metálicas tienen relación directa con la estructura
del metal, es decir, con el modo de unirse de sus partículas, o en otras
palabras, con el tipo de enlace existente en los metales: el enlace
metálico.
4.1. Modelo de burbujas
En el siglo xx, el británico sir William Lawrence Bragg tuvo la idea de
representar cada uno de los átomos de un metal por medio de una
burbuja de jabón. De esta forma las burbujas de jabón flotando en la
superficie de un líquido se asemejan a una estructura formada por una
red cristalina metálica, ya que estas burbujas se comportan en muchos
aspectos como los átomos de un metal en la red metálica. En efecto:
■
■
■
Las burbujas forman un empaquetamiento compacto dispuesto regularmente por zonas que se corresponden con las partes en las que
se puede dividir un cristal metálico mayor en otras partes menores.
Las burbujas resbalan unas sobre otras, lo que justifica que los metales se deformen y se puedan estirar en forma de hilos o de láminas.
Burbujas de jabón flotando en la superficie de un líquido.
Las burbujas pueden presentar agujeros como un metal en su red
cristalina.
Un buen modelo debe permitir hacer predicciones. ¿Sucedía esto con
el modelo de burbujas del enlace metálico?
Supongamos que se introducen átomos extraños entre los propios
átomos del metal para formar una aleación. Como el tamaño de los
átomos extraños es diferente, las capas de átomos del metal no pueden resbalar unas sobre las otras con la misma facilidad y el material
pierde maleabilidad, con lo que se vuelve más fuerte y más duro, que
es lo que sucede en las aleaciones.
Red de átomos metálicos en el modelo de burbujas. En un caso, con átomos del mismo
metal y en el otro, incluyendo átomos de otro elemento químico diferente.
Con el modelo de burbujas no se pueden explicar todas las propiedades
de los metales. La conductividad térmica y eléctrica, por ejemplo, no
se puede predecir, pero hay que pensar siempre que la construcción de
un modelo es tan solo una ayuda para comprender mejor la realidad.
El británico de origen australiano William
Lawrence Bragg (1890-1971) fue galardonado con el Nobel de Física en 1915.
En cualquier caso, el modelo de burbujas muestra claramente cómo
los átomos de los metales forman estructuras tridimensionales donde cada uno de los átomos está unido al resto de átomos que lo rodea.
Una estructura de este tipo se denomina estructura gigante.
Existen también muchos materiales no metálicos que forman estructuras gigantes, como los compuestos iónicos, pero tienen unas propiedades muy diferentes a las de los metales.
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Moléculas y cristales
4.2. Modelo de los electrones deslocalizados
El modelo de los electrones deslocalizados del enlace metálico deriva de una sencilla idea de 1900 del alemán Paul Drude.
En este modelo, cada metal en estado sólido está formado por una
red fija de iones positivos representados por esferas de radio idéntico,
entre las que se mueven libremente los electrones de valencia formando una nube electrónica, que es responsable de la unión de los
iones positivos dentro de la red.
La red metálica es una red cristalina formada por un conjunto numeroso de átomos del metal sin que haya moléculas o un conjunto
de cationes con sus aniones enfrentados como en los compuestos
iónicos. Los electrones de valencia de la red metálica están deslocalizados, lo que significa que no se pueden asignar a átomos concretos dentro de la red metálica.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Red metálica con los cationes del metal
en los nudos de la red y los electrones libres moviéndose entre los huecos.
Las propiedades metálicas se justifican de la forma siguiente:
■
■
■
■
■
■
■
■
La movilidad de los electrones en la red metálica explica las propiedades conductoras de los metales, tanto la eléctrica como la térmica.
El brillo metálico y la alta densidad son propiedades directamente
relacionadas con las estructuras compactas de sus redes cristalinas metálicas.
Las altas temperaturas de fusión y ebullición de los metales se
deben a que tienen redes tan compactas que no permiten la separación de sus átomos, puesto que la atracción entre los cationes y
la nube electrónica es muy intensa.
La posibilidad que tienen los metales de deformarse sin que se produzca la fractura del cristal, como ocurre en los cristales iónicos, se
debe al hecho de que toda deformación en el metal implica un deslizamiento de los iones positivos del cristal, sin que la red cristalina
se altere, gracias a la movilidad que tienen los electrones de valencia.
El desarrollo de la ciencia
En el desarrollo de la ciencia, al
construir nuevos modelos se van
añadiendo más y más detalles
para describir mejor la realidad.
En cualquier caso, el modelo de
burbujas para el estudio del enlace metálico es un buen modelo para entender el enlace metálico, tarea que se perfecciona
con el modelo de los electrones
deslocalizados.
La facilidad que tienen los metales para liberar cationes se debe
también a la movilidad de los electrones de valencia, pues estos
pueden ser arrancados fácilmente y el metal se transforma en un
catión (carácter metálico).
La principal característica de la estructura metálica es la presencia
de una nube electrónica entre los huecos que dejan el conjunto de
los iones positivos que forman la red. La sustitución de algunos de
estos cationes por los de otro metal no altera de forma sustancial
la estabilidad del conjunto e incluso hasta puede mejorar alguna
propiedad, como la dureza, si se escoge adecuadamente el metal.
Este es el fundamento de las aleaciones. También es posible que
aparezcan huecos pertenecientes a algún catión de la red.
Las propiedades metálicas están ligadas al estado sólido y líquido
y los vapores de un metal no tienen las propiedades metálicas características.
+++++
+++++
+++++
+
Fuerza + + + +
Metal
+ Catión
+++++
+++++
+++++
+++++
Metal deformado
Electrón de valencia
La facilidad que tiene un sólido metálico
para deformarse se debe a las características del enlace metálico.
El símbolo químico de un metal sirve para identificarlo, pero también muestra un átomo de dicho elemento químico. A nivel macroscópico, y debido al enlace metálico, un metal, como el hierro, está
formado por un conjunto muy elevado de átomos de hierro. El símbolo Fe muestra que se dispone de un conjunto de átomos del mismo elemento químico unidos mediante un enlace metálico en una
estructura sólida cristalina.
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Unidad 4
5. Enlace covalente
Hay muchas sustancias que se comportan como el aceite o el azúcar
frente a la conducción eléctrica. Además, estas sustancias tienen
propiedades diferentes de las de los compuestos iónicos o los metales, lo que hace pensar que su explicación no sea posible mediante un
mecanismo de transferencia de electrones, como en el enlace iónico,
o por la existencia de una nube electrónica deslocalizada, como en el
enlace metálico.
Lewis explica que en compuestos químicos moleculares, como el agua,
H2O, en moléculas poliatómicas de elementos químicos, como el dihidrógeno, H2, y en sólidos covalentes reticulares como el diamante, C, y el
cuarzo, SiO2, el enlace químico que se establece es el enlace covalente.
El enlace covalente ocurre por compartición de pares de electrones
entre los átomos que se unen, para alcanzar así la configuración
estable de gas noble.
