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BACHILLERATO
Química 1 Víctor Manuel Mora González
DESARROLLA COMPETENCIAS
Esta caricatura es la interpretación del artista Andrés Ramírez acerca de la química. Con ella comenzamos aplicando uno de los objetivos del enfoque por competencias: la sensibilidad al arte, de manera tal que puedas establecer, desde la primera página, una relación creativa entre tú y el significado de esta materia.
QUÍMICA 1
Mora González, Víctor Manuel Química l : bachillerato: desarrolla competencias / Víctor Manuel Mora González; il. Miguel Cabrera. -- 3a ed. -- México: ST Editorial, 2012. 248 p.: il.; 28 cm. + 1 CD-ROM (12 cm.). -- (Colección bachillerato) Bibliografía: p. 243 ISBN 978 607 508 013 0 1. Química – Estudio y enseñanza (Superior) – Instrucción programada. 2. Química – Problemas, ejercicios, etc. I. Cabrera, Miguel, il. II. t. III. Ser. 540-scdd20
Biblioteca Nacional de México
ST Distribución, S.A. de C.V. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, registro número 3342. © Derechos reservados 2012 Primera edición: Estado de México, agosto de 2009 Segunda edición: Estado de México, mayo de 2010 Tercera edición: México, DF, julio de 2011 Primera reimpresión de la tercera edición: México, DF, junio de 2012 © 2012, Víctor Manuel Mora González ISBN: 978 607 508 013 0
Presidente: Alonso Trejos Director general: Joaquín Trejos Publisher: Giorgos Katsavavakis Coordinadora editorial: Lilia Villanueva Edición: Alfredo López Director de arte: Miguel Cabrera Coordinadora de producción: Daniela Hernández Diagramación: Raquel Fernández Portada e ilustraciones: Monfa Asistentes de producción: Milagro Trejos y Alicia Pedral Fotografías: Stockxchange, archivo ST Editorial Prohibida la reproducción total o parcial de este libro en cualquier medio sin permiso escrito de la editorial. Impreso en México. Printed in Mexico. Química1, de Víctor Manuel Mora González, se terminó de imprimir en junio de 2012 en los talleres de Edamsa Impresiones S.A. de C.V., con domicilio en Av. Hidalgo #111, colonia Fraccionamiento San Nicolás Tolentino, Delegación Iztapalapa, 09850 México, DF
Así como el cubo de Rubik está conformado por piezas de diferentes colores, en la naturaleza, elementos de diversas propiedades se unen para formar compuestos que son vitales para los procesos biológicos. La química ha contribuido también a la fabricación de un sinnúmero de productos que utilizamos cotidianamente. Sin embargo, hay que aprender a utilizar las herramientas que nos brinda esta ciencia con gran responsabilidad, para evitar causar daños al medio ambiente y a los seres vivos.
PRESENTACIÓN s%PISTEMOLGICONIVELDESABERQUESEDESEAOBTENERENLOS estudiantes (comprensivo y reflexivo).
La química es considerada por muchos como la “ciencia central”, ya que cualquier objeto o fenómeno que aparezca o se produzca en nuestro entorno muestra, de una u otra forma, la participación de esta ciencia. La comprensión de la composición, estructura y las transformaciones de la materia, su interrelación con la energía, así como las leyes que regulan tales transformaciones, constituyen el campo de estudio de la química. A través de dichos fenómenos podemos obtener una explicación coherente sobre la realidad y adquirir, al mismo tiempo, nuevos conocimientos.
s$IDÖCTICOTIPODEACTIVIDADESDISE®ADASPEDAGOG¤ACONS tructivista). Este enfoque permite a los estudiantes identificar problemas de su entorno inmediato y reflexionar sobre posibles soluciones a estos, siempre con una postura valorativa, crítica y comprensiva. La forma en que se desarrollan los contenidos permite a los estudiantes identificarse con los temas y propiciar el conocimiento, la tolerancia y el respeto hacia la diversidad, en todas sus manifestaciones. Las actividades de lectura, las imágenes, las actividades –individuales y grupales–, los glosarios, los mapas conceptuales, las evaluaciones, los infográficos, la relación que se establece con otras ramas del conocimiento, el vínculo con distintas actividades artísticas, las reflexiones y el desarrollo tanto de conocimientos y habilidades, como de actitudes y valores, permitirán a los estudiantes tener en sus manos, más que un libro de texto, una herramienta didáctica de gran utilidad para el estudio y la comprensión de la química.
Estos son algunos de los aspectos que aborda el libro Química 1, estructurado en ocho bloques, tal como vienen expresados en el programa de estudios de esta materia, que corresponde al primer semestre de la Reforma Integral de la Educación Media Superior (RIEMS) de la Dirección General de Bachillerato (DGB). Por lo tanto, al igual que se señala en el programa, cada bloque se desarrolla bajo el enfoque de las competencias indicadas. El libro se compone de varias secciones que facilitan la labor del docente en el aula y fomentan la adquisición de competencias en los alumnos. Además, posee un enfoque teórico, metodológico y pedagógico constructivista, con un manejo adecuado de los niveles de enseñanza:
De antemano, se agradece cualquier comentario o sugerencia por parte de los lectores que sirva para mejorar esta obra; se pueden enviar al autor a la siguiente dirección electrónica:
[email protected]
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Al2O3 Al2O3
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CONTENIDO Presentación Conoce tu libro Reconoce tus competencias ¿Cómo implementar en el aula el desarrollo de proyectos? ¿Cómo evaluar bajo el enfoque de competencias?
3 6 8 10 11
BLOQUE 1 Reconoces a la química como una herramienta para la vida Para comenzar...
