DGB Víctor Manuel Ramírez Regalado Serie integral por competencias Ramírez Química 1 C M Y CM CY CMY K Quienes han usado y conocen las versiones anteriores de esta Serie, saben que cuenta con numerosas y bien diseñadas secciones que facilitan la comprensión de los temas, el aprendizaje y la labor docente. En esta Serie encontrarás: • Situaciones y secuencias didácticas • Lecturas • Actividades de aprendizaje • Actividades que fomentan el uso de las TIC • Portafolio de evidencias • Instrumentos de evaluación (exámenes, autoevaluaciones, coevaluaciones, heteroevaluaciones, listas de cotejo, rúbricas y guías de observación) En esta edición incluimos un mejor diseño, que resulta atractivo y práctico tanto para los estudiantes como para los maestros, así como referencias a nuestras nuevas herramientas pedagógicas: guías académicas y estrategias docentes. Para esta Serie preparamos el Sistema de Aprendizaje en Línea (SALI), herramienta de apoyo para docentes y alumnos, la cual está diseñada para facilitar el aprendizaje. Se trata de un Learning Management System (LMS) que permite aprender a través de video, audio, documentos, bancos de exámenes y reactivos. Contamos con cientos de objetos de aprendizaje y nuestra meta es ir creciendo día a día. Química 1 MY Esta obra forma parte de la Serie Integral por competencias, que Grupo Editorial Patria ha creado con la colaboración de expertos pedagogos para cumplir con los objetivos marcados en los planes de estudios de la Dirección General de Bachillerato (DGB) de la Secretaría de Educación Pública (SEP). Nuestros autores, que cuentan con gran experiencia docente y una trayectoria destacada han creado contenidos actuales y significativos para cada materia. Por nuestra parte, los editores hemos plasmado todos nuestros conocimientos y experiencia en el desarrollo de estos libros, así como en los materiales de apoyo y tecnológicos. Química Los invitamos a conocer más de nuestra Serie y de SALI. Grupo Editorial Patria Grupo Editorial Patria www.editorialpatria.com.mx Sistema de aprendizaje en línea www.sali.org.mx 4 978-607-744-330-8 1 QUÍMICA 1 Edición especial para Tabasco Víctor Manuel Ramírez Regalado cuarta edición 2017 Grupo Editorial Patria® Contenido BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 BLOQUE 4 Reconoces a la Química como Introducción a la asignatura y a tu libro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII Competencias genéricas de Bachillerato General . . . . . . . . . . . . . VIII Competencias disciplinares básicas del campo de Ciencias experimentales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX Las secciones de la serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X 1.1 La Química. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 El método científico y sus aplicaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1 Materia: propiedades y cambios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2 Energía y su interrelación con la materia. . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1 Modelos atómicos y partículas subatómicas. . . . . . . . . . . . 66 3.2 Conceptos básicos (número atómico, masa atómica y número de masa). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.3 Configuraciones electrónicas y los números cuánticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4 Los isótopos y sus aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.1 Elementos químicos (Grupo, periodo, bloque). . . . . . . . 104 4.2 Propiedades periódicas y su variación en la tabla periódica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3 Utilidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país y el mundo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 una herramienta para la vida Comprendes la interrelación de la materia y la energía Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Interpretas la tabla periódica V Contenido BLOQUE 5 BLOQUE 6 BLOQUE 7 BLOQUE 8 Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares 5.1 Enlace químico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.2 Regla del octeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.3 Formación y propiedades de los compuestos con enlace iónico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.4 Formación y propiedades de los compuestos con enlace covalente (tipos de enlace covalente) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 5.5 Enlace metálico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 5.6 Fuerzas intermoleculares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 6.1 Reglas de la uiqpa para escribir fórmulas y nombres de los compuestos químicos inorgánicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 7.1 Símbolos en las ecuaciones químicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 7.2 Tipos de reacciones químicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 7.3 Balanceo de ecuaciones químicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 8.1 Entalpía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 8.2 Reacciones endotérmicas y exotérmicas. . . . . . . . . . . . . . . . 245 8.3 Velocidad de reacción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 8.4 Desarrollo sustentable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Manejas la nomenclatura química inorgánica Representas y operas reacciones químicas Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas Glosario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Bibliografía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Direcciones electrónicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 VI Grupo Editorial Patria® Introducción a la asignatura y a tu libro QUÍMICA 1 Víctor Manuel Ramírez Regalado Química 1 pertenece a la Serie Integral por Competencias del Grupo Editorial Patria y está completamente apegado a los contenidos correspondientes a la asignatura del bachillerato general. Pertenece al campo de las Ciencias Experimentales, el cual está orientado a que los alumnos conozcan y apliquen métodos y procedimientos para la resolución de problemas. En este libro se encuentran las competencias genéricas y disciplinares básicas relativas a esta asignatura, integradas en bloques para el logro del aprendizaje. Algunas de éstas competencias disciplinares son las siguientes: valora de forma crítica y responsable los beneficios y riesgos que trae consigo el desarrollo de la ciencia y la aplicación de la tecnología en un contexto histórico-social, para dar solución a problemas; diseña prototipos o modelos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos, hechos o fenómenos relacionados con las ciencias experimentales; resuelves problemas establecidos, simulados o reales de su entorno, utilizando esta ciencia experimental para la comprensión y mejora del mismo. Curricularmente Química 1, posibilita el trabajo interdisciplinario con Química 2. La distribución de los contenidos en los bloques es la siguiente: En el Bloque 1, Reconoces a la Química como una herramienta para la vida, se presentan los grandes momentos de la Química y su influencia en el desarrollo de la humanidad, de manera conjunta con el estudio del método científico como herramienta importante para la resolución de problemas. En el Bloque 2, Comprendes la interrelación de la materia y la energía el estado líquido y sólido de la materia, se analizan las propiedades de la materia y sus cambios; así como la energía y sus interrelaciones con la materia. En el bloque 3, Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones, se estudian los modelos atómicos que dieron origen al modelo atómico actual y sus aplicaciones en la vida cotidiana. En el bloque 4, Interpretas la tabla periódica, se analizan los antecedentes que dieron lugar a la tabla periódica actual, se hace una interpretación de la tabla periódica y finalizan con un estudio de los metales y no metales más importantes del país desde el punto de vista socioeconómico. En el bloque 5, Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares, se relacionan las propiedades macroscópicas de las sustancias con los diferentes modelos de enlace tanto interatómicos como intermoleculares. En el bloque 6, Manejas la nomenclatura química inorgánica, se identifican los diferentes compuestos a través del uso del lenguaje de la Química y se promueve el uso de normas de seguridad para el manejo de los productos químicos. VII Introducción a la asignatura y a tu libro En el bloque 7, Representas y operas reacciones químicas, se describen los diferentes tipos de reacciones químicas y se aplica la ley de la conservación de la materia al balancear las ecuaciones. En el bloque 8, Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas, se estudian los factores que intervienen en la velocidad de una reacción química conjuntamente con los intercambios de calor que experimenta la reacción, finaliza con un análisis del consumismo y el impacto que genera en el medio ambiente y en la vida cotidiana. La estructura de la obra incluye al inicio de cada bloque los objetos de aprendizaje, competencias a desarrollar, desempeños por alcanzar y una breve evaluación diagnóstica titulada: ¿Qué sabes hacer ahora? Enseguida se encuentra la situación didáctica, que plantea una problemática a resolver por el estudiante, ya sea de manera individual o en equipo y después se ubica la secuencia didáctica, que propone algunos pasos para resolver el problema, realizar un experimento, plantear un proyecto, realizar una investigación, etcétera, lo que posibilita que el estudiante adquiera un conocimiento y que desarrolle competencias, a través de un reto. Para evaluar se integra una rúbrica. Además, contiene una amplia variedad de ejercicios para consolidar los conocimientos adquiridos en situaciones reales o hipotéticas. Contiene actividades experimentales suficientes para lograr los aprendizajes, mediante experimentos en laboratorios o talleres. Este libro también cuenta con glosario, bibliografía, direcciones electrónicas, líneas de tiempo, diagramas, mapas conceptuales, además atractivas imágenes y otras secciones y herramientas que resultan muy útiles y completan el aprendizaje, entre ellas podemos destacar: Aplica lo que sabes, actividad de aprendizaje, para tu reflexión. Asimismo, cuenta con instrumentos de evaluación como listas de cotejo, portafolio de evidencias, rúbricas, guías de observación, en sus modalidades de autoevaluación, coevaluación y heteroevaluación. Al haber elegido este libro, el estudiante tiene acceso al sitio web, donde se encuentra material extra como videos, animaciones, audios y documentos para ampliar información Espero que este libro acompañe a los jóvenes estudiantes a lo largo del semestre en los diversos temas que aborda el fascinante mundo de la Química, deseando que logren obtener el mayor beneficio y éxito académico. Víctor Manuel Ramírez Regalado Competencias genéricas del Bachillerato General Las competencias genéricas son aquellas que todos los bachilleres deben estar en capacidad de desempeñar, y les permitirán a los estudiantes comprender su entorno (local, regional, nacional o internacional) e influir en él, contar con herramientas básicas para continuar aprendiendo a lo largo de la vida, y practicar una convivencia adecuada en sus ámbitos social, profesional, familiar, etc., Estas competencias junto con las disciplinares básicas constituyen el Perfil del Egresado del Sistema Nacional de Bachillerato. A continuación se enlistan las competencias genéricas: 1. 2. 3. 4. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue. Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación de sus expresiones en distintos géneros. Elige y practica estilos de vida saludables. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados. 5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos. 6. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general, considerando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva. VIII 7. 8. 9. 10. 11. Grupo Editorial Patria® Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos. Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de su comunidad, región, México y el mundo. Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la diversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales. Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con acciones responsables. Competencias disciplinares básicas del campo de Ciencias experimentales Competencias disciplinares básicas Bloques de aprendizaje 1 2 3 4 X X 5 6 7 8 X X X X X 1. Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. X 2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. X X X 3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y planea las hipótesis necesarias para responderlas. X X X 4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. X X X X X X X 5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. X X X X X X X X X X X X X X 6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. 7. Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. X 8. Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nociones científicas. 9. Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos. X 10. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. X 11. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. X X X X X X X X X 12. Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece. 13. Relaciona los niveles de organización química, biológica, física y ecológica de los sistemas vivos. 14. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. X X X X IX Las secciones de la serie 3 Al inicio del bloque ¿Qué sabes hacer ahora? BLOQUE 1. 2. 10 horas Objetos de aprendizaje 3. Objetos de aprendizaje 4. 5. En los objetos de aprendizaje encontrarás los contenidos estructurados, integrados y contextualizados con una secuencia lógica y disciplinar. 6. 7. 8. 9. Competencias por desarrollar Desempeños por alcanzar Se trata de un conjunto de competencias disciplinares por lograr en cada bloque, mismas que te permiten demostrar la capacidad que tienes para aplicar tus conocimientos en situaciones de la vida personal o social. Competencias por desarrollar 3 BLOQUE Situación didáctica Secuencia didáctica ¿Cómo lo resolverías? Desempeños por alcanzar ¿Qué sabes hacer ahora? Éstos son los que se espera que logres al finalizar cada bloque. Esta sección es una propuesta de evaluación diagnóstica. ¿Qué tienes que hacer? Situación didáctica ¿Cómo lo resolverías? Al inicio de cada bloque encontrarás una situación por resolver que posibilitará que adquieras un conocimiento y desarrolles tus competencias a través de un reto. Rúbrica Secuencia didáctica ¿Qué tienes que hacer? ¿Cómo sabes que lo hiciste bien? Es una guía útil que plantea una serie de pasos para que organices las actividades que vayas a realizar de manera individual o en equipo. Esta metodología describe los procesos y etapas para obtener éxitos o resultados al resolver un problema, realizar un experimento, un proyecto, etcétera. Rúbrica ¿Cómo sabes que lo hiciste bien? Te posibilita valorar de manera práctica y concreta los desempeños, actitudes, procedimientos y conocimientos adquiridos y los que necesitas reforzar. 7 Características constantes a lo largo de los bloques de la serie Notarás que en algunos temas importantes aparecen una serie de iconos acompañando a los títulos; éstos te indican la existencia de materiales auxiliares para tu aprendizaje, los cuales puedes consultar o descargar de SALI, el sitio que Editorial Patria ha desarrollado para ti. Portafolio de evidencias A lo largo del texto encontrarás diferentes sugerencias y actividades que, una vez realizadas, te permitirán construir un gran número de evidencias, algunas escritas, otras a través de la exposición de temas o presentación de productos. Recursos en línea Recursos docentes Videos para Documentos Audios para reforzar temas adicionales reforzar temas difíciles para impresión y pronunciación Guías para el docente Estrategias docentes 3 BLOQUE Aplica lo que sabes Aplica lo que sabes Actividad de aprendizaje Actividades para que apliques tus conocimientos en situaciones de la vida diaria y analices problemáticas de tu comunidad y el mundo en general, y a la vez reflexiones sobre propuestas así como mejoras. Actividad de aprendizaje A lo largo del libro encontrarás diferentes actividades de aprendizaje, que buscan reforzar los conocimientos y competencias adquiridas. Para tu reflexión Para tu reflexión Uso de TIC Constituyen un incentivo para utilizar los recursos tecnológicos, con la finalidad de construir aprendizaje significativo. Interesantes lecturas adicionales, útiles notas informativas y datos importantes que te permiten reflexionar y visualizar diferentes perspectivas de una misma situación, así como contextualizar fenómenos y hechos. Uso de TIC 46 Talleres y actividades experimentales Ejercicios Ejemplos Brindan experiencias de aprendizaje, además de estimular y fomentar el aprendizaje cooperativo durante el trabajo en equipo. Consolidan los conocimientos y propician seguridad y destreza durante el aprendizaje. Los ejemplos tienen la finalidad de propiciar y facilitar tu aprendizaje. Líneas de tiempo Esquemas Mapas conceptuales Organizadores gráficos Tablas Al final del bloque 3 Grupo Editorial Patria® BLOQUE Instrumentos de evaluación Instrumentos de evaluación Son un conjunto de acciones y propuestas que te permitirán hacer una recolección, sistematización y análisis de los desempeños y logros obtenidos a través del trabajo que realices durante cada bloque. Éstos, junto con el portafolio de evidencias, te ayudarán a obtener mejores resultados en las prácticas de evaluación que realice tu profesor. Portafolio de evidencias Portafolio de evidencias Encontrarás un modelo para que integres un portafolio de evidencias que te posibilite reunir los productos que indique tu profesor. Rúbrica 220 221 Cuestionarios Listas de cotejo Rúbricas Guías de observación En las páginas finales del libro Para los estudiantes que desean saber más se agrega una breve bibliografía y direcciones electrónicas recomendadas, que tienen como finalidad fortalecer el autoaprendizaje. También se incluye un glosario de términos básicos, para utilizar de manera apropiada los conceptos propios de cada materia. 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida 10 horas Objetos de aprendizaje 1.1 La Química 1.2 El método científico y sus aplicaciones Competencias a desarrollar n n n n n Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. n n n n n Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente. Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente. ¿Qué sabes hacer ahora? Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. Desempeños por alcanzar n n Comprende el concepto de Química, su desarrollo histórico y su relación con otras ciencias. Utiliza el método científico en la resolución de problemas de su entorno inmediato relacionados con la Química. ( ) La Química se define como: a) ciencia que estudia la materia y sus transformaciones. b) ciencia experimental que estudia los átomos. c) ciencia que estudia la energía y sus manifestaciones. d) ciencia que estudia la naturaleza y sus fenómenos físicos y químicos. ( ) Es la cantidad de partículas contenidas en una sustancia: a) peso b) masa c) materia d) energía ( ) ¿Por qué es importante el estudio de la Química? a) conocer la materia. b) identificar los componentes de las sustancias. c) para vivir mejor. d) para ahorrar energía. ( ) Demócrito definió a los átomos como: a) las partículas de menor tamaño posible. b) mínima porción de un compuesto. c) aquellas partículas indivisibles. d) los elementos presentes en la naturaleza. ( ) Científico destacado en la Edad Media: a) Roger Bacon b) Alberto Magno c) Al Razi d) Geber ( ) El método científico se define como: a) lo que define y diferencia el conocimiento de la ciencia del conocimiento común. b) los pasos necesarios para lograr una investigación. c) el sentido común para descubrir algo nuevo. d) el procedimiento para explicar un fenómeno natural. ( ) Métodos aplicados con mayor frecuencia en la investigación química: a) deductivo b) inductivo c) hipotético d) experimental ( ) Es el siglo que marca el surgimiento de la Química como ciencia: a) xv b) xvi c) xvii d) xviii ( ) Científicos que surgieron en los siglos xvi y xvii, respectivamente: a) Galileo y Newton b) Torricelli y Boyle c) Lavoisier y Rutherford d) Priestley y Cavendish 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Situación didáctica ¿Cómo lo resolverías? ¿Se vive mejor ahora que antes? Para contestar esta pregunta, es necesario que entrevistes a una persona con edad suficiente para recordar ese periodo; por ejemplo, a tus padres o abuelos. Con tu grupo, deberás decidir cuáles preguntas incluirás en las entrevistas. A continuación se dan algunos ejemplos; puedes emplearlas o desarrollar tus propias preguntas, pero todos los equipos aplicarán las mismas para que sea posible comparar los resultados. 1. ¿Cómo describiría la localidad donde vivió cuando era niño(a) (urbana, suburbana o rural)? 2. ¿Cuál era la fuente principal de calefacción en la casa donde pasó su infancia? 7. ¿Qué combustible se empleaba para cocinar? 3. ¿Cómo se abastecía esa fuente de calor? ¿Tenía que conseguir el combustible o era entregado en su casa? 4. ¿Cuál era la fuente principal de iluminación en la casa donde vivió su infancia? ¿Qué fuente de energía se empleaba para obtenerla? 8. Si compraba sus alimentos en vez de cultivarlos o criarlos, ¿cómo estaban empacados? 9. ¿En qué clase de recipiente se obtenía la leche? 10. ¿Qué clase de jabón se empleaba para lavar la ropa? 11. ¿Cuáles eran las telas principales que se empleaban para la fabricación de ropa? 5. ¿Cuál, si lo había, era el medio principal de transporte público? 6. ¿Cuál era el medio principal de transporte privado? Antes de realizar la entrevista, cada equipo deberá practicarla con uno de sus miembros. Esto dará información actual que podrá compararse y te ayudará a mejorar tus habilidades como entrevistador. 4 Grupo Editorial Patria® Secuencia didáctica Evidencias a recopilar Trabajo individual n ¿Qué tienes que hacer? Haz una investigación, utilizando las respuestas de las preguntas anteriores sobre cómo se vivía en el siglo pasado. n Investigación individual sobre el tipo de muebles actuales y los del siglo pasado, los medios de comunicación actuales. Qué instrumento usaban para realizar cálculos, escribir documentos; cocinar, transportarse, etcétera. n Escribe en media cuartilla qué tipo de vida prefieres, la pasada o la presente, de acuerdo con los avances tecnológicos. Trabajo por equipos n n Cada miembro del equipo presenta los resultados de su investigación de manera que todos definen un concepto propio sobre la vida en el siglo pasado respecto al siglo actual. El equipo hará una presentación de los resultados de esta investigación. Rúbrica ¿Cómo sabes que lo hiciste bien? Con el propósito de revisar si adquiriste los conocimientos del bloque, pregúntate lo siguiente: n n Con la dirección del profesor organicen un debate sobre las ventajas modernas en tecnología respecto al pasado, con relación al uso de las tecnologías de la información y comunicación. Pueden utilizar como guía las siguientes preguntas. ¿Cuántos aparatos de tu casa dejarían de funcionar sin electricidad? Enúncialos. n ¿Qué harías si no tuvieras energía eléctrica en tu casa? n ¿Qué propones para combinar la modernidad con la ecología? n ¿Existía la contaminación ambiental? ¿Por qué? Autoevaluación Con el propósito de revisar si adquiriste los contenidos del bloque, pregúntate lo siguiente: n ¿Leí todo el contenido del bloque? n ¿Cuando lo hice comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta que lo comprendí? n ¿Puedo distinguir entre cómo se vivió en el siglo pasado y cómo se vive en el actual, según mi propia concepción? n ¿Puedo identificar algunas ventajas de vivir en el siglo pasado? Anótalas. n ¿Puedo identificar algunas desventajas de vivir en el siglo pasado? Anótalas. n ¿Puedo identificar algunas ventajas de vivir en el siglo presente? Anótalas. n ¿Puedo identificar algunas desventajas de vivir en el siglo presente? Anótalas. 5 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida 1.1 La Química Actualmente la Química tiene gran relevancia por el avance científico y tecnológico que tienen las civilizaciones presentes, y se ha convertido en una ciencia muy común entre los individuos. Prácticamente todo lo que nos rodea está constituido de sustancias químicas: nuestros alimentos, nuestra ropa, los edificios y casas en donde vivimos, las calles por donde transitamos, los vehículos; nuestro cuerpo mismo también está constituido de elementos químicos. Por medio de la Química, la Medicina ha logrado avances notables, como la erradicación de muchas enfermedades mortales; por ejemplo, la polio, tifoidea y difteria, entre otras. Aunque la gente no haya realizado estudios específicos sobre esta materia, es frecuente escuchar el siguiente comentario respecto a dos personas que se atraen: “hay química entre las dos”; también Para tu reflexión ¿Cuánto vale el cuerpo humano? En términos puramente químicos, la vida humana cuesta cerca de veinte pesos. La razón es muy simple: cerca de tres cuartas partes de nuestra masa es agua (y ésta casi siempre es barata); el resto, fundamentalmente carbono, oxígeno e hidrógeno (se presenta gratis en el aire). En pequeñas cantidades tenemos nitrógeno y fósforo, y todavía en menor proporción hierro, sodio, potasio, etc. En conclusión: como dice la canción “la vida no vale nada…” Figura 1.2 La Química ha permitido un notable avance en el desarrollo de la civilización actual, pero también debemos cuidar nuestro medio ambiente. es común: “toma dos litros diarios de H2O y tendrás una buena salud”. Asimismo, se oye hablar con frecuencia, en todos los ámbitos del calentamiento global con sus graves consecuencias ambientales. También en relación con la Química y ante el incremento del número de metrópolis, como el Distrito Federal, Guadalajara y Monterrey, la palabra esmog es muy común. Por otra parte, la amplia variedad de productos derivados de esta ciencia son empleados diariamente en la casa, el trabajo, la escuela y otros lugares. Efectivamente, la Química se relaciona directamente con éstos y otros procesos, situaciones y productos, de ahí la importancia de conocer más de ella. La Química es la ciencia que trata de la naturaleza y composición de la materia y de los cambios que ésta experimenta; su estudio es muy importante para el ser humano, ya que se aplica a todo lo que le rodea, por ejemplo, en el lápiz que utilizas, en las páginas de este libro o de tu cuaderno, en el bolígrafo, en el perfume o en la loción que usas; en la ropa que te pones, en los zapatos, en los alimentos que ingieres; en fin, en todo. Figura 1.1 Es importante someternos a análisis clínicos para conocer nuestro estado de salud. 6 Utilizamos todos nuestros sentidos (vista, oído, gusto, olfato y tacto) para percibir los objetos que tenemos a nuestro alcance, y la Química interviene en los cambios internos y externos que se realizan en nuestro organismo y a nuestro alrededor para percibirlos. El hombre se beneficia de las aplicaciones prácticas de la Química, ya que la vida moderna no sería tan cómoda si no tuviéramos la tecnología que proporciona esta ciencia. Por ejemplo, junto con los físicos (en el diseño de circuitos electrónicos), los químicos han desarrollado nuevos materiales, como los plásticos de alta durabilidad, que permiten un amplio uso de los teléfonos celulares, computadoras personales (laptop), entre otros o los radiotransmisores que han revolucionado la comunicación, como los televisores portátiles, las cámaras digitales, etcétera. Grupo Editorial Patria® Aplica lo que sabes Para quienes viven en la Ciudad de México, una de las urbes más grandes del mundo y la más contaminada respecto al aire, es indudable que las soluciones a los problemas de contaminación tienen que dividirse de acuerdo con la asignación de responsabilidades y, desde luego, fijando tiempos para cumplir éstas. La principal fuente de contaminación del aire de la Ciudad de México, es la combustión no controlada en los motores de los automóviles particulares y los camiones de carga. Los controles de esas emisiones se realizan actualmente en los llamados verificentros. Sin embargo, estas medidas no han sido ni serán aceptables en tanto las autoridades las impongan y los usuarios acepten esa imposición. Modernizar al parque vehicular en la ciudad es otra opción para disminuir la combustión no controlada; sin embargo, está llevándose a cabo de manera pausada por varios factores, entre los que destaca el bajo poder adquisitivo de la mayoría de la población, que imposibilita prácticamente la adquisición de un auto nuevo. Además, los combustibles que utilizamos no son óptimos para una buena combustión, por ello proponemos algunas soluciones posibles: 1. Reducir en un lapso de 20 años el uso de motores que funcionen con gasolina; se sugiere el uso de la electricidad o combustibles alternos no contaminantes, como el gas natural o el hidrógeno. 2. Control estricto o relocalización de plantas industriales y negocios que emitan gran cantidad de contaminantes. Actividad de aprendizaje Investiga los olores más comunes que se pueden percibir al visitar los siguientes lugares. De estos olores predominantes anota los productos que los generan y sus posibles elementos químicos, por ejemplo: a) Alberca Agua y cloro (H2O y Cl) b) Tienda de abarrotes c) Reparadora de calzado d) Lavandería e) Tintorería f ) Hospital 3. Evitar el uso de aerosoles o productos que contengan o desprendan hidrocarburos. Actividad n n Con base en lo que acabas de leer, investiga junto con tus compañeros, cuáles son las principales fuentes de contaminación del aire, agua y áreas verdes de tu estado, comunidad, municipio o colonia; menciona algunos métodos de prevención que estarías dispuesto a realizar como iniciativa para disminuir este problema que afecta al medio ambiente. Elabora junto con tus compañeros un collage de todas las ideas que surgieron en el grupo, para exponerlo a la comunidad estudiantil de tu escuela y empezar a concientizar y sensibilizar sobre la importancia que tiene llevar a cabo medidas para prevenir y disminuir este grave problema: la contaminación ambiental. g) Consultorio dental h) Mercado i) Cine 7 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Figura 1.3 La aplicación de la Química en diversos materiales, ha provocado la aparición de nuevos y mejores productos para el hombre. Los polímeros (compuestos químicos derivados del petróleo) han revolucionado la industria automotriz; por ejemplo, la carrocería de los automóviles es una resina de poliéster (un ejemplo de polímero) reforzada con fibra de vidrio y que lleva pintura aplicada con bicapa, que la hace lucir más atractiva. En el interior, algunos automóviles tienen accesorios que sirven para reproducir discos compactos, MP3 y MP4, ver una película (DVD) con gran fidelidad en imagen y sonido; también cuentan con diversos accesorios de seguridad y que proporcionan comodidad. Por otro lado, en la industria de la construcción hay una gran variedad de materiales nuevos, más económicos, resistentes y vistosos, que permiten dar mejores acabados y ahorros económicos, al reducirse el tiempo de construcción. El uso de las tecnologías actuales, como internet, han favorecido el desarrollo tecnológico de la humanidad, al acercar a los diversos investigadores de todo el mundo a compartir sus descubrimientos con otros colegas, con el consecuente ahorro de dinero, esfuerzo y tiempo, ya que el uso de la computadora es indispensable en su trabajo cotidiano, en la solución de los problemas y retos que enfrenta la humanidad. La ingeniería química llegó a su madurez como ciencia de los procesos de transformación física y química de la materia por medio de las siguientes etapas: n Nacimiento y desarrollo: se propone el concepto de fenómenos de transporte de materia, energía y cantidad de movimiento en la década de 1950 (Bird, Stewart y Lighfoot, 1960). Dichos fenómenos sirven como base científica común a las operaciones unitarias (destilación, fluidización, agitación, mezclado, absorción, flujos, intercambio iónico). La Química es la ciencia que se encarga de estudiar los cambios experimentados en la composición de la materia; explica esta definición mediante varios ejemplos de los procesos químicos que se dan en la vida cotidiana, argumenta tus respuestas con base en la relación que existe entre lo teórico y lo práctico. Atributos: 1. Establecer la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. 2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. Actividad 1. Completa el siguiente cuadro, indicando en qué o para qué utilizas los siguientes objetos o sustancias. Anota si son materiales naturales o sintéticos y comenta la importancia que tiene dar buen uso a cada uno de ellos. Especifica qué atributos se desarrollan. Objeto o sustancia Aceite de maíz Bolsa de hule 8 Surgimiento: Arthur D. Little propuso el concepto de operación unitaria (19151920) y organizó la disciplina por primera vez (Walker, Lewis y Mc Adams, 1923). Aplica lo que sabes Zapatos de playa Figura 1.4 El químico maneja diversos instrumentos de medición. n Utilidad Tipo de material Grupo Editorial Patria® Aplica lo que sabes Tela de nylon Penicilina 1. Anota seis productos químicos que encuentres en tu casa (de preferencia en la cocina), investiga su utilidad y busca en la etiqueta las sustancias que contengan. Encuentra la importancia y la relación que tienen estos productos de tal manera que los puedas identificar en tu vida cotidiana. Azúcar Producto Utilidad Sustancia que contiene Botella de agua 1. 2. 3. 4. 5. 6. Por otra parte, el uso de nuevas tecnologías nos posibilita preservar nuestro ambiente al reciclar los materiales de manera adecuada. Por ejemplo, la mayoría de los artículos nuevos vienen empaquetados en bolsas de plástico o de unicel y los refrescos se distribuyen en botellas de plástico y aluminio, lo cual crea el problema de muchos desechos que es necesario reutilizar. Figura 1.5 Es necesario reciclar una serie de productos comerciales como los envases de plástico o de aluminio que contienen diversas bebidas. En la actualidad podemos referirnos a los químicos como especialistas por el área en que laboran. Por ejemplo: químico nuclear, químico ambiental, químico farmacéutico, bioquímico, fisicoquímico, químico en alimentos, químico agroquímico, químico orgánico, etcétera. Figura 1.6 Es muy importante la protección de suelos agrícolas mediante la aplicación de fertilizantes que actúan sobre el pH (potencial de hidrógeno) del suelo. 9 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Clasificación tradicional de las ciencias naturales y relación de la Química con otras ciencias MATEMÁTICAS Requieren Ciencias naturales Inmunología Toxicología Farmacología Bioquímica Patología Quinta médica Ciencias físicas Estudio de la materia y energía Geología Astronomía Geoquímica Cosmoquímica Analítica Determinación de la estructura y composición 10 Física Procesos físicos básicos de la Química Física Ciencias biológicas Estudio de los organismos vivos Química Botánica Zoología Plantas Animales Fisicoquímica Orgánica Compuestos de carbono Inorgánica Los demás compuestos Biología celular Genética Ecología Funciones y estructura de la célula Herencia Medio ambiente Microbiología Fisiología Organismos microscópicos Funciones Grupo Editorial Patria® Fuego (Ángel) Seco Calor Tierra (Bestia) Aire (Ave) Frío Húmedo Figura 1.7 La Química utiliza los análisis cualitativo y cuantitativo para estudiar los fenómenos o reacciones. n n n Organización: a partir de 1937 surge la rama denominada “ingeniería de las reacciones químicas”, dedicada al estudio y al diseño de los equipos en los que se efectúan las reacciones químicas, es decir, de los reactores químicos. Fase final: el tratamiento global o macroscópico, mejor dicho, la “ingeniería de sistemas” y la modelación sistémica asociada (década de 1960). Como se puede observar, el campo de estudio de la Química es tan amplio que es imposible para una persona conocer todo cuanto se ha descubierto en esta ciencia, por lo que han surgido divisiones o especializaciones, como: la química general o descriptiva; la fisicoquímica, que estudia los sistemas químicos en términos de las leyes y los conceptos de la física; la química inorgánica, que trata de la composición y organización de la materia mineral; la química orgánica, que estudia los compuestos del carbono, ya sean naturales o de los seres vivos, y los sintéticos o producidos artificialmente; la química analítica, que se ocupa del reconocimiento y cuantificación de los materiales que constituyen cualquier objeto; la bioquímica, que estudia todas las sustancias que intervienen en los procesos vitales, constituidas por aminoácidos, proteínas, vitaminas, lípidos, etc. Asimismo, la ingeniería química estudia los procesos industriales existentes para mejorarlos tecnológicamente y hacerlos más rentables, entre otras muchas especializaciones. Grandes momentos en el desarrollo de la Química Grecia Tales de Mileto (639-546 a. C.). Es considerado como el primer teórico que se preocupó por la transformación de una sustancia en otra, se planteó las siguientes preguntas: si una piedra azul se convirtiera en cobre rojo, ¿la naturaleza de la sustancia sería de piedra, de metal o de ambas? Se planteó también la posibilidad de que una Agua (Dragón) Figura 1.8 Los cuatro elementos de los filósofos griegos: aire, agua, tierra y fuego. sustancia se transformara en otra por medio de un número definido de pasos; pero éstos sólo eran aspectos de una materia básica o elemento, ya que para él este elemento era el agua. En el párrafo anterior se enuncia en forma breve uno de los pensamientos más profundos que ha tenido el género humano; tal vez sea falso y obsoleto, pero fue el primer pensamiento sobre el origen básico de toda la materia. Anaxímenes de Mileto (585-524 a. C.). Postuló que el aire podía ser comprimido y originar una materia sólida; por tanto, el elemento básico podía ser el aire. Heráclito de Efeso (535-484 a. C.). Propuso que si el cambio era lo que caracterizaba al Universo, se debería buscar un elemento en el que el cambio fuera lo más notable y, por tanto, el elemento básico sería el fuego. Empédocles (495-430 a. C.). Se planteó, ¿por qué sólo un elemento básico? Podían ser varios: agua, aire, fuego y añadió tierra. Aristóteles (384-322 a. C.). Aceptó la doctrina de los cuatro elementos básicos, pero los concibió como pares de propiedades opuestas: frío-calor, humedad-sequedad. Las propiedades opuestas no se pueden combinar entre sí. Debido a lo anterior, se forman cuatro parejas distintas que darán origen a un elemento: calor y sequedad dan lugar al fuego; calor y humedad, al aire; frío y humedad, al agua, frío y sequedad, a la tierra. Además, asignó como quinto elemento al cielo, el éter (resplandecer), el cual era un elemento perfecto, ya que lo observaba inalterado. Los cuatro elementos anteriores eran imperfectos. Figura 1.9 Aristóteles. Leucipo (450-370 a. C.). Planteó que la materia por muy pequeña que sea, siempre es capaz de dividirse en trozos 11 1 BLOQUE Figura 1.10 Leucipo. Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Figura 1.11 Demócrito. cada vez más pequeños hasta que ya no se pueda dividir. Demócrito (460-370 a. C.). Llamó átomos (sin división) a las partículas de menor tamaño posible. Además, supuso que los átomos de cada elemento eran diferentes en tamaño y forma, razón por la cual le asignaba a los elementos propiedades distintas y también que una sustancia podía transformarse en otra alte- Figura 1.12 rando la naturaleza de la mezcla. Epicuro. Las ideas de Demócrito no fueron aceptadas en su tiempo, pero sí dos mil años después; su teoría perduró en parte en los poemas de Epicuro (341-271 a. C.) y Lucrecio Caro (99-55 a. C.). Es interesante mencionar la renovación que estos pensamientos implican y resaltar que los filósofos griegos se basaban en la observación y no en la experimentación para emitir sus teorías. Figura 1.13 Ptolomeo I y Ptolomeo II. En esta época ya se conocían siete metales y los siete cuerpos errantes en el cielo (cuerpos celestes). De esta manera se asocia a cada metal un cuerpo celeste: oro-Sol; plata-Luna; cobre-Venus; mercurio-Mercurio; hierro-Marte; estaño-Júpiter; plomo-Saturno. Estos lenguajes confusos y la actitud mágica acerca del estudio de la materia retardaron el avance del conocimiento. Bolos de Mendes (pseudoDemócrito; 200 a. C.). Planteó la transmutación de un metal en otro para obtener oro. Con esta búsqueda se descubrieron aleaciones como la unión de cobre y zinc, que da por resultado el latón, que es dorado. Dominación romana (100 a. C.) Con la dominación romana entra en decadencia el arte de khemeia y el conocimiento griego. Zósimo (300). Escribió una enciclopedia de 28 volúmenes donde describe al arsénico y al acetato de plomo como sustancias venenosas con sabor dulce. Cultura helénica Ptolomeo I (367-283 a. C.) y Ptolomeo II (308-246 a. C.). Fundaron en Alejandría el templo dedicado a las musas, que derivó en lo que hoy se conoce como museo, el cual era propiamente un lugar dedicado a la investigación de las ciencias y donde también se coleccionaban objetos de arte, así como una biblioteca. Al unirse las culturas egipcia (experimental) y griega (teórica), los jonios aceptaron el misticismo en la ciencia, fenómeno que retrasó el avance del conocimiento. El arte de khemeia apareció estrechamente relacionado con la religión, y la gente común asociaba extraños poderes a aquellos que practicaban estas artes (magos); esto provocó el surgimiento de un lenguaje escrito en forma de clave para la práctica de la khemeia. 12 Figura 1.14 Zósimo. Grupo Editorial Patria® Diocleciano (245-311). Emperador romano que temeroso ante la posibilidad de que los enemigos pudieran obtener oro por medios baratos y pusieran en peligro su imperio, ordenó quemar todo libro sobre khemeia. En esta época se perdió mucha información porque la biblioteca de Alejandría resultó seriamente mutilada a causa de los motines con los cristianos; fue un nuevo retraso al avance del conocimiento. Después de tres siglos del liderazgo científico de los árabes, aparecieron los turcos y los mongoles. Sus victorias sobre el mundo islámico hicieron que ese liderazgo pasara a Europa. La herencia y culturas dejadas en la España árabe, que se tradujo al latín, despertaron el interés de las culturas de Occidente. Figura 1.15 Diocleciano. Figura 1.18 Alberto Magno. Dominación árabe Siglo vii. En esta época surgió el término “alquimia” y se mantuvo así hasta 1600. Se enriqueció el vocabulario químico con términos como: álcali, alcohol, nafta, circón, etcétera. Jabir Ihn- Hayyan (conocido en Europa como Geber, 721-815). Descubrió el cloruro de amonio, preparó el albayalde (carbonato de plomo), obtuvo el ácido acético por destilación del vinagre y preparó ácido nítrico. Alberto Magno (1200-1280) fue el primer alquimista europeo que descubrió el arsénico, aunque en forma impura. La Química en la Edad Media Roger Bacon (1214-1294). Mostró interés en la idea de incorporar las matemáticas a la ciencia, idea que fue rechazada, y fue quien por primera vez inventó la pólvora negra, la cual causó estragos en los castillos medievales. Aunque su fama la obtuvo por los estudios en transmutación de los metales, se debe considerar a Geber como el primer descubridor de los ácidos. Él creía que la mezcla mercurio-azufre produciría oro, a través de una sustancia seca y activadora, llamada al-iksir (elixir) y que en Europa se denominó piedra filosofal. En los siglos siguientes se desarrollaron dos aspectos fundamentales de la alquimia: el estudio de los minerales con la finalidad de obtener oro y el aspecto médico, cuyo objetivo era encontrar la panacea (remedio o solución para cualquier mal). Al Razi (Rhazes, 865-925). Inventó los emplastos para sellar huesos; en aquella época su seguidor Avicena fue el médico más importante. Figura 1.19 Roger Bacon. Seudónimo Geber (1300). Firmó sus trabajos con el nombre del árabe que descubrió el ácido acético. Este segundo Geber descubrió el ácido sulfúrico y el ácido nítrico fuerte, a los que denominó ácidos minerales. Su descubrimiento ha sido más importante para la humanidad que la transmutación de otros metales en oro; pero el hombre no lo consideró así y siguió en su persecución por el oro. Figura 1.16 Jabir Ihn-Hayyan, Geber. Figura 1.17 Al Razi, Rhazes. Papa Juan XXII (1299-1339). Declaró que la alquimia era un anatema y el conocimiento químico sufrió un tercer decaimiento. Desde entonces los alquimistas trabajaron a escondidas y en sus escritos emplearon símbolos más confusos. En este siglo se descubrió la brújula. 13 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Figura 1.20 Seudónimo Geber. Figura 1.21 Los alquimistas, grandes precursores de la Química moderna. Caída del Imperio Bizantino (1453). En esta época los griegos recuperaron Constantinopla y reconstruyeron sus bibliotecas. Época moderna Libarius (1550-1616). Publicó el primer texto de Química en 1597 y descubrió por primera vez el ácido clorhídrico, el tetracloruro de estaño, el sulfato de amonio y preparó el agua regia. Después tuvieron lugar los descubrimientos aislados, por ejemplo, el sulfato de sodio. En el siglo xvii la alquimia entró en una etapa de decadencia y resurgió en el siglo xviii como la ciencia que hoy se conoce como Química. En ese momento la realidad económica necesitaba del aprovechamiento de los minerales y de las medicinas, y no de la irracional búsqueda del oro. En los siglos xvi y xvii surgieron figuras como Galileo y Newton que aportaron bases para el enriquecimiento del conocimiento y la importancia de la medida y la cuantificación. Figura 1.24 Isaac Newton. 14 Figura 1.25 Torricelli. Figura 1.22 Libarius. Figura 1.23 Galileo Galilei. El estudio de los gases la realizó el italiano Torricelli (1608-1647); el alemán Gwerike (1602-1686); y el irlandés Boyle (16271691), quien de todos ellos fue el único químico. Los experimentos de Boyle sobre los gases mostraban un panorama halagador para los atomistas de esa época, pero Boyle aún creía en la transmutación de los metales. En 1680 preparó fósforo a partir de orina, pero este descubrimiento fue reconocido hasta doce años después de Brand. En esta época se originó la teoría del flogisto y, en 1700, Salavery construyó la máquina de vapor. En el siglo xviii, la proliferación de las aportaciones en la Química surgió como una respuesta al reconocimiento como ciencia que de ella se estableció. Se descubrieron los siguientes gases: hidrógeno por Cavendish, oxígeno por Lavoisier, nitrógeno por Rutherford y Lavoisier, dióxido de carbono por Priestley; se aislaron nuevos metales; níquel, manganeso y molibdeno; Lavoisier estableció la ley de la conservación de las masas. Figura 1.26 Boyle. Figura 1.27 Máquina de vapor. Grupo Editorial Patria® En el aspecto de la química de productos orgánicos se descubrieron nuevos ácidos; por ejemplo, el tartárico y el cítrico. Dalton emitió su teoría atómica sobre la combinación de átomos para formar moléculas. Siglos xix y xx Figura 1.28 Cavendish. Figura 1.29 Lavoisier. Para tu reflexión El agua es la sustancia fundamental para sobrevivir a lo largo de la historia y día a día con el crecimiento de la población se hace indispensable su uso racionado y el no contaminarla, por lo que a continuación se sugiere tomar algunas medidas preventivas. n n n n n n n n Mantener cerrados y con tapa los depósitos de agua. Asear por lo menos una o dos veces al año las cisternas, así como los tinacos cuando estén conectados a la cisterna. No arrojar desechos de ningún tipo a los depósitos o cubetas de agua. Mantener limpios y aseados los bebederos. Evitar las fugas de agua manteniendo llaves y muebles sanitarios en buen estado. Lavar la ropa y los trastos con jabones biodegradables. Utilizar detergente biodegradable y sólo usar la cantidad necesaria para así evitar grandes cantidades de espuma. No arrojar al drenaje solventes o residuos de aceites, petróleo, etcétera; tampoco tirarlo al suelo. n Usar el cloro necesario para lavar la ropa. n No arrojar basura en el drenaje. El siglo xix es el siglo de la explosión en la química del carbono, Whöler sintetizó la urea, Vanthall Figura 1.30 estableció que el átomo de carbono Rutherford. es tetraédrico y el aislamiento y síntesis de colorantes cobró gran importancia. Kekulé estableció la fórmula del benceno. A principios del siglo xx, Werner estudió la química de los compuestos metálicos y originó la química de coordinación. La química de explosivos se desarrolló notablemente a causa de las primera y segunda guerras mundiales. Se aislaron antibióticos y en los últimos 40 años el aspecto de investigación en química se tornó inmenso. 1.2 El método científico y sus aplicaciones La Química se desarrolla día tras día e interviene en todos los aspectos de nuestro acontecer, hasta el momento mismo de la muerte. Al observar algún objeto detenidamente podemos preguntarnos: ¿de qué material está hecho? ¿A quién se le ocurrió fabricarlo? ¿Con qué motivo? ¿En qué momento lo hizo?, etc. La solución de éstas y otras interrogantes ha proporcionado fuentes de sabiduría y entendimiento para que la Química haya logrado grandes avances, en combinación con otras disciplinas (electrónica, mecánica, biología, computación, medicina, etc.), las cuales han dado como resultado que el hombre goce de una vida más cómoda. En la Antigüedad, la Química sólo utilizaba sus hallazgos empíricos sin entender el principio de estas observaciones. El triunfo del método experimental en el siglo xix y la racionalización científica de él en el siglo xx originaron la investigación en química de acuerdo con el método científico. La expresión método científico se utiliza con diferentes significados y, a menudo, se abusa de ella para justificar una determinada posición personal o social con relativo desconocimiento de la complejidad del concepto. Como su propio nombre indica, representa la metodología que define y diferencia el conocimiento de la ciencia de otros tipos de conocimientos. 15 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida La filosofía de la ciencia crea el método científico para excluir todo aquello que tiene naturaleza subjetiva y, por lo tanto, no es susceptible de formar parte de lo que denomina conocimiento científico. En última instancia, aquello que es aceptado por el sentido común propiamente dicho y, por ello, adquiere carácter de generalmente aceptado por la comunidad científica y la sociedad. El método deductivo, el método inductivo y el método hipotético-deductivo son los tres métodos científicos a que se refiere la denominación genérica de método científico. c) Formulación de la hipótesis d) Planteamiento de los objetivos e) Diseño del experimento f) Obtención de resultados g) Conclusiones Identificación de problemas y formulación de preguntas de carácter científico El razonamiento constituye un estricto proceso de deducción, proceso del que están excluidos la imaginación y el pensamiento intuitivo. Figura 1.31 A través de la Química se han logrado grandes avances que proporcionan salud y bienestar a la humanidad. La primera característica del método científico es su naturaleza convencional; servir de marco de generación del conocimiento objetivo. Por ello existen múltiples características en función de la perspectiva con que se clasifiquen, se estudien e incluso se denominen. Lo primero que llama la atención es el hecho de que los dos primeros tienen un nombre difícil de distinguir, pues en el ámbito lingüístico, pueden representar un solo concepto con dos manifestaciones: razonamiento en una dirección o en la contraria, de lo general a lo particular o viceversa. El problema se deriva de la dificultad conceptual de separar un método científico de otro de una forma clara por tener elementos comunes; evidentemente los términos elegidos no ayudan a retener en la memoria estos dos conceptos de método científico. Tampoco ayuda mucho la denominación del tercer método científico. Una característica de ambos métodos es que pueden ir de lo general a lo particular o viceversa, en un sentido o en el inverso. Ambos utilizan la lógica y llegan a una conclusión. En última instancia, siempre tienen elementos filosóficos subyacentes. Ambos suelen ser susceptibles de contrastación empírica. Aunque el método deductivo es más propio de las ciencias formales y el inductivo de las ciencias empíricas, nada impide la aplicación indistinta de un método científico u otro a una teoría concreta. La investigación en Química se lleva a cabo utilizando el método científico, que puede resumirse brevemente en los siguientes pasos o etapas: a) Observación del fenómeno b) Planteamiento del problema 16 La identificación del problema es la pregunta científica por resolver, se expresa mejor con una pregunta abierta. Las expresiones del pensamiento constituyen preguntas y problemas por resolver, o bien, respuestas y soluciones a las indagaciones realizadas. En este sentido, el curso del conocimiento científico consiste en una sucesión ininterrumpida de problemas que surgen a partir de los resultados obtenidos en las investigaciones anteriores y se resuelven mediante el razonamiento y la experimentación. Para encontrar la solución de esos problemas, la actividad científica ha establecido procedimientos adecuados y establece continuamente otros nuevos. Entre ellos se encuentran los experimentos que nos informan, exacta y completamente como es posible, acerca de los procesos naturales y sociales, lo mismo que sobre sus conexiones activas y su mutua causalidad. También se encuentran las teorías, que nos permiten reunir los resultados de los experimentos en una explicación común, necesaria y su­ ficiente. Por ultimo, tenemos la aplicación de dichas teorías para intervenir, de manera directa y concreta, en el comportamiento de los procesos de la sociedad y de la naturaleza, haciendo que produzcan la satisfacción de las necesidades humanas y resolviendo prácticamente, de esta manera, los problemas que impulsan la propia actividad científica. Figura 1.32 Los científicos trabajan arduamente en el descubrimiento de nuevas sustancias para el bienestar del hombre; por ejemplo, nuevos medicamentos. En términos generales, por problema entendemos cualquier dificultad que no se puede resolver de manera automática, es decir, con la sola acción Grupo Editorial Patria® de nuestros reflejos instintivos y condicionados, o mediante el recuerdo de los que hemos aprendido anteriormente. Por otra parte, además de los problemas que nos imponen en forma directa las condiciones naturales y sociales en que vivimos, constantemente estamos creando o inventando otros problemas; por ejemplo, la explicación de los procesos recién descubiertos, la demostración de teoremas, la verificación de hipótesis, la decisión entre dos o más teorías en pugna, o bien, la transformación de la naturaleza y la sociedad. Formulación de la hipótesis Es la explicación que nos damos ante el hecho observado. Su utilidad consiste en que nos proporciona una interpretación de los hechos de que disponemos, interpretación que debe ser puesta a prueba por observaciones y experimentos posteriores. Las hipótesis no deben ser tomadas nunca como verdaderas, debido a que un mismo hecho observado puede explicarse mediante numerosas causas. La finalidad de una buena hipótesis consiste solamente en darnos una explicación para estimularnos a hacer más experimentos. Obtención y registro de información Primero, se hace un plan de cómo se probará la hipótesis, cuáles materiales y equipos serán necesarios, qué personas asesorarán y en qué lugar y tiempo se hará la investigación. Figura 1.33 Esquema de la descomposición de la luz. Este experimento conduce a la reproducción del arco iris. sugiere el siguiente formato para presentar un informe de investigación: n Experimentación Una vez que tengas clara tu hipótesis, debes diseñar la forma en que vas a demostrarla. Es decir, tienes que diseñar un experimento en el que puedas probar tu hipótesis. Lo anterior se conoce como plan de investigación o procedimiento experimental. Al diseñar un experimento es importante conocer lo que son variables y controles. Para que un experimento te dé las respuestas en las que puedas confiar debe tener un control, es el punto de referencia neutral para poder comparar el efecto de los cambios que haces en tu experimento. • Título • Autor • Institución n Resumen n Introducción n Método • Sujetos • Instrumentos Contrastación de resultados En esta etapa del método se analizan los datos derivados de la experimentación para dar una explicación del comportamiento de los fenómenos que se observan, además de confrontarse la hipótesis con dicho comportamiento y así concluir si la hipótesis es satisfactoria o se requiere formular una nueva. Comunicación de las conclusiones Se concluye finalmente aprobando o desechando o invalidando la hipótesis formulada y dando un resumen final de lo obtenido. Se Informe de investigación: • Procedimiento n Resultados n Discusión y/o conclusiones n Referencias Si se analiza la secuencia de pasos, se observa que el paso determinante es la formulación de la hipótesis. La historia ha mostrado la formulación de hipótesis falsas puede llevar a retrasos en el avance de la ciencia. Por ejemplo, la hipótesis de la transmutación de los metales es falsa. 17 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Ahora bien, aunque éstas sean las etapas ideales en el método científico, no siempre se puede llevar a cabo una investigación que cumpla fielmente con todas ellas. Ejemplo de las etapas del método científico en un problema sencillo. a) Observación. Aparición del arco iris después de la lluvia. b) Problema. ¿A qué se debe la aparición del arco iris? c) Formulación de la hipótesis. El arco iris es la descomposición de la luz blanca por las gotas de lluvia. Las leyes científicas a menudo se expresan con simples relaciones matemáticas. Su razón de ser corresponde al comportamiento de la naturaleza, por lo que generalmente no aparecen como obvias de una manera inmediata. Por ejemplo, el enunciado de la Ley de Boyle: “El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión ejercida sobre él”, cumple con este criterio (y es derivada de la teoría cinética de los gases). A continuación se muestra el esquema de la interrelación de actividades en el método científico: d) Objetivo. Comprobación de la hipótesis por medio de la reproducción de un fenómeno natural en el laboratorio. Interrelación de actividades en el método científico e) Diseño del experimento. Se simula la luz solar con un foco de luz blanca y las gotas de lluvia con un prisma. Se alinean ambos objetos hasta encontrar las condiciones de distancia e intensidad que reproduzcan el fenómeno natural. f) Realización del experimento. Se ubica la fuente luminosa a una distancia dada del prisma y se gira sobre su eje hasta obtener el mejor arco iris artificial; se tienen dos variables: Teoría Observaciones Hipótesis Observaciones Experimentos Experimentos A. La distancia del foco al prisma. B. El ángulo de recepción de la luz sobre el prisma. g) Obtención y manejo de resultados. La posición de la fuente luminosa se fija y se procede a acercar y alejar el prisma (variable A) y a guiarlo (variable B) hasta encontrar la mejor proyección del arco iris sobre la pantalla colocada para este fin. h) Conclusiones (emisión de una teoría en un caso dado). La luz visible está compuesta por la serie espectral de colores correspondientes a la región visible del espectro electromagnético. Los resultados que se pueden obtener de un experimento como éste pueden ir más allá del objetivo fijado, que es la comprobación de la hipótesis por la reproducción de un fenómeno natural; ya que además es posible obtener los colores que forman la luz blanca y su orden entre sí. Cuando las observaciones llevan implícito un problema más complejo, entonces los incisos b y d contendrán, respectivamente, diversos problemas y objetivos, y los resultados llevarán a la comprobación o negación de las hipótesis correspondientes. La Química, como la gran mayoría de las ciencias, pertenece a las ciencias factuales, es decir, que se fundamentan en hechos basados en la observación, experimentación y comprobación, siguiendo los pasos del método científico. Otro producto de la investigación científica es la ley científica. Una ley científica es un enunciado preciso que resume los resultados de una amplia variedad de observaciones y experimentos. Una ley científica es diferente a una teoría, ya que esta última no sólo describe el fenómeno natural; sino que, además, intenta explicarlo. 18 Ley Este esquema del método científico muestra cómo las observaciones experimentales nos llevan al desarrollo de hipótesis y teorías. Una ley científica resume los resultados de muchos experimentos, pero no explica el porqué del comportamiento observado; ésa es la función de la hipótesis y la teoría. Es importante mencionar que, aunque los científicos utilizan los mismos hechos científicos, a menudo están en desacuerdo en la forma en que el conocimiento científico debería ser usado. Por ejemplo, un químico puede crear un nuevo producto químico para su uso como pesticida, mientras que otro apunta los peligros (sobre todo ecológicos o ambientales) de éste. A continuación se presentan cuatro problemas para que realices una investigación en química, aplicando el método científico experimental. Problema 1. Enciende una vela y obsérvala detenidamente, ¿qué se está quemando?, ¿la cera?, ¿el pabilo?, ¿el aire? Problema 2. Después de un rato el tamaño de la vela disminuye, ¿se está perdiendo masa? ¿Hacia dónde se va el calor? Grupo Editorial Patria® Selecciona uno de los cuatro problemas anteriores y para resolver el que hayas elegido, realiza cada uno de los pasos que se te indican a continuación. Recuerda que no hay un método único y no en todas las investigaciones se aplican todos los pasos. Paso núm. 1. Delimitación del problema. De los cuatro problemas anteriores, selecciona uno y anótalo en tu cuaderno. Paso núm. 2. Formulación de la hipótesis. Problema 3. Enciende una vela, colócala en un pequeño plato y cúbrela con un vaso grande. ¿Por qué se apaga si no dejas entrar aire? Después de tu observación, establece una hipótesis que dé respuesta a las preguntas que se te hacen en el planteamiento del problema seleccionado. Paso núm. 3. Diseño del experimento. Está indicado el procedimiento a seguir en el problema seleccionado para que experimentes y puedas comprobar tu hipótesis. Paso núm. 4. Obtención de resultados. ¿Por qué se apaga cuando le soplas con fuerza? Al realizar el experimento anota los resultados que vayas obteniendo al observar detenidamente lo que ocurre durante el mismo. Paso núm. 5. Conclusiones. Problema 4. Repite el experimento anterior, pero ahora coloca la vela en un plato con agua. ¿Por qué al apagarse la vela sube el nivel del líquido dentro del vaso? Analiza los resultados obtenidos y emite las conclusiones correspondientes. Paso núm. 6. Presentación del informe. Comunica las conclusiones obtenidas mediante un informe por escrito. 19 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Situación didáctica ¿El conocimiento surgido por serendipia es válido científicamente? Realiza la siguiente lectura sobre los temas: “Origen de la palabra serendipia” y “Cómo se han dado los descubrimientos en la historia de la Química”. Origen de la palabra Serendipia Si buscas la palabra “Serendipia” en el Diccionario de la Real Academia Española será infructuoso, no aparece. El término se le atribuye a Horace Walpole (1717-1791), noble inglés, escritor y crítico de arte que vivió en las afueras de Londres. En 1740, de viaje en Florencia, Walpole entabla amistad con Horacio Mann y aunque no vuelven a verse, mantienen una correspondencia de cerca de 1 800 cartas. Es precisamente en una de esas misivas (fechada el 18 de enero de 1754) que Walpole hace uso de la palabra “Serendipia” por primera vez… “serendipia, una palabra muy expresiva, que como no tengo nada mejor que decirte voy a intentar explicártela; la entenderás mejor por derivación que por definición. Una vez leí un cuento tonto llamado Los tres Príncipes de Serendipia (se supone que Serendipo era el nombre antiguo de Ceylán, actualmente Sri Lanka), mientras sus altezas viajaban iban siempre haciendo descubrimientos, por accidentes y sagacidad, de cosas que no estaban buscando… ¿entiendes ahora lo que es “Serendipia”? Como lo hizo en su carta Walpole Mann, por derivación, usando para ello ejemplos que han trascendido hasta nuestros días. Cómo se han dado los descubrimientos en la historia de la Química Figura 1.34 Los esposos Curie pioneros en la radiactividad artificial. El nacimiento de la Química puede situarse cuando el hombre primitivo se percata de su capacidad para mejorar lo que la naturaleza le ofrece. Al observar los fenómenos naturales descubre que las propiedades de lo que le rodea (ma- Secuencia didáctica Trabajo individual n n 20 Investiga tres descubrimientos que hayan sido por accidente. Haz una investigación utilizando los contenidos de las lecturas anteriores sobre el concepto de investigación, método científico y Serendipia. ¿Cómo lo resolverías? teria) pueden cambiar. Con el descubrimiento del fuego se encuentra en posición de resolver sus problemas diarios de una forma más efectiva. Usa el barro cocido para hacer ladrillos y desarrollar la alfarería. Por medio del método de prueba y error descubre la cerámica, el vidrio y el vidriado. Con ese mismo método avanza desde la Edad de Piedra, pasando por las de Bronce y Hierro, hasta las antiguas culturas, egipcia y griega. Los avances de lo que se podía considerar “Química” en ese tiempo contribuyeron al desarrollo de los fundamentos de la civilización. Son los filósofos griegos los primeros en proponer explicaciones acerca de la composición y estructura de la materia. La Química moderna nace de lo que puede considerarse una seudociencia: la alquimia. Los alquimistas se dedican a buscar técnicas para convertir la materia en oro y el elixir mágico de la vida (la fuente de la eterna juventud). Aunque nunca consiguen alcanzar sus objetivos, generan en esa incesante búsqueda un amplio caudal de conocimientos químicos. Este periodo se extiende hasta el siglo xviii de nuestra era. A partir del siglo xviii puede considerarse que inicia la Química moderna y con ella otro método de trabajo para producir descubrimientos: las investigaciones planeadas. El descubrimiento por una investigación planeada surge de la realización de experimentos específicos para probar una hipótesis bien definida. La naturaleza carcinogénica (que produce cáncer) de algunos compuestos, así como el diseño de drogas (basado en el conocimiento de las interacciones moleculares) que permiten su acción en sitios específicos del cuerpo, representan ejemplos de ello. n Priestley rompió un termómetro y la porción de mercurio que había adentro lo condujo al descubrimiento del oxígeno. n Takamine derramó un poco de amoniaco en una preparación de glándulas suprarrenales y obtuvo cristales de adrenalina. n Schoenbein derramó una mezcla de ácidos, sulfúrico y nítrico, en la cocina de su casa y al limpiarlos con el delantal de algodón de su esposa produjo el algodón pólvora (nitrocelulosa). En resumen, cada investigador estaba efectuando algún experimento cuando “accidentalmente” encontró algún fenómeno que no había considerado inicialmente. ¿Qué tienes que hacer? Trabajo por equipos n Cada miembro del equipo presenta los resultados de su investigación de manera que todos definan un concepto propio sobre Serendipia y método científico. n n Grupo Editorial Patria® Discutirán en equipo si los descubrimientos hechos por Serendipia, tienen la misma validez que los descubrimientos por el método científico. El equipo hará una presentación de los resultados de esta investigación. Rúbrica Investigación individual que debe incluir: la definición de los conceptos solicitados, los datos básicos y estar escrita en letra legible. Con la dirección del profesor organicen un debate sobre el contenido de la lectura. La mitad del grupo debe defender lo que expone dicha lectura y la otra tiene que desacreditarlo. Utilizando su cuaderno, anoten ejemplos de la situación que describe la lectura y establezcan sus conclusiones. Pueden utilizar como guía las siguientes preguntas: n n n ¿Qué entienden por la palabra Serendipia? ¿Consideran que por medio de la Serendipia puede pronosticarse si hoy va a llover? ¿Alguna vez ustedes han obtenido conocimiento por Serendipia? Si la respuesta es afirmativa, ¿en qué casos? n Evidencias a recopilar n n Investigación individual sobre dos descubrimientos por accidente. Cinco descubrimientos que se lograron aplicando el método científico. ¿Cómo sabes que lo hiciste bien? n ¿Qué importancia tuvieron para la Química moderna, los descubrimientos de los alquimistas? Autoevaluación Con el propósito de revisar si adquiriste los conocimientos del bloque, pregúntate lo siguiente: n n n n ¿Por qué la Serendipia ha sido importante para el estudio de la Química? ¿Leí todo el contenido del bloque? Cuando lo hice, ¿comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta que lo comprendí? ¿Puedo definir con mis propias palabras Serendipia? ¿Identifico la importancia de seguir el método científico en una investigación? Actividad de aprendizaje Investiga qué producto se obtiene al fermentarse cada una de las siguientes sustancias. Sustancia Producto obtenido en la fermentación Sustancia a) Uva b) Manzana c) Piña d) Leche Producto obtenido en la fermentación 21 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Producto obtenido en la fermentación Sustancia e) Aguamiel Explica brevemente lo siguiente. a) Proceso químico de la fermentación b) Importancia industrial de la fermentación Reúnete con dos o tres de tus compañeros o compañeras y realicen las siguientes actividades experimentales en casa. Sigan las instrucciones, contesten las preguntas correspondientes y redac- ten un informe escrito donde analicen los resultados y presenten las conclusiones. Comparen sus respuestas con otros compañeros de grupo. Actividad experimental Elaboración de una pelota de hule ¿Por qué? Propósito Obtener un producto de origen sintético. Material n 50 g de bórax n 50 mL de agua caliente n Resistol 850 n 2 vasos de precipitados n Un agitador n Una cuchara Procedimiento 1. En un vaso de precipitados viertan una cucharada de bórax y cinco de agua caliente. Mezclen perfectamente con el agitador. 2. Agreguen dos cucharadas de Resistol 850 y con las dos manos denle forma esférica. ¿Qué observan? ¿De qué tipo de material es la pelota? 22 ¿Qué pasa si cambian las cantidades utilizadas de bórax y Resistol para elaborar otra pelota? Háganlo y registren la diferencia con la anterior: Anoten sus conclusiones y describan el impacto que tiene en el medio ambiente el mal uso de los productos de origen sintético: Grupo Editorial Patria® Actividad de aprendizaje con TIC Aplicación de las TIC. Auxiliándote con tu móvil, iPad o iPhone, completa el siguiente crucigrama. Revista Conversus. Pág. 62, 2009. HORIZONTALES 1. Este físico germano-holandés fue fabricante de instrumentos meteorológicos. En 1774 hizo su gran descubrimiento al sustituir el alcohol por el mercurio en los termómetros, pues inventó un método para purificar el mercurio para que no se pegara al estrecho tubo del termómetro. 6. Estudió física, sin embargo, se decidió por la ingeniería civil y fue profesor en la Universidad de Glasgow. Él publicó el Manual de la máquina de vapor en 1859, que introdujo a los ingenieros en el dominio de la termodinámica. Usó una escala de temperaturas que empezaba con el cero absoluto y que estaba asociada con los grados Fahrenheit. 7. Este bioquímico nació en Praga en 1896. Se educó en Trieste, pero sus estudios de medicina los llevó a cabo en la universidad de Praga. Se casó con Gerty Theresa Radnitz, una compañera de clase, la cual colaboraría con sus trabajos de investigación. Durante los años 30 este matrimonio investigó cómo el glicógeno, el hidrato de carbono almacenado en el hígado y en el músculo se degradaba en el cuerpo y se volvía a sintetizar. Por sus trabajos sobre el proceso de degradación del glicógeno, la pareja compartió con Bernardo Alberto Houssay el Premio Nobel de Medicina en 1947. 8. Este físico y químico nació en Irlanda en 1627. Al mejorar la bomba de vacío, dejó caer dos objetos de distinto peso por un tubo que se le extrajo el aire y comprobó que llegaban al fondo con la misma velocidad todos los objetos en este vacío. En 1662 descubrió que el aire no solo es comprimible, sino que la compresibilidad del aire era inversamente proporcional a la presión que se ejerciera. El científico transformó la alquimia en química en 1661 con la publicación de su libro El químico escéptico. VERTICALES 1. Este matemático francés nació en 1601. Él se dedicó a las matemáticas para su entretenimiento personal y junto con Pascal fundó la teoría de las probabilidades. No publicó sus descubrimientos ya que tenía la costumbre de registrar y hacer sus deducciones y cálculos en los márgenes de los libros o en cartas enviadas a sus amigos. El resultado de esto fue el perderse el honor de acreditarse el descubrimiento de la geometría analítica. 2. Este físico estadounidense nació en New York en 1791. A los trece años fue aprendiz de relojero. Después de Benjamín Franklin fue el segundo estadounidense en realizar experimentos con la electricidad. Uno de sus descubrimientos señala que una corriente eléctrica que circula por una espiral no puede inducir otra corriente, no sólo en otra espiral sino en ella misma. 3. Este filósofo griego después de enseñar en distintos lugares, decidió fijar su residencia en Atenas en el año 306 a.C. Su escuela fue la primera en admitir a estudiantes mujeres. Su filosofía era mecanicista y consideraba el placer como el don más importante. Él consideraba que el mayor placer consistía en vivir moderadamente, en comportarse amablemente y en disipar el miedo a los dioses y a la muerte. 4. Este naturalista alemán fue profesor de anatomía comparada en el Instituto Zoológico de Jena. Fue el primer biólogo alemán que estuvo más adelante que Darwin. Sin embargo, él creyó que la vida provenía de un modo evolucionista de lo inanimado y que la psicología no era más que una rama de la fisiología de manera que para él la mente encajaba, también, en el esquema de la evolución. 5. Este microbiólogo sudafricano- estadounidense inició sus estudios en la Universidad de Capetown, pero al trasladarse a Londres los interrumpió pasando cuatro años en un hospital donde adquirió mucha experiencia en trabajos prácticos. En 1922 aceptó un puesto en la Harvard University Medical School. Durante esta década empezó a investigar sobre la fiebre amarilla obteniendo una vacuna para ésta. En 1937 preparó una vacuna más segura, la cual fue empleada en América del Sur. Por este trabajo de investigación, todavía sin títulos académicos recibió el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1951. 1 2 3 4 5 6 7 8 Actividad de aprendizaje Consulta la Revista Conversus del Instituto Politécnico Nacional No. 73, del mes de Septiembre del año 2008, de las páginas 11 a la 16, sobre el tema Anuario de Mentes Brillantes y redacta un reporte máximo de 2 cuartillas, y envíaselas a tu profesor por correo electrónico. [email protected]. 23 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Actividad de aprendizaje con TIC Instrucciones: Forma equipo con tres compañeros y cada quien anote en la tabla 20 objetos usados en un día. Comparen las tablas y realicen una por equipo, luego preséntenla al grupo y envíenla por internet a su profesor. Contesten las preguntas. Objeto o sustancia Usado para… De origen natural De origen sintético a) ¿Qué tipo de materiales prefieren usar, los de origen natural o los sintéticos? ¿Por qué? b) Al desechar los productos utilizados, ¿cuáles son más factibles de reutilizar? ¿Por qué? c) ¿Cuáles son más utilizados por las personas, los sintéticos o los naturales? 24 Grupo Editorial Patria® Instrumentos de evaluación Heteroevaluación Ha llegado la hora de que demuestres realmente cuánto has aprendido, hemos terminado este bloque y ahora ya conoces muchas cosas nuevas. En esta sección encontrarás una heteroevaluación que abarca todo el conocimiento adquirido en este bloque, contéstala lo mejor que puedas. 1. La expectativa de vida de un ciudadano mexicano en la actualidad es de 70 años. Hace 18 años era de 56 años. En tu opinión a qué se debe este espectacular incremento en la esperanza de vida de los mexicanos. Explica tu respuesta. 6. Consulta en el empaque o envase de los productos que se listan, la información nutrimental que presenta cada uno en relación con el contenido energético, proteínas, carbohidratos, grasas y vitaminas. Completa la información que se pide, contesta las preguntas y elabora un informe escrito donde muestres los resultados y presentes conclusiones. a) Hojuela de trigo integral 2. En una revista científica, aparece un artículo del Dr. X, en el cual se menciona que él encontró un remedio para curar la diabetes. El remedio es un extracto de zanahoria. ¿Cómo clasificarías este artículo? a) Hecho b) Teoría c) Hipótesis d) Mentira Argumenta tu respuesta seleccionada. 3. Investiga qué tipo de profesionistas del área de la Química son requeridos por las industrias que están localizadas cerca de tu comunidad. Anota el nombre de la industria y el profesionista requerido. b) Jugo de fruta c) Leche evaporada d) Yogur e) Queso f ) Jamón ¿Qué importancia tiene para ti la información nutrimental de un producto? ¿Cómo puedes mejorar tu rendimiento físico? ¿Qué tipo de información nutrimental te agradó más? 4. ¿Cuál es el rol de la ciencia al tomar decisiones relacionadas con el ambiente? 5. ¿Cuál es el objetivo principal de los químicos en su trabajo? Conclusiones. 25 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida 7. Según tu opinión, ¿por qué es importante estudiar Química? b) 8. Cita el lugar de la casa donde se presenta el mayor número de transformaciones químicas diariamente. c) 9. ¿De qué sustancias químicas están constituidos principalmente los seres vivos? Menciona la importancia que tiene esta información en nuestra vida cotidiana. d) 10. Escribe cinco materiales que se puedan reciclar, ejemplifica con casos reales los productos que surgen como parte del reciclaje. a) 26 e) Grupo Editorial Patria® Portafolio de evidencias El portafolio de evidencias es un método de evaluación que consiste en: • Recopilar los diversos productos que realizaste durante cada bloque (investigaciones, resúmenes, ensayos, síntesis, cuadros comparativos, cuadros sinópticos, el reporte de prácticas de laboratorio, talleres, líneas del tiempo, entre otros), que fueron resultado de tu proceso de aprendizaje en este curso. • No vas a integrar todos los instrumentos o trabajos que realizaste; más bien, se van integrar aquellos que tu profesor(a), considere son los más significativos en el proceso de aprendizaje. • Te permiten reflexionar y darte cuenta de cómo fue tu desempeño durante el desarrollo de las actividades de aprendizaje realizadas. Etapas para realizar tu portafolio de evidencias Instrucciones para seleccionar las evidencias 1.Comenta con tu profesor(a) el propósito de tu portafolio y su relación con los objetos de aprendizaje, competencias a desarrollar, desempeños esperados, entre otros elementos; acuerden el periodo de compilación de los productos (por bloque, bimestre, semestre). 1. Realiza todas las evidencias y así podrás incluir las que elaboraste de manera escrita, audiovisual, artística entre otras. 2.Haz un registro de los criterios que debes considerar al seleccionar tus evidencias de aprendizaje. 3.Todas las evidencias seleccionadas deben cumplir con el propósito del portafolio en cantidad, calidad y orden de presentación. 2. Selecciona aquellas que den evidencia de tu aprendizaje, competencias y desempeños desarrollados, y que te posibiliten reflexionar sobre ello. 3. Comenta con tu profesor(a) todas las dudas que tengas. Propósito del portafolio de evidencias Semestre Observa los resultados del proceso de formación a lo largo del semestre, así como el cambio de los procesos de pensamiento sobre ti mismo y lo que te rodea, a partir del conocimiento de los distintos temas de estudio, en un ambiente que te permita el uso óptimo de la información recopilada. Asignatura Número de bloques del libro Nombre del estudiante: Criterios de reflexión sobre las evidencias Comentarios del estudiante: ¿Cuáles fueron los motivos para seleccionar las evidencias presentadas? ¿Qué desempeños demuestran las evidencias integradas en este portafolio? ¿Qué competencias se desarrollan con las evidencias seleccionadas? ¿Las evidencias seleccionadas cumplieron con las metas establecidas en el curso? ¿Qué mejoras existen entre las primeras evidencias y las últimas? Monitoreo de evidencias # Título Fecha de elaboración Comentarios del profesor(a) 1 2 3 4 5 27 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Guía de observación Instrumento de evaluación para la sección Aplica lo que sabes, de la página 9. Objeto de aprendizaje 1.1. La Química. Nombre del estudiante: Criterio 1. Hice todas las anotaciones solicitadas. 2.Toda la información que anoté se refiere a productos químicos utilizados en el hogar (propiamente se usan en la cocina). 3. Señalé correctamente todos los productos que se solicitan. 4. Realicé la investigación sobre la utilidad de los productos. 5. Busqué en fuentes bibliográficas confiables y actualizadas. 6. Anoté la referencia de las fuentes de información consultada. 7.Analicé las diversas sustancias que contiene cada producto. 8.Aporté elementos importantes y que retroalimentan los conocimientos adquiridos. 9.Me sirvió la información para comprender el origen de las fuentes de contaminación en el medio ambiente. 10. Aprendí nuevas formas de utilizar y reutilizar productos químicos en mi vida diaria. 11. Relacioné los contenidos con ejemplos cotidianos. 12.Aporté datos más allá de lo que se solicita. 13. Realicé la actividad en casa. 14. Mis respuestas son claras y congruentes. 15.Respondí a todas las indicaciones. 16.Me gustó la actividad. 17.Socialicé mis respuestas. 18. Proporcioné mi punto de vista y lo argumenté con base en el desarrollo de los contenidos. 19. ¿En qué debo mejorar? 28 Fecha: Cumple Sí No Observaciones Grupo Editorial Patria® Guía de observación Instrumento de evaluación para la Actividad experimental, página 22. Objeto de aprendizaje 1.2. El método científico y sus aplicaciones. Equipo: Integrantes 1. 2. 3. Nombre de la(del) profesora(or): Actividad: Elaborar una pelota de hule Propósito: Obtener un producto de origen sintético. Criterio Fecha: ¿Lo realizó? Sí No ¿Por qué? 1. Asistieron todos los integrantes a la actividad. 2. Participaron de forma equitativa. 3. Utilizaron correctamente el material de laboratorio. 4. Comprendieron el propósito de la actividad. 5. Se ajustaron al procedimiento para la elaboración del producto. 6. Lograron el objetivo de la actividad. 7. Realizaron todas las anotaciones, de acuerdo con lo solicitado. 8. Las respuestas son claras y congruentes. 9.Relacionaron la información con los conocimientos teóricometodológicos, analizados en clase. 10. Emitieron su postura sobre el daño que causan los productos de origen sintético al medio ambiente. 11. Realizaron aportaciones relevantes a la actividad. 12.Aprendieron nuevas formas de utilizar y reutilizar productos de uso cotidiano. 13. La actividad ayudó a comprender el origen de diversas fuentes que dañan al medio ambiente. 14. Comentaron, de forma individual, su opinión sobre la actividad. 15.Emitieron conclusiones, con base en la actividad. 16.Elaboraron el informe y anotaron los resultados de la actividad. 17. ¿En qué debo mejorar? Comentarios generales: 29 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Lista de cotejo Con base en el documento Lineamientos de evaluación del aprendizaje (DGB, 2011), el objetivo de las listas de cotejo es determinar la presencia de un desempeño, por tanto es necesario identificar las categorías a evaluar y los desempeños que conforman cada una de ellas. Instrucciones: Marcar con una 7 , en cada espacio donde se presente el atributo. Estructura 1. Cuenta con una carátula con los datos de identificación del elaborador. 2. Cuenta con un apartado de introducción. 3.Cuenta con un apartado de conclusión. 4.Cuenta con un apartado en que se señalan las fuentes de referencia utilizadas. Estructura interna 5. Parte de un ejemplo con reto y se desarrolla hasta generalizarlo. 6. Parte de una situación general y la desarrolla hasta concretarla en una situación específica. 7. Los argumentos a lo largo del documento se presentan de forma lógica y son coherentes. Contenido 8. La información presentada se desarrolla alrededor de la temática, sin incluir información irrelevante. 9. La información se fundamenta con varias fuentes de consulta citadas en el documento. 10. Las fuentes de consulta se contrastan para apoyar los argumentos expresados en el documento. 11. El alumnado jerarquiza la información obtenida, destacando aquella que considera más importante. 12. Hace uso de imágenes/gráficos de apoyo, sin abusar del tamaño de los mismos. Aportaciones propias 13. El alumnado señala en las conclusiones lo aprendido a través de su investigación y su aplicación a su vida cotidiana. 14. Las conclusiones desarrolladas son de producción propia. 