Tipo de enlace y posición
en la tabla periódica
La colocación de los elementos
en la tabla periódica suministra
información muy valiosa sobre el
enlace que se puede esperar de
la combinación de sus átomos.
Así, los compuestos químicos que
se formen entre calcógenos y halógenos con alcalinos y alcalinotérreos son básicamente de carácter iónico, mientras los que
forman entre sí calcógenos y
halógenos son covalentes.
Así, el átomo de hidrógeno tiene un único electrón en su capa de valencia y se puede unir a otro átomo de H y, solo a uno, para formar la
molécula diatómica dihidrógeno:
H. + .H → H:H
Las uniones del hidrógeno
que se indica como:
H. + .H → H–H
Es evidente que siendo totalmente iguales los dos átomos de hidrógeno no puede suponerse que uno de ellos arranque su electrón al
otro para conseguir la configuración electrónica del gas noble más
próximo (He). Es más lógico pensar que ambos átomos comparten un
electrón, actuando el par de electrones, aportado por los átomos de
H y representado por : o - como nexo de unión entre ellos, para así
conseguir la estructura electrónica de gas noble.
En el caso del gas dicloro, Cl2, se forma una molécula de dicho gas por
la unión de dos átomos de cloro. Cada átomo de cloro tiene siete
electrones de valencia y la estructura de gas noble se alcanza por
compartición de un par de electrones, uno de cada átomo de cloro
que se enlaza.
Enlace
covalente
El elemento químico hidrógeno
origina compuestos iónicos cuando se enlaza con alcalinos y alcalinotérreos, y compuestos covalentes cuando se une con los
elementos químicos de la derecha de la tabla periódica, como
calcógenos o halógenos.
H
H
Electrones de valencia
Representación del enlace covalente en la
molécula de dihidrógeno a través de sus
electrones de valencia.
+
Cl
Cl
El HCl
Cl – Cl
En la unión entre el Cl y el H para formar cloruro de hidrógeno, como el
cloro tiene siete electrones de valencia y el hidrógeno uno, tiene lugar:
:
:
:
:
:
:
H . + . Cl : → H : Cl : que se indica como H – Cl :
La fórmula HCl es la del cloruro
de hidrógeno, aunque dicha fórmula designa también al ácido
clorhídrico, que no es más que
una disolución acuosa del cloruro de hidrógeno.
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Moléculas y cristales
5.1. Sustancias covalentes moleculares
Una molécula está formada por la unión de un número limitado de
átomos y es la unidad material más pequeña que sirve para identificar
a las sustancias covalentes moleculares. Existen:
■
Moléculas heteroatómicas de compuestos químicos, como en el
caso del agua, H2O, o del amoníaco, NH3, que están formadas por
átomos distintos.
En la unión entre el O y el H para formar H2O, como el oxígeno tiene
seis electrones de valencia y el hidrógeno uno, el átomo de oxígeno forma un enlace covalente con cada uno de los dos átomos de
hidrógeno.
Nota
El referente último de los elementos químicos es siempre el
átomo; el de las sustancias covalentes moleculares, la molécula,
y el de los compuestos iónicos,
la relación estequiométrica entre los aniones y cationes que
forman el compuesto iónico.
■
:
:
:
:
:
:
H . + . O . + . H → H : O : H que se indica como H – O – H
Moléculas homoatómicas de elementos químicos, como el hidrógeno, H2, o el cloro, Cl2, que están formadas por átomos iguales.
En las moléculas puede haber más de un enlace covalente entre
dos átomos. Así, en la molécula de dioxígeno, O2, el número de pares de electrones compartidos es dos y se dice que existe un doble
enlace covalente entre los dos átomos de oxígeno:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
. O . + . O . → O : : O que se indica como O = O
En la molécula de dinitrógeno, N2, como el átomo de nitrógeno tiene cinco electrones de valencia, hace falta compartir tres pares de
electrones para alcanzar la configuración electrónica estable de
gas noble y se dice que existe un triple enlace covalente entre los
dos átomos de nitrógeno:
H – Cl
Cloruro de hidrógeno
:
:
:
:
.
:
:
.
. N . + . N . → N ... ... N que se indica como N ≡ N
N
Los pares de electrones que no intervienen en la formación de enlaces
covalentes se llaman no enlazantes.
El enlace covalente explica la forma que tienen las moléculas por el
carácter dirigido que tienen los enlaces al admitir que los pares electrónicos enlazantes y no enlazantes se repelen electrostáticamente,
que la forma geométrica que se alcanza es la más estable posible y
que las repulsiones electrostáticas son mínimas.
H
Amoníaco
H
O
Así, la molécula de HCl tiene una forma lineal.
La molécula de H2O es angular con el átomo de oxígeno en el vértice
de un ángulo formado con los dos átomos de hidrógeno.
La molécula de NH3 es piramidal, puesto que los tres átomos de hidrógeno se sitúan en los tres vértices de la base y en el otro vértice
se sitúa el átomo de nitrógeno.
H
Agua
H
La forma tetraédrica de la molécula de metano, CH4 , se justifica por
la repulsión entre los cuatro pares de electrones enlazantes con los
que cada átomo de C está unido a los cuatro átomos de H.
En las últimas décadas, los químicos han desarrollado métodos muy
complejos que emplean complejos cálculos que deben ser realizados
por potentes ordenadores. Estos métodos permite a los químicos conocer la estructura de moléculas covalentes con cientos o miles de átomos.
H
H
C
Metano
H
H
H
Distintas formas geométricas de algunas
moléculas.
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Unidad 4
5.2. Carácter iónico del enlace covalente
En las moléculas de H2 o de N2, el par o pares de electrones compartidos son atraídos con igual intensidad por sus dos núcleos al ser átomos idénticos y el enlace de estas moléculas se llama enlace covalente apolar.
En moléculas formadas por átomos distintos, uno de los núcleos atrae
a los electrones de enlace con más fuerza que el otro, lo que implica
que el par o los pares de electrones compartidos se sitúan, en su movimiento, más cerca del núcleo del átomo que más los atrae.
En estas moléculas, el enlace covalente tiene cierto carácter iónico
o polar, como ocurre en el HF y en el H2O, en donde los pares de
electrones de enlace se sitúan más cerca de los núcleos de los átomos
de F o de O que de los de H. Esto origina una especie de acumulación
de carga negativa y positiva entre los átomos enlazados que constituye el enlace covalente polar.
El yodo sólido está formado por moléculas
de I2 y es una sustancia no polar o apolar.
El enlace iónico se puede explicar como un caso extremo del enlace
covalente polar si el desplazamiento de los pares de electrones compartidos hacia uno de los núcleos es tan grande que da origen a que
se rompa la compartición de electrones y los átomos de la molécula
se conviertan en iones.
Los enlaces del cloro en Cl2, HCl y NaCl muestan la gradación de la
polaridad entre un enlace covalente apolar (no polar) y otro iónico puro.