15
Reto
17
TEMA 1. LA QUÍMICA La química y otras ciencias
19 22
TEMA 2. EL MÉTODO CIENTÍFICO Y SUS APLICACIONES Identificación de problemas y formulación de preguntas de carácter científico Planteamiento de la hipótesis Obtención y registro de información Experimentación Contrastación de resultados Comunicación de resultados
27 29 29 30 30 31 31
Evaluación sumativa
33
Eugen Goldstein. El protón y los rayos canales Niels Bohr. Número cuántico n Arnold Sommerfeld. Número cuántico l Paul Dirac-Ernst Jordan Partículas subatómicas
79 79 80 80 81
TEMA 2. CONCEPTOS BÁSICOS: NÚMERO ATÓMICO, MASA ATÓMICA Y NÚMERO DE MASA Número atómico Masa atómica Número de masa
82 82 82 83
TEMA 3. CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS Y NÚMEROS CUÁNTICOS Orbitales atómicos Reglas para elaborar configuraciones electrónicas Principio de edificación progresiva Principio de exclusión de Pauli Regla de Hund
85 88 90 90 92 92
TEMA 4. LOS ISÓTOPOS Y SUS APLICACIONES Conoce algunos isótopos radiactivos
94 95
Evaluación sumativa
98
BLOQUE 4
BLOQUE 2
Interpretas la tabla periódica
Comprendes la interrelación de la materia y la energía
Para comenzar...
103
Reto
105
Para comenzar...
39
Reto
41
TEMA 1. LA MATERIA: PROPIEDADES Y CAMBIOS Características y manifestaciones de la materia Propiedades de la materia Estados de agregación de la materia Cambios de estado Características de los cambios físicos, químicos y nucleares de la materia
43 44 46 49 50
TEMA 2. LA ENERGÍA Y SU INTERRELACIÓN CON LA MATERIA Tipos de energía Beneficios y riesgos en el consumo de energía Energías limpias o no contaminantes
54 55 56 57
Evaluación sumativa
61
51
BLOQUE 3 Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones
TEMA 1. LOS ELEMENTOS QUÍMICOS
107
TEMA 2. GRUPO, PERIODO Y BLOQUE Bloques s, p, d y f
110 112
TEMA 3. PROPIEDADES PERIÓDICAS Y SU VARIACIÓN EN LA TABLA PERIÓDICA Electronegatividad Energía de ionización Afinidad electrónica Radio atómico Volumen atómico
115 115 115 117 118 119
TEMA 4. UTILIDAD E IMPORTANCIA DE LOS METALES Y NO METALES PARA LA VIDA SOCIOECONÓMICA DEL PAÍS Y DEL MUNDO Utilidad e importancia socioeconómica en México
120 121
Evaluación sumativa
124
BLOQUE 5
Para comenzar...
67
Reto
69
TEMA 1. MODELOS ATÓMICOS Y PARTÍCULAS SUBATÓMICAS John Dalton. Ley de las proporciones múltiples Joseph J. Thomson. El electrón y el modelo atómico Ernest Rutherford. El modelo atómico James Chadwick. El neutrón
71 72 74 75 77
Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Para comenzar...
129
Reto
131
TEMA 1. ENLACE QUÍMICO Y REGLA DEL OCTETO Regla del octeto Estructuras de Lewis
133 134 134
TEMA 2. FORMACIÓN Y PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS CON ENLACE IÓNICO Propiedades de los compuestos iónicos
136 138
TEMA 3. FORMACIÓN Y PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS CON ENLACE COVALENTE (TIPOS DE ENLACE COVALENTE) Estructuras de Lewis para compuestos covalentes Geometría molecular y polaridad Propiedades de los compuestos covalentes
139 141 143 144
TEMA 4. ENLACE METÁLICO Teorías sobre el enlace metálico Características derivadas del enlace metálico La corrosión de los metales
146 146 147 147
TEMA 5. FUERZAS INTERMOLECULARES Fuerzas de dispersión o fuerzas de London Dipolo-dipolo Dipolo-dipolo inducido
149 149 150 150
TEMA 6. PUENTE DE HIDRÓGENO Características del agua Otros compuestos de importancia biológica
151 151 152
Evaluación sumativa
154
BLOQUE 6 Manejas la nomenclatura química inorgánica
TEMA 2. TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS Síntesis o adición Descomposición o análisis Sustitución o desplazamiento simple Sustitución o desplazamiento doble
190 190 191 191 191
TEMA 3. BALANCEO DE ECUACIONES QUÍMICAS Aproximaciones (método de tanteo) Método de óxido-reducción
193 193 195
TEMA 4. OXIDACIÓN Y REDUCCIÓN, AGENTE REDUCTOR, AGENTE OXIDANTE Y NÚMERO DE OXIDACIÓN Método algebraico para balancear ecuaciones
197 200
Evaluación sumativa
203
BLOQUE 8 Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas Para comenzar...
209
Reto
211
TEMA 1. ENTALPÍA DE REACCIÓN Y ENTALPÍA DE FORMACIÓN Entalpía de reacción Entalpía de formación
213 214 214
TEMA 2. REACCIONES QUÍMICAS ENDOTÉRMICAS Y EXOTÉRMICAS
217
Para comenzar...
159
Reto
161
TEMA 3. VELOCIDAD DE REACCIÓN Teoría de colisiones Factores que modifican la velocidad de reacción
220 221 222
163 163
TEMA 4. DESARROLLO SUSTENTABLE Riesgos de la ciencia y la tecnología
225 227
Evaluación sumativa
229
TEMA 1. REGLAS DE LA IUPAC (UIQPA) PARA ESCRIBIR FÓRMULAS Y NOMBRES DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS INORGÁNICOS Símbolos y fórmulas químicas Nomenclatura química para los diversos grupos de compuestos Moléculas simples Compuestos binarios: óxidos metálicos y no metálicos, sales binarias e hidruros Compuestos poliatómicos: oxiácidos, oxisales e hidróxidos Reglas de la nomenclatura UIQPA para nombrar compuestos inorgánicos Manejo y almacenamiento de sustancias peligrosas Evaluación sumativa
166 166 166 170 172 176 178
BLOQUE 7 Representas y operas reacciones químicas Para comenzar...