15. El alumno elabora organizadores gráficos para representar de manera sintética grandes cantidades de información. Interculturalidad 16. Las opiniones emitidas en el documento promueven el respeto a la diversidad. Total 30 Grupo Editorial Patria® Escala de clasificación La escala de clasificación sirve para identificar la presencia de determinado atributo y la frecuencia que ésta presenta (Lineamientos de evaluación del aprendizaje. DGB, 2011). Este instrumento puede evaluar actividades de aprendizaje, ejercicios, talleres, prácticas de laboratorio; cualquier tipo de exposición podrá ser adaptado a las necesidades específicas de cada tema. Instrucciones: indique con qué frecuencia se presentan los siguientes atributos durante la práctica de las técnicas de representación. Encierre en un círculo el número que corresponda si: 0 no se presenta el atributo; 1 se presenta poco; 2 generalmente se presenta; 3 siempre presenta el atributo. Contenido 1. Desarrolla los puntos más importantes del tema. 0 1 2 3 2. Utiliza los conceptos y argumentos más importantes con precisión. 0 1 2 3 3. La información es concisa. 0 1 2 3 4. Relaciona los conceptos o argumentos. 0 1 2 3 5. Presenta transiciones claras entre ideas. 0 1 2 3 6. Presenta una introducción y conclusión. 0 1 2 3 7. Utiliza ejemplos que enriquecen y clarifican el tema de exposición. 0 1 2 3 8. Incluye material de elaboración propia (cuadros, gráficas, ejemplos) y se apoya en ellos. 0 1 2 3 0 1 2 3 10. La información se presenta sin saturación, con fondo y tamaño de letra ideales para ser consultados por la audiiencia. 0 1 2 3 11. Se basa en la diapositiva leyendo los apoyos y los desarrolla. 0 1 2 3 12. Articulación clara y el volumen permite ser escuchado por la audiencia. 0 1 2 3 13. Muestra constante contacto visual. 0 1 2 3 14. +/– dos minutos de tiempo asignado. 0 1 2 3 Coherencia y organización Aportaciones propias Material didáctico 9. El material didáctico incluye apoyos para exponer la información más importante del tema. Habilidades expositivas Total Puntaje total 31 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía 5 horas Objetos de aprendizaje 2.1 Materia: propiedades y cambios 2.2 Energía y su interrelación con la materia Competencias a desarrollar n n n n n Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. n n n n Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente. ¿Qué sabes hacer ahora? Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. Es la energía producida por la fuerza del viento: b) solar c) eólica d) marítima ( ) a) geoésica Es la energía almacenada que poseen los cuerpos con base en su posición: b) cinética c) potencial d) calorífica ( ) a) eléctrica Cuando una sustancia cambia del estado sólido al gaseoso, se lleva a cabo una: b) deposición c) sublimación d) solidificación ( ) a) fusión Desempeños por alcanzar n n n n n n Comprende el concepto, las propiedades y los cambios de la materia. Caracteriza los estados de agregación de la materia. Expresa algunas aplicaciones de los cambios de la materia en los fenómenos que observa en su entorno. Promueve el uso responsable de la materia para el cuidado del medio ambiente. Distingue entre las fuentes de energías limpias y contaminantes. Argumenta la importancia que tienen las energías limpias en el cuidado del medio ambiente. ( ) Se realiza un cambio químico durante: a) la fusión del fierro b) el calentamiento del agua c) la corrosión de un metal d) el viento de un huracán ( ) Propiedad que identifica al cloruro de sodio (NaCl) o sal de mesa: a) color b) forma c) punto de ebullición d) olor ( ) Principal fuente de energía con que cuenta el hombre: a) petróleo b) carbón c) sol d) gasolina ( ) Es un ejemplo de energía potencial: a) una resortera lista para disparar b) la luz del sol c) el viento de un huracán d) un atleta corriendo ( ) Una propiedad particular de la materia es la ductilidad, la cual se manifiesta cuando un metal: a) conduce la corriente eléctrica b) se hila c) se lamina d) se oxida ( ) Son ejemplos de compuestos: a) agua de mar, agua azucarada b) hierro, bronce c) cloruro de sodio, cal d) vidrio, mayonesa ( ) Propiedad general de la materia: a) punto de fusión b) masa c) energía d) espacio 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía Situación didáctica ¿Cómo sería la vida sin petróleo como combustible en el año 2029? En el siglo pasado (1977), la famosa revista Time pidió al escritor de ciencia ficción Isaac Asimov que describiera un mundo sin gasolina. Asimov decidió situar su predicción 20 años en el futuro (1997), comentando lo siguiente: “Cualquier persona mayor de 10 años es capaz de recordar los automóviles. Desaparecieron poco a poco. Al principio se elevó el precio de la gasolina: se fue hasta las nubes. Al final solamente los ricos manejaban lo que era una clara indicación de que estaban nadando en dinero, de modo que cualquier automóvil que se atrevía a aparecer en las calles era volcado y quemado. Se introdujo el racionamiento para ‘igualar el sacrificio’, pero cada tres meses se reducía la ración. Los autos simplemente desaparecieron y se volvieron parte de los recursos de metal.” ¿Cómo lo resolverías? “En cuanto al invierno, bueno, es molesto tener frío, con eso de que el poco combustible que hay se guarda para la madrugada; pero los suéteres se han hecho populares en interiores y las duchas no son un lujo que se pueda dar todos los días. Es suficiente con baños de esponja con agua tibia, y si el aire no siempre es fragante en las cercanías de los humanos, al menos ha desaparecido el humo de los automóviles.” Ésta es la predicción de un escritor en 1977 respecto a la vida a fines de los años noventa. Imagina que en 2016 tú recibes una invitación para escribir tus propias predicciones respecto a “la vida sin petróleo” en el año 2036, es decir, 20 años adelante en tu propio futuro. “Esto tiene muchas ventajas, si queremos encontrarlas. Nuestros diarios en 1997 lo señalan de continuo. El aire está más limpio y parece haber menos resfriados. Contra todas las predicciones, la criminalidad ha disminuido. Al hacerse los autos de la policía demasiados costosos (y blancos demasiado fáciles), los policías andan de nuevo a pie. Algo más importante es que las calles están llenas. Las piernas son las reinas de las ciudades en 1997, y la gente camina por todos lados a altas horas de la noche. Hasta los parques están repletos, y en las multitudes la protección es mutua.” Secuencia didáctica A continuación se lista una serie de acciones que debes seguir para contestar la problemática de la pregunta central. Es importante que reflexiones, seas claro y objetivo para que esta experiencia sea útil al reconocer tus debilidades para superarlas y tus fortalezas para beneficiarte de ellas. 1. Escribe un cuento en el que intervengan tus propias predicciones de “la vida sin petróleo”, situado en el año 2036. Utiliza estas preguntas para orientar tu escrito: a)¿De qué manera cambiaría tu vida diaria en un mundo así? b)¿Qué cambio implicaría la adaptación más difícil para ti? ¿Por qué? c)¿Cuál sería la adaptación más fácil? ¿Por qué? 2. Las perspectivas actuales nos indican que la “vida real” en 2036 no será tan radicalmente diferente como sugiere el cuento presentado antes. 34 ¿Qué tienes que hacer? Grupo Editorial Patria® a) Propón algunas acciones que podríamos emprender ahora como individuos para evitar que esta situación se vuelva realidad en 2036. b) Propón algunas acciones gubernamentales que podrían ayudar a prevenir que se presente un panorama así en los próximos 20 años. 4. Debate cuáles de esas formas son válidas y cuáles no. 5. Establece las conclusiones correspondientes. 6. Elabora un reporte donde expreses de manera objetiva tus reflexiones sobre esta actividad. 3. Intégrate a un equipo de compañeros para que presenten sus respuestas en plenaria y analicen las formas de resolver el problema. Rúbrica de autoevaluación ¿Cómo sabes que lo hiciste bien? Con el propósito de revisar si adquiriste los conocimientos de este bloque realiza lo siguiente: n n n n Con la dirección del maestro organicen un debate sobre la importancia de conocer la materia y sus transformaciones. Qué tipo de energías son más factibles de utilizar en México y cuáles tienen mayor repercusión en el desarrollo económico y ambiental. Intégrate a un equipo de compañeros para que presenten sus respuestas en plenaria y analicen la problemática central de esta situación didáctica. Contesta las siguientes preguntas: ¿Cuáles manifestaciones de la materia son más comunes en nuestro entorno? Escríbelas. n ¿Cuáles tipos de energía son utilizados con mayor frecuencia en la industria y en la casa? ¿Hay semejanzas? Justifica tu respuesta. n Leí todo el contenido del bloque. n ¿Puedo establecer un futuro promisorio si cuidamos nuestro petróleo?, ¿cómo hacerlo? Anótalo. n ¿Puedo mencionar tres formas de sustituir el petróleo como combustible? Anótalas. n Establezcan las conclusiones correspondientes y elaboren un reporte donde expresen de manera clara y objetiva sus reflexiones sobre esta actividad. 35 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía 2.1 Materia: propiedades y cambios Materia De acuerdo con la definición dada anteriormente, la Química es la ciencia que trata de la naturaleza y composición de la materia y de los cambios que ésta experimenta. En esta definición encontramos dos palabras clave: materia y cambios. Definida de una manera amplia, la materia es cualquier sustancia que tenga masa y ocupe un espacio. De acuerdo con la Física relativista, la materia tiene cuatro manifestaciones en el universo: masa y energía (que pertenecen a la materia), espacio y tiempo (que son asociados al cambio). La ley de la gravitación universal de Newton afirma que todos los objetos del universo atraen a los demás objetos con una fuerza (impulso) —llamada gravedad— que depende de la masa de cada objeto. La masa se define como la cantidad de materia en cada objeto y su resistencia a ser movido. Cuanto mayor es el objeto (o cuenta con mayor cantidad de masa), mayor será la fuerza (o impulso) que ejerce sobre otros objetos. Aunque sus propias leyes sugirieron otra cosa, Newton creyó hasta su muerte que era posible encontrar por medición el sitio exacto de la superficie terrestre donde algo sucedía, y establecer con precisión el intervalo entre dos sucesos separados. Consideró que para lograrlo sólo necesitaría reglas bastante extensas y relojes totalmente exactos, Newton llamaba a esas medidas espacio absoluto y tiempo absoluto. Einstein sugirió otro modelo nuevo y más exacto para describir lo que sucede en el mundo real. Por ejemplo, consideremos un tren que se desplaza velozmente y lleva en uno de los vagones a un pasajero que se encuentra comiendo un emparedado. El tren pasa con rapidez por una estación, tiempo durante el cual el pasajero da dos mordiscos al emparedado. Desde el punto de vista del pasajero, podría decir que tomó cada bocado mientras permanecía exactamente en un mismo lugar. Al final, estuvo sentado plácidamente en un asiento durante todo el viaje, sin desplazarse. ¿Qué pasaría si otra persona estuviera en la plataforma de la estación cuando pasa el tren? Veríamos al pasajero dando su primer mordisco al emparedado justo cuando el tren llega a la estación y sólo un instante más tarde, lo veríamos tomando otro mordisco cuando el tren avanzara varios metros. Desde este punto de vista, podríamos decir que los dos mordiscos del pasajero se produjeron en dos sitios distintos y alejados varios metros uno de otro. ¿Cómo podríamos medir dónde mordió el pasajero el emparedado por segunda vez? ¿Masticó los dos bocados mientras estaba sentado en el mismo sitio o mordió el emparedado en dos puntos distintos separados por varios metros? ¿Quién podrá decir cuál era la “verdadera” posición del emparedado en el espacio, la del pasajero que estaba en el tren, o la persona que se encontraba en la plataforma de la estación? Einstein indicó que el problema estaba en el proceso de observación. Si viéramos en forma instantánea no sería difícil describir dónde sucedió el segundo mordisco. Pero sólo podemos ver con la ayuda de los rayos de luz, que viajan a una velocidad finita, es extremadamente rápida. Cualquier teoría que describa dónde suceden las cosas debe incluir a un observador. No existe lo que se llama el espacio “absoluto”. Muchas propiedades de la materia son cuantitativas, es decir, están asociadas a las cifras. Cuando una de éstas representa una cantidad de medida, las unidades de tal cantidad deben especificarse. Las unidades que se utilizan para las mediciones son del Sistema Métrico. A fin de estandarizar las mediciones científicas, se realizaron una serie de acuerdos internacionales que dan como resultado la creación del Sistema Internacional de Unidades, cuyo fin primordial es la estandarización de las unidades en su uso en todo el orbe. En el trabajo científico se reconoce la utilización de dicho sistema de unidades, así como el inconveniente de no utilizar adecuadamente los instrumentos de medida. Propiedades fundamentales de la materia Figura 2.1 Isaac Newton. 36 Figura 2.2 Albert Einstein. Las propiedades de una sustancia se pueden dividir en dos clases. Una de ellas depende de la materia en sí y la otra depende, principalmente, del comportamiento de esa materia en presencia de otra. A la primera clase de propiedades se les llama propiedades físicas; por ejemplo, el color, la temperatura. Las propiedades físicas se pueden dividir en dos grupos: las propiedades extensivas y las intensivas. Grupo Editorial Patria® Actividad de aprendizaje Una propiedad particular de la materia es la maleabilidad, la cual se manifiesta cuando un metal: a) conduce la corriente eléctrica b) se hila c) se lamina d) se oxida Figura 2.3 Algunas propiedades específicas de la materia, tales como maleabilidad, ductilidad, color, resistencia, etcétera. Argumenta tu respuesta con un ejemplo de uso común en la vida cotidiana. Propiedades generales de la materia Estas propiedades, también llamadas extensivas, son aditivas y se encuentran presentes en todas las sustancias, pues dependen de la cantidad de masa que poseen. Ejemplos: la masa, el peso, la inercia, la longitud, el volumen, la divisibilidad, etc., las cuales no nos sirven de mucho para identificar a una sustancia. La propiedad más importante de la materia es la masa, ya que forma parte de su definición. Con base en lo anterior tenemos que puesto que la fuerza puede cambiar, el peso de un objeto no es constante. Sin embargo, su masa es constante y se puede determinar comparando su peso con el de un objeto de masa conocida. En Química frecuentemente los dos conceptos (masa y peso) se usan de manera errónea como sinónimos, pues en el laboratorio la gravedad se mantiene prácticamente constante. No obstante, es fundamental usar en forma adecuada ambos conceptos. Una de las definiciones más completas de masa es la que da M. J. Sienko: “La masa es una medida cuantitativa de las propiedades inerciales intrínsecas de un objeto, es decir, la tendencia de un objeto a permanecer en reposo si se encuentra quieto, o a continuar moviéndose si se encuentra en movimiento”. Propiedades intensivas de la materia Respecto al peso, éste se define como la fuerza con la cual un objeto es atraído hacia la Tierra y, naturalmente, varía un poco en los diferentes puntos de la superficie terrestre debido a las variaciones de altitud y latitud. Las propiedades específicas o intensivas son aquellas que sirven para diferenciar a una sustancia de otra. Su valor es específico y no depende de la cantidad de masa que se estudia. Según Newton, el peso (p) y la masa (m), se relacionan de la siguiente manera: p=mg donde g representa la aceleración de la gravedad = 9.8 m/s2 Figura 2.4 Elasticidad. Al estirar una liga ésta se deforma. Por ejemplo, cada muestra de una sustancia, sin importar su tamaño, tiene la misma densidad en todas sus partes. Otras propiedades intensivas son maleabilidad, ductilidad, conductividad, calor específico, temperatura de fusión, temperatura de ebullición, viscosidad, color, textura, solubilidad, dureza, brillo, etcétera. Figura 2.6 Figura 2.5 Tenacidad. Algunos sólidos se rompen Dureza. No es igual de fácil rayar un metal que una hoja de vidrio o papel. con más facilidad que otros. 37 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía Por ejemplo, el cobre puede martillarse fácilmente para convertirlo en láminas delgadas, es más maleable que el hierro, que se resiste a este martilleo. El cobre también se puede convertir en un alambre muy fino; pues es bastante dúctil. El cobre y la plata tienen una alta conductividad térmica y eléctrica; es decir, ofrecen poca resistencia al flujo de calor o de la electricidad. Cambios de la materia ¿Qué es para ti un fenómeno químico? ¿Cómo se define un fenómeno físico? ¿Cuáles fenómenos observas más a tu alrededor? ¿Cuál es la diferencia entre una combustión y una oxidación? Para tu reflexión ¿Por qué el frío conserva los alimentos? Los alimentos congelados se conservan por que hay un cambio físico en su estructura. Como es bien sabido, la temperatura influye directamente en la preservación de los alimentos, es decir a menor temperatura menor degradación. Los alimentos congelados aparecieron en el mercado en 1878, al embarcarse por primera vez carne congelada de Buenos Aires a Le Havre, Francia. Los indígenas americanos de la helada provincia de Labrador ya sabían que el frío conserva los alimentos: congelaban de inmediato los peces que capturaban durante el invierno, y cuando meses más tarde los descongelaban, podían consumirlos sin ningún problema. El biólogo estadounidense Clarence Birdseye observó esto entre 1912 y 1915, y en 1923 fundó una compañía que producía alimentos congelados. En 1930, los nuevos propietarios de esa compañía pusieron a la venta productos congelados, incluyendo verduras, frutas, pescado y carnes. La congelación mantiene bajo control a los microorganismos y enzimas que deterioran los alimentos. Casi todo proceso químico de los seres vivos disminuye a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua. A –10 °C, pocos organismos pueden vivir: los hongos, bacterias y microbios que deterioran la comida no Figura 2.7 pueden crecer ni reproducirse. Algunos alimentos congelados. 38 ¿Qué gas se consume en una combustión? ¿Cuál es el combustible utilizado por los cohetes y transbordadores espaciales? ¿Qué efecto tiene en tu estómago un antiácido disuelto en agua? ¿De qué tipo de sustancia son las burbujas formadas en la efervescencia? ¿Cómo sabes qué clase de extintor se utiliza para apagar el fuego? ¿ Por qué la mayoría de los alimentos se descomponen si los dejamos afuera del refrigerador de un Figura 2.8 día para otro? ¿Cómo puedes evitar Al cortar la hoja de papel, su constitución de papel no cambia. la descomposición de los alimentos? Cambios físicos de la materia A las modificaciones o cambios que experimentan las sustancias bajo la acción de las diferentes formas de energía se les llama fenómenos. De esta manera, todo cambio que se produce en las sustancias de manera natural o provocada es un fenómeno. Las modificaciones o cambios que no alteran la composición íntima de las sustancias o que sólo lo hacen de un modo aparente y transitorio reciben el nombre de cambios o fenómenos físicos. Dichos fenómenos desaparecen al cesar la causa que los origina. En su mayoría son fenómenos reversibles. Ejemplos: reflexión y refracción de la luz; formación del arco iris; fusión de la cera; disolución del azúcar; electrización del vidrio; dilatación de un metal; movimiento de los cuerpos; transmisión del calor; cambios de estado. Cambios químicos de la materia Cuando el cambio experimentado modifica permanentemente la naturaleza íntima de las sustancias y no es reversible, el fenómeno es de tipo químico. Antes y después del cambio se tienen sustancias diferentes con propiedades diferentes. Ejemplos: digestión de los alimentos; corrosión de los metales; explosión de una bomba; acción de los medicamentos; un acumulador; fenómeno de la visión; revelado de una fotografía; encender un cerillo; el fenómeno de la fotosíntesis; la fermentación. Figura 2.9 Al quemarse la hoja de papel ocurre un fenómeno químico, ya que se descompone en dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Lo que impide recuperar su estado original. Grupo Editorial Patria® Actividad de aprendizaje Las siguientes actividades corresponden a fenómenos físicos o químicos. Anota a qué tipo de fenómeno pertenecen, explica por qué y menciona la importancia que dicho fenómeno tiene en nuestra vida diaria. Compara tus resultados con los de tus compañeros y en caso de diferencias o dudas consulta con tu profesor: a) cortar leña, b) cocinar alimentos, c) hervir leche, d) reflejar el sol con un espejo, e) disolver tinta en agua, f ) hornear un pastel, g) encender el motor del coche, h) pintar la casa, i) vaciar un colado para una loza, j) doblar una lámina de aluminio, k) fermentar una piña. Tipo de fenómeno ¿Por qué? Cambios nucleares de la materia El átomo está conformado por un núcleo, en el cual se tienen partículas positivas (protones) y partículas neutras (neutrones). Si se le dispara un neutrón al núcleo de un átomo de uranio, éste puede romperse en dos o más partes. De esta manera se forman nuevos elementos, pero no todos los neutrones del átomo de uranio se unen a otro de los nuevos átomos formados, algunos se escapan. La división del átomo en partes se llama fisión, es decir, que ésta ocurre cuando un núcleo pesado se parte en dos ligeros. El descubrimiento del neutrón proporcionó a los científicos una valiosa partícula de bombardeo. A partir de entonces una multitud de núcleos se ha sometido a “bombardeos” con diferentes partículas, y con ellos se han conseguido asombrosos resultados, como el aprovechamiento de la energía nuclear para fines benéficos o para la fabricación de misiles militares. La utilización de los cambios nucleares en aplicaciones no energéticas ha venido a apoyar el estudio del metabolismo humano y la eliminación de padecimientos; además, el hallazgo de nuevas partículas nucleares ha desembocado en el planteamiento de nuevas teorías acerca de la constitución de la materia. Al proceso en el que cambia el núcleo de un átomo se le llama reacción nuclear, ésta difiere de una reacción química en que los átomos se pueden juntar y algunos electrones (partículas negativas ubicadas en el exterior de un átomo) pueden compartir la misma órbita. Además, en una reacción nuclear son los núcleos los que cambian; de este proceso resulta una gran cantidad de calor como en algunas reacciones químicas, como la combustión, pero el calor que se consigue con una reacción nuclear es un millón de veces mayor que el de una reacción química. Actividad de aprendizaje Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda: ( ) Se efectúa un cambio físico, durante la: a) oxidación del hierro b) fusión del hierro c)combustión del hierro d) sulfonación del hierro Da tu opinión sobre este cambio físico y menciona la importancia que tiene en la vida cotidiana. Figura 2.10 Al bombardear un núcleo atómico de uranio, con un neutrón, se genera un cambio nuclear (fisión), con un alto desprendimiento de energía. 39 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía La pregunta obligada es: ¿qué ocurre a los dos o tres neutrones que escapan cuando un átomo se rompe? Continúan su viaje hasta que consiguen escapar del todo o bien chocan con el núcleo de uno de los átomos que los rodean; éstos se pueden romper de la misma forma que el primero, y entonces se disparan más neutrones. Si dos neutrones chocan con otros dos núcleos haciendo que se dividan, tendremos entonces seis neutrones lanzados en varias direcciones a una velocidad enorme. Si cuatro de éstos chocan con otros núcleos tendremos doce neutrones, y así sucesivamente, cada vez se disparan más neutrones, se dividen más átomos y en la fracción de un segundo todo el trozo de uranio hace explosión. ¡Y todo empezó con un neutrón solamente! A esto se le llama explosión por reacción en cadena y es el secreto de la bomba atómica, los incontables millones de átomos que se dividen por esa reacción dan lugar a la producción de calor y una onda de aire enorme. Una explosión de esta clase produce también radiación, que es peligrosa para todos los seres vivos. La reacción en cadena puede controlarse y ser aprovechada; el dispositivo que permite mantener una reacción sostenida, no explosiva, se conoce como reactor nuclear. jabones, textiles) se tradujo en la fabricación a gran escala de carbonato de sodio. En 1796, Parker descubre el cemento, y se desarrolla también la siderurgia. Las relaciones entre la masa y la energía se expresan en forma matemática de varias maneras. Estas relaciones son las leyes de la conservación, pilares sobre los que se sostienen los conceptos químicos. Ley de la conservación de la masa Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) sobresale en la historia como el primer investigador que enfoca la química con el rigor del método científico. Fue quien introdujo el principio de conservación de la masa para interpretar las reacciones químicas, y el primero en escribir, aunque de forma rudi- Figura 2.12 mentaria, la primera ecuación Antoine Laurent Lavoisier. química. Alrededor de 1771 Lavoisier empezó a interesarse por el problema que presenta el aire atmosférico en las reacciones de combustión, y propuso que “el aumento de peso al calentar un metal se debía a la combinación de éste con el oxígeno del aire y no al flogisto”. Fue así como se aventuró a dar una explicación de la formación de un metal a partir de sus minerales; diciendo que éstos eran una combinación de metal y gas; cuando se calentaban con carbón, éste tomaba el gas del mineral, formando dióxido de carbono y el metal libre. Esta ley fue enunciada por Lavoisier y establece que “la masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Figura 2.11 Reactor nuclear. Leyes de la conservación Como ya se mencionó en el bloque 1, la Química moderna como ciencia empieza su desarrollo en el siglo xviii, gracias a los pioneros en el campo de la medición química, como Lavoisier, Priestley, Gay-Lussac, Avogadro, Davy, Berzelius y muchos otros, quienes proporcionaron los fundamentos experimentales de las teorías atómicas actuales. En esa época aparecen los primeros vínculos entre el laboratorio y la industria química. Se construye la primera fábrica de ácido sulfúrico en Inglaterra. El desarrollo de la industria química (vidrio, 40 Ley de la conservación de la energía Los cambios físicos y los químicos van siempre acompañados por cambios de energía. Se puede transferir energía entre un sistema y sus alrededores de dos maneras distintas; los alrededores pueden hacer trabajo sobre el sistema o el sistema puede hacer trabajo sobre los alrededores. Por ejemplo, si el sistema a considerar es un trozo de cobre, al martillarlo, realizamos un trabajo sobre él. Asimismo, los gases producidos por la combustión en el cilindro del motor de un automóvil, considerando éste como el sistema, realiza trabajo sobre el motor al expandirse y empujar el pistón del cilindro hacia abajo. Esto se lleva a cabo por medio del poder calorífico de la combustión de la gasolina, produciendo energía en forma de calor. Grupo Editorial Patria® La Ley de la conservación de la energía fue propuesta por Mayer y establece que: “La energía del universo se mantiene constante de tal manera que no puede ser creada ni destruida, y sólo cambia de una forma o clase a otra”. Ley de la conservación de la materia Esta ley se basa en la teoría de la relatividad de Einstein, y dice que “la cantidad de masa-energía que se manifiesta en un determinado espacio-tiempo es constante”. Su expresión matemática es: E = mc2 Donde: E = energía (en ergs, joules) m = masa (en gramos, kg) c = velocidad de la luz (331010 cm/s) Figura 2.14 En la naturaleza podemos apreciar los diferentes estados de agregación de la materia, en las nubes y en el mar. tamos tan ocupados que no nos damos tiempo de disfrutar de la naturaleza y percatarnos del estado físico o de agregación y del color o sabor de las sustancias que nos rodean. Así, por ejemplo, al tomar alimentos como la leche, el agua o los jugos, al comer fruta, carne o verduras, o al beber refrescos que contienen un gas disuelto en ellos, nos podemos percatar de los diferentes estados físicos de la materia. Figura 2.13 La conservación de la energía es fundamental para preservar la vida en el planeta. Estados de agregación de la materia Al salir a dar una vuelta y caminar por tu comunidad, observarás diferentes objetos o sustancias del entorno, los cuales pueden ser sólidos, como casas, árboles, animales, líquidos, como lluvia, ríos, mar, o gaseosos, como las nubes, el humo o el viento. Es- Figura 2.15 Estado sólido. Figura 2.16 Estado gaseoso. La materia se presenta ante nuestros sentidos en forma de partículas, que al agregarse, constituyen las sustancias. Las partículas conservan determinada cantidad de energía cinética, pero existe cierto grado de cohesión entre ellas. Los estados físicos o de agregación de la materia son seis: sólido, líquido, gas, y plasma, condensado de Bose-Einstein (bec) y condensado fermiónico. El condensado de Bose-Einstein (bec) fue propuesto en el año 2001 y el condensado fermiónico en el 2004 por investigadores financiados por la nasa. En el estado sólido las sustancias ocupan un volumen definido y normalmente tienen forma propia, la movilidad de las partículas que las constituyen es casi nula, y presentan gran cohesión. Figura 2.17 Estado plasma. Figura 2.18 Estado líquido. 41 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía Un líquido también ocupa un volumen fijo, pero es necesario colocarlo en un recipiente. El líquido tomará la forma del recipiente que lo contenga; la movilidad y las fuerzas de cohesión de sus partículas son intermedias. Un gas no tiene forma ni volumen definidos; por lo que debe almacenarse en un recipiente cerrado. El gas tiende a ocupar todo el volumen del recipiente en que está confinado y sus partículas poseen gran energía cinética, por lo que éstas presentan movimientos desordenados. Para tu reflexión ¿Qué conoces del cuarto, quinto y sexto estado de la materia? Cuarto estado físico de la materia Los fenómenos físicos que acompañan a las descargas eléctricas han sido investigados por más de 300 años. Notables fueron los atrevidos experimentos realizados por Benjamin Franklin, en 1751, quien introducía alambres dentro de las nubes de tormenta para inducir la formación de chispas a partir de la electricidad atmosférica. El conocimiento de algunas propiedades poco comunes de los gases, particularmente de sus propiedades eléctricas llevaron a Crookes, en 1879, a sugerir que se podría considerar un cuarto estado de la materia. El estudio de las descargas eléctricas en los gases y la observación de los astros motivaron posteriores investigaciones con gases altamente ionizados. I. Langmuir introdujo el término “plasma” en 1930, el cual proviene de la palabra griega plasma que significa “moldeable”, para designar a los gases ionizados existentes en el universo. Se requiere una enorme cantidad de energía para producir un plasma totalmente ionizado. Un reactor de fusión nuclear requiere plasmas para lograr la unión de núcleos ligeros para formar núcleos pesados. Allí se mezclan los isótopos del hidrógeno, deuterio y tritio y se calientan a temperaturas muy elevadas para lograr su fusión. A estas temperaturas los átomos de deuterio y tritio están completamente ionizados, y sus electrones se separan del núcleo atómico, de modo que el gas caliente que se forma, llamado plasma, está casi totalmente ionizado. El movimiento del plasma se puede influenciar por campos magnéticos. En principio, es posible “atrapar” al plasma con 42 Figura 2.19 El Sol, motor de la vida en el planeta, es considerado como un plasma. campos magnéticos alejándolo de las paredes sólidas, pues de otra manera éstas se evaporarían por el intenso calor del plasma. Los campos magnéticos en forma de anillo son los más adecuados para confinar a los plasmas. Con base en estos conceptos se han desarrollado diversos sistemas de los cuales el más prometedor es el dispositivo tokamak, nombre que proviene de las palabras rusas con las que se designa a una cámara magnética de forma toroidal (de torus, palabra latina que significa protuberancia redonda expansiva en forma de rosquilla o anillo de anclaje). Actualmente los físicos teóricos desarrollan investigaciones en este campo, efectuando simulaciones en la computadora, con el propósito de tener otra alternativa para generar energía. La mayor parte del universo está constituido por plasma. Muchas estrellas están compuestas por plasma. El espacio sideral no está realmente vacío; está compuesto de plasma, extremadamente disperso. El cinturón de radiación Van Allen que rodea a la Tierra está compuesto de plasma. La materia que está en un tubo de neón o en un ciclotrón está en el estado de plasma. Los científicos estudian la naturaleza del plasma, ya que la reacción nuclear, llamada fusión, solamente ocurre en los plasmas. Como el plasma consta de partículas cargadas que viajan a alta velocidad, los campos eléctricos y magnéticos las afectan grandemente. El estudio del plasma se conoce como “magnetohidrodinámica” (mhd) y se relaciona con el confinamiento del plasma, y los científicos esperan que se pueda usar como fuente de energía obtenida a través de reacciones nucleares de fusión. También tiene que ver con el diseño de una unidad avanzada de propulsión para los vehículos espaciales. Grupo Editorial Patria® Quinto estado físico de la materia En 1920, Santyendra Nath Bose desarrolló una estadística mediante la cual se estudiaba cuando dos fotones debían ser considerados como iguales o diferentes. Envió sus estudios a Albert Einstein, con el fin de que lo apoyara a publicar su novedoso estudio. Einstein aplicó lo desarrollado por Bose a los átomos y predijeron en conjunto el quinto estado de la materia en 1924. Los estadounidenses Eric A. Cornell y Carl E. Weiman, y el alemán Wolfgang Ketterle fueron galardonados con el premio Nobel de Física 2001, según informó la Real Academia Sueca de Ciencias. El galardón se les concedió por haber descubierto el quinto estado físico de la materia, la condensación Bose-Einstein, un estado extremo de la materia en el cual los átomos dejan de comportarse de manera “normal”. Este fenómeno, pronosticado por Albert Einstein hace 70 años, fue realizado y observado por vez primera en 1995 por los tres científicos laureados. Los tres galardonados forman parte de una misma generación de jóvenes científicos en el campo de la Física. Cornell nació en 1961 y desarrolla su trabajo en el Instituto Nacional de Medidas y Tecnología de Boulder (Colorado); Weiman nació en 1951 e investiga en la Universidad de Colorado, mientras que Ketterle nació en 1957 y trabaja en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (mit), en Cambridge. Cornell y Wieman trabajan también en el jila, un instituto de investigación en Boulder, antes conocido como el Instituto Conjunto de Astrofísica en Laboratorio. Ketterle trabajaba de manera independiente en Alemania, antes de incorporarse al mit en 1990. La investigación ayudará también a que EFermi Bosones Fermiones Figura 2.20 En el quinto estado de la materia condensado de Bose-Einstein, los átomos pierden su identidad propia y forman un conglomerado (“onda cuántica”) de partículas. los científicos midan propiedades fundamentales de la materia. “Las aplicaciones revolucionarias (...) parecen estar justo a la vuelta de la esquina”, añadió la academia. El término Bose-Einstein se refiere al físico indio Satyendra Nath Bose (descubridor del bosón) y al alemán Albert Einstein. En 1924, Bose realizó investigaciones sobre las partículas de luz llamadas “fotones” y envió su trabajo al célebre científico alemán, quien amplió la teoría para abarcar la masa. Einstein predijo que cuando las partículas se desaceleran y se aproximan entre sí, producen un nuevo estado de agregación de la materia, distinto del sólido, el líquido, el gaseoso y el plasma. En el nuevo estado de la materia, los átomos pierden su identidad propia y forman una sola onda cuántica de partículas. Tal como los fotones en un láser óptico, todos los átomos del condensado se hallan en la misma longitud de onda y laten en la misma frecuencia. A este quinto estado de la materia se le profetiza una serie de aplicaciones: el condensado Bose-Einstein hará aún más exactos instrumentos de medición y relojes atómicos, y podrá almacenar información en las futuras computadoras cuánticas. Y es tan fácil de lograr con aparatos de 50 a 100 mil dólares, que hay ya más de 20 equipos investigadores que lo han fabricado en todo el mundo. Su aplicación mayor, sin embargo, será en un “láser atómico” que, en lugar de fotones, emita un rayo de átomos vibrando en el mismo estado mecánico cuántico. Tal láser atómico podría, por ejemplo, permitir construir pequeñísimas estructuras con precisión hasta hoy inédita, técnica de la cual podrían aprovecharse la nanotecnología y la industria de computadoras. Sexto estado físico de la materia Un artículo publicado por la nasa el 12 de febrero de 2004: Hay por lo menos seis estados físicos de la materia: sólido, líquido, gas, plasma, condensado Bose-Einstein (bec), y una nueva forma de materia llamada “condensado fermiónico”, recién descubierta por investigadores financiados por la nasa. La quinta forma, el condensado Bose-Einstein (bec), descubierto en 1995, aparece cuando los científicos enfrían unas partículas llamadas bosones hasta alcanzar temperaturas muy bajas. Los bosones fríos se unen para formar una única superpartícula que es más parecida a una onda que a un ordinario pedazo de materia. Los bec son frágiles, y la luz viaja muy lentamente a través de ellos. 43 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía Ahora tenemos condensados fermiónicos tan recientes que la mayoría de sus propiedades básicas son desconocidas. Deborah S. Jin, Markus Greiner y Cindy Regal han dado un paso más y también, gracias a la ultra congelación de partículas, han encontrado un nuevo estado de la materia, el sexto, el gas fermiónico. Ciertamente, son fríos. Jin creó la sustancia enfriando una nube de 500 000 átomos de potasio-40 (K40) hasta menos de una millonésima de grado sobre el cero absoluto. Y ellos probablemente fluyan sin viscosidad. ¿Más allá de eso? Los investigadores aún están aprendiendo. “Cuando se encuentra una nueva forma de la materia”, hace notar Jin, “toma un tiempo entenderla”. Los condensados fermiónicos están relacionados con los bec. Ambos están compuestos de átomos que se unen a bajas temperaturas para formar un objeto único. En un bec, los átomos son bosones. En un condensado fermiónico los átomos son fermiones. Los bosones son sociables; les gusta estar juntos. Como regla general, cualquier átomo con un número par de electrones 1 protones 1 neutrones es un bosón. Así, por ejemplo, los átomos del sodio ordinario son bosones, y pueden unirse para formar condensados Bose-Einstein. Los fermiones, por otro lado, son antisociales. No pueden juntarse en el mismo estado cuántico (por el “Principio de Exclusión de Pauli” de la mecánica cuántica). Cualquier átomo con un número impar de electrones 1 protones 1 neutrones, como el potasio-40 (K40), es un fermión. El grupo de Jin encontró una forma de esquivar el comportamiento antisocial de los fermiones. Utilizaron un campo magnético cuidadosamente aplicado para que actuara como un “Cupido” de sintonía fina. El campo hace que los átomos solitarios se unan en pares, y la fortaleza de esa unión puede ser controlada ajustando el campo magnético. Los átomos de potasio unidos débilmente retienen algo de su carácter fermiónico, pero también se comportan un poco como los bosones. Un par de fermiones puede unirse a otro par, y a otro y a otro, y eventualmente formar un condensado fermiónico. Jin sospechó que el sutil emparejamiento de un condensado fermiónico es el mismo fenómeno de emparejamiento que se observa en el helio-3 líquido, un superfluido. Los superfluidos fluyen sin viscosidad, así que los condensados fermiónicos deberían hacer lo mismo. 44 Un fenómeno relacionado estrechamente es la superconductividad. En un superconductor, los pares de electrones (los electrones son fermiones) pueden fluir con resistencia cero. Existe un enorme interés comercial en los superconductores porque podrían ser utilizados para producir electricidad en forma más barata y más limpia para sistemas de alta tecnología como trenes levitantes y computadoras ultrarrápidas. Desdichadamente, los superconductores son difíciles de manejar y de estudiar. El mayor problema hoy en día con los superconductores es que la temperatura más cálida en la que pueden operar es de apenas –135 °C. El nitrógeno líquido o cualquier otro criogénico necesario para enfriar los alambres hace que los aparatos que utilizan superconductores sean caros y abultados. Los ingenieros preferirían trabajar con superconductores a temperatura ambiente. “La fuerza de unión en nuestro condensado fermiónico, ajustada para masa y densidad, podría corresponder a un superconductor de temperatura ambiente”, hace notar Jin. “Esto hace que sea optimista acerca de que la física fundamental que aprendamos a través de los condensados fermiónicos ayude a otros a diseñar materiales superconductores más prácticos”. Actividad de aprendizaje Anota en el paréntesis una S si la propiedad corresponde a los sólidos, una L si es de los líquidos o una G si es de los gases. ( ) Están constituidos por pequeñas partículas llamadas átomos y tienen formas definidas. ( ) Este estado se caracteriza por poseer densidad más baja que los otros estados. ( ) Estado que se distingue por su forma indefinida y alta densidad en la mayoría de las sustancias que lo presentan. ( ) Los cambios de presión alteran su volumen más que en los otros estados. ( ) En este estado las partículas constituyentes tienen menor libertad de movimiento, en comparación con los otros estados. ( ) Todas las sustancias que constituyen este estado no poseen volumen propio y se desplazan a altas velocidades. Compara tus respuestas con las de tus compañeros y establezcan la diferencia entre unos y otros mediante ejemplos relacionados con la vida cotidiana y sus beneficios o implicaciones. Grupo Editorial Patria® Actividad experimental Pasas saltarinas Realiza esta actividad en tu casa y contesta las preguntas formuladas. Elabora un informe escrito donde analices los resultados y las conclusiones, compáralo con el de tus compañeros y compañeras. Propósito Observar el efecto de las burbujas del gas de un refresco carbonatado sobre un sólido, como las pasas. Material n Cristalizador o refractario hondo n Cereal con pasas n Agua mineral Figura 2.21 Preparación de cereal con pasas y agua mineral. Procedimiento 1. Vierte el cereal con pasas en el cristalizador o refractario hondo. 2. Agrega agua mineral hasta tres cuartas partes del recipiente. Cambios de estado de la materia ¿Qué le ocurre al agua líquida cuando la calientas? ¿Por qué en algunos lugares del mundo cae nieve? Si dejas agua en el congelador, ¿qué le ocurre? ¿Has dejado destapado un envase que contenga alcohol?, ¿qué le ocurre? ¿Sabes cómo se forma la lluvia? Si llueve y el patio de tu casa se moja, ¿qué pasa con el agua bajo la acción del viento y el sol? Un aspecto de la materia que nos es familiar y es de gran interés son sus cambios de estado. Estos cambios de estado de la materia son de tipo físico y no implican la creación de nuevas sustancias, debido a la alteración de su composición; por ejemplo: cuando el agua se congela, se obtiene hielo (agua congelada), pero no se forma una sustancia nueva; es decir, la sustancia es agua antes y después del cambio de estado. En la misma forma, el vapor que se produce cuando hierve el agua sigue siendo agua. Estos cambios generalmente requieren de un aumento o disminución de la temperatura, y pueden ir acompañados de variación en la presión. Los cambios de estado Figura 2.22 de la materia se explican La mantequilla se funde al calentarla. a continuación. 3. Observa lo que ocurre. Contesta las siguientes preguntas: ¿Qué les ocurre a las pasas? ¿Qué le ocurre al cereal? ¿Hasta qué momento deja de presentarse el fenómeno anterior? ¿Por qué unas sustancias suben y otras no? ¿Qué pasa si el recipiente es más hondo? Anota tus conclusiones: Fusión Es el cambio que sufren las sustancias al pasar del estado sólido al líquido al incrementar la temperatura. El punto de fusión normal de una sustancia es la temperatura a la que funde el sólido a una atmósfera de presión. Este valor es característico de cada sustancia y se utiliza como un criterio de su pureza, ya que la presencia de impurezas lo modifican. Ejemplos: Fusión del acero para hacer láminas, tubos, etc.; fusión de los metales empleados en una aleación para acuñar una moneda; fusión de un plástico para moldearlo, etcétera. Evaporación Este cambio de estado se presenta cuando se calienta un líquido para convertirlo en gas y da lugar a su evaporación o ebullición. En muchas ocasiones las palabras gas y vapor se utilizan indistintamente, el término vapor se emplea para describir a las moléculas en estado gaseoso de una sustancia a la presión y temperatura ambientes. Por ejemplo, cuando el agua líquida se calienta, las moléculas que escapan de ella se denominan vapor de agua. 45 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía Para tu reflexión ¿Por qué el hielo flota en el agua? Si te preguntan qué “pesa” más, una cubeta con agua o una cubeta con hielo, seguramente contestarás que la cubeta con hielo, porque es probable que pienses que los sólidos son más pesados que los líquidos. Pero de manera sorprendente, el hielo es más “liviano” que el agua. Esto es de suma importancia para la vida acuática, ya que los peces y las plantas que viven en lugares muy fríos quedan “protegidos”, cuando en la temporada de invierno se congelan los lagos y ríos, puesto que el hielo flota formando una capa resistente, la cual queda por encima debido a que tiene una menor densidad que el agua en estado líquido. Esto permite que los seres que habitan allí continúen normalmente su vida. Si el hielo tuviera una mayor densidad que el agua, la masa de agua se congelaría desde el fondo Figura 2.23 El hielo es menos denso que el agua. hasta la superficie. La evaporación es el proceso por el cual las moléculas que se encuentran cerca de la superficie del líquido adquieren la energía necesaria para escapar de las fuerzas de atracción que las mantienen unidas a sus vecinas y pasan a la fase gaseosa. líquido evaporación n n 46 Se disminuye la atracción de las fuerzas intermoleculares. El punto de ebullición depende de la presión y es característico de cada sustancia, por lo que esta propiedad física se utiliza para identificación. El agua hierve a 100 °C al nivel del mar (760 mmHg), pero en la Ciudad de México su punto de ebullición disminuye hasta 93 °C (585 mmHg). Dependiendo de la altura del lugar respecto al nivel del mar cambia el valor del punto de ebullición, puesto que varía la presión atmosférica. A presiones altas el punto de ebullición es mayor; a presiones bajas, disminuye. Gases de petróleo Gasolina Queroseno Gasóleo Lubricantes Aceites combustibles Petróleo crudo-caliente Asfaltos Columna de destilación Figura 2.25 Productos derivados del petróleo obtenidos por diferencias del punto de ebullición. Sustancia Se incrementa la temperatura. Es mayor el área de superficie del líquido. El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la que éste hierve cuando se expone a la presión de una atmósfera. Punto de ebullición de algunos líquidos a 1 atm de presión gas Un líquido aumenta su tendencia a evaporarse cuando: n Ebullición Figura 2.24 La evaporación provoca un descenso en la temperatura del líquido que se evapora. Punto de ebullición (°C) Éter etílico 34.6 Acetona 56.5 Cloroformo 61.2 Benceno 80.1 Grupo Editorial Patria® Temperaturas de fusión de algunas sustancias que subliman Fracciones de destilación del petróleo Nombre Gasolina Intervalo del punto de ebullición (°C) 60-280 Combustible de aviones a propulsión 190-450 Queroseno 350-550 Combustible diesel 430-700 Aceite combustible 550-800 Aceite lubricante 600-1 000 Para tu reflexión Naftaleno Figura 2.27 Sublimación del yodo. Temperatura (°C) 80.2 Yodo 113.5 Ácido benzoico 121.7 Este método es muy eficaz para la purificación de las sustancias. Algunos sólidos impuros se someten a sublimación y posterior deposición del gas sobre una superficie fría. El yodo suele purificarse mediante este procedimiento. El proceso comercial basado en la sublimación, que se llama “secado en frío” se utiliza para deshidratar alimentos y materiales biológicos que pueden descomponerse si son calentados para secarlos. Este proceso casi siempre va acompañado de una reducción de la presión y también se le conoce como liofilización. Evaporación El enfriamiento por evaporación es importante en muchos casos; por ejemplo, a este fenómeno se debe que las personas experimenten frío al salir de la regadera o de una alberca, ya que el agua que tienen sobre la piel se evapora. Lo mismo ocurre cuando se frota con alcohol a una persona que tiene fiebre o temperatura alta. El alcohol se evapora más rápidamente que el agua y baja la temperatura del cuerpo. Sustancia Este método se utiliza, por ejemplo, para fabricar “café instantáneo”. Al someter el café al vacío, se logra una presión menor en la que el hielo se sublima. Al eliminar el agua en esta forma se preservan las moléculas sensibles al calor que confieren al café su sabor, de manera que no se altera la calidad del producto. Para tu reflexión Figura 2.26 Al bañarnos el agua se evapora cuando toca la piel. Sublimación La conversión directa de un sólido al estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido, se llama sublimación. A presión atmosférica, el hielo seco (dióxido de carbono sólido) se evapora sin fundirse. La sublimación ocurre a una temperatura menor que la temperatura de fusión. El proceso en sentido inverso, o sea, cuando una sustancia en estado gaseoso se solidifica, sin pasar por el estado líquido, se llama deposición. Por ejemplo, la nieve se forma por la solidificación directa del vapor de agua. ¡Cuidado con la olla de presión! En las ollas de presión caseras y en autoclaves industriales se aprovecha el hecho de que el punto de ebullición varía con la presión para reducir el tiempo de cocción. La tapa de la olla cierra de manera hermética el recipiente y está provista de una válvula de seguridad que evita que la olla explote. Al calentar la olla y su contenido y al evaporarse el agua que contiene, la presión dentro del recipiente aumenta por encima de una atmósfera, el agua hierve a mayor temperatura y los alimentos se cuecen en menor tiempo. En los hospitales se usa este mismo principio para esterilizar la ropa y los instrumentos en autoclaves, en los cuales se alcanzan temperaturas suficientemente altas para destruir las bacterias. Por otra parte, al trabajar con líquidos que tienen puntos de ebullición muy altos o procesos en los que pueden ocurrir reacciones químicas indeseables a temperaturas elevadas, se trata 47 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía Condensación de que lleguen a la ebullición reduciendo la presión interna del sistema, llamado comúnmente “al vacío” lo que permite trabajar a bajas temperaturas. Estos procesos se usan en la preparación de alimentos como los concentrados de jugos de frutas. Parte del agua se elimina a presión reducida, así se concentra el producto sin tener que calentarlo a alta temperatura, ya que esto causaría variaciones en el sabor del jugo y disminuiría su valor nutritivo. La condensación se presenta cuando un gas cambia a estado líquido al disminuir su temperatura. Por ejemplo, cuando el vidrio de una ventana se empaña debido a las pequeñas gotas de agua de la humedad atmosférica. Licuefacción Es el paso del estado gaseoso al líquido, y se lleva a cabo cuando se aumenta suficientemente la presión y se reduce la temperatura para conseguir el cambio, resultando además una disminución del volumen. Por ejemplo, para obtener aire líquido o alguno de sus componentes (como nitrógeno y oxígeno, que son gases en condiciones naturales), se puede licuar el aire atmosférico. Los aerosoles están comprimidos, es decir, se presentan en forma líquida, al apretar la válvula se gasifican al entrar en contacto con la atmósfera por una diferencia de presiones. La presión es mayor en el recipiente. Figura 2.28 Al cocinar nuestros alimentos aplicamos la Química. Sólido Es el cambio de un líquido a sólido por enfriamiento, es decir, al disminuir la temperatura del cuerpo líquido. Por ejemplo, la formación de cubos de hielo en el refrigerador. 48 Líquido Deposición Solidificación Figura 2.29 El agua se congela en el refrigerador. Solidificación Congelación Fusión Figura 2.30 En las mañanas frías, los vidrios se empañan debido a la condensación del agua. Figura 2.31 Tanque de gas de oxígeno comercial. Evaporación Ebullición Sublimación Condensación Licuefacción Gas Figura 2.32 Los recipientes de los aerosoles están herméticamente sellados para soportar la presión a la que están sometidos los gases. Grupo Editorial Patria® 2.2 Energía y su interrelación con la materia La energía Esta manifestación de la materia es muy importante en las transformaciones químicas, ya que siempre se producen cambios en el tipo y cantidad de energía. La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo, donde la palabra trabajo significa el desplazamiento de una masa en contra de una fuerza. Actualmente la energía es considerada como el principio de actividad interna de la masa. Lo anterior explica, por ejemplo, la luz y el calor desprendido en la combustión de la madera o del papel. Figura 2.35 El agua almacenada en una presa posee energía potencial. Figura 2.33 Las combustiones implican una gran liberación de energía. Características y manifestaciones de la energía Desde la óptica de la Física clásica, la energía se puede estudiar en sus dos principales manifestaciones: la cinética (Ec) y la potencial (Ep) El agua de una presa, un resorte comprimido, una batería o pila y los alimentos, son ejemplos de sistemas que poseen energía potencial. En un campo de fuerza gravitacional la energía potencial se expresa matemáticamente por la relación: Ep = mgh Ep = energía potencial = joules o ergs m = masa = kg o g g = aceleración de la gravedad = m/s2 o cm/s2 h = altura = m La energía potencial es la que tiene una partícula debido a su posición dentro de un campo de fuerzas eléctrica, magnética o gravitacional. Por ejemplo, el agua almacenada en una presa tiene energía potencial, y en el momento en que se abra la compuerta, la energía potencial se transformará en energía cinética conforme el agua va cayendo. Esta energía es tan poderosa que es capaz de mover una turbina y transformarse en energía mecánica; la turbina genera electricidad y la electricidad suministra luz al encender un foco, o calor si utilizamos un calentador. Estos tipos de energía también son susceptibles de transformarse. Cuando un clavadista se arroja de un trampolín, su energía potencial se transforma en cinética; lo mismo ocurre con el resorte de un reloj, el cual tiene energía potencial acumulada que gradualmente se convertirá en el movimiento de las agujas. Figura 2.34 Energía cinética: Ec = ½ mv 2. A mayor velocidad y masa, la energía cinética es mayor. Figura 2.36 La energía cinética es una característica de los cuerpos en movimiento. La energía cinética es aquella que poseen los cuerpos en movimiento, o bien, es la energía de una partícula en virtud de su velocidad. Su expresión matemática es: Ec = ½ mv2 Donde: Ec = energía cinética = joules o ergs m = masa = kg o g v = velocidad = m/s o cm/s 49 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía Para tu reflexión Pirotecnia La pólvora es una mezcla de carbono, azufre, una sal formada por perclorato de potasio y otros componentes. Esta sustancia es un poderoso oxidante que al reaccionar con los demás componentes de la mezcla produce diversos óxidos todos ellos gaseosos. Si la reacción iniciada por la mecha se lleva a cabo en un espacio cerrado, se produce una explosión debido a la rápida formación de los gases. Sin embargo, si existe un pequeño orificio, los productos gaseosos escapan por él e impulsan al conjunto, formando un cohete pirotécnico. El trasbordador espacial estadounidense utiliza el mismo principio para ponerse en órbita, aunque en este caso cada despegue requiere 750 kg de oxidante. Si a la pólvora se le añaden determinados metales o compuestos de dichos metales, se producen explosiones de varios colores. Color de las luces emitidas por los fuegos artificiales Efecto Sustancias que lo producen Luz roja Nitrato, cloruro o carbonato de estroncio Luz verde Nitrato, clorato o cloruro de bario Luz azul Carbonato, sulfato y óxido de cobre(II), cloruro de cobre (II) Luz amarilla Sodio, oxalato de sodio o criolita Luz blanca Magnesio Humo blanco Mezcla de nitrato de potasio y azufre La energía potencial que se acumula al estirar la cuerda del arco y luego se transforma en el movimiento de la flecha puede medirse en kilográmetros (cuando se inventaron las primeras máquinas se consideraba que el trabajo de un caballo equivalía a 75 kilográmetros, o sea la capacidad de levantar 75 kg de peso cada segundo, de ahí que la unidad llamada HP o caballo de fuerza valga 75 kgm/s), pero las otras formas de energía tienen unidades diferentes. Algunas manifestaciones energéticas son: Energía térmica Energía por biomasa Energía mecánica Energía solar Energía química Energía eléctrica Energía hidráulica Energía térmica o calorífica Energía luminosa Energía atómica o nuclear Energía eólica Energía geodésica En seguida se tratan algunas de estas manifestaciones energéticas. Energía térmica El calor se define como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Humo de colores Mezcla de clorato de potasio, azufre y colorantes Chispas blancas Aluminio, magnesio Silbato Benzoato de potasio o salicilato de sodio Figura 2.38 La energía calorífica es fundamental en el cultivo de los vegetales. Energía luminosa Figura 2.37 El espectáculo de las luces producido por los fuegos artificiales se debe a la presencia de diversos compuestos químicos. Requiere de un manejo muy cuidadoso, tanto en su elaboración, como al encenderlos. 50 También es importante mencionar la energía luminosa, ya que sin la luz no sería posible el fenómeno de la visión. El estudio del comportamiento dual de la luz sirvió como base para comprender y desarrollar la teoría atómica actual. Figura 2.39 Poste con panel de celdas solares. Grupo Editorial Patria® Figura 2.40 La energía por biomasa se obtiene mediante un generador doméstico de gas de metano. La luz es un tipo de radiación electromagnética que presenta fenómenos de onda tales como la reflexión, la refracción, la difracción y la interferencia. Como partícula, la luz ejerce presión y este comportamiento se demuestra con el efecto fotoeléctrico. En México, las principales fuentes energéticas son: el petróleo, que proporciona hidrocarburos; la energía eléctrica, que proviene de enormes complejos termoeléctricos e hidroeléctricos. México cuenta desde hace bastante tiempo con una planta nuclear (Laguna verde, en el estado de Veracruz). Nuestro país cuenta con días soleados la mayor parte del año, por lo que se han desarrollado varios prototipos de equipos que utilizan energía solar, la cual en un futuro cercano podrá ser más y mejor aprovechada. También contamos con yacimientos importantes de uranio, cuya energía atómica o nuclear podría emplearse para suministrar calor y electricidad. Actualmente se están haciendo planes y estudiando proyectos para desarrollar esta aplicación. Energía por biomasa La biomasa es toda materia orgánica que existe en la naturaleza (árboles, arbustos, algas marinas, desechos agrícolas, animales, estiércol, etc.), y es susceptible de transformarse en energía por medio de una fermentación anaerobia (en ausencia de aire) y en un recipiente cerrado llamado biodigestor. A partir de la biomasa se generan combustibles sólidos, gaseosos y líquidos para producir vapor, electricidad y gases. Actualmente se desarrollan en México varios prototipos que aplican estos principios. Figura 2.41 Proceso de la fotosíntesis. Figura 2.42 La energía eólica se utiliza frecuentemente en el campo para mover los molinos. haría retroceder a tiempos en que no existían productos elaborados, combustibles, etcétera. El rendimiento de la fotosíntesis (proceso mediante el cual los vegetales transforman la energía solar en energía química) es bajo — no sobrepasa 1% en promedio— aunque la energía recuperable de una selva no es despreciable: equivale, aproximadamente, a cuatro toneladas de petróleo por hectárea y por año. Energía eólica La energía eólica es la energía del viento, y se ha utilizado desde tiempos remotos para aplicaciones muy diversas: molino de viento, para moler los granos y convertirlos en harina y en el bombeo de agua en los sembradíos. El inconveniente de esta fuente de energía proviene de la irregularidad del viento en cuanto a fuerza y dirección. Además plantea el difícil problema del almacenamiento. En Suecia, se realiza la producción masiva de electricidad en forma de una cadena costera de grandes aerogeneradores acoplados al bombeo de agua de los lagos, con el fin de resolver el problema del almacenamiento. Aun en los casos más favorables, el precio del kWh eólico sigue siendo mayor que el kWh nuclear, por un factor comprendido entre 3 y 4. Energía nuclear El uso de la energía debe ser debidamente canalizado y aprovechado, ya que muchos materiales que ahora nos proporcionan energía no son renovables; es decir, no se pueden producir de manera artificial. El origen de dicha energía es el hecho de que los nucleones (protones o neutrones) están mejor ligados en el núcleo de estaño (8.5 MeV por nucleón) que en el de uranio (7.5 MeV por nucleón). La energía nuclear se obtiene cuando el núcleo de uranio se divide en dos, en el transcurso de un proceso de fisión. La energía producida es de 200 millones de electronvoltios (200 MeV). Con el paso del tiempo y por el consumo excesivo, estos materiales se agotarán, y si no se buscan y aplican otras fuentes alternas de energía, el avance de la humanidad podría detenerse, lo cual nos El calor creado en el reactor de fisión de uranio (U) se utiliza para vaporizar el agua que circula alrededor. El vapor de agua bajo presión es conducido hacia una turbina donde pone en marcha una 51 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía Figura 2.43 Planta de energía nuclear. hélice; esta energía mecánica se transforma después en energía eléctrica por medio de un alternador. El principio de las plantas termoeléctricas es igual que el de las turbinas; solamente el combustible es diferente. En ambos casos se produce vapor a temperaturas de 400 a 500 °C y a una presión de 150 atmósferas. Energía hidráulica Se denomina así a la energía que se obtiene a partir del agua y es una fuente de energía renovable, ya que el agua circula por la hidrosfera, movida por la energía que recibimos del Sol. El agua retenida en la presa posee energía potencial y cuando cae, la energía potencial del agua se convierte en energía cinética, la cual aprovecha para mover una turbina que, a su vez, mueve un alternador, lo que permite obtener electricidad. Figura 2.45 Las plantas hidroeléctricas utilizan la energía del agua que cae para generar electricidad. Interrelación masa-energía La energía es matemáticamente idéntica al trabajo y es una cualidad intangible que causa cambio o reagrupamiento. Durante la transformación de una masa, se lleva a cabo un intercambio de una cantidad adecuada de energía. Ahora bien, como se acaba de mencionar en párrafos anteriores, la energía se manifiesta de muchas formas o maneras. Todas estas formas son conocidas, aunque los procesos terrestres sólo dependen de una de ellas: la energía radiante generada por el Sol. Por consiguiente, la energía radiante del Sol es el tipo de energía más importante para nuestro planeta. El estudio de la energía con sus múltiples características pertenece al dominio de la física. Cuando una fuerza mueve un objeto a cualquier distancia, se ha efectuado un trabajo y se ha gastado energía. La fuerza y la energía están relacionadas matemáticamente por la expresión: T=F3d Trabajo = fuerza 3 distancia F=m3a Fuerza = masa 3 aceleración (segunda ley de Newton) y, por tanto: Trabajo = masa 3 aceleración 3 distancia T=m3a3d También sabemos que la materia es todo lo que tiene masa y que ésta da origen a la inercia, que es la resistencia que ofrece la materia al cambio de estado, ya sea de reposo o de movimiento. La materia es, por tanto, todo lo que requiere energía para ponerse en movimiento. Figura 2.44 La energía hidráulica se utiliza para mover una turbina y generar electricidad. 52 En el laboratorio frecuentemente estamos comparando pesos mediante las balanzas analíticas o granatarias, con el propósito de comprobar la ley de Lavoisier y esto da origen a que en gran escala en la industria se lleve a cabo el mismo proceso para determinar la cantidad de materiales por utilizar, así como de los productos finales que se obtendrán. Grupo Editorial Patria® Aplica lo que sabes Cálculo del consumo de energía ¿Sabes cuánta energía gastas al realizar diversas actividades cotidianas? Valores energéticos en calorías Gastados después de 65 2 min de podar el pasto 1 huevo 80 8 min de trotar 1 rebanada de pan de centeno 100 12 min de nadar 1 plátano (170 g) 105 25 min de jugar bádminton 1 copa de vino blanco 105 25 min de bailar 1 pieza de pan (40 g) 110 13 min de jugar tenis 1 rebanada de pan integral 120 24 min de jugar boliche 1 porción de yogur con fruta (150 g) 150 25 min de caminar 1 ración de crema batida (150 g) 150 40 min de quehaceres domésticos 200 g de carne de ave 210 30 min de andar en bicicleta 50 g de queso tipo Gruyére 210 60 min de caminata vigorosa (a 3 km/h) ¿Es igual el número de calorías que consumiste y que gastaste? ½ litro de cerveza 235 40 min de caminar ¿Por qué? 1 rebanada de pastel de cerezas 290 50 min de caminar 150 g de helado 300 60 min de juego de pelota ½ litro de leche entera 330 70 min de caminar 2 salchichas (150 g) 375 47 min de jugar tenis 1 chuleta de puerco mediana con grasa (125 g) 470 90 min de caminar 1 barra de chocolate (110 g) 565 85 min de andar en bicicleta Alimentos 1 manzana Con base en la información anterior, anota a continuación los alimentos que consumes durante un día y calcula el número de calorías adquiridas. Por otro lado anota las actividades que realizaste y el consumo de calorías que tuviste. Alimentos consumidos durante un día. Figura 2.46 El ejercicio físico y una buena alimentación nos permite tener un cuerpo sano. Alimentos consumidos durante un día. Calorías adquiridas ¿Qué sugieres realizar para que el número de calorías que consumiste y que gastaste sea igual? ¿Qué beneficios tendrías? Calorías adquiridas Conclusiones: 53 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía Para tu reflexión ¿Cuál es el “peso ideal” de una persona? Para calcular de manera aproximada el peso ideal de una persona, se debe restar 100 a su estatura en centímetros por ejemplo, si mide 1.75 m o 175 cm, su peso ideal sería: Peso ideal = 175 – 100 = 75 kg Con base en lo anterior, ¿cuál sería tu peso ideal? Da tu opinión sobre la importancia de saber tu peso ideal para tu salud y vida en general. 2. Con ayuda del embudo, introduzcan el bicarbonato de sodio en el globo. 3. Con mucho cuidado coloquen el globo en la boca del matraz, cuidando que las sustancias no se mezclen. 4. Lleven el matraz con el vinagre, que tiene acoplado el globo con el bicarbonato, a la balanza para determinar la masa inicial (m1). Figura 2.47 Debes evitar el subir de peso desde edades tempranas de tu vida para lograr una excelente salud. masa inicial = m1 = g 5. Sin quitar el matraz con todas las sustancias de la balanza, volteen con la mano el globo para que el bicarbonato caiga en el vinagre y se realice la reacción química. ¿Qué se observa? Actividad experimental Ley de la Conservación de la masa Bajo la guía de tu profesor reúnete en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen esta actividad. Contesten las preguntas y compárenlas con las de otros equipos. Anoten sus conclusiones. Propósito Comprobar experimentalmente la Ley de Lavoisier. 6. Cuando deje de reaccionar todo el bicarbonato con el vinagre, anoten la masa final obtenida. masa final = m2 = g Comparen los resultados de la masa inicial (m1) y de la masa final (m2). m1 = g m2 = g De acuerdo con los resultados anteriores, ¿se cumplió la Ley de Conservación de la masa? Justifiquen su respuesta Material ¿Qué sustancia quedó dentro del globo? n 10 g de bicarbonato de sodio (NaCOH3) n Un matraz Erlenmeyer de 250 mL n Un embudo n Un globo del número 6. Con la ayuda de su profesor, escriban la reacción química que se llevó a cabo. n Una balanza granataria n 10 mL de vinagre (CH3COOH) Procedimiento 1. Viertan el vinagre dentro del matraz. 54 Anota tus conclusiones: Grupo Editorial Patria® Actividades complementarias I. Instrucciones: Completa el siguiente mapa conceptual. MATERIA Estados físicos 1. Sólido 2. 3. 4. 5. 6. Características Características No tiene forma ni volumen Características Características Características Ejemplo o aplicación Ejemplo o aplicación Ejemplo o aplicación Ejemplo o aplicación Ejemplo o aplicación Ejemplo o aplicación 55 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía II.Instrucciones: Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. ( ) 1. Se realiza un cambio físico durante: a) La oxidación de un clavo b) La fusión del hierro c) La reducción de hierro de Fe+3 a Fe+2 d) La reacción del cobre con ácido nítrico ( ) 2.En una lámpara de baterías los cambios de energía que se presentan son: a) Eléctrica, calorífica, cinética, lumínica b) Química, eléctrica, calorífica, lumínica c) Potencial, calorífica, lumínica d) Química, cinética, lumínica, calorífica ( ) 3. Es un ejemplo de energía potencial: a) Un atleta corriendo b) El viento de un huracán c) La luz del Sol d)Una resortera lista para disparar ( ) 4.Partícula más pequeña que no puede descomponerse en otras más sencillas: a) Molécula b) Átomo c) Mezcla d) Elemento ( ) 5.Todo lo que requiere energía para un cambio de estado, de reposo o de movimiento, se conoce como: a) Masa b) Densidad c) Fuerza de gravedad d) Materia ( ) 6.Las sustancias puras que pueden descomponerse en otras más simples se llaman: ( ) 7.Son sustancias que resultan de la unión de dos o más elementos diferentes en proporciones definidas y pueden separarse sólo por métodos químicos. a) Átomo b) Compuesto c) Molécula d) Elemento ( ) 8.“La masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma”, corresponde al enunciado de la ley de: a) Dalton b) Proust c) Lavoisier d) Richter ( ) 9.La energía que tiene un cuerpo debido a su posición o estado de reposo se le conoce como: a) Cinética b) Radiante c) Luminosa d) Potencial ( ) 10.Se define como la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo: a) Materia b) Masa c) Energía d) Volumen ( ) 11.Expresión matemática de la ley de la conservación de la materia: a) E = mv2 b) E = mhg c) E = mc2 d) E = wf ( ) 12. Son ejemplos de propiedades específicas de la materia: a) Elementos a) Masa, peso, volumen, inercia b) Átomos b) Volumen, densidad, punto de fusión, divisibilidad c) Electrones c) Temperatura, densidad, color, punto de fusión d) Compuestos d) Solubilidad, masa, longitud, inercia 56 ( ) 13. Es un ejemplo de fenómeno químico: a) La caída de un rayo b) La evaporación del agua c) La oxidación de un metal d) La fusión de la cera Grupo Editorial Patria® ( ) 20.En el universo, la cantidad de masa-energía que se manifiesta en determinado espacio-tiempo permanece constante. Esta ley la postuló: a) Dalton b) Lavoisier c) Einstein ( ) 14.Ciencia que estudia los fenómenos químicos que se presentan en los seres vivos. d) Mayer a) Fisicoquímica ( ) 21. Es la energía producida por la fuerza del agua. b) Bioquímica a) Mecánica c) Biología b) Eléctrica d) Ecología c) Hidráulica ( ) 15. Cantidad de partículas contenidas en una sustancia. a) Átomos b) Masa c) Moléculas d) Peso ( ) 16.Lugar de una casa donde se presenta el mayor número de transformaciones químicas diariamente. a) Cocina b) Sala c) Baño d) Jardín ( ) 17. Principal fuente de energía con que cuenta el hombre. a) El plástico d) Geodésica ( ) 22.Cuando una sustancia cambia del estado sólido al gaseoso se verificó una: a) Sublimación b) Solidificación c) Deposición d) Fusión III. Instrucciones: Anota el nombre del estado físico o de agregación en el que se encuentran los objetos y las sustancias. a) Loción para después de afeitar. b) Spray para el cabello. c) El hielo contenido en un refresco. d) La salsa de tomate para las papas a la francesa. b) El papel e) El suavizante para las telas. c) La madera f) El anticongelante para los automóviles. d) El Sol g) La flama de los calentadores de las estufas. ( ) 18. Uno de los productos que se obtienen en la respiración. h) El Sol. a) Monóxido de carbono, CO i) La espuma de afeitar. b) Dióxido de carbono, CO2 j) La pólvora. c) Oxígeno, O2 d) Nitrógeno, N2 ( ) 19. Es una propiedad fundamental de la materia. a) Punto de ebullición b) Elasticidad c) Volumen d) Color 57 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía Actividad experimental Cambios de estado ¿Cuál fue el cambio de estado que se efectuó? Bajo la dirección de tu maestro, forma un equipo con tres compañeros de grupo y resuelvan esta actividad experimental. Contesten las preguntas y elaboren un informe escrito con resultados y conclusiones. Expónganlo al resto del grupo. Propósito Verificar cambios de estado físico de algunas sustancias cotidianas Materiales 3. Trituren en el mortero la bolita de naftalina y colóquenla en un vaso de precipitados. Tápenla con una cápsula que contenga unos cubos de hielo y un poco de agua, y calienten el vaso. Observen durante cinco minutos y anoten sus conclusiones: n bolita de naftalina n 2 g de parafina n 50 mL de agua n seis cubos de hielo n dos vasos de precipitados de 250 mL ¿Qué cambio de estado ocurrió? n tres cápsulas de porcelana n soporte universal con anillo de hierro n mechero n mortero Coloquen la parafina en una cápsula de porcelana y caliéntenla: Procedimiento 1. Agreguen 20 mL de agua a un vaso de precipitados y caliéntenla. ¿Qué ocurre? ¿Qué observan cuando han transcurrido cinco minutos? ¿Cómo se llama este cambio de estado? ¿Cómo se llama este cambio de estado? ¿Por qué? 2. En una cápsula de porcelana coloquen unos cubos de hielo y agua. Tapen con ella el vaso de precipitados en el que están calentando el agua. ¿Qué función tiene el hielo? 58 Grupo Editorial Patria® Instrumentos de evaluación Heteroevaluación Ha llegado la hora de que demuestres realmente cuánto has aprendido, hemos terminado este bloque y ahora ya conoces muchas cosas nuevas. En esta sección encontrarás una heteroevaluación que abarca todo el conocimiento adquirido en este bloque, contéstala lo mejor que puedas y entrégala a tu profesor cuando lo solicite. I. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la derecha, posteriormente coméntalo con tus compañeros de clase y menciona la importancia que tiene conocer las propiedades de la energía y su uso correcto en la vida cotidiana. . Menciona, según sea el caso, los beneficios y riesgos de los cambios químicos que se dan en el hogar o en el medio ambiente. 1. El enunciado: “La materia en el Universo se transforma pero siempre se mantiene constante”, corresponde a la ley de la ( ) conservación de: a) b) c) d) materia masa materia- energía energía volumen peso espacio materia volumen, masa, acidez peso, impenetrabilidad, inercia pH, densidad, divisibilidad ebullición, porosidad, oxidación 4. Son propiedades específicas químicas. a) b) c) d) a) b) c) d) destilación fusión solidificación líquido 7. ¿Cuál ejemplo corresponde a un fenómeno químico? ( a) b) c) d) ) ennegrecimiento de un aguacate estirar una liga romper un vidrio magnetizar el hierro a) b) c) d) evaporación fusión sublimación condensación a) b) c) d) evapora sublima condensa fusiona 10. ¿Cómo se llama la energía que tiene un objeto a una velocidad ( ) de 2 m/s? ( ) volumen, oxidación combustibilidad, acidez inercia, porosidad peso, densidad 5. Es un estado de la masa: materia modelo fenómeno estado de agregación 9. ¿Qué le sucede al hielo seco, dióxido de carbono, si está a pre( ) sión y temperatura ambiente? Se: 3. Son tres propiedades generales de la materia en forma de ( ) masa. a) b) c) d) a) b) c) d) ) 8. ¿Cómo se llama el cambio de estado si un gas pasa al estado ( ) líquido? 2. Un tornillo oxidado, el arsénico, el calor, el magnetismo y el helio tienen en común que son: ( ) a) b) c) d) 6. Cualquier modificación que le sucede a la masa se llama: ( ( ) a) b) c) d) cinética mecánica cibernética potencial 11. Son las fuentes de energía más importantes en nuestro país: ( ) a) b) c) d) marítima, luminosa, magnética térmica, hidráulica, eólica hidroeléctrica, termoeléctrica, petróleo radiante, acústica, solar 59 2 BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía II. Instrucciones: Anota sobre la línea la palabra sólidos, líquidos o gases, según el estado físico a que se refiera la propiedad. a) Sus espacios intermoleculares son grandes y su densidad es baja: b) En este estado los espacios intermoleculares son muy pequeños y las partículas tienen escasa libertad: c) No tienen forma definida pues adoptan la forma del recipiente que los contiene: d) Tienen volumen definido y se oponen a ser comprimidos: e) Tienen a ocupar todo el espacio disponible y se pueden comprimir: f) Tienen volumen propio y difunden o fluyen con facilidad: ( ) ( ) ( ) ( ) Los sólidos pueden convertirse en hilos Es la resistencia que ofrece un líquido a fluir Es la fuerza que tienen los líquidos en su superficie Es la propiedad que tienen los líquidos de ascender o fluir a través de tubos o recipientes de diámetro pequeño e) Maleabilidad f) capilaridad g) Tenacidad h) Viscosidad V. Anota en la línea correspondiente el nombre del estado de agregación en que se encuentran los objetos y sustancias mencionados en las frases siguientes: a) La pasta dental: b) Un licuado de fresa: c) Una manzana: III. Instrucciones: Escribe la palabra homogénea o heterogénea, según corresponda a cada una de las siguientes mezclas: d) El aceite lubricante: e) El hielo que se agrega a los refrescos: a) Agua con aceite f) La sal para darle sabor a los alimentos: b) Vinagre con agua c) Arena de mar y agua g) Los productos de la combustión que salen por el tubo de escape: d) Leche con agua h) El gas doméstico: e) Limadura de hierro y azufre i) Loción para después de afeitar: f) Alcohol y agua destilada j) Mayonesa: g) Refresco con hielo IV. Instrucciones: Relaciona las siguientes columnas y escribe la letra que corresponda a la respuesta correcta dentro del paréntesis. ( ) ( ) ( ) ( ) 60 Propiedad de los sólidos, en mayor o menor grado, de recuperar su forma inicial Propiedad de estos cuerpos de oponerse a ser rayados Resistencia que presenta un sólido a la ruptura Los sólidos pueden ser laminados al golpearse con un martillo a) Tensión superficial b) Elasticidad c) Ductibilidad d) Dureza Grupo Editorial Patria® Autoevaluación Instrumento de evaluación para la Actividad de aprendizaje, página 39. Nombre del estudiante: Nombre de la(del) profesora(or): Actividad: Fecha: Mencionar la importancia que algunos fenómenos físicos o químicos tienen en la vida cotidiana. Propósito: Valorar la responsabilidad y cumplimiento de la actividad, así como identificar áreas de oportunidad para mejorar en el desempeño y aprendizaje. ¿Lo realizó? Sí No Desempeños ¿Por qué? 1. Realicé la actividad en el libro. 2. Anoté las respuestas en los incisos correspondientes. 3. Me basé en los conocimientos previos. 4. Todas mis anotaciones son correctas y acorde a lo solicitado. 5. Comprendí la importancia de los fenómenos físicos y químicos en situaciones de mi vida cotidiana. 6. Expliqué mis respuestas y las argumente con elementos teóricometodológicos analizados durante la clase. 7. Socialicé mis respuestas con otra/o compañera/o. 8. Mis respuestas son claras y congruentes, de tal forma que mis compañeras/os no requieren de explicación alguna. 9.Elaboré cuestionamientos que no fueron claros durante la actividad. 10. Aporté ideas relevantes durante la comparación de resultados. 11. Hice preguntas sobre dudas o diferencias que surgieron durante la actividad. 12. Asumí con respeto la diversidad de opiniones que se generaron durante la dinámica. 13. La actividad me ayudó a comprender el origen de los fenómenos físicos y químicos que se observan a mí alrededor. 14. Elaboré conclusiones y las compartí con el resto del grupo. 15.Me gustó la actividad. 16. En general, tuve un aprendizaje significativo y relevante sobre los físicos y químicos. ¿Cómo me sentí durante la dinámica? ¿Cuáles son mis fortalezas? ¿Qué debo mejorar? Firma del estudiante: Firma del profesor(a): 61 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones 10 horas Objetos de aprendizaje 3.1 Modelos atómicos y partículas subatómicas 3.2 Conceptos básicos (número atómico, masa atómica y número de masa) 3.3 Configuraciones electrónicas y los números cuánticos 3.4 Los isótopos y sus aplicaciones Competencias a desarrollar n n n n Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. n n n n n Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. ¿Qué sabes hacer ahora? Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. Partícula más pequeña que no puede descomponerse en otras más sencillas: b) mezcla c) átomo d) molécula ( ) a) elemento ( ) Son átomos del mismo elemento que tienen igual número de protones y electrones, pero con diferente número de neutrones: a) compuestos b) átomos c) moléculas d) isótopos Es la suma de protones y neutrones en un átomo: b) número atómico c) peso atómico d) número de masa ( ) a) masa atómica ( ) Es la suma porcentual promedio de las masas de los isótopos más estables de un mismo elemento: a) peso atómico b) masa molar c) masa atómica d) número masa Es el número de protones que tiene el núcleo de un átomo: ( ) a) número atómico b) masa molecular c) peso atómico d) masa isotópica Es el número de orbitales que se tienen en el subnivel s: b) 3 c) 5 d) 10 ( ) a) 1 ( ) La configuración electrónica [Ar] 4s 2 3d10 4p 2, corresponde al elemento: a) V b) As c) Ge d) Ca ( ) Identifica los números cuánticos del electrón diferencial en la siguiente configuración electrónica: 1s 2, 2s 2, 2p6, 3s1: a) n = 3, l = 0, m = 0, s = ½ b) n = 1, l = 0, m = 1, s = ½ c) n = 1, l = 1, m = 1, s = ½ d) n = 3, l = 0, m = 1, s = ½ ( ) La configuración electrónica de un elemento cuyo electrón diferencial está en 4p1x es: a) [Ar] 3s 2 3p1 b) [Kr] 4p1 10 2 c) [Ar] 3d 4s d) [Ar] 4s 24 p 2 Desempeños por alcanzar n n n n n Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente. Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente. n n n n n n Distingue las aportaciones científicas que contribuyeron al establecimiento del modelo atómico actual. Construye modelos para representar las distintas teorías atómicas. Identifica las características de las partículas subatómicas. Resuelve ejercicios sencillos donde explica cómo se interrelacionan el número atómico, la masa atómica y el número de masa. Elabora configuraciones electrónicas para la determinación de las características de un elemento. Argumenta sobre las ventajas y desventajas del empleo de isótopos radiactivos en la vida diaria. 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Situación didáctica ¿Cómo lo resolverías? ¿Has visto o tocado físicamente un átomo, un electrón o alguna partícula subatómica? Una manzana nos puede servir para conocer de qué se compone la materia. Si la cortáramos en trozos más allá de lo que el ojo humano puede ver, la primera porción con la que nos La materia es tan interesante en su constitución, que encontraríamos serían las moléculas, constituidas por en el mundo a diario los científicos están empeñados en átomos que, a su vez, se componen de electrones y núdescubrir nuevos materiales que puedan solucionar dicleo. Los núcleos están formados por los protones y los versas problemáticas sociales, tales como la contaminaneutrones. Dentro de ellos habitan los quarks, las menoción del medio ambiente, el reciclar diversos plásticos, mires porciones de materia que el hombre ha podido conocer nerales, etc., para lo cual tratan de sumergirse en un viaje hacia hasta este momento. En realidad, todas las cosas y seres se forman las partículas que constituyen al átomo. Para lo anterior vamos a sobre cuatro de estos constituyentes: los dos quarks —llamamanifestar una analogía con la siguiente pregunta: ¿qué hay dentro de una manzana? dos arriba y abajo siempre atados a las partículas del núcleo— y, el electrón y el neutrino. Las otras dos familias de quarks y Fuerza Partícula Dónde se Forma leptones se extinguieron tras el Big Bang. El quark arriba tieInteracción relativa portadora manifiesta espacial ne carga positiva, mientras su contrario, el quark abajo está cargado negativamente, igual que el electrón, que interviene FUERZA FUERTE 1 Gluón Núcleo en la electricidad y en las reacciones químicas. El neutrino no Mantiene unido el núcleo tiene carga eléctrica. del átomo FUERZA ELECTROMAGNÉTICA Mantiene unido el átomo 1/1 000 Fotón FUERZA DÉBIL Provoca la desintegración radiactiva 1/100 000 Bosones GRAVITACIÓN Mantiene unido el Sistema Solar 10–38 Gravitón Átomo Desintegración radiactiva Sistemas planetarios Secuencia didáctica Cuatro fuerzas son las responsables de que se mantengan unidos tanto los átomos como las galaxias. Los físicos creen que están integradas en una única superfuerza. Los físicos opinan que estas cuatro interacciones no son más que formas de una fuerza única que actuó al principio de los tiempos. Las condiciones de la naturaleza no permiten que hoy se produzca la unificación; pero continúan las investigaciones para saber cómo fue aquella superfuerza original. ¿Qué tienes que hacer? 