+
–
Enlace
covalente puro o polar
:
H : Cl :
+
Moléculas polares
Na+Cl–
:
:
:
:
:
: Cl : Cl :
–
Enlace
covalente polar
+
–
Enlace
iónico
Las moléculas cuyos enlaces
tienen cierto carácter iónico se
llaman polares porque en ellas
se forma un dipolo con una zona
donde se acumula cierta carga
positiva y otra donde hay acumulación de carga negativa.
5.3. Propiedades de las sustancias covalentes moleculares
Las principales propiedades de estas moléculas son las siguientes:
■
Las sustancias covalentes moleculares se encuentran a menudo,
a temperatura y presión ordinaria en forma de gases. En el caso de
ser sólidos, como el yodo, tienen temperaturas de fusión y ebullición mucho más bajas que las de los sólidos iónicos.
La interacción entre moléculas covalentes distintas con base en fuerzas intermoleculares (entre moléculas distintas) es más débil que la
fuerza intramolecular existente en una misma molécula. Igualmente,
la fuerza intermolecular es más débil que la fuerza electrostática entre los iones de los compuestos iónicos y ello explica las bajas temperaturas de fusión y ebullición de los sólidos covalentes moleculares,
lo que garantiza que, a menudo, estas sustancias se encuentren en
estado gaseoso a temperatura y presión ordinarias.
■
Ninguna sustancia covalente conduce la corriente eléctrica en estado sólido, líquido o gaseoso.
Las sustancias covalentes no son conductoras de la electricidad, pues
para que puedan conducir la electricidad debería existir cierta libertad
de los electrones y esta no existe en las sustancias covalentes cuyos
electrones de enlace están localizados y carecen de libertad de movimiento.
Temperaturas de fusión de
algunos sólidos covalentes:
Sustancia
CCl4
Fósforo
Yodo sólido
Cuarzo
Tfusión (°C)
–22,8
44,2
114
1 700
100
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Moléculas y cristales
■
Las sustancias covalentes moleculares apolares se disuelven en
disolventes poco polares, como el alcohol, o en disolventes no polares, como el benceno o el tetracloruro de carbono. Por el contrario, las sustancias covalentes polares se disuelven en disolventes
polares, como el agua.
La disolución en un disolvente se explica por el hecho de que las moléculas del disolvente se deben interponer entre las partículas de la
sustancia por disolver (soluto), lo que produce la separación de estas
y, por tanto, su disolución.
Para que el proceso de disolución tenga lugar, las fuerzas atractivas
que se deben establecer entre el soluto y el disolvente deben ser del
mismo orden. Por tanto, los solutos no polares se disuelven en disolventes no polares y los solutos polares se disuelven en disolventes
polares.
Ionización
Otro ejemplo de compuesto covalente que se ioniza en agua es
el ácido sulfúrico.
El H2SO4 se ioniza en el agua de
acuerdo con la siguiente ecuación de ionización:
H2SO4 → 2 H + + SO42-
Así, la acetona (soluto covalente no polar) se disuelve en tetracloruro de carbono (disolvente covalente no polar), mientras que el cloruro de hidrógeno HCl, que es un compuesto covalente de naturaleza
polar, se disuelve en el agua, que es un disolvente de naturaleza también polar.
La disolución acuosa del cloruro de hidrógeno es un electrólito, ya
que en el proceso de disolución se rompe el enlace covalente entre
el hidrógeno y el cloro y se forman los iones H + y Cl - .
La formación de iones a partir de una sustancia covalente se denomina ionización y la ecuación que la representa se llama ecuación de
ionización:
HCl → H + + Cl -
Diamante
Estructura tetraédrica del diamante. La
temperatura de fusión del diamante es
3 527 °C.
5.4. Sólidos covalentes reticulares
Los sólidos covalentes cristalinos, como el diamante, C, o el cuarzo,
SiO2, constan de átomos que se mantienen unidos por enlaces covalentes y originan una red cristalina tridimensional.
Así, el átomo de carbono tiene cuatro electrones de valencia y le faltan otros cuatro electrones para adquirir la estructura de gas noble y
los puede conseguir compartiendo cada uno de estos electrones con
otros cuatro átomos de carbono. En esta estructura, cada átomo de
carbono puede formar, a su vez, enlaces covalentes con otros cuatro
átomos de carbono, lo que origina una red cristalina compacta, como
ocurre en el diamante. El diamante es carbono y es un sólido covalente reticular.
En el cuarzo, SiO2, se forman estructuras tridimensionales en las que
cada átomo de silicio se une covalentemente con cuatro átomos de
oxígeno y cada átomo de oxígeno está unido a dos átomos de silicio,
lo que forma una estructura tridimensional de enlaces Si-O-Si que
origina un cristal muy compacto.
La fórmula SiO2 no muestra la existencia aislada de una molécula de
cuarzo, sino que proporciona la relación estequiométrica entre sus
átomos enlazados, en este caso 1 : 2, al haber un átomo de silicio por
cada dos de oxígeno.
Los sólidos covalentes reticulares presentan una gran dureza y altas
temperaturas de fusión y de ebullición por las estructuras tan compactas que forman. Además, resultan prácticamente insolubles y no
son conductores del calor ni de la electricidad.
Oxígeno
Silicio
Cristal de cuarzo y su estructura cristalina
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Unidad 4
6. Alotropía
Alotropía es la propiedad que presentan algunos elementos químicos de formar estructuras químicas diferentes con propiedades
diferentes, que se llaman formas o variedades alotrópicas.
Estructura del grafito
Así, el oxígeno puede existir en la naturaleza como oxígeno atmosférico (O2) y como ozono (O3), que genera el olor penetrante distintivo en
la lluvia de las tormentas. El fósforo se manifiesta como fósforo rojo y
como fósforo blanco, ambos con formas tetraédricas (P4), y como fósforo negro, semejante al grafito, de características físicas distintas.
Igualmente, el carbono tiene las siguientes variedades alotrópicas:
■
■
■
Diamante: Se presenta en la naturaleza en forma de cristales covalentes reticulares tetraédricos transparentes muy compactos,
lo que hace que el diamante sea muy duro y después de ser tallado
presente formas muy vistosas.
Grafito: Es una variedad negra, brillante, blanda y untuosa al tacto
donde los átomos de carbono están dispuestos en capas superpuestas covalentes que ocupan los vértices de hexágonos regulares imaginarios. De este modo, cada átomo está unido a tres de la
misma capa con más intensidad y a uno de la capa próxima de manera más débil. Dichas capas se adhieren levemente, lo que explica
la blandura y la untuosidad al tacto del grafito.
Grafeno: Tiene un patrón regular hexagonal plano, como un panal
de abeja, con átomos de carbono enlazados covalentemente.
El grafeno es un material extremadamente duro, muy flexible y
elástico, muy ligero, transparente y conductor eléctrico. Esta combinación de propiedades es la causa de que el grafeno sea considerado un material que permitirá grandes aplicaciones en el futuro.