183
Reto
185
TEMA 1. SÍMBOLOS EN LAS ECUACIONES QUÍMICAS Las ecuaciones químicas y la ley de la conservación de la materia
187 188
SECCIÓN FINAL Prácticas de laboratorio Evaluación final Para terminar. Autoevalúa tus competencias Fuentes consultadas Estudio eficaz Tabla periódica de los elementos químicos
231 236 242 243 244 248
CONOCE TU LIBRO Como apoyo al texto principal, el libro contiene una serie de secciones complementarias que le dan un valor agregado y que cumplen con el enfoque de competencias. RECONOCE TUS COMPETENCIAS Las competencias son capacidades que una persona desarrolla en forma gradual durante el proceso educativo, que incluyen conocimientos, habilidades, actitudes y valores, en forma integrada, para dar satisfacción a las necesidades individuales, académicas, laborales y profesionales. Existen principalmente tres tipos de competencias: genéricas, disciplinares y laborales.
Las competencias genéricas le permiten al individuo comprender el mundo, aprender a vivir en él y aportar lo propio para transformarlo en niveles superiores. Por su parte, las competencias disciplinares engloban los requerimientos básicos –conocimientos, habilidades, destrezas y actitudes–quesenecesitanencadacampo
Reconoce tus competencias
COMPETENCIAS DISCIPLINARES
disciplinar, para que los estudiantes puedan aplicarlos en diferentes contextos y situaciones en su vida.
A continuación se muestran las competencias disciplinares básicas del campo de las ciencias experimentales que deben manejarse en esta materia, como lo señala el programa de estudios.
Estas competencias se podrán entretejer más adelante con las competencias laborales, para conformar un todo armónico que le da pleno sentido al proceso educativo.
Se explica de forma resumida el significado de las competencias y se muestran algunos ejemplos de este libro donde se aplican las once competencias genéricas y las competencias disciplinares respectivas.
COMPETENCIAS GENÉRICAS A continuación se muestran algunos ejemplos de este libro donde se aplican las once competencias genéricas.
B1 / p. 22 (actividad individual)
B2 / p. 40 (Actitudes y valores)
1
B1 / p. 16 (Actitudes y valores)
B8 / p. 226 (actividad grupal)
1
1
B4 / p. 123 (ejercicio 4)
2
1
Conocerse, valorarse y abordar los problemas y retos a partir de objetivos.
Ser sensible al arte, apreciarlo e interpretarlo en todas sus expresiones.
B4 / p. 109 (actividad individual)
3
1
Elegir y practicar estilos de vida saludables.
B3 / p. 96 (ejercicio 1 de Lee)
5
1
Desarrollar innovaciones y proponer soluciones a problemas a partir de un método seleccionado.
4
1
B6 / p. 167 (actividad grupal)
B8 / p. 226 (actividad de Lee)
8
1
B4 / p. 103 (ejericicio I)
1
Participar con una conciencia cívica y ética en la vida de la comunidad, de la región, de México y el mundo.
CH4
1
B8 / p. 226 (actividad individual)
10
Mantener una actitud respetuosa hacia la diversidad de culturas, creencias, valores, ideas y prácticas sociales de otras personas.
CH4
CO2
B3 / p. 84 (ejemplo 1)
11
1
1
Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.
B6 / p. 174 (Infográfico “Pictogramas...”)
B8 / p. 220 (Infográfico 2)
B2 / p. 60 (actividad grupal)
Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.
Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nociones científicas.
Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece.
1
1
Bloque 1 Reconoces a la química como una herramienta para la vida
1
Desempeños del estudiante
Competencias a desarrollar
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Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
Bloque 4
Bloque 5
Bloque 6
Bloque 7
Reconoces a la química como una herramienta para la vidado
Comprendes la interrelación de la materia y la energía
Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones
Interpretas la tabla periódica
Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares
Manejas la nomenclatura química inorgánica
Representas y operas reacciones químicas
Continúa...
CH4 CO2
CH4
CH4
B7 / p. 189 (El mundo que te rodea)
Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.
1
1
Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.
Contribuir al desarrollo sustentable del medio ambiente, de manera crítica y con acciones responsables.
CH4
CO2
B5 / p. 138 (ejericicio 4)
1
Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.
Es una lista de las competencias genéricas con algunos de sus atributos que se busca que los alumnos desarrollen en cada bloque.
7
1
CO2
CO2
B4 / p. 114 (actividad grupal)
1
Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas.
Competencias a desarrollar
Aprender por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida.
B2 / p. 48 (ejercicio 3)
9
1
Participar y colaborar de manera efectiva en trabajos de equipo.
B3 / p. 73 (actividad grupal)
6
Mantener una postura personal sobre temas de interés y considerar otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva.
1
Escuchar, interpretar y emitir mensajes pertinentes en distintos contextos, mediante la utilización de herramientas y medios apropiados.
B6 / p. 175 (ejercicio 2)
1
Sección final / p. 230 (Prácticas de laboratorio)
Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.
1
Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.
Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o un experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. B1 / p. 32 (actividad de Lee)
B1 / p. 31 (actividad grupal)
Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.
1
Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.
CO2 CO2
CO2 CO2
CO2
CH4
CH4
CO2
CO2
CH4
CO2
CH4
CH4
CO2
CO2
CO2
CH4
CH4
CO2
CH4
CH4
CH4
CO2
CH4 CH4
CH4
CH4
Si ba
CO2 CO2
CH4
CO2
CH4
CH4
CO2 CO2
CO2
CH4
CO2
CH4
CO2
CO2
CO2 CH4
CO2
Para comenzar...
CO2
Tema 1
Tema 2
La materia: propiedades y cambios
La energía y su interrelación con la materia
Actividad de apertura
Una gran parte de la materia con la que diariamente tenemos contacto se convierte en basura, y esta acarrea serios problemas para el ambiente. ¿Has reflexionado acerca de cuánta basura se genera en la escuela y en tu casa? ¿Cómo podrías tú evitar tanta generación de basura?