3. ¿Cuáles son los constituyentes principales de un átomo? A continuación se lista una serie de acciones que se debe seguir para contestar la problemática de la pregunta central. Es importante reflexionar; ser claros, concisos y objetivos para que esta experiencia sea útil. 1. Describe las partes de una manzana natural, relacionándola con el texto anterior. 2. ¿En dónde se concentra la superfuerza de un átomo? 64 4. ¿Qué representan los quarks? 5. ¿Por qué es importante conocer la constitución interna de la materia? Grupo Editorial Patria® 6. ¿Por qué se muestra la analogía con una manzana y no con otra fruta; por ejemplo, una naranja? 7. ¿Cuántas partículas actualmente se conocen y que constituyen al átomo? 8. Elabora un reporte en el que expreses de manera objetiva tus reflexiones sobre esta actividad. Rúbrica ¿Cómo sabes que lo hiciste bien? Con el propósito de verificar tus conocimientos sobre la constitución de la materia, contesta lo siguiente: n ¿Cuántas partículas fundamentales constituyen un átomo? n ¿Cuántas partículas subatómicas se conocen en la actualidad? Autoevaluación Con el propósito de revisar si adquiriste los conocimientos del bloque, pregúntate lo siguiente: n ¿Leí todo el contenido del bloque? n Cuando lo hice, ¿comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta que lo comprendí? n ¿Los aparatos modernos tienen que ver con los descubrimientos de partículas subatómicas? Justifica tu respuesta. n ¿Puedo comprender la influencia de conocer la estructura del átomo en beneficio propio y de mis semejantes? ¿Por qué? n ¿Ya se conocen todas las partículas del átomo o faltan por descubrirse más? Justifica tu respuesta. n ¿El uso del átomo en forma adecuada, beneficia el desarrollo de la sociedad actual? ¿Cómo? 65 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones 3.1 Modelos atómicos y partículas subatómicas Introducción Los seres humanos somos únicos, originales e irrepetibles. Pertenecemos a una gran familia porque, a pesar de ser diferentes, nos parecemos. El conocimiento actual que tenemos del átomo es el resultado de un gran esfuerzo de los científicos a través del tiempo, lo cual, sin embargo, es algo que no está completo, ni es absoluto. Los grandes avances tecnológicos con que contamos en el mundo moderno, surgieron de las investigaciones sobre cómo está compuesta la materia; las partículas que la constituyen y en ir descubriendo sus diferentes propiedades al reaccionar con otras sustancias; sin perder de vista tener un sano equilibrio, cuidado y desarrollo con el ambiente que nos rodea. n Todas las cosas están compuestas de átomos sólidos. n Espacio o vacío, es decir, vacuidad, existe entre los átomos. n Los átomos son eternos. n Los átomos, por ser demasiado pequeños, no son visibles. n Los átomos son indivisibles, homogéneos e incomprensibles. n n Los átomos difieren uno de otro por su forma, tamaño y distribución geométrica. Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los átomos. Modelo atómico de Dalton Figura 3.1 El átomo se ha convertido en el símbolo de nuestra época. Aquí se muestra el Atimium, erigido en Bruselas con motivo de su exposición universal. Alrededor de 1803 ganó gran aceptación la teoría de un científico inglés llamado John Dalton, la cual decía que la naturaleza de la materia y la forma en que los elementos se combinaban, sugería la existencia de un límite hasta el cual un elemento se podía subdividir. Actualmente sabemos que al dividir una muestra de cobre en trozos cada vez más pequeños, finalmente se encuentra una unidad básica que no puede seguir siendo dividida sin que la naturaleza del elemento cambie. Esta unidad básica se llama átomo y con su conocimiento se facilita el estudio de las reacciones químicas. Conforme ha ido avanzando la ciencia, el concepto de átomo ha ido cambiando también. Gran parte de las actividades en nuestro planeta dependen de la electricidad, la mayor parte de ésta se desplaza de un sitio a otro por medio de alambres de cobre. Ahora supongamos que tomamos una muestra del elemento y la dividimos en pedazos cada vez más pequeños. Alrededor del año 400 a. C. los filósofos griegos Demócrito y Leucipo fueron los primeros en introducir la palabra átomo, que se refería a una porción indivisible de la materia. Cuando se divide un pedazo de madera —argumenta Demócrito—, es lógico admitir que la hoja del cuchillo penetra en intersticios existentes en la materia. Las partículas últimas indivisibles de la materia son los átomos. Cada uno de estos átomos eternos, indestructibles, y eternamente invariables, representa una unidad parmenidiana (de Parménides). Los átomos no poseen sabor, olor, ni color; todas estas propiedades no residen en la materia. Todas las cosas se componían de átomos. Resumiendo la fi- Figura 3.2 Símbolos de los cuatro elementos losofía atómica antigua: que consideraban los griegos. 66 Figura 3.3 John Dalton, padre de la teoría atómica moderna. A principios del siglo xix y retomando la explicación propuesta por Demócrito, John Dalton, en su teoría atómica, estudió a los átomos y utilizó símbolos para representar su combinación; usaba círculos negros para los átomos de carbono; los círculos blancos indicaban los átomos de oxígeno, un círculo negro junto a otro blanco simbolizaban al monóxido de carbono. Además, al mismo tiempo que formulaba su teoría, publicó una tabla de masas atómicas en la que asignó la masa de 1 al hidrógeno, el átomo más ligero de todos. Los postulados de Dalton, incluso con sus errores, que se han ido corrigiendo con el paso del tiempo, y los nuevos descubrimientos proporcionaron una base de trabajo, por ello se le considera el padre de la teoría atómica moderna. A continuación se enuncian dichos postulados: 1. Los elementos están formados por partículas muy pequeñas, separadas, indivisibles e indestructibles llamadas átomos. Grupo Editorial Patria® Si en un tubo de descarga existe una concentración de carga eléctrica positiva y en otro una concentración de carga eléctrica negativa, entonces entre los dos se establece un potencial eléctrico. Bajo la fuerza impulsora de este potencial eléctrico fluye una corriente eléctrica desde un punto a otro. La corriente fluye más fácil a través de unos materiales que de otros. A los científicos del siglo xx les parecía razonable avanzar un paso más e intentar conducir una corriente eléctrica a través del vacío; sin embargo, para obtener resultados significativos se precisaba un vacío lo bastante perfecto como para permitir que la corriente cruzase (si es que lo hacía) sin interferencias significativas por parte de la materia. Figura 3.4 Símbolos atómicos propuestos por Dalton. 2. Los átomos de un mismo elemento son idénticos y poseen las mismas propiedades físicas y químicas, pero son diferentes de los átomos de otro elemento. Por ejemplo: los átomos de plata (Ag) son idénticos entre sí; por tanto, tienen las mismas propiedades, pero si se comparan con los átomos de sodio (Na), éstos tienen diferentes propiedades. 3. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos diferentes: Por ejemplo: el agua (H2O) se obtiene de la unión de dos átomos de hidrógeno (H) con uno de oxígeno (O). El vinagre o ácido acético (CH3COOH) resulta de la unión de dos átomos de carbono (C), dos átomos de oxígeno (O) y cuatro átomos de hidrógeno (H). 4. Al combinarse los átomos de dos mismos elementos para formar una serie de compuestos, lo hacen en una relación sencilla de números enteros. Por ejemplo, en el agua (H2O) y en el agua oxigenada (H2O2) la relación es de 2 a 1 y de 2 a 2, respectivamente. Nota. Actualmente sabemos que los átomos se pueden dividir liberando una gran cantidad de energía en forma de calor, el cual puede ser transformado en energía eléctrica. La palabra átomo se conserva por cuestiones meramente históricas. De acuerdo con los postulados anteriores, Dalton crea su modelo atómico, en el cual el átomo se considera como una esfera sólida, maciza, pequeña, indivisible y de peso fijo. Dalton mencionó en su hipótesis que los átomos eran indivisibles e indestructibles, pero actualmente las plantas de energía nuclear aprovechan la desintegración del núcleo, que libera una enorme cantidad de calor, el cual es transformado en energía eléctrica en los reactores nucleares, para beneficio del hombre. Figura 3.5 Modelo atómico de Dalton. Los intentos de Faraday para dirigir electricidad a través del vacío fracasaron, por no ser éste suficientemente perfecto. Pero en 1855 un soplador de vidrio, el alemán Heinrich Geissler (1814-1879), ideó un método para producir vacíos más altos que los que se habían obtenido hasta entonces. Preparó recipientes de vidrio haciendo vacío en ellos. Un amigo suyo, el físico alemán Julius Plücker (1801-1868), utilizó estos tubos de Geissler en sus experimentos eléctricos, introdujo dos electrodos en los tubos, estableció un potencial eléctrico entre ellos y consiguió hacer pasar una corriente a través de los mismos. Figura 3.6 Michael Faraday fue de los primeros científicos que experimentaron con la electricidad. La corriente producía efectos luminiscentes dentro del tubo y variaban, precisamente, de acuerdo con el grado de vacío. Si el vacío era muy alto, la luminiscencia desaparecía pero el vidrio del tubo despedía una luz verde alrededor del ánodo. El físico inglés William Crookes (1832-1919) ideó en 1875 un tubo con un vacío más perfecto (tubo de Crookes), que permitía estudiar con mayor facilidad el paso de la corriente a través del vacío. Parecía bastante claro que la corriente eléctrica se originaba en el cátodo y viajaba hasta el ánodo, donde chocaba con el vidrio que estaba junto a él y producía luminiscencia. Crookes comprobó esto al colocar un trozo de metal en el tubo y mostrar que proyectaba una sombra sobre el vidrio en el lado opuesto al cátodo. Los experimentadores en electricidad de los siglos xviii y xix, empezando con Benjamin Franklin, supusieron que la corriente fluía desde la concentración llamada arbitrariamente positiva hacia la llamada negativa. Crookes demostró que en realidad la suposición estaba equivocada y el flujo iba de la negativa a la positiva. 67 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Cátodo Cátodo Alta tensión Rayos cató dicos A Ánodo (electropositivo) pantalla fluorescente Figura 3.7 Tubos de descarga. Vista superior desviación de haz de electrones por un campo magnético Pantalla fluorescente A Alto voltaje 10 000 voltios Vista superior a la bomba de vacío Ánodo B Cátodo (electronegativo) Ánodo A la bomba de vacío Vista superior a la bomba de vacío Ánodo Cátodo Figura 3.8 Experimentos con tubos de descarga. Figura 3.9 Mediante un tubo de rayos catódicos modificado, Goldstein descubrió rayos que viajaban en dirección opuesta a la de los rayos catódicos. Sin embargo, en aquella época los físicos no sabían qué era la corriente eléctrica, ni lo que se estaba moviendo desde el cátodo al ánodo. Fuese lo que fuese, viajaba en línea recta; en 1876, el físico alemán Eugen Goldstein (1850-1930) llamó a este flujo rayos catódicos. Una manera de decidir entre las dos alternativas era investigar si los rayos catódicos eran desviados por la acción de un imán. Las partículas podían llevar una carga eléctrica y, en cualquier caso, serían mucho más fácilmente desviadas por un campo que si fuesen ondas. Parecía natural suponer que los rayos catódicos podían ser una forma de luz y estar formados por ondas. Las ondas viajaban en línea recta, como la luz, y lo mismo que ésta, no parecían afectadas por la gravedad. Por otra parte, podía igualmente inferirse que los rayos catódicos consistían en partículas veloces, que al ser tan ligeras o moverse tan rápido, no eran en absoluto afectadas por la gravedad o lo eran en cantidades inapreciables. El mismo Plücker había mostrado que este efecto existía y Crookes había hecho lo propio independientemente. Sin embargo, aún quedaba una cuestión: si los rayos catódicos estaban formados por partículas cargadas, un campo eléctrico podría desviarlas, aunque al principio no se detectó este efecto. El asunto fue motivo de considerable controversia durante algunas décadas, ya que mientras los físicos alemanes se inclinaban hacia la concepción ondulatoria, los físicos ingleses lo hacían a la corpuscular. Actividad de aprendizaje Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la derecha. Explica tu respuesta considerando la relación que tiene lo teórico con el uso en una actividad experimental. 1. Sustancia compuesta por una sola clase de átomos. a) Mezcla b) Molécula c) Isómero d) Elemento ( ) 2. Son átomos de un mismo elemento con igual número atómico pero diferente número de masa, debido a diferente número de neutrones. ( ) a) Isómero b) Isóbaros c) Alótropos d) Isótopos 68 El protón y los rayos canales En 1886, el físico alemán Eugene Goldstein descubrió en un tubo de rayos catódicos una luminosidad situada detrás del cátodo. Para identificar esos rayos, el investigador hizo una perforación en el cátodo y, al aplicar un potencial eléctrico, observó que un angosto haz de luz pasaba a través de la abertura. Con esto probó la existencia de rayos positivos, o rayos canales, los cuales viajan en sentido opuesto al de los rayos catódicos. El electrón y el modelo atómico de Thomson En 1897, partiendo del descubrimiento de los rayos canales Thomson, científico inlglés, introdujo considerables modificaciones en el tubo de rayos catódicos, e inventó el primer espectrómetro de masas. En este instrumento, dispuso la polaridad de los electrodos de manera que los rayos catódicos pasaran a través de un pequeño orificio en el ánodo, después de lo cual los rayos eran dirigidos a través de otro pequeño orificio para que finalmente incidieran sobre una pantalla de sulfuro de cinc (ZnS) colocada en el fondo del tubo. Al comunicar energía al circuito en condiciones de alto vacío, apareció en la pantalla de ZnS una mancha fluorescente, caracterís- Grupo Editorial Patria® 1.12 Figura 3.12 Experimento de Rutherford. Figura 3.10 Aparato de Thomson para la investigación de las partículas catódicas. M = Campo magnético. espontánea de estos átomos inestables. Al desintegrarse se transmutan, es decir, forman elementos más estables. Este fenómeno aportó el concepto de divisibilidad del átomo. tica de la relación entre la carga del electrón y su masa. Para dirigir el haz de rayos catódicos se aplicaron un campo eléctrico y un campo magnético. Cuando se lleva a cabo una desintegración nuclear se presentan emanaciones de partículas a grandes velocidades, lo que se denomina radiación. Entre los distintos tipos de radiación tenemos los siguientes: Basándose en el experimento anterior, Thomson propuso un modelo atómico semejante a una gelatina con pasas. Dijo que el átomo era una esfera de electrificación positiva en la que se encontraban Figura 3.11 atómico incrustados los electrones (también se Modelo de Thomson. conoce como el “modelo del budín de pasas”). Partículas alfa (α): Son núcleos idénticos a los del helio (2 protones + 2 neutrones), relativamente pesados, y de carga positiva. Al emitirlos, el elemento cambia: el uranio se vuelve torio, el torio se vuelve radio, hasta concluir en el plomo y el talio. La pérdida de partículas del núcleo tiene un efecto profundo sobre el átomo radiactivo. Se consideró que los electrones eran las primeras partículas constituyentes del átomo y que tenían “carga eléctrica negativa”. La radiación y el modelo atómico de Rutherford En 1896, el interés del físico francés Henri Becquerel en la fluorescencia que aparecía en las paredes de vidrio del tubo de rayos catódicos, lo llevó a descubrir accidentalmente la radiactividad. Olvidó sobre unas placas fotográficas vírgenes que estaban sobre su escritorio un trozo de mineral de uranio, y al examinarlas posteriormente vio que estaban “veladas”, a pesar de que la luz no podía haber penetrado a través de sus envolturas intactas. Becquerel sospechó que el uranio debía emitir rayos capaces de atravesar el papel y aun el metal. En el año de 1900, los esposos Pierre y Marie Curie apoyados en las bases de Becquerel, descubrieron el radio, elemento que nos ha permitido llegar al conocimiento actual de la radiactividad. Se sabe que los átomos son similares a sistemas planetarios, y es natural suponer que los más complicados son los más inestables, como los derivados del uranio (92 electrones), el torio (90 electrones) y el actinio (89 electrones). La radiactividad es la desintegración El uranio, por ejemplo, cesa de ser uranio para convertirse en otro elemento: el torio. La diferencia entre los materiales básicos del universo reside justamente en la cantidad de protones que contienen, y cuando modifican alguno, se transforman en otro elemento: se transmutan. Esto se conoce como desintegración radiactiva. No todos los átomos de uranio se desintegran simultáneamente. Partículas beta (β): Son semejantes a los electrones, análogos a los del cortejo periférico del núcleo. Cuando el núcleo las emite, se producen cambios en la carga y en el número atómico. Rayos gamma (γ): No tienen carga ni masa. No son partículas, sino radiaciones electromagnéticas, cuya velocidad es la de la luz, pero cuya energía es enorme, debido a que sus ondas son ultracortas. Es un fenómeno secundario que en general acompaña al decaimiento alfa y beta, pero no provoca que el elemento se transmute. Con todo lo anterior se demostró que la radiactividad está formada de tres tipos de decaimiento bastante diferentes, en presencia de un campo magnético. Las partículas alfa se desvían hacia un electrodo (tienen carga positiva), las partículas beta hacia el lado contrario (tienen carga negativa) y las gamma no sufren desviación alguna (son neutras). Unos 10 años después del descubrimiento de las partículas alfa, beta y gamma (1911), el inglés Rutherford propuso otro modelo atómico como resultado de sus experimentos al bombardear lámi69 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Aplica lo que sabes Completa el siguiente mapa conceptual y dibuja tu modelo atómico, ubica las partículas fundamentales, con sus características principales. Partículas fundamentales del átomo Figura 3.13 Modelo atómico de Rutherford. Neutrón Su masa es: Su masa es: Su masa es: nas de oro y platino con partículas alfa. Observó que la mayoría de las partículas alfa penetraban las laminillas sin desviarse, excepto unas pocas. Algunas de las que se desviaron lo hicieron formando ángulos, aunque una pequeña parte retrocedió hacia el haz incidente. Esto condujo a Rutherford a formular una nueva teoría sobre la estructura atómica, en la cual colocó el núcleo en el centro del átomo y propuso que: n n Se localiza n Girando fuera del núcleo ) Ennegrecer las placas fotográficas, ionizar a los gases y hacer los conductores de la electricidad, son algunas propiedades de: a) las partículas alfab) las partículas beta c) los rayos gammad) los rayos X ( 70 El diámetro del núcleo es, aproximadamente, 10–4 veces el del átomo. Los átomos están formados en su mayor parte por espacio vacío. La masa y la carga positiva del átomo estaban concentradas en un núcleo y los electrones giraban a manera de satélites, describiendo diferentes trayectorias. Las dimensiones de este átomo eran 10–12 cm para el diámetro del núcleo y 10–8 cm (1 angstrom) para la extensión del átomo. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. Explica tu respuesta considerando la relación que tiene lo teórico con el uso en una actividad experimental. ( La masa del átomo está concentrada en un núcleo pequeño situado en el centro. ) Son partículas poco penetrantes, pierden sus propiedades después de ser emitidas, su carga eléctrica es positiva, están constituidas por núcleos de helio: a) gamma b) X c) beta d) alfa Si consideramos a Thomson como el descubridor del electrón por haber medido la relación entre su carga y su masa, debemos reconocer que el descubridor del protón fue el físico alemán Wilhelm Wein, puesto que en 1898 midió la relación entre la carga y la masa del protón. El experimento de Rutherford había establecido definitivamente que el protón era un componente del núcleo. Bombardeando nitrógeno con partículas alfa, Rutherford observó que se producían protones y oxígeno: 14 7N 1 2He4 17 1 8O 1 1H Con este experimento, Rutherford logró por primera vez que se desprendieran protones del núcleo y demostró que son unidades fundamentales de la estructura del núcleo atómico. Además, confirmó la proposición de William Prout, enunciada en 1815, de que el hidrógeno es el elemento del cual se originan todos los demás. También llevó a cabo la primera reacción nuclear artificial. Grupo Editorial Patria® Actividad de aprendizaje ( ) Propuso un modelo atómico basado en experimentos con radiactividad y bombardeó láminas de oro. a) Daltonb) Thomson c) Rutherford d) Bohr Menciona la importancia que tiene este modelo en la actualidad, proporciona un ejemplo. ( ) La región más probable del espacio donde se encuentra un electrón se conoce como: a) Núcleo b) Orbital c) Nivel de energía d) Nube de carga Modelo atómico actual En 1900, el famoso físico alemán Max Planck desarrolló una ecuación matemática empírica para trazar una gráfica que relacionase la intensidad de la radiación con la longitud de onda. Planck pensó que la luz era producida de manera discontinua dentro de la cavidad de una esfera mediante un gran número de osciladores microscópicos, cada uno de los cuales vibraba con una frecuencia característica (µ). Encontró también que la energía de cada oscilador podría expresarse por: Figura 3.14 Modelo atómico de Bohr. E=hµ donde: h = 6.62 3 10–27 erg s El neutrón y los experimentos de Chadwick En 1932, durante los experimentos sugeridos por Rutherford, el físico inglés James Chadwick descubrió una partícula que tenía exactamente la misma masa que el protón, pero no poseía ninguna carga eléctrica. Debido a que era eléctricamente neutra, se denominó neutrón, Chadwick reconoció que éste formaba parte de todos los núcleos, con excepción del hidrógeno. La existencia de los neutrones había sido ya predicha desde 1920. En 1930, W. Bothe y H. Becker lograron obtener una radiación de alta penetración al bombardear berilio con partículas alfa. Esta radiación, posteriormente identificada por Chadwick como formada por neutrones, desplaza protones de materiales que, como la parafina, contienen en sus estructuras combinaciones químicas del hidrógeno. Dos años después, James Chadwick propuso y demostró que el desprendimiento de un protón se efectúa a lo largo de un eficiente proceso de transferencia de energía entre protones y el bombardeo de partículas que tienen una masa aproximadamente igual a la del protón. El cálculo original de Chadwick indicó que el neutrón tenía 17% más de masa que el protón. Trabajos recientes y más precisos indican que sólo hay una diferencia de aproximadamente 0.1%. Las masas del protón y del neutrón son las siguientes: mp = 1.67252 3 10–24 g mn = 1.67482 3 10–24 g A este número se le llama constante de Planck. El trabajo de Planck marca el comienzo de una disciplina conocida como “mecánica cuántica”, que sirve de base al concepto moderno de la estructura atómica y molecular. Basándose en los conceptos de Planck y en la validez de la ecuación de Rydberg, en 1908, Einstein llegó a la conclusión de que los átomos absorben y emiten energía en pequeñas cantidades, o cuantos, a menudo descrita como “paquetes de energía”. La diferencia entre la energía absorbida o emitida se debe al desplazamiento que sufre un electrón de un nivel de energía a otro. Un átomo se excita por la absorción de una cantidad característica de energía que causa el desplazamiento de un electrón de un nivel hacia otro más alejado del núcleo. El átomo puede autoestabilizarse por emisión de la misma cantidad de energía en la forma de luz. Puesto que la luz se origina de esas transiciones electrónicas y puede ser absorbida por el proceso inverso, se considera como discontinua y compuesta de pequeños cuantos llamados fotones. Un fotón es el resultado de una transición electrónica y tiene una energía E = hµ . En 1913, Niels Bohr, físico danés, modificó el modelo de Rutherford y propuso un modelo planetario del átomo de hidrógeno. Los postulados de Bohr afirman que: n n n Los electrones en los átomos ocupan niveles discretos. Esos electrones no irradian energía en forma continua, como enunciaba la teoría electromagnética de la materia. Los electrones pueden alcanzar niveles de energía más altos al absorber cantidades fijas de energía. 71 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones n n53 n n52 E3 2 E3 5 hv n51 Figura 3.15 Modelo atómico de Bohr. Al saltar un electrón a una órbita de menor energía emite luz. Actividad de aprendizaje ( ) Se le llama catión, al ion que tiene: a) carga negativa b) carga positiva c) carga neutra d) no tiene carga ( ) A los neutrones y protones que se encuentran en el núcleo y son responsables de toda la masa del átomo se les llama: a) núclidos b) nucleones c) positrones d) neutrinos Los electrones que caen a niveles más bajos de energía emiten cantidades fijas de energía. El momento angular de un electrón en órbita es un múltiplo entero de h/2π (h = constante de Planck). Modelo de Sommerfeld En 1916, propone un modelo atómico con la existencia de órbitas elípticas y circulares en el segundo y en los más altos niveles de energía. Para describir cada uno de los niveles mayores de energía, Sommerfeld definió dos números cuánticos. Uno de ellos, n, designa los niveles principales de energía y es idéntico a los números usados por Bohr (n = 1, 2, 3, 4,..., etc.). El otro número cuántico, k, indica el grado en que la órbita elíptica se desvía de una circunferencia. Cuando k = n, la órbita es circular, y cuando k = 0, la elipse ha degenerado en una recta. Aceptando sólo valores enteros para k, puede verse que k tiene como límites k = 1 y k = n. Los modelos anteriores se han presentado con el objeto de familiarizarnos con la naturaleza del átomo. De acuerdo con la secuencia presentada, el átomo puede definirse como un conjunto de cargas que posee un núcleo denso (cargado positivamente) rodeado por una cantidad equivalente de electrones (cargados negativamente) que describen una esfera cuyo diámetro es mil veces el del núcleo. El modelo actual del átomo fue desarrollado principalmente por Erwin Schrödinger, y en él se describe el comportamiento del electrón en función de sus características ondulatorias. La teoría moderna supone que el núcleo del átomo está rodeado por una tenue nube de electrones, lo cual conserva el concepto de niveles estacionarios de energía, pero a diferencia del modelo de Bohr, no le atribuye al electrón trayectorias definidas, sino que describe su localización en términos de probabilidad. Este modelo ha soportado la prueba del tiempo y actualmente aún proporciona los conceptos mediante los cuales los científicos explican el comportamiento de los sistemas atómicos y moleculares. Esta teoría se deriva de tres conceptos fundamentales: 1. Concepto de estados estacionarios de energía del electrón propuesto por Bohr Normalmente los electrones se encuentran en el nivel de mínima energía (estado basal o fundamental), pero pueden absorber energía pasando a un nivel superior, más alejado del núcleo (estado excitado); este estado es inestable y al regresar el electrón a su nivel original emite la energía absorbida en forma de radiación electromagnética. Figura 3.16 Las variaciones de energía potencial de un libro en un estante se realizan por “saltos”. Así ocurre con los electrones en los átomos. 72 Mientras los electrones describen una órbita, no hay absorción ni emisión de energía. Figura 3.17 En el modelo de Bohr y según la física clásica, la fuerza de atracción electrostática que el núcleo ejerce sobre el electrón en movimiento le obliga a cerrar su trayectoria y a describir una circunferencia. Grupo Editorial Patria® Figura 3.18 Los espacios entre átomos en una red cristalina, por su pequeña distancia forman rendijas apropiadas para poner de manifiesto el fenómeno de la difracción de las ondas de materia investigadas por De Broglie. 2. Naturaleza dual de la masa sugerida por Louis de Broglie δ 2Ψ En 1924, Louis de Broglie, científico francés, propuso que la materia podría tener propiedades ondulatorias además de propiedades de partícula; es decir, ambas características de par­ tícula y de onda. δx 2 En 1926, el austriaco Schrödinger (físico-matemático, 18871961) después de sopesar el concepto de niveles estacionarios de energía de Bohr, el comportamiento ondulatorio del electrón de De Broglie y la inexactitud de la posición del electrón de Heisenberg, se dio cuenta que sólo podía considerarlas tomando en cuenta la probabilidad de que el electrón se encontrara en una región, por lo que buscó y finalmente encontró un modelo que consideraba las tres características. Dedujo una ecuación matemática en la que el electrón era tratado en función de su comportamiento ondulatorio para determinados valores de energía y en forma probabilística; esta ecuación es: δ y2 + δ 2Ψ δz 2 + 8 π 2m h2 ( E−V )Ψ= 0 Ψ = función de onda que denota la amplitud de la vibración de un electrón en un punto determinado; es una función que muestra la probabilidad de encontrar al electrón en un cierto punto de un átomo. m = masa del electrón. h = constante de Planck. 3. Principio de incertidumbre de Heisenberg Heisenberg imaginó un microscopio superpotente por medio del cual se pudiese observar la colisión entre un fotón y un electrón, y postuló que: “Es imposible conocer con exactitud perfecta los dos factores importantes que gobiernan el movimiento de un electrón, su posición y su velocidad”. δ 2Ψ en donde: Fue apoyada por hechos experimentales al demostrarse que un haz de electrones podía ser difractado haciéndolo pasar a través de un sólido cristalino, de la misma manera que un rayo de luz es difractado por una rejilla. Schrödinger tomó esto en cuenta para formular la ecuación ondulatoria. Werner Heisenberg, físico alemán (1901-1976), aportó a los conocimientos del átomo el principio de incertidumbre y lo presentó como una consecuencia de la dualidad de la naturaleza del electrón. + E = energía total del electrón. V = energía potencial del electrón. x, y, z = ejes coordenados. Según la ecuación de onda de Schrödinger, la posición probable de un electrón está determinada por cuatro parámetros llamados cuánticos, los cuales tienen valores mutuamente dependientes. Actividad de aprendizaje ( ) La teoría que dice: “La energía radiante generada por un sistema vibratorio no es de naturaleza continua, sino que se emite en unidades discretas o cuantos”, fue formulada por: a) Bohr ( b) Max Planck c) De Broglie d) Dirac ) El enunciado: “Es imposible conocer con exactitud perfecta los dos factores importantes que rigen el movimiento de un electrón, su posición y su velocidad”, corresponde a: a) el principio de exclusión de Pauli b) la ley de Hund c) la ley de Moseley d) el principio de Heisenberg 73 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Partículas subatómicas y sus características más relevantes Como se vio anteriormente con la teoría atómica de Dalton, el átomo puede definirse como la unidad básica de un elemento que puede entrar en combinación química. Dalton imaginó un átomo como una partícula extremadamente pequeña e indivisible. Sin embargo, una serie de investigaciones que empezaron en la década de 1850 y se extendieron hasta el siglo xx, han demostrado claramente que los átomos en realidad poseen estructura interna; es decir, están formados por partículas aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas. La investigación condujo al descubrimiento de tres de esas partículas: electrones, protones y neutrones. Otras partículas subatómicas como el mesón y el neutrino también son importantes, pero su presencia no afecta los cambios químicos. Número atómico El número atómico (Z) es el número de protones en el núcleo de cada átomo de un elemento. En un átomo neutro, el número de protones es igual al número de electrones, de tal manera que el número atómico también indica el número de electrones presentes en un átomo. Por ejemplo, el número atómico del oxígeno es 8; esto significa que cada átomo neutro de oxígeno tiene ocho protones y ocho electrones. O, visto de otra manera, cada átomo en el universo que contenga ocho protones puede llamarse correctamente “oxígeno”. Símbolo La cantidad de protones dentro del núcleo de un átomo o el número de electrones en órbita del mismo, se conoce con el nombre de número atómico. giran alrededor del núcleo (e – ) Z = número atómico = número de electrones = número de protones 1.00727 en el núcleo (p1) 1.00866 en el núcleo (n 0 ) Cada elemento tiene un número atómico propio, el cual se encuentra incluido en la tabla periódica. Masa Carga eléctrica (Coulombs) g uma Electrón (–1) –1.6 3 10–19 9.1 3 10–28 0.00055 Protón (+1) +1.6 3 10–19 1.67 3 10–24 Neutrón (0) 0 1.68 3 10–24 Partícula 3.2 Conceptos básicos (número atómico, masa atómica y número de masa) Localización en el átomo Número de masa Para tu reflexión A 119 años del descubrimiento del electrón El electrón, al cual se debe la electricidad y la luz artificial que se usa cotidianamente, cumplió en 2016, 119 años de haber sido descubierto por Joseph John Thomson. En 1897 se anunció su descubrimiento: los átomos de Dalton no eran indivisibles, pues la luz ultravioleta, el calor, las fuerzas eléctricas, magné­ ticas y el impacto de átomos de rápido movimiento, podían desprender de ellos pequeñas partículas electrizadas negati­ vamente; además, señaló que todas esas partículas tienen la misma masa, car­ ga eléctrica, se encuentran en todos los átomos de los elementos químicos, y que la masa de esas par­ tículas es inferior a la milé­ sima parte de la masa de un átomo de hidrógeno. 74 El número de masa (A) es el número total de protones y neutrones presentes en el núcleo del átomo de un elemento. A excepción del hidrógeno en su forma más común, que tiene un protón y ningún neutrón, todos los núcleos atómicos contienen protones y neutrones. A 5 número de masa 5 número de protones 1 número de neutrones A 5 número de masa 5 número atómico 1 número de neutrones El número de neutrones en un átomo es igual a la diferencia entre el número de masa y el número atómico: número de neutrones = A – Z n0 = A – Z El número de masa siempre es un número entero y no está reportado en la tabla periódica, pero es posible determinar este número utilizando la masa o peso atómico (número fraccionario que sí se incluye en la tabla periódica), aproximando el valor de éste al número entero inmediato superior o inferior, según sea el caso: Masa atómica del Na = 22.9 Número de masa del Na = 23 Masa atómica del Ru = 101.07 Número de masa del Ru = 101 Grupo Editorial Patria® Aplica lo que sabes Revisa la siguiente tabla que contiene algunos isótopos comunes, después de leer los renglones contesta las preguntas que se te plantean y escribe tus conclusiones brevemente sobre los isótopos. Símbolo 1 1H 2 3 Li 19 9F 20 82 Pb 208 82 Pb Elemento Flúor –19 9 10 19 9 Plomo –208 82 126 208 82 Un elemento es una sustancia que no se puede descomponer en otras más sencillas por métodos químicos. Uno de los aspectos más interesantes de la ciencia, es que toda la materia conocida se compone de aproximadamente 118 elementos; algunos de ellos eran conocidos desde la antigüedad como el cobre, hierro, plata, azufre, oro, etc. Los elementos que van del hidrógeno (H) al uranio (U), se conocen tradicionalmente como naturales y los restantes como sintéticos. Se estima que en el universo 90% es hidrógeno, 9% es helio y 1% corresponde a los demás elementos. En el Sol se han identificado unos 60 elementos conocidos. En nuestro planeta los elementos más abundantes son: oxígeno (O), silicio (Si), aluminio (Al), hierro (Fe), calcio (Ca), sodio (Na), magnesio (Mg), hidrógeno (H) y titanio (Ti). Ion Plomo –208 (II) 82 126 208 80 Actividad Total de protones (número atómico) Total de neutrones Número de masa Total de electrones Hidrógeno –1 1 0 1 1 Litio –7 3 4 7 3 Nombre ( Suponiendo que un producto de cierta reacción nuclear es un isótopo que contiene 85 protones y 120 neutrones. Tiene, por lo tanto, un número de masa de 205 (85 protones + 120 neutrones). ¿Cuál es el nombre de este elemento? ) Sustancia compuesta por una sola clase de átomos. a) Mezcla b) Molécula c) Isómero d) Elemento Calcula el número de electrones, protones y neutrones de los siguientes elementos: Li, Mg, Fe, Al, P, C, F, K, N, Ba. 205 85 Elemento Consultando la tabla periódica se ve que el elemento de número atómico 85 es el astato (At). 205 85 At Electrones Protones Neutrones Li Mg 1. Prepara un diagrama sinóptico similar a la tabla de esta actividad para los seis isótopos que siguen. Consulta en la tabla periódica la información que te haga falta. a) 12? C d) 24 2+ 12 ? b) 147 ? e) 108 ? Hg c) 16? O f) 238 92 Fe Al ? P 2. ¿Qué relación observas entre el total de protones y el de neutrones? a)¿En los átomos de los elementos más ligeros? b)¿En los átomos de los elementos más pesados? Conclusiones: C F K N Ba 75 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones De esta manera, conociendo el número de masa del átomo y su número atómico (número de p1 o número de e2), es posible calcular el número de neutrones que tiene en su núcleo: Número de neutrones 5 número de masa 2 número atómico Actividad de aprendizaje Completa el siguiente cuadro: Ejemplos: 35.45 17Cl 22.9 11Na 39.1 19K Número de neutrones del Na (sodio) 5 23 2 11 5 12 Número atómico Número de neutrones del Ru (rutenio) 5 101 2 44 5 57 Número de neutrones del Cl (cloro) 5 35 2 17 5 18 Número de masa Masa atómica Masa atómica Una de las propiedades del átomo es su masa, la cual se relaciona con el número de electrones, protones y neutrones que contiene. Una de las diferencias importantes entre los átomos de diferentes elementos, es que tienen masas distintas. Sabemos que la masa de un átomo depende principalmente de la cantidad de neutrones y protones que contiene, y que la suma de protones y neutrones siempre es un número entero (no puede haber fracciones de protones ni de neutrones); sin embargo, la tabla periódica reporta valores fraccionarios para las masas de la mayoría de los elementos. Protones Electrones Neutrones ( ) El átomo de bromo con número atómico 35 y número de masa 80, contiene: Por acuerdo internacional, se considera que un átomo del isótopo de carbono que tiene seis protones y seis neutrones (llamado “carbono 12”) presenta una masa exactamente de 12 unidades de masa atómica (uma). Este átomo de carbono 12 sirve como patrón, de modo que una unidad de masa atómica (uma), se define como una masa exactamente igual a 1/12 de la masa del átomo de carbono 12. a) 35 protones, 35 neutrones y 45 electrones masa del átomo de carbono 12 5 12 uma 3.3 Configuraciones electrónicas y los números cuánticos 1 uma 5 masa del átomo de carbono 12 12 uma Se ha demostrado experimentalmente que, en promedio, un átomo de hidrógeno tiene sólo 8.400% de la masa del átomo patrón de carbono 12. Si se acepta que la masa del átomo de carbono 12 es exactamente 12 uma, entonces la masa atómica del hidrógeno es: 0.08400 3 12 5 1.008 uma. Cálculos similares demuestran que la masa atómica del oxígeno (O) es de 16.00 uma, y la del hierro (Fe) es de 55.85 uma. Hemos hablado de que en un mismo elemento pueden existir átomos diferentes debido a los isótopos; de hecho, la mayoría de los elementos son mezclas de isótopos con distintas masas atómicas, es decir, en una muestra de un elemento existen diferentes porcentajes de isótopos. Entonces, la masa o peso atómico es la suma porcentual promedio de las masas isotópicas de una muestra de átomos de un mismo elemento. 76 b) 35 protones, 45 neutrones y 35 electrones c) 45 protones, 35 neutrones y 45 electrones d) 45 protones, 45 neutrones y 45 electrones Los números cuánticos son el resultado de la ecuación de Schrödinger, y la tabulación nos indica la zona atómica donde es probable encontrar al electrón. Las letras que representan a los números cuánticos son: n, l, m y s, y fueron aportados teórica y experimentalmente por Bohr, Sommerfeld, Zeeman y Stern-Gerlach, respectivamente. Número cuántico principal (n) El número cuántico principal designa el nivel energético principal en el cual se localiza un electrón dado; este número también expresa la energía de los niveles dentro del átomo. El número cuántico n puede asumir teóricamente cualquier valor entero desde 1 hasta infinito, aunque con 7 valores (1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7) es posible satisfacer a todos los átomos conocidos actualmente. Grupo Editorial Patria® n→ n6 n5 n4 n3 Infrarroja niveles subniveles 4f 4d 4p 3d 4s 3p n4 n2 Visible E(eV) n3 3s 2p n2 2s Ultravioleta n1 13.6 Figura 3.19 Diagrama de niveles de energía (líneas horizontales) del átomo de hidrógeno. Las energías se expresan en electrón-volts (1eV = 1.6 3 10–19 joules). n1 n 1 l 0 1s Figura 3.20 Diagrama de niveles y subniveles de energía de un átomo con más de un electrón. Para tu reflexión Número cuántico secundario (l ) El número cuántico secundario l determina la energía asociada con el movimiento del electrón alrededor del núcleo; por tanto, el valor de l indica el tipo de subnivel en el cual se localiza el electrón y se relaciona con la forma de la nube electrónica. Cada nivel electrónico se divide en subniveles que contienen electrones de la misma energía. Los valores l están determinados por el valor de n; para cierto nivel, l, puede asumir cualquier valor entero desde 0 hasta n–1. Así, en el 1er. nivel energético sólo hay un subnivel, al cual l da el valor de cero (0) y lo representa por la letra s (del inglés, sharp). En el 2o. nivel energético hay dos subniveles, a los que l da el valor de 0 y 1; y los representa por las literales s y p, respectivamente (p del inglés principal). En el 3er nivel energético hay tres subniveles, a los que l da el valor de 0, 1 y 2; y los representa por las literales: s, p y d, respectivamente (d de diffuse). En el 4o nivel energético hay cuatro subniveles, a los que l, da el valor de: 0, 1, 2 y 3; y los representa por las letras; s, p, d y f respectivamente (f de fundamental). Para el 5o, 6o y 7o nivel energético, teóricamente habría 5, 6 y 7 subniveles respectivamente, sólo que, para los átomos conocidos, son suficientes 4 subniveles en el 5o nivel (s, p, d y f ); 3 subniveles para el 6o nivel (s, p, d y f ), y 2 subniveles en el 7o nivel energético (s y p). Así podemos decir que para l: s50 p51 d52 El increíble mundo menguante Todo el cosmos está formado sólo por cuatro partículas ele­ mentales: el quark arriba, el quark abajo, el electrón y el neu­ trino. La naturaleza se rige por fuerzas. Gracias a ellas se mantienen atrapados los planetas dentro del Sistema Solar; los átomos se desintegran. Los físicos han reconocido varios tipos funda­ mentales de fuerzas en las que se basan todos los fenómenos naturales. La primera es la interacción fuerte, que actúa en el seno del núcleo atómico. Su oponente es la interacción débil, responsable de las desintegraciones radiactivas y que, junto al electromagnetismo, forma la llamada fuerza electrodébil. Por último está la más famosa de todas, la gravitación. El conocimiento de esas fuerzas ha servido a la ciencia para simplificar poco a poco el árbol genealógico de la materia, extremadamente complicado tras la aparición de cientos de componentes durante la década de 1960. Murray Gell-Mann, del Instituto de Tecnología de California, y George Zweig, en ese entonces investigador del Centro Eu­ ropeo de Física de Partículas (cern), en Ginebra, propusieron en 1964 reunir los cientos de partículas pertenecientes a la familia de los hadrones —es decir, las que son sensibles a las interacciones fuertes— en un grupo único. Entre ellas estaban el protón y el neutrón, además de una lista de partículas que f53 77 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones pasa del centenar. Todas ellas tenían una característica común: estaban compuestas por unos corpúsculos hasta entonces des­ conocidos a los que llamaron quarks. El nombre fue robado por Gell-Mann de un pasaje del libro Finnegan’s Wake, del irlandés James Joyce (“Three quarks for muster mark”). En realidad, se trata de una palabra in­ ventada que, según el traductor del libro al castellano, Víctor Pozanco, nos remite a los vocablos quark (graznido) o quart (jarra). Sea como fuere, lo cierto es que esa palabreja invadió para siempre el mundo de la física. Al principio se aislaron sólo tres quarks: el up (arriba), el down (abajo) y el strange (extraño), con los que se podían construir todos los hadro­ nes conocidos. Sin embargo, el descubrimiento de nuevas partículas, así como el conocimiento cada vez más profun­ do de sus comportamientos, harían necesaria la existencia de un cuarto quark, el charm (encanto), detectado en 1974 en la Universidad de Stanford, en San Francisco. A partir de entonces la teoría fue plenamente aceptada. La existen­ cia de un quinto quark, el bottom (fondo), fue comprobada en el laboratorio Fermi, en las proximidades de Chicago, en 1977. Paralelamente, comenzaba a establecerse una analogía entre los quarks y los leptones, la otra gran familia de partículas que sólo son sensibles a la interacción electrodébil. Por el momen­ to, se conocen seis leptones: el electrón, el neutrino, el muón, el neutrino del muón, el tau y el neutrino del tau. En corresponden­ cia, debía haber un sexto quark, al que se llamó top (cima), cuya detección se ha confirmado reciente­ mente en el colisionador de partículas Tevatron del laboratorio Fermi, en Chicago. Número cuántico magnético (m) El número cuántico magnético representa la orientación espacial de los orbitales contenidos en los subniveles energéticos cuando éstos se encuentran sometidos a un campo magnético. Los subniveles energéticos están formados por orbitales. Un 78 orbital o reempe (región espacio energética de manifestación probabilística electrónica). El número de electrones por subnivel depende del valor de éste y está dado por la relación (2l 1 1) que puede ser desde 2l hasta 1l, pasando por cero. En un subnivel s (l 5 0) hay un solo orbital al que m dará el valor de 0. l 5 0 m 5 5 s 0 En un subnivel p (l 5 1), hay tres orbitales, a los que m da los valores de: 21, 0 y 11, respectivamente. p 5 1 5 l m p 21 5 5 p 0 p 11 En un subnivel d (l 5 2), hay cinco orbitales, a los que m da los valores de: 22, 21, 0, 11 y 12, respectivamente. d m 5 22 d 21 d 0 d 11 d 12 En un subnivel f (l 5 3) hay siete orbitales, a los que m da los valores de: 23, 22, 21, 0, 11, 12, 13, respectivamente. f m 5 f 23 22 f f f f 21 0 11 f 12 13 m1 n=l=1 m1 m1 Figura 3.21 Al aplicar un campo magnético, los subniveles se desdoblan en varios más. Los tipos de orbitales para los primeros cuatro niveles de energía son: Nivel de energía Tipo de orbital n=1 s n=2 syp n=3 s, p y d n=4 s, p, d y f Número cuántico de espín (s) (algunos autores lo identifican por la letra ms ). Este número cuántico describe la orientación del giro del electrón. Indica el momento angular intrínseco del electrón, el cual sólo puede tener dos valores correspondientes al giro en el sentido de las manecillas del reloj y en sentido opuesto; los valores numéricos permitidos para el número cuántico espín s son: Grupo Editorial Patria® + 12 y – 12 En cada orbital puede haber como máximo dos electrones, uno con giro positivo y el otro con giro negativo. Las dos orientaciones , las cuales representan el generalmente se designan por flechas sentido de giro del electrón. Subnivel Número de orbitales posibles Número de electrones del subnivel s 1 orbital s 2 p 3 orbitales p 6 d 5 orbitales d 10 f 7 orbitales f 14 Nombre Valores permitidos m1 = 0 (py) Los tres orbitales p tienen la misma forma ovalada y están orientados en tres direcciones m1 = +1 (pz) diferentes, correspondientes a los ejes x, y y z del sistema de coordenadas cartesianas. La orientación espacial de los Figura 3.23 orbitales atómicos determina Las tres orientaciones posibles de los orbitales “p” (p x , p y , p z ). la forma de una molécula y juega un papel muy importante en la determinación de las propiedades físicas y químicas de la molécula. l = 1(orb.p.) La orientación espacial de los orbitales d y f es importante en los aspectos químicos de gran número de elementos metálicos. Características principales de los números cuánticos. Símbolo Estas nubes electrónicas ocupan una región elipsoidal a cada lado del núcleo, como se observa en la figura de la izquierda. m1 = –1 (px) Ejemplo fxz2 n Número cuántico principal Cualquier entero positivo 1, 2, 3, 4 l Número cuántico secundario Desde 0 hasta n –1 0, 1, 2, 3 m Número cuántico magnético Desde –l hasta +l pasando por 0 –1, 0, +1 s Número cuántico espín x fz 3 fyz2 x y y +½, –½ z y y z z z fy(y2 – 3x2) x fz(x2 – 3y2) fxyz x x y y y z z fx(x2 – 3y2) x x z Los orbitales atómicos Los orbitales también reciben el nombre de nubes de carga, pues suelen representarse como una zona de las probables ubicaciones del electrón. Figura 3.24 Forma y designación más común de los orbitales “f ”. z z La forma atribuida a los orbitales s es esférica; por tanto, son simétricos alrededor del núcleo; los otros orbitales tienen orientación espacial preferida. Puesto que sólo dos electrones pueden ocupar un orbital dado, los seis electrones en los subniveles p están divididos en tres orbitales: z y y x y x dyz x dz2 z dxy z y y x dxz Figura 3.22 Nube de probabilidad electrónica y orbital (se trata del orbital 1s). x dx2 – y2 Figura 3.25 Forma y designación más común de los orbitales “d ”. 79 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Relación entre nivel, subnivel, orbital, espín y número de electrones Distribuciones electrónicas de los números cuánticos Los distintos números cuánticos se relacionan e indican las siguientes características de los orbitales: Un orbital puede contener como máximo dos electrones. Los orbitales que tienen la misma energía forman los subniveles atómicos. Número n Se refiere o relaciona con Indica Un subnivel p, con tres orbitales, puede contener máximo 6 electrones. n El volumen o energía del orbital Nivel l La forma de un orbital Subnivel m La orientación de un orbital Número de orbitales s La posibilidad de que un orbital acepte o no un electrón Un subnivel f, con siete orbitales, puede contener máximo 14 electrones. Giro del electrón En el primer nivel energético (n 5 1) habrá máximo 2 electrones, ya que éste solamente tiene un orbital s. l m Un subnivel d, con cinco orbitales, puede contener máximo 10 electrones. Tipo de orbital Número de orbitales Número de electrones 1 0 0 1s 1 2 2 0 0 2s 1 2 2 1 –1, 0, 11 2p 3 6 0 0 3s 1 –1, 0, 11 3 3 1 2s 3s 4s 2 2p 3p 3 3p 6 n=3 n=2 4p 2 4 0 0 4s 1 2 4 1 –1, 0, 11 4p 3 6 2 –2, –1, 0, 11, 12 4d 5 10 3 –3, –2, –1, 0, 11, 12, 13 4f 7 14 80 En el tercer nivel energético (n 5 3) puede haber hasta 18 electrones; dos del orbital s, seis de los tres orbitales del subnivel p y 10 de los cinco orbitales del subnivel d. n=4 3 4 En el segundo nivel energético (n 5 2) puede haber hasta 8 electrones, dos del orbital s y seis de los tres orbitales del subnivel p. 1s –2, –1, 0, 11, 12 4 Un subnivel s, con un solo orbital, puede contener máximo 2 electrones. n=1 3d 5 10 Figura 3.26 Comparación de los volúmenes de los orbitales s y p, correspondiente a distintos niveles. n=1 l=0 Figura 3.27 Correspondencia entre orbitales y subniveles de energía. Figura 3.28 Desdoblamientos sucesivos del nivel energético n = 2 asociados con los diferentes números cuánticos. Grupo Editorial Patria® En el cuarto nivel energético (n 5 4) puede haber hasta 32 electrones; dos del orbital s, seis de los tres orbitales p, 10 de los cinco orbitales del subnivel d y 14 de los siete orbitales del subnivel f . s p d f 6d 5f 7s 6p 5d 4f 6s 5p De esta misma manera es po4d sible calcular la cantidad máxi5s ma de electrones que pueden 4p 3s contener los niveles energéti4s cos 5o, 6o y 7o. Con estos da3p tos es posible identificar com3s pletamente un electrón de 2p 2s un átomo, sólo bastará con indicar el valor de sus cuatro 1s números cuánticos. Figura 3.29 Energías relativas de los distintos orbitales. Actividad de aprendizaje ( ) La expresión 2n 2 nos permite calcular: a) b) c) d) el número de niveles. el número de órbitas. el número total de electrones en una órbita. el número máximo de electrones que pueden acomodarse en un nivel. Reglas para elaborar las configuraciones electrónicas Con los temas anteriores se va obteniendo una configuración electrónica para cada elemento; sin embargo, es necesario tomar en cuenta ciertos principios fundamentales. Principio de edificación progresiva Los electrones deben acomodarse primero en los orbitales de menor energía, o sea, aquéllos donde la suma de n 1 l sea menor; es decir: “cada nuevo electrón añadido a un átomo entrará en el orbital disponible de menor energía”. Para iguales valores de la suma de n 1 l, primero se acomodan electrones en el orbital donde n sea menor. s p d f 0 1 2 3 Tomando en cuenta que: se obtiene el acomodo correcto de los electrones. La separación de energía en los subniveles de los átomos polielectrónicos origina una superposición o empalme del valor de energía de orbitales con diferentes valores de n. Considerando las energías relativas de los orbitales de un átomo polielectrónico, el orden de ocupación será el siguiente: 1s, 2s, 2p, 3s 3p, 4s 3d 4p, 5s 4d 5p, 6s 4f 5d 6p, 7s 5f 6d 7p Energía Esta secuencia puede deducirse aplicando el siguiente diagrama, conocido como la regla de las diagonales: 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 7s 7p Principio de exclusión de Pauli Este principio determina el número posible de electrones en cualquier nivel principal y se debe a Wolfgang Pauli (1900-1958), quien encontró que cada electrón debía tener su propio conjunto de números cuánticos y estableció que: “dos electrones en un mismo átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales”. Principio de máxima multiplicidad o regla de Hund Por tanto, el número máximo de electrones se representa por la expresión: 2n2. En otras palabras, los electrones entran de uno en uno a los orbitales de la misma energía. Cuando estos orbitales ya contienen un electrón, entonces cada uno de ellos se satura con dos electrones en el mismo orden y sentido contrario. Para: n 5 1 2(1)2 5 2(1) 5 2 electrones n52 2(2)2 5 2(4) 5 8 electrones n53 2(3)2 5 2(9) 5 18 electrones n54 2(4)2 5 2(16) 5 32 electrones “Dentro de un subnivel, los primeros electrones ocupan orbitales separados y tienen espines paralelos.” Aplicando estos principios o sencillas reglas, es posible escribir las configuraciones electrónicas de cada elemento. 81 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Configuración electrónica De esta manera, la configuración de los siguientes átomos será: Para desarrollar la configuración electrónica de un átomo, se anota el nivel (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7), el tipo de subnivel (s, p, d, f ) y como exponente el número de electrones que cada subnivel contiene. Ejemplo: Número de electrones 1 1H= 1s Subnivel Nivel En la configuración del átomo de hidrógeno, su único electrón ocupa el subnivel s del 1er nivel energético. 2 2He = 1s 2 1 3Li = 1s 2s 2 2 4Be = 1s 2s 2 2 1 5B = 1s 2s 2p 2 2 2 6C = 1s 2s 2p 2 2 3 7N = 1s 2s 2p 2 2 4 8O = 1s 2s 2p 2 2 5 9F = 1s 2s 2p 2 2 6 10Ne = 1s 2s 2p 2 2 6 2 6 2 5 25Mn = 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 2 2 6 2 6 2 10 92U = 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 6 2 4 6p 7s 5f Tabla de edificación progresiva Actividad de aprendizaje n1l n l Orbital 1 1 0 1s Utilizando la tabla periódica, determina la configuración electrónica y el diagrama energético de los siguientes elementos: 2 2 0 2s S 3 2 1 2p 3 0 3s 3 1 3p 4 0 4s 3 2 3d 4 1 4p 5 0 5s 4 2 4d 5 1 5p 6 0 6s 4 3 4f 5 2 5d 6 1 6p 7 0 7s 4 5 6 7 82 Aumento de energía 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f 14 5d 10 Zn Y Tl Pr Diagrama de niveles energéticos Este diagrama nos permite ver más claramente la distribución electrónica en cada uno de los átomos. Los electrones se representan con flechas y se anotan sobre una línea que representa cada uno de los orbitales correspondientes a cada subnivel; así: el s con 1; el p con 3; el d con 5 y el f con 7. Por debajo de esta línea se anota el número del nivel energético y el subnivel que corresponde a cada orbital. La flecha hacia arriba representa un electrón con giro positivo y la flecha hacia abajo es un electrón con giro negativo. Aprovechando los elementos anteriores, ahora vamos a escribir su diagrama energético: Grupo Editorial Patria® Diagrama de niveles energéticos 1H = 1s 2He = 3Li = 1s 1s 2s 1s 2s 4Be = 5B = 6C = 7N = 8O = 9F = 1s 2s 2px 2py 2pz 1s 2s 2px 2py 2pz 1s 2s 2px 2py 2pz 1s 2s 2px 2py 2pz 1s 2s 2px 2py 2pz 10Ne = 1s 2s 2px 2py 2pz 1s 2s 2px 2py 2pz 25Mn = 92U = 3s 3px 3py 3pz 4s 3d 3d 3d 3d 3d 1s 2s 2px 2py 2pz 3s 3px 3py 3pz 4s 3d 3d 3d 3d 3d 4px 4py 4pz 5s 4d 4d 4d 4d 5px 5py 5pz 6s 4f 4f 4f 4f 4f 4f 5d 5d 5d 5d 6px 6py 6pz 5f 5f 5f 5f 5f 5f 4d 7s Como se puede observar, establecer las configuraciones electrónicas por medio de un diagrama energético para átomos multielectrónicos es muy laborioso, por lo que se utiliza el concepto de kernel (en Biología, indica el corazón o semilla de un fruto; es decir, algo interno); aquí se utiliza la propiedad de los gases nobles de tener su última órbita completa. Para facilitar la escritura de las configuraciones electrónicas, dentro de un paréntesis rectangular se coloca el gas noble correspondiente: [2He] [10Ne] [18Ar] [36Kr] [54Xe] [86Rn] 5f 4f 5d Para nuestros ejemplos anteriores, tenemos: Configuración electrónica Diagrama energético 1 1H = 1s 1H = 2He = [He] 2He = 1 3Li = [He]2s 1s 1s 3Li = [He] 2s 83 3 BLOQUE 4Be = [He] 2s Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones 2 4Be = [He] 2 1 5B = [He] 2s 2p 11Na = [Ne] 3s 1 25Mn = [Ar] 4s 92U = [Rn] 7s 2 5B = [He] 2 1s 2px 2py 2pz 11Na = [Ne] 3d 5 2s 25Mn = [Ar] 5f 4 92U = [Rn] Electrón diferencial 2s 4s 3d 3d 3d 3d 3d 7s 5f 5f 5f 5f 5f 5f 5f Por tanto, es conveniente aprenderse la regla de las diagonales utilizando el kernel: He 2s2 Ne 3s Ar 3d10 4s2 Kr 4d10 4f 14 Xe 10 14 5s 2 Rn 2 6 6s 7s 7p 5d Al conocer el electrón diferencial podemos indicar la posición del átomo en la tabla periódica. Para determinar los valores de los cuatro números cuánticos del electrón diferencial, se consideran, de acuerdo con la regla de Hund, todos los valores posibles del número cuántico magnético m, antes de asignar un número cuántico de espín s; el número cuántico n es el número anotado abajo del guión correspondiente, y el valor de l está determinado por el valor del subnivel en el que se encuentre el último electrón. Por ejemplo, para el sodio, cuyo número atómico es 11, se tiene: 2 2 Se llama así al último electrón que entra en un átomo, de acuerdo con las reglas de ocupación de los orbitales; es decir, aquello que distingue a un átomo de un elemento del que lo precede en la clasificación periódica. Este electrón diferencial es muy importante, ya que de él depende la ubicación de un elemento en la tabla periódica y, por tanto, sus propiedades químicas. 5f 10 6d Electrón diferencial 1 11Na = [Ne] 3s 11Na = [Ne] 3s n5 3 l 5 0 (tipo de orbital s) Actividad de aprendizaje Indica a qué elemento corresponden las siguientes configuraciones electrónicas: a) 1s 2 2s 2 2p 5: b) [Ar] 4s 2 3d 10 4p 1: m 5 0 (varía desde –l hasta 1l, pasando por cero) s 5 1 12 (el espín es positivo, y la flecha va hacia arriba ) electrón diferencial 2 6 26Fe = [Ar] 4s 3d c) [Xe] 6s 2: d) [Xe] 6s 2 5d 1 4f 7: n5 3 e) [Ar]4s 2 3d 9: l 5 2 (tipo de orbital d) f) [Kr] 5s 2 4d 7: Escribe la respuesta correcta en el paréntesis. ( ) ¿Cuál es la configuración electrónica del cobre: 29Cu63: a) [Xe] 6s 2 5d 7 b) [Xe] 6s 2 5p 6 6d 1 c) [Ar] 4s 2 4p 6 3d 3 d) [Ar] 4s 2 3d 9 e) [Ar] 4s 1 3d 10 84 26Fe = [Ar] 4s 3d 3d 3d 3d 3d m 5 –2 s 5 – 12 (el espín es negativo y la flecha va hacia abajo ) Aplica lo que sabes Realiza la lectura de la siguiente información y emite tu opinión por escrito en máximo de una cuartilla de manera objetiva, reflexiva y crítica, acerca de las consecuencias que provocaría la detonación de una bomba nuclear en una ciudad altamente poblada, compara las conclusiones obtenidas con las de tus compañeros y emitan un informe grupal. Una bomba de un megatón sobre la Ciudad de México La detonación de una bomba de un megatón sobre el centro de la Ciudad de México, constituye un ejemplo aplicable a cualquier metrópoli que abarque un círculo con radio de 10 kilómetros o más. En un día claro, a 2 000 metros de altura sobre la Plaza de la Constitución (el Zócalo), se detona una bomba nuclear de un megatón. Este lugar es el punto cero de la explosión. Dos se­ gundos después de la detonación se forma a 2 000 metros de altura una bola de fuego luminosa y una onda expansiva que toca la superficie del centro de la ciudad. La destrucción de gran parte de la capital se debe principalmente a los efectos del calor irradiado y a la onda de alta presión que continúa expan­ diéndose por decenas de kilómetros. En un radio de cuatro kilómetros partiendo del Zócalo y du­ rante los 10 primeros segundos después de la explosión, la presión sobrepasa las 10 psi (lb/pulg2), por lo que todas las construcciones quedan completamente destruidas y sin so­ brevivientes. Esta zona tiene como límites el Monumento a la Raza, el extremo occidental del aeropuerto, el Palacio de los Deportes, el exparque del Seguro Social (donde anteriormente se practicaba el beisbol) y las rejas de Chapultepec, aledañas al Monumento de los Niños Héroes. A distancias entre cuatro y seis kilómetros del punto cero, 15 segundos después de la explosión las presiones alcanzan valo­ res entre 5 y 10 psi, y quedan en pie solamente los cimientos y los subterráneos de los edificios. Las calles quedarán cubiertas por varios metros de escombros y más o menos la mitad de la población que habita en este anillo morirá, principalmente por el derrumbe de las construcciones. Quienes logren sobrevivir estarán heridos y necesitarán de ayuda médica. Los vientos originados por la onda explosiva tendrán velocidades de unos 300 kilómetros por hora. Esta zona de destrucción llegará has­ ta la Basílica de Guadalupe, por el norte, el Peñón de los Baños por el este, la colonia Portales y el World Trade Center (antes Hotel de México) por el sur y el Auditorio Nacional en Cha­ pultepec por el oeste. El anillo comprendido de 6 a 11 kilómetros al Zócalo sentirá medio minuto después de la detonación, presiones entre 2 y 5 psi, por lo que las construcciones quedarán gravemente daña­ das y habrá muchísimos heridos. Es probable que los edificios que sigan en pie se incendien debido al calor producido por Grupo Editorial Patria® la explosión, mismo que causará quemaduras en la piel de las personas. Estas distancias desde el punto cero llegarán hasta el límite norte con el Estado de México, al límite este con Ciudad Nezahualcóyotl y al límite sur con Ciudad Universitaria. Des­ de el Zócalo hasta estos límites, todas las ventanas de construc­ ciones y edificios se quebrarán debido a la onda de presión. Finalmente, dentro del anillo formado por radios de 11 a 16 ki­ lómetros desde el centro de la ciudad, el daño de la onda explo­ siva será menor en las construcciones, pero es posible que 25% de la población resulte herida. Este último anillo llegará hasta Tlalnepantla, Tlalpan y la delegación Magdalena Contreras. Medio minuto después de la explosión, la bola de fuego dejará de ser visible y al ascender a gran velocidad producirá corrientes de aire que arrastrarán polvo y restos de las construcciones destruidas y darán forma al hongo nuclear. Una nube radiactiva que contiene elementos activados durante la explosión y pro­ ductos de la fisión del uranio ascenderá hasta unos 20 kilóme­ tros de altura y luego será dispersada por el viento, para volver a caer lentamente sobre regiones alejadas al lugar de la explosión. La radiación inmediata será letal para aquellas personas que se encuentren en el radio de tres kilómetros del punto cero, pero esta zona ya habrá sido totalmente devastada por los efectos de la onda de presión y del calor, por lo que de todos modos no habrá sobrevivientes. En un área de unos 1 000 km2 alrededor del Zócalo, durante uno o dos días después, caerá lluvia radiac­ tiva en forma de polvo o granitos de tierra que emitirán radia­ ción espontáneamente. Los niveles de radiación sobre un área de 2 600 km2 (hasta distancias de 29 km a partir del centro, es decir, Texcoco, Ecatepec, el Ajusco) serán letales para toda persona expuesta (es decir, sin la protección adecuada), ya que llegarán a los 900 rads. Dentro de una superficie de 10 500 km2 (57 km de distancia al Zócalo), la dosis de radiación recibida por individuos no protegidos durante los primeros días que si­ gan a la explosión llegará a unos 100 rads. Tal vez esto no cause la muerte inmediata, pero sí aumentaría gravemente la inci­ dencia de cáncer y anormalidades genéticas en la población. En este ejemplo, dichos efectos se harán sentir en las zonas que llegan hasta los volcanes, el valle de Cuernavaca, Chalma y Toluca, o incluso más lejos, dependiendo de la intensidad y dirección de los vientos. El número total de muertes después de una explosión como la descrita dependería de muchos factores diferentes: la densidad 85 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones de la población en las cercanías al punto cero, la hora del día en que ocurriera la explosión, las condiciones atmosféricas, y otras más difíciles de precisar. Para una ciudad muy poblada se estima que 500 000 personas morirán inmediatamente, quedando un número similar de he­ ridos. Hay que recordar que, debido a la destrucción reinante, no sería posible ningún tipo de ayuda de los bomberos para sofocar incendios, ni de personal médico para rescatar heridos. El tránsito en las calles será imposible (no sería fácil reconocer lo que antes era una calle) y seguramente los hospitales habrán sufrido el mismo daño que el resto de la ciudad. Tomando es­ tos factores en cuenta, el número de víctimas podría llegar a 1 000 000 de personas. El análisis presentado supone que la metrópoli es atacada con un solo artefacto nuclear. La estrategia militar actual recomien­ da que toda ciudad con más de 3 000 000 de habitantes sea el blanco de tres bombas de un megatón, 10 bombas de 500 kilo­ tones, y otras tantas de menor poder explosivo. De este modo, es seguro que no habrá sobrevivientes. 3.4 Los isótopos y sus aplicaciones Como vimos anteriormente, un átomo de un elemento dado siempre contiene el mismo número de protones y electrones (éste es su número atómico); pero después de llevar a cabo un estudio profundo de los átomos de los elementos, se llegó a la conclusión de que la mayoría de ellos tiene dos o más formas diferentes. La diferencia entre estas clases de átomos del mismo elemento es que contienen distintas cantidades de neutrones. A estos átomos se les denomina isótopos. Los isótopos son átomos de un mismo elemento con igual número atómico (Z) y diferente número de masa (A) debido a diferente número de neutrones. Ejemplo: Los isótopos de hidrógeno son tres: 1 2 3 H H H 1 1 1 protio deuterio tritio un protón un neutrón un electrón un protón dos neutrones un electrón un protón un electrón Aunque un elemento cuente con isótopos, todos sus átomos se comportan de la misma manera, debido al número de electrones. De las tres partículas subatómicas, el electrón es el que manifiesta más efectos, ya sea de conducción eléctrica o en una reacción química. En medicina, los isótopos radiactivos tienen un amplio campo de aplicación, tanto en el tratamiento de tumores, como para esterilizar material y equipo quirúrgico; en la industria del petróleo y la petroquímica, se usan para separar fracciones; también es posible utilizarlos en el análisis, trazado y seguimiento de ríos, minerales, detergentes, en la elaboración de detergentes, de polímeros, en la producción de energía, etcétera. Figura 3.30 Zócalo de la Ciudad de México. 86 Lamentablemente, las radiaciones que estos isótopos radiactivos generan, pueden dañar las células de los seres vivos (animales, vegetales, organismo humano) y a partir de ciertas dosis, ocasionan tumores malignos y mutaciones genéticas. Tal vez el primer uso de los isótopos radiactivos fue en la fabricación de bombas (atómica, de neutrones, etc.), con fines bélicos. No obstante, ello motivó investigaciones posteriores, llegándose a encontrar un mayor campo de aplicación con fines altruistas. Grupo Editorial Patria® Evaluación Actividad experimental I. Instrucciones: Elaboración de modelos atómicos Selecciona la respuesta correcta. Con la supervisión de tu profesor reúnete en equipos de 4 o 5 alumnos y resuelvan esta actividad. Contesten las preguntas y compárenlas con las de otros equipos. Analicen y discutan las respuestas en las que tengan dudas. Anoten sus conclusiones. ( ) Son átomos de un mismo elemento con igual número atómico pero diferente número de masa, debido a diferente número de neutrones. a) Isómeros b) Isóbaros Propósito c) Alótropos d) Isótopos Elaborar modelos de diferentes moléculas de alcanos. ( ) El tritio, uno de los tres isótopos del hidrógeno (1H3), tiene en el núcleo: a) Un protón y un neutrón b) Dos protones y un neutrón c) Dos protones y ningún neutrón d) Un protón y dos neutrones ( ) Cobalto-60 (Co-60) ( ) Yodo-131 (1-131) Propiedades ) Carbono-11 (C-11) Agua 4. Armen sus diferentes estructuras de compuestos orgánicos, uniendo las bolitas negras y las bolitas rojas según el compuesto a formar. c) Se usa en el tratamiento de desórdenes cerebrales. ) Carbono-14 (C-14) d ) Se usa en leches que contienen un conservador de formaldehído. ( ) Isótopos de hidrógeno e) Se usa como un rastreador en las velocidades de reacción. ( ) f ) Se usa para tratar el cáncer en la glándula tiroidea. 60Co → 60Ni 1 0e 1 0n 27 28 210 14N 1 0e 7 21 ) 1. Mezclen un poco de agua con pan (o migajón) y formen bolitas de dos tamaños diferentes (aproximadamente de 1 y 2 cm de diámetro). Agreguen un poco de pegamento para suavizar las esferas. Elaboren cinco de 2 cm y 15 de 1 cm. b) Se emplea en la datación de especímenes orgánicos. ( ( 1 pan de caja o migajón n 2. Pinten de negro las bolitas más grandes (representan al átomo de carbono) y las más pequeñas de rojo (representan al hidrógeno). ) Plomo-212 (Pb-212) ( roja y negra n a) Se usa actualmente en el tratamiento del cáncer con base en los rayos gamma. ( 6 Pegamento blanco Procedimiento Isótopo ( 1 caja de palillos n Pintura Relaciona las siguientes columnas de isótopos y sus propiedades, anotando en el paréntesis de la izquierda la letra que corresponde a la respuesta correcta. ) 14C → n n II. Instrucciones ( Materiales g) Deuterio, protio, tritio. h) Partículas radiactivas. i ) Reacción de desintegración radiactiva del cobalto. 238U → 206Pb 1 8 4He + 6 0e 92 82 2 21 j ) Reacción de desintegración radiactiva del carbono. ) a, b, h k) Reacción de desintegración radiactiva del uranio. 3. Déjenlas secar perfectamente. Dibujen en el espacio que se presenta a continuación los modelos atómicos de los alcanos normales que formaron. Observen la figura del libro. ¿Cuál es el nombre de cada hidrocarburo formado? ¿Qué característica tienen en común? ¿De qué color son los átomos de carbono e hidrógeno, respectivamente? Comparen los compuestos orgánicos saturados (alcanos) que formaron con los de otros compañeros de clase. Conclusiones: 87 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Aplicaciones de los isótopos radiactivos Medicina versible para establecer las condiciones de equilibrio. Por ejemplo, para conocer el equilibrio en una solución saturada de cloruro de plomo II (PbCl2). La ecuación química que representa el equilibrio de esta solución es: Cobalto – 60 (Co-60) En medicina la radiación de alta energía emitida por el radio fue utilizada durante mucho tiempo en el tratamiento del cáncer. Actualmente se usa el cobalto-60 (Co-60) para el tratamiento del cáncer porque emite una radiación con más energía que la que emite el radio y es más barato que éste. En medicina se usa el tratamiento con cobalto-60 para detener ciertos tipos de cáncer con base en la capacidad que tienen los rayos gamma para destruir tejidos cancerosos. El cobalto-60 se desintegra emitiendo partículas beta y rayos gamma, y tiene una vida media de 5.27 años. Su proceso de desintegración se representa mediante la ecuación química nuclear: 60 2 7Co 0 60 28Ni 1 21e 1 00n . t 1/2 = 5.27 años Yodo – 131 (I-131) Ciertos tipos de cáncer se pueden tratar internamente con isótopos radiactivos, como el cáncer de tiroides, como el yodo se va a la glándula tiroides, se trata con yoduro de sodio (NaI) que contenga iones de yoduros radiactivos provenientes del yodo-131 o del yodo-123. Allí la radiación destruye a las células cancerosas sin afectar al resto del cuerpo. Para detectar desórdenes circulatorios de la sangre se utiliza una disolución de cloruro de sodio (NaCl) que contenga una pequeña cantidad de sodio radiactivo y midiendo la radiación el médico puede saber si la circulación de la sangre es anormal. Carbono – 11 (C-11) PbCl2(S) Pb21(ac) 1 2Cl1–(ac) Se usa el isótopo radiactivo de plomo-212 para comprobar que los procesos de disolución y de precipitación se producen a la misma velocidad. Se agrega a una solución saturada de cloruro de plomo II (PbCl2) una pequeña cantidad de nitrato de plomo II (Pb(NO3)2) que contenga el isótopo plomo-212. Un tiempo después se precipita plomo, lo que indica que se está produciendo un intercambio entre el cloruro de plomo sólido (Pb y el ion plomo +2 de la solución). En estudios de química orgánica se usan los isótopos radiactivos como trazadores o rastreadores (por ejemplo, carbono-14) para conocer los mecanismos de reacciones complejas como las de la fotosíntesis, en la que en varias etapas se van formando moléculas más complejas. Para el estudio de la trayectoria de las reacciones químicas en la fotosíntesis se nutre a la planta con dióxido de carbono (CO2) que contiene carbono-14. Por esto, el químico norteamericano Melvin Calvin (1911-1997) obtuvo el premio Nobel de Química en 1961, pues aclaró una parte del proceso químico de la fotosíntesis y de los productos intermedios que se producen (ciclo de Calvin). Datación Las mediciones de la radiactividad se usan para determinar la edad de los minerales y de restos fósiles (datación). Por ejemplo, la existencia de núclidos radiactivos naturales sobre la superficie de la Tierra sugiere que sus vidas medias son comparables con las edades de los minerales en los cuales se encuentran, y éstos proporcionan una estimación de la edad de la Tierra. Para el estudio de los desórdenes cerebrales se utiliza una tomografía de emisión de positrones conocida como pet. Se le administra al paciente una dosis de glucosa (C6H12O6) que contenga una pequeña cantidad de carbono-11 (C-11), que es radiactivo y emite positrones, luego se hace un barrido del cerebro para detectar los positrones emitidos por la glucosa radiactiva “marcada”. Se establecen las diferencias entre la glucosa inyectada y metabolizada por los cerebros normales y los anormales. Por ejemplo, con la técnica pet se ha encontrado que el cerebro de un esquizofrénico metaboliza alrededor de 20% de la glucosa que metaboliza un individuo normal. Como los isótopos radiactivos se usan para determinar el tiempo que hace que se solidificaron las rocas (edad de las rocas) se les conoce como “los relojes naturales”. Por ejemplo, si una roca contenía uranio-238 al solidificarse los productos de la desintegración radiactiva del uranio no pueden escapar por difusión, por lo que quedan retenidos en la roca, y se transforman en plomo-206. Para conocer la vida media (t1/2 ) de la roca se necesita conocer la reacción química global del proceso y la relación actual entre el plomo206 y el uranio-238 en la roca, y es: Química 238 92U Plomo – 212 (Pb-212) Una de las primeras aplicaciones de los isótopos radiactivos en Química fue en el estudio de las velocidades de una reacción re88 20862Pb 1 8 42He 1 6 201e t1/2 5 4.5 3 109 años. La reacción de desintegración es de primer orden, por lo que la ecuación que relaciona la concentración y el tiempo de reacción es: ln Ci/Cf = kt o log Ci/Cf = kt/2.3; donde Ci es la concentra- Grupo Editorial Patria® ción inicial de reactivo, Cf es la concentración final de reactivo, t es el tiempo que tarda en descender la concentración del reactivo inicial y k es la relación de la velocidad de reacción entre la concentración inicial del reactivo y se conoce como la constante de velocidad. La edad de las rocas determinada por este método varía entre 3 3 109 años y 4 3 109 años. El valor más alto se toma como la edad aproximada de la Tierra (cuatro mil quinientos millones de años). A mediados del siglo pasado, el químico norteamericano Willard Frank Libby (1908-1980) y sus colaboradores desarrollaron un método basado en la desintegración del carbono-14, radiactivo, que sirve para calcular edades entre unos cientos de años hasta 50 000 años. Se ha usado para calcular la edad de reliquias que quedan del hombre prehistórico y para determinar la autenticidad de lienzos de la pintura renacentista. El carbono-14 se forma en la atmósfera por la interacción de los átomos de nitrógeno con los neutrones de los rayos cósmicos y la ecuación nuclear que representa dicho proceso es: 14 7N 1 10n 14 6C 1 11H El carbono-14 formado en esta reacción nuclear se incorpora a la atmósfera como dióxido de carbono (CO2). El dióxido de carbono atmosférico alcanza una concentración estacionaria, que asciende aproximadamente a un átomo de carbono-14 por cada 1012 átomos de carbono-12 (C-12). Tanto los animales que se alimentan de plantas como una planta viva que absorbe dióxido de carbono de la atmósfera mantienen esta proporción de 14 C/12C. Cuando muere una planta o un animal se termina la ingestión de carbono radiactivo y en consecuencia, comienza a producirse la desintegración radiactiva del carbono-14 y la relación 14C/12C disminuye. 14 6C 0 14 7N 1 21e Determinando la relación 14C/12C y comparándola con la edad de las plantas vivas, se puede saber el tiempo que hace que murió la planta o el animal mediante la ecuación cinética: ln Ci/Cf 5 kt o log Ci/Cf 5 kt/2.3. Carbono – 14 (C-14) El carbono-14 (14C, masa atómica = 14.003241) es un radioisótopo del carbono y fue descubierto el 27 de febrero de 1940 por Martin Kamen y Sam Ruben. Su núcleo contiene 6 protones y 8 neutrones. Willard Libby determinó un valor para el periodo de semidesintegración o semivida de este isótopo: 5 568 años. Determinaciones posteriores en Cambridge produjeron un valor de 5 730 años. Debido a su presencia en todos los materiales orgánicos, el carbono-14 se emplea en la datación de especímenes orgánicos. Carbono 14 General Nombre, símbolo Carbono -14, 14C Neutrones 8 Protones 6 Datos del nucleido Abundancia natural 1 parte por billón (1012) Periodo de semidesintegración 5 730 ± 40a Producto de desintegración 14 Masa del isótopo 14.003241 u Modo de desintegración β– Energía de desintegración 0.156 MeV N Este isótopo creado es inestable, por lo que, espontáneamente, se transmuta en nitrógeno-14 (14N). Estos procesos de generación-degradación de 14C se encuentran prácticamente equilibrados, de manera que el isótopo se encuentra homogéneamente mezclado con los átomos no radiactivos en el dióxido de carbono de la atmósfera. El proceso de fotosíntesis incorpora el átomo radiactivo en las plantas, de manera que la proporción 14C/12C en éstas es similar a la atmosférica. Los animales incorporan, por ingestión, el carbono de las plantas. Ahora bien, tras la muerte de un organismo vivo no se incorporan nuevos átomos de 14C a los tejidos, y la concentración del isótopo va decreciendo conforme va transformándose en 14N por decaimiento radiactivo. La masa en isótopo 14C de cualquier espécimen disminuye a un ritmo exponencial, que es conocido: a los 5 730 años de la muerte de un ser vivo la cantidad de 14C en sus restos se ha reducido a la mitad. Así pues, al medir la cantidad de radiactividad en una muestra de origen orgánico, se calcula la cantidad de 14C que aún queda en el material. Así puede ser datado el momento de la muerte del organismo correspondiente. Es lo que se conoce como “edad radiocarbónica” o de 14C, y se expresa en años BP (Before Present). Esta escala equivale a los años transcurridos desde la muerte del ejemplar hasta el año 1950 de nuestro calendario. Se elige esta fecha por convenio y porque en la segunda mitad del siglo xx los 89 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Carbono 11 General Nombre, símbolo Carbono -11, 11C Neutrones 5 Protones 6 Datos del nucleido Figura 3.31 Fósil de Nautilius. ensayos nucleares provocaron severas anomalías en las curvas de concentración relativa de los isótopos radiactivos en la atmósfera. Vida media 20.38 minutos Producto de desintegración 11 Espín –1/2 Modo de desintegración Por emisión de positrones Energía de desintegración 0.45 MeV B 14 Al comparar las concentraciones teóricas de C con las de muestras de maderas de edades conocidas mediante dendrocronología, se descubrió que existían diferencias con los resultados esperados. Esas diferencias se deben a que la concentración de carbono radiactivo en la atmósfera también ha variado respecto al tiempo. Hoy se conoce con suficiente precisión (un margen de error de entre 1 y 10 años) la evolución de la concentración de 14 C en los últimos 15 000 años, por lo que puede corregirse esa estimación de edad comparándolo con curvas obtenidas mediante interpolación de datos conocidos. La edad así hallada se denomina “edad calibrada” y se expresa en años Cal BP. Carbono – 11 (C-11) Esquema de desintegración de 11C Carbono-11 o el 11C es un isótopo radiactivo de carbono. Se desintegra 100% por emisión de positrones con boro-11. Tiene una vida media de 20.38 min. 11 6 C 11 6 B 1 e1 1 Ve 1 0.45 MeV El carbono-11 es muy utilizado como radioisótopo radiactivo para el etiquetado de las moléculas en tomografía por emisión de positrones. Entre las muchas moléculas utilizadas en este contexto es la radioligando [11 C] DASB. Yodo – 131 (I-131) El I-131 es un emisor beta-gamma, por lo que se puede determinar mediante la detección de ambos tipos de radiación y, por tanto, podemos medirlo bien con el detector proporcional de flujo de gas bien con los detectores de semiconductor. El uso de una u 90 otra técnica de medida vendrá fundamentalmente decidida por los requisitos de sensibilidad exigidos a la medida. Como criterio general y dada la mayor eficiencia de detección del primero, siempre que exista una separación radioquímica se efectuará la medida con el contador proporcional, que habrá sido necesariamente calibrado con un patrón de I-131. Por esta razón, se incluye en cada procedimiento una nota en la que se especifica el paso en el cual se procedería a la determinación del I-131 por espectrometría gamma. Determinación de yodo – 131 en aire (filtros de carbón activo) El yodo que se fija en el carbón activo está en forma no iónica. Tras su extracción por la adición de hidróxido de sodio (NaOH), se reduce con bisulfito a yoduro y se precipita como AgI. Se determina el rendimiento gravimétricamente y se mide en un detector proporcional de bajo fondo. El cartucho de carbón activo se puede medir directamente en el detector de Ge sin realizar ninguna operación previa o también se puede vaciar el cartucho y colocar el carbón activo en una petri de 90 cc para su posterior medida en el detector de Ge. En leches El yodo de la muestra de leche que contiene un conservador HCHO (formaldehído) y el portador del yodo (NaI) se extrae utilizando una resina de intercambio aniónico. El yodo (I2) se eluye de la resina tras la oxidación a IO23 (Hipoyodito) con una solución de hipoclorito (ClO32). Tras la reducción, el yodo (I) se extrae en CCl4 (tetracloruo de carbono), se reduce con bisulfito y Grupo Editorial Patria® es reextraído en agua. El yodo se precipita entonces como AgI (yoduro de plata). Se determina el rendimiento gravimétricamente y se mide en un detector proporcional de bajo fondo. Podemos determinar el yodo-131 por espectrometría gamma. Para ello, se toma la resina, se introduce en una petri y se mide en el detector de Ge. determina el rendimiento gravimétricamente y se mide en un contador proporcional de bajo fondo. Podemos determinar el yodo-131 por espectrometría gamma. Para ello, se toma muestra triturada, se introduce en una petri o una marinelli y se mide en el detector de Ge. En muestras biológicas El yodo de la muestra biológica se extrae añadiendo NaOH (hidróxido de sodio) a la muestra seca, reduciéndose a yoduro con el bisulfito. Se precipita como yoduro de plata (AgI). Se Para tu reflexión Aplicación de yodo radiactivo para probar el funcionamiento tiroideo Un método común para determinar el funcionamiento de la tiroides es el análisis del consumo de yodo radiactivo (RAIU). Tras su administración oral, el radioisótopo yodo-131 se mez­ cla con el yodo presente en la tiroides. A las 24 horas se deter­ mina la cantidad de consumo de yodo en la tiroides. Se man­ tiene un tubo de detección cerca del área en que se encuentra la glándula tiroides para detectar la radiación que procede del yodo-131 que ésta ha consumido. El consumo de yodo es di­ rectamente proporcional a la actividad de la tiroides. Si el pa­ ciente tiene “tiroides hiperactiva”, se detecta un nivel mayor de lo normal de yodo radiactivo, mientras que si tiene “tiroides hipoactiva”, el valor que se obtendrá será bajo. En caso de que el paciente tenga hipertiroidismo se inicia el tra­ tamiento para hacer más lenta la actividad de esta glándula. Un tratamiento consiste en dar al paciente una dosis terapéutica de yodo radiactivo que tiene una cuantificación de radiación más alta que la dosis diagnosticada. El yodo radiactivo pasa a la glándula tiroides y la radiación des­ truye parte de las células de la misma. Así, la glándula produce menos hormonas tiroideas y se logra controlar la afección de hipertiroidismo. Figura 3.32 El yodo también se utiliza como desinfectante. 