La mina de grafito de un lápiz forma el trazo al escribir porque, al
desplazarse sobre el papel, se adhiere a este una delgada capa de
grafito. Esto significa que el grafito se exfolia fácilmente, lo que
se comprueba observando su estructura.
La explicación de las diferencias de propiedades de las distintas formas alotrópicas se halla en la diferente disposición espacial de los
átomos en cada variedad alotrópica.
Además, el carbono se presenta en la naturaleza como carbón, que
tiene una estructura amorfa, es decir, no cristalina, y, por tanto, no
existe orden estructural alguno. Hay distintos tipos de carbones, que
se clasifican según sea su contenido en carbono. Así, de menor a mayor contenido en carbono existen turba, lignito, hulla y antracita.
La turba tiene un alto grado de humedad y un contenido en carbono del
50-60 %, que es superior al contenido de carbono de la madera y de
los restos vegetales de la que procede. El lignito es un carbón de mala
calidad y tiene un contenido en carbono del orden del 70 %. Existe una
hulla bituminosa con un contenido en carbono del 75 % y una hulla
semibituminosa con un 85 %. La antracita tiene un 90 % de carbono.
Representación de la estructura del grafeno. El grafeno es muy ligero, de forma
que una lámina de 1 m2 tiene una masa de
solo 0,77 mg.
Actividades y tareas
2. Busca información en Internet, en libros de tu casa, de tu centro educativo o de una biblioteca y responde: ¿Para qué se utiliza el carbón actualmente? ¿Cómo se obtiene? ¿En qué lugares
de España todavía se extrae carbón? ¿Qué tipo de carbón se extrae? ¿Es un sector de futuro?
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Moléculas y cristales
7. Masa molecular y masa fórmula
Masa molecular es la masa de una molécula de una sustancia.
La fórmula de la molécula de la sustancia permite hallar la masa molecular mediante la suma de los productos de las masas atómicas de
los elementos químicos que forman la sustancia multiplicadas por los
subíndices de cada elemento químico en la fórmula.
Utilizando para las masas atómicas sus valores obtenidos de la tabla
periódica y expresados en la unidad de masa atómica, u, se puede
hallar fácilmente la masa molecular de una sustancia. Así, si la masa
atómica del H es 1 u y la del O es 16 u, resulta que la masa molecular del
dioxígeno, O2, es: 2 ⋅ 16 u = 32 u y la del agua, H2O: 2 ⋅ 1 u + 1 ⋅ 16 u = 18 u.
En el caso de una sustancia que no esté representada por moléculas
como un sólido iónico o un sólido covalente reticular no se puede
emplear el término masa molecular y se debe usar el concepto masa
fórmula.
Masa fórmula de una sustancia representada por su fórmula es
igual a la suma de los productos de las masas atómicas de los elementos químicos multiplicada por los subíndices de cada elemento
químico en la fórmula.
Así, la masa atómica del Na es 23 u; la del Cl, 35,5 u, y la del Si, 28 u.
La masa fórmula del cloruro de sodio, NaCl es: 1 ⋅ 23 u + 1 ⋅ 35,5 u = 58,5
u y la del cuarzo, SiO2: 1 ⋅ 28 u + 2 ⋅ 16 u = 60 u. El NaCl es un compuesto químico iónico y el SiO2 es un sólido covalente cristalino, y sus
fórmulas representan la relación estequiométrica de sus elementos
químicos.
Como lo que caracteriza a un compuesto químico es su fórmula, se
puede hallar la composición centesimal de los elementos químicos,
es decir, el tanto por ciento de la masa correspondiente a cada uno
de los elementos químicos que forman un compuesto químico, de la
forma:
% de X =
n ⋅ AX
M
⋅ 100
n es el subíndice del elemento químico X de masa atómica A X en la
fórmula del compuesto químico, cuya masa fórmula o molecular
es M.
Masa fórmula
y masa molecular
En la comunidad científica de
lengua española no se suele diferenciar la masa fórmula de la
masa molecular, lo cual es un
error, pues representan conceptos científicos distintos, algo que
no se hace en la lengua inglesa,
que distingue entre los conceptos de formula mass y molecular
mass y no comete el error de llamar masa molecular a la masa
fórmula de un compuesto iónico
como el NaCl.
Masa molecular y
masa fórmula relativa, Mr
Si se divide la masa molecular y
la masa fórmula entre la unidad
de masa atómica se convierten
en masa molecular relativa y
masa fórmula relativa, al indicar el número de veces que dichas masas son mayores que la
unidad de masa atómica y son
un número sin unidades.
Por ejemplo, en el caso del agua
se cumple que:
Mr del H2O = 18 u / 1 u = 18
Ejercicios y actividades resueltos
Calcula la composición centesimal del compuesto químico covalente amoníaco, de fórmula NH3.
La masa atómica del nitrógeno es 14 u y la del hidrógeno, 1 u, por lo que la masa molecular del
amoníaco es igual a:
M = 1 ⋅ 14 u + 3 ⋅ 1 u = 17 u. A continuación se calcula el porcentaje de nitrógeno e hidrógeno de la
siguiente forma:
% de N =
1 ⋅ 4 u del N
3 ⋅ 1 u del H
⋅ 100 = 82,4 % y % de H =
⋅ 100 = 17,6 %
17 u del NH3
17 u del NH3
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Unidad 4
8. Compuestos químicos
de especial interés
Para responder a la pregunta de cuáles son los compuestos químicos
de especial interés, hay que especificar el criterio de clasificación,
donde el más importante es la división en compuestos químicos inorgánicos y orgánicos:
a) Industriales.
b) Tecnológicas.
c) Biomédicas.
a) Por sus aplicaciones industriales
Existe una gran diversidad de compuestos químicos de interés industrial, entre los que destacan todos aquellos que son necesarios como
materias primas para la obtención de otros productos químicos de
aplicación tecnológica. Entre ellos se pueden citar los siguientes:
■
■
■
■
: O:
x x
x
x
:
H . O . S. O :
: O:
.
H
x
x
:
Desde el punto de vista actual, se puede hacer un estudio de cuáles
son los compuestos químicos que presentan especial interés por sus
aplicaciones:
Representación de la molécula de ácido
nítrico (HNO3).
:
Los compuestos químicos orgánicos participa de forma principal
el elemento químico carbono y se encuentran de forma natural
en los organismos vivos, tanto en animales como en vegetales.
Entre ellos se encuentran los hidrocarburos, los alcoholes o las
proteínas.
:
■
Los compuestos químicos inorgánicos proceden del mundo mineral y están formados por los hidruros, las sales binarias, los óxidos,
los hidróxidos, los oxoácidos y las oxisales.
:
■
Estructura de la molécula de ácido sulfúrico.
Con objeto de observar la procedencia de
los electrones de valencia, se representan
estos como distintos (aunque no lo son).