Según la Real Academia de la Lengua Española la primera acepción de la definición de materia es: “Realidad primaria de la que están hechas las cosas”, y la segunda: “Realidad espacial y perceptible por los sentidos, que, con la energía, constituye el mundo físico”. Ambas, como es lógico, son correctas, pero a los efectos del estudio de la química, nosotros definiremos la materia como aquello que ocupa un lugar en el espacio y posee los atributos de gravedad e inercia. Como ya conoces, la materia está presente en todo el universo, ¿pero te has preguntado cómo surgió? ¿Ha existido siempre en la forma en que actualmente la conocemos? Afirman los astrónomos que hace 13 500 o 15 500 millones de años no existían ni el tiempo
Al comienzo del tema, se incluye una actividad en la cual el estudiante reflexionará acerca de su realidad y su entorno.
ni el espacio, y lo que hoy denominamos materia y energía se encontraban concentradas en un punto del espacio tremendamente denso y a una temperatura inimaginable. La Gran Explosión,
también conocida como Big Bang, dio inicio al universo. En aquel momento se liberaron cantidades enormes de materia y energía que dieron origen a las galaxias, estrellas y planetas. A través de varios millones de años, la materia se ha organizado para obtener un ambiente propicio para el surgimiento de la vida. Todo cuanto existe en el universo está hecho de materia, pero no toda la materia se presenta de la misma forma. Los estados en que se encuentra pueden ser: sólido, líquido, gas o plasma.
Inercia. Tendencia de un cuerpo a conservar su estado de reposo o movimiento. Temperatura. Medida de la energía cinética promedio de las moléculas de un cuerpo.
Glosario 43
st-editorial.com
Desempeños del estudiante
Secuencia de los bloques
Consiste en una breve lista que enuncia los desempeños que el alumno deberá ser capaz de cumplir al finalizar cada bloque.
Se incluyen todos los bloques del libro y se destaca gráficamente el que se estudiará.
Glosario Actividades de enseñanza
Se incluye la definición de términos relevantes que aparecen en cada página.
Se agregan actividades de enseñanza que el docente puede emplear para abordar cada uno de los temas que aparecen en el programa de estudios.
Introducción al bloque, mapa conceptual y objetos de aprendizaje
Introducción
E Objetos de aprendizaje La química. El método científico y sus aplicaciones.
l primer bloque del curso de Química 1 lleva por título “Identificas a la química como una herramienta para la vida”, y su intención, tal como su nombre lo indica, es ayudarte
a comprender que esta ciencia no es una asignatura aburrida y pesada que deberás llevar por fuerza en el bachillerato, sino más bien es la puerta de entrada al mundo de las ciencias experimentales que tratan de indagar el funcionamiento de los fenómenos que vemos y, a partir de tales explicaciones, lograr construir una sociedad con mayores y mejores niveles de vida, cuidando el medio ambiente para dejar un legado a las siguientes generaciones, convirtiéndose así en una herramienta para la vida. Podrás ver todos estos temas en el siguiente mapa conceptual.
Actividades de enseñanza
Para comenzar... Para que puedas comprender los temas de este bloque, es necesario que rescates las competencias (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que ya has adquirido a lo largo de tu vida. Haz tu mejor esfuerzo para responder y detecta aquellos aspectos que no conoces o dominas para enfocar tu estudio.
Conocimientos I. En la historia de la química se han distinguido diversos descubridores y científicos por las aportaciones que han realizado. Trata de relacionar al personaje con su aportación correspondiente.
Se incluyen un texto introductorio con una breve explicación de lo que se estudiará y un mapa conceptual con los temas más importantes del bloque. Además, se agregan los objetos de apendizaje que se cubrirán a lo largo del desarrollo de cada bloque.
Identificas a la química como una herramienta para la vida
1.
Diseñó un experimento para probar la existencia del núcleo atómico.
2.
Construyó la primera clasificación periódica de los elementos químicos.
3.
Creó una teoría sobre la acidez o basicidad de las sustancias.
4.
Efectuó la síntesis de la urea a partir del isocianato de amonio. Enunció la ley de conservación de la masa.
implica conocer
concepto de química
5.
método científico
a. Lavoisier b. Wöhler c. Mendeleïev d. Rutherford e. Arrhenius
Lluvia de ideas sobre las ideas previas con respecto a la química como ciencia, su relación con otras ciencias y su campo de estudio. Aplicar en su comunidad un cuestionario que incluya concepto y campo de estudio de la química, relación con otras disciplinas y aplicaciones de la química en la vida cotidiana. Construcción del concepto grupal de química, a través de una lluvia de ideas. Explicación del concepto de química. Identificación de los principales momentos en el desarrollo de la química.
II. Posiblemente hayas escuchado que el método científico está constituido por mediante su
desarrollo histórico
cuyos pasos son
relación con otras ciencias
identificar problemas
tales como
obtener y registrar información
plantear hipótesis
varios pasos. ¿Cuáles son y en qué orden deben aplicarse? Compara tus respuestas con las de tus compañeros. contrastar resultados
experimentar
comunicar resultados
matemáticas biología física
14
st-editorial.com
st-editorial.com
15
Para comenzar... Evalúa los conocimientos previos, las habilidades, actitudes y valores que tiene el estudiante para enfrentar los temas. También se propone un reto, que es una situación didáctica para motivar al alumno a que se acerque e interese en las temáticas que se tratarán. Incluye autoevaluación y coevaluación.
COMPRENDES LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
BLOQUE 8
Figura 9. Las pérdidas en el ecosistema son incalculables cuando se producen estos incendios en grandes áreas.
E n la web
Recomendamos visitar las siguientes páginas para conocer más sobre los temas de este bloque: U http://azorero.blogspot. com/20 07/05/reaccinendotrmica.html U http://www.discoveryenlaescuela.com/extras/ nuestroplaneta.php
Desarrolla competencias
Desarrolla competencias
Actividades individuales o grupales con las que se pretende que el estudiante desarrolle sus competencias de forma integral.