91 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Actividades complementarias I. Instrucciones: Completa el siguiente mapa conceptual. MOdelo cuántico del átomo Fue propuesto por Se deriva de tres conceptos fundamentales Estados estacionarios de energía de Bohr los cuales conducen a los números cuánticos n que representa 92 m que representa que representa El giro del electrón Grupo Editorial Patria® Actividad de aprendizaje Elaboración del modelo de los fullerenos Procedimiento Con la supervisión de tu maestro reúnete en equipos de 4 o 5 alumnos y resuelvan esta actividad. Contesten las preguntas y compárenlas con las de otros equipos. Analicen y discutan las respuestas en las que tengan dudas. Anoten sus conclusiones. 1. Mezclen un poco de agua con pan (o migajón) y formen bolitas de dos tamaños diferentes (aproximadamente de 1 y 2 cm de diámetro). Agreguen un poco de pegamento para suavizar las esferas. Elaboren cinco de 2 cm y 15 de 1 cm. Introducción 2. Pinten de negro las bolitas más grandes (representan al átomo de carbono) y las más pequeñas de rojo (representan al hidrógeno). Los fullerenos son una familia de moléculas descubierta de manera accidental en 1985 por los investigadores Harold W. Kroto, de la Universidad de Sussex en Inglaterra, y Richard E. Smalley y Robert F. Curl, de la Universidad de Rice en Houston, EUA, mientras realizaban trabajos en astrofísica en busca de moléculas de carbono desconocidas. Por ello, dichos investigadores recibieron el premio Nobel de Química en 1996. 3. Déjenlas secar perfectamente. 4. Armen sus diferentes estructuras de compuestos orgánicos, uniendo las bolitas negras y las bolitas rojas según el compuesto a formar. Armen el modelo que presenta a continuación: De apariencia espectacular, los fullerenos son moléculas de carbono de estructura tridimensional cerrada, con diferentes números de átomos que van desde 28 hasta centenas e incluso millares. El más excepcional de ellos es el carbono 60 (C60), pues tiene una extraordinaria estabilidad y una estructura perfectamente ordenada debido a sus 60 átomos de carbono, que le dan una forma esférica, muy parecida a la de un balón de fútbol microscópico (por eso, también algunos los llaman futbolenos), con 12 pentágonos y 20 hexáfonos unidos, en cuyos vértices se sitúa cada átomo. Además, hay otros tipos de fullerenos, el carbono 70 (C70) que tiene la forma parecida a la de un balón de rugby, los carbonos C28, C32, C44, C45, C50, C56, C240, C540, C960 y los tubulenos o nanotubos, entre otros. Esta nueva familia de moléculas recibe su nombre del arquitecto estadounidense R. Buckminster Fuller, quien construyó domos geodésicos de estructura similar a los fulerenos o futbolenos. Estas moléculas pueden ser el origen de una nueva gama de materiales y compuestos orgánicos, cuyas aplicaciones tendrían un impacto similar al que obtuvo en el siglo pasado el benceno (C6H6), base de materiales indispensables en la vida de la sociedad actual. (Perspectiva volumétrica) ¿De qué color son los átomos de carbono e hidrógeno, respectivamente? Propósito Elaborar modelo atómico de los fullerenos. Materiales n 1 caja de palillos n Pegamento blanco n Pintura roja y negra n 1 pan de caja o migajón n Agua Comparen los compuestos orgánicos saturados (alcanos) que formaron con los de otros compañeros de clase. Conclusiones: 93 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Instrumentos de evaluación Heteroevaluación Ha llegado la hora de que demuestres realmente cuánto has aprendido, hemos terminado este bloque y ahora ya conoces muchas cosas nuevas. En esta sección encontrarás una heteroevaluación que abarca todo el conocimiento adquirido en este bloque, contéstala lo mejor que puedas. I. Relaciona ambas columnas escribiendo en el cuadro de la derecha la letra que conteste correctamente el enunciado.. a) Son compuestos formados por el mismo tipo de moléculas. b) Son átomos del mismo elemento que tienen igual número de protones y electrones, pero diferente número de neutrones. c) Es la parte mínima de un elemento que no tiene carga eléctrica y participa en una reacción química. d) Es la suma porcentual promedio de las masas de los isótopos más estables de un mismo elemento. e) La suma de electrones y neutrones tienen solamente una fase. f) Es el valor que señala el número de protones en un átomo. g) Es la suma de protones y neutrones que tiene el núcleo de un átomo. h) Postuló que el átomo tiene una carga positiva con los electrones incrustados, en forma de un “budín de pasas”. i) La forma del átomo es de una esfera compacta sin carga. j) Explica que el átomo no es una partícula compacta, sino más bien es un espacio vacío en su mayor parte. k) Es el número de electrones que tiene un átomo. l) Es la suma de protones y neutrones en el núcleo. m) Estableció que la masa no es creada ni destruida sólo transformada. Átomo Número atómico Peso o masa atómica Número de masa Isótopos Modelo de Rutherford Lavoisier Thomson Dalton II. Completa el siguiente cuadro utilizando para ello la tabla periódica de los elementos, en cada caso menciona un ejemplo que se relacione en la práctica de la vida común. Z = número atómico A = masa atómica p1 = protones n0 = neutrones e2 = electrones Elemento Símbolo Z A p1 e2 46 82 Bromo 18 Tc 94 n0 Grupo Editorial Patria® III. Instrucciones: De acuerdo con las siguientes configuraciones electrónicas, contesta lo que se pide a continuación. En el recuadro se te piden los valores de los números cuánticos del electrón diferencial o de valencia y el símbolo del elemento, menciona la importancia que tienen al ser utilizados de forma correcta y responsable en estudios y prácticas de carácter científico. Configuración electrónica Electrón diferencial Periodo Grupo n l m s Elemento [Ne10] 3s 2 3p 4 [Ar18] 4s 2 3d 5 [Xe54] 6s 2 4f 14 5d 2 [Rn86] 7s 2 5f 4 IV. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la derecha. 1. Las cargas del electrón, protón y neutrón son, respectivamente: a) 1, 2, 0 b) 1, 0, 2 c) 2, 0, 1 b) 2n 1 1 c) n 1 1 b) peso molecular c) número de masa b) peso molecular c) número atómico b) moles c) iones b) Bohr c) Dalton b) Hund c) Pauling ( ) ( ) ( ) ( ) d) Thomson 7. “Dos electrones en un mismo átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales,” corresponde al principio de: a) Máxima multiplicidad ) d) isótopos 6. El átomo está formado por un núcleo positivo, donde está concentrada toda la masa y los electrones se encuentran girando en niveles de energía cuantificada. Es una descripción que hace referencia al modelo atómico de: a) Rutherford ( d) peso atómico 5. Los átomos que poseen el mismo número atómico pero diferente número de masa se conocen como: a) moléculas ) d) mol 4. La suma de protones y neutrones que existen en el núcleo de los átomos se conoce como: a) número de masa ( d) 2n 2 1 3. La suma de protones y neutrones se conoce como: a) número atómico ) d) 2, 1, 0 2. La expresión que nos permite calcular los posibles valores del número cuántico l es: a) n 2 1 ( d) Heisenberg 95 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones 8. Cuando el número cuántico l es igual a 2, significa que el electrón diferencial se encuentra en el subnivel: a) p b) f c) s b) calcio c) aluminio b) 32 c) 8 d) 14 V. Mediante la aplicación de la regla de edificación progresiva (regla de las diagonales), determina lo que se te pide a continuación: 56 26Fe Nombre: Número atómico: Masa atómica: Protones: Neutrones: Electrones: Distribución electrónica: Configuración electrónica utilizando el concepto de kernel: Electrones de valencia: Electrón diferencial: Valores de los números cuánticos del electrón diferencial: n= l= m= s= Grupo: Periodo: 96 ( ) ( ) d) azufre 10. Número máximo de electrones que pueden encontrarse en el nivel n 5 2: a) 18 ) d) d 9. 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p3 corresponde a la configuración electrónica del elemento: a) fósforo ( Grupo Editorial Patria® VI. Relaciona ambas columnas escribiendo en el cuadro de la izquierda la letra que conteste correctamente el enunciado: Se considera la partícula más pequeña de un elemento que interviene en un fenómeno químico. Nombre que se le da a un átomo o grupo atómico con carga eléctrica resultante de la pérdida o ganancia de electrones. Establece que los elementos están formados por partículas diminutas, indivisibles e indestructibles llamadas átomos. Átomos de un mismo elemento con igual número atómico y diferente número de masa. Partícula más pequeña de una sustancia pura que presenta sus propiedades y puede existir en libertad. Indica el tipo de subnivel en el cual se localiza un electrón y se relaciona con la forma de la nube electrónica. Propuso un modelo atómico en el cual una esfera cargada de electricidad positiva contenía las cargas negativas, uniformemente distribuidas como están las pasas en un budín. Se relaciona con las orientaciones espaciales de los orbitales que resultan cuando un átomo es sometido a un campo magnético. Postuló que los electrones existen en ciertos niveles permitidos de energía, o estados estacionarios, que corresponden a órbitas circulares definidas. Se le puede definir como la región espacial ocupada por electrones de energía aproximadamente igual. a) Dalton b) Bohr c) Thomson d) Rutherford e) Ion f) n g) Isótopos h) Molécula i) m j) Átomo k) I l) s VII. Escribe sobre la línea el símbolo n, l, m o s, según corresponda a cada enunciado: 1. Parámetro cuántico que representa la orientación magnética de los orbitales: 2. Determina el nivel de energía donde se encuentran los elementos diferenciales: 3. Adquiere valores de 1 12 y 2 12 : 4. Parámetro que determina el tipo de orbital ocupado por el electrón diferencial: 5. Parámetro cuántico con valores de 23, 22, 21, 0, 11, 12, 13: 6. Adquiere valores desde 1 hasta 7: 7. Parámetro cuántico con valores de 0, 1, 2, 3: 8. Representa el giro del electrón: 97 3 BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Lista de cotejo Lista de cotejo para evaluar la Actividad de aprendizaje, página 82. Objeto de aprendizaje 3.3. Configuraciones electrónicas y los números cuánticos. Nombre del estudiante: Desempeños 1. Utiliza correctamente la tabla periódica como instrumento para realizar la actividad. 2. Determina la configuración electrónica y el diagrama energético de los cinco elementos propuestos. 3. Realiza correctamente el proceso solicitado. 4. Explica con claridad cómo realizó la distribución electrónica de los elementos. 5. Le fue fácil entender la actividad de acuerdo con los recursos que utilizó. 6. Los ejemplos que se presentan le ayudaron a realizar la actividad. 7. Logró alcanzar los aprendizajes esperados. 8. Mostró interés durante la actividad. 9.La actividad le permitió desarrollar alguna competencia. 10. Pudo contextualizar su aprendizaje en situaciones de su vida cotidiana. Comentarios generales: 98 Fecha: ¿Logrado? Sí No Grupo Editorial Patria® Rúbrica Rúbrica para evaluar la opinión escrita del estudiante sobre las lecturas de las páginas 84 y 91. Nombre del estudiante: Nombre del docente: Grupo: Fecha: Valor Criterio 3 puntos 2 puntos Pone sus datos generales (nombre, matrícula, nombre del profesor(a), nombre de la asignatura, grupo, turno y fecha). Tiene datos como: nombre, matrícula, nombre del profesor(a) y nombre de la asignatura. Indica su nombre, grupo y asignatura. No tiene ningún error de ortografía, de acentuación, ni de puntuación, está escrito correctamente. Se observan pocos errores, son de ortografía, acentuación o de puntuación, el escrito es aceptable. Se notan varios errores ortográficos, de acentuación y puntuación, el escrito no es muy bueno. Su letra es clara y entendible. Varía el estilo de letra, no es del todo clara. Su letra es difícil de entender. Ocupa una cuartilla, tal y como se establece en la actividad. Ocupa una cuartilla y media. Es muy extensa, su opinión ocupa dos cuartillas. Organiza adecuadamente la información y señala su importancia en un contexto real. Trata de ordenar la información y menciona su importancia, en general lo contextualiza en la vida cotidiana. No está organizada, ni contextualizada a situaciones reales. Aspecto a evaluar Presentación Desempeño Muestra un claro análisis y reflexión Analiza la información, pero se le sobre el contenido de la lectura. dificulta reflexionar al respecto. 1 punto Muestra dificultad en analizar y reflexionar sobre el contenido de la lectura. Muestra buena comprensión del contenido de la lectura, profundiza y se basa en detalles. Su comprensión es básica, Comprende gran parte de la no profundiza ni especifica la lectura, describe lo más que puede. información. Identifica todas las ideas principales y relevantes al tema. Reconoce en gran medida las ideas principales, aunque algunas son un tanto irrelevantes. Relaciona la información con ejemplos de diversos contextos culturales. Señala ejemplos de diversos contextos, pero no todos están relacionados con la información que plasma. Explica la información, pero no proporciona ejemplos de ningún tipo. Integra conclusiones claras, congruentes y acordes al contenido y a lo solicitado. Menciona conclusiones de manera general, son un poco confusas. Emite conclusiones de forma básica, no las relacionan del todo con el tema. Contenido Total Registra ideas básicas, la información no es sobresaliente. Puntos obtenidos 99 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica 8 horas Objetos de aprendizaje 4.1 Elementos químicos (Grupo, periodo, bloque) 4.2 Propiedades periódicas y su variación en la tabla periódica 4.3 Utilidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país y el mundo Competencias a desarrollar n n n n Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. n n n n n Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. ¿Qué sabes hacer ahora? Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. ( ) Las propiedades de los elementos en función periódica de sus pesos atómicos fueron dados a conocer por: a) Newlands y Döbereiner b) Mendeléiev y Meyer c) Lavoisier d) Moseley ( ) Los elementos más electronegativos son: a) K, Sr, Bi b) Ca, Mg, Be ( ) La Ley de las octavas fue formulada por: a) Meyer b) Mendeléiev c) Fr, Cs, Ba d) F, O, Cl c) Döbereiner d) Newlands ( ) Es la distancia comprendida entre el centro del núcleo y el nivel externo de un átomo: a) electronegatividad b) radio atómico c) afinidad electrónica d) radio iónico ( ) Se define como la energía liberada cuando un átomo gaseoso recibe un electrón para formar un ion negativo gaseoso: a) electronegatividad b) afinidad electrónica c) cinética d) potencial ( ) La configuración electrónica 1s2 2s 2 2px1 2p y1 2p z1 corresponde a un elemento que se encuentra en la: a) familia IA, periodo 2 b) familia VA, periodo 2 c) familia IIIA, periodo 2 d) familia VA, periodo 3 ( ) Conjunto de elementos dispuestos en líneas horizontales en la tabla periódica: a) grupo b) periodo c) familia d) clase Familia de elementos de la tabla periódica que se caracteriza por ser ( ) formadores de sales: a) IA ( ) b) VIIA c) VIIIA d) IIA Es la representación ordenada de los elementos que permite visualizar y predecir cómo varían sus propiedades físicas y químicas: a) grupo b) periodo c) bloque d) tabla periódica Desempeños por alcanzar n n n Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente. Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente. n n n n n n Describe el proceso histórico de la construcción de la tabla periódica. Utiliza la tabla periódica para obtener información de los elementos químicos. Comprueba, de manera experimental, las propiedades físicas y químicas de algunos elementos químicos. Ubica a los elementos químicos en la tabla periódica a través de la interpretación de su configuración electrónica. Identifica aplicaciones de metales, no metales y minerales en el quehacer humano y en el suyo propio. Reconoce la importancia socioeconómica de la producción de metales y no metales en nuestro país y el mundo. 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica Situación didáctica ¿Cuál será el impacto de los nuevos materiales en la sociedad? La sociedad actualmente es muy exigente en cuanto a la calidad de vida que desea tener: más comodidad, mejores alimentos, ropa, artículos electrodomésticos, aparatos electrónicos, computadora, auto, perfumes, casa, jardines, etc. Esto se consigue a través de un esfuerzo sostenido con respecto a una superación personal o familiar. Asimismo, las personas buscan calidad en la educación y practican algún deporte o pasatiempo. Los científicos, pendientes de descubrir nuevos materiales, usan de manera combinada a las disciplinas científicas: electrónica, computación, robótica, química, física, telecomunicaciones, construcción, etc. Como resultado, se ven inmersas en un universo fabricado a partir de materiales de naturaleza metálica, polimérica, cerámica y todas sus posibles combinaciones. Estos materiales sustentan nuestro presente bienestar y hacen factible nuestro progreso futuro. ¿Cómo lo resolverías? nueva tecnología (desde el tren de alta velocidad a las pequeñas baterías de nuestros teléfonos móviles, pasando por los implantes quirúrgicos) necesita el desarrollo de un conjunto amplio de materiales con propiedades muy específicas, los cuales modelarán el bienestar y progreso de los ciudadanos en las próximas décadas, al igual que ocurrió con los plásticos y semiconductores de los años 50. Sin el concurso de dichos materiales estas tecnologías no podrían ser operativas. Los científicos han desarrollado nuevos materiales (cerámicos, poliméricos, magnéticos), así como sus aplicaciones más relevantes, como en nanotecnología, medicina, energía, medio ambiente y láseres de estado sólido. Entre las técnicas de caracterización de estos materiales se encuentra la radiación de sincrotrón. Han sido tan importantes los materiales en la vida del hombre que los historiadores han clasificado las primeras edades de la humanidad, según los materiales utilizados; así han surgido las edades de Piedra, del Bronce y del Hierro. Podemos afirmar que en los albores del siglo xxi nos encontramos al comienzo de una nueva etapa marcada por el devenir de los nuevos materiales. No es difícil imaginar el impacto que la investigación en nuevos materiales va a tener en el próximo futuro en la sociedad actual. Toda Secuencia didáctica ¿Qué tienes que hacer? A continuación se lista una serie de preguntas que te ayudarán a contestar la problemática de la pregunta central. Es importante que reflexiones, seas claro y objetivo para que esta experiencia sea útil al reconocer tus debilidades para superarlas así como tus fortalezas para beneficiarte de ellas. 1. Escribe un informe de una cuartilla que incluya cinco ventajas y cinco desventajas de vivir en un mundo tecnológicamente más avanzado y globalizado por las tecnologías de información y comunicación en relación con la calidad de vida que se tiene por los nuevos materiales descubiertos. 2. Utiliza estas preguntas para orientar tu escrito. a) ¿Qué sería mejor para ti, dormir en una cama de piedra o en una de madera o metal y su colchón de poliuretano? b) ¿Qué prefieres, ver la TV a colores o en blanco y negro? 102 c) ¿Te gustaría usar ropa que no se lave o planche? d) ¿Qué prefieres, escuchar a tu artista favorito en un iPod o en un reproductor MP3? Grupo Editorial Patria® i) ¿Te aburren programas de TV que no presentan calidad en su transmisión o fallas de recepción y transmisión? e) ¿Qué tipo de alimentos prefieres, los preparados en casa o los de comida rápida? f ) ¿De qué manera cambiaría tu vida diaria si no tuvieras internet, TV, radio, cine, teléfono celular, iPod? j) ¿Qué otros descubrimientos faltan por hacer en la sociedad actual? ¿Como cuáles? Enúncialos. g) ¿Te gusta estar bien informado? ¿Por qué? ¿A través de qué medio? ¿Cuál prefieres? k) ¿Te gustaría viajar de una manera diferente a las establecidas actualmente? ¿Cuál? h) ¿Al transportarte de un lugar a otro, qué medio prefieres? ¿Por qué? Rúbrica Con el propósito de revisar si adquiriste los conocimientos de este bloque realiza lo siguiente. n n n n Menciona cinco nuevos materiales usados en la actualidad y su aplicación. Con la dirección del profesor organicen un debate sobre el impacto de los nuevos materiales en la sociedad. Intégrate a un equipo de compañeros para que presenten sus respuestas en plenaria y analicen las formas de contestar la pregunta central. ¿Cómo se llamaría la sociedad actual de acuerdo con el material más utilizado? Justifica tu respuesta. n ¿Cómo sabes que lo hiciste bien? ¿Los nuevos materiales favorecen o perjudican el desarrollo sustentable del país? ¿Cómo? Autoevaluación n ¿Leí todo el contenido del bloque? n ¿Puedo distinguir claramente entre un material moderno y uno antiguo? ¿Cómo? n n Establezcan las conclusiones correspondientes. Elabora un reporte donde expreses de manera objetiva tus reflexiones sobre esta actividad. 103 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica 4.1 Elementos químicos (Grupo, periodo, bloque) La clasificación es una forma útil e importante de sistematizar el conocimiento. La tabla periódica es uno de los medios que permite la organización del conocimiento químico. Se dice que la tabla periódica es tan importante para los químicos como un buen mapa para el viajero. La tabla es una representación de la ordenación de los elementos que permite visualizar y predecir la forma en que varían sus propiedades físicas y químicas. De acuerdo con lo anterior, es posible estudiar de manera sistemática cómo varían las propiedades, dependiendo de la posición que ocupan los elementos en la tabla y, al mismo tiempo, facilita entender, recordar y vaticinar las similitudes y diferencias entre los elementos. A lo largo de la historia había un desorden con respecto a los elementos descubiertos. Hay un curioso paralelismo en el siglo xix entre las historias de la química orgánica y de la inorgánica: hubo una proliferación en el número de compuestos orgánicos y el número de elementos. Kekulé, con sus fórmulas estructurales ayudó a poner orden. También se ordenó el mundo de los elementos, y al menos parte del mérito de ambos cambios se debió a una reunión internacional de químicos. A comienzos de ese siglo (xix) se descubrieron nuevos elementos, además de los nueve conocidos por los antiguos y los cuatro estudiados por los alquimistas medievales (agua, aire, tierra y fuego, ya comentados en un bloque anterior). Los elementos gaseosos, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y cloro, habían sido descubiertos. Y lo mismo los metales: cobalto, platino, níquel, manganeso, tungsteno, molibdeno, uranio, titanio y cromo. En la primera década del siglo xix (6 de octubre de 1807), Davy hizo pasar una corriente a través de potasa fundida (carbonato de potasio) y liberó pequeños glóbulos de un metal que inmediatamente llamó potasio. Una semana después, él mismo aisló el sodio del carbonato de sodio y en 1808 también aisló el magnesio, estroncio, bario y calcio. Mostró que el gas verdoso que Scheele había descubierto era el cloro, vocablo que en griego significa verde. También en esta época se descubrieron los metales cobalto, platino, níquel, manganeso, tungsteno, molibdeno, uranio, titanio y cromo. En la primera década del siglo xix se añadieron a la lista no menos de 14 elementos. Gay-Lussac y Thénard aislaron el boro; Wollaston, el paladio y el rodio, mientras que Berzelius el cerio. El químico inglés Smithson Tennant (1761-1815) descubrió el osmio y el iridio. Otro químico inglés, Charles Hatchett (17651847) aisló el niobio; por su parte, el químico sueco Anders Gustaf Ekeberg (1767-1813) descubrió el tántalo. El impulso en las décadas sucesivas no fue tan fuerte, pero el número de elementos continuó en aumento. Berzelius, por ejemplo, descubrió cuatro elementos más: selenio, silicio, circonio y torio. Asimismo, Louis Nicolas Vauquelin, en 1797, descubrió el berilio. 104 Hacia 1830 se conocían 55 elementos diferentes, un buen paso desde los cuatro elementos de la antigua teoría. De hecho, el número era demasiado grande para no inquietar a los químicos. Los elementos variaban extensamente en sus propiedades, y parecía existir poco orden entre ellos. ¿Por qué había tantos? Y ¿cuántos más quedaban todavía por descubrir? ¿Diez? ¿Cien? ¿Mil? ¿Un número infinito? Era tentador buscar un orden en el conjunto de los elementos ya conocidos. El primero en captar un orden fue el químico alemán Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849). En 1829 observó que el elemento bromo, descubierto tres años antes por el químico francés Antoine Jeróme Balard (1802-1876), parecía tener propiedades que estaban justo a la mitad del camino entre las del cloro y las del yodo. Es decir que varios grupos de tres elementos, a los cuales llamó tríadas, poseían propiedades parecidas en las cuales el peso atómico del elemento intermedio o central tenía un peso atómico que era casi el promedio aritmético de los pesos atómicos de los otros dos. Por ejemplo: Li Na K Ca Sr Ba Cl Br I 7 23 39 40 88 137 35 80 126 En 1850 Pattenköfer demostró que el peso atómico de los elementos semejantes difiere por múltiplos enteros de ocho: Li Na K Mg Ca Sr O S Se 23 39 24 88 16 32 80 128 7 16 16 40 16 48 16 48 Te 48 En 1864, el químico inglés John Alexander Reina Newlands (1837-1898) clasificó los elementos conocidos según sus pesos atómicos crecientes, y observó que esta ordenación también colocaba las propiedades de los elementos en un orden, al disponer los elementos en columnas verticales de siete, los que eran semejantes tendían a quedar en la misma fila horizontal. Así, el potasio quedó cerca del sodio, pues es muy semejante a él; el selenio quedó en la misma línea que el azufre, pues es muy parecido; el calcio se ubicó próximo al magnesio, y así sucesivamente. Y en efecto, las tres tríadas de Döbereiner se hallaban en dichas filas. Newlands llamó a esto ley de las octavas (en música, siete notas forman una octava, en donde la octava nota tiene una frecuencia del doble de la primera). Dos años antes el geólogo francés Alexandre Emile Beguyer de Chancourtois (1820-1886) también había ordenado los elementos según su peso atómico creciente, y los había distribuido en una especie de gráfico cilíndrico, llamado hélice o tornillo de Chan- Grupo Editorial Patria® Figura 4.2 Los alquimistas, grandes precursores de la química moderna. Figura 4.1 Hélice de Chancourtois. courtois y dividió cada circunferencia en 16 subdivisiones. Encontró que los elementos que difieren de otros por 16 unidades o sus múltiplos en peso atómico, poseen un comportamiento semejante y concluyó que las propiedades de los elementos son las propiedades de los números. También aquí los elementos semejantes tendían a coincidir en columnas verticales. La ley periódica surgió en forma empírica antes de que se conocieran sus verdaderos fundamentos. Sus descubridores y antecesores nada sabían de electrones, protones, neutrones, número atómico y menos aún, de estructura atómica. No obstante, tanto la ley como el sistema por ella conformados, fueron de gran valor para el desarrollo de la Química a fines del siglo xix. La tabla periódica de Mendeléiev (conocida como Tabla corta) La preponderancia que adquirió Mendeléiev en los estudios sobre la ley periódica se debe a que al hacer sus audaces predicciones, el gran sabio ruso no aplicó únicamente el método inductivo como lo hicieron sus antecesores y el propio Meyer, sino que empleó también el método deductivo. El químico ruso Dimitri Ivánovich Mendeléiev (1834-1907) es reconocido como el investigador que puso orden en la selva de los elementos. En 1869, él y el químico alemán Julius Lothar Meyer (1830-1895), descubrieron y propusieron en forma independien- Figura 4.3 Dimitri I. Mendeléiev. te tablas de los elementos que, esencialmente, se regían por las ideas de Chancourtois y Newlands. Observaron que las propiedades de los elementos se acomodan en orden de aumento de sus pesos atómicos. La tabla de Meyer se basa en las propiedades físicas de los elementos, en tanto que la de Mendeléiev en sus propiedades químicas. Estos dos eminentes científicos postularon la clasificación no como un simple sistema para organización, sino como una “ley de la naturaleza”, extraordinaria generalización que resume no sólo el comportamiento conocido, sino que también se puede extrapolar para predecir el comportamiento de elementos que aún eran desconocidos. Meyer y Mendeléiev sostuvieron una larga batalla sobre la prioridad en el descubrimiento del sistema periódico. La primera tabla publicada por Mendeléiev se dio a conocer en abril de 1869. Meyer publicó la suya en diciembre del mismo año; la que hizo en 1868 no la dio a conocer por considerarla imperfecta. El éxito de Mendeléiev se debió al acierto de dejar espacios vacíos en su tabla, para elementos desconocidos en su tiempo y la facilidad con la cual los gases nobles encajaron en ella cuando fueron descubiertos posteriormente. En 1906 Mendeléiev escribió: Ni de Chancourtois, al que los franceses atribuyen la prioridad en el descubrimiento de la ley periódica; ni Newlands, para quien este derecho recaban los ingleses; ni Meyer, al que otros han citado como el fundador de la ley periódica, se han arriesgado a anticipar las propiedades de elementos no descubiertos, a cambiar los “pesos atómicos aceptados” ni a considerar en absoluto la ley de periodicidad como una ley nueva, rigurosamente establecida, de la naturaleza, capaz de abarcar todos los hechos hasta ahora no generalizados, como yo lo he hecho desde el comienzo mismo (1869). 105 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica Tabla periódica “corta” de Mendeléiev Grupo I II III IV V VI VII VIII Óxidos e hidruros Serie R2O ------ RO ------ R2O3 ------ RO2 H4R R2O5 H3R RO3 H2R R2O7 HR RO4 ------ 1 2 H(1) Li(7) Be(9.4) 3 4 Na(23) K(39) Rb(85) Ag(108) 9 10 --- 11 12 ----- Au(199) --- Zr(90) ?Di(138) --- Hg(200) --- Tl(204) --- Mendeléiev es reconocido por la ciencia porque tuvo el valor y la confianza de llevar sus ideas más allá que otros. En la primera tabla periódica de Mendeléiev aparecen interrogaciones frente a los símbolos de los elementos cuyos pesos atómicos consideró inexactos, los que rectificó posteriormente. Los elementos similares se colocan en columnas verticales, llamadas grupos. Los miembros de cada grupo tienen en común la composición de sus óxidos. Los del grupo I forman óxidos de fórmula R2O, los del II, RO, los del III, R2O3, etc., donde R representa el elemento de ese grupo y O el oxígeno. Las filas horizontales de los elementos, que él llamó series, se denominan actualmente periodos. Dicho ordenamiento tiene varias ventajas, entre las que se pueden señalar las siguientes: n 106 --- Ta(182) El número del grupo (excepto para el grupo VIII) proporciona el estado de valencia más alto que es posible para los elementos. --- W(184) n n Ni(59), Cu(63) I (127) Ru(104), Rh(104), Pd(106), Ag(108) --Os(195), lr(197), Pt(198), Au(199) ----- U(240) Br(80) ----- Bi(208) Fe(56), Co(59) –100 Te(125) --- Pb(207) Th(231) Sc(78) Sb(122) --- Cl(35.5) Mn(55) Mo(96) --- ?La(180) S(32) As(75) Sn(118) F(19) Cr(52) Nb(94) ?Ce(140) ?Er(178) Pb(31) -(72) In(113) O(16) V(51) -(68) Cd(112) --- Si(28) Ti(48) ?Yt(88) Ba(137) N(14) Al(27.3) Zn(659 Sr(87) Cs(133) C(12) -(44) Cu(63) 7 8 Mg(24) Ca(40) 5 6 B(11) ----- Un cambio brusco de los halógenos (grupo VII A), que se caracterizan por ser electronegativos en relación con los metales alcalinos (grupo IA), indujo a Mendeléiev a la predicción de la existencia de los elementos inertes con valencia, ya sea de ocho o de cero. A partir de las posiciones de los huecos en la tabla, Mendeléiev predijo las propiedades de los elementos faltantes. Así por ejemplo, al elemento que según Mendeléiev faltaba en el grupo IV de su tabla lo llamó eka-silicio (eka, en sánscrito significa primero), primer elemento debajo del silicio en el mismo grupo. En la siguiente tabla se muestran las propiedades del eka-silicio predichas por Mendeléiev con las del elemento germanio, que fue aislado 15 años después, por el químico alemán C. Winkler. El descubrimiento del galio (del latín gallium, Francia) en 1875 realizado por Lecoq de Boisbaudran; del escandio (por Escandi- Grupo Editorial Patria® Propiedades predichas por Mendeléiev para el eka-silicio (Es) 1. El peso atómico tiene que ser la media aritmética de los cuatro elementos análogos: Si, Sn, Se, Zn; es decir, ¼ (28.5 + 119 + 65.37 + 79.2 ) = 73 Propiedades del germanio, Ge, descubierto por Winkler n n 1. Peso atómico: 72.60 2. El peso específico deducido en forma similar al peso atómico será: 2. Peso específico: 5.469 a 20 °C 5.5 3. El volumen atómico debe estar comprendido entre el del Si (13) y el del Sn (16), pero no debe exceder mucho de 13 3. Volumen atómico: 13.1 4. Alto punto de fusión 4. Punto de fusión: 958 °C 5. Se obtendrá de K2 EsF6 5. Se obtiene de K2 GeF6 6. Poco soluble en HCI 6. No se disuelve en HCI 7. Formará EsO2 7. Forma un óxido (GeO2) Aunque los elementos adyacentes se colocan en grupos contiguos, el grupo viii incluye tres elementos consecutivos, hierro, cobalto y níquel, en el cuarto periodo; rutenio, rodio y paladio en el sexto; y osmio, iridio y platino, en el décimo periodo. No obstante que el número de grupo indica el estado de valencia máximo de los elementos (salvo para el rutenio y el osmio) ninguno de los otros elementos del grupo viii muestra una valencia de ocho. Es más, una valencia de ocho no puede explicarse con base en la ganancia, pérdida y compartición de electrones durante la formación de enlaces. El cuadro nos muestra que las predicciones de Mendeléiev estaban bastante correctas. A continuación se muestra el arreglo de los elementos hecho por Mendeléiev como se publicó en 1869. Tabla de Mendeléiev (1869) 8. Densidad de EsO2= 4.7 g/cm3 navia) por J. L. Nilson en 1879 y del germanio (de Germania) en 1886 que poseen propiedades semejantes a las que predijo Mendeléiev, y el de los gases inertes, que tienen pesos atómicos entre los de los halógenos y los metales alcalinos, confirmó la validez de la tabla de Mendeléiev. A pesar de sus ventajas, esta tabla tiene algunas limitaciones, por ejemplo: n n El orden de los elementos, de acuerdo con sus pesos atómicos, se invirtió en algunos casos con el fin de permitir la colocación de los elementos en los grupos apropiados. Así el yodo (I = 127) se colocó después del telurio (Te = 128); el potasio (K = 39), después del argón (Ar = 40) y el níquel (Ni = 58), después del cobalto (Co = 59). No se ofrece ningún lugar para los isótopos (átomos del mismo elemento con masa diferente) en los diferentes grupos. Actividad de aprendizaje ( H=1 ) Dio a conocer que las propiedades de los elementos eran función periódica de sus pesos atómicos. a) Newlands y Döbereiner b) Mendeléiev y Meyer c) Lavoisier d) Moseley Li = 7 Ti = 50 Zr = 90 ? = 180 V = 51 Nb = 94 Ta = 182 Cr = 52 Mo = 96 W = 186 Mn = 55 Rh = 104.4 Pt = 197.4 Fe = 56 Ru = 104.4 Ir = 198 Ni = Co = 59 Pt = 106.6 Os = 199 Cu = 63.4 Ag = 108 Hg = 200 Be = 9.4 Mg = 24 Zn = 65.2 Cd = 112 B = 11 Al = 27.4 ? = 68 Ur = 116 C = 12 Si = 28 ? = 70 Sn = 118 N = 14 P = 31 As = 75 Sb = 122 O = 16 S = 32 Sc = 79.4 Te = 128? F = 19 Cl = 35.5 Br = 80 I = 127 Na = 23 K = 39 Rb = 85.4 Cs = 133 Tl = 204 Ca = 40 Sr = 87.4 Ba = 137 Pb = 207 ?= 45 Ce = 92 ?Er = 56 La = 94 ? = 60 Di = 95 ?In = 75.6 Th = 118? Au = 197? Bi = 210 107 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica La ley periódica de Mendeléiev establecía que las propiedades de los elementos son una función periódica de sus masas o pesos atómicos crecientes. Los números atómicos de los elementos en controversia son: Ar = 18, K = 19, Co = 27, Ni = 28, Te = 52 y I = 53. Por primera vez fue posible predecir el número de elementos que faltaban por descubrir. En 1913, los números atómicos del 1 al 92 estaban ocupados por elementos conocidos, excepto los números: 43, 61, 72, 75, 85, 87 y 91. En 1917 se descubrió el de número atómico 91 (protactinio), en 1923 el de número 72 (hafnio) y en 1925, el 75 (renio). Hacia la década de 1930 se reportaron los cuatro restantes: 43 (tecnecio), 61 (prometio), 85 (astato) y 87 (francio). Tabla periódica moderna Como se mencionó en párrafos anteriores se tenían algunos problemas con la tabla de Mendeléiev. Tuvieron que pasar 50 años para que se diera un paso fundamental en la clasificación de los elementos, la asignación de un número esencial a cada elemento denominado número atómico. El número atómico siempre se expresa en números enteros, mientras que los valores del peso atómico no. En 1911, el físico inglés C. G. Barkia (premio Nobel de Física), descubrió que cuando los rayos X se dispersaban al atravesar un metal, dichos rayos, refractados, tenían un sensible poder de penetración que dependía de la naturaleza del metal. En otras palabras, que cada elemento daba lugar a una serie de rayos X característicos. Una nueva expresión de la ley periódica surgió cuando el físico danés Niels Bohr (premio Nobel de Física en 1922) propuso un sistema de clasificación basado en la distribución de los electrones (configuración electrónica) en los elementos, de acuerdo con su modelo atómico. La relación entre el comportamiento químico y la estructura atómica se integran de manera sorprendente en esta clasificación. Con base en estos estudios, el físico inglés Henry G. Moseley (1887-1915), usando un espectrómetro de rayos X, obtuvo los espectros de 38 elementos diferentes. En ellos identificó líneas pertenecientes a las series K. Ubicación y clasificación de los elementos Con el descubrimiento de los rayos X, Moseley demostró que en el núcleo se encuentran las cargas positivas (protones), que constan de números enteros que coinciden con su número atómico. Por tanto, se puede enunciar la ley periódica de la siguiente manera: Las propiedades de los elementos y de sus compuestos son una función periódica del núcleo atómico. El número atómico de un elemento químico nos indica el número de protones contenidos en el núcleo, que es igual al número de electrones que giran alrededor del mismo. Por tanto, la tabla periódica moderna permite agruparlos de acuerdo con su configuración electrónica. Si se sigue la secuencia en el incremento del número atómico, la inversión en el orden de los elementos yodo-telurio, potasio-argón, níquel-cobalto en la tabla de Mendeléiev es totalmente innecesaria. Para los elementos de Z = 1 a Z = 10, se tienen las configuraciones electrónicas siguientes: Elemento 108 Configuración electrónica Símbolo Núm. atómico (Z) Forma A H 1 1s He 2 2s Li 2p Forma B Forma C 1s 2 1s 2 [He] 3 1s 22s 1 [He]2s 1 Be 4 1s 22s 2 [He]2s 2 B 5 1s 22s 22p 1 [He]2s 22p1 C 6 1s 22s 22p 2 [He]2s 22p 2 N 7 1s 22s 22p 3 [He]2s 22p 3 O 8 1s 22s 22p4 [He]2s 22p 4 F 9 1s 22s 22p 5 [He]2s 22p 5 Ne 10 1s 22s 22p 6 [Ne] Grupo Editorial Patria® Actividad de aprendizaje ( ) Los elementos en la clasificación periódica se agrupan en orden creciente de su: a) masa atómica b) masa molecular c) número atómico d) peso atómico La configuración del hidrógeno (Z = 1), es 1s1. La del helio (Z = 2), es 1s2; el tercer elemento, litio (Z = 3), es 1s2 2s1 (tiene dos electrones en el subnivel 1s y un electrón en el subnivel 2s). El litio es similar al hidrógeno en que sólo tiene un electrón en su subnivel externo. Por tanto, lo colocaremos en la misma columna que el hidrógeno. El próximo elemento, el berilio (Z = 4), tiene dos electrones en el subnivel 1s y dos electrones en el subnivel 2s. Por ello, podría pertenecer a la misma columna del helio. Sin embargo, los dos electrones que están en la capa exterior del helio llenan ese nivel. Los dos electrones en el subnivel 2s del berilio, no llenan el segundo nivel, ya que también hay subnivel p. El boro (Z = 5) tiene una configuración: 1s2 2s2 2p1, y encabeza una nueva columna. Le siguen el carbono, nitrógeno, oxígeno y flúor. Se hace lo mismo con los elementos de transición, los lantánidos y los actínidos. A través de un periodo se van llenando, en forma consecutiva, las subcapas s y p de los periodos 2 y 3; s, d y p en los periodos 3 y 4, y las subcapas s, d, f y p en los periodos 6 y 7. Sin embargo, es necesario resaltar que el primer periodo contiene sólo dos elementos, el hidrógeno y el helio (como ya se mencionó), cuyas posiciones presentan problemas. El primero pertenece electrónicamente al grupo IA, pero químicamente no tiene congéneres; el segundo pertenece electrónicamente al grupo IIA, pero químicamente corresponde al grupo de los gases nobles. Los elementos de transición tienen la característica de poseer electrones en la subcapa d. Por ejemplo, el escandio (Z = 21) tiene un electrón en 3d, el titanio (Z = 22), posee dos electrones en 3d, el vanadio (Z = 23) tres electrones, hasta llegar al cinc (Z = 30) que tiene 10 electrones. Este último completa la subcapa 3d. Los elementos de transición interna: los lantánidos y los actínidos, se caracterizan por tener electrones en la subcapa f. Se comprueba que el gas noble con su configuración completa cierra el periodo. Después del gas noble se inicia un nuevo periodo, empieza el llenado de otra capa. El gas neón [He] 2s2 2p6 completa la capa 2 y termina el periodo 2; el elemento sodio [He] 3s1 inicia el periodo 3 y el argón [Ne] 3s2 3p6 finaliza el llenado de la capa 3, y así sucesivamente. Al examinar las familias representativas, se ve que la suma del número de electrones que se acomodan en las últimas subcapas s y p concuerda con el número romano que encabeza la familia, como se muestra con las familias de los metales alcalinotérreos y los halógenos. Metales alcalinotérreos Familia IIA Configuración 4Be [He] 2s 2 12Mg [Ne] 3s 2 20Ca [Ar] 4s 2 38Sr [Kr] 5s 2 56Ba [Xe] 6s 2 88Ra [Ra] 7s 2 Halógenos Familia VIIA Configuración gF [He] 2s 2 2p 5 17Cl [Ne] 3s 2 3p 5 35Br [Ar] 3d 10 4s 2 4p 5 53l [Kr] 4d 10 5s 2 5p 5 85At [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 5 109 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica 1s 1 1s 22s 22p 63s 1 1s 22s 22p 63s 23p 64s 23d 1 1s 2 1s 22s 22p 63s 23p 64s 1 1s 22s 1 1s 22s 22p 63s 23p 64s 23d 1 1s 22s 2 1s 22s 22p 2 1s 22s 22p 1 1s 22s 22p 3 1s 22s 22p 4 1s 22s 22p 5 1s 22s 22p 6 Figura 4.4 Construcción de la tabla periódica moderna. 110 Figura 4.5 Tabla periódica moderna de los elementos químicos. Grupo Editorial Patria® 111 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica p s 1s 2s 2p d 3s3p 4s3d 4p 5s4d5p 6s4f 5d 6p 7s5f 6d 7p f 4f 5f Figura 4.6 Tabla periódica de los elementos representativos y de transición. área s área p s1 s2 p1 p2 p3 p4 p5 p6 área d d1 d2 d3 f1 Figura 4.7 Áreas o bloques de la tabla periódica moderna. 112 d4 f2 d5 f3 d6 f4 s2 d7 f5 d8 f6 d9 f7 d 10 f8 área f f9 f 10 f 11 f 12 f 13 f 14 Grupo Editorial Patria® Figura 4.8 Tabla periódica moderna. Los números atómicos de los elementos por descubrir están encerrados entre paréntesis. La configuración de las familias se representa, en forma general: Familia Configuración externa De acuerdo con el modelo de Bohr, los elementos son de tres tipos principales: n (1) ns 1 n IIA (2) ns 2 n IIIA (13) ns 2 np 1 IA 2 2 IVA (14) ns np VA (15) ns 2 np 3 VIA (16) ns 2 np 4 VIIA (17) ns 2 np 5 VIII o 0 (18) ns 2 np 6 Elementos representativos, en los que se llenan las subcapas s y p. Elementos de transición con electrones en las subcapas d. Lantánidos y actínidos que poseen electrones en las subcapas f. Este criterio da lugar al diagrama de bloques en el que se muestran los orbitales que se llenan en una forma simplificada. Lo más importante de cualquier instrumento científico es la utilidad que proporcione; así, en el caso de la tabla periódica, lo más importante es saberla utilizar. Por ejemplo, en el sodio Z = 11, Na = Ne 3s1, nos indica que está colocado en el periodo 3, grupo IA. El potasio tendrá su configuración externa en 4s1, porque está colocado abajo del sodio. Este mismo procedimiento puede utilizarse para los grupos IIIA hasta el VIIIA, que varían desde p1 hasta p6. 113 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica Para los grupos desde el iiiB (3) hasta el iiB (12), las terminaciones van desde d1 hasta el d10, precedidas por un coeficiente que es uno menos que el número del periodo. Hay que recordar que para los elementos de transición, el subnivel d siempre está precedido por un subnivel s, cuyo número cuántico principal es mayor por uno. Para los lantánidos, las terminaciones van desde f 1 hasta f 14, precedidas por un coeficiente que es dos menos que el número del periodo. Actividad de aprendizaje ( ) Los elementos de una familia tienen propiedades químicas semejantes, y generalmente el número del grupo nos da a conocer el número de electrones que el elemento posee en su último nivel; éstos se conocen con el nombre de: a) isótopos c) periodo químico ( ) Los elementos del grupo IA se caracterizan por tener en su último nivel: a) 7 electrones c) 2 electrones ( b) 1 electrón d) 8 electrones ) La siguiente configuración electrónica: 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p4, corresponde a un elemento que pertenece al grupo y periodo: a) IVA, 6 ( b) niveles de energía d) electrones de valencia b) IIA, 3 c) IIB, 8 d) VIA, 6 ) La tabla periódica en su forma actual ha sido dividida en: a) 4 regiones o bloques s, p, d, f b) 7 regiones o bloques J, K, L, M, N, O, P c) 3 regiones o bloques s, p, d d) 2 regiones o bloques s, p Grupo, periodo y bloque Hasta el año de 1990 se conocían 109 elementos; de éstos, cerca de 90 se encontraron en la naturaleza; el resto, incluidos aquéllos con número atómico mayor a 92, se han obtenido por medio de reacciones nucleares. grupos A y ocho B. El subgrupo viii B está formado por tríadas de elementos que se caracterizan por poseer propiedades muy parecidas y pesos atómicos muy próximos. Sin embargo, existen otras presentaciones actuales en las que las clasificaciones A y B desaparecen, y a los grupos se les asigna un número secuencial del 1 al 18. Las familias que pertenecen a la letra A, junto con el 0, se les conoce como elementos representativos, o sea el 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 y 18 en esta última consideración. Los elementos colocados bajo la letra B, en el centro de la tabla, se llaman de transición y corresponden al 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 y 12. Las dos filas que se encuentran en la parte inferior de la tabla se denominan elementos de transición interna, y cada serie horizontal recibe el nombre del elemento al que sigue en el cuerpo principal de la tabla. Los catorce elementos del sexto periodo (Ce, Z = 58 al Lu, Z = 71) se les llama lantánidos, por el nombre del primer elemento de la serie, el lantano (La, Z = 57). Los elementos del séptimo periodo (del 90 al 103) se denominan actínidos porque siguen al actinio (Ac, Z = 89). Al grupo IA, del litio en adelante, se le llama de los metales alcalinos. Al IIA se le denomina de los metales alcalinotérreos. A la derecha de la tabla se encuentra el grupo viiA; los elementos pertenecientes a éste se les denomina halógenos (formadores de sales). El llamado grupo 0, ahora 18, es el que comprende a los gases nobles, que en un tiempo se les consideró gases inertes, característica que dejó de atribuírseles cuando, en 1962, el químico anglocanadiense N. Bartlett, asombró al mundo de la Química al lograr que reaccionara el xenón (Xe) y formara el flúor platinato de xenón, primer compuesto de un gas inerte. A la familia viA se le llama de los calcógenos. Los grupos iiiA, ivA y vA no tienen nombres especiales, por lo que a veces se les asigna por los elementos que inician la serie, así tenemos: n Grupo iiiA = familia del boro-aluminio Grupo ivA = familia del carbono n Grupo vA = familia del nitrógeno En el sistema periódico los elementos están distribuidos en series horizontales llamadas periodos, y en columnas llamadas grupos. A medida que se avanza a lo largo de un periodo, las propiedades de los elementos varían de una manera regular. La palabra periodo, en griego, significa camino circular, después de recorrerlo se regresa al punto de partida. Un fenómeno es periódico cuando reaparece a intervalos definidos de tiempo o de espacio. La tabla consta de siete periodos. Se ha presentado una controversia a raíz de que las tablas periódicas difieren en la designación de las familias por las letras A y B. A través de la historia, estas letras se han utilizado en forma opuesta para designar a las columnas. En América se usa la A para designar a los elementos representativos y la letra B para los elementos de transición. En Europa se utiliza la letra B para señalar a los elementos representativos, y los de transición se agrupan con la letra A. A los grupos se les ha conocido tradicionalmente como familias debido a la similitud en las propiedades químicas que presentan los integrantes de cada una de ellas. Una de las formas más conocida es aquella en la que los grupos se dividen en A y B; existen ocho Para eliminar esta confusión, en noviembre de 1983 y posteriormente en 1987, el Comité de Nomenclatura de la American Chemical Society (ACS) aprobó el formato final que aparece a continuación: 114 n 1 Grupo Editorial Patria® 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 H 18 He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg TL Pb Bi Po At Rn Fr Ra Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo La Ce Pn Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Figura 4.9 Formato de la tabla periódica recomendado por la American Chemical Society (acs). Figura 4.10 Sistema periódico por bloques. 115 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica Figura 4.11 Tabla periódica larga con las dos denominaciones para los grupos: con las letras A y B; con la numeración del 1 al 18. Actividad de aprendizaje Escribe en el paréntesis de la izquierda la letra correspondiente a la respuesta correcta. ( ) Los elementos que pertenecen a la misma familia de la tabla periódica presentan el mismo número de: a) electrones b) niveles ocupados por los electrones c) electrones en el último nivel d) protones ( b) electrones en el último nivel d) niveles ) El número de elementos que forman el periodo seis de la clasificación periódica es: a) 8 116 Elemento Símbolo ) Los elementos que forman una familia tienen propiedades semejantes porque presentan el mismo número de: a) electrones c) atómico ( Completa el siguiente cuadro con los datos que se te piden, utilizando la tabla periódica de los elementos. b) 18 c) 10 d) 32 Nitrógeno Titanio Potasio Plata Plomo Selenio Masa atómica (aproximada) Masa de un mol o masa molar Número de moles Grupo Editorial Patria® Analiza la tabla de Mendeléiev y contesta lo que se te pide. Grupos 1a 1b 2a 2b 3a 3b 4a 4b 5a 5b 6a 6b 7a 7b 8a Periodo 1 H Periodo 2 Li Be B C N O F XXX Periodo 3 Na Mg Al Si P S Cl XXX Periodo 4 K Periodo 4 Periodo 5 Periodo 6 Periodo 6 Periodo 7 XXX Al Ca Cu Rb Periodo 5 8b XXX Zn XXX Sr Ag Cs XXX Ba V As Zr Sn XXX Hg XXX XXX XXX Cd Au Ti Cr Se Nb Sb Hf Mn Br Mo Te Ta Pb Bi XXX XXX Th XXX XXX XXX XXX I W Tl Fe XXX Re XXX XXX ¿En qué grupo se localizan los elementos de la familia del nitrógeno? ¿En qué periodo se localiza el hierro? Escribe los nombres de los elementos del periodo 2: Los casilleros sombreados (XXX) Mendeléiev los dejó vacíos porque no se conocían en su época. Investiga cuáles elementos son y anota su nombre y símbolo: ¿Cuál es la importancia de la tabla de Mendeléiev? 117 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica 4.2 Propiedades periódicas y su variación en la tabla periódica Una vez determinado el número atómico de la mayoría de los elementos, el siguiente paso fue buscar las correlaciones entre las tendencias de las propiedades observadas y las estructuras electrónicas. El estudio de estas relaciones es un aspecto muy interesante de la Química. Como ya se ha mencionado en párrafos anteriores las propiedades físicas y químicas de los elementos son una manifestación de la ley periódica. Propiedades físicas como: aspecto metálico, conductividad térmica, conductividad eléctrica, volumen atómico, densidad, punto de fusión, punto de ebullición y dureza, entre otras, y químicas como las relaciones estequiométricas en los óxidos (compuestos con oxígeno), hidruros (compuestos con hidrógeno) y de los cloruros (compuestos con cloro) muestran variaciones periódicas. A continuación se describen brevemente algunas de las propiedades periódicas de los elementos. Figura 4.12 Tabla periódica de electronegatividades. 118 Electronegatividad La electronegatividad de un elemento es la tendencia de un átomo para atraer electrones hacia él, cuando está combinado químicamente con otro elemento. En otras palabras: es una medida relativa del poder para atraer electrones de un átomo que forma parte de un enlace químico. Las electronegatividades han sido calculadas para cada elemento y se expresan en unidades arbitrarias, tomando como base la escala de electronegatividades de Pauling (en honor de Linus C. Pauling, quien la estableció). Esta escala se basa en un cierto número de factores, incluyendo la afinidad electrónica y el potencial de ionización de los átomos. Las electronegatividades dispuestas en la forma de la tabla periódica se muestran en la figura 4.12. En un grupo la electronegatividad aumenta de abajo hacia arriba, y en un periodo, aumenta de izquierda a derecha. Así, el elemento más electronegativo es el flúor (4.0), le sigue el oxígeno (3.5), luego el cloro (3.0), etc. El elemento más electropositivo es el francio, con 0.7 pauling. Con la propiedad de electronegatividad, se puede saber si un átomo cede o gana electrones a otro átomo. El átomo del elemento más electronegativo gana electrones. Así, todos los elementos de la tabla periódica ceden electrones al oxígeno, excepto el flúor, ya que el oxígeno cede electrones al flúor. Entre el cloro y la plata, el primero gana electrones y queda con carga negativa. Pero entre el cloro y el oxígeno, el cloro pierde electrones y queda con carga positiva. Como se verá en el bloque siguiente, los valores de electronegatividad nos permiten predecir el tipo de enlace químico que puede existir entre los átomos de un compuesto. Potencial o energía de ionización (P I) Es la energía necesaria para arrancar un electrón de un átomo aislado en estado gaseoso. El P I aumenta de abajo hacia arriba en un grupo y de izquierda a derecha en un periodo. Los metales alcalinos son los de menor P I, y los gases nobles los de mayor P I. Este P I se mide en electrón-volts o en kcal por mol. Algunos átomos tienden a perder electrones y convertirse en iones positivos, mientras que otros al ganar electrones se convierten en iones negativos. Ejemplos: Grupo Editorial Patria® Na0 Na11 11e2 P I = 5.16 eV 0 12 e2 P I = 22.7 eV e2 P I = 21.5 eV e2 P I = 53.2 eV Mg Ne Al 0 0 Mg 11 Ne 13 Al 12 11 13 Al observar las primeras energías de ionización de los primeros 95 elementos se encuentra que, como otras propiedades de los elementos, son periódicas. La energía de ionización tiende a aumentar según se incrementa el número atómico horizontalmente, en cada fila o periodo. En cada columna o grupo, hay una disminución gradual en la energía de ionización según aumenta el número atómico; por ejemplo, la disminución gradual en la energía de ionización en los metales alcalinos, desde el litio hasta el cesio. Se observa la misma tendencia en los gases nobles, desde el helio hasta el radón. Si observamos la tabla anterior, la energía de ionización disminuye, según se baja a través de una columna en la tabla periódica. Por ejemplo, el litio, sodio, potasio. El aumento en la distancia de los electrones exteriores al núcleo y el efecto de pantalla de los electrones internos, tienden a disminuir la energía de ionización. Aunque aparentemente con el aumento de la carga nuclear de un elemento Figura 4.13 Tabla periódica de las primeras energías de ionización. 119 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica (a) Afinidad electrónica (A E) La afinidad electrónica se define como el cambio de energía que acompaña a la adición de un electrón a un átomo gaseoso. Los halógenos (grupo 17) tienen las más altas afinidades electrónicas, dado que al agregarle un electrón a un átomo neutro da lugar a la formación de un nivel externo lleno en los subniveles s y p. En otras palabras, la afinidad electrónica (A E) se define como la energía liberada cuando un átomo gaseoso recibe un electrón, para formar un ion negativo gaseoso. X0(g) 1 2e– (b) X(g)–2 En general es mayor para los no metales. La facilidad con que los elementos captan electrones es una consecuencia de la configuración electrónica, que es mucho mayor para los elementos situados cerca de los gases nobles. Los metales tienen una baja afinidad electrónica; los no metales poseen una alta afinidad electrónica. Los mismos factores que afectan la energía de ionización, también afectarán la afinidad electrónica. En general, a mayor afinidad electrónica, se puede esperar un aumento en la energía de ionización. Los metales poseen una baja afinidad electrónica. Los no metales tienen afinidades electrónicas altas. Figura 4.14 Gráfica (a) que muestra la primera energía de ionización como una función del número atómico. En la gráfica (b) se observa la relativa facilidad con que los elementos alcalinos (grupo 1) se ionizan y la dificultad de los gases nobles (grupo 18) para ionizarse. con un número atómico mayor tendería a incrementarse la energía de ionización, la tendencia a disminuir es mayor. Entre los principales factores que afectan la energía de ionización se tienen: n n n n La carga nuclear: A mayor carga nuclear, mayor energía de ionización. Los lantánidos y actínidos también llamados tierras raras, no tienen más que una sola posición o un solo lugar, por lo que deben colocarse fuera de la tabla; las propiedades físicas y químicas de todos ellos son prácticamente iguales. El efecto de pantalla: Mientras mayor es el efecto de pantalla, menor es la energía de ionización. El radio: Mientras mayor es la distancia entre el núcleo y los electrones externos del átomo, menor es la energía de ionización. El subnivel: Un electrón en un subnivel que está lleno o a medio llenar, requiere energía adicional para ser removido. La segunda y tercera energías de ionización de los elementos aumentan sustancialmente y habiéndose removido el primer o más lejano electrón, la carga nuclear llega a ser más efectiva, ya que la pantalla de electrones disminuye y, como resultado, los electrones restantes son atraídos con más fuerza hacia el núcleo. 120 A pesar de no ser tan regulares como las energías de ionización, las afinidades electrónicas demuestran tendencias periódicas. Por ejemplo, al observar la columna que está encabezada por el hidrógeno, la tendencia general es una disminución en la ganancia de electrones. Observando el periodo que comienza con el litio. La tendencia general es que, mientras avanzamos de izquierda a derecha, hay una mayor atracción hacia los electrones. El aumento en la carga nuclear en cada elemento sucesivo explica esta tendencia. Figura 4.15 Afinidad electrónica como una función del número atómico. Grupo Editorial Patria® Radio atómico El radio atómico se define como la distancia comprendida entre el centro del núcleo y el nivel externo de un átomo. Generalmente aumenta con el número atómico del grupo, ya que al aumentar un nivel de energía la distancia entre el centro del núcleo el nivel también se incrementa. En un periodo el radio atómico disminuye de izquierda a derecha, debido a la contracción de la nube electrónica al ser atraída por el núcleo. El radio atómico se expresa en angstroms (Å). Cuando un elemento metálico pierde electrones, su radio se ve disminuido, y cuando un elemento no metálico gana electrones su radio se ve incrementado. Ejemplos: r Na 5 1.54 Å pero r Na15 1.0 Å r Cl 5 0.9 Å pero r Cl25 1.9 Å Figura 4.16 Gráfica que muestra el radio de los elementos como función del número atómico. 1 Å 5 1 3 10210 m VIII 0.31 0.32 Tabla periódica de los radios atómicos H 1 He 2 I II 1.23 0.89 Li Be 3 4 1.54 1.36 Na Mg Al Si P 11 12 13 14 15 2.03 1.74 1.44 Tabla periódica con los radios atómicos de los elementos, en unidades angstrom. 1.32 1.22 1.19 1.17 1.17 1.16 III IV V VI VII 0.82 0.77 0.75 0.73 0.72 0.71 B C N O F Ne 4 6 7 8 9 10 1.18 1.11 1.06 1.02 0.99 0.38 S Cl Ar 16 17 18 1.15 1.17 1.25 1.26 1.22 1.20 1.17 1.14 1.12 Kr K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 2.16 1.91 1.62 1.45 1.34 1.30 1.27 1.25 1.25 1.28 1.34 1.48 1.44 1.40 1.40 1.36 1.33 1.31 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 2.35 1.98 1.56 1.44 1.34 1.30 1.28 1.26 1.27 1.30 1.34 1.49 1.48 1.48 1.47 1.46 1.40 Cs Ba Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 55 56 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 104 105 106 107 108 109 1.69 1.65 1.64 1.64 1.63 1.62 1.85 1.62 1.61 1.60 1.58 1.58 1.58 1.70 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 2.0 1.65 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 2.20 Fr Ra Lr 87 88 103 1.42 Figura 4.17 Tabla periódica de los radios atómicos. 121 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica Radio iónico En general, cuando los átomos se unen para formar moléculas o compuestos, sus estructuras resultan más estables. El potasio al ceder un electrón queda cargado +1, por lo cual disminuye su radio atómico de 0.227 a 0.113 nanómetros. En cambio el azufre al ganar dos electrones aumenta su radio de 0.104 a 0.184 nanómetros. El átomo de cloro ha ganado un electrón. Los 17 protones que se encuentran en su núcleo están atrayendo ahora 18 electrones. El ion cloro, por tanto, tiene una carga de −1. Además, el ion cloro es más grande que el átomo de cloro. El ion es estable porque tiene una configuración en los niveles exteriores como la del gas noble argón. En resumen: el ion de sodio es más pequeño que el átomo de sodio. El ion cloro es más grande que el átomo de cloro. Al generalizar esta propiedad: los átomos metálicos pierden electrones para formar iones más pequeños; los átomos no metálicos ganan electrones para formar átomos más grandes. Volumen atómico La variación periódica del tamaño de los átomos la observó Lothar Meyer, quien determinó el volumen atómico o volumen molar como el cociente que resulta entre la masa de un mol de elemento y su densidad. Volumen atómico 5 Peso atómico Densidad Observa que el valor del volumen molar está relacionado con el volumen del átomo pero no se corresponde exactamente con éste ya que, entre otros factores, la densidad del elemento está determinada por su estructura cristalina (incluidos los huecos entre átomos). Los diferentes elementos, al tener sus electrones en diferentes niveles, presentan volúmenes atómicos variables, pero también influye la carga nuclear: al aumentar el número de protones del núcleo, la atracción sobre los electrones se hace mayor y el volumen tiende a disminuir. En un mismo periodo se observa una disminución desde los elementos situados a la izquierda del periodo, hacia los centrales, para volver a aumentar el volumen progresivamente a medida que nos acercamos a los elementos situados a la derecha del periodo. En un mismo grupo, el volumen atómico se incrementa al aumentar el número atómico, ya que al descender en el grupo los elementos tienen más capas. En general, cuando los elementos tienen volúmenes atómicos pequeños, los electrones del nivel más externo están fuertemente atraídos por el núcleo y, por tanto, son cedidos con gran dificultad. Por el contrario, los elementos de volúmenes atómicos elevados ceden sus electrones de valencia fácilmente, ya que la atracción nuclear es menor debido tanto a la mayor distancia como al efecto de apantallamiento de los electrones internos. Figura 4.18 Tabla periódica larga con dos denominaciones para los grupos: con las letras A y B; con la numeración del 1 al 18. 122 Grupo Editorial Patria® Para tu reflexión Los fulerenos o futbolenos Figura 4.19 Periodicidad de los volúmenes atómicos por Lothar Meyer (volumen atómico vs. peso atómico). El concepto de periodicidad se debe, en gran parte y como ya se mencionó, a L. Meyer quien propuso una clasificación periódica basada en propiedades físicas medibles de los elementos. En 1864 demostró que cuando diferentes propiedades, como: volumen atómico, punto de fusión y punto de ebullición se representaban en gráficas en función del peso atómico se obtenían curvas que hacían patente la periodicidad. Este investigador (ganador en 1882 de la medalla Davy, junto con Mendeléiev) demostró que el comportamiento del volumen atómico es periódico, se desarrolla mediante ciclos (periodos), descendiendo de una cresta a un valle y así sucesivamente. En la gráfica siguiente se hace manifiesto este comportamiento en forma de crestas y valles, además de apreciarse que en los puntos máximos de las curvas se encuentran los metales alcalinos. Actualmente la relación se establece entre el volumen molar (volumen ocupado por un mol de átomos de una muestra en estado sólido o líquido) y el número atómico del elemento; de tal relación se obtiene una curva muy semejante a la que considera el peso atómico, como se puede apreciar en la siguiente figura. Los fulerenos son una familia de moléculas descubierta en 1985, de manera accidental, por los investigadores Harold W. Kroto, de la Universidad de Sussex, Inglaterra, y Richard E. Smalley y Robert F. Curl, de la Universidad de Rice, en Houston, EU, mientras realizaban trabajos de astrofísica, buscando moléculas de carbono desconocidas. El carbono 60 (C60) tiene una estructura ordenada debido a sus 60 átomos de carbono, muy parecida a la de un balón de futbol (por eso algunos también los llaman “futbolenos”), con 12 pentágonos y 20 hexágonos unidos, en cuyos vértices se encuentra cada átomo. Esta nueva familia de moléculas recibe su nombre en honor del arquitecto estadounidense R. Buckminster Fuller, quien construyó domos geodésicos de estructura similar a los fulerenos o futbolenos. Estas moléculas podrían ser el origen de una nueva gama de materiales y compuestos orgánicos, cuyas aplicaciones tendrían un impacto similar al que tuvo en el siglo pasado el benceno (C6H6), que ha sido base de materiales indispensables en la vida de la sociedad actual. Figura 4.21 El carbono-60, tiene forma de balón de futbol. 4.3 Utilidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país y el mundo Metales, no metales y semimetales Figura 4.20 Periodicidad de los volúmenes atómicos (volumen atómico vs. número atómico). Se distinguen dos regiones de elementos, los metálicos a la izquierda de la tabla, y cuyo comportamiento es el de perder electrones convirtiéndose en cationes; la otra región está a la derecha y corresponde a los no metales, cuyo comportamiento es el de ganar electrones convirtiéndose en aniones. 123 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica El carácter metálico en la tabla aumenta de arriba hacia abajo en un grupo y de derecha a izquierda en un periodo. El carácter no metálico aumenta de abajo hacia arriba en un grupo y de izquierda a derecha en un periodo. Así, el elemento más metálico es el francio (Fr) y el elemento más no metálico es el flúor (F). Aproximadamente 78% de los elementos son metales, 10% son no metales, 5.5% son gases nobles y el resto son metaloides. Metaloides o semimetales Son los elementos que se encuentran en la región fronteriza entre metales y no metales. Su comportamiento en unos casos corresponde al de un metal además de su aspecto, y en otros casos se parece al de un no metal: Al, Si, Ge, As, Sb, Te, At. Algunos autores opinan que el término metaloide está mal empleado para estos elementos, y que el más apropiado sería “semimetales”. Propiedades generales de los metales Poseen bajo potencial de ionización y alto peso específico. Por regla general, en su último nivel de energía tienen de uno a tres electrones. Son sólidos a excepción del mercurio (Hg), galio (Ga), cesio (Cs) y francio (Fr) que son líquidos. Presentan aspecto y brillo metálicos. Son buenos conductores del calor y la electricidad. Son dúctiles y maleables, algunos son tenaces, otros blandos. Se oxidan con pérdida de electrones. Su molécula está formada por un solo átomo, su estructura cristalina al unirse con el oxígeno forma óxidos y éstos al reaccionar con agua forman hidróxidos. Los elementos alcalinos son los más activos. Propiedades generales de los no metales Tienen tendencia a ganar electrones. Poseen alto potencial de ionización y bajo peso específico. Por regla general, en su último nivel de energía tienen de cuatro a siete electrones. Se presentan en los tres estados físicos de agregación. No poseen aspecto ni brillo metálico. Son malos conductores del calor y la electricidad. No son dúctiles, maleables o tenaces. Se reducen por ganancia de electrones. Su molécula está formada por dos o más átomos. Al unirse con el oxígeno forman anhídridos y éstos al reaccionar con el agua forman oxiácidos. Los halógenos y el oxígeno son los más activos. Varios no metales presentan alotropía. Alotropía La existencia de un elemento en dos o más formas en el mismo estado físico de agregación, se conoce como alotropía. Las formas diferentes de estos elementos se llaman alótropos. La alotropía se debe a alguna de las dos razones siguientes: a) El elemento tiene dos o más clases de moléculas, cada una de las cuales contiene distinto número de átomos que existen en la misma fase o estado físico de agregación. b) El elemento forma dos o más arreglos de átomos o moléculas en un cristal. Este fenómeno se presenta sólo en los no metales. Por ejemplo: ElementoAlótropos Carbono C Diamante (cristal duro) y grafito (sólido amorfo) Azufre S Monoclínico, rómbico, triclínico, plástico (todos sólidos) Fósforo P Blanco (venenoso y brillante), rojo (no venenoso y opaco), ambos son sólidos Oxígeno O Diatómico (O2) y ozono (O3) ambos son gases Selenio Se Metálico gris y monoclínico rojo (sólidos) Silicio Si Sílice, cuarzo, pedernal, ópalo (sólidos) Actividad de aprendizaje ( Figura 4.22 Resumen de la variación de la periodicidad de las propiedades de los elementos en la tabla periódica. Estas propiedades incluyen la electronegatividad, energía de ionización, afinidad electrónica, radio y volumen atómico. 124 ) Son elementos no metálicos: a) Sn, Pb y Br b) S, As y Br c) Li, Cs y Cu d) Ca, Na y F Grupo Editorial Patria® Elementos representativos y de transición Grupo III (13), familia del boro Se llaman elementos representativos de la valencia y carácter. Los elementos de los subgrupos A tienen orbitales s o p para su electrón diferencial o electrones de valencia. Los elementos con electrones de valencia en orbitales d se llaman elementos de transición y corresponden a los subgrupos B. Dentro de estos elementos están los lantánidos y actínidos que se llaman elementos de transición interna, pues sus electrones ocupan orbitales f. El boro es menos metálico que los demás. El aluminio es anfótero. El galio, el indio y el talio son raros y existen en cantidades mínimas. El boro tiene una gran importancia que requiere de un estudio especial. Grupo IV (14), familia del carbono (n 5 1) 2 elementos s2 El estudio de los compuestos del carbono corresponde a la Química orgánica. El carbono elemental existe como diamante y grafito. El silicio comienza a ser estudiado ampliamente por su parecido con el carbono. Los elementos restantes tienen más propiedades metálicas. En el segundo periodo (n 5 2) 8 elementos s2p6 Grupo V (15), familia del nitrógeno En el cuarto periodo (n 5 4) 18 elementos s2p6d10 En el sexto periodo (n 5 6) 32 elementos s2p6d 10f 14 Se considera a este grupo como el más heterogéneo de la tabla periódica. El nitrógeno está presente en compuestos como proteínas, fertilizantes y explosivos y es constituyente del aire. Como se puede ver, se trata de un elemento tanto benéfico como perjudicial. El fósforo tiene ya una química especial de estudio, sus compuestos son generalmente tóxicos. El arsénico es un metaloide venenoso. El antimonio tiene gran parecido con el aluminio, sus aplicaciones son más similares a las de un metal. Número de elementos por periodo En el primer periodo El séptimo periodo está incompleto y tiene 21 elementos. Nombres de las familias o grupos representativos 1 Grupo I Metales alcalinos (de álcali, cenizas) 2 Grupo II Metales alcalinotérreos (de cenizas en la tierra) 13 Grupo III Familia del boro 14 Grupo IV Familia del carbono 15 Grupo V Familia del nitrógeno 16 Grupo VI Familia del oxígeno o calcógenos 17 Grupo VII Halógenos (formadores de sal) 18 Grupo 0 Gases nobles, raros o inertes (sin actividad) Grupo VI (16), calcógenos Los cinco primeros elementos son no metálicos, el último, polonio, es radiactivo. El oxígeno es un gas incoloro constituyente del aire, el agua y la tierra. El azufre es un sólido amarillo y sus compuestos por lo general son tóxicos o corrosivos. La química del telurio y el selenio es compleja. Grupo VII (17), halógenos El helio se encuentra en el aire; el neón y el kriptón se utilizan en iluminación por los brillantes colores que emiten al ser excitados; el radón es radiactivo. Grupo I (1), metales alcalinos Con excepción del hidrógeno, todos son blancos, brillantes, muy activos y se les encuentra combinados en forma de compuestos. Se les debe guardar en atmósfera inerte o bajo aceite. Los de mayor importancia son el sodio y el potasio. Sus sales se emplean industrialmente en gran escala. Grupo II (2), metales alcalinotérreos Estos elementos son muy activos, aunque no tanto como los del grupo I. Son blancos y brillantes y buenos conductores del calor y la electricidad. Sus compuestos son generalmente insolubles como los sulfatos, los carbonatos, los silicatos y los fosfatos. El radio es un elemento radiactivo. Los formadores de sales se encuentran combinados en la naturaleza por su gran actividad. Estos elementos forman sales con los de los grupos I y II y se encuentran en los mares. Las propiedades de los halógenos son muy semejantes. La mayoría de sus derivados son tóxicos, irritantes, activos y tienen gran aplicación tanto en la industria como en el laboratorio. El astatinio o astato difiere un poco del resto del grupo. Elementos de transición (son aquellos que tienen electrones en las subcapas d): Estos elementos no son tan activos como los representativos, todos son metales y por tanto son dúctiles, maleables, tenaces con altos puntos de fusión y ebullición, conductores del calor y la electricidad. Poseen orbitales semillenos y debido a esto presentan variabilidad en su estado de oxidación. Según su estado de oxidación, sus compuestos son coloridos. También presentan fenómenos de ferromagnetismo, diamagnetismo y paramagnetismo; ejemplos de elementos ferromagnéticos son el Fe, Co, Ni (son fuertemente atraídos por un imán); elemen125 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica tos paramagnéticos: Sc, Ti, Cr (débilmente atraídos por campos magnéticos); elementos diamagnéticos: Cu, Zn, Ag, Au (no son atraídos por campos magnéticos). IMÁN Esto se debe al diferente momentum de espín de los electrones d desapareados. Vidrio Madera Una propiedad importante y característica de estos elementos es la de ser catalizadores, ya sea como elementos o en sus compuestos. Un catalizador acelera una reacción química sin sufrir cambios, por ejemplo: En reacciones de alquilación se usa... En reacciones de hidrogenación... Fe En producción de SO3, para el ácido sulfúrico... MnO2 V2O5 Los lantánidos y los actínidos (llamados tierras raras) tienen propiedades semejantes; se emplean también como catalizadores y sus compuestos son coloridos, como el sulfato de cerio, que es amarillo. Actividad de aprendizaje ) Son sumamente reactivos, forman casi siempre iones +2 y a temperaturas elevadas reaccionan a una gran velocidad: ( b) metales alcalinos d) metales alcalinotérreos ) Reaccionan con casi todos los metales para formar sales haloideas, son sumamente tóxicos, corrosivos y reactivos y, por tanto, muy peligrosos en su manejo: a) halógenos c) metales alcalinotérreos Cobre Fierro Pt, Pd, Ni, Rh En descomposición del clorato de potasio... a) halógenos c) gases nobles Aluminio FeCl3 En halogenaciones orgánicas... ( Papel Plástico b) metales alcalinos d) gases nobles Procedimiento Pega el imán en un lugar alto. 1. Amarra un extremo del hilo al clip y acerca éste al imán hasta casi tocarlo. 2. Sujeta la otra orilla del hilo a una mesa con una cinta adhesiva. El arreglo debe quedar de tal forma que haya un espacio libre entre el clip y el imán. Entonces parecerá que el clip flota. 3. Ahora ve pasando por el espacio entre el clip y el imán diferentes materiales: papel, vidrio, plástico, madera, aluminio, cobre y, por último, fierro. ¿Qué pasará con el clip cuando se pase cada uno de estos materiales? Materiales de vidrio ¿Son atraídos? ¿Por qué? Materiales de papel ¿Son atraídos? ¿Por qué? Materiales de madera Actividad experimental ¿Son atraídos? ¿Por qué? El clip volador Materiales de tela Propósito ¿Son atraídos? Observar mediante la experimentación qué tipo de sustancias son atraídas por un imán. ¿Por qué? Material ¿Son atraídos? Materiales de metal n Un clip ¿Por qué? n Un hilo Conclusiones: n Un imán de barra n Diferentes materiales de vidrio, papel, metal, madera, etcétera. 126 118 Grupo Editorial Patria® Algunos elementos o compuestos que causan contaminación Nombre y símbolo Consecuencias Antimonio (Sb) El antimonio se emplea en aleaciones, metales de imprenta, baterías, cerámica y textiles; su ingestión produce envenenamiento igual que la inhalación de sus vapores, y principalmente el gas llamado estibina (SbH3). Arsénico (As) Se emplea en la elaboración de medicamentos, vidrio y pinturas, también se usa en venenos para hormigas y en insecticidas. Es uno de los elementos más venenosos que hay, así como todos sus compuestos, sin excepción. Azufre (S) Sus óxidos SO2 y SO3 contaminan el aire y al combinarse con agua producen la lluvia ácida. Sustancias como los derivados clorados de azufre, sulfatos y ácidos, son corrosivas. El gas H2S (ácido sulfhídrico) es sumamente tóxico y contamina el aire. El azufre se emplea en algunos medicamentos para la piel. Bromo (Br) Sus vapores contaminan el aire; además, los compuestos que de él se derivan son lacrimógenos y venenosos. Cadmio (Cd) Metal tóxico que se origina en la refinación del cinc; también proviene de operaciones de electrodeposición, y por tanto, contamina agua y aire. Algunos fertilizantes lo contienen y contamina el suelo. Cloro (Cl) Plomo (Pb) Sus vapores contaminan el aire y son corrosivos. Se le emplea en forma de cloratos para blanquear la ropa, para lavados bucales y en cerillos. Los cloratos son solubles en agua y la contaminan; además forman mezclas explosivas con compuestos orgánicos. Los vapores de compuestos orgánicos clorados como insecticidas, anestésicos y disolventes, dañan el hígado y el cerebro del ser humano. Algunos medicamentos que contienen cloro afectan el sistema nervioso. Cromo (Cr) El cromo y sus compuestos son perjudiciales para el organismo, pues destruyen todas las células. Se emplea en síntesis orgánicas y en la industria del acero. Los cromatos solubles contaminan el agua. Fósforo (P) El fósforo blanco o amarillo es muy venenoso. El fósforo rojo no lo es, pero se encuentra contaminado por el blanco. El fósforo se emplea en síntesis, pinturas, fertilizantes, plaguicidas, ocasionando contaminación del aire, suelo y agua. El gas PH3 (Fosfina) es muy venenoso y los vapores de compuestos orgánicos fosforados contaminan el aire. Manganeso (Mn) Se emplea en la manufactura del acero y de pilas secas. La inhalación de polvos y humos que contienen manganeso causa envenenamiento. También contamina el agua y atrofia el cerebro. Mercurio (Hg) Es un metal de gran utilidad por ser líquido; se utiliza en termómetros y por ser buen conductor eléctrico se emplea en aparatos de este tipo, así como en iluminación, pinturas, fungicidas, catalizadores, amalgamas dentales, plaguicidas, etc. No obstante, contamina el agua, el aire y causa envenenamiento. Las algas lo absorben, luego los peces y finalmente el ser humano. Los granos lo retienen y posteriormente el ser humano los ingiere. El plomo se acumula en el cuerpo de las personas conforme se inhala del aire o se ingiere con los alimentos y el agua. La mayor parte del plomo que contamina el aire proviene de las gasolinas para automóviles, pues se requiere con el fin de proporcionarle propiedades antidetonantes. También se emplea en pinturas, como metal de imprenta, soldaduras y acumuladores. Por la exposición de las personas al ingerirlo, el organismo de los seres humanos se ve afectado de saturnismo. Algunas de sus sales son venenosas, como el acetato. Se pueden mencionar otros elementos que de una forma u otra contaminan el agua, el aire y el suelo tales como: talio, cinc, selenio, óxidos de nitrógeno, berilio, cobalto, y sobre todo gran cantidad de compuestos que contienen carbono (orgánicos). Se recomienda investigar más sobre el tema y trabajar con todas las precauciones adecuadas al manejar derivados que contengan estos elementos. Elementos importantes para México por su abundancia o escasez Aluminio (Al) Metal ligero, resistente a la corrosión y al impacto, se puede laminar e hilar, por lo que se le emplea en construcción, en partes de vehículos, aviones y utensilios domésticos. Se le extrae de la bauxita, la cual contiene alúmina (Al2O3) por reducción electrolítica. México carece de bauxita, pero en Veracruz hay una planta industrial que produce lingotes de aluminio. Azufre (S) No metal sólido de color amarillo, que se encuentra en yacimientos volcánicos y aguas sulfuradas. Se emplea en la elaboración de fertilizantes, medicamentos, insecticidas, productos químicos y petroquímicos; se recupera de los gases amargos en los campos petrolíferos, como en Ciudad pemex, Tabasco. Cobalto (Co) Metal de color blanco que se emplea en la elaboración de aceros especiales debido a su alta resistencia al calor, la corrosión y la fricción. Se emplea en herramientas mecánicas de alta velocidad, imanes y motores. En forma de polvo se emplea como pigmento azul para el vidrio. Es catalizador. Su isótopo radiactivo se emplea en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (inin) México, porque produce radiaciones gamma. Se han encontrado minerales oxidados y sulfuros en Sonora, Jalisco, Michoacán, Puebla y Oaxaca. Cobre (Cu) Metal de color rojo que se carbonata en contacto con aire húmedo y se pone verde. Se conoce desde la antigüedad. Se emplea principalmente como conductor eléctrico, y también para hacer monedas y aleaciones como el latón y el bronce. Entre los distritos mineros que lo producen están: Sonora, Zacatecas, Chihuahua. Hierro (Fe) Metal dúctil, maleable, de color gris negruzco, conocido desde la antigüedad; se oxida al contacto con el aire húmedo. Se extrae de minerales como la hematita, limonita, pirita, magnetita y siderita. Se le emplea en la industria, el arte y la medicina. Se usa para fabricar acero, cemento y fundiciones de metales no ferrosos. La sangre lo contiene en la hemoglobina. En el país se le encuentra en unos 250 depósitos que están en: Baja California, Colima, Jalisco, Chihuahua, Durango, Guerrero y Michoacán. 