Así, los del oxígeno se muestran mediante
puntos negros; los del azufre, con aspas, y
los del hidrógeno mediante un cuadradito.
Acido nítrico, HNO 3 : es un ácido muy corrosivo, que en contacto
con la piel produce quemaduras dolorosas y diluido mancha las
manos de amarillo por su acción en las proteínas. Dicho ácido se
utiliza en la fabricación de abonos y es un reactivo necesario en la
elaboración de colorantes, plásticos, explosivos y derivados de
droguería.
Ácido sulfúrico, H2SO4 : es el ácido más empleado en la industria
química. Es un reactivo en la preparación de muchos productos,
como ácido clorhídrico, sulfatos, carbonatos, en el refino del petróleo y en la elaboración de colorantes, medicinas, pinturas, plásticos, fibras textiles y abonos.
Hipoclorito de sodio, NaClO: su disolución acuosa se conoce con
el nombre de lejía. Se usa como desinfectante del agua de las piscinas y como agente para potabilizar el agua de consumo humano.
También es un potente agente decolorante o blanqueador en la industria textil.
Bicarbonato de sodio, NaHCO3: es un compuesto sólido cristalino
de color blanco muy soluble en agua. Cuando se expone a un ácido
moderadamente fuerte, se descompone en dióxido de carbono y
agua, por lo que se usa por su capacidad de liberar dióxido de carbono como aditivo en panadería y en la producción de gaseosas.
Además, es el componente fundamental de los polvos extintores
de incendios.
Estructura del ion hipoclorito y el catión
sodio que muestra los tres pares de electrones del cloro que no se enlazan.
Estructura del ion bicarbonato y el catión
sodio que representa los enlaces covalentes mediante guiones.
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Moléculas y cristales
b) Por sus aplicaciones tecnológicas
Los compuestos químicos de uso tecnológico en un principio se utilizaban tal como se hallaban en la naturaleza o se transformaban, como
al fabricar papel a partir de celulosa. En el siglo xx se asiste a la creación de materiales artificiales mediante el desarrollo de la industria
química, que permitió la obtención de formas de materia con base en
compuestos químicos que nunca antes habían existido, como por
ejemplo las fibras sintéticas. Y en el siglo xxi se está persiguiendo la
obtención y manipulación de sustancias en el campo atómico mediante la tecnología de la nanotecnología.
Los compuestos químicos de mayor interés tecnológico son:
■
■
■
Los polímeros o plásticos de vanguardia, como las resinas para
membranas de desalación de agua de mar, las futuras membranas
para células de combustibles de hidrógeno, los polímeros utilizados para la fabricación de pantallas de cristal líquido o la existencia de nuevos polímeros con propiedades eléctricas para su uso,
como electrodos en baterías recargables o en ventanas inteligentes que controlan la intensidad de la luz que penetra en un espacio
cerrado.
Una importante aplicación de los nuevos
materiales cerámicos son las losetas, que
se han usado en los transbordadores espaciales para proteger térmicamente la
estructura interna de aluminio del transbordador durante el lanzamiento y la reentrada en la atmósfera terrestre.
Los materiales cerámicos avanzados, que reducen o eliminan la
fragilidad y hacen que los nuevos materiales cerámicos compitan
con metales y polímeros. Así, la incorporación a una matriz cerámica de partículas de óxido de circonio disminuye drásticamente
la fragilidad. Otros materiales cerámicos basados en carburos, boruros o nitruros de silicio hacen que el conjunto posea una elevada
elasticidad y elevada dureza.
Nuevos materiales compuestos sobre la base de una matriz a la
que se añade un refuerzo. Así, sobre una matriz, que puede ser una
resina de un polímero epoxi, se añade un agente reforzante como
fibra de carbono y se origina un material ligero y de propiedades
mecánicas excelentes.
c) Por sus aplicaciones biomédicas
La industria farmacéutica produce y elabora un enorme abanico de
compuestos químicos para su uso en medicina. La mayoría de ellos
son compuestos químicos orgánicos, aunque hay también algunos de
origen inorgánico, como el cisplatino o cis-diaminodicloroplatino(II),
que es un medicamento basado en el platino y se ha usado en quimioterapia para el tratamiento de varios tipos de cáncer. Fue el primer
miembro de una familia de medicamentos contra el cáncer que, en la
actualidad, incluye a otros derivados del platino, que reaccionan in
vivo uniéndose al ADN celular y causando la apoptosis de la célula
(muerte celular programada).
Fórmula del cisplatino y modelo de bolas
de este.
Actividades y tareas
3. Explica si el bicarbonato de sodio y el hipoclorito de sodio son compuestos químicos iónicos
o covalentes.
4. Escribe las ecuaciones de disociación o ionización del ácido nítrico, del hipoclorito de sodio y
del bicarbonato de sodio.
5. Busca información complementaria e indica qué se entiende por polímero.
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PRÁCTICA DE LABORATORIO
Unidad 4
Estudio del tipo de enlace químico en algunas
sustancias puras
Objetivos
Deducir el tipo de enlace químico de algunas sustancias a partir de
algunas de sus propiedades.
MATERIALES
■
Desarrollo
1. Medidas de seguridad: el hidróxido de sodio o sosa caústica
es una sustancia que puede producir irritaciones si su concentración es alta, por lo que se debe evitar el contacto con la
piel. El alcohol etílico es una sustancia inflamable, es decir,
arde con mucha facilidad, por lo que se debe tener la precaución de no encender fuego cerca ni de acercarlo a una fuente
de calor.
2. Ensayos: para cada una de las sustancias se debe recoger la
información procedente de las siguientes propiedades:
■
Pila de petaca, bombilla, cables de
conexión, electrodos de cobre,
vaso de precipitados y tubos de
ensayo.
Agua destilada y las sustancias por
estudiar: alcohol etílico, hidróxido
de sodio, tetracloruro de carbono,
cuarzo, cobre y sulfato de bario.
EPI:
■
Bata de laboratorio.
■
Gafas de seguridad.
■
Guantes de protección térmica.
a) Estado físico a temperatura ambiente, por observación.
b) Conductividad eléctrica en estado sólido o líquido, a partir de
la observación de la conductividad de la sustancia colocada en
un circuito con una pila y una bombilla en serie, en donde los
electrodos deben tocar dos puntos distintos del sólido o sumergirse en la sustancia líquida. Si se enciende la bombilla es porque
existe conductividad eléctrica.
c) Solubilidad en agua. Se deben utilizar tubos de ensayo en los
que se colocan pequeñas cantidades de sustancia y la mitad de
su capacidad con agua destilada. Los tubos de ensayo deben
taparse antes de agitarse para evitar salpicaduras. No se debe
tirar la disolución formada, ya que hay que utilizarla posteriormente para las medidas de conductividad en disolución.
d) Conductividad eléctrica en disolución. Se coloca una cantidad
de la disolución preparada anteriormente en un vaso de precipitados y se introducen en este los electrodos, procurando que
ambos no entren en contacto.