Ante este panorama desalentador, los investigadores del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (pnuma) y de la Organización Meteorológica Mundial (omm) nos alertan sobre los efectos del cambio climático asociado al calentamiento global, y nos señalan que de no frenarse, este fenómeno podría provocar grandes trastornos, como un aumento en la temperatura mundial de entre 1 y 3.5°C para el año 2100. Este aumento ocasionaría el deshielo paulatino de los polos glaciares y, como consecuencia, el aumento (entre 11 y 88 cm) en el nivel de los océanos. Ciudades como Tokio y asentamientos humanos en zonas costeras bajas desaparecerían casi por completo, y el ecosistema se afectaría de forma irreversible. Un fenómeno que contribuye a este problema es la deforestación, que ha ido en aumento en los últimos años, principalmente en las regiones cercanas al crecimiento urbano e industrial. La capa de ozono (O3) tiene como función evitar el paso de las radiaciones ultravioleta que afectan principalmente nuestra piel. Constantemente estamos enviando gases a la atmósfera que la dañan, un ejemplo de ello son los aerosoles y los refrigerantes: que contienen la molécula clorofluorcarbono (cfc), cuyo átomo de cloro es arrancado por la radiación uv combinándose con una molécula de ozono, destruyéndola. Un nuevo enfoque señala que el crecimiento de la población y la pobreza van ligados a los problemas ambientales, ya que actuamos sobre los recursos naturales al demandar mayores bienes y servicios (infográfico 3). El agua es una clara evidencia de la crisis que sufren las grandes y pequeñas ciudades, puesto que el recurso se agota por su mal uso en la industria y el hogar, y por el aumento en los índices de contaminación de fuentes acuíferas. Un ejemplo en nuestro país son los problemas de derrames de petróleo ocurridos en el 2007 en ríos del estado de Veracruz y que afectaron a miles de personas. Desde 1972 se han realizado esfuerzos por parte de las Naciones Unidas, y se reflejan en la formación del pnuma y en la realización de discusiones sobre los efectos de las actividades humanas en el medio ambiente. Como parte de esta campaña, la que fuera primera ministra de Noruega, la señora G. H. Bruntland (1939), redactó un informe de las condiciones ambientales en el planeta y lo presentó en la Cumbre de la Tierra, en Río de Janeiro (1992), en la que participaron 155 países de todo el mundo. A partir de aquí, toma fuerza un concepto llamado desarrollo sostenible, el cual establece que el desarrollo de las actividades humanas no debe comprometer la capacidad de las futuras generaciones por satisfacer las propias.
Desde que el ser humano apareció en la Tierra hay tecnología. La elaboración de instrumentos prehistóricos se considera ya como una aplicación de técnicas y se toma como una evidencia contundente en los albores de la cultura humana. La tecnología ha sido una fuerza poderosa en el desarrollo de la civilización, una parte intrínseca de nuestra cultura. La tecnología aumenta las posibilidades de transformar el mundo en que vivimos, modificar nuestra sociedad, cambiar sus niveles de riqueza y bienestar, mudar valores y alterar de manera radical el medio ambiente. La ciencia y la tecnología se deben analizar en un mismo contexto, pues coexisten en un estado de simbiosis de beneficio mutuo. El querer cambiar el mundo a través de la aplicación de la ciencia y la tecnología nos ha llevado a resultados impredecibles que pueden incluir beneficios, costos y riesgos inesperados, donde no sólo se afecta la sociedad actual, sino también la futura. A partir de lo anterior, resulta importante anticipar los efectos de la ciencia y la tecnología en la sociedad y en el medio que nos rodea. Es necesario analizar los riesgos de la ciencia y el uso de la tecnología como medio de producción de bienes y servicios. Muchos de los productos obtenidos a partir de la industria química tardan años en degradarse y otros tantos pasan a las cadenas alimenticias de los seres vivos a través del agua, la tierra y el aire. Debemos pensar en los medios para solucionar la problemática ambiental, puesto que nos atañe a todos los que habitamos este planeta. Piensa por un instante: ¿qué pasará si continuamos a este ritmo con la contaminación de nuestros ecosistemas?, ¿qué le vamos a dejar a las futuras generaciones? El consumismo también genera problemas. En general, este concepto se asocia al consumo excesivo o innecesario y su impacto ambiental. Observa el infográfico 4.
Aumento de la población
Ilustraciones e infográficos
15%
Países con bajos ingresos
40%
Aumento de la población en los últimos 20 años
Aumento en la generación de basura en los últimos 20 años
Consumo total
35%
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Países con bajos ingresos
168%
56%
Países con altos ingresos
contaminación más cercanas a la escuela o a tu casa y haz un listado de posibles sustancias que impactan tu ambiente y la salud de la población. Discútelas con tus compañeros y con tu profesor.
224
11% 225
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PRÁCTICAS DE LABORATORIO
Observar la acción del dióxido de carbono sobre el fuego y entender la forma como funcionan los extintores en general.
Vayamos más lejos... Pide ayuda a tu profesor para escribir la ecuación química del experimento y responde a la pregunta ¿cuál es el producto de la reacción que provoca que la llama se apague? Investiga sobre la forma como funcionan los extintores y relaciona la información obtenida con el experimento que acabas de realizar.
Materiales y reactivos U Una vela U Cerillos U Un recipiente hondo de metal, plástico o vidrio U Una cuchara pequeña U 100 g de bicarbonato de sodio U 100 mL de vinagre de vino o de manzana
Problema ¿Cuál es el mecanismo que permite a algunas sustancias apagar el fuego?
Procedimiento 1. Coloca la vela en el recipiente y sujétalo con su propia cera (derritiéndola previamente). 2. Enciende la vela. (Evita su contacto con fuentes que puedan propagar el fuego.) 3. A continuación echa en otro recipiente dos cucharadas de bicarbonato y sobre este el vinagre. 4. Rápidamente vierte la masa burbujeante en el recipiente, ten cuidado de no apagar la llama directamente. Si la vela no se apaga, añade un poco más de vinagre y bicarbonato en el recipiente, revuélvelo un poco.
Registro de observaciones Haz un dibujo que represente el experimento y anota tus principales observaciones.