127 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica Flúor (F) Este no metal está contenido en la fluorita, Ca3(PO4)2. Los huesos y los dientes contienen este elemento. Tiene aplicaciones en la elaboración de detergentes, plásticos, lacas, cerillos, explosivos, refinación del azúcar, industria textil, fotografía, fertilizantes, cerámica, pinturas, alimentos para ganado y aves. Los yacimientos mexicanos de roca fosfatada se localizan en Coahuila, Zacatecas, Nuevo León y Baja California. Plomo (Pb) Metal blando, de bajo punto de fusión, bajo límite elástico, resistente a la corrosión; se le obtiene del sulfuro llamado galena, PbS. Se usa en baterías o acumuladores, pigmentos de pinturas, linotipos, soldaduras, investigaciones atómicas. En nuestro país se produce en 17 estados, entre ellos, Chihuahua y Zacatecas. Otros productos que se obtienen o se pueden recuperar de los minerales que lo contienen son: cadmio, cobre, oro, plata, bismuto, arsénico, telurio y antimonio. Mercurio (Hg) Metal líquido a temperatura ambiente, de color blanco brillante, resistente a la corrosión y buen conductor eléctrico. Se emplea en la fabricación de instrumentos de precisión, baterías, termómetros, barómetros, amalgamas dentales, armas, para preparar cloro, sosa cáustica, medicamentos, insecticidas, fungicidas y bactericidas. Los yacimientos de mercurio de la república se encuentran en más de 15 estados, entre los que destacan Querétaro, Zacatecas, Durango, San Luis Potosí y Guerrero. Se le obtiene principalmente del cinabrio, que contiene HgS. Oro (Au) Plata (Ag) Metal de color blanco, cuyo uso tradicional ha sido en la acuñación de monedas y la manufactura de vajillas y joyas. Se emplea en fotografía, aparatos eléctricos, aleaciones, soldaduras. Entre los estados productores están: Guanajuato, San Luis Potosí, Zacatecas e Hidalgo. La producción de plata de México se obtiene como subproducto del beneficio de los sulfuros de plomo, cobre y cinc que la contienen. Recientemente se ha sustituido su uso en monedas por una aleación de cobre-níquel. Metal de color amarillo, inalterable, dúctil, brillante, sus propiedades y su rareza lo hacen excepcional y de gran valor. Es el patrón monetario internacional. En la naturaleza se encuentra asociado al platino, a la plata y al telurio en algunos casos. Sus aleaciones se emplean en joyería y ornamentos, piezas dentales, equipos científicos de laboratorio. Recientemente se ha sustituido su uso en joyería por el iridio y el rutenio, y en piezas dentales por platino y paladio. Los yacimientos en el país son escasos, pero los hay en Chiapas, Chihuahua, Durango, Guanajuato, Guerrero, Hidalgo, Oaxaca, Michoacán, San Luis Potosí y Zacatecas. Uranio (U) Utilizado como combustible nuclear, es un elemento raro en la naturaleza y nunca se presenta en estado libre. Lo contienen 150 minerales. El torio se encuentra asociado al uranio. En México este mineral está regido por la ley promulgada en 1949, que declara como “reservas mineras nacionales” los yacimientos de uranio, torio y demás sustancias de las cuales se puedan obtener isótopos para producir energía nuclear. En el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (inin), Estado de México, se realizan trabajos con este tipo de materiales. Vitaminas y minerales más importantes para el hombre Nutrimento Sirve para Se obtiene de Vitamina A Fortalecer la vista, dientes, huesos, cabello y el sistema inmunitario. Productos lácteos, verduras verdes y amarillas, frutas amarillas y anaranjadas. Vitamina D Crecimiento de huesos y absorción de calcio. Aceite de hígado de bacalao, hígado y yema de huevo. Vitamina E Fabricar glóbulos rojos y tejido muscular. Prevenir la oxidación de ácidos grasos. Verduras verdes cocidas, granos enteros, mariscos y pescados, aves, huevos, semillas y nueces, germen de trigo. Vitamina K Coagulación de la sangre. Verduras de hoja verde, papas, vísceras, granos. Vitamina C Sistema inmunitario, cicatrización, formación de huesos, dientes y vasos sanguíneos. Cítricos, tomates, pimientos verdes, guayaba, mango, brócoli y otras frutas y verduras. Tiamina Metabolismo y funcionamiento nervioso. Pescados y mariscos, cerdo, cereales y panes enriquecidos. Riboflavina Vista y metabolismo. Productos lácteos, vísceras, verdura de hoja verde, carnes rojas, carne oscura de aves, cereales enriquecidos. Niacina Un adecuado funcionamiento nervioso. Aves, pescados y mariscos, semillas, nueces, cereales y panes enriquecidos. Vitamina B6 Producción de glóbulos rojos, metabolismo y funcionamiento nervioso. Pescado, aves, carnes, espinaca, plátano, cereales, papa, camote, nueces, ciruela. Ácido fólico Elaboración de adn y de glóbulos rojos. Hígado, cereales, frutas, leguminosas, verduras de hoja verde. Vitamina B12 Producción de material genético y de glóbulos rojos. Carnes, huevos, pescados y mariscos, leche y derivados. Calcio Formación de huesos y dientes; músculo cardiaco, funcionamiento nervioso. Leche y sus derivados, verdura de hoja verde, tofú, brócoli, salmón y sardina en lata (con espinas y espinaza). 128 Grupo Editorial Patria® Hierro Producción de mioglobina y hemoglobina. Hígado, carnes rojas, pescados, duraznos secos, leguminosas, frijol de soya, harina, uvas. Magnesio Producción de enzimas digestivas y adn. Frijoles, mariscos, cereales enriquecidos. Fósforo Crecimiento de dientes y huesos, funcionamiento nervioso y muscular. Aves, carnes, productos lácteos, yema de huevo, pescados, legumbres. Selenio Prevenir la oxidación de ácidos grasos junto con la vitamina E. Pescados y mariscos, yema de huevo, pollo, hongos y setas, ajo, cebollas. Cinc Metabolismo y aparato digestivo. Yogur, carne de res, germen de trigo, hígado, cereales. Importancia socioeconómica de la minería mexicana Producción de minerales en México (inegi, 2006) La minería es una actividad económica fundamental para el país. Es primaria (pues los minerales se toman directamente de la naturaleza), ya que abarca la exploración, explotación y aprovechamiento de los minerales. Se presenta una amplia variedad de minerales de la Tierra. Los hay sólidos (oro y níquel), líquidos (mercurio o el petróleo), quebradizos (yeso o cal) y gaseosos (gas natural). La naturaleza los presenta acumulados en lugares conocidos como yacimientos, los cuales se encuentran al aire libre o en el subsuelo a diferentes niveles de profundidad. Por sus características, los minerales se clasifican en: metálicos (preciosos, industriales no ferrosos y siderúrgicos), no metálicos y energéticos. Desde el punto de vista económico los minerales se clasifican en concesibles y no concesibles; según requieran permiso o no del gobierno (Secretaría de Economía) para ser explotados. Minerales concesibles Oro, plata, cobre, cinc, coque, fierro, manganeso, azufre, barita, caolín, celestita, diatomita, dolomita, fluorita, feldespato, fosforita, grafito, sal, sulfato de sodio, sulfato de manganeso, wallastonita y yeso, entre otros. Minerales no concesibles Básicamente son los que se utilizan para la construcción, como arena, mármol, tezontle y cantera, entre otros. Otros minerales que sólo el gobierno puede explotarlos son los hidrocarburos (petróleo) y los minerales radiactivos (uranio). Las minas más antiguas se encuentran en los estados de Zacatecas, Hidalgo y Guanajuato. En la actualidad, nuestro país ocupa el segundo lugar a nivel mundial en la producción de plata, bismuto y fluorita; destaca en la producción de arsénico, plomo, cadmio, antimonio, cinc, barita, grafito y yeso, entre otros. Figura 4.23 Piedra de cobre. Figura 4.24 Cinc. Figura 4.25 Oro. Minerales metálicos Producción anual (kg) Lugar mundial Plata 2 970 2º Oro 38 961 9º Bismuto 1 186 2º Arsénico 1 595 5º 135 5º 1 399 6º Antimonio 778 6º Cinc 479 6º 2 519 8º Manganeso 124 8º Cobre 334 12º Fierro 7 13º Fluorita 936 2º Barita 200 6º Grafito 12 6º 5 951 7º 459 9º 1074 13º Plomo Cadmio Molibdeno Yeso Feldespato Azufre Figura 4.26 Calcio. Figura 4.27 Azufre. 129 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica Minerales que importa México (inegi, 2006) Minerales que exporta México (inegi, 2006) Producto Miles de pesos Principales países de destino 22 005 671 EU Metales industriales Cinc 4 952 2004 EU Cobre 2 026 565 EU Fierro 201 359 Venezuela Plomo 152 939 EU Manganeso 14 622 Miles de pesos País de origen Minerales metálicos Minerales preciosos Plata Producto EU Cobre 8 758 324 Chile Aluminio 2 708 048 Venezuela Fierro 1 942 664 Brasil Níquel 410 284 Canadá Estaño 293 450 EU Minerales no metálicos Fosforita 1 107 482 Brasil Carbón mineral 734 573 Canadá Coque 459 787 EU Arcillas 330 934 EU Minerales no metálicos Sal 544 887 Japón Azufre 225 444 EU Fluorita 165 827 EU Yeso 121 170 EU 2 228 EU Barita Figura 4.28 Plata. Figura 4.29 Sal. Actividad de aprendizaje con TIC Aplicación de las TIC Utilizando buscadores en Internet, contesta las siguientes preguntas y repórtaselas a tu maestro. Reúnete con dos o tres de tus compañeros e identifiquen el nombre del elemento correspondiente. Comparen sus respuestas con las de sus compañeros; en caso de duda consulten con su profesor. a)Metal reactivo con un alto punto de fusión. Se emplea en la fabricación de conos para la punta de cohetes debido a su baja densidad y notable resistencia. b)Componente de toda la materia viviente y de los combustibles fósiles; el material negro de una mecha quemada. 130 c)Elemento metálico, amarillo y no reactivo, que ha sido apreciado en alto grado desde la antigüedad por su belleza y durabilidad. d)No metal gaseoso, altamente reactivo. Sus compuestos se añaden a ciertas pastas dentales para prevenir las caries dental y a muchos suministros de agua urbanos. e)El metal más abundante en la corteza terrestre; este elemento de color blanco plateado se caracteriza por su baja densidad. Grupo Editorial Patria® f)No metal gaseoso, el elemento más abundante en la Tierra. Constituye alrededor del 21% de la atmósfera terrestre y es esencial para la mayoría de las formas de vida. i)Uno de los tres elementos magnéticos; este metal se emplea en monedas, en galvanoplastia y en el alambre de micromel. g)Gas amarillo verdoso, altamente reactivo. Unos de sus compuestos se usan como blanqueador y como desinfectante del agua. Es un componente de la sal de mesa. j)Elemento cuyo símbolo se basa en su nombre en latín. Se emplea junto con el plomo en baterías de un automóvil. h)Metal caro, blanco plateado, que se emplea en joyería. k)Metal duro, magnético, que se emplea en la producción de acero. Una forma radiactiva de este elemento se utiliza en el tratamiento del cáncer. Actividad experimental Densidad de un líquido Bajo la dirección de tu profesor reúnete en equipos de tres o cuatro alumnos para llevar a cabo esta actividad. Hagan las mediciones pertinentes y analicen las semejanzas y diferencias de los valores obtenidos. Elaboren un informe por escrito donde analicen los resultados y presenten las conclusiones; discútanlo con sus compañeros de grupo. Propósito Determinar la densidad de un refresco. Material n Matraz Erlenmeyer de 50 mL n Balanza granataria n Pinzas para tubo de ensayo n 25 mL de un refresco cualquiera n Tapón de caucho n Bureta de 50 mL o probeta de 50 o 100 mL Procedimiento 1. Determinen lo más exacto posible la masa de un matraz Erlenmeyer limpio y seco, provisto de un tapón de caucho seco; no lo toques con las manos (utilicen unas pinzas). Será la masa m1. Masa del matraz 1 tapón m1 = g 2. Viertan, con ayuda de una bureta, 25 mL exactos de refresco en el matraz y tápenlo con el mismo tapón. Determinen esta nueva masa (m2). Masa del matraz con el líquido y el tapón m2 = Por tanto: Masa del líquido problema (m2 − m1 ) = g g 3. Calculen la densidad (m2 − m1 ) g Densidad = = 25 mL g/mL Comparen el valor que obtuvieron con los que determinaron sus compañeros. Anoten sus conclusiones: 131 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica Actividad experimental Sustancias de uso cotidiano conductoras y no conductoras de la electricidad Completen el siguiente cuadro: ¿Con cuáles objetos se encendió el foco? Reúnete en equipos de cuatro o cinco alumnos y alumnas para llevar a cabo esta actividad. Contesten las preguntas y elaboren un informe escrito de la actividad con sus conclusiones. Compárenlo y discútanlo con los otros equipos. ¿Con cuáles no? Propósito Determinar cuáles objetos conducen la corriente eléctrica y cuáles son aislantes o no la conducen. Material n n Una pila de 1.5 volts Algunos alambres delgados, como los que se usan en los teléfonos n Cinta adhesiva n Un foquito para lámpara n n Por lo menos 10 objetos diferentes que se encuentren en tu casa Dos caimanes Procedimiento 1. Construyan un circuito eléctrico como se muestra en la figura anterior. 2. Ahora, recolecten varios objetos que encuentren en la casa, en la calle o en la escuela. Puede ser una cuchara, un lápiz, una corcholata, un zapato, etc.; conecten en cada uno de ellos las terminales del circuito (o caimanes) que acaban de construir. 132 ¿Qué tienen en común los materiales con los que sí se encendió el foco? Conclusiones: Grupo Editorial Patria® Actividades complementarias I. Instrucciones: Completa el siguiente mapa conceptual. La tabla periódica actual Fue propuesta por: Está formada por: Líneas horizontales llamadas Líneas verticales llamadas A la izquierda se localizan los metales A la derecha se localizan los Clasificados en: Transición Cuyas principales propiedades periódicas son: Radio atómico Se define Se define Se define Se define 133 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica lI.Instrucciones: Contesta correctamente cada una de las siguientes cuestiones: 1. Localiza nueve elementos químicos en la siguiente sopa de letras: D P S B A N C T O R O L C P V O B J M N C A T B O N O S O O X L A S M D L V Z N E C I T I I A T Z D F C D I N G D R A S G P H N U O I L A Ñ O N L S E E M F O S F O R O S R D Z I N N M I H I E R R O P T K Ñ O G O P N Z D U C E Z V I A Q C A Q T P N J O A D Z D N C D S M S H I D R O G E N O C V L R D 5. ( )El modelo atómico que incluye niveles energéticos fue descrito por: a) Thomson c) Rutherford b) Dalton d) Bohr 6. ( ) La carga del electrón es: a) Positiva c) Neutra b) Negativa d) No tiene carga 7. ( )Cuando I tiene un valor de 2 el número de orbitales para este subnivel es de: a) 3 c) 1 b) 5 d) 7 8. ( )La siguiente configuración 1s 2, 2s 2, 2p 7, 3s 1 no cumple con: a) La regla de Hund b) El principio de incertidumbre progresiva 2. Escribe el nombre y símbolo de los elementos localizados: c) El principio de exclusión d) El principio de edificación 9. ( ) El siguiente diagrama energético no cumple con: III. Instrucciones: Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. 1. ( ) El número cuántico m representa: a) Nivel c) Subnivel b) Orbital d) Espín 2. ( )Ningún átomo puede tener sus cuatro números cuánticos iguales, lo estableció: 1s 2s 2px 2py 2pz a) La regla de Hund b) El principio de exclusión de Pauli c) El principio de Aufbau d) El principio de incertidumbre 10. ( ) El número de electrones presentes en el nivel 3 es de: a) Pauli c) Max Planck a) 3 c) 2 b) Heinsenberg d) Hund b) 18 d) 8 3. ( )El último electrón que entra en la configuración de un átomo se denomina: a) Diferencial c) Basal b) Espín d) Excitado 4. ( )Son átomos del mismo elemento pero con diferente número de masa. a) Neutrones c) Electrones b) Isótopos d) Láser 134 11. ( ) Son elementos no metálicos: a) Li, Cs, Fe c) Ca, Ba, F b) S, As, I d) As, Na, Cu 12. ( ) La tabla periódica larga dividida en columnas A y B tiene: a) 7 periodos y 18 grupos b) 9 periodos y 14 grupos c) 6 periodos y 15 grupos d) 8 periodos y 12 grupos Grupo Editorial Patria® 13. ( )Si tenemos un elemento que pertenece al grupo II A y al periodo 3 debe tener la siguiente configuración electrónica: a) 1s 2 2s 2 2p 6 3s1 3p 1 c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 b) 1s 2 2s 2 2p5 3s 2 d) 1s 2 2s 1 2p 5 3s 2 14. ( )Teoría que menciona cómo debe ser el comportamiento de las moléculas o partículas durante una reacción: a) De las colisiones c) Exergónica b) De Hess d) Cinética molecular IV. Relaciona ambas columnas escribiendo en el paréntesis de la izquierda las letras que contesten correctamente el enunciado: ( )Se considera la partícula más pequeña de un elemento que interviene en un fenómeno químico. CO) Dalton ( )Nombre que se le da a un átomo o grupo atómico con carga eléctrica resultante de la pérdida o ganancia de electrones. AE) Bohr ( )Establece que los elementos están formados por partículas diminutas, indivisibles e indestructibles llamadas átomos. SA) Thomson ( )Átomos de un mismo elemento con igual número atómico y diferente número. ( )Partícula más pequeña de una sustancia pura que presenta sus propiedades y puede existir en libertad. YU) Rutherford VG) Ion KL) “n” ( )Propuso un modelo atómico en el cual una esfera cargada de electricidad positiva contenía las cargas negativas, uniformemente distribuidas como están las pasas en un budín. ZX) Isótopos Postuló que los electrones existen en ( ) ciertos niveles permitidos de energía, o estados estacionarios, que corresponden a órbitas circulares definidas. ( )Se le puede definir como la región espacial ocupada por electrones de energía aproximadamente igual. Escribe sobre la línea el símbolo n, l, m o s, según corresponda a cada enunciado: 1.Parámetro cuántico que representa la orientación magnética de los orbitales: 2.Determina el nivel de energía donde se encuentran los elementos diferenciales: 1 y 2– 1: 3.Adquiere valores de 1– 2 2 4.Parámetro que determina el tipo de orbital ocupado por el electrón diferencial: 5.Parámetro cuántico con valores de 23, 22, 21, 0, 11, 12, 13: 6. Adquiere valores desde 1 hasta 7 7. Parámetro cuántico con valores de 0, 1, 2, 3 8. Representa el giro del electrón ( )Indica el tipo de subnivel en el cual se localiza un electrón y se relaciona con la forma de la nube electrónica. ( )Se relaciona con las orientaciones espaciales de los orbitales que resultan cuando un átomo es sometido a un campo magnético. V. JH) Moléculas IO) “m” PL) Átomo VI. Instrucciones: Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. ( )Conjunto de elementos que presentan a su electrón diferencial en el mismo subnivel de energía, se conoce con el nombre de: a) Periodo c) Clase b) Grupo d) Familia ( )Los elementos oxígeno (O) y selenio (Se), de acuerdo con su configuración electrónica, son considerados de igual: a) Grupo c) Nivel b) Periodo d) Subnivel ( )Familia de elementos de la tabla periódica que se caracteriza por ser donadores de un par de electrones: a) IA c) VIIA b) VIIIA d) IIA ( )Es la herramienta más útil para un químico: a) Bloque c) Periodo b) Tabla periódica d) Grupo Con ayuda de la tabla periódica completa lo que se te pide: Elemento Símbolo Núm. Masa atómico atómica Grupo Periodo Rubidio CA) “l ” Platino Estaño LZ) “s ” Cloro 135 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica De los cuatro elementos anteriores indica: ¿Cuál es el más electronegativo? ¿Cuál tiene carácter más metálico? Aplicación de las TIC h) ¿Qué sustancias permiten elaborar el talco? i) ¿De qué sustancias está constituido el acero utilizado en la construcción? VII.Reúnete con tus compañeros y contesten las preguntas, consulten en libros, visiten bibliotecas, pregunten a otras personas que consideren convenientes, o también pueden recurrir a Internet. Después de responderlas envíenselas a su profesor por correo electrónico u otro medio electrónico. a) ¿De qué sustancias están formadas las amalgamas que utilizan los dentistas para arreglarnos la dentadura? b) ¿Qué material plástico o resinoso es el que utilizan los dentistas actualmente en lugar de las amalgamas? c) ¿Cómo prepara un yesero el material para que no quede quebradizo al aplicarlo en las paredes? d) ¿Cuáles son los componentes de una mezcla de concreto para colar techos? e) ¿Qué sustancias constituyen el líquido de frenos? f) ¿Qué sustancias se utilizan para fabricar la grasa o crema para calzado? g) ¿Qué sustancias permiten elaborar el anticongelante? 136 j) ¿Qué sustancias constituyen el limpiador multiusos, utilizado por las amas de casa? Grupo Editorial Patria® Instrumentos de evaluación Heteroevaluación Ha llegado la hora de que demuestres realmente cuánto has aprendido, hemos terminado este bloque y ahora ya conoces muchas cosas nuevas. En esta sección encontrarás una heteroevaluación que abarca todo el conocimiento adquirido en este bloque, contéstala lo mejor que puedas. I. Relaciona las siguientes columnas, escribiendo en el paréntesis de la izquierda, el número que corresponde al concepto de la derecha. Explicación Concepto ( ) Distancia del centro del núcleo del átomo al último nivel energético. 1) valencia 2) radio atómico ( ) Elementos del subgrupo A, clases s y p. 3) electronegatividad 4) afinidad electrónica ( ) Energía liberada cuando un átomo gaseoso adquiere un electrón. 5) ley periódica 6) elementos de transición ( ) Número de electrones que un elemento puede ceder, recibir o compartir. 7) elementos representativos 8) clase ( ) Las propiedades de los elementos son funciones periódicas de sus números atómicos. II. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda 1. La configuración electrónica 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 4s 2 3d 10 4p4 pertenece a un elemento con número atómico 34 y ubicación en el grupo: a) IV A c) VI A b) IV B d) VI B ( e) VIII 2. ¿Cuántos orbitales habrá exclusivamente en el cuarto nivel energético? a) 3 c) 18 b) 9 d) 10 ( ) e) 7 3. Se tienen 2 átomos; uno con 2 neutrones y 13 electrones y el otro con 24 neutrones y 13 protones. Esto corresponde a: a) elementos diferentes c) alótropos b) isómeros d) isótopos 2 6 2 6 2 2 6 2 6 2 a) 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d b) 1s 2s 2p 3s 3p 3d 6 8 2 2 6 2 6 2 6 c) 1s 2s 2p 3s 3p 4s 4p 2 6 ( ) e) un par conjugado 4. La configuración electrónica en estado basal del elemento con número atómico Z = 26 es: 2 ) 2 6 2 6 d) 1s 1p 2s 2p 3s 3p 4s 2 2 6 ( ) 10 2 4 e) 1s 2s 2p 2d 3s 3p 2 5. La distribución electrónica en el estado de menor energía para el catión 2+ del elemento con Z = 28 es: a) 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 4s 2 3d 6 c) 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 4s 2 3d 6 b) 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 3d 8 d) 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 4s 2 3d 10 ( ) e) 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p6 4s 1 3d 7 137 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica II.Con ayuda de la tabla periódica completa lo que se te pide. Elemento Símbolo Núm. atómico Masa atómica Grupo Periodo Sodio Paladio Cobre Bromo De los cuatro elementos anteriores indica: ¿Cuál es el más electronegativo? ¿Cuál tiene carácter más metálico? ¿Cuál tiene mayor número atómico? ¿Cuál tiene menor masa atómica? III.Dibuja un esqueleto de la tabla periódica e ilumina de color rojo a los metales, de azul a los no metales y de verde a los metaloides. IV.Consulta la bibliografía correspondiente y dibuja los alótropos que se te indica a continuación: Alótropos del carbono: Diamante Grafito Amorfo Monoclínica Amorfa Alótropos del azufre: Rómbica 138 Fullereno Grupo Editorial Patria® Rúbrica Rúbrica para evaluar la Actividad experimental: sustancias de uso cotidiano conductoras y no conductoras de la electricidad, página 132. Propósito: Evaluar las actitudes, desempeños y conocimientos que muestran los estudiantes durante la actividad experimental. Integrantes de equipo: 1. 2. 3. 4. 5. Aspecto a evaluar Criterio Valor Asistencia y puntualidad Verificación de resultados. 1 Integración de equipos Se integran con facilidad al equipo, toman en cuenta las aportaciones, asimismo, respetan la opinión y critica del resto de los integrantes. 1 Participación Todos participan durante toda la actividad con una actitud propositiva, ayudan a contestar todas las preguntas y a elaborar el informe. 1 Procedimiento Todos apoyan durante la construcción del circuito electrónico y llevan varios objetos de uso común. 1 Desarrollo de la actividad Asumen a detalle y de manera ordenada todos los pasos para realizar la práctica. 1 Material Traen los materiales que se les solicitaron y los utilizan adecuadamente durante toda la práctica. 1 Dominio del tema Indican claramente los contenidos a tratar, los desarrollan en su totalidad y con buen nivel de profundidad, los relacionan con ejemplos concretos. 1 Contenido Destacan con claridad cuáles son los objetos que conducen la corriente eléctrica, cuáles son aislantes o no la conducen. 1 Conclusiones Son objetivas, claras y coherentes, con base en los contenidos teóricos y acordes a la práctica. 1 Verificación de resultados Comparan y discuten con otros equipos sobre los resultados obtenidos. 1 Total Valor obtenido 10 Comentarios generales: Firma del profesor: Fecha: 139 4 BLOQUE Interpretas la tabla periódica Lista de cotejo Lista de cotejo para evaluar el manejo de los elementos teóricos planteados en las Actividades de aprendizaje de las páginas 107, 109, 114, 116, 124 y 126. Nombre del estudiante: Dominio de contenidos Responde correctamente todas las preguntas. Hace una revisión de los contenidos teóricos desarrollados. Reconoce las propiedades químicas que se indican. Sabe cómo actualmente está dividida la tabla periódica. Identifica cuáles son los elementos metálicos. Da una breve explicación de sus respuestas. Señala la importancia de los conocimientos adquiridos. Desempeño Emite su opinión con bases teóricas. Explica sus resultados con elementos prácticos. Aporta ideas o experiencias, acordes a las actividades. Asocia sus respuestas con ejemplos de uso común. Señala la importancia y función de los elementos químicos en su entorno. Muestra interés al resolver todas las actividades. Relaciona significativamente su aprendizaje con situaciones de su vida diaria. Comentarios generales: 140 Fecha: Excelente Bueno Regular Grupo Editorial Patria® Rúbrica Instrumento de evaluación para la actividad de aprendizaje de la página 130. Nombre del estudiante: Nombre del docente: Grupo: Fecha: Actividad: Menciona la importancia que tiene la tabla periódica en nuestra vida cotidiana. Propósito: Comprender y aplicar la tabla periódica, de los elementos químicos en nuestros problemas cotidianos, así como identificar áreas de oportunidad para mejorar el desempeño y aprendizaje. Desempeños 1. Realicé la actividad en el libro. 2. Anoté las respuestas en los incisos correspondientes. 3. Me basé en los conocimientos previos. 4. Todas mis anotaciones son correctas acorde a lo solicitado. 5.Comprendí la importancia de los elementos metálicos y no métalicos y metaloides en situaciones de mi vida cotidiana. 6. Expliqué mis respuestas y las argumente con elementos teóricos-metodológicos analizados durante la clase. 7. Socialicé mis respuestas con otra/o compañera/o. 8. Mis respuestas son claras y congruentes, de tal forma que mis compañeras/os no requieren de explicación alguna. 9. Elaboré cuestionamientos que no fueron claros durante la actividad. 10. Aporté ideas relevantes durante la comparación de resultados. 11. Hice preguntas sobre dudas o diferencias que surgieron durante la actividad. 12. Asumí con respeto la diversidad de opiniones que se generaron durante la dinámica. 13. La actividad me ayudó a comprender la importancia de la tabla periódica como una herramienta básica en la comprensión de la química como ciencia. 14. Elaboré conclusiones y las compartí con el resto del grupo. 15. Me gustó la actividad. 16. En general, tuve un aprendizaje significativo y relevante sobre la tabla periódica. ¿Cómo me sentí durante la dinámica? ¿Cuáles son mis fortalezas? ¿Qué debo mejorar? Firma del estudiante: Firma del profesor: 141 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares 10 horas Objetos de aprendizaje 5.1 Enlace químico 5.2 Regla del octeto 5.3 Formación y propiedades de los compuestos con enlace iónico 5.4 Formación y propiedades de los compuestos con enlace covalente (tipos de enlace covalente) 5.5 Enlace metálico 5.6 Fuerzas intermoleculares Competencias a desarrollar n n n n n n Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. n n n Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente. Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente. ¿Qué sabes hacer ahora? Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. ( ) Es la capacidad de combinación que tiene un átomo y consiste en el número de electrones que puede ganar o perder en su último nivel de energía: a) número de oxidación b) valencia c) afinidad electrónica d) electronegatividad ( ) El número de oxidación del cromo en el compuesto: K2Cr2O7, es: a) 13 ( ) b) 12 c) 26 Tipo de enlace que resulta de la unión de dos átomos mediante la compartición de un par de electrones: a) iónico b) covalente c) metálico d) puente de hidrógeno ( ) ¿Cuál de los siguientes compuestos presenta enlace iónico? a) HCl b) CCl4 c) CsF ( ) Compuesto que presenta un enlace covalente coordinado: a) CO2 Desempeños por alcanzar n n n n n n n Elabora estructuras de Lewis para los elementos y los compuestos con enlace iónico y covalente. Demuestra experimentalmente las propiedades de los compuestos iónicos y covalentes. Explica las propiedades de los metales a partir de las teorías del enlace metálico. Valora las afectaciones socioeconómicas que acarrea la oxidación de los metales. Propone acciones personales y comunitarias viables para optimizar el uso del agua. Explica las propiedades macroscópicas de los líquidos y gases, a partir de las fuerzas intermoleculares que los constituyen. Explica la importancia del puente de hidrógeno en la conformación de la estructura de las biomoléculas. d) 16 b) NH3 c) H2O d) CO2 d) H2SO4 ( ) Enlace en donde se tienen cationes ordenados que comparten cargas sumergidas en un mar de electrones: a) puente de hidrógeno b) covalente polar c) metálico d) iónico ( ) Un postulado básico de la teoría cinético-molecular es: a) cuando las moléculas del gas chocan pierden energía. b) las moléculas no chocan unas con otras. c) el gas está formado por diminutas partículas llamadas átomos o moléculas. d) las moléculas de un gas se mueven en una sola dirección. ( ) Enlace que no permite que los seres vivos mueran al congelarse el agua de los mares o ríos: a) london b) dipolo-dipolo c) puente de hidrógeno d) ion dipolo 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Situación didáctica ¿Cómo lo resolverías? ¿Qué función desempeñan los elementos en el cuerpo humano? A continuación se muestran dos tablas que vas a utilizar para resolver esta situación didáctica. La primera muestra una lista de 26 elementos que componen tu cuerpo, junto con los porcentajes de cada uno que en condiciones normales se hallan presentes en un adulto sano. Estos elementos se encuentran en las biomoléculas y como iones en los fluidos corporales. Como se observa en la tabla, los más abundantes son el oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno y calcio. En conjunto constituyen cerca de 98% de la masa corporal. El 63% de todos los átomos del cuerpo son de hidrógeno, 25% de oxígeno, 10% de carbono y 1.4% de nitrógeno. La mayor parte de estos átomos están presentes en compuestos orgánicos como los carbohidratos, proteínas y grasas. El calcio (1.5% de la masa del cuerpo) es un elemento estructural importante en dientes y huesos, e interviene en la transmisión de los impulsos nerviosos, la contracción muscular y la coagulación de la sangre. Los elementos como el yodo, selenio, cobre y flúor son esenciales para la salud, no obstante que normalmente se encuentran presentes en cantidades de menos de 10 partes por millón (ppm) (10 pesos de 1 000 000 de pesos también equivalen a 10 ppm) de masa corporal. Composición elemental de un adulto de 70 kg Elementos Porcentaje de la masa corporal Hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, calcio 98 Fósforo, cloro, potasio, azufre, magnesio 2 Hierro, cinc 0.01 Cobre, estaño, manganeso, yodo, bromo, flúor, molibdeno, arsénico, cobalto, cromo, litio, níquel, cadmio, selenio Menos de 0.001 cada uno La siguiente tabla describe las funciones de algunos elementos traza en el cuerpo. Minerales Mineral Fuente Consecuencias de la deficiencia Macrominerales Azufre (S) Proteínas Calcio (Ca) Pescado enlatado, leche, productos lácteos Cloro (Cl) Carnes, alimentos procesados con sal, sal de mesa Fósforo (P) Proteínas animales Magnesio (Mg) Pescados y mariscos, granos de cereal, nueces, vegetales de color verde oscuro, cacao Falla cardiaca debida a espasmos Potasio (K) Jugo de naranja, plátanos, frutas secas, papas Funcionamiento nervioso deficiente; ritmo cardiaco irregular; muerte repentina durante el ayuno Sodio (Na) Carnes, alimentos procesados con sal, sal de mesa Raquitismo en niños; osteomalacia y osteoporosis en adultos Jaqueca, debilidad, sed, mala memoria, pérdida de apetito Minerales traza Cobalto (Co) Hígado, proteínas animales Cobre (Cu) Hígado, riñón, yema de huevo, granos enteros Cromo (Cr) Hígado, tejido animal y vegetal Pérdida de eficiencia de la insulina con la edad Flúor (F) Pescados y mariscos, agua potable fluorada Deterioro dental Hierro (Fe) Hígado, carnes, vegetales verdes de hoja, granos enteros Anemia, cansancio y apatía Manganeso (Mn) Hígado, riñón, germen de trigo, legumbres, nueces, té Pérdida de peso, dermatitis Molibdeno (Mo) Hígado, riñón, granos enteros, legumbres, vegetales de hoja Níquel (Ni) Pescados y mariscos, granos, semillas, frijoles, vegetales Cirrosis del hígado, falla de los riñones, tensión nerviosa Selenio (Se) Hígado, vísceras, granos, vegetales Enfermedad de Kashan (enfermedad cardiaca que se presenta en China) Yodo (I) Pescados y mariscos, sales yodatadas Bocio Cinc (Zn) Hígado, mariscos, carnes, germen de trigo, legumbres Anemia, crecimiento atrofiado 144 Anemia Grupo Editorial Patria® Secuencia didáctica A continuación se lista una serie de acciones que debes seguir para contestar la problemática de la pregunta central. Es importante que reflexiones, seas claro y objetivo para que esta experiencia sea útil al reconocer tus debilidades para superarlas, y tus fortalezas para beneficiarte de ellas. 1. Forma equipos para resolver la situación didáctica. 2. Seleccionen por equipo cinco elementos que se encuentran en el cuerpo humano. Aplicando las tablas 1 y 2 y lo que ya conocen acerca de estos elementos, respondan las siguientes preguntas: ¿Qué tienes que hacer? b)¿Por qué son más comunes los casos de envenenamiento por sobredosis en el caso de los elementos traza? 5. Resuman las respuestas en una reseña escrita. 6. Que cada equipo presente sus respuestas en plenaria y analice las formas para contestar la pregunta central, tomando como sugerencias los temas siguientes: a)Tener un cuerpo sano. b)Comer solamente las cantidades necesarias de alimento. c)Preparación y consumo de alimentos nutritivos. d)Difusión de la cultura nutricional del ser humano. a)¿En qué parte del cuerpo (o en qué tipo de biomolécula) se encuentra cada elemento que seleccionaron? e)Detectar a tiempo la carencia de algún elemento del cuerpo humano. b)¿Qué papel desempeña cada uno de ellos en la conservación de la salud? 3. ¿Es correcto decir que los elementos que son muy abundantes en el cuerpo (como el calcio y el fósforo) son más esenciales que los elementos traza como el hierro y el yodo? ¿Por qué? 4. a) ¿Por qué es más probable que un cambio en la dieta provoque una deficiencia de elementos traza que de elementos muy abundantes? Rúbrica Con el propósito de revisar si adquiriste los conocimientos de este bloque realiza lo siguiente. n n n Con la dirección del profesor organicen un debate sobre la importancia de conocer los elementos constituyentes del cuerpo humano y las enfermedades que produce la carencia de alguno de ellos. ¿Qué produce en el organismo humano la carencia de los elementos: calcio (Ca), magnesio (Mg), potasio (K), sodio (Na), hierro (Fe) y flúor (F)? Escribe en la línea el símbolo del elemento cuya deficiencia produce: a)Pérdida de peso f)La comida chatarra es adecuada o no. 7. Debatan sobre las cuestiones anteriores. 8. Establezcan las conclusiones correspondientes. 9. Elaboren un reporte donde expresen de manera objetiva sus reflexiones sobre esta actividad. ¿Cómo sabes que lo hiciste bien? n ¿Qué harías para mejorar la frecuencia cardiaca? n ¿Cómo mejorarías tu salud física? ¿Cómo identificarías los alimentos que te hacen falta para mejorar y tener una óptima salud física? n Autoevaluación ¿Leí todo el contenido del bloque? n Cuando lo hice, ¿comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta comprenderlo? n n b) Cirrosis del hígado c) Tensión nerviosa n d) Dermatitis e) Falla de riñones f) Bocio n ¿Puedo identificar las propiedades nutricionales de los elementos principales que constituyen el cuerpo humano? ¿Será necesario aprenderse de memoria las funciones de todos los elementos fundamentales de la nutrición? ¿Por qué? ¿Puedo identificar las ventajas de este tipo de conocimiento sobre los elementos y sus propiedades alimenticias? Justifica tu respuesta. 145 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares 5.1 Enlace químico En los bloques anteriores se han visto temas referentes a las propiedades físicas que exhiben las sustancias, y la periodicidad de las propiedades químicas de los elementos en función de su configuración electrónica, pero, ¿cómo se agrupan los átomos para formar compuestos? ¿Qué tipo de interacciones se presentan entre las moléculas que permiten la licuefacción de los gases e incluso su solidificación? ¿Qué fuerzas existen entre las moléculas de agua que le dan un punto de ebullición relativamente alto? En este bloque se trata de dar respuesta a estas preguntas presentando un panorama de los tipos de enlace. La mayoría de los átomos tienden a combinarse para formar moléculas diatómicas o poliatómicas, aunque ciertos elementos no muestran afinidad hacia otros átomos y constituyen moléculas monoatómicas, como en el caso de los gases nobles. Cuando los átomos se unen para formar moléculas, hay un intercambio de electrones de valencia, esto es, de los electrones de la capa más externa de cada átomo. Esta unión, que es la más estable, se logra porque los átomos ganan, pierden o comparten electrones, y la atracción resultante entre los átomos participantes recibe el nombre de enlace químico. El enlace también se define como la fuerza que mantiene unidos a dos o más átomos, condicionada por la cantidad de energía contenida en ellos, que debe ser suficiente para vencer las fuerzas de repulsión que se deben a la presencia de cargas eléctricas en los átomos. L. C. Pauling (1901-1994) dio la siguiente definición: “la fuerza de enlace entre ellos (los átomos), es de una magnitud tal que conduzca a la formación de un agregado de estabilidad suficiente que garantice su consideración como una especie molecular independiente”. Al estudiar la constitución de las sustancias se encuentra que todas están formadas por agrupaciones de átomos, que unas veces forman agregados neutros llamados moléculas, y otras resultan con carga: los iones (únicamente los gases nobles y algunos metales en estado de vapor poseen moléculas monoatómicas). La unión entre átomos, moléculas o iones es lo que constituye el enlace químico. Para comprender el comportamiento de los elementos, es necesario establecer un modelo teórico que explique lo que ocurre cuando se unen los átomos. Existen interacciones en las sustancias comunes como el agua, el dióxido de azufre (un contaminante de la atmósfera), el metano (gas natural), el octano (componente de la gasolina), el etanol (alcohol de 96° ) y desde luego también están presentes en las moléculas de los seres vivos. Las fuerzas que dan origen al enlace químico se han clasificado en dos grandes grupos: interacciones fuertes 146 Para tu reflexión Linus Pauling Linus Pauling nació en Oregón, en 1901, y se graduó en ingeniería química y posteriormente obtuvo su doctorado en California en 1925. En 1954 le fue concedido el premio Nobel de Química por su investigación sobre la naturaleza del enlace químico y su aplicación a la estructura de sustancias complejas. Realizó estudios experimentales sobre la estructura de los cristales por difracción de rayos X y la estructura de moléculas gaseosas por difracción de electrones, también de las propiedades magnéticas de las sustancias. Investigó la naturaleza de los sistemas serológicos y la estructura de los anticuerpos y especialmente la aplicación de la mecánica cuántica a la estructura de las moléculas y a la naturaleza del enlace químico. Publicó más de 400 trabajos científicos, 100 artículos sobre temas sociales y políticos, especialmente sobre Figura 5.1 la paz. L. C. Pauling. (fuerzas intramoleculares = fuerzas interatómicas) e interacciones débiles (fuerzas intermoleculares). Las fuerzas intramoleculares son los enlaces químicos que dan origen a las moléculas. Cuando se afectan estas atracciones ocurre una reacción química. Las fuerzas intermoleculares determinan y explican muchas propiedades físicas de las sustancias: ¿Por qué se pueden licuar los gases? ¿Por qué el hielo seco se sublima a temperatura ambiente? ¿Por qué flota el hielo? En el enlace químico la configuración electrónica del nivel más externo de los átomos, llamado también nivel de valencia, juega un papel decisivo. De esta configuración depende, además, el tipo de enlace que se forme. Los gases nobles presentan una distribución electrónica de máxima estabilidad con los orbitales s y p de valencia ocupados por completo (s2p6). Los demás elementos poseen niveles de valencia incompletos y de ahí su mayor o menor reactividad. La formación espontánea de un enlace es una manifestación de la tendencia de cada átomo a alcanzar el ordenamiento electrónico más estable posible. Es decir, la molécula que se forma representa un estado de menor energía que los átomos aislados. Grupo Editorial Patria® Actividad de aprendizaje ¿Por qué los átomos tienden a unirse?, argumenta tu respuesta con elementos prácticos, cita un ejemplo. n n n Un metal puede perder de uno a tres electrones para formar un catión con la estructura del gas noble que lo antecede en la tabla. Un no metal puede ganar de uno a tres electrones para formar un anión con la estructura del gas noble siguiente. Los átomos (usualmente dos no metales), pueden compartir electrones con otros átomos para alcanzar el número de electrones del gas noble siguiente en la tabla. Los dos primeros casos se complementan uno al otro para formar compuestos iónicos. El tercer caso produce compuestos covalentes. ( ) ¿Cómo se llama la capacidad que tiene un átomo o conjunto de átomos para unirse a otro átomo o conjunto de átomos y formar un compuesto? Explica este proceso con un ejemplo práctico y que pueda ser comprobado durante una práctica de laboratorio. a) Electronegatividad Esta regla del octeto tiene limitaciones, pues hay muchos ejemplos de compuestos covalentes que no la siguen, como los cloruros de berilio y de boro: Cl Be Cl Cl b) Potencial de ionización c) Enlace químico d) Diferencia de potencial Cl Los principales modelos utilizados para interpretar a las fuerzas intramoleculares son el enlace covalente y el enlace iónico, con sus variantes, los enlaces polar, covalente coordinado y metálico. Con respecto a las fuerzas intermoleculares se consideran cuatro tipos de interacciones: ion-dipolo, dipolo-dipolo, las fuerzas de London y el puente de hidrógeno. B Cl Por otro lado, esto se presenta también en algunas moléculas en las cuales el átomo central presenta más de ocho electrones a su alrededor, como cuando un átomo forma parte de cuatro enlaces. Ejemplos característicos de este caso son el pentacloruro de fósforo (PCl5) y el hexafluoruro de azufre (SF6). El fósforo tiene 10 electrones a su alrededor y el azufre 12. En estos También se estudia el aspecto geométrico de las moléculas de una casos se habla de que ocurre una expansión del octeto. manera sencilla. Las sustancias covalentes, ya sean moléculas o iones poliatómicos, presentan formas características. Los estudios con rayos X de los cristales moleculares constituyen una fuente de Cl información muy amplia sobre la estructura de las moléculas. ClCl P La regla del octeto dice que los átomos de los elementos represenCCl tativos forman enlaces de tal manera que tengan acceso a exacta 5.2 Regla del octeto mente ocho electrones s y p externos (también conocidos como electrones de valencia). Los átomos de los elementos del sistema periódico tienden a completar sus últimos niveles de energía con una cantidad de electrones tal, que adquieran configuración semejante a la de un gas noble. 2 6 Como la configuración electrónica de los gases nobles en s p es con un total de ocho electrones, los otros elementos ganarán o perderán electrones hasta quedar con esa cantidad en su capa externa. Lo anterior se realiza de la siguiente manera: F FF S FF F Para comprender mejor la naturaleza de los enlaces químicos es necesario tener en cuenta los siguientes conceptos que son fundamentales para los enlaces químicos. 147 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Actividad de aprendizaje Selecciona la opción que conteste correctamente la pregunta. niente colocar un electrón en cada lado del símbolo (grupos IA a IVA) y después representar pares de electrones (grupo VA a 0). Se recomienda aplicar los siguientes pasos: n ( ) La regla del octeto de Lewis expresa que: a) Al unirse dos átomos lo hacen en proporción de uno a ocho. n b) Un átomo siempre pierde 8 electrones. n c) Los átomos al reaccionar entre sí tienden a completar la estructura del gas noble más próximo en la tabla periódica. d) Cuando un átomo reacciona con otro átomo requiere de 8 electrones para neutralizar sus cargas magnéticas. Ejemplos Escribe los símbolos electrónicos de Lewis para hidrógeno, helio, oxígeno, calcio y cadmio. Paso 1: H, He, O, Ca, Cd Paso 2: Configuración electrónica Electrones de valencia H = 1s 1 1s 1 He = 1s 2 1s 2 O = 1s 22s 22p 4 1s 22p 4 Ca = 1s 22s 22p 63s 23p 64s 2 4s 2 Cd = 1s 22s 22p 63s 23p 64s 23d 104p 65s 24d 10 5s 2 Se escribe el símbolo del elemento que representa el núcleo y todos los electrones, excepto aquellos en su último nivel o capa de valencia. Se escribe la configuración electrónica del elemento. Se seleccionan los electrones que están en el último nivel energético. Cada “lado” (arriba, abajo, a la izquierda, a la derecha) del símbolo representa un orbital. Es importante recordar cuáles electrones están pareados y cuáles no lo están. No es importante qué lado representa a qué orbital. Las estructuras de Lewis se pueden usar tanto para moléculas diatómicas (de dos átomos) como para moléculas poliatómicas (de varios átomos) para predecir la formación de los enlaces covalentes que constituyen la molécula. Como ejemplos tenemos las siguientes moléculas: CH4 (metano) H2O (agua) NH3 (amoniaco) Como ayuda didáctica se representa por una cruz los electrones del enlace que pertenecen al hidrógeno, para diferenciarlos de los electrones de valencia que pertenecen a los otros átomos (4 al C, 6 al O, 5 al N); ya que los electrones no se pueden distinguir, todos son iguales en masa y carga. El átomo central cumple con la regla del octeto. H O •• • 3 Paso 3: • • Cd H H C•H H H • Ca 3 O • He 3 H H 3 • 3 • 3 Estructuras de Lewis H H H H N•H H • C 3 H • 148 O 3 • • 3 El enlace de los elementos representativos se enfoca principalmente a los electrones de valencia, que son las subcapas s y p externas. El químico norteamericano Gilbert N. Lewis propuso representar los electrones de valencia por cruces o puntos a fin de visualizar cómo se transfieren o comparten los electrones en un enlace químico cuando los átomos se unen. Éstos se colocan alrededor del símbolo del elemento. Dado que el enlace de estos elementos entraña el acceso a ocho electrones (cuatro pares), los electrones se representan mediante uno o dos puntos en los cuatro lados del símbolo del elemento. Aunque los electrones de valencia provienen de dos diferentes subcapas (s y p), sólo el número total de estos electrones es importante para cuestiones de enlaces. Así, primero es conve- H H H N H Grupo Editorial Patria® Los enlaces covalentes también se pueden indicar con guiones o líneas, que representan un par de electrones. Fórmula desarrollada o gráfica Da idea de la distribución de los átomos en el espacio. Ejemplos PCl3 Cl C2H6 P Cl Ejemplos Ácido clorhídrico H H H C HCl H Cl O Cl C H Ácido sulfúrico H H2SO4 H O S O H H O En algunos casos los átomos unidos comparten más de un par de electrones. Cuando esto sucede se dice que los átomos están unidos por enlaces múltiples. Para comprender mejor la naturaleza de los enlaces químicos es necesario mencionar los tipos de fórmulas utilizados con mayor frecuencia: N ••• N N2 Metano H CH4 C H H N N 3 3 3 Fórmula molecular o condensada Indica la clase y el número de átomos que constituyen la molécula de un compuesto. Ejemplos Ácido nítrico HNO3 Ácido sulfúrico H2SO4 Hidróxido de calcio Ca(OH)2 Dicromato de potasio K2Cr2O7 Ácido clorhídrico HCl Acetileno Expresa por medio de grupos o radicales los átomos que forman la molécula. Este tipo de fórmula es el más adecuado para estudiar los compuestos orgánicos. Ejemplos Acetileno — CH— — CH Etano Propano CH3—CH2—CH3 Ácido acético CH3COOH CH3—CH3 — H— C— — C— H C2H2 Cada línea (—) representa un enlace químico o valencia, que equivale a dos electrones. Para escribir una fórmula desarrollada a partir de una semidesarrollada, se aplica el concepto de número de oxidación. Por ejemplo: K11N15022 3 Fórmula semidesarrollada Alcohol etílico CH3—CH2—OH H y 23 Zn12 3 P2 Nitrato de potasio Fosfuro de cinc La fórmula anterior nos indica que para el nitrato de potasio deben existir: 1 átomo de potasio con 1 valencia o unión, 1 átomo de nitrógeno con 5 valencias y 3 átomos de oxígeno con 2 valencias cada uno. Los subíndices expresan átomos y las cargas eléctricas en la parte superior, las valencias o estados de oxidación. El fosfuro de cinc (Zn3P2) contiene 3 átomos del metal con 2 valencias o uniones cada uno, y 2 átomos de fósforo con 3 uniones cada uno. Cada unión se cuenta para dos átomos. También se puede observar la fórmula condensada y tomar como base el elemento central, rodeando a este elemento de los demás. Se necesita también un poco de imaginación y geometría. 149 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Este enlace también se conoce como salino o electrovalente. Dado que las electronegatividades de los átomos participantes son muy diferentes, hay una gran diferencia de electronegatividades, que en promedio es de 1.7 o mayor. Actividad de aprendizaje Escribe las fórmulas desarrolladas y electrónicas, e indica el tipo de enlace en los siguientes ejemplos. Compara tus respuestas con otros compañeros de clase y en caso de duda consulta con tu profesor: Compuesto Fórmula desarrollada Fórmula electrónica Figura 5.2 Formación de un enlace iónico. H2O NH3 + Energía + Energía de sublimación de ionización Na(s) Na+Cl–(g) – Afinidad de disociación Cl2(g) – Energía reticular Na+(g) Na(g) + Energía H2 El origen del modelo iónico se debe a J. T. Berzelius, quien consideró que los átomos poseían unos “polos” eléctricos positivos o negativos, y electrónica Cl(g) Cl–(g) Figura 5.3 Proceso de formación del NaCl cristalino a partir de sus elementos. H2SO4 propuso que la fuerza que une a los átomos en una molécula inorgánica o en un radical orgánico era de naturaleza eléctrica. HNO3 H3PO4 Por ejemplo, en la formación del cloruro de sodio (NaCl). El cloro es un elemento del grupo VII y con electronegatividad de 3.0 pauling. El sodio es un elemento del grupo IA y con electronegatividad de 0.9 pauling (el concepto de electronegatividad se estudió en el bloque anterior). Naº Na+ + 1e– Clº + 1e– ion sodio Cl– ion cloro (Esto se lleva a cabo con una energía de ionización) 5.3 Formación y propiedades de los compuestos con enlace iónico El enlace iónico resulta de la transferencia de uno o más electrones de un átomo a otro o grupo de átomos. La pérdida o ganancia de electrones es un proceso compartido, ya que un elemento dona electrones y otro los acepta. Este modelo describe particularmente a los compuestos que forman los metales con los no metales. 150 Al formarse los iones , la nube electrónica del sodio se ve disminuida mientras que la del cloro se ve incrementada, luego se unen y forman el compuesto o producto que es una sal. kcal nNa1 1 nCl2 nNaCl Energía de enlace 5 2298.3 mol El sodio finalmente queda como: 1s22s22p63s0 5 Na1 (catión) El cloro queda como: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 5 Cl2 (anión) Dicha cantidad corresponde a un mol del compuesto. Un mol es una cantidad numéricamente igual a su peso molecular (suma de los pesos atómicos de los átomos participantes) y se expresa en gramos. Para calcular la diferencia de electronegatividades entre dos átomos (d. E.) se aplica lo siguiente: Grupo Editorial Patria® Figura 5.4 Unión de los iones sodio (Na+) y cloro (Cl–), para formar el cloruro de sodio o sal común. d. E. 5 Electronegatividad del átomo más electronegativo – electronegatividad del átomo menos electronegativo En el ejemplo del NaCl, resulta: d. E. 5 Cl 2 Na 5 3.0 2 0.9 5 2.1 1.7 ; por tanto, se trata de un enlace iónico. Figura 5.6 El número de iones que rodea a otro de signo opuesto en la red cristalina, depende de la relación entre sus radios respectivos. El cesio (Cs) es mayor al sodio (Na). De acuerdo con lo anteriormente señalado, los compuestos con enlace iónico, presentan las siguientes propiedades: n n Propiedades de los compuestos que presentan enlace iónico Los compuestos iónicos en estado sólido no conducen la corriente eléctrica, debido a que los iones no pueden migrar. Sin embargo, cuando se funden o disuelven en agua, sí conducen la electricidad. La conductividad eléctrica requiere del transporte de las cargas; al disolverse en agua estas sustancias, sus iones se separan y pueden moverse en forma independiente. Lo mismo sucede en los sólidos iónicos fundidos, cuando los iones dejan de ocupar posiciones definidas en el cristal tienen libertad de movimiento y, bajo la influencia en un campo eléctrico, conducen la corriente. Así, por ejemplo, la molécula de cloruro de sodio no puede determinarse, ya que no hay tal molécula, es mejor hablar de la red de cloruro de sodio, un empaquetamiento cúbico perfecto donde hay un número igual de iones Na1 que de iones Cl2. Es correcto escribir Na17Cl17 o Na80Cl80, ya que la proporción es 1 a 1. Ejemplos de sustancias que presentan este tipo de enlace son las sales inorgánicas y los óxidos inorgánicos, que contienen un metal y un no metal, como NaCl, CaF2, K2O, BaS. Como se observa, los elementos de los grupos I y II se unen con elementos de los grupos VI y VII. Tienen puntos de fusión y ebullición elevados. Fundidos o en disolución acuosa son buenos conductores de la corriente eléctrica. n Son solubles en disolventes polares. n En solución son químicamente activos. n La forma del cristal es geométrica (cúbica, rómbica, hexagonal). No se forman verdaderas moléculas sino redes cristalinas. Ejemplos: NaCl, CaF2, K2O y BaS. Actividad de aprendizaje ¿Cómo representarías un ion?, explícalo. Si tuvieras que respresentar el enlace iónico con objetos de uso común, cómo lo harías; explícalo. ( ) Para que se forme un enlace iónico, se requiere la presencia de: a) dos metales b) hidrógeno c) un metal y un no metal d) oxígeno Comprueba tu respuesta con un ejemplo de uso práctico. Figura 5.5 Red cristalina de NaCl. En el modelo de varillas de la izquierda puede apreciarse mejor su simetría cúbica. 151 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Aplica lo que sabes Compuestos iónicos A continuación se presenta una tabla que contiene una serie de compuestos iónicos, con algunos de sus usos; identifica al catión, el anión, escribe la fórmula correcta y el nombre correspondiente según cada inciso. Observa el ejemplo contestado. Compuesto iónico Catión Anión Fórmula Nombre El cloruro de potasio es el principal ingrediente de la “sal” especial que toman las personas que siguen una dieta baja en sodio. K1 Cl2 KCl Cloruro de potasio Es un componente del yeso. Forma parte de cierto tipo de fertilizantes que contienen fósforo. Es un componente importante de los huesos y los dientes. CaSO4 Ca12 Es una rica fuente de nitrógeno, se emplea a menudo en mezclas fertilizantes. Nitrato de amonio Se usa en la purificación de agua. Cloruro de hierro (III) Bicarbonato de sodio Hidróxido de magnesio Fe13 O22 Carbonato de calcio Distingue la diferencia que existe entre uno y otro; destaca la importancia que cada uno tiene como parte de un proceso químico. 152 Ejemplos H — ­Cl H—H Simple covalencia O— —O Doble covalencia —N N— — Triple covalencia Geometría molecular y polaridad Se le llama leche de magnesia. Se presenta en la piedra caliza y el mármol. Cuando la diferencia de electronegatividades entre dos o más átomos es cero o tiene un valor muy pequeño, estos átomos tienden a compartir los electrones de valencia de sus capas externas, ya que cada átomo ejerce la misma atracción sobre los electrones. Este modelo se conoce como enlace covalente y la compartición de dos electrones corresponde a la formación de un enlace. Esta combinación de átomos se denomina molécula y es eléctricamente neutra. Al2(SO4)3 Es un compuesto formado por iones de sodio e iones hidrogenocarbonados. Se usa en el malestar estomacal. Componente importante de la herrumbre. El enlace covalente resulta de la compartición de uno o más pares de electrones entre los átomos que se unen. Este modelo de enlace se utiliza para explicar la unión de los elementos clasificados como no metales. Este enlace se lleva a cabo entre elementos de alta electronegatividad, es decir, entre no metales y siempre por compartición de pares de electrones. Se distinguen tres tipos de covalencia: polar, no polar y coordinada. Cuando se presenta una simple covalencia entre dos átomos es por compartición de un par de electrones, pero si son dos pares de electrones los que se comparten, entonces será una doble covalencia y se puede presentar hasta una triple. PO423 También se utiliza para purificar el agua en algunas localidades. 5.4 Formación y propiedades de los compuestos con enlace covalente (tipos de enlace covalente) Las moléculas que contienen tres o más átomos adquieren formas tridimensionales características. La geometría molecular describe la forma en que los átomos se distribuyen en el espacio, dentro de una molécula. Este arreglo de los átomos se puede determinar experimentalmente, no así el arreglo geométrico de los electrones. Modelo de la Repulsión de Pares Electrónicos en la Capa de Valencia (rpecv) Una primera aproximación para predecir la geometría de las moléculas la propusieron, en 1940, N. V. Sidgwick y H. M. Powell. Posteriormente esta teoría la ampliaron y popularizaron R. J. Gillespie y R. N. Nyholm en 1957. Grupo Editorial Patria® Esta teoría se conoce comúnmente por sus siglas en inglés vsepr (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory), o bien, por su traducción al español rpecv (Repulsión de Pares Electrónicos en la Capa de Valencia) y se aplica sólo al enlace covalente. Según este modelo la geometría de una especie está determinada principalmente por las interacciones repulsivas que se producen entre los pares de electrones de la capa de valencia. Así, tenemos que la mayoría de las moléculas presentan formas que derivan de cinco geometrías básicas diferentes. Dos pares electrónicos se acomodan en el espacio linealmente en un ángulo de 180°, de tal forma que aumente al máximo la distancia entre ellos. Con este mismo criterio, tres pares de electrones se distribuyen bajo la forma geométrica de un triángulo, cuatro en forma de tetraedro, cinco en la figura de una bipirámide trigonal y seis en un octaedro. Para aplicar el método rpecv a las moléculas primero se debe dibujar la estructura de Lewis de la molécula para determinar el número de pares de electrones que están alrededor del átomo central. Después se procede a acomodar los pares de electrones enlazantes de forma que exista la máxima separación entre ellos, para que sea mínima la repulsión. Por ejemplo, en la molécula BeF2 el átomo central es el Be y tiene 2 pares de electrones enlazantes a su alrededor. Estos pares se colocan en lugares opuestos del átomo central (Be), de manera que el ángulo de separación sea el máximo posible. En el BeF2 es de 180° y los tres átomos se colocarán en forma lineal. a) 2p 2s sp 2s 2p sp2 p 2s 2p sp3 p b) c) Figura 5.7 (a) Tipos de hibridación en la molécula del BeF2, BeF3 y CH4. (b) Orientación de los orbitales híbridos del BeF2, BeF3 y CH4. (c) Geometría de las moléculas del BeF2, BeF3 y CH4. Los ángulos de separación entre los átomos de hidrógeno son de 109.5°. El tetraedro es la forma básica de muchas moléculas orgánicas. En general, cuando el carbono forma cuatro enlaces sencillos presenta geometría tetraédrica. H 109.5° C HH 180° F Be F F Be H F El boro posee tres electrones de valencia, luego, en la molécula BF3, los tres pares que formarán los enlaces se colocarán a la mayor distancia posible, en los vértices de un triángulo equilátero formando un ángulo de 120°. La molécula presenta geometría triangular plana. F La molécula del PCl5 presenta el átomo de fósforo (átomo central) rodeado por cinco pares de electrones que forman los enlaces con los cinco átomos de cloro. Los pares enlazantes tienden a orientarse hacia los vértices de una bipirámide trigonal. Los tres átomos “ecuatoriales” del cloro están en un mismo plano con el átomo de fósforo, y el ángulo Cl-P-Cl en este plano es de 120°. Los átomos axiales (o polares) del cloro están encima y debajo de este plano ecuatorial, en el eje de la bipirámide. El ángulo formado por el átomo axial de cloro, el átomo de fósforo y un átomo ecuatorial de cloro es de 90°. 120° B Cl Cl En el caso del metano (CH4), tenemos cuatro pares de electrones que unen al carbono con cuatro hidrógenos. Luego se distribuyen de manera que las repulsiones sean mínimas, lo que corresponde a la figura de un tetraedro. Cl 90° FF P 120° Cl Cl 153 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Finalmente, en el hexafluoruro de azufre (SF6) el átomo central, el azufre, tiene sus seis electrones de valencia apareados formando seis enlaces. Esta molécula presenta la estructura de un octaedro regular. La forma octaédrica también disminuye la repulsión entre seis pares electrónicos y presenta un ángulo de 90°. La geometría del dióxido de carbono (CO2) le hace ser una molécula lineal y por tanto no polar. Dióxido de carbono (CO2) O— —C— —O d. E. 5 1.0 (enlace polar) molécula no polar Para el trifluoruro de boro, la geometría corresponde a un triángulo equilátero, por tanto, la molécula es no polar. F F 90° F F F F F Una molécula puede ser polar o no, dependiendo de su geometría y no de su tipo de enlace por presentar polaridad, y será atraída por campos eléctricos o solubles en disolventes polares y conducirá la corriente eléctrica. Ejemplos de moléculas no polares son: H2 , CH4 , CO2 , CCl4 , BF3 . Obsérvese que en el caso del hidrógeno (H2), su enlace es no polar. Para el metano (CH4) la diferencia de electronegatividades de los átomos C–H es de 0.4 pauling. Sin embargo, la molécula es no polar por su geometría y existe una distribución uniforme de electrones en el exterior de la molécula y esta distribución ocurre a pesar del número de enlaces y su dirección en el espacio. C Trifluoruro de boro (BF3) F B F Molécula no polar F H Algunas moléculas polares son: H2O; HCl; NH3; PH3 d. E. = 0.4 (enlace polar) H Molécula no polar por su estructura La misma situación es para el tetracloruro de carbono, CCl4. En estas moléculas su geometría permite distinguir una región más negativa que otra; se presenta un dipolo (dos polos: 1 y 2). Para el agua H2O H Cl O H Cl C Cl d. E. = 0.5 (enlace polar) Cl 154 d. E. = 2.0 (enlace polar) H H Figura 5.8 La molécula del BF3 es no polar, aun teniendo sus tres enlaces polares (centro). Los tres momentos dipolares se anulan entre sí. Molécula no polar por su geometría d. E. = 1.4 (enlace polar) Molécula polar Geometría tetraédrica Para el ácido clorhídrico HCl H Cl d. E. = 0.9 (enlace polar) Molécula polar Geometría lineal Grupo Editorial Patria® Para la fosfina PH3 Para el amoniaco NH3 N H H H d. E. = 0.9 (enlace polar) Molécula polar Geometría tetraédrica P H H H d. E. = 0.9 Molécula polar Geometría tetraédrica La polaridad de un compuesto se mide en un aparato llamado dipolímetro y se reporta en unidades Debye (D). Esta medida es entonces su momento dipolar (µ). Sustancia Figura 5.9 Nube electrónica de los enlaces químicos. Momento dipolar (µ) CO2, bióxido de carbono 0 CH4, metano 0 C6H6, benceno 0 PH3, fosfina 0.55 H2S, ácido sulfhídrico 0.93 CH3COCH3, acetona 2.76 CH3OCH3, éter etílico 1.22 SO2, bióxido de azufre 1.61 NH3, amoniaco 1.47 H2O, agua 1.84 HCl, ácido clorhídrico 1.08 KCl, cloruro de potasio 10.6 KBr, bromuro de potasio 10.85 KI, yoduro de potasio 11.05 CHCl3, cloroformo 1.22 CH3–CH3–OH, etanol 1.74 Enlace covalente polar Es aquel que se realiza entre dos no metales diferentes, el par de electrones del enlace está distribuido de manera asimétrica entre los átomos, lo cual trae como consecuencia la formación de un dipolo. Esta polaridad se indica mediante los símbolos: δ+ y δ– (delta: δ = densidad electrónica), que es una forma de identificar al átomo con “carga parcial positiva” y al átomo con “carga parcial negativa”. Ejemplos En el caso de la formación de la molécula de cloruro de hidrógeno (HCl), la diferencia de electronegatividades es 0.9 (H = 2.1, Cl = 3.0). Esto da como resultado una molécula polar debido a la distribución desigual de la densidad electrónica alrededor del enlace. ×× H • 1 × Cl ×× ×× ×× H • × Cl ×× ×× δ(1) δ(2) H • × Cl Se produce una distribución desigual alrededor del enlace, el par de electrones del enlace se encuentra más cerca del átomo con mayor electronegatividad. Otras sustancias con este tipo de enlace son las siguientes: H2O, HBr, PCl3 , SO2 , NH3 , H2SO4 , HNO3 , CH3COOH 155 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Actividad experimental Sustancias polares y no polares En esta actividad se va a investigar la solubilidad de siete solutos en dos disolventes distintos: agua (H2O), un disolvente polar, y el hexano (C6H14), un disolvente no polar. Escribe la palabra soluble, poco soluble e insoluble, en la columna correspondiente a cada caso experimentado. Soluto Solubilidad en Solubilidad en agua (polar) hexano (no polar) (H2O) (C6H14) Urea (CO(NH2)2) Cuando dos átomos no metálicos de diferente electronegatividad se unen, comparten electrones pero la nube electrónica se deforma y se ve desplazada hacia el átomo de mayor electronegatividad, originando polos en la molécula, uno con carga parcialmente positiva y el otro con carga parcialmente negativa. En general, la diferencia de electronegatividades es menor a 1.7. Enlace covalente no polar, puro u homopolar Este tipo de enlace se tiene cuando dos átomos de un mismo elemento se unen para formar una molécula verdadera, sin carga eléctrica, simétrica y cuya diferencia de electronegatividad es cero. Yodo (I2) Ejemplos Cloruro de amonio (NH4Cl) Naftaleno (C10H8) Sulfato de cobre (II) (CuSO4) Etanol (C2H5OH) Cloruro de sodio (NaCl) Procedimiento n n n n n Toma siete tubos de ensayo y agrégales 5 mL de agua de la llave. Adiciona a cada tubo de ensayo una pequeña cantidad de cada uno de los solutos mencionados en la tabla anterior. En el caso de solutos líquidos agrega 1 mL (o 20 gotas). Molécula de oxígeno: •• •× ×× O •× O •• ×× O •• 1 ×× O (O — — O) (O2) Otras moléculas no polares son: flúor (F2), cloro (Cl2), bromo (Br2) y yodo (I2). Mezcla con cuidado el contenido de los tubos de ensayo y anota tus observaciones. Ejemplos Desecha el contenido de los tubos de ensayo. Repite los pasos anteriores, usando el hexano como disolvente y registra tus observaciones nuevamente. Contesta las siguientes preguntas: ¿Cuáles solutos fueron más solubles en agua que en hexano? Enlace covalente no polar Molécula de hidrógeno: H• 1 H •× H El par de electrones compartido se representa por una línea que une los símbolos de los átomos. H ¿Cuáles fueron más solubles en hexano que en agua? × H H (H2) Se puede representar de la siguiente forma esta molécula, que en realidad es una nube debido al movimiento de los electrones. Describe cómo se distingue una reacción química de otra con diferentes sustancias, anota tus propias conclusiones, coméntalo con tus compañeros de clase. 1s 1 1 1s 1 1s 2 El par de electrones compartidos está en el centro, a igual distancia de cada núcleo. 156 Grupo Editorial Patria® Ejemplos La molécula N2O contiene un enlace de este tipo: N ו •• N ×ו• N •• OEnlace covalente coordinado •• •• × × N OEnlace covalente coordinado Ácido sulfúrico (H2SO4) O Enlace covalente coordinado Cuando el par de electrones que forma el enlace covalente es donado por uno solo de los átomos, se denomina enlace covalente coordinado. Una vez formado este enlace no se puede distinguir del resto de los enlaces covalentes que forman la molécula. Este enlace también se le llama dativo, un átomo no metálico comparte un par de electrones con otro átomo pero el segundo los acomoda en un orbital vacío. Se dice entonces que el primer átomo da un par de electrones o que ambos átomos se coordinan para completar su “octeto”. La coordinación de los electrones entre átomos, o bien, qué átomo comparte sus electrones con el otro, se indica con una flecha. Así, en los ejemplos anteriores, se ve que el azufre dona electrones al oxígeno (H2SO4) y el nitrógeno al oxígeno (HNO3). Otro ejemplo es el cloruro de amonio (NH4Cl), donde el nitrógeno dona electrones al hidrógeno. H O S O H O O Cloruro de amonio (NH4Cl) H H O S O H H N H Cl O Enlaces covalentes H coordinados H Ácido nítrico (HNO3) H O H O N H Cl N O Enlace covalente H coordinado Enlace covalente coordinado O H O N Actividad de aprendizaje O Define el enlace covalente coordinado: Escribe dos ejemplos de compuestos que presenten enlace coordinado: 1. 2. ( Figura 5.10 Modelos de casquetes de las moléculas. ) Los enlaces polar y coordinado son una derivación del enlace: a) iónico b) metálico c) covalente d) puente de hidrógeno 157 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Propiedades de los compuestos covalentes Así como las sustancias iónicas poseen varias propiedades características, en el caso de los compuestos covalentes es difícil establecer en forma categórica estas propiedades. El enlace covalente se presenta en la mayoría de los compuestos orgánicos y en muchos inorgánicos. Se encuentra en gases, líquidos y sólidos. Estos últimos pueden presentar puntos de fusión muy bajos, como en el caso de la parafina y la naftalina. Sin embargo, existe otro tipo se sólidos en el que los átomos forman una red tridimensional unida por enlaces covalentes. Estos sólidos son duros y quebradizos, con puntos de fusión altos. Estas propiedades se deben, en parte, a la fuerza de los enlaces covalentes, y también a la estabilidad de la estructura tridimensional. Como ejemplos de sólidos que presentan esta estructura se encuentran el diamante, el dióxido de silicio (la arena común) y el carburo de silicio, un material que se utiliza como abrasivo y que contiene átomos de carbono y silicio alternados. Todos poseen la misma estructura del diamante como se puede apreciar en la siguiente figura: n Presentan puntos de fusión y ebullición bajos, pero mayores que los de las sustancias formadas por moléculas no polares de magnitud parecida. Propiedades de los compuestos con enlace covalente no polar n Moléculas verdaderas y diatómicas (con dos átomos). n Actividad química media. n Baja solubilidad en agua. n No conducen el calor o la electricidad. n n n Estado físico gaseoso, aunque pueden existir como sólidos o líquidos. Son sustancias gaseosas o muy volátiles, como por ejemplo; H2, O2, Cl2, N2. Algunos presentan puntos de fusión enormemente elevados. Son cuerpos muy duros. Insolubles en casi todos los disolventes. Ejemplos SO2, HCl, PCl5 5.5 Enlace metálico Figura 5.11 Redes cristalinas del diamante y grafito. De acuerdo con el tipo de enlace químico covalente presente en las sustancias se tienen las siguientes propiedades para cada uno de ellos: Propiedades de los compuestos con enlace covalente polar n Moléculas que existen en los tres estados físicos de agregación de la materia. n Gran actividad química. n Solubles en disolventes polares. n En disolución acuosa son conductores de la electricidad. n 158 Sus puntos de fusión y ebullición son bajos, pero más altos que los de las sustancias no polares. Teoría del mar de electrones Los cristales de los metales se caracterizan por presentar el llamado “brillo metálico”, alta conductividad eléctrica y térmica, y por la facilidad con que pueden ser estirados, forjados y doblados sin romperse. Los electrones de valencia están localizados en todo el cristal, de tal manera que este enlace se considera como una serie de iones positivos rodeados por un “mar” de electrones móviles. La alta conductividad eléctrica de los metales se explica fácilmente, considerando que sus electrones de valencia se encuentran libres para moverse cuando se les aplica un potencial eléctrico. La alta conductividad térmica de los metales es también una consecuencia de los electrones libres que pueden adquirir gran energía, moverse rápidamente a través del cristal y, por tanto, transportar el calor. La estructura de un metal puede suponerse como un empaquetamiento compacto de esferas, como se muestra en la siguiente figura. Grupo Editorial Patria® Los metales se disuelven en otros metales formando mezclas homogéneas llamadas aleaciones. A menudo, los metales puros son demasiado suaves para usos prácticos, como sucede con el aluminio; pero al mezclarlos con pequeñas cantidades de otros elementos adquieren fuerza y se modifican sus propiedades. Por ejemplo, la adición de cromo al acero aumenta la resistencia a la corrosión, igual que la adición del carbono al hierro para formar el acero. Figura 5.12 Los electrones se mueven con libertad por todo el metal entre los iones positivos. En la imagen superior se muestran los iones positivos derivados del metal (esferas positivas) rodeados por los electrones (esferas negativas) que se mueven libremente. La realidad nos muestra que la mayoría de los metales son maleables (forman láminas) y dúctiles (forman cables), lo que indica que sus átomos pueden deslizarse unos sobre otros. Este desplazamiento no produce grandes fuerzas repulsivas, porque el mar móvil de electrones proporciona una amortiguación constante entre los iones positivos. Actividad de aprendizaje Representa mediante un modelo lo que es un enlace metálico: Describe tres características del enlace metálico, menciona cuál es su uso e importancia en la práctica de la vida común: Ejemplos de sustancias que presentan el enlace metálico: todos los metales, oro (Au), sodio (Na), hierro (Fe), aleaciones como los aceros, amalgamas de mercurio (Hg), cobre (Cu), y sus aleaciones: cobre-cinc (Cu-Zn), cobre-níquel (Cu-Ni), cobre-estaño (Cu-Sn), etcétera. Los electrones libres y la energía de ionización En el enlace metálico, a diferencia del covalente, los electrones de enlace no están sujetos a un par concreto de átomos, sino que se mueven libremente por todo el metal entre los iones positivos, formados al desprenderse dichos electrones de sus respectivos átomos y se constituye lo que denominamos mar de electrones de un metal. El transporte de energía eléctrica a través del metal no requiere sólo de electrones libres, sino también necesita que se le aplique una fuerza que los obligue a desplazarse en una dirección. Cuando eso ocurre, se produce una corriente eléctrica, pues surge un transporte de carga de un extremo a otro del material. Lo anterior está en función de la llamada energía de ionización, la cual se define como la energía mínima requerida para quitar un electrón de un átomo gaseoso en su estado fundamental. M(g) M1(g) 1 e2 Se mide en kilojoules por mol (kJ/mol). La magnitud de la energía de ionización es una medida de esfuerzo necesario para que un átomo libere un electrón, o de cuán “fuertemente” está enlazado un electrón al núcleo en el átomo. A mayor energía de ionización es más difícil quitar el electrón. Veamos algunos ejemplos de energía de ionización en algunos elementos de los grupos IA y IIA: Escribe tres ejemplos de aleaciones que se puedan utilizar en diversas situaciones cotidianas: ( ) El enlace que está constituido por iones positivos sumergidos en una nube de electrones móviles es: a) Iónico b) Covalente c) Metálico d) Polar Grupo IA (1): Li 5 520 kJ Na 5 495.9 kJ K 5 418.7 kJ Grupo IIA (2): Be 5 899 kJ Mg 5 738.1 kJ Ca 5 589.5 kJ Los metales alcalinos (grupo 1 o IA) tienen las menores energías de ionización, ya que es relativamente fácil quitarles un electrón. Los metales alcalinotérreos (grupo 2 o IIA) tienen valores más altos de energía de ionización que los alcalinos. La importancia de la energía de ionización radica en la relación entre la configuración electrónica (los electrones de valencia) del átomo y la estabilidad de éstos. 159 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares En los metales se forman dos bandas. Una en la que se encuentran los electrones de la banda de valencia que se denomina “banda de valencia” y otra que se llama “banda de conducción”, que es la primera banda vacía. Figura 5.13 Comparación entre propiedades mecánicas de los sólidos metálicos y los iónicos. Teoría de bandas Esta teoría representa un modelo más elaborado para explicar la formación del enlace metálico; se basa en la teoría de los orbitales moleculares, la cual establece que cuando dos átomos se enlazan, los orbitales de la banda de valencia se combinan para formar dos orbitales nuevos que pertenecen a toda la molécula, uno que se denomina enlazante (de menor energía) y otro antienlazante (de mayor energía). Si se combinan 3 átomos se forman 3 orbitales moleculares, con una diferencia de energía entre ellos menor que en el caso anterior. En general, cuando se combinan “n” orbitales, de otros tantos átomos, se obtienen “n” orbitales moleculares de energía muy próxima entre sí y constituyen lo que se llama una banda. En los metales existe un número muy grande de orbitales atómicos para formar enlaces deslocalizados que pertenezcan a toda la red metálica (como si fuese una gran molécula). Como el número de orbitales moleculares es muy grande forman una banda en la que los niveles de energía, como se ha dicho anteriormente, están muy próximos. En los metales, la banda de valencia está llena o parcialmente llena; pero en estas sustancias, la diferencia energética entre la banda de valencia y la de conducción es nula, es decir están solapadas. Por ello, tanto si la banda de valencia está total o parcialmente llena, los electrones pueden moverse a lo largo de los orbitales vacíos y conducir la corriente eléctrica al aplicar una diferencia de potencial. En el caso de los aislantes la banda de valencia está completa y la de conducción vacía; pero a diferencia de los metales, no sólo no solapan sino que además hay una importante diferencia de energía entre una y otra (hay una zona prohibida) por lo que no pueden producirse saltos electrónicos de una a otra. Es decir, los electrones no gozan de la movilidad que tienen en los metales y, por ello, estas sustancias no conducen la corriente eléctrica. Un caso intermedio lo constituyen los semiconductores; en el caso de las sustancias de este tipo, la banda de valencia también está llena y hay una separación entre las dos bandas, pero la zona prohibida no es tan grande, energéticamente hablando, y algunos electrones pueden saltar a la banda de conducción. Estos electrones y los huecos dejados en la banda de valencia permiten que haya cierta conductividad eléctrica. La conductividad en los semiconductores aumenta con la temperatura, ya que se facilitan los saltos de los electrones a la banda de conducción. Son ejemplos de semiconductores: germanio (Ge), silicio (Si), arseniuro de galio (Ga-As) y el antimoniuro de indio (In-Sb). Características que se derivan del enlace metálico Las propiedades del enlace metálico son las siguientes: n n Son buenos conductores de la electricidad y del calor. n Presentan un brillo característico. n n Figura 5.14 Se observa que la conductividad depende de la posición de las bandas de conducción y de valencia. 160 A excepción del mercurio, los metales puros son sólidos a temperatura ambiente. No obstante, sus puntos de fusión son muy variables, aunque generalmente altos. n Son dúctiles y maleables. Esto se debe a la no direccionalidad del enlace metálico y a que los “restos positivos” son todos similares, con lo que cualquier tracción no modifica la estructura de la red metálica, sin aparecer repulsiones internas. Presentan el llamado “efecto fotoeléctrico”; es decir, emiten electrones cuando son sometidos a una radiación de determinada energía. Se suelen disolver unos en otros formando disoluciones que reciben el nombre de aleaciones. Grupo Editorial Patria® En la industria los metales tienen una amplia aplicación, por su ductilidad y conductividad se fabrican cables y alambres de diferentes diámetros; por su maleabilidad se tienen láminas y hojas para cubiertas; por su dureza y tenacidad se les emplea en la fabricación de herramientas, utensilios, piezas mecánicas, etcétera. También se aplican en equipo instrumental científico o de laboratorio, médico, mecánico, partes de automóviles, tuberías para conexiones de agua y eléctricas, acuñación de monedas, soldaduras, linotipos, joyería, adornos, protecciones, etcétera. Conocer las diferentes formas de interactuar que tienen los elementos entre sí nos ha permitido, en años recientes, tener un notable desarrollo de nuevos materiales que se aplican en muchos ámbitos: alimentación, textiles, colorantes, agricultura, medicina, comunicaciones, vehículos, etc., lo cual nos proporciona mayor comodidad en nuestras actividades. Los notables avances en los viajes espaciales, para descubrir nuevas galaxias, planetas o estrellas, es sumamente interesante y motivador para seguir buscando nuevos materiales. Los nuevos materiales a base de aleaciones metálicas. Principales características y usos Material Metales Aplicación Fusibles térmicos. Cu-Zn-Al Cu-Zn-Ni Rearmables. Detectores y accionadores de dispositivos de control térmico (por ejemplo, alarmas contra incendios). Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni El elemento con memoria de forma puede efectuar las dos funciones al mismo tiempo. Detectores de calentamiento excesivo de celdas en cuñas electrolíticas. Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni Elimina la detección manual. Anillos de ensamblaje rápido de tubería. Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni Elimina la necesidad de soldadura en tubería submarina (Ti-Ni). Procesos económicos. Barras de tratamiento de escoliosis severas (desviaciones de la columna vertebral). Ti-Ni Implantable en el cuerpo humano. Aleación inerte. Grapas para ligadura de trompas de Falopio. Ti-Ni Anticoncepción. Dispositivos diversos para ortopedia. Ti-Ni Aleación inerte. Buena resistencia mecánica. Antenas autodesplegables para satélites. Ti-Ni Ya han sido utilizadas. Controles térmicos de flujo de agua o gas. Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni Válvulas térmicas. Relevadores térmicos. Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni No necesitan ser rearmables. Motores de estado sólido. Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni De baja eficiencia pero económicos y de mantenimiento simple. Alambres para guías de fibras ópticas. Ti-Ni Ayudan a la introducción de una fibra óptica en el cuerpo humano. Sistemas de abertura automática de aireación. Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni Invernaderos, automóviles, etcétera. Resortes con geometrías diversas. Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni Aplicaciones de alta tenacidad. Partes de aviones y automóviles. Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni Se han usado también en cohetes militares. Sistemas de reducción de ruido. Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni Cubren el espectro audible. 161 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Dispositivo de implante en uso o probados, su función y los biomateriales empleados Dispositivo Biomaterial Función Humor artificial vítreo. Esponja de silicón, teflón: poligliceril metacrilato (pgma). Llenar la cavidad vítrea del ojo. Prótesis de córnea. Polimetil metacrilato (pmma); hidrogel. Proporciona una vía óptica a la retina. Lentes intraoculares. pmma Ducto artificial del saco lagrimal. pmma. Corregir la obstrucción crónica. Trompa de Eustaquio artificial. Goma elástica de silicón, teflón. Propiciar tránsito de ventilación pura. Tubulación nerviosa. Membrana de silicón, metales quirúrgicos porosos. Poner en línea recta diversos nervios. Prótesis oído medio. pmma; hilo Reemplazar huesos dañados del oído medio. Guías percutáneas. Nylon o dacrón terciopelado, pmma. Conducir potencia o electricidad a dispositivos sensoriales. Prótesis auditivas, prótesis visuales. Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón; pmma. Restauración de oído y visión. Analgesia eléctrica. Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón; pmma. Eliminar dolor crónico. Control eléctrico de ataque epiléptico. Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón. Conducir señales eléctricas al cerebro. Estimulación frénica. Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón. Control de la respiración eléctricamente. Control de la vejiga. Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón. Estimular la liberación de la vejiga. (lentes); nylon, polipropileno, Pt, Ti, Au (aros). metálico; proplast (ptfe + fibra de carbón); biovidrio. Corregir problemas causados por cataratas. Corazón y sistema cardiovascular Estimulación al miocardio y endocardio (marcapasos de corazón). Acero inoxidable, contenedores de Ti, goma elástica de silicón, cera epoxi encapsulada; electrodos de Pt o aleaciones Pt-Ir. Mantener el ritmo cardiaco. Desviaciones crónicas y catéteres. Polietileno, revestimientos hidrofílicos. Auxiliar en hemodiálisis. Válvulas cardiacas. Aleaciones Co-Cr; carbón isotrópico a baja temperatura, injertos porcinos; aleaciones de Ti con silastic o discos de carbón pirolítico. Reemplazar válvulas enfermas. Prótesis arteriales y vasculares; componentes artificiales del corazón; dispositivos auxiliares del corazón. Segmentos de poliuretano, goma elástica de silicón o ejes de carbón pirolítico con mallas de dacrón; heparina + gbh o tgbh revestimiento sobre teflón o goma elástica de silicón; phema revestidas con polímeros; dacrón terciopelado, fieltros y tejidos; tejidos de poliolefinas (tp), tp con superficie de gelatina enlazada transversal; tan sólo teflón (ptfe). Reemplazar arterias dañadas y vasos sanguíneos; reemplazar el corazón. Reparar y reemplazar el esqueleto Cadera total artificial, rodilla, hombro, codo, carpo, etcétera. 