Frasco con alcohol etílico.
3. Recogida de la información: con los datos obtenidos se debe
completar la siguiente tabla:
Propiedad
TetraSulfato
Alcohol Hidróxido
cloruro de Cuarzo Cobre
de
etílico de sodio
carbono
bario
Estado físico
Conductividad
en estado
sólido o líquido
Solubilidad en
agua
Conductividad
en disolución
Lentejas de hidróxido de sodio.
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Moléculas y cristales
4. Presentación de los resultados:
Los resultados obtenidos son los siguientes:
Propiedad
Alcohol Hidróxido Tetraetílico de sodio cloruro de
carbono
Cuarzo
Cobre
Sulfato
de bario
Estado físico
Líquido
Sólido
Líquido
Sólido
Sólido
Sólido
Conductividad en
estado sólido o
líquido
No
No
No
No
Sí
No
Solubilidad en agua Sí
Sí
No
No
No
Poca
Conductividad en
disolución
Sí
No
No
No
Sí
procede
No
5. Análisis de los resultados
Montaje para mostrar la conductividad eléctrica de un sólido.
Teniendo en cuenta los datos obtenidos, se pueden clasificar
las sustancias estudiadas en iónicas, covalentes o metálicas.
La conductividad eléctrica es una propiedad que discrimina y sirve para averiguar si una sustancia es un compuesto iónico, un metal o una sustancia covalente, pues los metales conducen la
electricidad en estado sólido, los compuestos iónicos lo hacen
disueltos y las sustancias covalentes no conducen la electricidad,
por lo que resulta que el hidróxido de sodio y el sulfato de bario
son compuestos iónicos, el cobre es un metal y el alcohol etílico,
el cuarzo y el tetracloruro de carbono son compuestos covalentes.
Cables conductores
Al realizar la práctica para
mostrar la conductividad eléctrica, los cables de conducción
que se utilicen deben estar
perfectamentre limpios y raspados.
Las demás propiedades, como el estado físico y la solubilidad
en agua, sirven para apoyar la afirmación anterior y deducir otras
características de las sustancias estudiadas. Así, aunque el hidróxido de sodio y el sulfato de bario son sólidos iónicos, la solubilidad en agua de esta última sal es mucho menor que la de
la primera.
En relación con los compuestos covalentes, se deduce que el
cuarzo es un sólido covalente reticular, pues es estable a temperatura ambiente y si se calienta no sublima como el yodo; en
cuanto a los dos líquidos, la solubilidad en agua muestra que el
tetracloruro de carbono es un compuesto covalente no polar y
el alcohol etílico es un compuesto covalente polar.
Montaje para mostrar la conductividad eléctrica de una sustancia disuelta.
Actividades y tareas
6. Escribe las fórmulas del hidróxido sódico, del tetracloruro de carbono, del cuarzo, del
cobre y del sulfato de bario.
7. ¿Por qué se utiliza agua destilada en vez de agua del grifo para la realización de los ensayos de conductividad en disolución?
8. Da una razón que explique por qué no se han realizado pruebas para comprobar las
temperaturas de fusión y ebullición de las sustancias puras empleadas en el laboratorio.
9. Busca información complementaria en Internet y haz un resumen sobre las fichas de
seguridad del tetracloruro de carbono, el ácido sulfúrico y el ácido nítrico.
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EJERCICIOS, ACTIVIDADES Y TAREAS DE RECAPITULACIÓN
La unión entre átomos
1. Consulta una tabla periódica e indica el número
de electrones de la corteza de los átomos del flúor,
sodio, argón y oxígeno.
10. A partir de los elementos químicos señalados en la
tabla periódica adjunta, indica cómo serán: a) Los enlaces en los compuestos químicos formados entre H
y C; Mg y F; y Br y O. b) Las fórmulas químicas de dichos
compuestos químicos.
1
2. ¿Qué diferencia hay entre Cl2 y 2 Cl?
3. ¿Por qué la fórmula química del sulfuro de dihidrógeno es H2S y no HS?
4. ¿Por qué la fórmula química del cloruro de hidrógeno es HCl y no H2Cl?
Unidad 4
1.º
2
13
15
16
17
18
H
2.º
3.º
14
C
O
F
Mg
4.º
Br
5.º
Enlace químico
6.º
7.º
Enlace iónico
11. Un elemento químico X tiene cinco electrones de
valencia y se combina con otro elemento Y para formar
un compuesto iónico de fórmula YX3. a) Escribe los
iones de dicho compuesto. b) Representa las ecuaciones de los procesos que tienen lugar en los átomos X
e Y hasta formar sus respectivos iones.
12. ¿Qué compuesto químico de los dos siguientes,
NaF y Fe2S3, tiene un mayor carácter iónico? Explica la
formación de los iones en cada caso.
13. ¿Cómo se forma el compuesto iónico entre el sodio
y el azufre sabiendo que está formado por iones Na + y
aniones S2-?
5. Indica cuál o cuáles de las siguientes afirmaciones
son ciertas y razona la respuesta:
a) Solo existen cristales de sustancias iónicas. b)
Los compuestos covalentes no tienen elevadas temperaturas de fusión. c) Los metales conducen la
corriente eléctrica en estado sólido. d) Los sólidos
moleculares son sustancias simples.
6. Establece las relaciones correctas entre las dos
filas siguientes:
■
Ganar electrones
■
Compartir electrones
■
Perder electrones
■
Electrones libres
■
Enlace metálico
■
Enlace covalente
■
Enlace iónico
14. Escribe las ecuaciones de disociación de los siguientes compuestos iónicos: a) BaO. b) MgF2. c) Ca3N2.
d) Sulfuro de potasio. e) Nitrato de calcio.
Enlace metálico
15. ¿Qué se entiende por modelo en el campo de la
ciencia?
16. ¿Sirve el modelo de burbujas para explicar todas
las propiedades metálicas?
17. ¿Por qué no se puede escribir en el lenguaje químico el acero mediante un símbolo químico o una fórmula química?
7. Atendiendo a la situación en la tabla periódica
de los elementos químicos Na, O, Cl y Ca, indica de
qué naturaleza, iónica o covalente, son los compuestos químicos siguientes, de fórmula Cl2O3, Na2O
y CaCl 2 .
8. Ordena los siguientes elementos químicos de mayor a menor carácter metálico: S, Li, Au y Si.
9. Explica, en términos de electrones, la formación
de los siguientes compues tos químicos: CaO, BaI 2
y K 2S.
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Moléculas y cristales
18. La unión en los metales por medio del enlace metálico es intensa. ¿Cómo se explica el que estos se
puedan deformar sin sufrir rotura?
Lámina
de metal
20. ¿Es cierto que los compuestos químicos covalentes
se representan mediante moléculas?
21. Justifica la formación de moléculas diatómicas de
flúor y de azufre.