Cuestionario 1. ¿Cuáles son las características del CO2? 2. Averigua cuál es la composición química de los extintores.
el desprendimiento de calor. ¡La sosa cáustica es una sustancia corrosiva y debe manejarse con extremo cuidado! Si toca tu ropa o tu piel es necesario lavar con abundante agua. 2. Lentamente y sin dejar de mover, añade el aceite. Sigue agitando a intervalos regulares hasta que observes la formación de una espesa pasta blanquecina que es el jabón. 3. Si a pesar de agitar frecuentemente no se forma la pasta mencionada, trasvasa el contenido a un recipiente metálico y caliéntalo en la estufa por unos minutos sin dejar de revolver hasta obtener el resultado deseado. 4. Vacía la pasta formada en la caja de madera y colócala en un lugar donde pueda escurrir. Después de uno o dos días podrás cortar el jabón en cuadros y estará listo para usarse. Nota: si deseas que el jabón tenga un olor agradable puedes añadirle algunas gotas de esencia o de perfume cuando se esté efectuando la reacción.
Registro de observaciones Dibuja los pasos principales de la experiencia, y describe las características más notorias del jabón fabricado.
Práctica de laboratorio 2 Obtención de jabón de pasta
Cuestionario
Objetivo
¿Por qué el jabón funciona como limpiador y contaminador? ¿De qué depende su acción?
Preparar jabón de pasta como producto de la reacción entre aceite y sosa cáustica.
Conclusiones
Materiales y reactivos U Caja de madera U Recipiente de barro, cristal o metal U Cuchara o palo de madera U 42 g de sosa cáustica U 250 mL de aceite de cocina o de oliva U 250 mL de agua
Escribe en tu cuaderno una conclusión de lo que observaste en la experiencia. ¿Qué cambios deberíamos hacer para obtener mejores resultados?
U ¿Cómo se llama la reacción que permite obtener el jabón?
U ¿Es necesario el calor para que se lleve a cabo la reacción?
Problema
U ¿Por qué razón se utilizaron solamente 42 g de
¿Por qué se forma jabón a partir de la reacción entre la sosa cáustica y el aceite?
U Comenta tus respuestas con tu profesor.
sosa cáustica?
1. Coloca la sosa cáustica en el recipiente donde vas a fabricar el jabón y añade con mucho cuidado el agua. Como la reacción es exotérmica observarás
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Objetivo Conocer las propiedades de algunas sustancias iónicas y entender los principios básicos del funcionamiento de una pila.
Materiales y reactivos UFrasco de boca ancha ULED UCuchara o agitador UElectrodos (pueden ser dos clavos pequeños) UAgua ULimón USal de mesa UTrozo de cinc UVinagre de manzana o de vino UTrozo de tubo de cobre o de lámina de cobre U30 cm de alambre de cobre delgado
I. Elige la opción en la que se relaciona el concepto con su descripción. 1. 2. 3. 4. 5.
Química general Química inorgánica Química orgánica Química analítica
a. Investiga la clase y cantidad de componentes de una sustancia. b. Incluye a la termodinámica, la cinética química, etc. c. Estudio de los compuestos del carbono. d. Estudia los principios básicos de la constitución de la materia. e. Estudia las propiedades de los elementos diferentes al carbono.
Química física
II. Selecciona la respuesta correcta. 1.
La leche es: a. un elemento. b. un compuesto. c. una mezcla heterogénea. d. una mezcla homogénea.
8.
¿Cuáles son mezclas?
2.
El yodo es: a. un elemento. b. un compuesto. c. una mezcla heterogénea. d. una mezcla homogénea.
9.
Las emisiones de partículas “alfa” son un ejemplo claro de:
3.
¿Cuáles de las siguientes son propiedades físicas del cobre?
a. Adquiere un color verde cuando se expo-
a. Aire y petróleo. b. Acero, estaño y aire. c. Estaño, petróleo y aire. d. Petróleo y estaño.
a. cambio físico. b. cambio químico. c. cambio nuclear. d. cambio de estado. 10.
ne a la influencia del cloro.
Problema
4.
¿Por qué razón las sustancias iónicas disueltas en solución pueden conducir la electricidad?
1. Coloca agua en tres cuartas partes de la capacidad del frasco de boca ancha. 2. Añade tres o cuatro cucharadas de sal de mesa al agua y agita hasta que se efectúe completamente la disolución. 3. Une un extremo de los cables al tubo de cobre y al trozo de cinc, conecta el otro extremo a cada terminal del LED (diodo emisor de luz, por sus siglas en inglés). 4. En caso necesario, agrega más cantidad de sal hasta lograr una disolución completa. 5. Llena el frasco con vinagre. 6. Sumerge los electrodos en el vinagre y verás que el LED se ilumina (la tensión y la intensidad de la corriente pueden determinarse con un polímetro).
5.
De las siguientes, ¿cuáles son propiedades generales o extensivas de la materia? a. Porosidad y color. b. Color y olor. c. Olor e inercia. d. Inercia y porosidad. El tipo de energía que se debe a la posición o estado de un cuerpo se le llama:
a. posicional. b. estática. c. potencial. d. cinética. 6.
El tipo de cambio en el que no se altera la estructura química de la materia se le denomina:
7.
La oxidación, la digestión y la respiración son ejemplos de cambios: a. biológicos. b. químicos. c. físicos. d. mecánicos.
a. físico. b. cinético. c. químico. d. nuclear.
Un elemento químico tiene Z = 18, lo cual indica que tiene:
a. 18 neutrones. b. 18 neutrones y 18 protones. c. 18 electrones y 18 neutrones. d. masa atómica igual a 18 uma.
b. Es un buen conductor de la electricidad. c. Su densidad es de 8.96 g/cm3. d. Se funde a 1 2840C.
Procedimiento
Vayamos más lejos...
Procedimiento
Requieren material accesible y su objetivo es motivar a los estudiantes y guiarlos en la investigación experimental.