162 Vástagos: acero inoxidable 316L; aleaciones Co-Cr; Ti y aleaciones T-Al-V; aleaciones ahuecadas de Co-Cr-Mo-Ni; polietileno de alta densidad y alto peso molecular; alúmina de alta densidad; “cemento” pmma; alúmina de baja densidad; Reconstrucción artrítica o fractura de polímero poliacetal; recubrimientos de metal-carbón pirolítico; recubrimiento de articulaciones. metal-biovidrio; politetrafluoroetileno poroso (ptfe); recubrimientos de ptfecarbón sobre metal; fibras de pmma-carbón, polvos compuestos de pmmaceravital; acero inoxidable poroso; Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti Grupo Editorial Patria® Dispositivo Biomaterial Función Placas de hueso, tornillos, alambre. Acero inoxidable 316L; aleaciones Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti; fibra compuesta de polisulfona-carbón; fibra compuesta de biovidrio-metal; compuesto de ácido polilático-ácido poliglicólico. Reparar fracturas. Clavos intramedulares. Acero inoxidable 316L; aleaciones Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti; fibra compuesta de polisulfona-carbón; fibra compuesta de biovidrio-metal; compuesto de ácido polilático-ácido poliglicólico. Alinear fracturas. Varillas Harrington. Acero inoxidable 316L; aleaciones Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti; fibra compuesta de polisulfona-carbón; fibra compuesta de biovidrio-metal; compuesto de ácido polilático-ácido poliglicólico. Corregir la curvatura crónica de la espina. Miembros del cuerpo artificiales implantados permanentemente. Acero inoxidable 316L; aleaciones Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti; fibra compuesta de polisulfona-carbón; fibra compuesta de biovidrio-metal; compuesto de ácido polilático-ácido poliglicólico, además de nylon o dacrón terciopelado sobre silastic para tejido suave con crecimiento interno. Reemplazar extremidades perdidas. Separadores y extensores vertebrales. Al2O3. Corregir deformidades congénitas. Fusión espinal. Biovidrio. Inmovilizar vértebras para proteger la médula espinal. Estimulación funcional neuromuscular. Electrodos de Pt, Pt-Ir; silicón, aislamiento de teflón. Controlar músculos eléctricamente. Dental Reposición de hueso alveolar, reconstrucción mandibular. ptfe carbón compuesto (proplast); Al2O3 poroso; ceravital; hema hidrogel-relleno, apatidentalta porosa; fosfato tricálcico; copolímero pla/pga; biovidrio, apatita densa. Restaurar el soporte alveolar para mejorar la dentadura adecuada. Implantes de reemplazo de dientes (aletas, anclas, espirales, cilindros en forma natural o con base modificada). Acero inoxidable, aleaciones Co-Cr-Mo, Ti y aleaciones de Ti, Al2O3, biovidrio, carbón LTl, pmma, proplast, aluminato de calcio poroso, mineral de MgAl2O4 , carbono vítreo, hidroxiapatita densa. Reemplazar dientes enfermos, lesionados o no existentes. Implantes de reemplazo o de dientes subperiósticos. Acero inoxidable, aleación de Co-Cr-Mo, recubrimientos de carbón lti . Soportar el puente de trabajo o directamente dientes sobre el hueso alveolar. Anclas ortodónticas. Biovidrio bañado de Al2O3 ; biovidrio bañado de Vittalium. Proporcionar postes para la aplicación del esfuerzo requerido para cambiar deformidades. Prótesis para relleno de tejido blando Contorno de cara y prótesis de relleno (nariz, oreja, mejilla). Reemplazar tejido enfermo, traumatizado o con tumores. Goma elástica de silicón (silastic), polietileno, fluido, fluido de colágeno disuelto. Prótesis mamarias. Gel y goma elástica de silicón, tejido de dacrón, esponja hydrón. Reemplazar o aumentar el seno. Hueso para defectos craneales y prótesis de reconstrucción maxilofacial. Resina acrílica, curada-uniforme; acero inoxidable, aleación Co-Cr, lámina de Ta, polietileno y uretano poliéster cubierto de tereftalato de polietileno recubierto de malla tejida. Rellenar defectos. Cartílago articular artificial. Hidrogel pva cristalizado y polímeros de poliuretano; pfte con fibras de grafito (proplast). Reemplazar los cartílagos deteriorados por artritis. ptfe, silicón Miscelánea de tejido suave Uretra, vejiga y pared intestinal artificiales. Teflón, nylon-poliuretano compuesto; pericardio tratado de bovino; banda elástica Reemplazar tejido dañado. de silicón. Piel artificial. Colágeno procesado; membrana de silicón ultradelgada de espuma de policaprolactona (pca); película pca compuesta. Tratamiento en quemaduras severas. Desviación hidrocefálica. Cinta elástica de silicón. Propiciar el drenaje y reducir la presión. 163 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Dispositivo Biomaterial Función Parches suaves. Acero inoxidable, malla de dacrón. Reparar hernias. Desviaciones internas. Colágeno modificado; silastic. Propiciar el acceso rutinario a las unidades de diálisis. Desviaciones externas. Silastic-teflón o dacrón. Propiciar el acceso rutinario para diálisis. Suturas. Acero inoxidable, seda, nylon, pga, dacrón, cuerda de tripa, polipropileno. Mantener el contacto suave para ayudar a la cicatrización. Sistemas de liberación de drogas. Cinta elástica de silicón, hidrogeles de copolímero etileno-acetato de vinilo, pla/pga polisacáridos-polímeros de vinil. Reemplazar drogas progresivamente; inmovilizar enzimas. Tráquea artificial. Malla de dacrón poroso-poliéster uretano, malla de Ta, esponja Ivalon y malla de polipropileno. Reconstrucción de la tráquea. Actividad experimental Enlace químico Al finalizar la práctica el alumno, en función de las propiedades de una sustancia, determinará la importancia del enlace y la polaridad de una sustancia en situaciones prácticas de uso común. Consideraciones teóricas Los átomos de un compuesto químico se encuentran unidos entre sí mediante fuerzas de atracción, a las cuales se les denomina enlace químico. La unión de los elementos de la tabla periódica genera moléculas, radicales o iones. Sustancias n 25 mL de solución de cloruro de sodio n 25 mL de solución de azúcar n 25 mL de ácido clorhídrico n 25 mL de agua destilada Observa lo que ocurre, anota tus comentarios: Una de las características principales de los gases nobles e inertes es su extrema estabilidad debido a que sus niveles energéticos se encuentran completos. El enlace iónico se forma entre dos átomos, uno positivo (metálico) y otro negativo (no metálico). El enlace covalente puede ser polar, no polar o coordinado. Se realiza entre dos no metales, con sus diferentes variaciones entre cada uno de ellos. También existe el enlace metálico, porque se produce cuando se combina dos o más elementos metálicos. También existe el enlace por puente de hidrógeno que tiene propiedades muy importantes. Experimento 1 Procedimiento En 4 vasos de precipitados de 100 mL agrega las siguientes soluciones: en el primero, 25 mL de agua destilada; en el segundo, solución de cloruro de sodio; en el tercero, solución de azúcar y en el cuarto, ácido clorhídrico. Mide la conductividad eléctrica introduciendo en cada una de las soluciones las terminales de cobre, cerrando el circuito. Material y aparatos n 4 vasos de precipitados de 100 mL n 1 circuito eléctrico 164 Completa lo siguiente: Sustancia Solubilidad Benceno Sí/No Polar/ No polar Solución de Cloruro de sodio Solución de azúcar Ácido clorhídrico Compara resultados y comenta tus dudas, elabora tus propias conclusiones: Grupo Editorial Patria® Actividad experimental Experimento 2 Procedimiento Coloca en un tubo de ensayo 3 g de cloruro de sodio y en otro 3 g de vaselina y, en el último 3 g de ácido benzoico; a cada uno agrega 10 mL de agua. Tápalos y agítalos. Observa lo que ocurre. Repite el experimento usando benceno en sustitución de agua, tapa y agita. Material n 6 tubos de ensayo de 15 3 150 mm Sustancias n 2 mL de benceno n 3 g de cloruro de sodio n 3 g de vaselina sólida n 3 g de ácido benzoico n 10 mL de agua Observa lo que ocurre, anota tus comentarios: Describe a qué se debe la reacción de cada experimento y qué implicaciones tendrías al mezclar sustancias sin saber cuál va a ser la reacción química que se va a generar, da tu opinión al respecto. Completa el siguiente cuadro: Sustancia Agua Sí/No Solubilidad Benceno Sí/No Polar/ No polar Ácido benzoico ¿Qué tipo de solvente es el agua? Cloruro de sodio ¿Qué tipo de solvente es el benceno? Vaselina Actividad experimental Experimento 3 n 5 g de azúcar Procedimiento n 5 g de almidón En una cápsula de porcelana coloca 5 g de azúcar, sostén la cápsula con las pinzas y acércala a la flama del mechero durante 3 minutos; observa lo que ocurre. Repite el experimento, pero ahora con 5 g de cloruro de sodio y posteriormente con 5 g de almidón. Observa lo que ocurre en cada caso. Material n 3 cápsulas de porcelana n 1 pinzas para cápsula n 1 mechero Sustancias n 5 g de cloruro de sodio 165 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Observa lo que ocurre, anota tus comentarios: Menciona varios ejemplos de cada sustancia y que tenga que ver productos de uso común en tu hogar, da tu opinión sobre la importancia de cada uno de ellos y el uso correcto que se les debe dar. Completa el siguiente cuadro: Sustancia Se fundió Sí/No Polar/ No polar Solución de cloruro de sodio Azúcar Almidón 5.6 Fuerzas intermoleculares Anteriormente se estudiaron las propiedades físicas de los gases en términos de la teoría cinética-molecular. En los gases las moléculas se encuentran muy separadas y en movimiento caótico constante. La energía cinética promedio de las moléculas es mucho mayor que la energía de atracción promedio entre ellas, y esta falta de fuerzas de atracción entre moléculas permite que un gas se expanda para llenar el recipiente que lo contiene. En los líquidos, las fuerzas de atracción intermoleculares tienen la suficiente intensidad para mantener juntas a las moléculas, por ello, son mucho más densos y menos compresibles que los gases. A diferencia de éstos, los líquidos tienen un volumen definido, independientemente del tamaño y la forma del recipiente que los contenga. Las fuerzas de atracción en los líquidos no son, sin embargo, tan fuertes como para evitar que las moléculas estén en continuo movimiento. Así, se pueden verter y tomar las formas de sus recipientes. En los sólidos, las fuerzas de atracción intermoleculares son tan fuertes que no sólo mantienen a las moléculas muy juntas unas a otras, sino que ocupan un lugar definido. Los sólidos, como los líquidos, no son compresibles porque hay poco espacio entre sus moléculas y, con frecuencia, éstas toman posiciones de acuerdo con un patrón regular. Como las partículas de un sólido no tienen libertad de movimiento, son rígidos; tienen estructuras muy ordenadas, son cristalinos. El estado de una sustancia depende mucho del equilibrio entre la energía cinética de las partículas y las energías de atracción entre ellas. La energía cinética, que depende de la temperatura, tiende a conservar apartadas y en movimiento a las partículas, las atracciones intermoleculares tienden a mantenerlas unidas. Aquellas sus166 tancias que son gases a la temperatura ambiente tienen atracciones intermoleculares más débiles que las líquidas y éstas, a su vez, tienen atracciones más débiles que las sólidas. Se puede cambiar una sustancia de un estado a otro, calentándola o enfriándola, lo cual cambia la energía cinética promedio de sus partículas. Por ejemplo, el cloruro de sodio (NaCl), que es un sólido a la temperatura ambiente, se funde a 804 °C y hierve a 1 465 °C a una atmósfera de presión. A la inversa, el monóxido de nitrógeno (N2O), un gas a la temperatura ambiente, se licua a −88.5 °C y solidifica a −102.4 °C a una atmósfera. La intensidad de las fuerzas intermoleculares de las diferentes sustancias varía dentro de un amplio margen. A pesar de ello, generalmente son mucho más débiles que los enlaces iónicos o covalentes. Por ejemplo, se requieren sólo 16 kJ/mol para vencer las atracciones intermoleculares entre las moléculas de ácido clorhídrico (HCl) en el estado líquido y lograr su evaporación. En contraste, la energía requerida para romper el enlace covalente y disociar el HCl en átomos de H y de Cl es de 431 kJ/mol. Se requiere menos energía para evaporar un líquido o fundir un sólido que para romper los enlaces covalentes de las moléculas. Así, cuando una sustancia molecular como el HCl cambia de sólido a líquido y a gas, las moléculas permanecen intactas. Muchas propiedades de los líquidos, incluidos sus puntos de ebullición, reflejan la intensidad de las fuerzas intermoleculares. Un líquido hierve cuando se forman dentro de sí burbujas de su vapor. Las moléculas de un líquido deben vencer sus fuerzas de atracción a fin de separarse y formar un vapor. Cuanto más intensas sean dichas fuerzas mayor será la temperatura a la cual hierve el líquido. Del mismo modo, los puntos de fusión de los sólidos aumentan al incrementarse la intensidad de las fuerzas intermoleculares. Grupo Editorial Patria® Se conocen tres tipos de fuerzas de atracción entre las moléculas neutras: fuerzas dipolo-dipolo, fuerzas de dispersión de London, y puentes de hidrógeno. Las dos primeras se llaman también fuerzas de Van der Waals, en honor de Johannes Van der Waals, quien desarrolló la ecuación para predecir la desviación de los gases del comportamiento ideal. Fuerzas dipolo-dipolo Las fuerzas dipolo-dipolo existen entre moléculas polares neutras. Las moléculas polares se atraen unas a otras cuando el extremo positivo de una molécula está cerca del extremo negativo de otra, como se ilustra a continuación: Otra clase de fuerza de atracción, la fuerza dipolo-dipolo inducido, tiene importancia en las disoluciones. Como grupo, las fuerzas intermoleculares tienen menos de 15% de la intensidad de los enlaces covalentes o iónicos. Al estudiarlas, se debe observar que cada una es de naturaleza electrostática e implica la atracción entre especies positivas y negativas. Fuerzas dipolo-dipolo inducido En ciertas ocasiones, una molécula polar (dipolo), al estar próxima a otra no polar, induce en ésta un dipolo transitorio, produciendo una fuerza de atracción intermolecular llamada dipolodipolo inducido. Así, el agua cuya molécula es un dipolo, produce una pequeña polarización en la molécula no polar de oxígeno, la cual se transforma en un dipolo inducido. Esto hace que el oxígeno (O) y el dióxido de carbono (CO2), que son no polares, presenten cierta solubilidad en solventes polares, como el agua. Figura 5.16 La molécula del agua constituye un ejemplo de molécula polar. Las fuerzas dipolo-dipolo son efectivas sólo cuando las moléculas polares están muy próximas y, generalmente, son más débiles que las fuerzas ion-dipolo. Cuando dos moléculas polares (dipolo) se aproximan, se produce una atracción entre el polo positivo de una de ellas y el negativo de la otra. Esta fuerza de atracción entre dos dipolos es tanto más intensa cuanto mayor es la polarización de dichas moléculas polares. Por ejemplo, el HCl es una molécula polar porque hay una diferencia en las electronegatividades de los átomos de H y Cl. El grado de separación de las cargas en una molécula polar se mide por su momento dipolar, el del HCl es de 1.03 Debyes (D). Los iones positivos son atraídos al extremo negativo de un dipolo, en tanto que los iones negativos son atraídos al extremo positivo, como se muestra en la figura. La magnitud de la energía de la interacción depende de la carga del ion (Q), del momento dipolar del dipolo m, y de la distancia del centro del ion al punto medio del dipolo (d): E a Q m/d 2. Molécula no polar 12 12 Figura 5.15 Fuerzas dipolo-dipolo inducido. Dipolo inducido o transitorio Dipolo Figura 5.17 Un ion en el seno de un disolvente polar como el agua es rodeado por los pequeños dipolos eléctricos que constituyen sus moléculas, las cuales se orientan de modo que la carga del ion sea envuelta por cargas de signo contrario. Si el disolvente es agua, el fenómeno se denomina hidratación. En el caso más general recibe el nombre de solvatación y permite explicar la capacidad de los líquidos polares para disolver sólidos iónicos. Estas fuerzas de atracción, llamadas dipolo-dipolo, se observan en las moléculas covalentes polares, como el sulfuro de hidrógeno (H2S), el metanol (CH3OH), la glucosa (C6H12O6), etc. Estas sustancias de elevada polaridad se disuelven en solventes polares tales como el agua. En los líquidos, las moléculas dipolares están libres para moverse unas respecto a otras. Algunas veces tendrán una orientación en que se atraen y otras en que se repelen. Dos moléculas que se atraen pasan más tiempo cerca 167 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares una de la otra que dos partículas que se repelen entre sí. De esta forma, el efecto general es una atracción neta. Al examinar varios líquidos se observa que para las moléculas de masa y tamaño semejante, las energías de las atracciones intermoleculares aumentan cuando la polaridad aumenta. Los puntos de ebullición crecen cuando el momento dipolar se incrementa. Masas moleculares, momentos dipolares y puntos de ebullición de sustancias Masa molecular (uma) Momento dipolar µ (D) Punto de ebullición (K) Propano, CH3CH2CH3 44 0.1 231 Éter dimetílico, CH3OCH3 46 1.3 249 Cloruro de metilo, CH3Cl 50 2.0 249 Acetaldehído, CH3CHO 44 2.7 293 Acetonitrilo, CH3CN 41 3.9 355 Sustancias Fuerzas de dispersión o fuerzas de London ¿Qué clase de fuerzas intermoleculares puede haber entre átomos o moléculas no polares? Desde luego, no pueden ser fuerzas dipolo-dipolo si las partículas son no polares. Puesto que los gases no polares se pueden licuar, ello indica que debe haber alguna clase de fuerzas de atracción entre ellas. El origen de esta atracción la propuso por primera vez en 1930 Fritz London, físico germanoestadounidense. London reconoció que el movimiento de los electrones en un átomo o en una molécula puede crear un momento dipolar instantáneo. Por ejemplo, los átomos de helio. En un conjunto de átomos de helio, la distribución promedio de los electrones alrededor de cada núcleo es esféricamente simétrica. Los átomos son no polares y no poseen momento dipolar permanente. La distribución instantánea de los electrones puede, sin embargo, ser diferente de la distribución promedio. Por ejemplo, si en determinado instante pudiéramos congelar el movimiento de los electrones en un átomo de helio, ambos podrían estar de un solo lado del núcleo. Entonces, justo en ese momento, el átomo podría tener un momento dipolar instantáneo. Como los electrones se repelen uno al otro los movimientos de los electrones de sus átomos vecinos pueden inducir un dipolo similar en un átomo adyacente, ocasionando la atracción de los átomos entre sí. 168 Figura 5.18 Dos representaciones esquemáticas de los dipolos instantáneos en dos átomos de helio adyacentes, que muestran la atracción electrostática entre ellos. Esta fuerza de atracción se llama fuerza de dispersión de London (o fuerza de dispersión). Esta fuerza es significativa sólo cuando las moléculas están muy próximas entre sí. La facilidad con la que una fuerza externa distorsiona la distribución de cargas en una molécula se llama polarizabilidad. Cuanto mayor sea la polarizabilidad de una molécula, más fácilmente se puede distorsionar su nube electrónica para dar un dipolo momentáneo, y así, mayor será la energía de las fuerzas de dispersión de London. En general, las moléculas más grandes tienen mayor polarizabilidad porque sus electrones están más alejados de los núcleos. Por consiguiente, la energía de las fuerzas de dispersión de London tiende a aumentar con el incremento en el tamaño molecular. Como el tamaño y el peso molecular son generalmente paralelos, las fuerzas de dispersión tienden a aumentar cuando el peso molecular se incrementa. Así, los puntos de ebullición de las sustancias enumeradas en el cuadro siguiente aumentan con el incremento en el peso molecular. En las moléculas no polares puede producirse transitoriamente un desplazamiento relativo de los electrones originando un polo positivo y otro negativo (dipolo transitorio) que determinan una atracción entre dichas moléculas (el polo positivo de una molécula atrae al polo negativo de la otra, y viceversa). Estas fuerzas de atracción son muy débiles y se denominan fuerzas de London. La forma de las moléculas también juega un papel importante en la magnitud de las fuerzas de dispersión. Por ejemplo, el n-pentano y el neopentano tienen la misma fórmula molecular, C5H12, pero el Grupo Editorial Patria® Enlace por puente de hidrógeno punto de ebullición del n-pentano es 27 K superior al del neopentano. La diferencia se puede atribuir a la diversidad en la forma de las dos moléculas. La atracción entre las moléculas es mayor en el caso del n-pentano porque su forma es cilíndrica y tiene un área superficial mayor y, por tanto, una mayor superficie de contacto que el neopentano, molécula de forma casi esférica. 12 12 Punto de ebullición de los halógenos y de los gases nobles Halógenos Punto de ebullición (K) Gas noble Punto de ebullición (K) F2 85.1 He 4.6 Cl2 238.6 Ne 27.3 Br2 332.0 Ar 87.5 I2 457.6 Kr 120.9 Xe 166.1 Las fuerzas de dispersión actúan sobre todas las moléculas, sean polares o no polares, de hecho, las fuerzas de dispersión entre moléculas polares pueden contribuir más a las fuerzas de atracción totales que las fuerzas dipolo-dipolo. Por ejemplo, el hecho de que el punto de ebullición del HBr (206.2 K) sea más alto que el del HCl (189.5 K), indica que las fuerzas de atracción totales son más fuertes para el HBr. La intensidad de las fuerzas de atracción no se puede atribuir a mayores fuerzas dipolo-dipolo, ya que el HBr es menos polar que el HCl (0.79D en comparación con 1.03D). Sin embargo, como el HBr tiene mayor peso y es más polarizable que el HCl, las fuerzas de dispersión son más fuertes para HBr, lo que origina que haya una fuerza de atracción total más intensa para esta molécula. Es difícil hacer generalizaciones acerca de las intensidades relativas de las fuerzas de atracción intermoleculares, a menos que se comparen moléculas ya sean de tamaño y forma similares o de polaridad y forma similares. Si las moléculas tienen tamaño y forma semejantes, las fuerzas de dispersión serán aproximadamente iguales y, por consiguiente, las fuerzas de atracción se incrementan al aumentar la polaridad. Si las moléculas son de polaridad y forma similares, las fuerzas de atracción tienden a incrementarse con el aumento en el peso molecular porque las fuerzas de dispersión son mayores. El enlace por puenteo de hidrógeno es un enlace intermolecular más fuerte que los otros de este tipo (ion-dipolo, dipolo-dipolo y fuerzas de dispersión de London), pero más débil en comparación con la mayoría de los enlaces covalentes o iónicos. La energía necesaria para romper un puente de hidrógeno es alrededor de 5 kcal/ mol; en cambio, se necesitan de 80 a 100 kcal/mol para destruir un enlace covalente. En este enlace un átomo de hidrógeno está enlazado a un átomo pequeño y muy electronegativo (flúor, oxígeno y nitrógeno); este átomo electronegativo atrae al de hidrógeno parcialmente positivo de otra molécula formando un puente que une a las moléculas. Sin los enlaces de hidrógeno no podría existir la vida, ya que a este enlace se debe la propiedad excepcional del agua de tener menor densidad en estado sólido que en estado líquido. Como el hielo es menos denso que el agua, flota. Así, al formarse una capa de hielo en los lagos actúa como aislante y protege la capa inferior de agua de la congelación. Si el hielo fuera más denso que el agua líquida, los lagos y los ríos de las regiones frías quedarían totalmente congelados desde el fondo hasta la superficie y morirían los peces y toda la vida acuática. En el mundo biológico el puente de hidrógeno se presenta en las proteínas, cuya estructura en forma de espiral está unida por enlaces de hidrógeno. Este enlace es la fuerza que mantiene unidas a las dos tiras que constituyen la espiral doble del adn. El adn se encuentra en el núcleo de la célula y es el principal depósito de la información genética. Se debe a la atracción electrostática entre el protón combinado y otro átomo de gran electronegatividad y volumen pequeño. El protón de una molécula atrae hacia él un par de electrones solitarios de un átomo como el carbono (C), nitrógeno (N) u oxígeno (O), de una molécula próxima, o a veces de la misma molécula. Este “puente de hidrógeno” no es un verdadero enlace y origina un comportamiento especial de las sustancias que lo presentan. Ejemplos: H2O, HF, CH3OH, DNA. Las sustancias con este tipo de enlace tienen puntos de fusión y ebullición elevados, y son líquidos de alto poder de disociación de los cristales iónicos. Un ejemplo interesante es el agua, compuesto líquido a temperatura ambiente, cuando por su fórmula debería ser un gas, según las fórmulas de los hidruros de azufre, selenio y telurio. Al solidificarse el agua y formar hielo presenta una estructura tetraédrica en la que cada átomo de oxígeno está rodeado por otros cuatro y entre dos oxígenos está el hidrógeno. Cada molécula es individual y como resultado de la estructura abierta, el volumen aumenta cuando el agua se congela. El hielo es menos denso que el agua, porque presenta una estructura abierta con cadenas hexagonales que se asemeja a un panal de abejas. Cuando se funde se rompen algunos enlaces de hidrógeno, 169 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Características físicas y químicas del agua El agua es la única sustancia que se presenta en la naturaleza en tres estados físicos. Como líquido se encuentra en mares, ríos, océanos, lagunas y en la lluvia; en forma sólida, en el hielo, el granizo y la nieve, y como gas, en el vapor de agua. Por tanto, el agua se evapora, se condensa, se solidifica y se funde. Figura 5.19 Obsérvense los enlaces entre los átomos de H y los de O de moléculas contiguas. El hielo y la nieve, a pesar de su apariencia distinta poseen la misma estructura cristalina. los puentes y la estructura abierta sufren un colapso parcial que ocasiona que las moléculas caigan en los espacios vacíos. El empaquetamiento de las moléculas en el agua líquida es más apretado, ocupa menos volumen que el hielo, y causa que aumente la densidad. La densidad del agua llega a su máximo a 3.98 °C. Por encima de esta temperatura, la expansión debida al movimiento de las moléculas es mayor que la concentración causada por el rompimiento de los puentes de hidrógeno y las moléculas ocupan más espacio. A partir de ese punto el agua se comporta normalmente y su densidad disminuye conforme la temperatura aumenta. Al subir la temperatura el movimiento de las moléculas aumenta, y el espacio entre ellas crece, provocando la expansión del líquido. Finalmente, los puentes de hidrógeno se rompen al llegar al punto de ebullición. El vapor de agua a más de 100 °C, consiste en moléculas de agua individuales. Actividad de aprendizaje El agua pura es líquida, incolora, inodora e insípida; hierve a 100 °C a nivel del mar (a una presión de 760 mm Hg) y se congela a 0 °C. En la Ciudad de México el agua hierve a 93 °C, es decir, siete grados menos que a nivel del mar; esto se debe a que se encuentra a una altura de 2 240 m sobre el nivel del mar (con una presión de 585 mm Hg). La mayor densidad del agua se alcanza a 4 °C, y es de 1 g/mL; en otras palabras, un mililitro de agua equivale a un gramo de agua, por lo que un litro de agua equivaldrá a un kilogramo de agua. Su calor específico es de 1 caloría por grado por gramo; es decir, un gramo de agua elevará su temperatura un grado Celsius cuando se le suministre una cantidad de energía en forma de calor equivalente a una caloría. Como se puede observar, no todas las propiedades físicas del agua tienen por valor numérico el 1. Después del aire, el agua es la sustancia más abundante sobre la Tierra. Es el único compuesto líquido con masa molecular baja (18 uma). Su forma sólida (hielo) es menos densa que la líquida, característica excepcional que permite que los peces y otros organismos acuáticos sobrevivan durante el invierno en las zonas frías. Si el hielo fuese más denso que el agua líquida, se hundiría y provocaría una congelación total desde la superficie hasta el fondo, con la consecuente desaparición de la vida acuática. Un gramo de hielo ocupa mayor volumen que un gramo de agua, de manera que cuando se forman cristales de hielo en células vivas, su expansión las rompe y las destruye. Cuanto menor es la tempe- ¿Cómo representarías un puente de hidrógeno? Argumenta tu respuesta. Escribe tres propiedades de las sustancias con enlace covalente puro o no polar, señala cómo estas sustancias se pueden aplicar y qué importancia tienen en la vida cotidiana: Escribe dos ejemplos de sustancias que presenten puentes de hidrógeno y en qué situaciones las podrías utilizar: Figura 5.20 Los copos de nieve son cristales pequeñísimos que se forman sobre la superficie de cualquier polvo (o hielo) en la atmósfera superior, cuando el vapor de agua pasa directamente a sólido. 170 Grupo Editorial Patria® Calor específico de algunas sustancias comunes Sustancia Figura 5.21 El hielo es fundamental en la protección de la vida de diferentes organismos acuáticos. ratura, los cristales de hielo son más grandes y peor el daño celular. La industria de la congelación de alimentos tiene en cuenta esta propiedad del agua. El alimento se congela en forma “ultrarrápida”; es decir, con tanta rapidez que los cristales de hielo formados son muy pequeños y el daño que causan a la estructura celular de los alimentos es mínimo. Otra propiedad poco común del agua es su elevada capacidad calorífica. Se necesita una caloría para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 °C, lo que equivale a 10 veces la energía requerida para elevar 1 °C la temperatura de la misma cantidad de hierro (Fe). Esta energía se llama calor específico. La razón por la cual los utensilios de cocina se fabrican de hierro, cobre, aluminio o vidrio, es que estos materiales tienen calores específicos bajos; en consecuencia, se calientan rápidamente. Los mangos de las sartenes se hacen de madera o de plástico porque estos materiales tienen calores específicos elevados, de manera que cuando se exponen al calor, su temperatura se eleva más lentamente. La elevada capacidad calorífica del agua significa no sólo que se requiere mucha energía para elevar su temperatura, sino también que Figura 5.22 El mango de esta sartén debe ser recubierto con plástico o madera para evitar quemarnos. Calor específico (Cal/g °C) Agua (líquida) 1.0 Agua (sólida) 0.5 Alcohol etílico 0.54 Madera 0.42 Vidrio 0.12 Hierro 0.11 Aluminio 0.21 Cobre 0.09 Plata 0.06 Oro 0.03 el agua cede mucho calor cuando experimenta una disminución de temperatura, aunque sea pequeña. Las enormes cantidades de agua en la superficie de la Tierra actúan como un termostato gigante para moderar las variaciones diurnas de temperatura. A fin de apreciar la importancia de esta propiedad del agua basta considerar los cambios de temperatura extremos en la superficie de la Luna, carente de agua. La temperatura de la Luna varía de poco más de los 100 °C hasta casi –175 °C, una diferencia de 275 °C. En la Tierra la variación oscila de –50 °C hasta 50 °C, una diferencia de sólo 100 °C. Además, el agua tiene mayor densidad que muchos líquidos comunes, incluyendo los derivados del petróleo; algunos de ellos al ser insolubles en agua flotan sobre la superficie de ésta. Esto ha causado enormes daños al ambiente en los últimos años. Por ejemplo, los gigantescos derrames de petróleo que ocurren cuando se fractura un buque-tanque o cuando un pozo petrolero queda fuera de control, producen una capa oleosa sobre la superficie del agua. El aceite cubre las plumas de las aves acuáticas y la piel de los animales marinos y en ocasiones se deposita en las playas, donde produce daños ecológicos considerables. Si el petróleo fuese más denso, se Figura 5.23 hundiría; por lo que el problema El derrame de petróleo en el mar sería de naturaleza diferente, mas perjudica enormemente a la fauna no necesariamente menos dañino. acuática. 171 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Actividad experimental Determinación del punto de ebullición del agua Con la dirección de su maestro reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y resuelvan la siguiente actividad. Contesten las preguntas. Elaboren un informe escrito donde analicen los resultados y presenten las conclusiones. Expónganlo ante sus compañeros de grupo. ¿Qué valor obtuvieron en la temperatura de ebullición del agua? °C. ¿Por qué la temperatura no aumenta después de alcanzar el punto de ebullición? Objetivo Determinar a qué temperatura hierve el agua. Materiales Si viven en lugares cercanos al mar, ¿qué valor del punto de ebullición del agua se obtiene? n Soporte universal n Termómetro de 0 a 120 °C n Anillo de hierro n Mechero de Bunsen o lámpara de alcohol n 2 pinzas de nuez n Agua de la llave n Malla o tela de alambre con asbesto n Sal de cocina o de mesa (de polvo o grano) n Matraz de fondo plano Erlenmeyer, o un vaso de precipitados n 1 varilla Si viven en lugares muy altos con respecto al nivel del mar, ¿el punto de ebullición del agua aumenta o disminuye? ¿A qué se debe esta variación? Material alternativo n 1 recipiente de vidrio que soporte el calentamiento del agua. Procedimiento ¡PRECAUCIÓN! Manejen con cuidado el mechero o la lámpara de alcohol, los materiales de vidrio y el termómetro. No toquen el anillo de hierro una vez calentado. Tengan cuidado con el agua caliente. 1. Monten el aparato como se muestra en la figura; asegúrense de que todos los materiales estén sujetos correctamente. Varilla Termómetro Agua de la llave 3. Cuelguen el termómetro con un hilo amarrado a una varilla. Si es posible acoplen un tapón de hule al termómetro que va en el matraz. 172 ¿A qué temperatura hirvió el agua? °C. ¿Cómo resultó esta temperatura con respecto al agua simple? ¿Por qué? ¿Qué función realiza la sal común en el agua? Hilo 2. Dentro del matraz viertan aproximadamente 250 mL de agua de la llave. 4. Calienten el agua hasta que empiece a hervir. Observen cuidadosamente el valor que marca el termómetro. Repitan el experimento anterior, pero agreguen al agua una o dos cucharadas de sal común. Matraz balón de fondo plano Mechero Manguera 160 Soporte universal Da tu opinión sobre el procedimiento que llevaste a cabo y los resultados que obtuviste al realizar la práctica, menciona la importancia que esto tiene en tu vida diaria. Grupo Editorial Patria® Algunas propiedades químicas del agua Químicamente, el agua existe en forma de moléculas compuestas por dos átomos de hidrógeno unidos a uno de oxígeno por medio de enlaces covalentes. Se dice que la molécula del agua tiene una forma angular, ya que al estar unidos con el oxígeno sus dos átomos de hidrógeno forman un ángulo de 104.5°. Los enlaces covalentes implican compartir electrones entre el hidrógeno y el oxígeno. El oxígeno atrae los electrones con mayor fuerza que el hidrógeno, por lo que se forma una molécula polar en la que el oxígeno tiene una carga parcial negativa y el hidrógeno, una carga parcial positiva. Figura 5.25 Representación de la molécula del agua. comienza a expandirse 10% para formar un sólido que es menos denso que el agua líquida de la cual se formó. Las moléculas que forman el hielo están todavía más separadas de lo que estaban en la forma líquida. Figura 5.24 Enlace covalente polar en la molécula de agua. El ángulo de 104.5° corresponde al formado por los átomos de hidrógeno y del oxígeno. La naturaleza polar de las moléculas del agua permite explicar algunas otras de sus propiedades, como su capacidad para disolver muchas sustancias, su tensión superficial y la acción capilar. El agua que se obtiene como producto de la combustión del hidrógeno y del oxígeno es sumamente estable, porque para descomponerla es necesario restituirle la energía que desprendió al formarse. Para disociar su molécula se requieren temperaturas mayores a los 2 500 °C, o bien, se puede recurrir a la electrólisis, que consiste en pasar corriente eléctrica a través del agua. Esto quiere decir que las moléculas polares tienen un extremo positivo y otro negativo al igual que un imán. La polaridad de las moléculas del agua explica algunas de sus propiedades singulares; por ejemplo, que se desvíe de su trayectoria al acercarle un imán potente. El agua tiene propiedades conocidas por la mayoría de las personas; por ejemplo, en estado puro es incolora, inodora e insípida, y es el único compuesto químico de la naturaleza que se puede presentar en los tres estados de agregación: sólido (nieve); líquido (mar) y gas (nubes). Como el agua es un agregado de moléculas unidas por puentes de hidrógeno, para separarlas se necesita aplicar energía extra; por eso tiene puntos de fusión y ebullición más altos que los esperados. La mayoría de las sustancias se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. El agua se rige por este comportamiento, pero a 4 °C ya no se contrae, sino que comienza a expandirse. Si se enfría todavía más se congela formando “hielo”; de pronto Figura 5.26 Formación de puentes de hidrógeno entre moléculas de agua. 173 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares A una temperatura superior a 374 °C el agua es un gas perfecto; esto significa que sus moléculas se mueven con tal energía que no se puede transformar en un líquido. Se le denomina vapor cuando puede licuarse por simple presión. La presión a la que se licua al llegar a 374 °C, es de 274 atmósferas (1 atmósfera a nivel del mar equivale a 760 mm Hg). A estas medidas se les denomina presión y temperatura críticas. Oxígeno Hidrógeno Propiedades del H2O y D2O Propiedad Masa molecular (g/mol) Punto de fusión (ºC) Punto de ebullición (ºC) H2O D2O 18 20 0 3.8 100 101.4 5.27 Agua Figura 5.27 Al aplicar energía eléctrica al agua, ésta se descompone en los elementos que la forman: oxígeno e hidrógeno. La masa molar del agua es de 18 g; 16 g por el oxígeno y 1 g por cada mol de átomos de hidrógeno. Existe el agua pesada, también llamada deuterada, cuya masa molar es de 20 g, ya que consta de hidrógeno pesado o deuterio, cuyo átomo tiene una masa de 2 uma igual a 2 g. El agua pesada es más inerte que el agua común y los seres vivos que la consuman se verían afectados por esto. A pesar que el D2O (agua pesada) se parece químicamente al H2O en todos los aspectos, es una sustancia tóxica. Esto sucede porque el deuterio es más pesado que el hidrógeno; así que sus compuestos a menudo reaccionan más lentamente que los del isótopo más ligero. Beber con regularidad D2O en vez de H2O podría ser fatal, debido a la menor velocidad de transferencia del D1 comparada con la del H1. El agua reacciona con muchas sustancias formando nuevos compuestos; por ejemplo, al reaccionar con el dióxido de carbono (CO2) produce el ácido carbono (H2CO3). CO2(g) 1 H2O(l) H2CO3(l) Densidad a 4 ºC (g/cm3) 1.0 1.1 En general, los metaloides (boro, B; aluminio, Al; silicio, Si; germanio, Ge; arsénico, As; antimonio, Sb; teluro, Te; polonio, Po), no reaccionan con el agua. El cloro (Cl) y sus homólogos flúor (F), bromo (Br), etc., reaccionan formando ácidos, ácido clorhídrico (HCl); ácido bromhídrico (HBr); ácido yodhídrico (HI); ácido fluorhídrico (HF). Cuando el agua reacciona con el cloro (Cl2), se forma ácido hipocloroso (HClO) y ácido clorhídrico (HCl). Cl2(g) 1 H2O(l) HClO(l) + HCl(g) Cuando el agua reacciona con el sodio (Na), se forma hidróxido de sodio (NaOH) y se desprende hidrógeno (H2). 2Na(s) 1 2H2O(l) 2NaOH(l) 1 H2(g) Con los no metales activos, como el flúor (F2), se produce ácido fluorhídrico (HF) y se libera oxígeno (O2): 2F2(g) 1 2H2O(l) 4HF(l) 1 O2(g) Reacción de los metales con el agua Metal Figura 5.28 El agua pesada es más inerte que el agua común debido al deuterio (isótopo del hidrógeno) cuyo mol tiene una masa de 2 uma. 174 Reacción con el agua Sodio, potasio, calcio Reaccionan con agua fría Magnesio Reacciona con agua caliente Aluminio, cinc, hierro El metal caliente reacciona con vapor de agua Plomo, cobre, plata, oro No reaccionan Grupo Editorial Patria® Otros compuestos que presentan puente de hidrógeno: Propiedades físicas del agua y otros compuestos de hidrógeno con los elementos del grupo VIA Fórmula Color Masa molar Punto de fusión (ºC) Calor de fusión J/g (cal/g) Calor de evaporación J/g (cal/g) 100.0 335 (80.0) 2.26 3 103 (540) Punto de ebullición (ºC) H2O Incoloro 18.0 H2S Incoloro 34.1 –85.5 –60.3 69.9 (16.7) 548 (131) H2Se Incoloro 81.0 –65.7 –41.3 31 (7.4) 238 (57.0) H2Te Incoloro 129.6 –2 ------------ 179 (42.8) 0.00 –49 Características de las moléculas de importancia biológica que presentan un puente de hidrógeno En la actualidad es fundamental el estudio de las sustancias quími­ cas llamadas macromoléculas por el gran tamaño y peso de las mismas. Se conocen dos tipos de dichas moléculas: las naturales y las sintéticas. Dentro de las naturales se encuentran los carbohidratos, los lípidos y las proteínas, las cuales forman parte de los seres vivos. La función principal de los carbohidratos es aportar energía al organismo. Los lípidos representan una fuente de energía, constituida por las grasas y aceites de origen vegetal y animal. Cuando los átomos son de distintos elementos, los electrones se acomodan más cerca del átomo que tiene más afinidad hacia ellos; a la tendencia de los átomos de atraer los electrones en un enlace se le conoce como electronegatividad. Los elementos de mayor electronegatividad atraen con más fuerza los electrones de los elementos menos electronegativos. Hay uniones especiales que no pueden considerarse como un enlace propiamente dicho, su importancia radica en que intervienen en la estructura de moléculas tan importantes como lo son los ácidos nucleicos, las proteínas, las grasas, el agua, etc.; estas uniones se conocen como puentes de hidrógeno, se establecen entre un átomo de hidrógeno unido en enlace covalente a un átomo muy electronegativo (por ejemplo flúor, nitrógeno, oxígeno) y otro átomo menos electronegativo. Por ejemplo, el agua está formada por un átomo de oxígeno (muy electronegativo) y dos átomos de hidrógeno (muy poco electronegativos). Esto propicia que el oxígeno atraiga los electrones del enlace hacia él, con lo que el hidrógeno pierde parcialmente sus electrones adquiriendo una carga parcial positiva y el oxígeno una carga parcial negativa que se representan (δ1) y (δ2), respec- tivamente; esto quiere decir que no son cargas por completo positivas o negativas. Ηδ1Ηδ1Ηδ1Ηδ1 Oδ2 Oδ2 Oδ2 Oδ2 Ηδ1Ηδ1Ηδ1Ηδ1 Gracias a los puentes de hidrógeno el agua se comporta como un líquido a temperatura ambiente; si no existieran estos puentes, las moléculas de agua se atraerían con menor fuerza y sería muy fácil separarlas. En los compuestos orgánicos de importancia biológica y su estructura química basada en el puente de hidrógeno se tienen: proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos. Las proteínas son polímeros de moléculas más pequeñas llamadas aminoácidos. Hay 20 aminoácidos distintos. La estructura típica de un aminoácido es un carbono alfa unido a un hidrógeno, un grupo amino, un grupo carboxilo y una cadena lateral R que es distinta en cada uno de los 20 aminoácidos que existen. Los aminoácidos se unen entre sí por una reacción de deshidratación entre el grupo amino de un aminoácido y el carboxilo del otro en lo que se llama un enlace peptídico, para formar las largas cadenas polipeptídicas que forman las proteínas. Los ácidos nucleicos son el adn y el arn. También son polímeros de moléculas más pequeñas llamadas nucleótidos. La estructura química de un nucleótido consiste en un grupo fosfato unido a un azúcar de 5 carbonos (pentosa) que puede ser una ribosa o una desoxirribosa y ésta a su vez está unida a una base nitrogenada que puede ser una purina (2 anillos) o una pirimidina (1 anillo). Los nucleótidos se unen entre sí por uniones fosfodiester para formar los ácidos nucleicos. 175 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Funciones de las proteínas Proteínas estructurales Funciones Insolubles en agua: Localizadas en: Colágenos Tejido conjuntivo Elastinas Tendones y las arterias Miocinas Tejidos musculares Queratinas Pelo y uñas Proteínas globulares Figura 5.29 Representación del arreglo plano en las proteínas. Los hidratos de carbono o polisacáridos son polímeros de moléculas más pequeñas llamados monosacáridos. Los monosacáridos son aldehídos y cetonas con más de una función alcohol en carbonos diferentes. Responde a la fórmula molecular Cn(H2O)n, donde n es un número entero, por lo general 5 y 6. Los monosacáridos de 5 y 6 carbonos se llaman pentosas y hexosas. La glucosa, la manosa y la galactosa son aldohexosas. La fructosa es una cetohexosa. Los monosacáridos se asocian entre sí por reacción de deshidratación para formar uniones glucosídicas. Existe gran variedad de lípidos. Los ácidos grasos consisten en un grupo carboxilo y una larga cadena hidrocarbonada. Los ácidos grasos por esterificación con el glicerol forman los triglicéridos. Un grupo muy diverso de proteínas contiene estructuras hélice-α: las queratinas, que es un grupo de proteínas fibrosas poseen estructuras que están básicamente compuestas por esta estructura secundaria. Estas proteínas son los componentes mayoritarios del pelo y la piel. La rigidez de estos tejidos depende de la presencia de puentes disulfuro en las proteínas. A diferencia de las queratinas, la hemoglobina posee sólo 80% de hélice-α y es una proteína globular y flexible. Una hélice-α está estabilizada por puentes de hidrógeno entre los oxígenos de los grupos carbonilo del enlace peptídico y los hidrógenos de las amidas que son parte del esqueleto del polipéptido (véase figura anterior). Los puentes de hidrógeno se forman desde el grupo carbonilo de un enlace peptídico hasta el hidrógeno de la amida del cuarto enlace peptídico siguiente (o anterior en la parte 176 Se pueden dispersar en soluciones acuosas: Localizadas en: Albúminas Sangre Globulinas Toman parte en el transporte del oxígeno a todo el cuerpo (hemoglobina) y en la defensa del organismo contra las enfermedades (gammaglobulina) Proteínas conjugadas Complejos de proteínas enlazadas a otras moléculas: Localizadas en los complejos de: Nucleoproteínas Proteínas y ácidos nucleicos Lipoproteínas Proteínas y lípidos Fosfoproteínas Proteínas y compuestos fosforados Cromoproteínas Proteínas y pigmentos (es decir, hemoglobina) media de la hélice), esto le da a la estructura su carácter helicoidal. De tal forma que todos los residuos que participan en la hélice están unidos por puentes de hidrógeno. La hoja beta es otra forma de estructura secundaria en la cual todos los componentes del enlace peptídico están involucrados en la formación de puentes de hidrógeno. Las superficies de las hojas beta aparecen plegadas y, por tanto, a menudo se les denomina como “hojas beta plegadas”. Cuando se realizan ilustraciones de esta estructura secundaria en la proteína, se representa con flechas anchas. Los cinco elementos que existen en la mayor parte de las proteínas naturales son carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre. Hay una amplia variación en la cantidad de azufre de las proteínas. La gelatina, por ejemplo, contiene aproximadamente 0.2%, en contraste con 3.4% en la insulina. Grupo Editorial Patria® Aplica lo que sabes ¿Cómo se limpian las monedas? Repitan el experimento anterior agregando únicamente sal. Con la guía de tu profesor intégrate en un equipo de cuatro o cinco compañeros. Realicen esta actividad en casa y contesten las preguntas correspondientes. Elaboren un informe escrito con sus conclusiones y expónganlo ante sus compañeros de grupo. ¿Qué sucedió? Actividad Investiguen qué otros ácidos caseros se pueden utilizar mezclados con la sal en lugar del jugo de limón. Anótenlos a continuación: Coloquen una moneda de cobre manchada dentro de un vaso, agreguen jugo de limón y observen el resultado. Repitan el experimento utilizando vinagre (ácido acético). ¿Se puede quitar el óxido de esta manera? ¿Por qué? ¿Qué ocurre? Comprueben si es posible limpiar monedas de níquel u otros metales. Ahora, tomen un poco de sal de mesa y añádanla al vaso. Anota tus conclusiones sobre la actividad que realizaste, en tu opinión, explica por qué es tan importante saber la composición de diversas sustancias y cómo impacta en tu contexto. ¿Qué le pasó a la moneda? 177 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Actividad de aprendizaje con TIC I. Utilizando el internet contesta las siguientes preguntas: 1. Metal reactivo con alto punto de fusión. Se emplea en la fabricación de conos para la punta de los cohetes debido a su baja densidad y notable resistencia. 2. Metal reactivo, plateado, que sigue al sodio en abundancia en el agua de mar. Debido a su baja densidad y alta resistencia, sus aleaciones se emplean en los rines de autos deportivos. II. Instrucciones: En la siguiente fórmula electrónica indica los tipos de enlaces que se presentan, con base en la diferencia de electronegatividades de los elementos; además, escribe su correspondiente fórmula condensada: Electronegatividad: Na = 0.9 P = 2.2 O = 3.5 • • • O • (1) • • • • + +• • Na + • O + • P + • O • + Na • •• +• • • • O • •(2) • + Na (3) Tipo de enlace: 3. Metal blando y pesado que se emplea en balas y baterías de automóviles. (1) (2) (3) 4. Con el punto de fusión más elevado de todos los elementos puros, constituye el filamento de los focos. Su símbolos es de una sola letra. (4) Fórmula condensada 5. Metal que se emplea para fabricar acero inoxidable. 6. Este metal se emplea en detectores de incendio por su bajo punto de fusión, así como en fusibles eléctricos. III. Instrucciones: Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. ( )Es un átomo que presenta carga eléctrica: a) Valencia c) Electronegatividad b) Número de oxidación d) Ion 7. Elemento metálico, amarillo y no reactivo, apreciado en alto grado desde la antigüedad por su belleza y durabilidad. 8. Es uno de los tres elementos magnéticos. Este metal se emplea en monedas, en galvanoplastia y en el alambre de nicromel. 9. Es el metal más abundante en la corteza terrestre, este elemento de color blanco plateado se caracteriza por su baja densidad y resistencia a la corrosión. ( )Enlace en el que los electrones se comparten entre un metal y un no metal: a) Polar c) Coordinado b) No polar d) Iónico ( )El número de oxidación del azufre en el compuesto Na2SO4 es: a) +6 c) +12 b) +2 d) −3 ( )De los siguientes grupos, ¿cuál es el que tiene los elementos más electropositivos? 10. Metal suave, altamente reactivo. Sus compuestos incluyen sal de mesa, sosa cáustica y bicarbonato. a) K, Rb, Sr, Bi c) Ca, Mg, Li, Be b) Fr, Cs, Ba, Al d) F, O, Cl, N 178 Grupo Editorial Patria® IV. Busca en la siguiente sopa de letras los nombres de algunos medicamentos y escríbelos en la tabla que aparece a la derecha. Indica su efecto. X H J P D S G H J K L Z S G I W E O R T Y U I O O F S S D C F G H J K L C D E Y U I I O P L K R I S D K L T S Q W E R T S M I N V E B U C X Z A E K O L Ñ R Z X L C V N G J R H G I F G S F A P L W E R T P Y U I O A Q A N T I B I O T I C O S N B S M Z T C H C L G Q A V E X S N A Ñ K J R F P R U N Ñ A O V T S P R Tipo de medicamento Efecto Completa la siguiente tabla anotando el nombre comercial de los medicamentos que se indican (puedes utilizar Internet). Tipo de medicamento Nombre comercial Ácido acetil salicílico Oxalamina Cloranfenicol Bactrim Metamizol sódico Benzocaína Bromofeniramina Pseudoefedrina Acetominofén Paracetamol 179 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Instrumentos de evaluación Heteroevaluación Ha llegado la hora de que demuestres realmente cuánto has aprendido, hemos terminado este bloque y ahora ya conoces muchas cosas nuevas. En esta sección encontrarás una heteroevaluación que abarca todo el conocimiento adquirido en este bloque, contéstala lo mejor que puedas. I. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la derecha. 1. Un postulado de la teoría cinético-molecular es: a) covalente coordinado b) covalente polar c) iónico ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) d) metálico 3. En el enlace covalente no polar, los átomos: a) al compartir electrones lo hacen con la misma intensidad. b) al compartir electrones lo hacen con diferente intensidad. c) no comparten electrones con la misma intensidad. d) transfieren sus electrones. 4. Enlace en donde son cationes ordenados que comparten cargas sumergidas en un mar de electrones: a) por puente de hidrógeno b) covalente polar c) metálico d) iónico 5. Representa la fórmula condensada de un compuesto: a) RbI b) Rb-I c) Rb-I ++ d) Rb-I ** 6. Es la fórmula de Lewis o electrónica de un compuesto: ×× a) KI b) K–I++ c) K–I d) K•×× I × ×× 7. La carga eléctrica que presenta un elemento dentro de un compuesto se llama: a) valencia b) número de oxidación c) electronegatividad d) ion 8. Enlace en el que los electrones se transfieren totalmente de un átomo a otro: a) polar b) no polar c) coordinado d) iónico 9. El número de oxidación del cromo en el compuesto K2Cr2O7 es: a) 16 b) 12 c) 112 d) 23 10. De los siguientes grupos, ¿cuál es el que tiene los elementos más electronegativos? a) K, Rb, Sr, Bi 180 ) a) cuando las moléculas del gas chocan, pierden energía. b) las moléculas no chocan unas con otras. c) el gas está formado por diminutas partículas llamadas átomos o moléculas. d) las moléculas de un gas se mueven en una sola dirección. 2. Enlace donde ocurre una transferencia de electrones de un átomo a otro: ( b) Fr, Cs, Ba, Al c) Ca, Mg, Li, Be d) F, O, Cl, N Grupo Editorial Patria® 11. Los compuestos que presentan este tipo de enlace son buenos conductores de corriente eléctrica cuando están en solución acuosa: a) covalente polar b) covalente no polar c) iónico a) covalente polar b) covalente no polar c) iónico ) ( ) d) metálico 12. Este tipo de enlace se forma generalmente por dos elementos no metálicos, que comparten pares de electrones: ( d) puente de hidrógeno 13. Es el enlace que se forma cuando uno de los elementos “dona” el par de electrones: ( ) 14. Expresa que los átomos al reaccionar entre sí tienden a completar la estructura del gas noble más próximo en la tabla periódica. ( ) a) covalente coordinado a) polaridad b) covalente polar b) regla del octeto c) iónico c) estructura de Lewis d) metálico d) fuerza intermolecular 15. Es la mínima unidad que presenta las propiedades de un compuesto: a) átomo b) mezcla c) molécula b) semidesarrollada c) condensada b) iónico c) no polar b) H2O, CO2 c) H2SO4 , HNO b) H2SO4 c) HBr ( ) ( ) ( ) d) MgCl2 19. Es un ejemplo de enlace covalente coordinado: a) HCl ) d) coordinado 18. Son ejemplos de enlace covalente no polar: a) H2O2 ( d) gráfica 17. Enlace químico que se lleva a cabo entre metales y no metales por transferencia de electrones: a) polar ) d) compuesto 16. Fórmula que indica la clase y el número de átomos que constituyen la molécula de un compuesto. a) desarrollada ( d) NaOH II. Completa lo que se te indica en el cuadro siguiente: Compuesto Estructura de Lewis Número de oxidación para el: H2SO4 Azufre NaClO Cloro Nombre 181 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares III. Contesta brevemente cada una de las siguientes preguntas: 5. ¿Qué es la polaridad molecular? 1. ¿Qué establece el principio de incertidumbre que enunció en 1926 el físico alemán Heisenberg? 6. Nombra cinco materiales nuevos, con sus características de fabricación y usos principales: a) 2. ¿Qué entiendes por electronegatividad? b) 3. ¿Qué establece la regla del octeto propuesta por G. Lewis? c) d) 4. ¿Qué es la geometría molecular? e) 182 Grupo Editorial Patria® Lista de cotejo Lista de cotejo para evaluar Actividades de aprendizaje de las páginas 147, 148, 150, 151, 157, 159 y 170. Nombre de la(del) profesora(or): Criterio Fecha: Logrado Sí No Observaciones 1. Responde y explica todas las preguntas. 2. Todas sus respuestas son correctas. 3. Argumenta sus resultados con elementos prácticos. 4. Emite su opinión con bases teóricas. 5. Resalta la importancia de los elementos químicos para su uso en la vida diaria. 6. Identifica problemáticas sobre la regla de octeto de Lewis y destaca la importancia que tiene. 7. Cita ejemplos funcionales y aptos para ser comprobados en una práctica de laboratorio. 8. Comprueba sus respuestas con ejemplos de uso común. 9.Señala la aplicación e importancia que tienen algunas sustancias químicas en su entorno. 10. Los ejemplos que proporciona están relacionados con el desarrollo de los contenidos. 11. Alcanzó con éxito los aprendizajes esperados. 12. Tiene interés al realizar todas las actividades. 13. Puede desarrollar alguna competencia. Comentarios generales: 183 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Guía de observación Guía de observación para evaluar la Actividad de aprendizaje de la página 150. Nombre del estudiante: Nombre de la(del) profesora(or): Actividad a realizar: Horario de inicio: y término: Grupo: Fecha: Desempeños 1. Anota correctamente todas las fórmulas tal y como se solicita. 2. Apunta sólo en la columna de fórmula desarrollada. 3. Escribe sólo en la columna de fórmula electrónica. 4. Están incompleta ambas columnas. 5. Indica el tipo de enlace de cada ejemplo. 6. Termina la actividad durante la clase. 7. Socializa con sus compañeros a fin de comparar las respuestas que obtuvo. 8. Retroalimenta los trabajos de los integrantes del grupo. 9.Aporta buenas ideas a fin de aclarar dudas presentadas por sus compañeros. 10. Hace preguntas con el propósito de aclarar las dudas que tuvo o tiene durante la tarea encomendada. 11. Espera su turno y respeta el de los demás. 12. Considera las observaciones que le hacen sus compañeros a fin de contar con la información correcta. 13. Compara sus respuestas y hace las correcciones pertinentes. 14. Tomó en cuenta los ejemplos previamente planteados (del tema) para realizar la actividad. 15. La dinámica le permitió desarrollar alguna competencia. Interpretación de resultados: Conclusiones: 184 ¿Logrado? Sí No Notas Grupo Editorial Patria® Autoevaluación Autoevaluación para la Práctica de laboratorio (los tres experimentos de enlace químico) de las páginas 164 y 165. Nombre del estudiante: Propósito: Valorar la responsabilidad y cumplimiento de la actividad, así como identificar áreas de oportunidad para mejorar en el desempeño y aprendizaje. Desempeños Logrado En proceso Tomé en cuenta las consideraciones teóricas que se plantearon en la práctica. Realicé adecuadamente los tres experimentos que se indican. Llevé al pie de la letra el procedimiento durante cada experimento. Utilicé correctamente todos los materiales de laboratorio. Utilicé bata de laboratorio y tomé las medidas de seguridad previamente planteadas por el profesor/a. Tuve cuidado en el manejo de todas las sustancias que se utilizaron. Observé con detenimiento las reacciones químicas que en cada experimento se presentaban. Anoté todos los comentarios con base en los resultados de cada experimento. Contesté todos los cuestionamientos que se solicitaban en cada experimento. Todas mis respuestas fueron correctas. Mis respuestas fueron claras y congruentes. Argumenté con bases teóricas y de acuerdo con los contenidos planteados. Comparé mis resultados con los de mis otros compañeros. Comenté todas las dudas que tuve durante la práctica. Elaboré mis propias conclusiones a partir del desarrollo de la práctica y de los resultados obtenidos. Proporcioné mi opinión en los momentos solicitados. Mencioné diversos ejemplos de las sustancias utilizadas y las relacioné con productos de uso común en casa. Mencioné la importancia que tienen las sustancias y el uso correcto que cada una debe de tener. La práctica de laboratorio me aportó nuevos conocimientos y reforcé los previos. Me gustó la actividad y es significativo mi aprendizaje. Mis fortalezas son: En qué debo poner más empeño: 185 6 BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica 15 horas Objetos de aprendizaje 6.1 Reglas de la uiqpa para escribir fórmulas y nombres de los compuestos químicos inorgánicos – Óxidos metálicos – Óxidos no metálicos – Hidruros metálicos – Hidrácidos – Hidróxidos – Oxiácidos – Sales Competencias a desarrollar n n Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. n n n Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. ¿Qué sabes hacer ahora? Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. ica ( ) ¿Cuál de las siguientes fórmulas corresponde al sulfuro de cobre(I)? a) S2Cu b) Cu2S c) CuS ( ) ¿Cuál de las siguientes fórmulas corresponde al óxido férrico? a) Fe3O ( ) b) FeO c) Fe3O2 d) CuS2 d) Fe2O3 Son sumamente reactivos y a temperaturas elevadas reaccionan a una gran velocidad. a) Halógenos b) Metales alcalinos c) Metales alcalinotérreos d) Gases nobles ( ) Son elementos no metálicos. a) Sn, Pb, Br b) Li, Cs, Cu La fórmula KClO3, corresponde al: ( ) a) cloruro de potasio c) clorato de potasio c) S, As, Br d) Ca, Na, F b) clorito de potasio d) hipocloruro de sodio El último electrón de la configuración electrónica de un elemento se llama: b) anión c) ion d) electrón diferencial ( ) a) catión El nombre del compuesto Au2(CO3)3, es: ( ) a) carbonato áurico c) carbonato de plata ( ) La fórmula del carbonato ferroso es: a) FeCO3 b) Fe2C2O3 El nombre del compuesto CaH2, es: ( ) a) ácido de calcio c) hidruro de carbono ( ) La fórmula del tiosulfato de sodio es: a) NaSO3 n n Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente. Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente. b) Na2S2O3 b) carbonato auroso d) carbonato de oro c) FeCO d) Fe2CO2 b) hidruro de calcio d) ácido cálcico c) Na2SO d) Na2S2O7 Desempeños por alcanzar n n n n Escribe correctamente las fórmulas y nombres de los compuestos químicos inorgánicos. Resuelve ejercicios de nomenclatura química inorgánica. Aplica correctamente las fórmulas químicas a la solución de problemas. Reconoce compuestos químicos inorgánicos en productos de uso cotidiano. 6 BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica Situación didáctica ¿Cómo lo resolverías? ¿El cobre, un metal muy útil en la época actual… y en el futuro? Los avances tecnológicos y los cambios de estilo de vida pueden alterar con rapidez nuestras necesidades de recursos. Aunque es difícil predecir tales cambios, debemos estar preparados para enfrentarnos a ellos. El cobre es uno de los metales más conocidos y de más amplio uso en la sociedad moderna. Tiene la conductividad eléctrica más alta después de la plata. Esta propiedad, unida a su bajo costo, resistencia a la corrosión y capacidad para estirarse con facilidad formando alambres delgados, ha hecho del cobre la opción más común para el cableado eléctrico y la transmisión eléctrica. Se emplea también en la fabricación de latón, bronce y otras aleaciones, diversos compuestos importantes y obras de arte. Los recursos de este metal se encuentran distribuidos ampliamente (pero de manera desigual) en todo el mundo. Estados Unidos ha sido un proveedor importante de mena de cobre; Canadá, Chile, Perú y Zambia poseen también cantidades significativas de ella. Para obtener una utilidad adecuada extrayendo una mena en particular de un sitio específico, depende de varios factores: la situación de la oferta y demanda del metal, el tipo de extracción y procesamiento necesarios para obtenerlo, la cantidad de mineral útil en el lugar y el porcentaje de metal en el mineral. En la actualidad es costeable explotar menas con menos de 1% de cobre. La mena de cobre se procesa químicamente para producir cobre metálico, que de manera posterior se transforma en diversos materiales útiles. La siguiente figura resume el ciclo del cobre desde sus fuentes, pasando por los usos, hasta los productos de desecho. Reducción Menas de cobre: • Sulfuros como calcocita (CU2S) • Óxidos como cuprita (Cu2O) • Carbonatos como malaquita (Cu2CO3(OH)2) Moldeo, vaciado, cobre metálico fundido A fundición nuevamente Cobre reciclado Suministra 21 % de las necesidades de cobre del país. Usos del cobre • Eléctricos: 60% del uso total. Motores, generadores, distribución de electricidad, equipo de comunicación y cableado de casas. • No eléctricos: 40% del uso total. Plomería, techos, monedas, joyería, ollas y cazuelas, casquillos, maquinaria para preparar alimentos, radiadores de automóvil. 188 Grupo Editorial Patria® Secuencia didáctica A continuación se lista una serie de acciones que se deben seguir para contestar la problemática de la pregunta central. (¿El cobre, un elemento muy útil en la época actual… y en el futuro?) Es importante reflexionar, ser claros y objetivos para que esta experiencia sea útil. ¿Qué tienes que hacer? 3. Para cada uso del cobre que se menciona en seguida, describe un cambio tecnológico que podría reducir la demanda de este metal: a)Comunicaciones b)Monedas 1. ¿Qué propiedades hacen que el cobre sea adecuado para usarse en generadores de energía eléctrica? 2. Considera los usos restantes del cobre que se ilustran y mencionan en la figura anterior. Identifica las propiedades específicas que explican la aptitud del cobre en cada caso: a)¿De qué manera afectaría el reciclado de fragmentos de cobre la disponibilidad futura de este metal? b)¿Existe un límite al papel que el cobre puede desempeñar? c)¿Por qué? Rúbrica c)Generación de electricidad d)Cableado dentro de aparatos 4. Intégrate a un equipo de compañeros para que presenten sus respuestas en plenaria y analicen las formas de resolver el problema. 5. Debate cuáles de esas formas son válidas y cuáles no. 6. Establece las conclusiones correspondientes. 7. Elabora un reporte donde expreses de manera objetiva tus reflexiones sobre esta actividad. ¿Cómo sabes que lo hiciste bien? 1. Selecciona cuatro usos del cobre de los indicados en la figura anterior del cobre. Sugiere para cada uno de ellos un material alternativo que pudiera servir para el mismo propósito. Considera tanto materiales convencionales como posibles materiales nuevos. 7. Analicen en equipo las respuestas y una síntesis de los resultados obtenidos. 2. Sugiere algunos objetos metálicos ordinarios que pudieran sustituirse por versiones de cerámica o plástico. 9. Organicen un debate sobre las cuestiones anteriores. 3. Imagina que la plata se volviera tan común y poco costosa como el cobre. ¿En qué aplicaciones sería más probable que la plata reemplazará al cobre?, argumenta tu respuesta. 8. Que cada equipo presente sus respuestas en plenaria y analicen las diferentes formas para contestar la pregunta central, tomando como sugerencias las preguntas anteriores: 10. Establezcan las conclusiones correspondientes. 11. Elaboren un reporte donde expresen de manera objetiva su opinión sobre esta actividad. 4. ¿Por qué es importante el reciclado de materiales de cobre metálico? 5. ¿Garantiza este reciclado que siempre tendremos suficiente cantidad de un metal determinado? ¿Por qué? 6. Proporciona el nombre químico de los siguientes minerales de cobre: Autoevaluación Con el propósito de revisar si adquiriste los conocimientos de este bloque pregúntate lo siguiente. n n Nombre común Fórmula Calcocita Cu2S Calcopirita CuFeS2 Malaquita Cu2CO3(OH)2 Azurita Cu3(CO3)2(OH)2 Nombre químico n n ¿Leí todo el contenido del bloque? Cuando lo hice, ¿comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta comprenderlo? ¿Puedo identificar la importancia del cobre en la actualidad y sus posibles sustitutos en los diversos usos? ¿Puedo mencionar cinco formas de ahorrar cobre metálico, mediante el uso de otro material que presente características similares? 189 6 BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica 6.1 Reglas de la uiqpa para escribir fórmulas y nombres de los compuestos químicos inorgánicos Antecedentes Cuando Lavoisier era estudiante de química, el lenguaje de esta rama del conocimiento a la que aún no se le reconocía el carácter de ciencia, era muy oscuro. Había en ese entonces una gran cantidad de palabras sin una definición clara, e incluso carentes totalmente de definición. El lenguaje de los alquimistas, entre otras cosas, originó una multitud de sinónimos que dificultaban el estudio de la química. Los químicos de mediados del siglo xviii, Bergman, Morveau, Berthelot y Berzelius entre otros, sentían la necesidad de establecer una nomenclatura química que permitiera la comunicación y el avance de esta ciencia. Ejemplos aceite de vitriolo (ácido sulfúrico) vitriolo azul (sulfato de cobre) cal viva (óxido de calcio) cal apagada (hidróxido de calcio) es distintivo y descriptivo a la sustancia. Sin embargo, varios nombres han sido mal empleados o mal asignados, otros por demás son raros y confusos. Lenguaje de la química Símbolos y fórmulas químicas El 17 de abril de 1787, Lavoisier leyó en la Real Academia de las Ciencias, una memoria sobre la necesidad de reformar y perfeccionar la nomenclatura química. La nueva nomenclatura trataba de designar las propiedades fundamentales de las sustancias y seguir una lógica que permitiera ordenar el universo de la química. En la actualidad, conocemos de la existencia de millones de compuestos que resultan de la unión de 118 elementos químicos, por lo que es conveniente representar los elementos y sus compuestos utilizando símbolos. Éstos permiten la comunicación entre toda la comunidad científica, lo que ayuda a clasificarlos rápidamente. Los símbolos de los elementos son una forma de taquigrafía. Sustituyen a los nombres completos de los elementos. Las sustancias se caracterizan por sus propiedades generales y específicas (físicas y químicas), o bien, por su nombre. Este nombre A continuación se presentan unas figuras que muestran los símbolos antiguos de algunos elementos. Figura 6.1 Evolución de la simbología química. 190 Grupo Editorial Patria® Elementos nombrados en honor de personajes famosos Símbolo Número atómico Nombre en honor de Curio Cm 96 Pierre y Marie Curie (radiactividad) Einstenio Es 99 Albert Einstein (teoría de la relatividad) Fermio Fm 100 Enrico Fermi (reacciones nucleares) Gadolinio Gd 64 Johann Gadolin (descubrió el itrio) Laurencio Lr 103 Ernest Lawrence (descubridor del ciclotrón) Mendelevio Md 101 Dimitri Mendeléiev (tabla periódica de los elementos) Nobelio No 102 Alfred Nobel (inventor de la dinamita) Elemento Figura 6.2 Símbolos usados por los alquimistas. Elementos nombrados por su color Símbolo Número atómico Bismuto Bi 83 alemán, veisee masse, “masa blanca” Cromo Cr 24 griego, chroma, “color” Cesio Cs 55 latín, caesius, “azul claro” Cloro Cl 17 griego, chloros, “verde” Yodo l 53 griego, iodes, “violeta” Iridio Ir 77 latín, arco iris Rubidio Rb 37 latín, rubidus, “rojo oscuro” Rodio Rh 45 griego, rodon, “rosa” Circonio Zr 40 árabe, zargun, “color de oro” Elemento Al químico sueco J. J. Berzelius se le dio el crédito por haber creado los símbolos modernos para los elementos. Él fue quien propuso que se les dieran a los elementos un símbolo correspondiente a la primera letra de sus nombres. Los elementos se representan por un símbolo que consiste en una, dos o tres letras, que se derivan de su nombre latino. Los símbolos de los elementos tuvieron una evolución bastante larga que dificultaba el desarrollo de la química; lo cual podemos observar en los símbolos utilizados por los alquimistas. La nomenclatura actual está basada en el sistema propuesto por la uiqpa1 (En inglés iupac, International Union of Pure and Applied Chemistry); los elementos se escriben con una, dos o tres letras, que se derivan del latín. Ejemplos: N = Nitrógeno; Ca = Calcio; Cf = Californio, y Unq = unnilquadium. Los nombres de los elementos pueden variar de un idioma a otro, pero los símbolos son universales. Cada símbolo consta de una, dos o tres letras tomadas del nombre del elemento. Estos nombres tienen el origen más diverso: algunos se deben a dioses y diosas de la mitología; otros a cuerpos celestes; otros más, a países y ciudades, y algunos debido a su color característico, etcétera. A continuación se presenta una lista de elementos clasificados según el origen de su nombre. 1 uiqpa, Unión Internacional de Química Pura y Aplicada. El nombre se deriva del Elementos cuyos nombres tienen su origen en dioses de la mitología Símbolo Número atómico En honor de Niobio Nb 41 Niobe, diosa griega hija de Tántalo Prometio Pm 61 Prometeo, portador griego del fuego Tántalo Ta 73 Dios griego de la frustración Torio Th 90 Thor, dios escandinavo de la guerra Titanio Ti 22 Titanes, hijos del Cielo y de la Tierra Vanadio V 23 Vanadis, diosa escandinava de la belleza Elemento 191 6 BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica Elementos designados en honor a diversos cuerpos celestes Símbolo Número atómico Cerio Ce 58 asteroide Ceres Helio He 2 griego, Helios, sol Mercurio Hg 80 planeta Mercurio Neptunio Np 93 planeta Neptuno Plutonio Pu 94 planeta Plutón Selenio Se 34 latín, selene, Luna Telurio Te 52 Uranio U 92 Elemento Nombre en honor del Elemento Símbolo Nombre químico Nombre común o comercial Fórmula Óxido de cobre (I) Cuprita Cu2O Hidroxicarbonato de cobre Malaquita CuCO3Cu(OH)2 Sulfuro de cobre (I) Calcocita Cu2S latín, tellus, Tierra Sulfuro doble de cobre y hierro Calcopirita CuFeS2 planeta Urano Carbonato de plomo Cerusita PbCO3 Sulfuro de plomo Galena PbS Sulfato de plomo Anglesita PbSO4 Sulfuro de cinc Esfalerita ZnS Óxido de cinc Cincita ZnO Óxido de hierro (III) Hematita Fe2O3 Óxido de hierro (IV) Magnetita Fe3O4 Elementos cuyo nombre se deriva de países, ciudades y continentes Número atómico facilitar la comunicación entre ellos, surgió la necesidad de elaborar un lenguaje único, sistematizado y uniforme para identificar a las sustancias químicas. Este lenguaje ha sido desarrollado por la uiqpa (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada), con el fin de adaptarlo a los compuestos que se van descubriendo. Como se mencionó antes, a algunos compuestos se les asigna un nombre común o trivial; por ejemplo: Nombrado en honor de Americio Am 95 América Óxido de hierro (III) hidratado Limonita Fe2O3, H2O Berkelio Bk 97 Berkeley, California Carbonato de fierro (II) Siderita FeCO3 Californio Cf 98 California Nitrato de potasio Salpeter, salitre, sal de Chile KNO3 Cobre Cu 29 latín, Cuprum, de la isla de Chipre “Ammophos A” Escandio Sc 21 Escandinavia Fosfato de amonio, Fosfato primario de amonio, Bifosfato amónico, Fosfato amónico monobásico (NH4)3PO4 Estroncio Sr 38 Estroncia, ciudad de Escocia Carbonildiamida Urea o carbamida NH2CO.NH2 Sulfato de potasio Sulfato de potasa K2SO4 Fosfato monopotásico Fosfato ácido de potasio K2H(PO4) Europio Eu 63 Europa Francio Fr 87 Francia Galio Ga 31 latín, Galia, Francia Cloruro de potasio Muriato de potasa, cloruro de potasa, sylvita (en forma mineral) KCl Rutenio Ru 44 latín, Ruthenia, Rusia Fosfato de calcio Superfosfato de calcio Ca3(PO4) Ácido fosfórico Ácido ortofosfórico H3PO4 Sulfato de calcio dihidratado Sulfato de calcio precipitado o nativo, alabastro de yeso CaSO4, 2H2O Sulfato de magnesio Sal de Epsom; se vende en forma anhidra (sin agua) MgSO4 Sulfato de hierro heptahidratado Vitriolo verde, vitriolo de hierro, caparrosa FeSO4, 7H2O Sulfato de cinc heptahidratado Vitriolo blanco o de cinc ZnSO4, 7H2O Ácido bórico Ácido ortobórico H3BO3 Uno de los aspectos más interesantes de la ciencia es que toda la materia conocida se compone de aproximadamente 118 elementos, algunos de ellos conocidos desde la antigüedad como el cobre, hierro, plata, azufre, oro, etc. Los elementos que van del hidrógeno al uranio se conocen tradicionalmente como naturales, y los restantes como sintéticos. Nomenclatura y escritura de fórmulas En química, al igual que en otras ciencias, la necesidad de una nomenclatura general se hizo sentir en cuanto aumentó el número de compuestos conocidos y al mismo tiempo se incrementó el número de químicos en los diferentes países del mundo. Entonces, para 192 Sulfato cúprico, piedra azul, Sulfato de cobre pentahidratado caparrosa azul Nitrato de sodio Nitrato de Chile, salpeter de Chile CuSO4, 5H2O NaNO3 Grupo Editorial Patria® Número de oxidación En fórmulas más complicadas que incluyen más de dos elementos, es conveniente definir el “estado de oxidación” o número de oxidación de cada elemento, ya que éste puede variar dependiendo del compuesto que esté formando. La uiqpa define: “El número de oxidación de un elemento en cualquier entidad química, es la carga con la cual actúa un átomo del elemento cuando se asignan al átomo más electronegativo los electrones que forman el enlace”. Los números de oxidación están relacionados con las configuraciones electrónicas de los elementos. Los átomos, al formar compuestos, tienden a ganar, perder o compartir electrones para llenar su capa externa. Recordemos que a los electrones que se encuentran en la capa más externa se les denomina electrones de valencia. El número de electrones ganados, perdidos o prestados se conoce como número de oxidación del átomo. Cuando se pierden o ceden parcialmente estos electrones al formar el enlace, el número de oxidación tiene signo positivo. Al establecer las estructuras de Lewis para los metales alcalinos se puede predecir que su número de oxidación será 11, al ceder un electrón de la capa externa para lograr la configuración de gas noble. Los metales alcalinotérreos tendrán como número de oxidación 12, al ceder dos electrones para alcanzar su configuración más estable. En la familia IIIA el estado de oxidación 13 es el más común. El resto de las familias presentan números de oxidación positivos y negativos. No obstante, la familia IVA presenta el número de oxidación 14, la familia VA presenta 15, en el grupo VIA el azufre, el selenio y el teluro actúan con 22 y en la familia VIIA, el cloro y el yodo presentan el número de oxidación 21. El flúor, dado que es el elemento más electronegativo, se encuentra restringido al estado de oxidación 21. Predecir los estados de oxidación probables de los elementos de transición es más difícil, ya que la mayoría presentan más de un estado de oxidación. Para recordar las fórmulas de los compuestos y escribirlas correctamente, resulta útil emplear el sistema llamado números de oxidación que incluye las siguientes reglas básicas: 1. El número de oxidación de un elemento en estado puro o sin combinar es de “cero”. Ejemplos: H02 , Cu0, O0 2 , Cl0 2 , Fe0. 2. El hidrógeno tiene número de oxidación 11, excepto en los hidruros, donde es 21. 22 11 21 Ejemplos: H11 2 O Na H 3. El oxígeno tiene número de oxidación 22, excepto en los peróxidos, donde es 21. 21 Ejemplos: Cu12O22Na11 2 O2 4. La suma algebraica de los números de oxidación de los elementos en un compuesto es igual a cero, ya que las moléculas son neutras. Ejemplos: K11Mn17O22 11 1 7 2 8 5 0 4 Como se ha visto, el número de oxidación es muy importante en la formulación, puesto que éste determina la relación de elementos positivos y negativos en un compuesto. A los elementos con número de oxidación positivo se les llama cationes y aniones a los que tienen número de oxidación negativo. Cuando se unen dos o más elementos la especie se llama radical químico y su número de oxidación es la suma algebraica de los números de oxidación de cada elemento. Al escribir la fórmula de un compuesto, se acostumbra poner primero el símbolo del componente que posee el número de oxidación positivo, y para nombrarlos se empieza por el nombre del radical negativo. Una vez conocidos los números de oxidación, es fácil deducir y escribir la fórmula de un compuesto correctamente. El método mecánico consiste en escribir el número de oxidación encima del símbolo representativo de cada elemento o ion y colocar cada uno de estos números como subíndice del otro símbolo. Nunca se escribe el subíndice 1 en la fórmula; cuando no hay subíndice se sobreentiende que es 1. Ejemplos CaSO4 Sulfato de calcio NaCl Cloruro de sodio Fórmula Nombre del compuesto Al+3 O−2 Al2O3 Óxido de aluminio Ca+2 Cl −1 CaCl2 Cloruro de calcio Ba+2(NO3) −1 Ba(NO3)2 Nitrato de bario Ca+2(SO4) −2 CaSO4 Sulfato de calcio H 2+1 O 2–1 H2O2 Peróxido de hidrógeno Número de oxidación Las fórmulas de los compuestos se clasifican por el número de elementos que las forman en: Binarios: Se componen de dos elementos diferentes. Ternarios: Se componen de tres elementos diferentes. Poliatómicos: Se componen de más de tres elementos. A continuación se incluye una lista de los elementos más comunes con sus respectivos valores: 193 6 BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica Tabla de iones positivos (cationes) Monovalentes Divalentes Trivalentes Tetravalentes Na11 ion sodio Ca12 ion calcio Al13 ion aluminio Pb14 ion plúmbico Hg11 ion mercuroso Cr12 ion cromoso Fe13 ion férrico Sn14 ion estáñico K11 ion potasio Sr12 ion estroncio Cr13 ion crómico Ag11 ion plata Fe12 ion ferroso Au13 ion áurico Rb11 ion rubidio Ba12 ion bario Mn13 ion mangánico Au11 ion auroso Cu12 ion cúprico Ni13 ion niquélico Cs11 ion cesio Mg12 ion magnesio Co13 ion cobáltico NH 411 ion amonio Co12 ion cobaltoso B13 ion boro Li11 ion litio Ra12 ion radio Bi13 ion bismuto H11 ion ácido Ni12 ion niqueloso Cu11 ion cuproso Zn12 ion cinc [H3O]11 ion hidronio Be12 ion berilio Cd12 ion cadmio Sn12 ion estañoso Hg12 ion mercúrico Pb12 ion plumboso Tabla de iones negativos (aniones) Grupo III [AlO 2] –1 ion aluminato Grupo IV CO 3–2 ion carbonato HCO 3–1 SiO 3–2 Grupo V N–3 Grupo VII ion nitruro O–2 ion óxido F–1 ion fluoruro ion bicarbonato o NO 2–1 carbonato ácido ion nitrito O 2–2 ion peróxido Cl –1 ion cloruro ion silicato NO 3–1 ion nitrato OH–1 ion hidróxido Br–1 ion bromuro C–4 ion carburo P–3 ion fosfuro S–2 ion sulfuro I –1 ion yoduro CN–1 ion cianuro PO 3–3 ion fosfito HS–1 ion sulfuro ácido o bisulfuro ClO–1 ion hipoclorito CON–1 ion cianato PO 4–3 ion fosfato SO 3–2 ion sulfito ClO 2–1 ion clorito HPO 4–2 ion fosfato monohidrógeno SO 4–2 ion sulfato ClO 3–1 ion clorato H2PO 4–1 ion fosfato dihidrógeno HSO 3–1 ion sulfito ácido ClO 4–2 ion perclorato AsO 3–3 ion arsenito HSO 4–1 ion sulfato ácido ion arseniato S2O 3–2 ion tiosulfato SCN–1 ion sulfocianuro o tiocianato AsO 4–3 194 Grupo VI Grupo Editorial Patria® Para tu reflexión Tabla con metales de transición CrO 4–2 ion cromato Fe(CN) 6–4 ion ferrocianuro Funciones de los principales electrolitos Cr2O 7–2 ion dicromato ZnO 2–2 ion cincato MnO 4–2 ion manganato MoO 4–2 ion molibdato El cuerpo humano contiene sales en forma de iones a las que se les llama electrolitos, los cuales son indispensables para la vida. MnO 4–1 ion permanganato TiO 4–2 ion titanato Fe(CN) 6–3 ion ferricianuro Ion Na Catión primario extracelular, mantiene la presión osmótica en la sangre y tejidos; es necesario para la actividad nerviosa y muscular. K11 Catión primario intracelular, mantiene la presión osmótica en la célula; es necesario para la actividad nerviosa y muscular. Ca12 Es necesario para huesos y dientes y para la actividad muscular. Mg12 Es necesario para la actividad enzimática y del sistema neuromuscular. Cl 21 Anión extracelular; es necesario para la secreción del jugo gástrico; participa en el transporte de O2 y CO2 en la sangre. HPO 422 Anión intracelular; está presente en los huesos con el Ca+2; amortiguador ácido-base. HCO 322 Es necesario como amortiguador para mantener el equilibrio ácido-base de la sangre. SO 422 Está presente en las células con proteínas. 