22. El disulfuro de carbono está formado por dos elementos químicos no metálicos. a) ¿Qué tipo de enlace
hay entre ambos? b) ¿Es soluble este compuesto químico en agua? c) ¿Es conductor del calor?
23. Indica entre las siguientes sustancias Na 2 S, S 2 y
H 2 S, la gradación del carácter iónico de menor a
mayor.
Rodillos
Los metales son maleables.
24. ¿Por qué el tetracloruro de carbono es un compuesto covalente no polar si tiene cuatro enlaces covalentes C-Cl con una naturaleza polar?
Masa fórmula o molecular
y composición centesimal
25. Consulta la tabla periódica y determina la masa molecular o masa fórmula, según corresponda, del: a) Ácido nítrico. b) Ácido sulfúrico. c) Hipoclorito de sodio.
d) Bicarbonato de potasio.
26. Determina la composición centesimal del: a) Ácido
nítrico. b) Ácido sulfúrico. c) Hipoclorito de sodio. d) Bicarbonato de potasio.
27. Si la composición centesimal del cloro en el HCl es
97,27 %, halla las masas atómicas del cloro y del hidrógeno sin consultar la tabla periódica.
Los metales se deforman sin romperse.
Enlace covalente
19. Escribe los diagramas de Lewis de las moléculas
de cloruro de hidrógeno, amoníaco, metano y tricloruro de fósforo.
Determinación del
tipo de enlace químico
28. Una sustancia pura presenta las siguientes propiedades: a) Aspecto formado por cristales incoloros.
b) Temperatura de fusión: 808 °C. c) Temperatura de
ebullición: 1 465 °C. d) Soluble en agua. e) Conduce la
corriente eléctrica en disolución. ¿Qué tipo de enlace
es previsible que exista en esta sustancia?
29. El H2S es un gas a temperatura ambiente, mientras
que en las mismas condiciones el Na2S es un sólido.
a) Justifícalo. b) Indica lo que representan dichas fórmulas químicas.
30. Según su posición en la tabla periódica, predice qué
tipo de compuesto químico se formará entre los siguientes elementos químicos y escribe su fórmula
química: a) Bromo con potasio. b) Azufre con calcio.
d) Silicio con oxígeno.
Modelo de bolas de la molécula de metano.
31. El elemento químico X tiene seis electrones de valencia y el elemento químico Y solo tiene un electrón
de valencia. Justifica la fórmula del compuesto químico formado entre X e Y suponiendo que es: a) Un
compuesto químico covalente. b) Un compuesto químico iónico.
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DESAFÍO PISA
Unidad 4
El grafeno, también en España
El área de Física del Estado Sólido fue la galardonada en 2010 con el Premio Nobel de
Física. Los investigadores Andre Geim y
Konstatin Novoselov recibieron el Premio
Nobel de Física 2010 por la obtención del
grafeno. La decisión de la Real Academia
Sueca ha roto la tendencia de años anteriores de premiar a investigadores cuyos trabajos merecedores del galardón fueron realizados con bastante anterioridad optando por
galardonar un descubrimiento que ocurrió
hace tan solo seis años.
Esta distinción temprana permite hacer un análisis del grado de dinamismo que poseen sistemas
de ciencia y tecnología jóvenes como el español. Ocurre a menudo que la actividad de nuestros
investigadores no estaba próxima a un descubrimiento que ha sido merecedor de un Premio
Nobel simplemente porque ocurrió en tiempos donde nuestro sistema no estaba suficientemente maduro. Evidentemente, esto no puede ser una excusa en el caso del grafeno. Las preguntas
son, por tanto: ¿se realiza investigación en España relevante en este ámbito? ¿Se han financiado proyectos de investigación sobre el grafeno? ¿Ha permitido nuestra política científica que
nuestros investigadores hayan podido trabajar en este ámbito y hayan hecho contribuciones
relevantes? Respuestas negativas a estas preguntas podrían poner en cuestión nuestro sistema
de I+D.
Afortunadamente es posible afirmar que en este caso no hemos perdido el tren e incluso que algunos de nuestros grupos de investigación van cómodamente sentados en la locomotora. Hoy día
cualquier investigador español tiene acceso a las bases de datos internacionales de publicaciones
científicas y puede comprobar que investigadores españoles con afiliación a centros de investigación españoles figuran como coautores en al menos seis publicaciones científicas sobre el grafeno que también firman Geim y Novoselov. Es más, uno de nuestros investigadores, Francisco Guinea, profesor de investigación del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del Consejo
Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), y coautor de las publicaciones mencionadas, es
reconocido como el segundo autor más prolífico del mundo en el ámbito de la investigación del
grafeno.
Además, es importante destacar que el profesor Guinea y sus colaboradores, María Ángeles
Hernández Vozmediano y José González Carmona, investigadores del CSIC, realizaron trabajos
pioneros en la última década del siglo xx que han servido de fundamento para los desarrollos
posteriores al descubrimiento premiado. Como no podía ser de otra manera, la investigación de
los grupos españoles ha estado financiada en parte por la convocatoria anual de proyectos de
investigación fundamental del Plan Nacional de I+D+i. Sesenta proyectos de investigación por
un total de ocho millones de euros han sido financiados durante estos años en el ámbito del
grafeno.
Estos hechos demuestran que tenemos investigadores en la cresta de la ola de la investigación y
que nuestro sistema de I+D está funcionando. España ha desarrollado unos procedimientos de
asignación de recursos dotados de rigor y transparencia que gozan de reconocimiento por parte
de la comunidad científica. El sistema está dando importantes frutos, como demuestra el ejemplo
descrito. ¿Cuál es la clave de este éxito? Muy sencillo: contar con la comunidad científica. Involucrar a los mejores investigadores en el desarrollo de las políticas científicas es esencial para
impulsar la mejor investigación.
Fuente: elpaís.com (19 de octubre de 2010) Tribuna de José Manuel Fernández de Labastida.
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Moléculas y cristales
Actividades
Tras la lectura del texto anterior, realiza las siguientes actividades:
Actividad 1: Indica cuál puede ser el propósito del
texto:
A: Concienciar sobre el respeto a la investigación
realizada en España.
B: Argumentar sobre las propiedades del grafeno.
C: Dar a conocer la investigación de base que se
realiza en España.
D: Difundir también el trabajo realizado por los galardonados con el premio Nobel de Física en
2010.
Actividad 2: Busca información complementaria y
explica lo que se entiende por el plan I+D+i.
Actividad 3: Busca información complementaria, incluyendo Internet, y explica por escrito qué es el
grafeno con tus conocimientos de física y química y de tecnología de los materiales.
Actividad 4: ¿Por qué existe un gran interés actual en la comunidad científica en desarrollar la investigación sobre el grafeno?
Actividad 5: En relación con la adjudicación del premio Nobel de Física de 2010, elabora en grupos de
tres alumnos un PowerPoint sobre el descubrimiento del grafeno. Dicho PowerPoint debe contener
una primera diapositiva con el título del trabajo desarrollado y debe incluir el nombre de los integrantes del trabajo realizado.