Práctica de laboratorio 3 Construcción de una pila eléctrica a partir de sustancias iónicas
Heteroevaluación Estimado/a docente, encuentre más información en: st-editorial.com/area-docente
Elabora un resumen que explique por qué se apaga la vela. Comparte las opiniones con tus compañeros y traten de llegar a una respuesta común. Comenten los resultados con el profesor.
Objetivo
Refuerzan y abordan los contenidos de manera creativa y explicativa, como una estrategia visual y efectiva para el proceso de aprendizaje.
EVALUACIÓN FINAL
Prácticas de laboratorio
Conclusiones
Práctica de laboratorio 1 Extinción de fuego con la ayuda de una reacción química
Información complementaria y de reflexión donde se vincula lo que el estudiante va construyendo con el entorno inmediato. Además, pueden relacionarse con otras materias.
1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
3. En la comunidad donde vives, identifica las fuentes de
y de salud que debes tener en cuenta a la hora de elegir un producto. Discútelo con tus compañeros.
Respetar: respetar el medio ambiente. Me respeto yo y a quienes me rodean. Rechazar: envases no recicables, desodorantes en aerosol y baterías desechables. Reducir: la cantidad de empaques y artefactos con baterías desechables. Reutilizar: reparar artefactos eléctricos, recargar cartuchos de tinta, regalar lo que no utilizamos. Reciclar: la basura y convertir esta última R en un hábito diario.
Aunque se cree que la generación de basura es proporcional al crecimiento de la población, las estadísticas demuestran lo contrario.
www.youtube.com/watch?v=rd7Tmv4euNc&feature=related www.youtube.com/watch?v=xGcwU0h7UgA&feature=related www.youtube.com/watch?v=MJnGULmIwKA&feature=related www.youtube.com/watch?v=Zt7w_xjI5nw&feature=related www.youtube.com/watch?v=p3XZvI-kmTU&feature=related
actividad individual
1. ¿Cuál sería para ti la importancia del desarrollo sostenible? 2. Investiga y menciona los criterios ambientales generales
Las 5R son las medidas que debemos tomar para cuidar el medio en el que vivimos:
El mundo que te rodea, Retrato y En la web
INFOGRÁFICO 4. CONSUMISMO E IMPACTO AMBIENTAL
Países con altos ingresos
Realiza las siguientes actividades.
E l mundo que te rodea
Riesgos de la ciencia y la tecnología
actividad grupal
Para contribuir a desarrollar su sensibilidad por el arte y el medio ambiente, les recomendamos que vean el documental de Al Gore, Una verdad incómoda, que trata sobre el impacto ambiental por las actividades de la industria y de las prácticas en general del ser humano. Organicen un debate y saquen sus conclusiones. El documental pueden encontrarlo en las siguientes direcciones:
Desarrolla competencias
Este concepto nos lleva a hacer una reflexión sobre el quehacer humano en tres rubros importantes: sus actividades económicas o de producción, la sociedad y el medio ambiente, todos ligados de manera indisoluble, donde el accionar de los dos primeros afecta al tercero de manera irreversible. Nuestra responsabilidad es cuidar los recursos sin comprometer a las futuras generaciones; disfrutar con compromiso de lo que tenemos es una tarea presente y futura.
11.
Para un elemento con Z = 17 y A = 35 se calcula que tiene:
a. 17 electrones, 18 protones y 18 neutrones. b. 18 electrones, 18 protones y 17 neutrones. c. 17 electrones, 17 protones y 18 neutrones. d. 18 electrones, 17 protones y 17 neutrones. 12.
Si un elemento químico tiene 15 protones, 15 electrones y 16 neutrones, su número de masa es:
a. 15. b. 16. c. 31. d. 46. 13.
En la teoría atómica de Dalton se concibe al átomo como:
a. una esfera de electrificación positiva. b. esferas sólidas y de peso fijo. c. un núcleo atómico pequeñísimo donde se encuentra concentrada la masa, gran espacio vacío y los electrones girando alrededor.
d. un núcleo atómico y los electrones girando en niveles de energía cuantificada.
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Evaluación Serie de ejercicios que evalúan conocimientos y habilidades que el estudiante adquirió o reforzó al finalizar el estudio del bloque (evaluación sumativa, que consta de heteroevaluación y autoevaluación) y del curso (evaluación final).
Para terminar. Autoevalúa tus competencias Con este cuadro el estudiante podrá autoevaluar las competencias genéricas adquiridas al finalizar el curso.
Estudio eficaz Recomendaciones concisas y útiles acerca de cómo estudiar y prepararse para los exámenes. Incluye una descripción de mapa mental y mapa conceptal, para que el estudiante pueda crear los suyos.
RECONOCE TUS COMPETENCIAS Las competencias son capacidades que una persona desarrolla en forma gradual durante el proceso educativo, que incluyen conocimientos, habilidades, actitudes y valores, en forma integrada, para dar satisfacción a las necesidades individuales, académicas, laborales y profesionales. Existen principalmente tres tipos de competencias: genéricas, disciplinares y laborales.
Las competencias genéricas le permiten al individuo comprender el mundo, aprender a vivir en él y aportar lo propio para transformarlo en niveles superiores. Por su parte, las competencias disciplinares engloban los requerimientos básicos –conocimientos, habilidades, destrezas y actitudes–quesenecesitanencadacampo
disciplinar, para que los estudiantes puedan aplicarlos en diferentes contextos y situaciones en su vida. Estas competencias se podrán entretejer más adelante con las competencias laborales, para conformar un todo armónico que le da pleno sentido al proceso educativo.
COMPETENCIAS GENÉRICAS A continuación se muestran algunos ejemplos de este libro donde se aplican las once competencias genéricas.
B1 / p. 16 (Actitudes y valores)
Conocerse, valorarse y abordar los problemas y retos a partir de objetivos.
1
Desarrollar innovaciones y proponer soluciones a problemas a partir de un método seleccionado.
1
Participar y colaborar de manera efectiva en trabajos de equipo.
1
2
Ser sensible al arte, apreciarlo e interpretarlo en todas sus expresiones.