11 Actividad de aprendizaje Utilizando las tablas anteriores, escribe la fórmula correcta entre: a) Ion mercuroso y ion fluoruro. b) Ion plata y ion nitrato. c) Ion cadmio y ion arsenito. d) Ion cuproso y ion sulfato ácido. e) Ion plúmbico y ion perclorato. f ) Ion hidronio y ion hipoclorito. g) Ion magnesio y ion fosfuro. h) Ion cobáltico y ion sulfocianuro. i) Ion mangánico y ion molibdato. j) Ion amonio y ion ferrocianuro. Investiga sobre algunos ejemplos prácticos que se relacionen con las fórmulas descritas. Función Óxidos metálicos Los óxidos metálicos también son llamados “óxidos básicos”, y resultan de la unión de un metal con el oxígeno. El número de oxidación del oxígeno es –2. Para nombrar a estos compuestos se antepone la palabra óxido, seguida del nombre del metal correspondiente. Actividad de aprendizaje Escribe las fórmulas correspondientes a cada uno de los siguientes óxidos básicos e investiga si cada uno de ellos tiene un impacto ambiental y cuál es: Metal 1 Oxígeno Óxido metálico a) óxido de sodio M1O MO b) óxido cuproso c) óxido ferroso Ejemplos d) óxido estannoso e) óxido cúprico Na11 y O22 Na2O óxido de sodio f) óxido férrico Li11 y O22 Li2O óxido de litio g) óxido estánnico Ca12 y O22 CaO óxido de calcio h) óxido niqueloso Cu12 y O22 CuO óxido cúprico u óxido de cobre (II) i) óxido niquélico Fe13 y O22 Fe2O3 óxido férrico u óxido de hierro (III) j) óxido de potasio 195 6 BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica Óxidos no metálicos Ejemplos Los óxidos no metálicos, llamados también óxidos ácidos o anhídridos, resultan de la combinación de un no metal (con número de oxidación positivo) con el oxígeno. Para darles nombre se utilizan los prefijos griegos: mono (1), di (2), tri (3), tetra (4), penta (5), para indicar el número respectivo de átomos en el compuesto correspondiente. No metal 1 Oxígeno Óxido no metálico N1O NO CO2 anhídrido carbónico SO2 anhídrido sulfuroso SO3 anhídrido sulfúrico P2O3 anhídrido fosforoso P2O5 anhídrido fosfórico Ejemplos Estos óxidos producen ácidos al combinarse con el agua y; por tanto, también se nombran anteponiendo la palabra anhídrido, seguida del nombre del ácido que formarán. Para el átomo de cloro, se tienen los siguientes números de oxidación: Cl11, Cl13, Cl15, Cl17 Algunos no metales pueden producir más de dos anhídridos, y para designarlos se consideran dos de ellos como normales y se nombran en la forma usual (con la terminación oso para el de menor número de oxidación, e ico para el de mayor); y aquel que tiene el menor número de oxidación lleva el prefijo hipo con la terminación oso, y el que tiene mayor número de oxidación el prefijo per con la terminación ico. El número de oxidación menor es 11: Cl11 n El siguiente número de oxidación mayor que el menor es 13: Cl13 n El siguiente número de oxidación menor que el mayor es 15: Cl15 n El número de oxidación mayor es 17: Cl17 n Cl112O22 anhídrido hipocloroso Cl2O Cl132O322 anhídrido cloroso Cl2O3 anhídrido clórico Cl2O5 22 2O5 15 Cl Anhídridos • hipo- - oso ( menor número de oxidación) Cl172O722 • -oso Br • -ico • per- - ico ( siguiente número de oxidación mayor que el menor) ( siguiente número de oxidación menor que el mayor) Cl2O7 13 anhídrido brómico Br2O5 O322 I2 anhídrido yodoso I2O3 anhídrido nítrico N2O5 anhídrido hiponitroso N2O 15 O522 11 22 N2 N2 O (mayor número de oxidación) Ejemplos CO monóxido de carbono CO2 dióxido de carbono NO2 dióxido de nitrógeno N2O5 pentóxido de dinitrógeno SO3 trióxido de azufre Cl2O7 heptóxido de dicloro 196 anhídrido perclórico 22 2O5 15 Actividad de aprendizaje Escribe las fórmulas de los siguientes compuestos, menciona cuáles son orgánicos e inorgánicos y proporciona un ejemplo de uso práctico en la vida cotidiana. Compara tus respuestas con otros compañeros de clase, y en caso de duda consulta con tu profesor. a) Sulfuro de amonio b) Sulfato de cromo (III) Grupo Editorial Patria® Hidruros metálicos c ) Sulfuro de molibdeno (IV) d) Cloruro de estaño (IV) Los hidruros resultan de la combinación del hidrógeno con cualquier metal. En los hidruros, el hidrógeno tiene número de oxidación 21. Para nombrar estos compuestos, se antepone la palabra hidruro, seguida del nombre del metal correspondiente. Metal 1 hidrógeno hidruro M1H MH e) Bromato de calcio Ejemplos f ) Cianuro de níquel g) Hidróxido de magnesio Na11 y K11 y Ca12 y Al13 y Fe12 y Fe13 y H21 H21 H21 H21 H21 H21 h) Ácido perbrómico i) Ácido sulfuroso j) Ácido nitroso NaH KH CaH2 AlH3 FeH2 FeH3 hidruro de sodio hidruro de potasio hidruro de calcio hidruro de aluminio hidruro ferroso o hidruro de hierro (II) hidruro férrico o hidruro de hierro (III) Hidrácidos Los hidrácidos resultan de la combinación de los aniones de la serie de los haluros con el hidrógeno; es decir, de la combinación de un no metal con el hidrógeno. En los hidrácidos, el hidrógeno siempre tiene el número de oxidación 11. Para el nombre de estos compuestos se antepone la palabra ácido, seguida siempre del nombre del no metal correspondiente, con la terminación hídrico. No metal 1 hidrógeno hidrácido N1H HN k) Nitrato de mercurio Ejemplo l) Cloruro de aluminio m) Anhídrido yodoso H11 H11 H11 H11 y F21 y Cl21 y Br21 y S22 HF HCl HBr H 2S ácido fluorhídrico ácido clorhídrico ácido bromhídrico ácido sulfhídrico Actividad de aprendizaje n) Hipoclorito de potasio o) Bicarbonato de calcio Escribe la fórmula y un ejemplo de los siguientes hidrácidos: a) ácido clorhídrico b) ácido bromhídrico c) ácido cianhídrico d) ácido sulfhídrico 197 6 BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica Hidróxidos Ejemplos Los hidróxidos o bases, que resultan de la reacción entre un metal y el hidróxido, siempre llevan en su fórmula un metal unido al radical OH. Se nombran anteponiendo la palabra hidróxido, seguida del nombre del metal correspondiente. Metal 1 agua hidróxido M 1 H2O MOH 11 K 12 Zn Al 13 Fe 13 NaOH hidróxido de sodio 21 KOH hidróxido de potasio 21 Zn(OH)2 hidróxido de cinc 21 Al(OH)3 21 Fe(OH)3 hidróxido férrico o hidróxido de fierro (III) y OH y OH y OH y OH y 11 y 11 y 11 y 11 y 11 y H 11 H H H H Ejemplos Na11 y OH21 H11 y ClO21 H BrO221 NO321 SO322 SO422 CO322 PO423 HClO ácido hipocloroso HBrO2 ácido bromoso HNO3 ácido nítrico H2SO3 ácido sulfuroso H2SO4 ácido sulfúrico H2CO3 ácido carbónico H3PO4 ácido fosfórico Actividad de aprendizaje Escribe la fórmula de los siguientes oxiácidos: hidróxido de aluminio a) ácido nitroso b) ácido carbónico c) ácido sulfuroso Actividad de aprendizaje Escribe el nombre de cada una de las siguientes bases: a) NaOH d) ácido fosforoso e) ácido fosfórico f) ácido sulfúrico Escribe los nombres de las siguientes sustancias: b) NH4OH c) CuOH a) NaNO2 d) Fe(OH)2 b) K3PO4 e) Sn(OH)2 c) KMnO4 f) Cu(OH)2 g) Fe(OH)3 d) CrCl3 h) Sn(OH)4 e) MnO2 i) Ni(OH)2 f) HgCl j) Ni(OH)3 g) CaS h) Fe2(CO3)3 i) BaSO4 Oxiácidos Los oxiácidos son los ácidos que contienen oxígeno y resultan de la reacción del agua con los anhídridos (óxidos ácidos). Se nombran anteponiendo la palabra ácido, seguida del nombre del radical negativo correspondiente (también aquí el número de oxidación del hidrógeno es 11). Óxido no metálico 1 agua Oxiácido NO 1 H2O HNO 198 j) KNO2 Sales La combinación entre un metal y un no metal, produce una sal. Dependiendo del origen de las sustancias originales, se pueden obtener: sales binarias, oxisales, sales ácidas, sales básicas, sales neutras y sales hidratadas. Grupo Editorial Patria® Sales binarias Ejemplos Las sales binarias son sales que provienen de los hidrácidos; es decir, su molécula tiene un metal unido a un no metal. Para nombrarlas se cambia la terminación del no metal de hídrico a uro, seguida del nombre del metal correspondiente. Metal 1 No metal Sal binaria M1N MN Na11 y SO422 NaCl cloruro de sodio Rb11 y I21 RbI yoduro de rubidio AlBr3 bromuro de aluminio Fe2S3 sulfuro férrico o sulfuro de fierro (III) Al 21 y Br Fe13 y S22 Pb(NO3)2 nitrato de plomo (II) Ca(ClO)2 hipoclorito de calcio CO322 MnO421 PO423 FeCO3 carbonato ferroso o carbonato de fierro (II) KMnO4 permanganato de potasio y y ClO Ca 12 Fe 11 K y y Mg y Mg3(PO4)2 fosfato de magnesio Actividad de aprendizaje Na11 y Cl21 13 sulfato de sodio 12 Pb 12 Ejemplos Na2SO4 NO321 –1 12 Escribe el nombre de las siguientes oxisales, compáralas de acuerdo con su aplicación y uso, señala las características de cada una, comenta las dudas con tus compañeros: a) CuSO4 Actividad de aprendizaje Escribe el nombre de las siguientes sales sencillas, investiga para qué se utilizan cada una y en qué productos de uso doméstico, fábricas, talleres, etc., las puedes encontrar: b) CuNO2 c) Sn(CO3)2 d) Ni3(PO3)2 e) Fe2(SO3)3 f) (NH4)2SO4 a) NaCl b) CuCl Sales ácidas c) FeCl2 En solución acuosa, el pH de estas sales es menor a 7. La molécula de las sales ácidas se presenta unida a un metal y a un radical negativo, pero entre ellos se encuentra el hidrógeno. Para nombrarlas se utiliza el nombre del radical para las sales con el prefijo bi y después el nombre del metal. d) SnCl2 e) CuCl2 f) FeCl3 g) SnCl4 h) NiCl2 i) NaBr j) Na2S Oxisales Son sales que se derivan de los oxiácidos; es decir, contienen un metal unido a un radical negativo que contenga oxígeno. Se nombran cambiando la terminación oso de los ácidos por ito, y la terminación ico de los ácidos por ato en las sales (este cambio es el nombre del radical), y a continuación se incluye el nombre del metal correspondiente. Metal 1 Óxido no metálico Oxisal M 1 NO MNO Las sales son el producto de la reacción entre ácidos y bases, y al disolverse en agua le imparten cierto carácter. Éste resulta de la fuerza que domine, ya sea por parte del ácido o de la base, y cuando ambos compuestos son fuertes, entonces se neutralizan. Una forma de medir el grado de acidez de una disolución es por medio de su pH (potencial de hidrógeno), o bien, utilizando colorantes indicadores. El pH se mide en un aparato llamado “potenciómetro” o “pH metro”. Ejemplos Li11 y HCO321 LiHCO3 bicarbonato de litio HSO321 HSO421 HCO321 KHSO3 bisulfito de potasio Ca(HSO4)2 bisulfato de calcio 11 K 11 Ca 13 y y Fe(HCO3)2 Fe y bicarbonato férrico o bicarbonato de hierro (III) 199 6 BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica Sales básicas b) Sulfato de cromo (III) En solución, dan valores de pH mayores a 7. Ejemplos c) Sulfuro de molibdeno (IV) Na11 y S22 Na2S sulfuro de sodio Mg12, OH21 y Cl21 MgOHCl cloruro básico de magnesio Na11 y CO322 Na2CO3 carbonato de sodio d) Cloruro de estaño Sales neutras El pH resultante de la disolución de estas sales es 7. e) Bromato de calcio Ejemplos –1 11 Na 11 K y Cl y NO321 NaCl cloruro de sodio KNO3 nitrato de potasio f) Cianuro de níquel (II) g) Hidróxido de magnesio Sales hidratadas Estos compuestos contienen agua de cristalización en su molécula, y para escribir la fórmula se asocian el número de moléculas de agua presentes por medio de un coeficiente y un punto. Para dar el nombre químico del compuesto, se nombra primero la función química inorgánica y luego el número de moléculas de agua con los prefijos mono, di, tri, tetra, penta, etc., y la terminación hidratado. Ejemplos h) Ácido perbrómico i) Ácido sulfuroso j) Ácido nitroso CuSO4·5H2O Sulfato cúprico pentahidratado Na2CO3·10H2O Carbonato de sodio decahidratado CoCl2·6H2O Cloruro cobaltoso hexahidratado FeSO4·7H2O Sulfato ferroso heptahidratado k) Nitrato de mercurio (I) Actividad de aprendizaje l) Anhídrido yodoso Escribe las fórmulas de los siguientes compuestos, investiga para qué se utilizan y en qué productos de uso doméstico, fábricas, talleres, etc., las puedes encontrar, menciona si son sustancias peligrosas y el impacto que pueden tener en el medio ambiente al hacer mal uso de las mismas. a) Sulfuro de amonio m) Hipoclorito de potasio n) Bicarbonato de calcio 200 Grupo Editorial Patria® Actividad experimental Obtengamos un compuesto Con la dirección de su maestro reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas y elaboren un informe escrito de la actividad con sus conclusiones. Expóngalo al grupo. ¿Qué compuesto se formó? Propósito Obtener un compuesto en estado gaseoso a partir de un sólido y un líquido. Material n Un vaso n Cáscaras de huevo n Vinagre ¿Con qué otra sustancia se pueden sustituir las cáscaras de huevo para realizar el experimento? Procedimiento 1. Coloquen vinagre hasta la mitad de un vaso. Conclusiones: 2. Desmenucen una cáscara de huevo y coloquen los trozos dentro del vinagre. ¿Qué ocurre? 201 6 BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica Aplica lo que sabes Aplica lo que sabes Completa el siguiente mapa conceptual. Nomenclatura química inorgánica Se aplican las siguientes reglas de la uiqpa que significa Se tienen los siguientes compuestos inorgánicos principales Hidruros Óxidos metálicos Hidróxidos Oxisales Hidroácidos Ejemplo NaH CO NaCl Se nombren respectivamente al combinarse las palabras Hidruro de (metal) 202 H2SO4 HCl Grupo Editorial Patria® Actividades complementarias I. Instrucciones: Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. 1. ( ) La reacción química se define como: a)Las transformaciones que experimentan las sustancias. b) Todo proceso que se realiza en el universo. 6. ( )En la ecuación SbCl3 + KCl → k3SbCl3 ¿cuál es el coeficiente del cloruro de potasio que ajusta dicha ecuación?: a) 1 d) 4 b) 2 e) 5 c) 3 7. ( ) El nombre del compuesto Au(OH)2 es: c)Los cambios de estado que caracterizan a los sistemas. a) Hidróxido de antimonio d) Las fases que presentan los sistemas. b) Hidróxido de arsénico e) Las propiedades que caracterizan a los sistemas. c) Hidróxido de aluminio 2. ( )En la ecuación Ag + HNO3 → AgNO3 + NO + H2O los productos son: a) Ag, AgNo3, NO b) HNO3, AgNO3, NO c) AgNO3, NO, H2O d) Ag, NO, 2H2O d) Hidróxido auroso 8. ( )La reacción de un no metal con hidrógeno da como producto: a) Hidruro c) Anhídrido b) Hidróxido d) Hidrácido 9. ( )Son los números de oxidación de los elementos que forman el compuesto KHSO4, respectivamente: e) HNO3, NO, H2O 3. ( ) S1O2 + 4HF → S1F4 + 2H2O. En la ecuación dada, los coeficientes: 1, 4, 1 y 2 nos representan los: a) átomos d) moles b) valencias e) compuestos c) iones 4. ( )La reacción: S1O2 + 4HF → S1F4 + 2H2O se clasifica como una reacción de: a) 11, 11, 16, 22 b) 22, 11, 16, 24 c) 12, 14, 24, 22 d) 13, 16, 28 10. Escribe el nombre o la fórmula según corresponda: a) H2S b) Nitrito de potasio a) análisis c) NO2 b) síntesis d) Sulfato de oro II c) sustitución simple e) KClO3 d) sustitución doble e) oxidación-reducción 5. ( ) Es una reacción de análisis: a) CaO + CO2 → CaCO3 b) Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 c) 2Ag + S → Ag2S d) 2KClO3 D→ 2KCl + 302 11. Escribe el nombre o la fórmula según corresponda: a) CaH2 b) Ácido nítrico c) SO2 d) Carbonato de fierro II e) KCl e) Ag + HNO3 → AgNO3 + NO + H2O 203 6 BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica 12. Escribe el nombre de los siguientes óxidos no metálicos: 14. Escribe el nombre de los siguientes hidróxidos: a) CO a) CuOH b) CO2 b) Cu(OH)2 c) Cl2O7 d) Cl2O5 e) Cl2O3 13. Escribe la fórmula de los siguientes óxidos no metálicos: c) Al(OH)3 d) Fe(OH)2 e) Fe(OH)3 15. Escribe la fórmula de los siguientes ácidos: a) HMnO4 a) Pentóxido de dinitrógeno b) HIO b) Heptóxido de dibromo c) HClO c) Monóxido de dibromo d) HClO2 d) Dióxido de manganeso e) HClO3 e) Trióxido de azufre f) HClO4 204 Grupo Editorial Patria® Instrumentos de evaluación Heteroevaluación Ha llegado la hora de que demuestres realmente cuánto has aprendido, hemos terminado este bloque y ahora ya conoces muchas cosas nuevas. En esta sección encontrarás una heteroevaluación que abarca todo el conocimiento adquirido en este bloque, contéstala lo mejor que puedas. I. Anota en el paréntesis de la derecha la letra de la respuesta correcta. 1. El nombre del siguiente compuesto Au2(CO3)3 es carbonato: a) áurico b) arsénico c) de aluminio b) óxido c) anhídrido ) ( ) d) auroso 2. La reacción de un metal con oxígeno da como producto: a) hidruro ( d) hidrácido 3. Son los números de oxidación de los elementos que forman el compuesto BaSO4: ( ) a) 11, 16, 12 b) 21, 16, 14 c) 12, 16, 22 d) 13, 16, 18 4. El nombre del compuesto Al(OH)3 es hidróxido: a) de plata b) de arsénico c) de aluminio b) condensada c) empírica b) oxisales c) oxiácidos b) hidróxidos c) hidruros b) H2 SO4 c) Na2O b) un metal II. Escribe la fórmula química de los siguientes compuestos. c) halógeno ) ( ) ( ) ( ) d) AgCl 9. Los hidruros resultan de la combinación del hidrógeno con: a) un no metal ( d) ácidos 8. Es un ejemplo de óxido metálico: a) NaOH ) d) sales binarias 7. Compuestos que se obtienen mediante la combinación del hidrógeno con cualquier metal: a) hidrácidos ( d) molecular 6. Son compuestos cuyo nombre lleva la terminación “uro” seguida del nombre del metal correspondiente: a) hidrácidos ) d) auroso 5. La fórmula más pequeña con la información sobre la proporción de átomos presente en la molécula de un compuesto se llama: a) desarrollada ( d) oxígeno e) Ácido carbónico a)Óxido de cobre II f ) Anhídrido cloroso b) Sulfato férrico g) Hidróxido de aluminio c) Hidruro de calcio h) Ácido sulfhídrico d) Hidróxido férrico i) Cianuro de potasio 205 6 BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica III. Relaciona las siguientes columnas, coloca en el cuadro de la derecha la letra que corresponda a la respuesta correcta. a) Na2SO4 Son las cargas aparentes asignadas a cada uno de los átomos que forman un compuesto b) Sal de azufre La suma de los números de oxidación de un compuesto debe ser igual a c) NaHCO3 Sal binaria d) CaH2 Anhídrido e) NH 4+1 Hidruro f ) MnCl4 Sal ácida g) Número de oxidación Hidróxido h) Óxido cuproso Catión i) SO2 j) Cero k) Al(OH)3 IV. Completa el siguiente cuadro, combinando los cationes (1), con los aniones (2). Escribe la fórmula resultante y su nombre respectivo. Iones Se−2 seleniuro HCO3–1 bicarbonato CN−1 cianuro K+1 potasio Au+3 áurico NH4+1 amonio Fe+3 férrico H+1 ácido Escribe el nombre de las siguientes sustancias: e) MnO2 a) NaNO2 f ) Hg2Cl2 b) K3PO4 g) CaS c) KMnO4 h) Fe(CO3) d) CrCl3 i) BaSO4 206 OH−1 hidróxido ClO 321 clorato Grupo Editorial Patria® j) KNO2 f ) Pr k) P4O10 g) Te l) N2O5 h) As m) Li3N i) Bk n) Mg2C o) (NH4)2SO4 p) H3AsO4 Escribe el nombre de los siguientes iones: a) NO21 3 b) SO22 3 c) CrO21 4 d) Cr2O22 7 e) ClO21 f ) CN21 g) HSO21 3 h) HCO21 3 Escribe el nombre de los siguientes elementos: a) Cu b) Am c) Sr d) Cd Escribe el nombre o la fórmula, según corresponda a las siguientes sustancias químicas: Óxido férrico: CaCl2: CO2: Clorato de potasio: Nitrato cúprico: HNO3 : H2S: Peróxido de hidrógeno: NaOH: Permanganato de potasio: Hipoclorito de sodio: Na2S2O7: HgI2: NH4OH: Yodato de litio: Ácido fluorhídrico: e) Ar 207 6 BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica Guía de observación Guía de observación para evaluar la Actividad experimental de la página 201. Fecha: Hora de inicio: Hora final: Equipo: Tema: Propósito: Registrar el desempeño que tienen los estudiantes durante el experimento. Criterio/Conducta observable 1. Tienen claro el propósito del experimento. 2. Toman en cuenta los conceptos teóricos que se desarrollaron en clase. 3. Realizan al pie de la letra el procedimiento establecido. 4. Utilizan correctamente los materiales. 5. Observan con detenimiento las reacciones químicas que se dan en el experimento. 6. Contestan correctamente todas las preguntas del cuestionario. 7. Anotan a detalle todos los comentarios con base en el resultado del experimento. 8. Todas las respuestas son claras y congruentes. 9. Argumentan sus respuestas y comentarios con bases teóricas y de acuerdo con el experimento realizado. 10. Todos los integrantes participan durante toda la actividad. 11. Entre todos elaboran el informe escrito y lo presentan ante el grupo. 12. Elaboran sus conclusiones y las presentan al grupo. 13. Lograron el propósito del experimento. 14. Cada integrante participa y apoya a sus compañeras/os durante la exposición de su informe. Comentarios generales: 208 ¿Cumplen? Sí No Notas Grupo Editorial Patria® Coevaluación Coevaluación para las actividades de aprendizaje de las páginas 195, 196, 197, 198, 199 y 200. Nombre de la(el) alumna/o que evalúa: Nombre de la(el) alumna/o a evaluar: Maestra/o: Fecha: Instrucciones: Analiza y observa cada aspecto a considerar, después revisa todas las actividades de aprendizaje que se tienen que resolver; verifica que cumpla tal y como se indica en los aspectos, de lo contrario realiza un comentario en el apartado de las observaciones. Todos tus comentarios y observaciones deben ser claros, objetivos, propositivos y constructivos; además, deben estar relacionados con los contenidos temáticos que se revisaron, a fin de que sean útiles para concretar las actividades de forma correcta y significativa para ti y tu compañera/o. Aspectos a considerar Sí No Observaciones 1. Se basa en los ejemplos y en las tablas de elementos químicos desarrollados en el bloque. 2. Escribe todas las fórmulas que se solicitan en las actividades. 3. Todas las fórmulas están planteadas correctamente. 4. Sabe cuáles son los óxidos básicos que tienen un impacto ambiental. 5. Menciona ejemplos apropiados y los relaciona con todas las fórmulas. 6. Distingue correctamente los compuestos orgánicos e inorgánicos. 7. Señala ejemplos de uso práctico en la vida cotidiana. 8. Proporciona buenos ejemplos de los hidrácidos. 9. El nombre de todas las fórmulas de los oxácidos está correcto. 10. Los nombres de las sustancias son correctos. 11. Sabe para qué y en qué productos se utilizan las sales sencillas. 12. Hace la comparación sobre la aplicación y uso de las oxisales. 13.Señala correctamente las características de las oxisales. 14. Aporta información importante y además retroalimenta los conocimientos adquiridos. Menciona en qué hay que mejorar. Realiza sugerencias: Revisado por la maestra/o: 209 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas 15 horas Objetos de aprendizaje 7.1 Símbolos en las ecuaciones químicas 7.2 Tipos de reacciones químicas: – Síntesis o adición – Descomposición o análisis – Sustitución o desplazamiento simple – Sustitución o desplazamiento doble 7.3 Balanceo de ecuaciones químicas: – Tanteo – Óxido-reducción Competencias a desarrollar n n n Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. n n n Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. ¿Qué sabes hacer ahora? Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. La reacción entre un anhídrido y el agua, se clasifica como de: b) doble sustitución c) análisis d) síntesis ( ) a) simple sustitución La reacción entre el H2SO4 y el NaOH, se clasifica como de: b) simple sustitución c) doble sustitución d) síntesis ( ) a) análisis ( ) Los óxidos que al reaccionar con el agua forman ácidos, se les llama: a) metálicos ( ) b) neutros La reacción: azufre 1 oxígeno se por el siguiente modelo: a) A 1 B C1D c) A 1 B AB c) no metálicos d) peróxidos anhídrido carbónico, puede representarb) AB AC 1 B d) AC 1 B ABC La reacción : H2O H2 1 O2 se clasifica como de: b) síntesis c) simple sustitución d) doble sustitución ( ) a) análisis Es la representación matemática de una reacción química: b) fenómeno c) fórmula química d) reactivos ( ) a) ecuación química ( ) Indica el desprendimiento de una sustancia gaseosa: a) b) c) d) Al reaccionar el ácido clorhídrico con el hidróxido de amonio, se obtiene: b) agua más amoniaco c) ácido nítrico más agua d) amoniaco más sal ( ) a) cloruro de amonio más agua Al reaccionar el sodio con el hidrógeno, se obtiene: b) hidruro de sodio c) hidrácido de sodio d) agua sódica ( ) a) hidróxido de sodio n n n Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente. Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente. Desempeños por alcanzar n n n Reconoce la simbología empleada en una ecuación química. Identifica y representa los diferentes tipos de reacción. Balancea ecuaciones químicas por métodos diversos. 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas Situación didáctica A continuación descubriremos la importancia que tiene el reciclado y el saber qué y cómo reciclar. Se ha mencionado que hay sociedades de lo “desechable” como la estadounidense. Ese país arroja a la basura 1.1 millones de toneladas de platos y vasos desechables por año. Esa cantidad es suficiente para ofrecer seis días de campo anualmente ¡a la población total del planeta! En un sentido más general, cerca de 30% de la producción de materiales importantes en ese país termina en la basura. Algunos críticos dicen que esa sociedad sobreempaca los alimentos y productos de consumo. Los materiales de empaque constituyen alrededor de la mitad de todos los desechos sólidos de Estados Unidos en volumen, y casi un tercio en masa. Piensa en el empaque para usarse una sola vez que implica una comida rápida. El inventario desechable incluiría un recipiente para hamburguesa, vaso desechable, tapa de plástico, popote de plástico, bolsa de papel para las papas fritas, sobres de plástico para la salsa de tomate, la sal y la pimienta, servilleta de papel y, si es una orden para llevar, una bolsa de papel para contener la comida. El empaque es necesario en cierta medida, pues protege los ingredientes, mantiene juntos los objetos pequeños, y en muchos casos favorece la higiene y la seguridad. Pero hasta un simple bolígrafo se empaca a menudo en plástico y cartón, y el cajero lo coloca en una bolsa para que puedas llevarlo a casa. ¿Cuáles son las alternativas? Una es usar menos productos. Otra es comprar al mayoreo para utilizar menos material de empaque. Otras alternativas son usar los objetos durante más tiempo o bien reutilizarlos o reciclarlos. El reciclado exige un compromiso y un esfuerzo considerables. ¿Cuáles son los beneficios? Para encontrar respuestas, examinemos tres materiales: papel, aluminio y vidrio. Papel. Es un recurso renovable importante. Como el papel se hace de pulpa de madera, es posible plantar nuevos árboles para reemplazar los que se cortaron. Sin embar212 ¿Cómo lo resolverías? go, se requiere cerca de 25 años para que las semillas se conviertan en árboles del tamaño apropiado para ser económicamente útiles. ¡“Renovar” este recurso toma tiempo! Se necesitan unos 17 árboles para producir una tonelada de papel. Esta cantidad es apenas suficiente para suministrar el papel que dos ciudadanos utilizan en un año. Se requiere energía para hacer papel con un árbol. Para procesar papel reciclado se necesita menos de la mitad de la energía que para hacer papel nuevo. Actualmente en Estados Unidos se recicla el 68% del papel que se usa. Aluminio. Éste es un recurso químico no renovable: el número total de átomos de aluminio en el mundo es, para todo propósito práctico, fijo e inmutable. Cuando hayamos consumido este recurso, no habrá más. El aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre (8%). Sin embargo, gran parte de este aluminio está encerrado en silicatos, de los cuales no es fácil extraerlo. La demanda de aluminio en muchos países es tan grande que el suministro interno de la mena (bauxita) no satisface las necesidades. En muchos países latinoamericanos se importa 100% del aluminio y en Estados Unidos sólo se importa el 18%. La producción de aluminio a partir de mena bauxita requiere mucha energía. Reciclar el aluminio usado consume solamente de 5 a 10% de esa cantidad de energía. Gracias a esfuerzos nacionales organizados, en la actualidad se recicla más de la mitad de las latas de aluminio usadas. Vidrio. Una forma simple del vidrio se hace fundiendo juntos, a elevadas temperaturas, arena (dióxido de silicio, SiO2), cenizas de sosa (carbonato de sodio, Na2CO3) y piedra caliza (carbonato de calcio, CaCO3). Los tres materiales no son renovables pero sí muy abundantes. Se calcula que cerca de 34% de los recipientes de vidrio que se fabrican en Estados Unidos se producen con vidrio de desecho o reciclado. De acuerdo con un análisis reciente, el reciclado del vidrio ayuda a reducir en parte la energía que requiere su manufactura. Si se empleara 100% de vidrio de desecho y reciclado para los recipientes nuevos, el ahorro de energía de procesamiento sería de alrededor de 15%, con un ahorro adicional de 16% en costos de extracción y transporte necesarios para los materiales nuevos. Grupo Editorial Patria® Secuencia didáctica Reúnete con varios de tus compañeros de clase y formen un equipo, analizando posibles respuestas para las preguntas que siguen. Las respuestas del equipo serán analizadas posteriormente por todo el grupo. 1. ¿Cuál de los tres materiales (papel, aluminio o vidrio) es más importante reciclar? a)¿Por razones económicas? b)¿Por razones ecológicas? c)¿Por razones socioculturales? d)¿Por razones de salud pública? ¿Qué tienes que hacer? f )¿Cómo obtendrías los resultados logrados ante esta situación? g)¿Cuál sería el plan para darle seguimiento a este proceso?, al menos arma el que llevarías a cabo en tu hogar. h)En equipo con tus compañeros de clase, elaboren un plan de seguimiento para concientizar a la comunidad estudiantil sobre el impacto y la importancia que tiene el reciclar diversos materiales en la actualidad. 3. Como individuos, podemos reemplazar, reutilizar o reciclar materiales de diversas maneras. Por ejemplo, podemos utilizar los dos lados del papel para escribir; o bien, cuando se tiene la opción, adquirir bebidas en botellas retornables y devolverlas. Identifica al menos otras cinco formas en que nosotros, como individuos, podemos reemplazar, reutilizar o reciclar ciertos materiales. 2. Argumenta tus respuestas destacando la importancia que tiene cada uno para el cuidado del medio ambiente y por consecuencia del entorno en el que vives. a)De ser así identifica algunos materiales de uso común en el hogar, en la oficina, en las fábricas, en establecimientos comerciales, en talleres mecánicos, tiendas de abarrotes, entre otros que deban reciclarse conforme a esa ley. b)¿Cómo crees que se podría hacer cumplir una ley como ésa? 4. Plantamos árboles para satisfacer nuestras necesidades de papel. Imagina que toda comunicación impresa y mecanografiada fuera reemplazada en el futuro por redes electrónicas basadas en computadoras. a)¿Qué usos actuales del papel cesarían? c)¿Cómo implementarías estas acciones en tu hogar? d)¿De qué forma difundirías la importancia de esta práctica en tu comunidad? e)¿Qué medidas tomarías para que se lleven a cabo estas acciones en tu plantel educativo? 213 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas b)¿Qué trabajos u ocupaciones desaparecerían? d)¿Qué estarías leyendo en lugar de este libro de texto de química hecho de papel? e)¿En qué otros aspectos cambiaría tu rutina diaria debido a este avance tecnológico? c)¿Qué trabajos u ocupaciones se crearían? Rúbrica ¿Cómo sabes que lo hiciste bien? 1. a) Menciona y describe brevemente las tres regiones principales de la Tierra. b) ¿Qué región funge como el principal “almacén” de recursos químicos que se emplean en la manufactura de productos de consumo? 2. Escribe las ecuaciones balanceadas para cada caso: Caso a) Preparación de ácido fosfórico (H3PO4); se usa para hacer bebidas gaseosas, detergentes y otros productos, a partir de roca fosfórica y ácido sulfúrico: Ca3(PO4)2(s) 1 H2SO4(ac) H3PO4(ac) 1 CaSO4(s) Caso b) Preparación de tungsteno (W) a partir de su mena: WO3(s) 1 H2(g) W(s)1 H2O(l ) 5. Que cada equipo presente sus respuestas en plenaria y analice las formas para contestar la pregunta central, tomando como sugerencias las preguntas anteriores. 6. Propiciar un debate para argumentar los resultados que cada equipo obtuvo y retroalimentar la actividad. 7. Establezcan las conclusiones correspondientes, proporcionando su punto de vista sobre la temática desarrollada y la relación que ésta tiene con la vida cotidiana. 8. Elaboren un reporte donde expresen de manera objetiva sus reflexiones sobre esta actividad. Autoevaluación Caso c) Calentar mena de sulfuro de plomo en aire: PbS(s) 1 O2(g) PbO(s) 1 SO2(g) Con el propósito de revisar si adquiriste los conocimientos del bloque, pregúntate lo siguiente: n 3. Describe una rutina cotidiana que estarías dispuesto a modificar para reducir los problemas de eliminación de desechos sólidos. n 4. Elaboren en equipo un reporte sobre los resultados que obtuvieron. 214 n ¿Leí todo el contenido del bloque? Cuando lo hice, ¿comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta comprenderlo? ¿Puedo comprender la importancia del reciclado en la preservación del medio ambiente? Explícalo brevemente. Grupo Editorial Patria® 7.1 Símbolos en las ecuaciones químicas Ecuación química La naturaleza es dinámica, y tanto la materia viva como la inerte sufren continuamente procesos de transformación, de los cuales los más importantes son los que afectan a su constitución. La formación de las rocas, la erosión química por el agua, el nacimiento de una planta o la respiración de un mamífero, son procesos observables que suponen transformación de unas sustancias a otras. Todos ellos, más allá de sus diferencias, tienen algo en común: implican transformaciones a escala molecular que dan lugar a los cambios materiales observables a simple vista. En los bloques anteriores se ha visto cómo los elementos químicos forman compuestos por medio de enlaces que unen entre sí a sus átomos. Las reacciones químicas son procesos de transformación de unas sustancias a otras y según la teoría atómica de la materia, se explican como el resultado de un reagrupamiento de átomos para dar nuevas moléculas. Las sustancias participan en la reacción química correspondiente, la cual sirve de base para la realización de diferentes tipos de cálculos químicos. Una ecuación química es la representación matemática de una reacción química, en la cual se indica el símbolo de cada elemento o compuesto y el estado físico en que se encuentra. En las reacciones químicas las sustancias iniciales (que se escriben del lado izquierdo) se llaman reactivos, y son sustituidas por las nuevas que se forman (que se escriben del lado derecho) y se llaman productos: A1B C1D Reactivos Productos Actividad de aprendizaje Describe un ejemplo de lo que es una reacción química, con un objeto de uso común en tu hogar, argumenta tu respuesta con bases teóricas. A partir de este ejemplo, establece la diferencia entre reacción química y ecuación química, señala cómo se relacionan y la importancia que tienen en la naturaleza y en la vida diaria. b) En el miembro de la izquierda, se escriben las fórmulas de las sustancias iniciales o reactivos separados por el signo de adición. c) En el miembro de la derecha se escriben las fórmulas de las sustancias que se forman en la reacción química, o productos, también separadas por signos de adición. d) Ambos miembros de la ecuación química deben contener los mismos elementos y además el mismo número de átomos. Para escribir una ecuación química, se recomienda seguir estos pasos: 1. Escribir con palabras los nombres de las sustancias reaccionantes, así como de las sustancias producidas separadas por los signos de adición y la flecha horizontal: Clorato de potasio Calor Cloruro de potasio 1 Oxígeno Por ejemplo: cuando quemamos papel, se produce humo; esto se puede representar de la siguiente manera: C(s) 1 O2(g) Δ CO2(g) 1 H2O(l) Se puede leer de la siguiente manera: al quemar el carbón sólido con calor, se produce el gas dióxido de carbono más agua en estado líquido. Por tanto, una ecuación química nos indica el proceso que se está realizando o se puede realizar en la naturaleza. Por lo general, las ecuaciones químicas indican los estados inicial y final de una reacción y no los pasos intermedios. A continuación se mencionan algunas características de las ecuaciones químicas: a) Presentan dos miembros separados por una flecha horizontal, en el sentido en que se efectúa la reacción. Figura 7.1 Las reacciones químicas son fundamentales en la obtención de nuevos materiales. Figura 7.2 Un país puede recibir grandes beneficios económicos de la producción de ácido sulfúrico. 215 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas Significado de los signos convencionales en una ecuación química 2. Escribir la fórmula de cada una de las sustancias con su nombre; se debe recordar que: En el estudio de la química, los procesos que se verifican en la naturaleza deben describirse de la manera más explícita posible, por lo que en la escritura de las reacciones químicas se utilizan los siguientes símbolos convencionales que nos permiten una mayor comprensión del fenómeno que ocurre. a)La fórmula de los elementos generalmente corresponde a su símbolo; aunque se pueden presentar moléculas diatómicas, por ejemplo: H2 , N2 , O2 , F2 , Cl2 , Br2 , I2 . b)Las fórmulas de los compuestos se escriben de acuerdo con lo establecido por las reglas de la uiqpa. Signo auxiliar Figura 7.3 Reacción química del azúcar con el ácido sulfúrico. Por tanto, la ecuación química se escribe así: 2KCl(s) 1 3O2 (g) 2KClO3(s) La flecha en sentido vertical indica que esta sustancia se desprende como gas. Analiza el funcionamiento de tu organismo e identifica cómo se da la reacción de oxidación, describe este proceso y la relación que existe entre éste y una reacción química. Actividad de aprendizaje Anota en el paréntesis de la izquierda la letra que corresponda a las partes de los signos auxiliares de una reacción química. (A) (B) H2SO3(ac) 1 Na(s) (E) ( ) Sentido de la reacción ( ) Sólido que precipita ( ) Aplicación de calor ( ) Gas que se desprende ( ) Reactivos ( ) Ácido sulfuroso ( ) Sulfito de sodio ( ) Productos ( ) Sodio metálico 216 (I) Δ (F) (g) Gas (l) Líquido (s) Sólido (ac.) o (aq.) c)El símbolo correspondiente al calor es la letra delta (Δ) mayúscula. (C) (H) Na2SO3(s) 1 H2(g) (G) (D) Significado Disolución acuosa (E) Energía (Δ) Calor (hf) Energía de radiación electromagnética ( ) Gas que se desprende en el proceso ( ) Sólido que se precipita ( ) Reacción en un sentido (irreversible) ( ) Reacción en ambos sentidos (reversible) Cada símbolo químico que aparece en la ecuación no sólo constituye la abreviatura del nombre del elemento correspondiente, sino que además representa un átomo de dicho elemento. Análogamente, la fórmula de un compuesto designa a dicho compuesto y muestra los átomos (o los iones) que componen su molécula (o su agregado iónico elemental), así como la relación numérica entre ellos. Esta forma simbólica de escribir las reacciones químicas constituye, por tanto, la descripción de las transformaciones a nivel molecular que aquéllas implican. La representación visual de tales procesos puede efectuarse recurriendo a modelos o construcciones mediante esferas que reproducen la estructura aproximada de la molécula o agregado iónico en cuestión. En este tipo de modelos, cada esfera con su color correspondiente representa un átomo o un ion y el conjunto describe la forma exterior de la molécula o del agregado iónico. Ejemplos 4Fe(s) 1 3O2 (g) Ag11(ac) 1 Cl–1(ac) NaCl(ac) 1 AgNO3(ac) 2Fe2O3(s) AgCl(s) AgCl(s) 1 NaNO3(ac) Grupo Editorial Patria® Reacción química Actividad de aprendizaje Una reacción química es un proceso en el cual un sistema caracterizado por las propiedades físicas y químicas de las sustancias que lo constituyen experimenta un cambio. Por tanto, cuando ocurre un cambio químico, los átomos de los compuestos se reacomodan para formar otros compuestos. Las reacciones químicas suponen una reorganización de los átomos a nivel microscópico para formar nuevas moléculas: los enlaces se rompen y las uniones atómicas se recomponen de otra manera. Para estudiar las reacciones químicas, es necesario tener en cuenta lo siguiente: La energía y las reacciones químicas De acuerdo con la figura de la electrólisis del agua, en la que se muestra un ejemplo de fenómeno químico. La energía eléctrica se usa para romper las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. Observa la reacción química del experimento y contesta cada una de las siguientes preguntas, al final proporciona tu opinión sobre la importancia de este fenómeno químico y la relación o la utilidad que éste tiene en la vida diaria a) Toda reacción química debe estar de acuerdo con los resultados experimentales. Ejemplos 1. Al calentar clorato de potasio (KClO3) en un recipiente con tubo de desprendimiento, se efectúa una reacción química, porque el clorato desaparece pero, simultáneamente, aparecen dos sustancias: cloruro de potasio (KCl) y oxígeno (O2) gaseoso, que sale por el tubo de desprendimiento. 2KClO3(s) 2KCl(s) 1 3O2(s) 2. De la misma manera, si se coloca un trozo de sodio metálico (Na) en un vaso de precipitados que contiene agua, el sodio (Na) se desplaza sobre la superficie del agua hasta desaparecer completamente. Ocurre una reacción química entre el sodio y el agua, obteniéndose una nueva sustancia llamada hidróxido de sodio (NaOH) y desprendiéndose un gas de hidrógeno (H2). Esto se puede comprobar sumergiendo un papel tornasol en el recipiente que se utilizó y la solución cambia de color. 2Na(s) 1 2H2O(l) 2NaOH(ac) 1 H2(g) 3. Al poner en contacto una solución acuosa de nitrato de plata (AgNO3) con una solución acuosa de cloruro de sodio (NaCl), ambas incoloras, se efectúa una reacción química porque se forma otra sustancia insoluble en agua, el cloruro de plata (AgCl), que al principio da un aspecto lechoso a la solución, y después forma un precipitado blanco y grumoso; en solución queda el nitrato de sodio. NaCl(ac) 1 AgNO3(ac) AgCl(s) 1 NaNO3(ac) Reacción: 2 H2O(l) Electricidad 2 H2(g) 1 O2(g) a) ¿A partir de qué sustancia se inició el experimento? b) ¿Qué elementos se obtuvieron? c) ¿De qué elementos se partió? d) ¿Se formaron nuevas sustancias? e) ¿Son diferentes las sustancias iniciales y las finales? f) ¿Cuántos átomos de hidrógeno hay al principio? g) ¿Cuántos átomos de oxígeno hay al principio? h) ¿Cuántos átomos de hidrógeno hay al final? i) ¿Cuántos átomos de oxígeno hay al final? j) ¿Cambió el número de átomos? k) ¿La electrólisis es un cambio físico o un cambio químico? 217 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas Para tu reflexión Las reacciones químicas en la vida cotidiana Casi todos los alimentos que consumimos (carne, pescado, verduras, frutas, etc.), son sustancias orgánicas derivadas de animales o plantas. Una vez separadas del organismo de origen comienzan a descomponerse por la acción de microorganismos que provocan reacciones de oxidación rápidas, como por ejemplo: la carne se pudre, la mantequilla se arrancia, etc. Por tanto, es necesario disminuir la velocidad de estas reacciones, y para ello se conservan los alimentos a baja temperatura. En el refrigerador, donde la temperatura es de aproximadamente 2.5 °C, se preservan sólo por algunos días; en cambio en el congelador, estas reacciones prácticamente se bloquean y algunos alimentos se conservan varios meses. La cocción de los alimentos es otra reacción química que se hace en agua para evitar que se carbonicen. El tiempo de cocción se reduce conforme la temperatura aumenta. Como en circunstancias normales la temperatura no puede pasar de 100 °C, se recurre a cocinar en una olla a presión, donde se alcanzan temperaturas del orden de 120 °C, gracias a que la presión en el interior puede llegar a 2 atmósferas. Así, las reacciones químicas propias de la cocción se aceleran y el tiempo puede reducirse considerablemente. Otra reacción muy común es la que se produce al quemar la madera o el carbón, en la cual además de dióxido de carbono y agua, es inevitable que produzca también monóxido de carbono, que es muy tóxico. A partir de los 700 °C, el monóxido se descompone en carbón (hollín), y dióxido: 2CO Figura 7.4 Alimentos con microorganismos por su descomposición. 218 Por debajo de 400 °C, la velocidad de esta reacción es casi nula. Por ello debe evitarse que los gases desprendidos se enfríen bruscamente, ya que bloquearían esta descomposición. Por el contrario, en una chimenea se logra un enfriamiento progresivo que permite la reacción de descomposición. Con ello se evita arrojar un importante volumen de CO a la atmósfera. Otra aplicación de las reacciones químicas es en el proceso de revelado, el cual conduce a la obtención del negativo. Cuando el proceso es en blanco y negro, consiste en eliminar el bromuro de plata no impresionado por la luz (partes oscuras de la imagen y claras del negativo) y que queda sobre la película. Para ello, se sumerge la película en un baño de una solución de tiosulfato de sodio (Na2S2O3,“hiposulfito”), donde se efectúa una reacción lenta cuyos productos quedan en la solución: 2AgBr(s) 1 Na2S2O3(ac) Ag2S2O3(ac) 1 2NaBr(s) Esta reacción de revelado es muy sensible a las variaciones de temperatura. Si el baño está a 25 °C, se recomienda 1 minuto para el revelado; a 20 °C, se requieren 4 min, y a 15 °C, 10 min. En las zonas de la película sobre las que incide la luz en el momento de tomar la fotografía, la sal se convierte en plata metálica y queda formando las zonas oscuras del negativo. CO2 + C Figura 7.5 El quemar la madera, cartón u otros materiales produce gases contaminantes al medio ambiente. Figura 7.6 El revelado de fotografías es un ejemplo de reacción química. b) Se debe cumplir con la ley de la conservación de la masa, es decir, que en el proceso de transformación no haya pérdida ni ganancia de materia. c) El número de átomos de cada elemento que interviene en la reacción se conserva constante y la forma en que se encuentran unidos estos átomos cambia. d) La carga neta en productos y reactivos debe ser la misma. En este último ejemplo conviene hacer las siguientes observaciones: a) Cuando se ponen en contacto cristales de cloruro de sodio y de nitrato de sodio la reacción química no es tan evidente como cuando se usan sus soluciones. b) Cuando se preparan independientemente cada una de las soluciones por separado, se observa que los cristales desaparecen. Sin embargo, en esta operación no se efectúa una reacción química, porque no se forma ninguna sustancia diferente, sino una mezcla homogénea de la sustancia con el agua, llamada solución acuosa (al preparar una solución acuosa se efectúa una mezcla, pero no se realiza una reacción química). c) Las sustancias que se forman durante esta reacción pueden separarse mediante operaciones físicas, tales como la decantación, la filtración y la evaporación, durante las cuales, aunque se separan entre sí tanto como del agua, no se forman otras sustancias diferentes. 7.2 Tipos de reacciones químicas De acuerdo con lo anteriormente explicado, es necesario reconocer que una ecuación química sólo puede corresponder a un fenómeno químico que se verifique en condiciones adecuadas, es decir, no se debe proponer una ecuación química “inventada” o que no se refiera a una reacción química real. Grupo Editorial Patria® La ecuación química es el modelo matemático de un fenómeno químico real. No siempre es posible predecir si al poner en contacto ciertas sustancias reaccionarán, y qué sustancias se producirán. Sin embargo, debido a muchos miles de experimentos realizados en el mundo que nos rodea, debidamente repetidos y controlados en el laboratorio, las reacciones químicas se han clasificado en cuatro tipos principales: síntesis, descomposición, sustitución simple y sustitución doble. Reacciones de síntesis o adición Fórmula general: A1B AB Las reacciones de síntesis son aquéllas en las que las sustancias reaccionantes son elementos y la sustancia producida es un compuesto. Ejemplos a) 4Na(s) 1 O2(g) Sodio 1 Oxígeno 2Na2O(s) Óxido de sodio 1 O2(g) b) S(s) Azufre 1 Oxígeno SO2(g) Dióxido de azufre c) Ca(s) 1 H2(g) Calcio 1 Hidrógeno CaH2(s) Hidruro de calcio d) Cl2 (g) 1 H2(g) Cloro 1 Hidrógeno 2HCl(g) Ácido clorhídrico e) 2Fe(s) 1 3Cl2(g) Fierro 1 Cloro 2FeCl3(s) Cloruro férrico Las reacciones de adición son aquéllas en las que las sustancias iniciales son dos compuestos, o un compuesto y un elemento, y la sustancia final es un compuesto. Ejemplos Fórmula general: A1B a) CuO(s) 1 H2O(l) Óxido de cobre (II) 1 Agua b) CO2(g) 1 H2O(l) Dióxido de carbono 1 Agua c) CuO(s) 1 CO2(g) AB Cu (OH)2(l) Hidróxido de cobre (II) H2CO3(l) Ácido carbónico CuCO3(s) Óxido de cobre (II) 1 Dióxido de carbono Figura 7.7 Hay que evitar la emisión de contaminantes a la atmósfera. d) 2SO2(g) 1 O2(g) Dióxido de azufre + Oxígeno Carbonato de cobre (II) 2SO3(g) Trióxido de azufre 219 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas Reacciones de descomposición o análisis Reacciones de sustitución o desplazamiento doble Fórmula general: E Fórmula general: AB E = Energía AB 1 CD AD 1 CB A 1 B; A1 B2 1 C1 D2 Las reacciones de análisis son aquellas en las que la sustancia reaccionante es un compuesto que, por acción del calor, de la electricidad o algún otro medio (por ejemplo enzimas en procesos de fermentación), se descompone en dos o más elementos o compuestos. A1 D2 1 C1 B2 En este tipo de reacciones las sustancias reaccionantes son dos compuestos, y las sustancias producidas son otros dos compuestos diferentes de los anteriores; de tal manera que hay un intercambio de iones y elementos entre ellos. En otras palabras, hay un intercambio de iones entre las sustancias participantes. Ejemplos Ejemplos a) 2KClO3(s) Clorato de potasio b) CaCO3(s) C arbonato de calcio c) 2NaCl(s) Cloruro de sodio d) 2H2O(l) A gua 2KCI(s) 1 3O2(g) Cloruro de potasio 1 Oxígeno a) Na+1OH –1(ac)1 H+1Cl –1(ac) Na+1Cl –1(ac)1 H+1 OH(l) CaO(s) 1 CO2(g) H idróxido de sodio 1 Ácido clorhídrico Cloruro de sodio 1 Agua Óxido de calcio 1 Dióxido de carbono NaOH(ac) 2Na(s) 1 Cl2(g) Sodio 1 Cloro 2H2(g) 1 O2(g) Hidrógeno 1 Oxígeno b) AgNO3(ac) 1 HCl(ac)NaCl(ac) 1 H2O(l) 1 NaCl(ac) 1 NaNO3(ac) AgCl(ac) Nitrato de plata 1 Cloruro de sodio Cloruro de plata 1 Nitrato de sodio c) 2KI(ac) 1 Pb(NO3)2(ac) 2KNO3(ac) 1 PbI2(ac) Y oduro de potasio 1 Nitrato de plomo Nitrato de potasio 1 Yoduro de plomo Reacciones de sustitución o desplazamiento simple Fórmula general: A 1 BC d) BaO2(ac) Ejemplos ZnCl2(l) 1 H2(g) C inc 1 Ácido clorhídricoCloruro de cinc 1 Hidrógeno b) Mg(s) 1 H2SO4(l) MgSO4(l) 1 H2(g) M agnesio 1 Ácido sulfúricoSulfato de magnesio 1 Hidrógeno c) 2Na(s) 1 2H2O(l) 2NaOH(l) 1 H2(g) S odio 1 Agua Hidróxido de sodio 1 Hidrógeno d) Cu(s) 1 AgNO3(ac) CuNO3(ac) 1 Ag(s) C obre 1 Nitrato de plata Nitrato de cobre (l) 1 Plata 220 BaSO4(ac) 1 H2O2(ac) Óxido de bario 1 Ácido sulfúrico Sulfato de bario 1 Peróxido de hidrógeno AC 1 B En estas reacciones las sustancias reaccionantes son un compuesto y un elemento, y las sustancias producidas, un elemento y un compuesto diferentes de los anteriores. a) Zn(s) 1 2HCl(l) 1 H2SO4(ac) Actividad de aprendizaje Completa las siguientes reacciones y anota el nombre de los productos y el tipo de reacción de que se trata, menciona según sea el caso un ejemplo de uso común de cada una. Reactivos 1. Na1 H2 2. Ca1 O2 3. Na1 H2O 4. K1 H2SO4 5. Fe12 1 S 6. I21 H2 Productos Tipo de reacción Grupo Editorial Patria® Actividad de aprendizaje 7. Cl2 1 O2 8. SO3 1 H2O 10. Al(OH)3 1 HCl Escribe las ecuaciones químicas correspondientes a cada una de las reacciones químicas enunciadas; identifica en qué situaciones de tu entorno se manifiestan dichas reacciones; por último, demuestra su pertenencia. 11.H2 1 Cl2 Reacciones de adición: 12. H2S 1 H2O a) Óxido de Óxido de 1 cobre (II) carbono (IV) 9. CaO 1 H8O 13. K2O 1 H2O b) Óxido de azufre 1 Oxígeno 14. Zn 1 H3PO4 15. KClO3 Carbonato de cobre (II) Trióxido de azufre ∆ Reacciones de síntesis: 16. SO3 1 H2O 17. MgSO4 1 Ba(NO3)2 Para tu reflexión La carcoma de la piedra Aunque todo el mundo cree que la piedra es el material más duradero de los utilizados en la construcción, también sufre los efectos de la agresividad del medio, lo que da lugar a su “degradación”. Estos efectos del medio sobre la piedra se hacen particularmente visibles en monumentos antiguos, en los que se percibe el desgaste sufrido a lo largo del tiempo. Los materiales calcáreos, en particular la “caliza”, se degradan sufriendo un ataque superficial. El agua de lluvia es ligeramente ácida, debido a la incorporación del CO2 atmosférico. La disolución de la caliza por el agua de lluvia es un proceso lento, pero que al cabo del tiempo puede dar lugar a efectos importantes. En presencia de contaminantes atmosféricos de tipo ácido se produce una aceleración de la degradación. Identifica algunas zonas rocosas aledañas a tu comunidad en las que puedas comprobar este proceso de degradación, analiza en qué estado se encuentran y explica cómo se da este fenómeno químico al paso de los años. a) Sodio 1 Oxígeno Óxido de sodio b) Azufre 1 Oxígeno Anhídrido sulfúrico c) Calcio 1 Hidrógeno Hidruro de calcio d) Cloro 1 Hidrógeno Ácido clorhídrico e) Azufre 1 Magnesio Sulfuro de magnesio Reacciones de descomposición: a) Clorato de potasio Cloruro de potasio 1 Oxígeno b) Carbonato de calcio Óxido de calcio 1 Dióxido de carbono c) Cloruro de sodio d) Agua E lectricidad E lectricidad Sodio + Cloro Hidrógeno + Oxígeno Reacciones de simple sustitución: a) Cinc 1 Ácido clorhídrico Cloruro de cinc 1 Hidrógeno b) Magnesio 1 Ácido sulfúrico Sulfato de magnesio 1 Hidrógeno c) Sodio 1 Agua Hidróxido de sodio + Hidrógeno Reacciones de doble sustitución: Figura 7.8 Escultura dañada por la contaminación. a) Hidróxido de Sulfato de 1 cobre (II) hidrógeno Sulfato de cobre 1 Agua b) Cloruro Solución de 1 de bario sulfato de fierro (III) Sulfato de bario 1 Cloruro de fierro (III) 221 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas Reacciones químicas inorgánicas Se define como Síntesis o adición Análisis o descomposición Expresión matemática Expresión matemática Ejemplo Ejemplo Doble sustitución A 1 BC AC 1 B Expresión matemática Ejemplo Ejemplo 7.3 Balanceo de ecuaciones químicas Figura 7.9 Mediante las reacciones químicas, se transforma la materia, para obtener nuevas sustancias. Cuando se estudia química es fundamental conocer perfectamente la tabla periódica de los elementos, sus propiedades y características, cómo se combinan con otros elementos, así como los compuestos que forman y los diferentes tipos de reacciones que ocurren. Por tanto, el siguiente paso es aprender a balancear correctamente una ecuación química, ya que de esto dependen muchos factores de cálculos en las reacciones, el equilibrio químico. Figura 7.10 El conocimiento teórico ha desarrollado la ciencia. En nuestro diario acontecer, si observamos cuidadosamente nos daremos cuenta de la gran cantidad de reacciones químicas que ocurren. Por ejemplo, al dejar la basura de tipo orgánico a la intemperie, al cabo de unas horas se percibe un olor desagradable que indica que está ocurriendo una reacción de fermentación. Las plantas producen su alimento por medio de la fotosíntesis. En esta reacción se absorbe energía radiante a medida que el dióxido de carbono y el agua se combinan para formar glucosa y oxígeno. Durante esta reacción ocurren transferencias de electrones. 222 Grupo Editorial Patria® Ejemplos Ley de la conservación de la masa ¿Qué sustancia infló el globo? Esta ley, que es fundamental para realizar cualquier cálculo en una reacción química, la estableció Antoine Laurent de Lavoisier (17431794), químico francés que se distinguió por su obsesión en medir y sistematizar sus experimentos. En 1772 cambió un diamante en monóxido de carbono por medio de calentamiento. También sometió a calentamiento diversos metales en recipientes cerrados con una cantidad limitada de aire, y observó que se formaba una capa de calcinado en la superficie del metal: el peso del metal, aire y recipiente era igual al del metal con calcinado y recipiente. Estos experimentos le permitieron establecer dos aspectos importantes: la conservación de la masa y la existencia en el aire de un gas llamado oxígeno (formador de óxidos). Lavoisier realizó su experimento con mercurio estableciendo el siguiente principio: En un sistema sometido a un cambio químico, la masa total de las sustancias que intervienen permanece constante. O en otras palabras: La masa de los reactivos es igual a la masa de los productos. ¿Qué ley se demostró? 1. Coloca en una balanza granataria o digital un globo, una tableta efervescente, una botella de refresco (de plástico) que contenga un poco de agua y pesa la masa. Ésta corresponde a la masa inicial del sistema: También llamadas: También llamadas: Completa el siguiente cuadro: Elemento que interviene En las sustancias iniciales En las sustancias finales g 2. Coloca la tableta efervescente pulverizada dentro del globo y colócalo en la boca de la botella. Voltea el globo de tal manera que caiga el polvo de la tableta efervescente en el agua que está dentro de la botella de refresco. Observa lo que ocurre, vuelve a pesar todo lo anterior y anota la masa final: m2 = ¿Cuáles son las sustancias iniciales? ¿Cuáles son las sustancias finales? Procedimiento m1 = Consulta con tu profesor acerca de la reacción que se verificó y anótala: g ¿El número de átomos para cada elemento que interviene resultó igual o diferente? ¿Por qué? Contesta lo siguiente: ¿Cómo resultaron las masas anteriores? ¿Por qué? En tu opinión, ¿qué importancia tiene el conocer o experimentar los diferentes cambios químicos que se dan con elementos de uso común? 223 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas Métodos de balanceo Una reacción química puede definirse como el proceso mediante el cual dos o más sustancias se combinan para obtener a su vez una o más sustancias diferentes. Las reacciones químicas se pueden representar por medio de una ecuación. Una ecuación química, al ser balanceada, indica las cantidades que se combinan de los diferentes reactivos y las cantidades de los productos que se obtendrán. Las ecuaciones químicas proporcionan información de hechos que ocurren experimentalmente bajo ciertas condiciones de operación dadas. Debe existir el mismo número de átomos tanto en los reactivos como en los productos para que se cumpla la ley de la conservación de la masa. Ejemplos 2 volúmenes 1 volumen 2 volúmenes 1 5 de hidrógeno de oxígeno de agua 232g 1 1 3 32 g 5 2 3 18 g 4 g de hidrógeno 1 32 g de oxígeno 5 36 g de agua 36 g de reactivos 5 36 g de producto Reactivos Producto 4 átomos de hidrógeno producen 4 átomos de hidrógeno 2 átomos de oxígeno producen 2 átomos de oxígeno Como se tiene el mismo número de cada clase de átomos en ambos lados de la ecuación, ésta queda balanceada. Nota: El hidrógeno se combina con el oxígeno para formar agua. 2H2 1 O2 2H2O Reactivos Producto Los coeficientes anteriores nos proporcionan la siguiente información: 2 moléculas 1 molécula 2 moléculas 1 de oxígeno 5 de agua de hidrógeno 2 moles de 1 mol de 2 moles 1 oxígeno 5 de agua hidrógeno Un mol de una sustancia química tiene un número de elementos igual al número de Avogadro. Balancear o ajustar una ecuación química significa tener el mismo número de átomos de cada elemento que interviene; para esto se aplican principalmente dos métodos: el de tanteo y el de óxidoreducción o redox. Para balancear una reacción química se siguen estos pasos: Paso 1. Indicar correctamente cuáles son los reactivos y cuáles los productos. Paso 2. Escribir las fórmulas de los reactivos en el lado izquierdo de la flecha y los productos en el lado derecho: 2 3 6.023 3 1023 1 1 3 6.023 3 1023 5 2 3 6.023 3 1023 moléculas de moléculas de moléculas de hidrógeno oxígenoagua A1B C1D Reactivos Productos Paso 3. Balancear la ecuación por el método adecuado. Figura 7.11 Representación esquemática de la reacción del nitrógeno para formar amoniaco. 224 Figura 7.12 Las reacciones químicas suponen una reorganización de los átomos a nivel microscópico para formar nuevas moléculas. Los enlaces se rompen y las uniones atómicas se recomponen de otra manera. Grupo Editorial Patria® Método de tanteo Paso 3. 2 KClO3 KCl 1 3O2 Este método de balanceo de ecuaciones químicas es el más sencillo y se aplica para ajustar ecuaciones simples; a continuación se da un conjunto de reglas o pasos, la aplicación de los cuales permite llegar más rápido al resultado buscado, pero se puede seguir cualquier método hasta obtener el mismo número de átomos para cada elemento en los reactivos y productos. Paso 4. 2 KClO3 2KCl 1 3O2 Reactivos Producto 2 átomos de potasio producen 2 átomos de potasio 2 átomos de cloro producen 2 átomos de cloro 6 átomos de oxígeno producen 6 átomos de oxígeno Paso 1. Se balancean todos los elementos diferentes al oxígeno y al hidrógeno. Paso 2. Se balancean los hidrógenos. Ejemplos Balancea la siguiente ecuación química por el método de tanteo: Paso 3. Se balancean los oxígenos. Paso 4. Se comprueban todos los elementos. Paso 5. Se repite el procedimiento en el mismo orden hasta que todos los elementos estén igualados. Ejemplos Balancea la siguiente ecuación química por el método de tanteo: Hg 1 O2 Δ C2H2 1 O2 HgO Paso 1. C2H2 1 O2 CO2 1 H2O 2CO2 1 H2O Paso 2. Ya están balanceados los hidrógenos Paso 3. C2H2 1 5O2 4CO2 1 2H2O Paso 4. 2C2H2 1 5O2 4CO2 1 2H2O ReactivosProducto 4 átomos de carbono producen 4 átomos de carbono Paso 1. El mercurio (Hg) ya está balanceado, 1 átomo = 1 átomo. 4 átomos de hidrógeno producen 4 átomos de hidrógeno Paso 2. No hay hidrógenos, por tanto se omite este paso. 10 átomos de oxígeno producen 10 átomos de oxígeno Paso 3. Se balancean los oxígenos colocando un 2 delante del HgO Hg 1 O2 Paso 4. Al hacer esto se desajusta el Hg, por lo que colocamos un 2 delante de este elemento: 2Hg 1 O2 2HgO con lo cual queda balanceada la ecuación anterior: ReactivosProducto 2 átomos de mercurio producen 2 átomos de mercurio 2 átomos de oxígeno producen 2 átomos de oxígeno Ejemplos Balancea la siguiente ecuación química por el método de tanteo: KClO3 Actividad de aprendizaje 2HgO Δ KCl 1 O2 Paso 1. KClO3 KCl 1 O2 Paso 2. KClO3 KCl 1 O2 Balancea por el método de tanteo las siguientes ecuaciones químicas: a) KHCO3 K2CO3 1 CO2 1 H2O b) Fe 1 O2 c) Na2S2O3 1 I2 Na2S4O6 1 NaI d) C2H5OH 1 O2 CO2 1 H2O e) CH4 1 O2 f) C4H10 + O2 Fe2O3 CO2 + H2O CO2 + H2O Método de óxido-reducción Cada vez que enciendes una lámpara de mano ocurre una reacción química, llamada por los químicos de óxido-reducción (redox en forma abreviada). La explicación de este tipo de reacciones permite comprender el funcionamiento de las baterías o pilas y de los acumuladores. 225 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas Aplica lo que sabes ¿Te interesa fabricar un motor de jabón? Se necesita un pedazo de cartulina o plástico delgado, tijeras, un recipiente ancho de plástico (palangana) con agua, detergente y un desarmador. Actividad Dibuja un barco sencillo sobre el pedazo de cartulina o plástico como el que se indica en la figura, de unos 5 cm de largo por 2.5 cm de ancho. Es conveniente que se respete la forma sugerida, similar a un triángulo. Ponlo en el recipiente con agua y asegúrate de que flote bien. Toma un poco de detergente con la punta del desarmador y déjalo caer suavemente en la pequeña abertura triangular que se encuentra en la parte posterior del barco. En poco tiempo el pequeño barco empezará a moverse. En lugar de detergente, utiliza unas gotas de aceite o de alcanfor. Ahora contesta: ¿Con cuál sustancia se desplaza más rápido el bote?, argumenta tu respuesta en la que menciones la importancia que tienen las reacciones de óxido-reducción en tu entorno. El método de óxido-reducción o redox consiste en un intercambio de electrones entre los elementos participantes en la reacción. Estas reacciones son muy importantes en nuestra vida cotidiana; por ejemplo, las pilas o baterías son resultado de reacciones redox. Se obtienen metales como el sodio, el aluminio y el fierro, y otros muchos metales son productos de procesos electrolíticos; también se obtienen muchos no metales. Por consiguiente, es básico conocer este método para ajustar ecuaciones químicas. Lo primero y fundamental de este método es determinar el número de oxidación. En tu opinión, qué impacto tiene el no saber sobre ciertas reacciones químicas como parte de un proceso químico hacia el medio ambiente y en la sociedad, cita algunos ejemplos. Número de oxidación Como ya se vio anteriormente, el número de oxidación es muy importante en la escritura de fórmulas químicas, puesto que éste determina la relación de elementos positivos y negativos en un compuesto. Se define como la carga eléctrica que tendría un átomo en una molécula o en un compuesto iónico si los electrones fueron transferidos completamente. También se le llama estado de oxidación. Para determinar este número se aplican las siguientes reglas básicas: 1. Los elementos en estado puro o sin combinar en una reacción química tienen como número de oxidación cero. Ejemplos Na0, H20, O 20, N 20, F 20, Cl 20, Br20, I 20, Mn0, Cu0. 2. En los iones compuestos de un solo átomo, el número de oxidación es igual a la carga del ion. Ejemplos Los metales alcalinos tienen 11: Na11, Li11, K11, Rb11. Los metales alcalinotérreos tienen 12: Ca12, Be12, Mg12. El aluminio tiene Al13. 3. El número de oxidación del oxígeno es de 22, excepto en el peróxido de hidrógeno (H2O2) y en el ion peróxido O21 2 , que es de 21. 4. El número de oxidación del hidrógeno es 11, excepto cuando está unido a un metal. tijeras cartulinas o plástico Ejemplos LiH, NaH, CaH2, que es de −1. recipiente (palangana) de plástico 5 2.5 5. En una molécula neutra, la suma de los números de oxidación de todos los átomos es cero. Material para fabricar un motor de jabón Ejemplo KMnO4. 11 17 22(4) 5 18 28 5 0 226 Grupo Editorial Patria® 6. En un ion poliatómico, la suma de los números de oxidación de todos sus elementos es igual a la carga neta del ion. Ejemplo ion carbonato (CO3)–2 14 1 3(−2) 5 14 − 6 5 −2 En estos ejemplos se producen elementos en estado puro, removiéndose el oxígeno de sus compuestos. Pero también se puede producir un elemento en estado puro de otras formas; por ejemplo, al sumergir un clavo de hierro en una solución de sulfato cúprico (CuSO4) se produce cobre metálico. Al pasar una corriente eléctrica en cloruro de sodio (NaCl) se obtienen el sodio y el cloro puros. Por tanto, se puede definir a la reducción de manera más amplia como el proceso por el cual se añaden electrones a los átomos o iones. Ejemplos Oxidación El término oxidación lo usaron originalmente los químicos para explicar la combinación del oxígeno con otros elementos. Por ejemplo, se dice que el fierro (Fe) se “oxida” cuando se deja a la intemperie, formándose el óxido férrico (Fe2O3). Cuando se quema el oxígeno se combina rápidamente con el carbono para formar CO2. Estas dos reacciones dan lugar al concepto de oxidación lenta y oxidación rápida, respectivamente. Sin embargo, hay otros elementos no metálicos que se combinan con sustancias en forma similar a la del oxígeno, por lo que el término oxidación tiene en la actualidad una definición más amplia y se dice que es el proceso por el cual se remueven electrones de un átomo o de un ion. Un elemento sufre oxidación cuando aumenta su número de oxidación en una reacción; también se define como la pérdida de electrones por un elemento. Ejemplos 0 Zn – 2e 2 Zn 12 El cinc pasa de número de oxidación de cero a 12; por lo tanto, pierde 2 electrones. Fe0 – 3e– Fe13 El fierro pasa de 0 a +3, perdiendo tres electrones. C0 – 4e2 C+4 El carbono pasa de 0 a 14, perdiendo cuatro electrones. Reducción En un principio las reacciones de reducción estaban limitadas al tipo de reacción en el cual los minerales se reducían de sus óxidos. Por ejemplo, el óxido férrico (Fe2O3) se reducía a fierro puro (Fe0) por la acción del monóxido de carbono. De igual manera, el óxido cúprico (CuO) puede reducirse a cobre puro (Cu0) haciéndole pasar hidrógeno gaseoso. Fe2–3 + 3e2 Fe0 El fierro gana 3 electrones al pasar de 13 a 0. Cu12 + 2e2 Cu0 El cobre gana 2 electrones al pasar de 12 a 0. Na11 + 1e2 Na0 El sodio gana un electrón al pasar de 11 a 0. Agentes oxidantes En todas las reacciones de óxido-reducción se transfieren electrones, los cuales indican el elemento que se oxida y el que se reduce. Los dos procesos se verifican simultáneamente, es decir, los electrones que se pierden por un átomo, otro los está ganando, de tal manera que sea el mismo número de electrones ganados y perdidos. Agentes reductores De acuerdo con lo anterior, la sustancia que pierde electrones en una reacción química es el agente reductor (contiene el átomo que se oxida) y la sustancia que gana electrones en una reacción es el agente oxidante (contiene el átomo que se reduce). Por lo general el agente oxidante es una sustancia que contiene átomos de oxígeno, por ejemplo, el permanganato de potasio (KMnO4), el dicromato de potasio (K2Cr2O7), etc. Resumiendo los conceptos anteriores, tenemos que la oxidación es la pérdida de electrones, la reducción es la ganancia de electrones; el agente oxidante es la sustancia que contiene el elemento que se reduce y el agente reductor contiene el elemento que se oxida. Balanceo de ecuaciones por el método de óxido-reducción (redox) Una ecuación química redox, que representa un intercambio de electrones, se puede balancear determinando el número de oxidación al elemento que se oxida y al que se reduce; en ella se aplican los siguientes pasos: 227 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas Paso 1. Se determinan los números de oxidación de cada uno de los elementos que intervienen en la ecuación química, aplicando las reglas descritas previamente. Quitamos el subíndice del aluminio, multiplicando la semirreacción por 2. Vocabulario de la óxido-reducción Términos Significado En este caso se observa que tanto el aluminio como el azufre tienen un subíndice (2 y 3, respectivamente). Siempre se debe comparar el mismo número de átomos; por tanto, hacemos lo siguiente: 2 Al0 2 6e2 Ejemplo Al13 Quitamos el subíndice del azufre, multiplicando la semirreacción por 3. Oxidación Pérdida de electrones Reducción Ganancia de electrones Agente oxidante Oxida a otros y él se reduce Cl2 Paso 4. En este ejemplo se suprime, porque ya está igualado el número de electrones perdidos y ganados. Agente reductor Reduce a otros y él se oxida Mg Paso 5. 2Al0 1 3S0 Al2 13S22 3 Sustancia oxidada Ha perdido electrones Mg12 Paso 6. 2Al 1 3S Al2S3 Sustancia reducida Ha ganado electrones Cl2 Mg 2 2e2 Mg12 Cl2 1 2e2 2Cl2 Paso 3. Mg2 1 2Cl21 Mg 1 Cl2 3 S0 2 6e2 S22 2 Al0 2 6e2 Al13 3 S0 2 6e2 S22 Elemento oxidado: Al Elemento reducido: S Electrones intercambiados: 6e2 Paso 2. Se identifican los elementos que cambian su número de oxidación. Agente oxidante: S Agente reductor: Al Paso 3. Se escriben las semirreacciones del agente oxidante y el agente reductor, anotando el número de electrones que se pierden o ganan. Ecuación balanceada: 2Al 1 3S Paso 4. Se iguala el número de electrones ganados y perdidos, multiplicando en forma cruzada los coeficientes de cada átomo por el número de electrones que se transfieren. Paso 5. Se sustituyen estos coeficientes obtenidos al igualar las dos semirreacciones en la ecuación original, observando correctamente a qué átomo corresponde en su número de oxidación. Al2S3 Comprobación Elementos Reactivos Productos Al 2 2 S 3 3 Total 5 5 Paso 6. Se balancea la ecuación química por el método de tanteo aplicando los pasos correspondientes a este método y que ya fueron explicados anteriormente. Ejemplos Balancea por el método de óxido-reducción la siguiente ecuación química y contesta lo que se indica al final. Ejemplo Balancea la siguiente ecuación por el método de óxido-reducción: Zn 1 HNO3 Zn(NO3)2 1 NO2 1 H2O Al 1 S Al2S3 21 Paso 1. Zn0 1 H11N15O22 Zn12(N15O22 3 3 )2 14 22 22 1N O2 1 H21 2 O Paso 1. Al0 1 SO Al 213 S 322 Paso 2. Zn0 – 2e2 Paso 2. Al0 2 3e– Al 213 (oxidación) S0 1 2e– S 322 (reducción) 228 Zn12 (oxidación) El cinc al perder dos electrones por su cambio del número de oxidación los cede al nitrógeno que gana un electrón. Grupo Editorial Patria® Paso 3. N15 1 1e2 N14 (reducción) Zn –4 –3 Reducción (ganancia de e–) Paso 4. Zn0 2 2e2 Zn12 2N15 2 2e2 2 N14 –2 –1 0 +1e– N Paso 5. Zn 1 2HNO3 Zn (NO3)2 1 2NO2 1 H2O Paso 6. Zn 1 4HNO3 Zn (NO3)2 1 2NO2 1 2H2O –2e– +1 +2 +3 +5 Oxidación (pérdida de e–) +4 Comprobación Elementos Reactivos Productos Elemento oxidado: Zn Zn 1 1 Elemento reducido: N N 4 4 H 4 4 O 12 12 Total 21 21 Electrones intercambiados: 2e2 Agente oxidante: HNO3 Agente reductor: Zn Ecuación balanceada: Zn 1 4HNO3 Zn(NO3)2 1 2NO2 1 2H2O Actividad de aprendizaje Para cada una de las siguientes reacciones químicas determina el elemento que se oxida, el que se reduce, el agente oxidante y el agente reductor. Escribe al final la ecuación balanceada por el método de óxido-reducción o redox y explica cómo se da este proceso. c) SiO2 1 C SiC 1 CO Elemento oxidado: Elemento reducido: a) Al 1 S Al2S3 Agente oxidante: Elemento oxidado: Agente reductor: Elemento reducido: Ecuación balanceada: Agente oxidante: d) KMnO4 1 MnSO4 1 KOH Agente reductor: K2SO4 1 MnO2 1 H2O Elemento oxidado: Ecuación balanceada: Elemento reducido: b) Zn 1 HNO3 Zn(NO3)2 1 H2 Agente oxidante: Elemento oxidado: Agente reductor: Elemento reducido: Ecuación balanceada: Agente oxidante: Agente reductor: Ecuación balanceada: 229 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas Actividades complementarias I. Instrucciones: Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. CO2: ( )La fórmula más pequeña con la información sobre la proporción de átomos presente en la molécula de un compuesto se llama: Nitrato cúprico: a) Desarrollada H2S: b) Condensada Peróxido de hidrógeno: c) Empírica NaOH: d) Molecular ( )Son compuestos cuyo nombre lleva la terminación “uro” seguida del nombre del metal correspondiente: a) Hidrácidos Clorato de potasio: HNO3: Permanganato de potasio: Hipoclorito de sodio: Na2S2O7: b) Oxisales HgI2: c) Oxiácidos NH4OH: d) Sales binarias Yodato de litio: ( )Compuestos que se obtienen mediante la combinación del hidrógeno con cualquier metal: a) Hidrácidos b) Hidróxidos Ácido fluorhídrico: II. Completa las siguientes reacciones anotando los productos formados y el tipo de reacción química al que pertenecen: c) Hidruros H2 + S → d) Ácidos Na + H2 → ( ) C + O2 → a) Ecuación química Cu + O2 → b) Fenómeno CaO + H2O → c) Fórmula química HCl + NaOH → SO2 + H2O → Mg + I2 → Fe + O2 → HNO3 + KOH → Es la representación matemática de una reacción química: d) Reactivos ( )Indica la precipitación de un compuesto en una reacción química: a) → b) ↓ c) ← d) ↑ III. Instrucciones: Escribe en la línea la fórmula o el nombre, según corresponda, tanto en reactivos como en productos, asimismo escribe el tipo de reacción de que se trata: Escribe el nombre o la fórmula, según corresponda, a las siguientes sustancias químicas: O2 + → Cloruro de manganeso + 2H2O + ↑ Óxido férrico: CaCl2: Tipo de reacción: 230 Grupo Editorial Patria® Fe(OH)3 + HNO3 → + Tipo de reacción: SO2 + → H2SO3 Tipo de reacción: Na + H2O → + Tipo de reacción: + → Fe(NO3)3 + H2O Tipo de reacción: (NH4)2CO3 → + + + Tipo de reacción: + → H2SO3 Ca + H2SO4 → + Tipo de reacción: IV. Responde de manera breve las siguientes preguntas: 1. ¿Qué se entiende por balancear una ecuación química? 2. Dos métodos para balancear una ecuación química son: VI.Para cada una de las siguientes reacciones químicas determina el elemento que se oxida, el que se reduce, el agente oxidante y el agente reductor: a) Al + S → Al2S3 Elemento oxidado: Elemento reducido: Agente oxidante: Agente reductor: Ecuación balanceada: b) Zn + HNO3 → Zn(NO3)2 Elemento oxidado: Elemento reducido: Agente oxidante: Agente reductor: Ecuación balanceada: c) SiO2 + C → SiC + CO Elemento oxidado: Elemento reducido: Agente oxidante: Agente reductor: Ecuación balanceada: d) Sn + HF → SnF2 + H2 Elemento oxidado: Elemento reducido: Agente oxidante: Agente reductor: V. Balancea por el método de tanteo las siguientes ecuaciones químicas: Ecuación balanceada: e) KMnO4 + MnSO4 + KOH → K2SO4 + MnO2 + H2O a) KHCO3 → K2CO3 + CO2 + H2O b) Fe + O2 → Fe2O3 Elemento oxidado: c) Na2S2O3 + I2 → NaS4O6 + NaI Elemento reducido: d) C3HOH + O2 → CO2 + H2O e) CH4 + O2 → CO2 + H2O f) C4H10 + O2 → CO2 + H2O Agente oxidante: Agente reductor: Ecuación balanceada: 231 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas f) Ag3AsO4 + Zn + HCl → AsH3 + Ag + ZnCl2 + H2O Elemento oxidado: Elemento reducido: Agente oxidante: 5. ¿Qué función tiene el ciclo del nitrógeno para los seres vivos? 6. ¿Cuáles son los efectos del dióxido de nitrógeno (NO2) en la salud? Agente reductor: Ecuación balanceada: 7. ¿Qué significa el término biodegradable? g) Sb + HNO3 → Sb2O5 + NO + H2O Elemento oxidado: Elemento reducido: Agente oxidante: Agente reductor: Ecuación balanceada: 8. ¿Crees que es adecuado que los desechos domésticos se vacíen en los ríos o en el mar? Justifica tu respuesta: 9. ¿Qué es la lluvia ácida? 10. ¿Qué es el desarrollo sustentable? h) KCIO3 → KCl + O2 Elemento oxidado: Elemento reducido: 11. Escribe cinco sugerencias para mejorar el desarrollo sustentable del país. Agente oxidante: a) Agente reductor: b) Ecuación balanceada: c) i) Na2S2O3 + I2 → Na2S4O6 + NaI d) e) Elemento oxidado: Elemento reducido: Agente oxidante: VII. Instrucciones: Coloca en el paréntesis de la izquierda la letra que corresponda a la respuesta correcta. Agente reductor: Ecuación balanceada: 1. ( ) Al balancear una ecuación química se encuentran los: a) Subíndices VI. Contesta brevemente las siguientes preguntas: 1. ¿De dónde forman las plantas el dióxido de carbono (CO2)? 2. ¿Para qué utilizan el CO2 los vegetales? 3. ¿Cómo afecta al clima mundial el efecto invernadero? 4. ¿Qué consecuencias traerá dicho efecto? 232 b) Exponentes c) Coeficientes d) Productos 2. ( ) Balancear una ecuación significa: a) Saber el número de moles de los reactivos b) Encontrar el número de moles de los productos c)Igualar el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos d) Cumplir con la ley de Proust. Grupo Editorial Patria® 3. ( )De las siguientes ecuaciones indica cuál no está balanceada correctamente: a) N2 + 3H2 → 2NH3 b) Ca(ClO3)2 → CaCl2 + 3O2 c) Na2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2NaOH d) CaC2 + H2O → C2H2 + Ca(OH)2 4. ( )De la siguiente serie de compuestos, ¿en cuál, el átomo de cromo (Cr) presenta número de oxidación de +3? a) Cr2O3 b) Na2CrO4 c) K2Cr2O7 d) Cr 5. ( ) En toda reacción de reducción, el número de oxidación: a) Se eleva b) Se reduce c) No cambia d) Se duplica 6. ( )En la reacción 7. ( ) En una reacción redox, el agente reductor: a) Gana electrones b) Gana protones c) Pierde electrones d) Pierde protones 8. ( )El número de oxidación del átomo de cloro de −1 y de +5 se localiza en los compuestos respectivamente: a) CaCl2, Cl2 b) NaCl, KCIO3 c) AlCl3, MnCl2 d) LiCl, Cu(CIO4)2 9. ( )En la ecuación: CdS + I2 + HCl → CdCl2 + HI + S, el agente oxidante es: a) CdS b) S c) I2 d) HCl Cu + HNO3 → Cu (NO3)2 + NO + H2O, el agente oxidante es el: a) H2O b) Cu c) HNO3 d) Cu(NO3)2 233 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas Instrumentos de evaluación Heteroevaluación Ha llegado la hora de que demuestres realmente cuánto has aprendido, hemos terminado este bloque y ahora ya conoces muchas cosas nuevas. En esta sección encontrarás una heteroevaluación que abarca todo el conocimiento adquirido en este bloque, contéstala lo mejor que puedas. I. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala dentro del paréntesis. 1. Al balancear la siguiente ecuación química por el método de tanteo: C8H18 + O2 CO2 + H2O Los coeficientes estequiométricos que se obtienen, respectivamente, son: a) 1, 25, 8, 9 b) 2, 25, 16, 18 c) 3, 50, 8, 9 b) exponentes c) coeficientes ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) d) 4, 12, 18, 26 2. Al balancear una ecuación química se encuentran los: a) subíndices ( d) productos 3. Balancear una ecuación, significa: a) saber el número de moles de los reactivos. b) encontrar el número de moles de los productos. c) igualar el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos . d) cumplir con la Ley de Proust. 4. De las siguientes ecuaciones, indica cuál NO está balanceada correctamente: a) N2 1 3 H2 2 NH3 b) Ca(ClO3)2 CaCl2 1 3 O2 c) Na2CO3 1 Ca(OH)2 d) CaC2 1 H2O CaCO3 1 2NaOH C2H2 1 Ca(OH)2 5. De la siguiente serie de compuestos, ¿en cuál el átomo de cromo (Cr) presenta número de oxidación de 16? a) Cr2O3 b) Na 2CrO4 6. En la reacción: Cu 1 HNO3 c) K2Cr2O7 d) CrCl2 Cu(NO3)2 1 NO 1 H2O. El agente oxidante es: a) Cu b) H2O c) NO d) HNO3 7. El número de oxidación del átomo de cloro de 21 y 15 se localiza en los compuestos, respectivamente: a) CaCl2, Cl2 b) NaCl , KClO3 c) AlCl3, MnCl2 d) LiCl, Cu(ClO4)2 II. Completa las siguientes reacciones, anotando en el espacio en blanco la sustancia que hace falta de acuerdo con los reactivos y/o productos indicados. 1. Reacción de síntesis o adición: a) C 1 CO b) CaO 1 H2O c) 234 1 O2 Fe2O3 Grupo Editorial Patria® d) H2 1 Al e) Cl2O 1 HClO 2. Reacción de análisis o descomposición: a) b) CaCO3 Δ KNO2 1 O2 1 Δ c) NH4NO3 d) Δ 1 MnO2 H2O2 1 e) NO 1 O2 3. Reacción de sustitución simple: a) Fe2O3 1 H2 1 b) Al 1 Cr2O3 1 c) AgNO3 1 Cu d) 1 NaCl 1 Br2 1 e) CuSO4 1 Zn 1 4. Reacción de sustitución doble: a) CaCl2 1 NaOH 1 b) PbCl2 1 H2S 1 c) 1 FeCl3 1 H2S d) 1 Ca3(PO4)2 1 KCl e) Pb(NO3)2 1 KI 1 III. Anota el tipo de reacción al que pertenecen las siguientes ecuaciones químicas: Ecuación química Cu 1 2HCl CuCl2 1 H2 H2SO4 1 Ca (OH)2 2H2 1 O2 Tipo de reacción CaSO4 1 2H2O 2H2O 235 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas IV. Balancea las siguientes ecuaciones por el método de tanteo: 1. P2 1 H2 PH3 V. Balancea las siguientes ecuaciones químicas por el método de óxido-reducción, anota lo que se indica para cada una en un reporte en tu cuaderno, de acuerdo con el siguiente esquema. Elemento que se oxida: 2. Al 1 Br2 AlBr3 3. HNO3 N2O5 1 H2O Elemento que se reduce: Agente oxidante: Agente reductor: Número de electrones transferidos: Ecuación balanceada: 4. Fe 1 H2CO3 Fe2(CO3)3 1 H2 5. Cr2O3(s) 1 Si(s) Cr(s) 1 SiO2(s) 6. Al(OH)3 1 HNO3 Al(NO3)3 1 H2O 1. C 1 H2SO3 2. HNO2 H2S 1 CO2 HNO3 1 NO 1 H2O 3. KClO3 1 H2SO4 KHSO4 1 O2 1 Cl2O 1 H2O KOH 1 MnO2 1 NaOH 1 S 4. KMnO 4 1 Na2S 1 H2O 5. KMnO4 1 H2SO4 + H2O2 7. Ba(OH)2 1 HPO3 8. NaHCO3(s) 9. Mg(OH)2 + H2SO4 Ba(H2PO4)2 Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g) 6. Br2 1 H3AsO4 Cr2(SO4)3 1 H2O 1 S 1 NaHSO4 8. Cr2O3 1 Na2CO3 1 KNO3 NaCrO4 1 CO2 1KNO2 MgSO4 + H2O 236 CO2(g) + H2O(g) As4 1 HBrO2 1 H2O 7. H2S 1 Na2Cr2O7 1 H2SO4 9. KMnO4 1 H2SO4 1 Sb 10. C2H2(g) + O2(g) K2SO4 1 MnSO4 1 H2O 1 O2 10. C2H5OH 1 K2Cr2O7 1 H2SO4 K2SO4 1 MnSO4 1 Sb2O3 1 H2O C2H4 1 K2SO4 1 Cr2(SO4)3 1 H2O 1 12 O2 Grupo Editorial Patria® Rúbrica Rúbrica para evaluar la Actividad de aprendizaje de la página 215. Objeto de aprendizaje 7.1. Símbolos en las ecuaciones. Nombre del estudiante: Criterio Aspecto a evaluar Desempeño Procedimiento Dominio del tema Valor Muestra interés durante el análisis de la información. 1 Se compromete para concretar el trabajo durante la clase y en el tiempo asignado. 1 Comenta con sus compañeros/as sobre las dudas que tiene y también comparte información. 1 Describe con claridad lo que es una reacción química. 1 Argumenta correctamente su respuesta y se basa en elementos teóricos y de uso común. 1 Especifica la diferencia entre reacción química y ecuación química. 1 Indica cómo se vincula una reacción química y ecuación química, y destaca su importancia en la vida cotidiana. 1 Reconoce ampliamente los conceptos que se desarrollaron durante la temática. 1 Muestra un claro entendimiento de lo que una ecuación química puede realizar en la naturaleza. 1 Indica la importancia de las reacciones químicas para la obtención de nuevos materiales. 1 Total Valor obtenido 10 Comentarios generales: Firma del profesor: Fecha: 237 7 BLOQUE Representas y operas reacciones químicas Lista de cotejo Lista de cotejo para evaluar Actividades de aprendizaje de las páginas 216 y 217. Objeto de aprendizaje 7.1. Símbolos en las ecuaciones químicas. Nombre del estudiante: Criterio Logrado Sí No 1. Hace las anotaciones en todos los reactivos. 2. Anota correctamente el producto de cada reactivo. 3. Anota correctamente el tipo de reacción de cada reactivo. 4. Menciona un ejemplo de uso común por cada reactivo. 5. Todos los ejemplos son correctos y acordes a las reacciones químicas. 6. Explica cada uno de los ejemplos. 7. Analiza los ejemplos que se describen y luego realiza la actividad. 8.Argumenta sus explicaciones con base en la temática planteada. 9. Aporta ideas claras y sencillas para concretar correctamente la actividad. 10. Concretó la actividad durante el tiempo asignado. Comentarios generales: Firma del profesor: 238 Fecha: Observaciones Grupo Editorial Patria® Autoevaluación Instrumento de evaluación para evaluar la actividad de Aplica lo que sabes de la página 226. Objeto de aprendizaje 7.3 Balanceo de ecuaciones químicas. Nombre del estudiante: Actividad: Fabricar un motor de jabón. Propósito: Reconocer la importancia y el impacto que tienen las reacciones químicas en el medio ambiente. Logrado Sí No Criterio ¿Por qué? 1. Analicé los pasos para realizar la actividad tal y como se indica. 2. Tomé en cuenta las indicaciones que se establecieron para el dibujo. 3. Utilicé correctamente los materiales que se indican. 4. Realicé el procedimiento con el detergente, gotas de aceite y alcanfor, de tal forma que pude observar el movimiento del barco. 5. Pude observar con qué sustancia tiene más movimiento el barco. 6. Argumenté mis respuestas con los elementos teóricos, previamente analizados en clase. 7. Me basé en los conocimientos previos para mencionar la importancia que tienen las reacciones químicas en el entorno. 8. Mencioné varios ejemplos de reacciones químicas que dañan al medio ambiente. 9. La actividad me ayudó a comprender que las reacciones químicas son muy importantes en mi vida cotidiana. 10. Mis aportaciones son claras y congruentes, de tal forma que ayudan a resolver las dudas que tienen mis compañeras/os. 11. Hice preguntas sobre dudas o diferencias que tuve durante la actividad. 12. Elaboré conclusiones y las compartí con el resto del grupo 13. Me gustó toda la actividad. 14. Asumí con respeto la diversidad de opiniones que se generaron durante la dinámica. 15. En general, tuve un aprendizaje significativo y relevante sobre el impacto que tiene un proceso químico en el medio ambiente. ¿Cómo me sentí durante la actividad?: ¿Cuáles son mis fortalezas?: ¿Qué debo mejorar?: Firma del estudiante: Firma del profesor/a: 239 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas 7 horas Objetos de aprendizaje 8.1 Entalpía – Entalpía de reacción – Entalpía de formación 8.2 Reacciones endotérmicas y exotérmicas 8.3 Velocidad de reacción 8.4 Desarrollo sustentable Competencias a desarrollar n n Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. n n n Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. ¿Qué sabes hacer ahora? Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. Parte de la química que estudia las velocidades a las que se efectúan las ( ) reacciones químicas. v a) Termodinámica c) Cinética química b) Equilibrio químico d) Termoquímica Es uno de los factores que afecta el equilibrio químico. b) Temperatura c) Calor d) Catalizadores ( ) a) Naturaleza de los reactivos ( ) Se designa a un cuerpo o grupo de cuerpos sobre el cual fijamos nuestra atención a fin de estudiarlo. a) Universo b) Conjunto c) Reacción química d) Sistema ( ) Energía que está relacionada con el movimiento interno de las partículas de un cuerpo y su medida se considera como la suma de la energía cinética total de las moléculas de dicho cuerpo. a) Temperatura b) Calor c) Entropía d) Energía interna Estudia los cambios térmicos que acompañan a las reacciones químicas. b) Termoquímica c) Cinética química d) Calor específico ( ) a) Calor de reacción Reacción que al efectuarse absorbe calor. b) Combustión c) Exotérmica d) Neutralización ( ) a) Endotérmica Permite el intercambio con sus alrededores de energía y de masa. b) Sistema c) Sistema cerrado d) Sistema abierto ( ) a) Sistema aislado ( ) n n n Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente. Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente. El calor total de una reacción química depende únicamente de los estados iniciales y finales y no de los estados intermedios a través de los cuales pueda pasar el sistema. a) Ley de Hess b) Principio de equilibrio químico c) Calor de reacción d) Entalpía Desempeños por alcanzar n n n Distingue entre reacciones químicas endotérmicas y reacciones químicas exotérmicas partiendo de los datos de entalpía de reacción. Explica el concepto de velocidad de reacción. Calcula entalpía de reacción a partir de entalpías de formación. 