La presentación deberá contener como máximo seis diapositivas e incluirán a los galardonados con
el Premio Nobel de Física 2010, una breve biografía y el trabajo realizado por estos, las características
más importantes del grafeno y una breve reseña sobre los premios Nobel de Física.
El PowerPoint debe ser explicado oralmente por los componentes del trabajo y en su valoración se
tendrán en cuenta tanto los aspectos formales, la utilización de fotografías, títulos y subtítulos adecuados y el uso de animaciones en las transiciones entre las diapositivas, y en relación con el texto
utilizado hay que tener en cuenta que este debe ser comprensible a la luz de los conocimientos teóricos del nivel del curso de la clase.
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MI PROYECTO
Unidad 4
Los Años Internacionales de la Física y de la Química
Paso 7: La química contribuye al desarrollo
Analiza las cinco fotografías siguientes y con base en ello:
a) Explica lo que se muestra en cada una de las fotografías.
b) Justifica cuál es el papel de la química en el descubrimiento de nuevos materiales.
c) A partir de dichas fotografías, elabora una pequeña redacción de diez líneas y explica como la
química contribuye al desarrollo de la sociedad.
d) El amoníaco es una sustancia de gran interés en la química. Busca información en Internet sobre
sus propiedades, utilidades y ficha de seguridad.
Paso 8: Hay vida porque somos química
Busca información complementaria en la Red y explica:
a) La esperanza de vida durante el Imperio romano era tan solo de veinticinco años, frente a los más
de ochenta años actuales en las sociedades avanzadas. ¿Guarda este hecho alguna relación con
el desarrollo de la química?
b) Explica el significado de la frase «tienes vida porque eres química».
c) ¿Por qué a veces se usa un sentido peyorativo negativo para referirse a que algo tiene química?
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EVALÚATE
Moléculas y cristales
Autoevaluación
6. ¿Cuál de las siguientes sustancias tiene mayor temperatura de fusión?: a) LiF. b) BeO.
c) I 2 . d) HBr.
1. En la molécula de CCI4 : a) El enlace entre el
átomo de C y el de Cl es covalente polar. b) El
enlace entre el átomo de C y el de Cl es doble.
c) La geometría es plana. d) El enlace entre el
átomo de C y el Cl es sencillo.
7. Un sólido molecular: a) Tiene temperatura
de fusión baja. b) Forma enlaces covalentes. c) Cristaliza fácilmente. d) Tiene un
brillo metálico.
2. ¿Cuáles de las siguientes especies químicas
son conductoras de la electricidad?: a) Rb (s).
b) NaCI (s). c) I2 (s). d) KI (s).
8. Indica cuál de las proposiciones siguientes
es falsa: a) Los cationes son más pequeños
que los aniones. b) El sodio tiene una temperatura de fusión mayor que el magnesio. c) El
sodio metal se puede cortar con un cuchillo.
d) El CH 2Cl 2 tiene una estructura covalente
reticular.
3. De las siguientes afirmaciones, señala las que
son correctas: a) El CO 2 es más duro que el
SiO2 . b) El enlace H-F es polar. c) El PH 3 tiene
una temperatura de fusión superior al NH 3 .
d) Todos los metales son duros.
4. Indica cuál o cuáles de los siguientes sistemas
conducen la corriente eléctrica: a) Tetracloruro de carbono en agua. b) Cloruro de sodio añadido a un recipiente con benceno. c) Cloruro de
cinc fundido. d) Un trozo de diamante.
9. La composición centesimal del hidrógeno en
el H 2S es: a) 5,9. b) 94,1. c) 9,5. d) 49,1.
10. AB es un compuesto químico entre el metal
alcalino A y el halógeno B. Por tanto: a) B y A
son conductores de la corriente en estado fundido. b) A es conductor de la corriente eléctrica y AB lo es cuando está fundido. c) Los sólidos A y AB son conductores de la corriente
eléctrica. d) A no es conductor del calor.
5. Los elementos metálicos se caracterizan por:
a) Ser gases, b) Tomar fácilmente electrones
del oxígeno del aire. c) Ceder electrones cuando hay alguien que los acepta. d) Fundir a temperaturas muy altas.
Soluciones: 1. d - 2. a - 3. b - 4. c - 5. c - 6. a - 7. b - 8. d - 9. a - 10. b
Mis progresos
Unidad 4
Sobresaliente
¡Soy muy competente!
Bien
Soy competente,
pero puedo mejorar
Suficiente
Soy competente,
pero debo mejorar
Insuficiente
Me faltan competencias.
¡Debo esforzame mucho más!
¿Sé aplicar
lo aprendido?
Reconozco e identifico los enlaces iónico, metálico y covalente y los sé relacionar con las
propiedades de las distintas
sustancias puras.
Reconozco e identifico los enlaces iónico, metálico y covalente, y a veces los sé relacionar con las propiedades de las
distintas sustancias puras que
existen.
Tengo problemas para identificar los enlaces iónico, metálico y covalente y no he aprendido la relación del enlace
químico con las propiedades
de las sustancias puras.
No sé identificar ni distinguir los
enlaces iónico, metálico y covalente y tampoco los sé relacionar con las propiedades de las
sustancias.
Sé hacer…
Resuelvo ejercicios de composición centesimal y de aplicación de distinción de los enlaces químicos y sé relacionarlos
con las propiedades de las sustancias puras.
Resuelvo ejercicios de composición centesimal y de aplicación de distinción de los enlaces
químicos y tengo dificultad para
relacionarlos con las propiedades de las sustancias puras.
Me cuesta resolver ejercicios
de composición centesimal y
de aplicación de distinción de
los enlaces químicos y tengo
dificultad para relacionarlos
con las propiedades de las
sustancias puras.
No sé resolver ejercicios de
composición centesimal ni de
aplicación de los enlaces químicos y tengo dificultad para
relacionarlos con las propiedades de las sustancias puras.
La tecnología
y yo…
Navego, encuentro información interesante en la Red y
tengo dominio de las herramientas TIC para realizar las
actividades propuestas.
Navego, encuentro a veces información interesante en la
Red y tengo dominio alto de
las herramientas TIC para la
realización de las actividades
propuestas.
Navego con dificultad por la
Red, mi forma de su uso no es
adecuada y tengo poco dominio de las herramientas TIC
para la realización de las actividades propuestas.
Me cuesta mucho navegar por
la Red, no sé utilizarla y no tengo dominio de las herramientas
TIC para la realización de las
actividades propuestas.
¿Sé trabajar
en grupo?
Asumo mi rol sin interferir en
el trabajo de los demás y aporto ideas al grupo.
Asumo mi rol, aporto ideas al
grupo, pero suelo interferir en
el trabajo de los demás.
Asumo mi rol, no aporto ideas
al grupo e interfiero en el trabajo de los demás.
No asumo mi rol e interfiero en
el trabajo de los demás sin aportar ideas al grupo.
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