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas Situación didáctica ¿Cambia de sabor una galleta salada cuando es bien masticada? ¿Con qué rapidez puedes retirar tu mano de una estufa caliente? ¿Qué tan rápido puedes quitar tu pie del acelerador para frenar por completo tu automóvil? Es necesario que tengan lugar reacciones químicas celulares con gran rapidez para que seas capaz de hacer estos movimientos. Una célula humana produce cientos de sustancias químicas distintas, cada una en el momento preciso y exactamente en la cantidad requerida. Además, genera su propia energía y la maquinaria química para hacerlo. ¿Cuál es el secreto de esta impresionante Secuencia didáctica A continuación se lista una serie de acciones que debes seguir para contestar la problemática de la pregunta central. Es importante que reflexiones, seas claro y objetivo para que esta experiencia sea útil. 1. Verifica si detectas un cambio en el sabor de una galleta salada (que contiene almidón) masticándola durante un minuto o más antes de tragarla. 2. Describe el cambio de sabor que detectes. actuación que está en las enzimas de todas las células? Son catalizadores biológicos y, como todos los catalizadores, aceleran las reacciones sin sufrir en ellas cambios permanentes. En un segundo, una sola molécula enzimática de tu sangre puede catalizar la descomposición de 600 000 moléculas de ácido carbónico (H2CO3). La amilasa es una enzima presente en la saliva y que cataliza la liberación de glucosa del almidón. En condiciones óptimas de temperatura y pH, una molécula de amilasa puede generar hasta 18 000 moléculas de glucosa por segundo. ¿Qué tienes que hacer? 4. Intégrate a un equipo de compañeros para comentar tus respuestas a los puntos 1, 2 y 3. Establece las conclusiones grupales sobre el problema planteado. 5. Que cada equipo presente sus conclusiones en plenaria y se obtenga una conclusión grupal. 6. Debatan cuáles de esas conclusiones son válidas y cuáles no. 7. Establezcan las conclusiones finales correspondientes. 8. Elaboren un reporte en el que expresen de manera objetiva sus reflexiones sobre esta actividad. 3. Explica la causa del cambio. Rúbrica 1. Con la dirección del maestro organicen un debate de los tipos de reacciones químicas respecto al calor que se absorbe o desprende en ellas y de los factores que afectan la velocidad de las mismas. Pueden utilizar como guía las siguientes preguntas. 2. ¿Cómo afecta al sabor el masticar adecuadamente un alimento? 3. ¿Se aprovechan más los nutrientes de los alimentos masticándolos lentamente? ¿Por qué? 4. ¿Qué harías si no tienes el suficiente tiempo para comer o saborear tus alimentos? 5. ¿Cómo afecta a tu organismo el comer rápido? 6. ¿La comida rápida (refrigerada y lista para comerse), conserva sus propiedades nutrimentales? Justifica tu respuesta. 242 ¿Cómo lo resolverías? ¿Cómo sabes que lo hiciste bien? Autoevaluación Con el propósito de revisar si adquiriste los conocimientos del bloque, pregúntate lo siguiente: n n n n ¿Leí todo el contenido del bloque? Cuando lo hice, ¿comprendí todos los conceptos? Si no lo hice, ¿busqué el significado de los conceptos que no entendí? ¿Volví a releer el texto hasta que lo comprendí? ¿Puedo identificar las propiedades nutrimentales de las sustancias al masticarlas adecuadamente? Establece las conclusiones correspondientes y elabora un reporte donde expreses de manera objetiva tus reflexiones de esta actividad. Grupo Editorial Patria® 8.1 Entalpía Durante toda su existencia, la humanidad ha utilizado reacciones químicas para producir energía. Éstas han ido desde las más rudimentarias, como la combustión de madera o carbón, hasta las más sofisticadas, como las que tienen lugar en los motores de aviones, naves espaciales, lanchas ultrarrápidas y automóviles de carreras. Como sabemos, las reacciones químicas van acompañadas de un desprendimiento o de una absorción de energía. Las reacciones químicas provocan una variación de energía, que suele manifestarse en forma de calor. Su estudio es muy importante, por lo que en este bloque se determinará el calor absorbido o desprendido en las reacciones, así como los posibles métodos para su determinación. Antes de continuar, se establecerá el significado de algunos términos que se emplean con frecuencia, como la palabra sistema. Por sistema se entiende la porción específica del universo en la cual se enfoca la atención. Por ejemplo, si se quisieran considerar los cambios que se producen en una solución de cloruro de sodio y nitrato de plata, la solución es el sistema, mientras que el vaso de precipitados y todo lo demás son los alrededores. Para explicar los cambios que se producen en un sistema, es necesario definir con precisión sus propiedades, antes y después de que se produzca el cambio. Por lo regular, esto se hace al especificar el estado del sistema, es decir, al reunir un grupo específico de condiciones de presión, temperatura, número de moles de cada componente y su forma física (por ejemplo, gas, líquido, sólido o forma cristalina). Al especificar estas variables, se han fijado todas las propiedades del sistema. Por tanto, el conocimiento de estas características permite definir sin ambigüedad las propiedades del sistema. Continuando con el tema, diremos que en los siglos xvii y xviii, los mundos de la química y la física parecían estar bien delimitados. La química se enfocaba al estudio de aquellos cambios que implicaban alteraciones en la estructura molecular, entre tanto la física se encargaba del estudio de aquellos cambios que no implicaban dichas alteraciones. De esta manera, mientras que en la primera parte del siglo xix Davy se ocupaba de alterar la ordenación molecular de los compuestos inorgánicos y Berthelot la de los compuestos orgánicos, los físicos Joule, Mayer y Helmholtz estudiaban el flujo del calor, al que denominaron termodiná- Figura 8.1 El despegue de una nave espacial requiere gran cantidad de energía. mica (de las palabras griegas que significan movimiento de calor). En 1840, su trabajo comprobó que en los cambios sufridos por el calor y otras formas de energía, no se destruye ni se crea energía. A este principio se le llamó la Ley de la conservación de la energía o primer principio de la termodinámica. A estos trabajos se sucedieron las aportaciones de los físicos Carnot, Thomson, Kelvin y Clausius, quienes demostraron que el calor, abandonado a sí mismo, fluye espontáneamente de un punto con mayor temperatura hacia otro con menor temperatura, y que a partir del calor se puede obtener trabajo solamente cuando existe tal flujo de calor a través de una diferencia de temperaturas. Esta inferencia se generalizó para aplicarla a cualquier forma de energía que fluye desde un punto de mayor intensidad hacia otra de menor intensidad. Por su parte, en 1850, Clausius estableció el término entropía para designar la proporción entre el calor absorbido en un sistema Plantas y animales Luz Viento Alimentos Gas Carbón Petróleo Motores de combustión Hidráulica Nuclear Productos químicos Suministro eléctrico Figura 8.2 La principal fuente de energía proviene del Sol. 243 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas aislado y su temperatura absoluta. Asimismo, demostró que en cualquier cambio espontáneo de energía, la entropía del sistema se incrementa. Este principio se llamó segundo principio de la termodinámica. Tales avances en el terreno de la física no podían aislarse de la química, ya que después de todo, aparte del Sol, la mayor fuente de calor en el mundo del siglo xix residía en las reacciones químicas, como la combustión de la madera, el carbón y el petróleo. Por esta misma época, también se observó que otras reacciones químicas desarrollaban calor, por ejemplo, la neutralización de ácidos por bases. De hecho, todas las reacciones químicas implican algún tipo de transferencia térmica, ya sea de emisión de calor (y a veces luz) al entorno, o bien de absorción de calor (y a veces de luz) desde el entorno. En 1840, los mundos de la química y de la física se unieron y comenzaron a marchar juntos gracias al trabajo del químico rusosuizo Germain Henri Hess (1802-1850). Hess dio a conocer los resultados de cuidadosas medidas que había tomado sobre la cantidad de calor desarrollada en las reacciones químicas entre cantidades fijas de algunas sustancias. Logró demostrar que la cantidad de calor producida (o absorbida) en el paso de una sustancia a otra era siempre la misma, sin importar la ruta química por la que había ocurrido el cambio, ni en cuántas etapas. Debido a esta generalización (Ley de Hess), esta personalidad es considerada en ocasiones como el fundador de la Termoquímica (química del calor de las reacciones químicas). Con base en dicha ley, parecía altamente probable que la ley de la conservación de la energía se aplicase tanto a los cambios químicos como a los físicos. Termómetro A partir de la anterior explicación sobre el calor en las reacciones químicas, podemos decir que una razón por la cual se llevan a cabo es porque los productos alcanzan un estado de energía menor, más estable que el de los reactivos. Para que los productos alcancen este estado más estable, se debe liberar y emitir energía a los alrededores en forma de calor (o como trabajo y calor). Cuando se neutraliza una solución de una base agregando un ácido, la liberación de energía se nota por un aumento inmediato de temperatura en la solución. Por ejemplo, cuando el motor de un automóvil quema gasolina, desde luego se libera calor, y al mismo tiempo parte de la energía efectúa el trabajo de mover el automóvil. Entalpía de reacción (ΔHreacción) La entalpía o calor de reacción se define como el calor absorbido o desprendido al efectuarse una reacción química. Matemáticamente: ΔHreacción 5 ΣH 0fproductos 2 ΣH 0freactivos La representación de la entalpía (del griego enthalpein que significa calentar) es la siguiente: H5Qp Q 5 Calor en termodinámica, Agitador p 5 sistema termodinámico a presión constante La entalpía (H) es una propiedad termodinámica utilizada para especificar o medir la cantidad de calor involucrado en una reacción química a presión constante: Tapón Doble cubierta Agua Entre 1860 y 1869, Pierre Berthelot, quien había hecho importantes trabajos en síntesis orgánica, concentró su atención en la termoquímica. Para ello, ideó algunos métodos para efectuar reacciones químicas dentro de cámaras cerradas rodeadas por agua a temperatura conocida y a partir del incremento en la temperatura del agua circundante al finalizar la reacción, podía medirse la cantidad de calor desarrollada por la misma. Utilizando este tipo de calorímetro (de la palabra latina que significa “medida de calor”), Berthelot obtuvo determinaciones cuidadosas de la cantidad de calor desarrollada por cientos de diferentes reacciones químicas. H 5 E 1 W 5 E 1 PV H = entalpía, E = energía, W = trabajo, P = presión, V = volumen A presión constante, los cambios ocurridos en una reacción se miden por ΔH. ΔH 5 ΔE 1 PΔV (1) De la primera ley de la termodinámica tenemos: Figura 8.3 Calorímetro 244 ΔE 5 Q 2 W 5 Q p 2 PΔV (2) Grupo Editorial Patria® Al sustituir (2) en (1): Ejemplo ΔH 5 Q p 2 PΔV 1 PΔV 5 Q p ΔH 5 m Cp ΔT Determina el calor de la siguiente reacción: Cp 5 capacidad calorífica a presión constante H2(g) 1 ½ O2(g) m 5 masa ΔHreacción 5 [H 0f H2O(g) ] 2 [H 0f H2(g) 1 ½ H 0f O2(g) ] ΔT 5 variación de temperatura ΔHreacción 5 [− 57.8 kcal ] 2 [ 0 1 ½ (0) ] La entalpía como una función de estado, sólo depende de los valores final e inicial: ΔH 5 Hf 2 H i ΔH 5 Calor absorbido o cedido por el sistema durante una reacción a presión constante (cal/mol). Esto indica que en una reacción química la variación de entalpía depende de las entalpías de los reactivos y de los productos. ΔHreacción 5 ΣH 0fproductos 2 ΣH 0freactivos “El calor de una reacción química es igual a la suma de los calores de formación de los productos, menos la suma de los calores de formación de los reactivos.” Las reacciones químicas pueden ser exotérmicas o endotérmicas. Las primeras liberan calor, mientras que las segundas lo absorben. Cuando: ΔHreacción 5 1 (endotérmica) absorbe calor Cuando: ΣH 0fproductos H2O(g) ΔHreacción 5 ? ΔHreacción 5 ΣH 0fproductos 2 ΣH 0freactivos ΔV 5 variación de volumen ΣH 0fproductos ΣH 0freactivos 1 atm 298 K ΔHreacción 5 −57.8 kcal 2 0 ΔHreacción 5 257.8 kcal (reacción exotérmica) Como se observa, por convención el calor de formación de cualquier elemento a 1 atm y 298 K vale cero. 8.2 Reacciones endotérmicas y exotérmicas Como ya se mencionó en el tema anterior, las reacciones que necesitan o absorben calor para realizarse, se llaman endotérmicas y su entalpía de reacción es positiva. En forma consecuente, las reacciones que liberan o desprenden calor al efectuarse, se llaman exotérmicas y su entalpía de reacción es negativa. En una reacción exotérmica, el calor es un producto y se puede escribir al lado derecho de la ecuación de reacción; en las reacciones endotérmicas se puede considerar al calor como un reactivo y se escribe del lado izquierdo de la ecuación. Los siguientes ejemplos muestran el calor en una reacción exotérmica y una endotérmica. H2(g) 1 Cl2(g) 2HCl(g) 1 185 kJ (44 kcal) Exotérmica (libera calor) , ΣH 0freactivos ΔHreacción 5 2 (exotérmica) libera calor N2(g) 1 O2(g) 1 181 kJ (43.2 kcal) 2NO(g) Endotérmica (absorbe calor) Entalpía de formación (H 0f ) La entalpía o calor de formación es la variación de entalpía (calor) que acompaña a la formación de un mol de un compuesto en su estado normal (1 atm y 298 K), a partir de sus elementos en sus estados normales. Las entalpías de formación de las moléculas de las sustancias se han cuantificado y se encuentran registradas en tablas termodinámicas. Estas entalpías de formación se determinan por medio de un calorímetro, como ya se indicó anteriormente, cuando la reacción es completa, es decir, cuando no tiene reacciones secundarias. Figura 8.4 Cambio de entalpía para la combustión de N2(g) y O2(g) para formar 2NO(g). El sistema absorbe calor de su entorno, aumentando su entalpía. El proceso es endotérmico y ΔH es positivo. 245 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas De los experimentos anteriores podemos concluir que a la primera reacción se le llama exotérmica, pues se desprende energía en forma de calor. Por el contrario, al segundo proceso se le conoce Ejemplos Determina el calor de reacción de las siguientes ecuaciones químicas, indicando si son exotérmicas o endotérmicas. Utiliza los datos que se te proporcionan en las tablas. a) PCl5(g) 1 H2O(g) como endotérmico, pues se absorbe energía en forma de calor. Por tanto, a la cantidad de energía térmica producida en una reacción se le llama calor de reacción, y las unidades empleadas para su medición son los kilojoules o las kilocalorías. Las reacciones químicas se pueden realizar a volumen o presión constantes, por lo que podemos decir que en una reacción se puede evaluar el calor bajo esas dos condiciones. Cuando se evalúa a presión constante podemos hablar de un calor a presión constante, el cual se representa así: POCl3(g) 1 2 HCl(g) Datos: (Q p ) Dicho valor se conoce como entalpía (del griego enthalpein que significa calentar), cuya representación es la siguiente: ΔHreacción 5 ΣH 0fproductos 2 ΣH 0freactivos ΔHreacción 5 [H 0f POCl3(g) 1 H 0f HCl(g) ] 2 [H 0f PCl5(g) 1 H 0f H2O(g)] ΔHreacción 5 [2141.5 + 2 (222.1) ] 2 [295.4 + (257.8) ] H5Qp ΔHreacción 5 [2185.7 ] 2 [2153.2 ] Por otra parte, el cambio en la entalpía para un proceso a presión constante está dado por las condiciones finales del proceso menos las condiciones iniciales. Dicho de otra manera: ΔHreacción 5 [2185.7 1 153.2 ] Cambio de entalpía 5 entalpía final 2 entalpía inicial ΔHreacción 5 [2141.5 2 44.2 ] 2 [295.4 2 57.8 ] ΔHreacción 5 [232.5 ] = 232.5 kcal/mol (reacción exotérmica, desprende calor) Sustancia Calor de formación H 0f (kcal/mol) PCl5(g) −95.4 POCl3(g) −141.5 H2O (g) −57.8 HCl(g) −22.1 b) CaCO3(s) CaO(s) 1 CO2(g) Datos: ΔHreacción 5 Σ H 0fproductos 2Σ H 0freactivos ΔHreacción 5 [2141.5 1 (257.8)] 2 [295.4] 5 ΔHreacción 5 [2199.3] 1 95.4 5 2103.9 kcal/mol (reacción exotérmica) ΔH 5 Hfinal 2 Hinicial La expresión anterior nos dice que el cambio de entalpía, ΔH, es el calor adicionado a (o perdido por) un sistema a presión constante. Por consiguiente, si estudiamos una reacción en un recipiente abierto a la atmósfera, como un matraz, ΔH será igual al flujo de energía en forma de calor; por esta razón, el cambio de entalpía se suele llamar calor de la reacción. Los cambios de entalpía son muy importantes en termoquímica, ya que los valores que nos proporcionan están directamente relacionados con la energía. El cambio de entalpía para una reacción química lo da la entalpía de los productos (valor final) menos la entalpía de los reactivos (valor inicial). Si los productos de la reacción tienen una entalpía mayor que la de los reactivos, ΔH será de signo positivo; en este caso, el sistema absorbe calor y la reacción es endotérmica (un ejemplo sería la combinación entre el N2 y O2 para darnos NO). Por otra parte, si el contenido de entalpía de los productos es menor que el de los reactivos (reacción exotérmica), ΔH será de signo negativo. Esta situación se presenta, por ejemplo, cuando el hidrógeno se combina con el oxígeno. Sustancia Calor de formación H 0f (kcal/mol) CaCO3 (s) −95.4 CaO(s) −141.5 ΔH = −57.8 kcal/mol CO2 (g) −57.8 El cambio de entalpía de esta reacción se presenta en las figuras siguientes: 246 2H2(g) 1 O2(g) 2H2O(g) 1 calor Grupo Editorial Patria® Figura 8.5 Al prender un globo que contiene gas de hidrógeno se produce una reacción violenta. Tres de las características más importantes de la entalpía son las siguientes: Figura 8.6 Diagrama entálpico de una reacción endotérmica. 1. La entalpía es una propiedad extensiva; esto significa que la magnitud de ΔH es directamente proporcional a la cantidad de reactivos consumidos en el proceso. Por ejemplo, si consideramos la reacción en que se quema metano y oxígeno para formar dióxido de carbono y agua, en un recipiente a presión constante encontraremos que experimentalmente se producen 802 kJ de calor cuando se quema un mol de CH4. Lo anterior lo podemos expresar de la siguiente forma: CH4(g) 1 2O2(g) CO2(g) 1 2H2O(g) ΔH 5 2802 kJ El signo negativo para ΔH nos dice que esta reacción es exotérmica. Por otra parte hay que hacer notar que ΔH se coloca al final de la ecuación balanceada, sin mencionar explícitamente la cantidad de las sustancias químicas involucradas. Asimismo, se sobreentiende que los coeficientes de la ecuación balanceada representan el número de moles de reactivos que producen el cambio de entalpía indicado. De esta manera, la reacción de un mol de CH4 con dos moles de O2 produce 802 kJ de calor, y la reacción de 2 moles de CH4 con 4 moles de O2 produce 1 604 kJ. Figura 8.7 Al invertir una reacción, cambia el signo, pero no la magnitud del cambio de entalpía: ΔH2 − ΔH1. 2. El cambio de entalpía de una reacción es de igual magnitud, pero de signo opuesto al ΔH de la reacción inversa. Por ejemplo, cuando se invierte la reacción entre el metano y el oxígeno, el ΔH para el proceso es +802 kJ, o sea: CO2(g) 1 2H2O(g) CH4(g) 1 2O2(g) ΔH 5 802 kJ Cuando invertimos una reacción, también invertimos los roles de los productos y de los reactivos; los reactivos de una reacción se convierten en los productos de la reacción inversa y viceversa. A partir de la ecuación: ΔH 5 Hproductos 2 Hreactivos podemos ver que, invirtiendo los productos y los reactivos, llegamos a la misma magnitud, pero con un cambio de signo para ΔH. 3. El cambio de entalpía de una reacción depende del estado de los reactivos y de los productos. Si el producto de la reacción del metano fuera H2O líquida en lugar de H2O gaseosa, ΔH sería −890 kJ en lugar de −802 kJ. Se dispone de mayor cantidad de calor para transferirlo al entorno porque se liberan 88 kJ cuando se condensan 2 moles de agua gaseosa al estado líquido. Ejemplo: 2H2O(g) 2H2O(l) ΔH 5 288 kJ Figura 8.8 Conservación de la energía en la descomposición o formación del agua. 247 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas Por consiguiente, se debe especificar el estado de los reactivos y de los productos, además, generalmente suponemos que los reactivos y los productos están a la misma temperatura, esto es a 25 °C, a menos que se indique otra cosa. El cambio de entalpía, asociado con un proceso químico, suele ser de gran importancia. Como veremos, hay formas mediante las cuales podemos evaluar esta importante propiedad; así, ΔH se puede determinar directamente mediante un experimento o se puede calcular por medio de la ley de Hess. Actividad de aprendizaje ( )¿Cuál de las siguientes reacciones constituye un ejemplo de reacción exotérmica? a) H2SO4 SO3 1 H2O ΔH Reacción = 31 140 calorías b) 2 H2O 2H2 1 O2 − 116 000 calorías c) 2 NaOH 1 H2SO4 Na2SO4 1 2H2O 1 68 730 calorías Fundamenta tu respuesta. Las siguientes reacciones se pueden cuantificar en un calorímetro, porque sólo forman un producto: CO(g) 1 ½ O2(g) ΔH3 5 167.64 kcal CO(g) 1 ½ O2(g) CO2(g) ΔH 0f 5 267.64 kcal Pero la siguiente reacción no puede ser determinada por medio de un calorímetro, ya que puede producir CO y CO2 al mismo tiempo: CO(g) ΔH 0f 5 ? kcal C(s) 1 ½ O2(g) ΔH1 5 ΔH2 1 ΔH3 ΔH2 5 ΔH1 2 ΔH3 Al sustituir valores: ΔH2 5 2 94.05 2 (2 67.64) 5 226.41 kcal. Se puede observar también que si se resta la ecuación (3) de la (1), se obtiene la ecuación (2): C(s) 1 O2(g) CO2(g) ΔH1 5 2 94.05 kcal CO(g) 1 ½ O2(g) CO2(g) ΔH3 5 2 67.64 kcal ΔH 5 [294.05] 2 C(s) 1 ½ O2(g) 2 CO(g) [267.64] ΔH 5 2 26.41 kcal (exotérmica) Con lo cual obtenemos la ley de Hess que dice: “El calor de una reacción (ΔH r ) es independiente del número de etapas o de la naturaleza del camino a través del cual se realiza”. Actividad de aprendizaje Calcula el calor de la siguiente reacción: FeO(s) 1 CO(g) ΔH reacción 5 ? Fe(s) 1 CO2(g) Toma en cuenta los siguientes datos: Fe(s) 1 ½ O2(g) Por lo que es necesario calcular su calor de formación utilizando las reacciones que puede producir (las primeras): (3) Al aplicar el concepto de función variable de estado (sólo depende de los estados iniciales y finales): CO2(g) ΔH 0f 5 294.052 kcal C(s) 1 O2(g) CO2(g) C(s) 1 ½ O2(g) C(s) 1 O2(g) FeO(s) CO(g) CO2(g) ΔH 5 264.3 kcal ΔH 5 226.4 kcal ΔH 5 294.04 kcal CO 1 ½ O2 ΔH2 ΔH3 8.3 Velocidad de reacción 2º camino (1) ¿Cómo se define la velocidad de una reacción química? ¿En qué unidades se mide? ¿Qué factores afectan la velocidad de una reacción? ¿Qué es la catálisis? ¿Por qué cuando se agrega un ácido a un clavo reacciona inmediatamente? ¿Por qué la leche se descompone más rápido en lugares más calurosos que en clima templado o frío? ¿Por qué un clavo tarda más en disolverse en ácido sulfúrico, que si estuviera pulverizado o en forma de viruta de hierro? Al concluir el estudio de este tema podrás contestar estas preguntas. (2) En la vida diaria los cambios suceden a diferente velocidad; por ejemplo, en la Ciudad de México el tránsito se hace muy lento en C 1 O2CO 2 er. 1 camino ΔH1 En otras palabras, para producir CO2 existen dos caminos: 1er camino: C(s) 1 O2(g) CO2(g) ΔH1 5 2 94.05 kcal o 2 camino: C(s) 1 ½ O2(g) ΔH2 5 ? kcal 248 CO(g) Grupo Editorial Patria® Actividad experimental Corrosión Con la guía de tu profesor intégrate en un equipo de cuatro o cinco compañeros. Realicen esta actividad y contesten las preguntas correspondientes. Elaboren un informe escrito con sus conclusiones y compárenlo con el resto del grupo. Propósito 5. Contesten lo siguiente: ¿Cómo actúa el agua en el tubo 1 y en el tubo 3? ¿Qué efecto tiene el aceite en el tubo 3? Observar el grado de corrosión de los metales en diferentes condiciones. Material n 12 clavos de 2 pulgadas de largo n 3 tubos de ensayo de 15 × 150 mm de largo n Agua destilada n Cloruro de calcio anhidro (CaCl2) n Aceite comestible (2 mL) n 3 tapones de plástico Procedimiento ¿Afecta más a los clavos, el aire húmedo o el seco? ¿Por qué? Conclusiones: 1. Numeren los tubos de ensayo y separen tres clavos que servirán como referencia de comparación. 2. En el primer tubo, coloquen tres clavos sumergidos hasta la mitad de su altura en agua destilada. 3. En el segundo, coloquen otros tres clavos con el cloruro de calcio anhidro, CaCl2. 4. En el tercer tubo, coloquen tres clavos que queden cubiertos con agua destilada y aceite comestible; caliéntenlos y en la parte superior quedará el aceite comestible. Dejen transcurrir dos días y anoten lo que observen en cada uno de los tubos. Tubo 1: las horas pico (de 6 a 8 de la mañana y de 2 a 3 de la tarde), pero de las 10 a las 12 del día se puede circular a muy buena velocidad por las principales calles de la ciudad. También puedes regular la velocidad a la que gira un ventilador según la cantidad de aire que quieras recibir. Respecto a los alimentos, ¿por qué al partir un aguacate se ennegrece rápidamente?, y si lo metes al refrigerador, ¿dura más tiempo sin ennegrecerse? ¿A qué se debe eso? La velocidad es una medida del cambio que ocurre por unidad de tiempo. Tubo 2: Tubo 3: Figura 8.9 Los cambios de velocidad que se presentan en el tránsito vehicular diario, ocurren también en las sustancias químicas. 249 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas Teoría de las colisiones Muchos han sido los esfuerzos realizados para comprender las propiedades de la materia y para establecer una teoría sobre la naturaleza del calor. En la actualidad estas dos vertientes convergen para dar paso al modelo cinético molecular. Éste abarca una de las teorías científicas que tiene una gran influencia en el desarrollo de la física y la química. De dicha teoría surge la explicación del comportamiento de cada uno de los estados de agregación de la materia, describiendo cómo ocurren algunos fenómenos. Figura 8.10 Factores como la temperatura y la concentración, entre otros, influyen en la descomposición de los alimentos. En la mayoría de las reacciones químicas lo que interesa es acelerar las transformaciones, por ejemplo, en la fabricación de productos industriales; aunque en algunos casos el propósito es retardar una reacción, como la corrosión del hierro, la descomposición de alimentos, etcétera. Por lo anterior, es muy importante saber cómo ocurren las reacciones químicas y los factores que afectan la velocidad de reacción. La parte de la química que estudia la velocidad de las reacciones se llama cinética química y la velocidad de una reacción se define como la cantidad de uno de los reactivos que se transforma por unidad de tiempo, o bien la cantidad de uno de los productos que se forma por unidad de tiempo. La teoría cinética de la materia es el intento mediante el cual se desean explicar las propiedades observables en escala macroscópica de cualquier sistema que nos rodea y que se encuentran al menos en alguna de las tres fases: gaseosa, líquida o sólida, a partir de las leyes que gobiernan las partículas microscópicas que los forman; es evidente que en alguna manera es necesario recurrir a la imaginación, a la intuición y, en cierta medida, a la observación, para conceptualizar y definir dicho sistema. Esto quiere decir que la información que se puede obtener de este sistema está limitada a la observación y medición de algunos de sus atributos accesibles a nuestros sentidos, los cuales reflejan su naturaleza macroscópica, como su volumen, masa, presión, temperatura, color, energía, etc. Pero a partir de esta información muy poco se puede aprender del comportamiento individual de cada uno de los millones y millones de átomos o moléculas que los forman. Por ello es necesario recurrir a la imaginación para crear mentalmente un modelo en el cual, por medio de ciertas hipótesis, se describan algunas características de esta enorme población de átomos o moléculas. Es frecuente confundir los conceptos velocidad de reacción y tiempo de reacción. Este último puede definirse como el tiempo transcurrido desde el inicio de una reacción hasta la aparente terminación de la misma. La velocidad de una reacción depende del número de choques eficaces (es decir, de los que producen una reacción) entre las moléculas reaccionantes. El número de choques eficaces está en función de: 1. Número de choques totales, que depende a su vez de las concentraciones de los reactivos y de su estado físico. 2. Número de moléculas con energía cinética suficiente, que aumenta en gran medida con la temperatura. De acuerdo con lo anterior (que se denomina teoría de las colisiones), existen cuatro factores que afectan la velocidad de una reacción: naturaleza de los reactivos, concentración y estado físico de los reactivos, temperatura y catalizadores. 250 Figura 8.11 El aumento en la frecuencia de los choques moleculares acelera la velocidad de una reacción química. Grupo Editorial Patria® Actividad experimental Influencia de la superficie de contacto en la velocidad de una reacción Con la guía de tu profesor intégrate en un equipo de 4 o 5 alumnos. Realicen esta actividad y contesten las preguntas correspondientes. Elaboren un informe escrito con sus conclusiones y compárenlo con el resto del grupo. Anoten sus resultados en la siguiente tabla. Vaso Pastilla efervescente 1 Entera Propósito 2 Dividida en tres partes Verificar cómo afecta a la velocidad de una reacción la superficie de contacto de las sustancias utilizadas. 3 Pulverizada Tiempo de disolución (segundos) ¿En qué caso la reacción fue más rápida? Material ¿Por qué? n 3 vasos de precipitados de 100 mL n 150 mL de agua destilada n 3 pastillas efervescentes ¿En qué caso fue más lenta la reacción? n Cronómetro ¿Por qué? Mortero n Conclusiones: Procedimiento 1. Numeren tres vasos de precipitados de 100 mL y coloquen 50 mL de agua destilada en cada uno. 2. Coloquen una pastilla efervescente entera en el primer vaso y tomen el tiempo en que se disuelve. Tiempo = segundos. 3. En el segundo vaso coloquen una pastilla efervescente dividida en tres pedazos y tomen el tiempo que tarda en disolverse. Tiempo = segundos. 4. En el tercer vaso agreguen una pastilla previamente pulverizada con un mortero y tomen el tiempo en que se disuelve. Tiempo = segundos. Vaso de precipitados con 50 mL de agua cada uno Una pastilla efervescente entera Una pastilla en tres partes Una pastilla pulverizada Este modelo tendrá un mínimo de hipótesis y con base en ellas habrá que deducir si las propiedades macroscópicas del sistema, descrito por dicho modelo, concuerdan con las observaciones realizadas en el laboratorio de las propiedades de un sistema real. Si la concordancia es satisfactoria, el modelo es apropiado para describir el sistema, si no, habrá que modificarlo hasta obtener uno que sí lo sea. De esta manera, haciendo suposiciones simples, relativas a la estructura y conducta de los átomos en la fase gaseosa, se obtiene una teoría molecular de los gases que concuerda con las diversas propiedades macroscópicas observadas. Factores que modifican la velocidad de una reacción Naturaleza de los reactivos La mayor o menor velocidad de una reacción depende de las características de las sustancias reaccionantes. Por ejemplo, en una solución acuosa las sustancias que forman iones reaccionan con gran velocidad, difícil de medir, como en la neutralización ácido251 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas base. En cambio, las reacciones que ocurren entre moléculas son más lentas y, por tanto, su velocidad es más fácil de medir. Cuando intervienen sustancias sólidas, la velocidad de reacción varía dependiendo de la superficie de contacto. Por ejemplo, cuando se cuece una papa entera su velocidad de reacción es menor que si se cuece cortada en trozos; en este último caso tardará menos tiempo en cocerse porque aumenta la superficie de contacto del vegetal con el agua. Actividad experimental Efecto en la velocidad de una reacción por la variación de la concentración Con la guía de tu profesor intégrate en un equipo de 4 o 5 compañeros. Realicen esta actividad y contesten las preguntas correspondientes. Elaboren un informe escrito y expónganlo al resto del grupo. Objetivo Influencia de la concentración De acuerdo con la teoría de las colisiones, para que se produzca una reacción química tienen que chocar entre sí las moléculas iniciales. Ahora bien, según la teoría cinética, el número de choques es proporcional a la concentración de cada reactivo. Por tanto, a mayor concentración, mayor número de choques, y mayor la velocidad de reacción. Así, en la reacción para formar ácido yodhídrico (HI), es evidente que si, por ejemplo, duplicamos la concentración de yodo (I2), cada molécula de hidrógeno (H2), al encontrarse con un doble número de moléculas de I2, chocará un número doble de veces, por lo que la velocidad de reacción se duplicará. Lo mismo ocurrirá si lo que se duplica es la concentración de H2. Por tanto, la velocidad de la reacción será proporcional a la concentración de cada reactivo. Verificar cómo afecta a la velocidad de una reacción la variación de la concentración de uno de los reactivos participantes. Materiales ¡PRECAUCIÓN! Debes manejar el ácido sulfúrico con cuidado, ya que puede producir quemaduras graves. n 6 tubos de ensayo numerados n 1 pipeta n 1 agitador de vidrio n 1 bureta n Disolución de 0.0025 M de permanganato de potasio (KMnO4) n Disolución de 0.25 M de ácido sulfúrico (H2SO4) n Disolución de 0.0005 M de ácido oxálico (C2H2O4) n Disolución de 0.0025 M de ácido oxálico (C2H2O4) n Disolución de 0.01 M de ácido oxálico (C2H2O4) n Cronómetro n Gradilla Procedimiento Para observar los efectos producidos por la concentración, se llevará a cabo la siguiente reacción: 2KMnO4 + 3H2SO4 + 5C2H2O4 Figura 8.12 Al aumentar la concentración de un reactivo (en este caso al duplicarse el número de moléculas de hidrógeno, H2), se incrementará también la velocidad de la reacción. Actividad de aprendizaje Anota en el paréntesis de la izquierda la letra que corresponda a la respuesta correcta. ( ) El incremento en la concentración de los productos de una reacción, por unidad de tiempo, expresa: a) b) c) d) 252 la velocidad de una reacción química. el equilibrio químico. la energía de activación. la ley de acción de masas. 10CO2 + K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O Se utilizan diferentes concentraciones de una disolución de ácido oxálico, C2H2O4 (uno de los reactivos participantes), manteniendo constante la concentración de la disolución de permanganato de potasio, KMnO4 (otro de los reactivos). En este experimento debe mantenerse uniforme la temperatura de las sustancias utilizadas. 1. Tomen seis tubos de ensayo y numérenlos; adicionen en tres de ellos con una bureta (para mayor exactitud) 2 mL de una disolución de 0.0025 M de permanganato de potasio y con una pipeta agreguen 1 mL de una disolución de 0.25 M de ácido sulfúrico. 2. En los otros tubos (4, 5 y 6) adicionen 9 mL de ácido oxálico con las siguientes concentraciones: 0.00005 M, 0.0025 M y 0.01 M, respectivamente. 3. Viertan rápidamente y con cuidado la disolución del tubo 4 en el 1, poniendo en marcha el cronómetro desde el instante en que ambas disoluciones entran en contacto. Grupo Editorial Patria® Velocidad y temperatura Al elevar la temperatura de un sistema aumenta la velocidad de las moléculas y con ello el número de choques entre ellas, y viceversa. El notable incremento de la velocidad de reacción al aumentar la temperatura se debe a que se incrementa el porcentaje de moléculas activadas, esto es, la energía cinética es superior a la de activación (la necesaria para iniciar una reacción). Por ejemplo, en la figura siguiente se muestran dos recipientes con papas sumergidas en agua: uno está a 70 °C y el otro a temperatura ambiente (25 °C). Obviamente las papas se cuecen más rápido en el más caliente. Otro ejemplo del efecto de la temperatura lo observamos cuando partimos una manzana en dos mitades. Si dejamos una sobre la mesa a la temperatura ambiente y colocamos la otra dentro del refrigerador, ¿qué sucede? T = 25 °C T = 70 °C Vaso de precipitado Soporte universal Alimentos 4. Agiten constantemente el contenido del tubo de ensayo con un agitador de vidrio. Observen y registren el tiempo que tarda en desaparecer la coloración violeta y en aparecer la transparente (lo cual indica que la reacción terminó). 5. Repitan el procedimiento con los tubos restantes (2 con el 5 y 3 con el 6). Anoten sus conclusiones y observaciones: Rejilla de asbesto Mechero Mechero Figura 8.13 Los alimentos se cuecen más rápido con agua hirviendo. Si la temperatura es menor tardarán más en cocerse. Catálisis En el último cuarto del siglo xix, los científicos alemanes fueron pioneros en el estudio de los cambios físicos asociados a las reacciones químicas. El científico más importante en este campo de la fisicoquímica fue el químico ruso-germano Friedrich Wilhelm Ostwald (1853-1932), quien procedió casi inmediatamente a poner en práctica las teorías del físico estadounidense Josiah Willard Gibbs (1839-1903), el cual estaba aplicando la catálisis a las reacciones químicas. La catálisis (palabra sugerida por Berzelius en 1835) es un proceso en el cual la velocidad de una reacción química determinada se acelera, en ocasiones enormemente, por la presencia de pequeñas cantidades de una sustancia que no parece tomar parte en la reacción. Así, el polvo de platino cataliza la reacción entre el hidrógeno 253 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas Actividad experimental Efecto de la temperatura en la velocidad de una reacción química Con la guía de tu profesor intégrate en un equipo de cuatro o cinco compañeros. Realicen esta actividad y contesten las preguntas correspondientes. Elaboren un informe escrito y compárenlo con el resto de sus compañeros. Colocar los tubos 1 2 3 4 5 6 300 mL H2O Objetivo Verificar cómo afecta a la velocidad de una reacción la variación de la temperatura. Materiales ¡PRECAUCIÓN! Debes manejar el ácido sulfúrico con cuidado, ya que puede producir quemaduras graves. n 6 tubos de ensayo numerados n 1 pipeta n Disolución de 0.002 M de permanganato de potasio (KMnO4) n Disolución de 0.25 M de ácido sulfúrico (H2SO4) n Disolución de 0.0025 M de ácido oxálico (C2H2O4) n Cronómetro n Gradilla n Agitador de vidrio n Soporte universal con anillo de hierro n 1 vaso de precipitados n Mechero de Bunsen o lámpara de alcohol Procedimiento Para observar los efectos producidos por la temperatura, se llevará a cabo la siguiente reacción: 2KMnO4 + 3H2SO4 10CO2 + K2SO4 + 5C2H2O4 + 2MnSO4 + 8H2O 1. Numeren los seis tubos de ensayo y adicionen en tres de ellos, por medio de una pipeta, 2 mL de una disolución de 0.0025 M de permanganato de potasio (KMnO4), y con otra pipeta agreguen 1 mL de una disolución de 0.25 M de ácido sulfúrico (H2SO4). Colóquenlos en la gradilla. 2. En los otros tres tubos de ensayo coloquen 9 mL de una disolución de 0.0025 M de ácido oxálico (C2H2O4). 3. En un vaso de precipitados de 500 mL, agreguen aproximadamente 300 mL de agua y calienten a 30 °C en “baño María”. 4. Coloquen dentro del vaso de precipitados el tubo 1 y uno de los tubos de ensayo con la disolución de ácido oxálico, tratando de homogenizar la temperatura de los dos (30 °C). Déjenlos durante tres minutos aproximadamente dentro del vaso de precipitados. 254 Calentar a 30 °C 9 mL ácido oxálico (0.0025 M) 5. Mezclen rápidamente, pero con cuidado, la disolución de ácido oxálico en el tubo de ensayo que contiene la disolución de permanganato de potasio (debe ser en el orden que se indica). Pongan en marcha el cronómetro desde el instante en que ambas disoluciones entran en contacto. 6. Agiten con una varilla de vidrio (agitador) el contenido del tubo de ensayo manteniéndolo dentro del baño. 7. Observen y registren el tiempo que tarda en desaparecer el color violeta de la disolución para volverse transparente, eso les indicará el término de la reacción. Tiempo obtenido = segundos (30 °C) 8. Repitan el experimento utilizando diferentes temperaturas (40 y 60 °C). Tiempo obtenido = segundos (40 °C) Tiempo obtenido = segundos (60 °C) Comparen los tiempos obtenidos a diferentes temperaturas y anoten sus conclusiones: Grupo Editorial Patria® y el oxígeno. Por tanto: un catalizador es una sustancia que modifica la velocidad de una reacción sin sufrir cambios aparentes en su composición o peso. En un principio se creyó que los catalizadores no intervenían en la reacción química y actuaban por su simple presencia. En la actualidad se ha comprobado que toman parte activa en la reacción, formando compuestos intermedios inestables que se descomponen en seguida regenerando el catalizador, por lo que éste no se consume. De esta forma, el catalizador cambia el curso ordinario de la reacción, lo cual reduce la energía de activación. Ejemplos de catalizadores positivos (los que aceleran una reacción) son el dióxido de manganeso (MnO2), que se utiliza en la obtención del clorato de potasio (KClO3), y el platino (Pt), que se emplea en la fabricación del ácido sulfúrico (H2SO4). Un catalizador negativo, es decir, el que retarda una reacción, es el tetraetilo de plomo (C2H5)4Pb, que en México se utilizaba como antidetonante en las gasolinas hace ya muchos años. En el cuadro que sigue se presentan algunos catalizadores de amplio uso en procesos químicos: Tapa de aceite Bomba de agua Filtro de aceite Múltiple (recolecta los gases) Convertidor catalítico CO2 Ventilador N2 Gases de combustión Figura 8.14 Motor de combustión interna con convertidor catalítico. Actividad experimental Efecto del catalizador en la velocidad de una reacción química Con la guía de tu profesor intégrate en un equipo de cuatro o cinco compañeros. Objetivo Catalizadores utilizados en algunos procesos químicos Proceso Catalizadores Descomposición del agua oxigenada (H2O2) Óxido de manganeso (IV) Fermentación del azúcar en alcohol Zimasa (enzima de levadura) Síntesis del amoniaco Óxido férrico (Fe2O3) Descomposición del clorato de potasio Dióxido de manganeso (MnO2) Oxidación de SO2 a SO3 Pentóxido de vanadio (V2O5) Deshidratación de alcoholes Alúmina (Al2O3) Hidrogenación catalítica de alquenos Ni, Pt o Pd Las acciones catalíticas intervienen en gran número de fenómenos químicos de importancia científica, industrial y biológica. Puesto que sin los catalizadores muchas reacciones se verificarían tan rápido o tan lentamente que sería imposible aprovecharlas, en diversas reacciones entre gases se utilizan catalizadores sólidos que se llaman de contacto. El proceso se denomina catálisis heterogénea. En los automóviles se utilizan convertidores catalíticos de contacto en los tubos de escape. Éstos catalizan la oxidación del CO a CO2 y los restos de hidrocarburos sin quemar de la gasolina. Los óxidos de nitrógeno se descomponen en N2 y O2 evitando que se emitan gases muy tóxicos a la atmósfera. Verificar cómo afecta a la velocidad de una reacción la adición de un catalizador. Materiales ¡PRECAUCIÓN! Debes manejar el ácido sulfúrico con cuidado, ya que puede producir quemaduras graves. n 2 tubos de ensayo numerados n 1 pipeta n Disolución de 0.0025 M de permanganato de potasio (KMnO4) n Disolución de 0.25 M de ácido sulfúrico (H2SO4) n Disolución de 0.0025 M de ácido oxálico (C2H2O4) n Disolución de 0.045 M de sulfato de manganeso (MnSO4) n Cronómetro n Gradilla n Agitador de vidrio n Soporte universal con anillo de hierro y asbesto n 1 vaso de precipitados n Mechero de Bunsen o lámpara de alcohol Procedimiento Para observar los efectos producidos por la temperatura, se llevará a cabo la siguiente reacción: 2KMnO4 + 3H2SO4 10CO2 + K2SO4 + 5C2H2O4 + 2MnSO4 + 8H2O 255 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas Para tu reflexión 1. En un tubo de ensayo (tubo de ensayo 1) adicionen con una pipeta 2 mL de una disolución de 0.0025 M de permanganato de potasio (KMnO4) y 1 mL de una disolución de 0.25 M de ácido sulfúrico (H2SO4). Coloquen el tubo de ensayo en la gradilla. Jabones o detergentes 3. En un vaso de precipitados de 500 mL, agreguen aproximadamente 300 mL de agua y calienten a 30 °C en “baño María”. El proceso para fabricar jabón se conoce desde hace más de 4 500 años. Sabemos que un jabón se obtiene al reaccionar un ácido con una base; por ejemplo: los ácidos que se utilizan en estas reacciones se extraen de aceites vegetales (maíz, coco, palma y oliva) y de grasa animales (manteca de cerdo). Las bases utilizadas para elaborar el jabón son el hidróxido de sodio (NaOH) o el hidróxido de potasio (KOH). 4. Coloquen dentro del vaso de precipitados los dos tubos, tratando de homogenizar su temperatura (30 °C), dejándolos ahí durante tres minutos aproximadamente. La composición de un jabón es 70% de grasa, 20% de agua y 10% de aditivos. Estos últimos ayudan a darle color u olor o a preservarlo por más tiempo. 5. Antes de hacer la mezcla, agreguen una gota de disolución de 0.045 M de sulfato de manganeso (MnSO4) al tubo de ensayo 2; observen lo que ocurre y registren su lectura. Actualmente los jabones han sido desplazados por los detergentes. Un detergente se define como una sustancia con capacidad limpiadora. Muchos detergentes son derivados del petróleo y poseen ciertas ventajas respecto a los jabones, como las siguientes: 2. En el tubo 2 coloquen 9 mL de una disolución de 0.0025 M de ácido oxálico (C2H2O4). 6. Mezclen rápidamente, pero con cuidado, la disolución de ácido oxálico en el tubo que contiene la disolución de permanganato de potasio (en el orden que se indica). Pongan en marcha el cronómetro a partir del instante en que ambas disoluciones entran en contacto. 7. Agiten con una varilla de vidrio (agitador) el contenido del tubo de ensayo manteniéndolo dentro del baño. 8. Observen y registren el tiempo que tarda en desaparecer el color violeta de la disolución para volverse transparente, eso les indicará el término de la reacción. Realicen esta actividad y contesten las preguntas correspondientes. Elaboren un informe escrito y expónganlo ante sus compañeros. Tiempo obtenido = segundos ¿Para qué se utilizó el sulfato de manganeso en el paso 5? Funcionan mucho mejor en cualquier tipo de agua (dura, blanda, ácida, básica, dulce o salada). n Se requiere una cantidad menor para lograr los mismos efectos que con el jabón. n No dejan residuos en la ropa como la mayoría de los jabones. n n n Pueden almacenarse por mucho tiempo sin que se descompongan. Son compuestos fáciles de mezclar con otras sustancias que ayudan en el proceso de limpieza. Entre algunas desventajas de los detergentes se cuentan las siguientes: n n Son más caros que los jabones. A diferencia de éstos, se obtienen de recursos naturales no renovables como el petróleo. Asimismo, los detergentes son más contaminantes que los jabones; muchas de sus ventajas se logran al darles una estructura química que dificulta su biodegradación, es decir, su descomposición en sustancias simples por la acción de los seres vivos. Conclusiones: Figura 8.15 ¿Cuál perjudica más al agua potable, el detergente o el jabón? 256 Pregunta Grupo Editorial Patria® Respuesta Para lavar la ropa en casa, ¿usan jabón o detergente? ¿Qué es más barato? ¿Cuál rinde más? ¿Con cuál se lava más ropa? ¿Con cuál se utiliza o gasta más agua para lavar la ropa? ¿Es más económico lavar a mano o con lavadora? ¿Es mejor lavar la ropa con agua fría o con agua caliente? ¿Es mejor utilizar un detergente que haga mucha espuma o uno que produzca poca? Consulta con cinco de tus familiares para que contesten las siguientes preguntas. Anota tus conclusiones y compáralas con los demás compañeros. Conclusiones: Un material peligroso es cualquiera que tenga una o varias de las siguientes categorías: corrosivo, tóxico, reactivo, explosivo, inflamable o infeccioso. Si bien en la mayoría de las etiquetas de productos con sustancias peligrosas se menciona si es tóxico, explosivo o inflamable y las precauciones que se deben tener en su uso, manejo y almacenamiento, también es cierto que podemos disponer de estas sustancias en las que no se informa que su disposición puede ser peligrosa. A nivel doméstico e industrial no existe una cultura del manejo de estos residuos peligrosos y cómo emplearlos, por lo que generalmente terminan de manera irresponsable en los desagües, ríos, barrancas y tiraderos. En México, durante el año 2002, se importaron 276 000 toneladas de residuos tóxicos para su reciclaje. Como pequeños consumidores de residuos peligrosos podemos empezar por nuestro hogar, ya que una buena parte de los productos de limpieza, como desinfectantes, limpiahornos, desengrasantes, detergentes, cloro, blanqueadores, destapacaños y demás productos que usamos diariamente, contienen materiales tóxicos y algunos están registrados como pesticidas. En el mantenimiento de nuestra casa utilizamos materiales y productos tóxicos, tales como pintura, barnices y pegamentos. Por ejemplo, una pintura de aceite puede contener hasta 40% de óxido de plomo, por lo que un galón de pintura puede contaminar hasta un millón de litros de agua potable. De 28 pesticidas que se usan en forma común, por lo menos 23 son cancerígenos; anualmente, 20 000 muertes son causadas por residuos de pesticidas en los alimentos. Una pila pequeña puede contaminar hasta 600 000 litros de agua. México vive una situación de emergencia ante la acelerada y dramática desaparición de sus bosques y selvas; en las últimas cinco décadas la superficie forestal se redujo a la mitad, lo cual pone en riesgo a muchos otros recursos como la captación de agua. Consumismo e impacto ambiental En México, cada año se producen ocho millones de toneladas de residuos peligrosos; en el Distrito Federal se generan entre dos y tres millones de toneladas. Sólo 12% se controla adecuadamente y el problema es agravado por el hecho de que cerca de 90% de estos residuos se encuentra en estado líquido, acuoso o semilíquido, lo que facilita su disposición clandestina. Muchos de los productos que usamos diariamente en nuestros hogares están catalogados como productos nocivos para nuestra salud y el medio ambiente. Esto implica que debemos tener cuidado con su consumo, manejo y desecho. 8.4 Desarrollo sustentable La Ciudad de México y su gran área metropolitana ocupan un espacio geográfico que ha rebasado por mucho las expectativas de desarrollo y, por consiguiente, se ha generado una serie de problemas que impacta negativamente al medio ambiente y demerita la calidad de vida urbana. Para recuperar una ciudad que genere la posibilidad de una vida donde haya un ambiente sano para las actuales y futuras generaciones, es urgente reencauzar y ordenar su crecimiento con lineamientos racionales y regulados. Este crecimiento ha provocado la sobreexplotación de los recursos naturales, especialmente del agua; la degradación del medio ambiente ha afectado la calidad del aire con un conjunto vehicular creciente; se ha deteriorado su fauna y su flora, y se ha roto el equilibrio hidráulico y geohidrológico. 257 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas Riesgos de la ciencia y la tecnología Según la Agencia Europea del Medio Ambiente (aema), la liberación de sustancias químicas peligrosas constituye una grave amenaza para el medio ambiente en Europa y en todo el mundo. La emisión de compuestos orgánicos volátiles (cov) a la atmósfera contribuye a la degradación de la capa de ozono. Los cov también actúan como precursores de la formación de ozono troposférico, un problema crónico y de amplia distribución en toda la Unión Europea. La falta de ozono puede causar efectos nocivos tanto para la salud humana como para el medio ambiente. Pero, de hecho, las especies vegetales y los cultivos son más sensibles a este contaminante que los seres humanos. El ozono interfiere en la actividad fotosintética, en el crecimiento y en el metabolismo general de la planta, aunque también aumenta la sensibilidad de los árboles a las heladas, al calor y a la sequía. Se ha estimado que con las concentraciones de ozono que se vienen presentando en la temporada estival de crecimiento, las pérdidas de producción en la agricultura pueden suponer de 5 hasta 10% en toda la Comunidad Europea. Se estima que hasta 70 000 sustancias químicas y grupos de sustancias se comercializan actualmente en el mercado europeo y muchos de ellos son organoclorados. Según la aema existe aún un gran des- conocimiento respecto a la toxicidad, ecotoxicidad y riesgos de la gran mayoría de estas sustancias. El panorama se presenta aún más desolador cuando los expertos manifiestan la enorme complejidad que existe entre los flujos (en el suelo, el aire, el agua, la vegetación, etc.) y los tipos de reacciones y fenómenos (fotoquímicos, físicos, biológicos, etc.) que participan en cada ecosistema, que dificultan la asociación de daños con fuentes específicas de riesgo. Principales amenazas Las sustancias químicas que se identifican como las más problemáticas para la preservación del medio ambiente se pueden clasificar en los siguientes grupos. n Compuestos orgánicos persistentes (más conocidos por la abreviatura pop), que incluyen muchos organoclorados (pcb), las dioxinas y furanos, muchas familias de pesticidas y los hidrocarburos poliaromáticos (pah). n Metales pesados: cadmio, mercurio, plomo, níquel, cobre y arsénico, entre otros. En el siguiente cuadro se resumen las principales fuentes de emisión y efectos sobre los ecosistemas. Fuentes de emisión y efectos sobre los ecosistemas Compuestos Sustancias químicas Fuentes de emisión Orgánicos pah: En torno a 280 sustancias de las que se consideran prioritarias en la ue (Unión Europea) y eu. Algunos de los más conocidos son: hexaclorobenceno, benzoalantraceno, xileno. Productos de combustión incompleta de combustibles fósiles y otros orgánicos (madera), constituyen 90% de las emisiones. También procesos de producción y usos de alquitranes de hulla; por ejemplo, para fabricar resinas. Las propiedades de persistencia, bioacumulación y afinidad por las fracciones orgánicas contribuyen a la dispersión de los pop en suelos, aguas superficiales y marinas. Algunos de los pop atmosféricos, revolatilizados o adheridos a partículas, tienden a incorporarse a los movimientos de masas de aire de escala global que los transportan hacia el Ártico donde se condensan y depositan incorporándose a la cadena trófica. Persistentes Organoclorados (pcb), pentaclorofenol (pcp), cfc = clorofluorocarbono, algunos pesticidas (ddt = diclorodifeniltolueno, lindano, etc.), disolventes (percloroetileno, tricloroetileno, etcétera). Pesticidas y biocidas y amplia gama de productos industriales y domésticos (disolventes, colas, pinturas, limpiadores, conservantes de madera, etcétera). El efecto de biomagnificación contribuye a que los organismos más afectados se encuentren situados en los eslabones más altos de la cadena trófica. Entre los principales efectos se encuentran las alteraciones en la capacidad para la reproducción, ya sea disminuyendo la posibilidad de supervivencia de recién nacidos (por ejemplo adelgazando la cáscara del huevo de algunas aves), o bien alterando la capacidad o ciclos de reproducción de animales adultos (por ejemplo, actuando como disruptores endocrinos). Muchos causan cáncer en animales y malformaciones en el esqueleto (como en focas y nutrias marinas). Algunos son muy tóxicos para organismos acuáticos. Metales pesados 258 Dioxinas y furanos. Principalmente son subproductos de procesos de combustión de materia orgánica en la presencia de cloro: incineración de residuos, procesos industriales, incendios, entre otros. Mercurio, arsénico, cadmio, cobre, plomo y níquel, entre otros. Productos industriales, domésticos y agrícolas: catalizadores, pinturas, pilas/ baterías, plásticos, aditivos en combustibles fósiles (mercurio) y fertilizantes de fosfatos (cadmio). Efectos ambientales Persistentes y bioacumulativos. Afectan la capacidad reproductiva, al desarrollo del feto, causan desórdenes del sistema nervioso, son tóxicos en organismos acuáticos; también son cancerígenos. Grupo Editorial Patria® Tendencias futuras Según la aema, si las tendencias actuales continúan, se estima que para la década del 2010 aumentará la emisión de sustancias químicas tóxicas entre 30% y 50% en la mayoría de los países europeos como consecuencia del incremento en la actividad económica, incluyendo el transporte de carretera y la producción agrícola. Respecto a la liberación de algunos compuestos, tenderá a disminuir en la medida en que su producción y uso sean prohibidos y/o bastante restringidos, aunque los efectos perduren aun muchas generaciones, como puede ser el caso de los pcb. Según la aema, éste será el caso de las dioxinas en Europa; sin embargo, estima que la deposición de dioxinas en España se triplicará en las siguientes décadas. Por otro lado, el incremento en el uso de muchas otras sustancias químicas, como por ejemplo los plaguicidas y algunos metales pesados, provocará niveles de emisión y deposición en Europa que constituirán un elevado riesgo para el medio ambiente. En el caso del cadmio y del mercurio, por ejemplo, se estima que aumentarían en 26% y 30%, respectivamente, en un periodo de veinte años. Los cinco estados mexicanos con más muertes por tumores malignos Cuadro de tendencias de la Unión Europea y España Sustancias químicas Tendencias de la Tendencias de Unión Europea España (1990-2010) (1990-2010) pahs (particularmente xyleno y benzo (a) pireno) (atmosférico) Aumenta Disminuye Dioxinas (deposición) Disminuye en 10% Aumenta en un factor de 3% Cadmio: • atmosférico Aumenta entre 31% y 38% Aumenta hasta situarse por encima de la media de la UE • deposición Aumenta en 31% Aumenta en más de 65% Mercurio (atmosférico) Aumenta en 30% entre el momento de exposición y la manifestación de los efectos, entre otras razones. Éste puede ser el caso de la sensibilidad a múltiples sustancias químicas que repercute en la capacidad reproductiva de las personas por exposición a sustancias que actúan como disruptores endocrinos. Sin embargo, en muchos otros casos se puede determinar perfectamente la relación causa-efecto e incluso el número de muertes laborales asociadas a la exposición a una o varias sustancias químicas. En este sentido, se estima en España que tres cuartas partes de las muertes producidas en relación con el puesto de trabajo son causadas sobre todo por la exposición a sustancias químicas. Esta cifra equivale, a su vez, a 2.4% del total de muertes contabilizadas anualmente en nuestra sociedad (a modo de ejemplo, supondría 8 435 muertes por agentes químicos de las 351 449 muertes producidas en 1996). En el caso concreto del cáncer, las estimaciones más conservadoras concluyen que, como mínimo, 5% de las muertes totales por cáncer ha sido consecuencia de la exposición a agentes cancerígenos en el puesto de trabajo. ------------- Efectos en las sustancias químicas peligrosas en la salud La producción, uso y liberación de sustancias químicas de carácter peligroso tienen innumerables efectos sobre la salud humana que abarcan desde enfermedades sobre el sistema cardiovascular, inmunológico, respiratorio o nervioso, a diferentes tipos de cáncer e incluso alteraciones en la capacidad reproductiva de los individuos. En lo que se refiere a la salud laboral, las enfermedades causadas por agentes químicos son más acusadas, debido a que se produce una exposición del trabajador o la trabajadora más prolongada, repetida, intensa y/o directa en el puesto de trabajo. En algunas ocasiones puede resultar más complicado relacionar ciertas enfermedades laborales con la exposición a una sustancia específica, debido a la multiplicidad de factores de riesgo tanto en el puesto de trabajo como en la vida cotidiana, al desfase temporal Como se sabe, el cáncer se mantiene como la tercera causa de muerte a nivel nacional, ésta ha crecido de manera alarmante, toda vez que desde el año 2000 pasó de casi 55 mil casos a más de 73 mil. La tasa de mortalidad alcanza 6.25 muertes por cada 10 mil habitantes. En el año 2000 era de 5.67 por cada 10 mil habitantes. Tabasco tiene el trágico primer sitio del país con 8.53 muertes por cada 100 mil habitantes. Estados con mayores muertes por tumores malignos. Lugar Estado Tasa/10 000 hab. 1 Tabasco 8.52 2 Sonora 8.01 3 Distrito Federal 7.26 4 Chihuahua 7.17 5 Veracruz 7.12 Fuente: INEGI y CONAPO (2015) Estados con menores muertes por tumores malignos Lugar Estado Tasa/10 000 hab. 1 Quintana Roo 3.67 2 Tlaxcala 4.78 3 Estado de México 5.05 4 Guerrero 5.12 5 Querétaro 5.28 Fuente: INEGI y CONAPO (2015) 259 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas Instrumentos de evaluación Heteroevaluación Ha llegado la hora de que demuestres realmente cuánto has aprendido, hemos terminado este bloque y ahora ya conoces muchas cosas nuevas. En esta sección encontrarás una heteroevaluación que abarca todo el conocimiento adquirido en este bloque, contéstala lo mejor que puedas. I. Contesta brevemente cada una de las siguientes cuestiones. 1. ¿Qué es una reacción exotérmica? 2. ¿Qué es una reacción endotérmica? 3. ¿Qué se entiende por entalpía de una reacción? 4. Define el concepto de velocidad de reacción. 5. ¿De dónde toman las plantas el dióxido de carbono (CO2)? 6. ¿Para qué utilizan el CO2 los vegetales? 7. ¿Cómo afecta al clima mundial el efecto invernadero? 9. ¿Cuáles son los efectos del dióxido de nitrógeno (NO2) en la salud? 10. ¿Qué significa el término biodegradable? 11. ¿Crees que es adecuado que los desechos domésticos se vacíen en los ríos o en el mar? Justifica tu respuesta. 12. ¿Qué es la lluvia ácida? 13. ¿Qué es el desarrollo sustentable? 14. Escribe cinco sugerencias para mejorar el desarrollo sustentable del país. a) b) c) 8. ¿Qué consecuencias traerá dicho efecto? d) e) 260 Grupo Editorial Patria® II. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la derecha. 1. Las propiedades que dependen de la cantidad de materia, se les da el nombre de: a) físicas b) intensivas c) químicas b) la energía libre c) la entalpía b) propiedad de estado c) función de estado b) abiertos c) homogéneos b) vecindades c) colindancias b) cerrado c) aislado b) aislado c) cerrado b) sistema c) frontera ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) d) homogéneo 8. Cantidad de materia que se separa del resto del universo para su estudio: a) fase ( d) abierto 7. El agua caliente dentro de una botella termo es un ejemplo de sistema: a) abierto ) d) fases 6. Si un sistema sólo permite el intercambio de energía con sus alrededores, se clasifica como: a) homogéneo ( d) aislados 5. A las partes que integran un sistema que poseen propiedades físicas iguales se les llama: a) paredes ) d) propiedad termodinámica 4. Por el número de fases presentes en los sistemas, éstos pueden ser: a) heterogéneos ( d) la temperatura 3. La entalpía es un ejemplo de: a) variable de estado ) d) extensivas 2. Una de las variables de estado, que determina el estado de un sistema es: a) la entropía ( d) etapa 9. ¿Cuál de los siguientes sistemas se encuentra limitado por paredes adiabáticas? a) una botella con refresco helado b) un bote con jugo de naranja frío c) un vaso de poliestireno (unicel) con café caliente d) una tasa de porcelana con café caliente 10. Los catalizadores influyen en un sistema químico: a) alterando la concentración del sistema b) activando o inhibiendo el sistema c) igualando el sistema d) disminuyendo el volumen de reactivos 261 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas III. Relaciona las siguientes columnas colocando dentro del cuadro de la derecha la letra que corresponda a la respuesta correcta. a) Ley de acción de masas b) Catalizador c) Energía de activación d) Ley de Hess e) Entropía f ) Segunda Ley de la termodinámica g) Proceso espontáneo h) Teoría de las colisiones i) Reversible j) Velocidad de reacción k) Tiempo de reacción l) Entalpía m) Ley cero de la termodinámica n) Capacidad calorífica o) Proceso exotérmico p) Primera ley de la termodinámica q) Tercera ley de la termodinámica r) Principio de Le Chatelier s) Irreversible Cuando se produce un cambio a un sistema en equilibrio, éste se desplaza de tal manera que tiende a contrarrestar tal cambio impuesto. A temperatura constante, la velocidad de una reacción es proporcional al producto de las concentraciones molares de los reactivos, elevadas a una potencia idéntica a sus coeficientes estequiométricos. La variación en el contenido calorífico de una reacción química es siempre constante, independiente del número de etapas en el que se verifica. Refiere el grado de desorden molecular de un sistema. El calor no se puede convertir totalmente en trabajo, sin que alguna parte del sistema sufra cambios. El valor de la entalpía de reacción de un proceso termodinámico de carácter negativo. Necesaria para que las moléculas inicien una reacción química. Fundamenta el hecho de que las sustancias reaccionantes chocan entre sí, a nivel molecular, para la formación de productos. Sustancia química que no altera la composición de reactivos y productos en una reacción química, modificando la interacción de las mismas sustancias. Instante en que ocurre una reacción química desde su inicio, hasta su terminación. Cuando dos cuerpos están a igual temperatura que un tercero, están a igual temperatura entre sí. La cantidad de calor que es necesario suministrar a un cuerpo para elevar su temperatura en un grado centígrado. Contenido de calor de un sistema a presión constante. Proceso en el que se libera calor y su valor de ΔH es negativo. Cuando un sistema cambia de un estado inicial a un estado final, la energía total del sistema y sus alrededores debe permanecer constante. La entropía de un sistema sólido cristalino tiende a cero a medida que la temperatura tiende al cero absoluto. Reacción química instantánea en la que los productos se separan como precipitado o en forma gaseosa. Cantidad de sustancia que reacciona y se convierte en producto en la unidad de tiempo. IV. Problemas. 1. Calcula la ΔHR de la reacción para la producción de óxido férrico conociendo los calores de formación (ΔH 0f ) de cada uno de los reactivos y productos de la reacción. FeS2(s) + O2 (g) SO2(g) + Fe2O3 (s) ΔH 0f FeS2(s) 5 148.40 kJ/mol ΔH 0f SO2(g) 5 − 296.44 kJ/mol ΔH 0f Fe2 O3 (s) 5 829.73 kJ/mol 262 ΔH°r = ? kJ 2. Calcula el calor estándar de formación del Fe2O3(s) con base en la ley de Hess y con la siguiente base de datos: Fe2O3(s) + 3 C(s) 2 Fe(s) + 3 CO(g) ΔHr 5 490.78 kJ Fe2O3(s) + C(s) ΔHr 5 156.06 kJ Fe(s) + CO(g) (1) Grupo Editorial Patria® C(s) 1 O2(g) CO2(g) ΔHr 5 − 393.50 kJ CO(g) 1 ½ O2(g) (2) CO2(g) ΔHr 5 2 282.96 kJ (3) 3. Calcula el calor de reacción a partir de los calores de formación para la siguiente reacción e indica si es exotérmica o endotérmica. 2FeO(s) 1 ½ O2(g) Fe2O3(s) ΔHr 5 ? Datos: Sustancia Calor de formación H 0f (kcal/mol) Fe2O3(s) −64.04 O2(g) 0 Fe2O3(s) −196.5 5. Calcula el calor de reacción a partir de los calores de formación para la siguiente reacción e indica si es exotérmica o endotérmica. NaNO3(l) AgNO3(s) 1 NaCl(l) AgCl(s) 1 ΔHr 5 ? Datos: Sustancia Calor de formación H 0f (kcal/mol) AgNO3(s) − 2.8 NaCl – 97.11 AgCl(s) – 30.3 NaNO3(l) − 106.68 4. Calcula el calor de reacción a partir de los calores de formación para la siguiente reacción e indica si es exotérmica o endotérmica. CaO(s) 1 H2O(l) Ca(OH)2(s) ΔHr 5 ? Datos: Sustancia Calor de formación H 0f (kcal/mol) CaO − 151.9 H2O – 106.68 Ca(OH)2(s) − 235.8 263 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas Instrucciones. Evaluación de relación de columnas Relaciona las siguientes columnas sobre entalpía, anotando en el parénteis de la izquierda la letra que corresponda a la oración. Concepto ( ) Sistema abierto a) Cantidad de calor que posee un cuerpo. ( ) Sistema cerrado b) Se mide en un calorímetro. ( ) Entalpía c) Se produce al quemarse una sustancia química. ( ) Entalpía de formación ( ) Entalpía de combustión ( ) Entalpía de reacción ( ) Capacidad calorífica ( ) Su energía cinética es menor g) Se mide en kcal/mol. ( ) Se mueve con mayor energía h) El agua caliente dentro de una botella de termo es un ejemplo de sistema… ( ) Se mide en Joules i) El agua líquida tiene menor entalpía que el agua gaseosa porque… d) Permite el intercambio de masa y energía entre el sistema y sus alrededores. e) No permite el intercambio de masa, pero sí de energía. f) Energía que se desprende de un sistema. Instrucciones. Relaciona las siguientes columnas para evaluar algunos conceptos sobre desarrollo sustentable, anotando en el paréntesis de la izquierda la letra que corresponda a la oración. Concepto ( ) Smog ( ) Sobrecalentamiento global ( )Conservación desarrollo, respeto por los ecosistemas, paz e igualdad social b) Proceso que satisface entre otros factores… ( )Las necesidades económicas y ambientales de una comunidad c) Son indicadores que evalúan un proyecto de desarrollo sustentable. ( )Perjudica el desarrollo sustentable alternativo al medio ambiente d) Lluvia ácida. ( )Económico, social y ecológico ( )Compuesto orgánicos persistentes (POP) ( )Compuestos organoclorados (PCB) ( )Metales pesados ( )Mayor contaminación 264 a) Son componentes del desarrollo sustentable. e) Efecto invernadero. f) Las sustancias químicas que perjudican el medio ambiente, incluyen a…. g) El cambio climático provoca… Grupo Editorial Patria® Lista de cotejo Lista de cotejo para las Actividades de aprendizaje de las páginas 248 y 252. Nombre del estudiante: Fecha: Actividades de aprendizaje para realizar durante la clase. Indicadores Sí No Observaciones 1. Indica correctamente el ejemplo sobre una reacción exotérmica. 2. Fundamenta su respuesta con elementos teóricos y prácticos. 3. Calcula correctamente el calor de una reacción. 4. Considera al pie de la letra los datos que se le proporcionan para realizar cálculos. 5. Indica correctamente a qué se debe el incremento en la concentración de los productos. 6. Demuestra buen manejo de los contenidos del tema. 7. Relaciona las actividades con los ejemplos que se han visto en clase. 8. Proporciona explicaciones claras sobre sus respuestas. 9.Comenta sus dudas y pregunta al profesor/a. 10. Comparte con sus compañeros/as sus respuestas y las retroalimenta. 11. Ayuda a sus compañeros/as a contestar correctamente las preguntas. 12. La redacción de las respuestas es adecuada y hay concordancia gramatical. 13. No tiene errores de ortografía. 14. Está limpio su trabajo (no tiene tachaduras, ni borrones). 15. Utiliza una estrategia efectiva para resolver cada pregunta. 16. Todas las actividades las respondió durante la clase. Sugerencias generales: Revisado por (nombre y firma): 265 8 BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas Guía de observación Guía de observación para la Actividad experimental de la página 249. Fecha: Hora inicio: Hora final: Equipo: Tema: Propósito: Registrar el desempeño que tienen los estudiantes durante el experimento. Criterio/Conducta observable 1. Tienen claro el propósito del experimento. 2. Toman en cuenta los conceptos teóricos que se desarrollaron en clase. 3. Realizan correctamente los cuatro pasos que se establecen en el procedimiento. 4. Utilizan los materiales y sustancias con base en las indicaciones establecidas. 5. Son cuidadosos al manejar los materiales. 6. Observan cuidadosamente el grado de corrosión de los metales en sus diferentes condiciones. 7. Registraron sus observaciones de acuerdo con las necesidades del experimento. 8. Sus anotaciones son acordes a cada tubo de ensayo. 9. Son correctas todas las respuestas del cuestionario. 10. Anotan a detalle el por qué varían los resultados de los tres tubos de ensayo. 11. Responden con facilidad los cuestionamientos realizados por sus compañeros/as o por su profesor/a. 12. Todas las respuestas son claras y congruentes. 13. No tienen dudas al describir los resultados obtenidos. 14. Aclaran dudas y retroalimentan los trabajos de sus compañeros/as. 15. Emiten comentarios de acuerdo con los resultados del experimento y lo relacionaron con bases teóricas. 16. Todos los integrantes participan durante el experimento. 17. Todos elaboran el informe escrito y lo presentan ante el grupo. 18. Presentan sus conclusiones al grupo. 19. Lograron el propósito del experimento. 20. Muestran un claro aprendizaje significativo y lo manifiestan en su participación. Comentarios generales: Revisado por (nombre y firma): 266 ¿Cumplen? Sí No Observaciones Grupo Editorial Patria® Autoevaluación La Autoevaluación es una estrategia que te permite conocer y valorar tu progreso en el proceso de aprendizaje, también te ayuda a profundizar en gran medida en el autoconocimiento y comprensión de una actividad . Marca con una O la respuesta. Autoevaluación Nombre del estudiante: Tiempo asignado: Núm. Fecha: Actitud 1. Leí correctamente todas las indicaciones. 2. Atendí cada una de las instrucciones. 3. Realicé todas las actividades que se solicitaron. 4. Entregué en tiempo y forma todo lo que se solicitó. 5. Busqué en medios electrónicos la información solicitada. 6. Logré hacer todo lo que pidieron en las actividades. 7. Me gustaron todas las actividades. 8. Escribí sin faltas de ortografía 9. Expresé mis ideas con claridad 10. Demostré que comprendí la lectura Puntuación máxima: Logrado. Sí No 10 Puntuación obtenida: Comentarios: 267 Glosario Ángulo de enlace. Ángulo que se forma entre los átomos de una molécula. Electrón. Partícula subatómica que representa la unidad de carga negativa. Anión. Ion negativo. Electrón diferencial. Es aquel que entra al final en el átomo, le asigna su lugar en la tabla periódica y distingue a cada elemento. Átomo. Partícula más pequeña de un elemento que posee todas las propiedades de ese elemento. Átomo de Bohr. Átomo planetario. Electrones libres. Electrones que no están ligados a un átomo o asociados con un enlace. Binario. Compuesto que contiene dos elementos. Electronegatividad. La atracción relativa de un átomo por un par de electrones compartidos. Calor. Flujo de energía de un cuerpo de mayor temperatura hacia uno de menor temperatura. Elemento. Sustancia cuyos átomos tienen todos el mismo número de protones en el núcleo. Cambios de estado. Transformaciones de la materia de sólida, líquida o gaseosa. Elemento de transición. Elemento cuyo electrón de más alta energía se encuentra en un subnivel d. Catión. Ion positivo. Elemento sintético. Elemento que no existe en la naturaleza y que se produce por medio de reacciones nucleares. Combustión. Tipo particular de oxidación, en la cual las sustancias se combinan con el oxígeno produciendo luz y calor. Configuración electrónica. Descripción de todos los niveles y subniveles de energía ocupados por los electrones en un átomo. Contaminación. Alteración nociva del ambiente causada por residuos de la actividad humana. Cuanto. “Paquete” discreto de energía. Descomposición. Reacción en la cual un compuesto se divide en dos o más sustancias sencillas. Desplazamiento doble. Reacción en la cual la parte positiva de un compuesto se combina con la parte negativa de otro y viceversa. Desplazamiento simple. Reacción en la cual un elemento reemplaza a otro en un compuesto. Ecuación. Representación abreviada de un cambio químico utilizando símbolos y fórmulas. Efecto fotoeléctrico. Emisión de electrones de una superficie de un metal al exponerlo a la luz. 268 Energía de ionización. La energía requerida para remover un electrón de un átomo. Enlace. Fuerza que mantiene unidos a los átomos en un compuesto. Enlace covalente. Enlace que se caracteriza por un par de electrones compartidos. Enlace covalente coordinado. Enlace covalente en el que los electrones del par compartido son donados por el mismo átomo. Enlace covalente polar. Par de electrones compartidos que son atraídos más fuertemente por uno de los átomos. Enlace doble. Enlace covalente en el cual dos átomos comparten dos pares de electrones. Enlace iónico. Atracción electrostática entre iones de cargas opuestas. Enlace metálico. Fuerza que mantiene unidos a los átomos de los metales y que se caracteriza por tener electrones móviles o deslocalizados. Grupo Editorial Patria® Enlace triple. Enlace covalente en el cual dos átomos comparten tres pares de electrones. Ley periódica. Las propiedades de los elementos son una función periódica de sus números atómicos. Espectro. Conjunto de longitudes de onda absorbidas o emitidas por una sustancia. Longitud de enlace. Distancia intermolecular entre dos átomos enlazados. Espín. Propiedad de las partículas subatómicas que corresponde mejor a nuestro concepto de rotación sobre el propio eje. Maleabilidad. La propiedad de una sustancia que hace que pueda ser moldeada en láminas delgadas. Familia. Una columna vertical de la tabla periódica. Masa atómica. Masa promedio de los átomos de un elemento. Fotón. Un cuanto. Masa de fórmula. Suma de las masas atómicas de los átomos en una fórmula. Frecuencia. Número de ciclos de onda completos por unidad de tiempo. Mesón. Una partícula subatómica clasificada como un hadrón. Fuerza intermolecular. Fuerza que mantiene a las moléculas unidas. Metal. Un elemento que tiende a perder electrones en las reacciones químicas. Gas noble. Cualquiera de los elementos del grupo VIIIA (18) de la tabla periódica. Metal alcalino. Un elemento del grupo IA (1) de la tabla periódica. Gluón. Partícula teórica sin masa, intercambiada por los quarks. Metal alcalinotérreo. Elemento del grupo IIA (2) de la tabla periódica. Grupo. Los miembros de una columna vertical en la tabla periódica. Hadrones. Tipo de partículas subatómicas pesadas. Hertz. Unidad de frecuencia igual a un ciclo por segundo. Hidrácidos. Sustancias que resultan de la combinación del hidrógeno con un no metal. Metaloide. Elemento que posee propiedades características de los metales y de los no metales. Molécula. Partícula neutra constituida por dos o más átomos unidos covalentemente. Hidróxidos. Se producen al reaccionar los óxidos metálicos con el agua o el metal con agua. Naturaleza dual onda-partícula. Propiedad que consiste en que las partículas se comportan como ondas y las ondas como par­ tículas. Hidruro. Compuesto que resulta al combinarse un metal con el hidrógeno. Neutrino. Una partícula neutra que complementa el balance de energía. Higroscópico. Que absorbe agua del aire. Neutrón. Partícula sin carga que se encuentra en los núcleos de los átomos, que tiene una masa aproximadamente igual a la del protón. Hipótesis de Louis de Broglie. Las partículas pueden tener propiedades de ondas. Ion. Partícula cargada eléctricamente. Isótopos. Dos o más átomos de un elemento que tienen el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. Lantánido. Elemento cuyo electrón de más alta energía se encuentra en el subnivel 4f. Leptones. Clase de partículas subatómicas livianas. Nivel energético. Cantidad específica de energía o grupo de energías que pueden poseer los electrones de un átomo. Nube electrónica. Espacio ocupado efectivamente por un electrón en un átomo. Nucleón. Partícula que se encuentra en el núcleo de un átomo. Un protón o un neutrón. Número atómico. Número de protones en el núcleo de un átomo. 269 Glosario Número cuántico. Número que describe una de las propiedades de un electrón en un átomo. Número cuántico principal. Valor de “n” en la ecuación de Schröedinger. Número de masa. Número de nucleones en un átomo (protones más neutrones). Número de oxidación. La carga de un átomo luego de asignar los electrones en el compuesto, según las reglas ya establecidas. Orbital. Espacio que pueden ocupar 1 o 2 electrones que estén en el mismo nivel y subnivel energético y con igual orientación espacial. Oxiácidos. Compuestos que contienen en su molécula el hidrógeno, un no metal y el oxígeno. Óxidos metálicos. Sustancias que resultan de la combinación del oxígeno con los metales. Son óxidos básicos. Óxidos no metálicos. También son llamados anhídridos. Se obtienen al combinar un no metal con el oxígeno. Oxisales. Compuestos que contienen en su molécula un metal, un no metal y el oxígeno. Partícula alfa. Núcleo de helio cargado positivamente. Partícula beta. Partícula nuclear con carga (–) general. Periodo. Una fila horizontal de la tabla periódica. Polaridad. Distribución asimétrica de la carga. Puente de hidrógeno. Interacción dipolo-dipolo excepcionalmente fuerte debida a la región intensamente positiva en las moléculas donde el hidrógeno está enlazado a un átomo muy electroatrayente (N, O, F). Quark. Partícula teórica que se cree que es un constituyente del hadrón. Reacción química. Un cambio químico. Reactivo. Una sustancia que sufre un cambio químico. Radio atómico. El radio de un átomo sin considerar los átomos circundantes. Rayos catódicos. Haz de electrones en un tubo de descargas de gas. Rayos gamma. Emisiones de energía que poseen una frecuencia muy alta y una longitud de onda muy pequeña. Regla del octeto. Tendencia de los átomos a reaccionar de forma que adquieren ocho electrones en su capa exterior. La última capa del helio se completa con dos. Sales ácidas. Compuestos que se obtienen al reaccionar un ácido fuerte con una base débil. Sales binarias. Compuestos que resultan al unir un metal con un no metal. Serie de los actínidos. Los 14 elementos que comienzan con el actinio, de los cuales, la regla diagonal predice que el electrón de más alta energía está en subnivel 5f. Positrón. Partícula subatómica idéntica a un electrón, excepto que posee una carga positiva. Subnivel. Subdivisión de un nivel energético. Precipitado. Sólido que se produce en una reacción que se lleva a cabo en disolución. Tabla periódica. Arreglo gráfico de los elementos basado en sus configuraciones electrónicas. Primera energía de ionización. La energía necesaria para remover el electrón más levemente unido a un átomo. Teoría atómica. Conjunto de conocimientos relacionados con la existencia de los átomos y sus estructuras. Producto. Sustancia resultante de la combinación o descomposición de otras. Unidad de masa atómica. Doceava parte de la masa de un átomo de carbono 12. Protón. Partícula positiva que se encuentra en el núcleo y tiene una masa de aproximadamente una unidad de masa atómica. Valencia. La carga eléctrica de un átomo según el grupo al que pertenece en la tabla periódica. 270 Grupo Editorial Patria® Bibliografía Bettelheim, Frederick, et. al. Introduction to General, Organic and Biochemistry, Eight Edition. Edit Thomson. usa, 2007. Chang, Raymond, Química, 7a Español México. Ed. McGraw-Hill. México, 2002. Dalmau, J.F., M. Pérez, J. Satoca, Química 1, Bachillerato, Edit. Anaya, 2003. Garritz, A., Tú y la química, México. Pearson Educación, 2001. Hein, M., Fundamentos de química, 12a Ed. Cengag. México, 2009. Ramírez, R. Victor, Química I y II, Grupo Editorial Patria, 1a Reimpresión. México, 2007. Ramírez, R. Victor, Química II, 1a. Edición. Edit. Publicaciones Cultural. México, 2005. Ramírez, R. Victor, Química general, 1a Ed. Grupo Editorial Patria, México, 2011. 271 Direcciones electrónicas http://www.caminantes.metropologlobal.com/web/quimica/esteq.htlm http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/iescobedo/lab03.html http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/defcap.lhtlmmateria http://www.csu.edu.au/education/library.htlm http://www.Ralaxy.einet.net/galaxy/community/education.htlm http://www.yahoo.com/education http://wwwspacelink.mscf.nasa.Rov http://jchermed.chem.wise.edu. www.fquim.unam.mx/eq/ http://www.campus-oei.org/salactsi http://www.carnpus-oei-orfi/ revista http://www.eneq.edu.mx http://www.recursosacademicosenlinea-gep.com.mx 272 # # 273 274 DGB Víctor Manuel Ramírez Regalado Serie integral por competencias Ramírez Química 1 C M Y CM CY CMY K Quienes han usado y conocen las versiones anteriores de esta Serie, saben que cuenta con numerosas y bien diseñadas secciones que facilitan la comprensión de los temas, el aprendizaje y la labor docente. En esta Serie encontrarás: • Situaciones y secuencias didácticas • Lecturas • Actividades de aprendizaje • Actividades que fomentan el uso de las TIC • Portafolio de evidencias • Instrumentos de evaluación (exámenes, autoevaluaciones, coevaluaciones, heteroevaluaciones, listas de cotejo, rúbricas y guías de observación) En esta edición incluimos un mejor diseño, que resulta atractivo y práctico tanto para los estudiantes como para los maestros, así como referencias a nuestras nuevas herramientas pedagógicas: guías académicas y estrategias docentes. Para esta Serie preparamos el Sistema de Aprendizaje en Línea (SALI), herramienta de apoyo para docentes y alumnos, la cual está diseñada para facilitar el aprendizaje. Se trata de un Learning Management System (LMS) que permite aprender a través de video, audio, documentos, bancos de exámenes y reactivos. Contamos con cientos de objetos de aprendizaje y nuestra meta es ir creciendo día a día. Química 1 MY Esta obra forma parte de la Serie Integral por competencias, que Grupo Editorial Patria ha creado con la colaboración de expertos pedagogos para cumplir con los objetivos marcados en los planes de estudios de la Dirección General de Bachillerato (DGB) de la Secretaría de Educación Pública (SEP). Nuestros autores, que cuentan con gran experiencia docente y una trayectoria destacada han creado contenidos actuales y significativos para cada materia. Por nuestra parte, los editores hemos plasmado todos nuestros conocimientos y experiencia en el desarrollo de estos libros, así como en los materiales de apoyo y tecnológicos. Química Los invitamos a conocer más de nuestra Serie y de SALI. Grupo Editorial Patria Grupo Editorial Patria www.editorialpatria.com.mx Sistema de aprendizaje en línea www.sali.org.mx 4 978-607-744-330-8 1