B1 / p. 32 (actividad de Lee)
B6 / p. 169 (actividad grupal)
B8 / p. 228 (actividad grupal)
1
1
8
B4 / p. 123 (ejercicio 4)
1
1
9
Participar con una conciencia cívica y ética en la vida de la comunidad, de la región, de México y el mundo.
B2 / p. 48 (ejercicio I)
B4 / p. 109 (actividad individual)
1
4
Escuchar, interpretar y emitir mensajes pertinentes en distintos contextos, mediante la utilización de herramientas y medios apropiados.
B3 / p. 73 (actividad grupal)
6
Mantener una postura personal sobre temas de interés y considerar otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva.
B8 / p. 228 (actividad de Lee)
3
Elegir y practicar estilos de vida saludables.
B3 / p. 96 (ejercicio 1 de Lee)
5
1
1
7
Aprender por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida.
1
10
Mantener una actitud respetuosa hacia la diversidad de culturas, creencias, valores, ideas y prácticas sociales de otras personas.
B8 / p. 228 (actividad individual)
1
11
Contribuir al desarrollo sustentable del medio ambiente, de manera crítica y con acciones responsables.
COMPETENCIAS DISCIPLINARES A continuación se muestran las competencias disciplinares básicas del campo de las ciencias experimentales que deben manejarse en esta materia, como lo señala el programa de estudios.
B1 / p. 23 (actividad individual)
B2 / p. 40 (Actitudes y valores)
1
1
Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.
B6 / p. 177 (ejercicio 2)
Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.
B4 / p. 103 (ejericicio I)
1
Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o un experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.
B3 / p. 83 (ejemplo 1)
1
Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.
1
Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas.
B1 / p. 31 (actividad grupal)
Sección final / p. 231 (Prácticas de laboratorio)
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.
1
1
B4 / p. 113 (actividad grupal)
B5 / p. 138 (ejericicio 4)
1
Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.
B7 / p. 191 (El mundo que te rodea)
1
Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.
1
Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.
B6 / p. 176 (Infográfico “Pictogramas...”)
1
Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.
¿CÓMO IMPLEMENTAR EN EL AULA EL DESARROLLO DE PROYECTOS?
¿QUÉ SON LOS PROYECTOS? Estrategias didácticas para organizar el trabajo escolar.
¿QUÉ VENTAJAS TIENEN? 0ERMITENRECONOCERYAPROVECHAR el conocimiento, las experiencias y los intereses de los estudiantes.
¿A QUÉ RESPONDEN? A las inquietudes de los estudiantes: s %STABLECENREGLASPARAELTRABAJO en equipo. s #ONDUCENSUSPROCESOS de aprendizaje. s 0ERMITENUNARELACINAUTNOMA con la cultura y el mundo actual.
¿QUÉ DEMANDAN A LOS ALUMNOS? s 2ESPONDERASUSPREGUNTAS necesidades y su propia acción social. s &ORTALECERSUSHABILIDADES y actitudes.
¿QUÉ FAVORECEN?
¿QUÉ SE REQUIERE?
,AAPLICACININTEGRADA de los aprendizajes.
Gran participación de los estudiantes en el planteamiento, diseño, investigación y seguimiento de todas las actividades.
¿QUÉ OFRECEN?
¿QUÉ PROPÓSITOS TIENEN?
/PORTUNIDADESPARAQUELOS estudiantes se pregunten acerca del mundo en que viven y reflexionen sobre su realidad.
/RIENTARALOSALUMNOSPARAQUE encuentren espacios flexibles de acción.
¿QUÉ MANIFIESTAN?
¿QUÉ DEMANDAN A LOS DOCENTES?
s ,ACREATIVIDADYCURIOSIDADDE los alumnos en el desarrollo de sus respuestas. s %LTRABAJODELOSALUMNOS en primer plano. s ,AORIENTACINDELPROCESODE aprendizaje y que se perfilen los temas de investigación. s %LCUMPLIMIENTODELOS propósitos del proyecto.
s 6ERIlCARELCUMPLIMIENTODELAS actividades. s !YUDARALOSALUMNOSA consultar bibliografía. s /RIENTARLASB¢SQUEDAS adicionales de información. s /FRECERSUGERENCIASDETRABAJO s !LENTARLACOMUNICACIN de resultados. s #REARUNCLIMADEAPOYO aliento y reconocimiento.
¿QUÉ ETAPAS TIENEN?
¿QUÉ FORTALECEN?
s 0RIMERAETAPALAPLANEACIN s 3EGUNDAETAPAELDESARROLLO s 4ERCERAETAPALACOMUNICACIN
s %LDESARROLLODELASCOMPETENCIAS transversales. s ,AAPLICACINDECOMPETENCIAS a lo largo de la vida.
¿QUÉ IMPLICAN? s $ESARROLLARDIFERENTESTEMASDESDELASPERSPECTIVASPARTICULARESDELASASIGNATURAS s 0LANTEARRETOSDEAPRENDIZAJEENLOSASPECTOSCOMUNICATIVOS ECONMICOS AFECTIVOS £TICOS FUNCIONALES EST£TICOS LEGALESYCULTURALES s !BORDARDISTINTOSTEMASDESDELASPERSPECTIVASPARTICULARESDELASASIGNATURAS s 0LANTEARRETOSDEAPRENDIZAJEENLOSASPECTOSCOMUNICATIVO ECONMICO AFECTIVO £TICO EST£TICO legal y cultural.
¿CÓMO EVALUAR BAJO EL ENFOQUE DE COMPETENCIAS?
¿QUÉ ES UN PORTAFOLIOS DE EVIDENCIAS? Es una forma de aproximarse al proceso de evaluación constructivista del aprendizaje. En este sentido, el portafolios actúa como un depositario del conocimiento alcanzado por el estudiante, y permite acumular diversos ELEMENTOSOPRODUCTOS CONSIDERADOSEVIDENCIASDELOAPRENDIDO CONSTRUIDOSDURANTEELPROCESOEDUCATIVO,OS PRODUCTOSAS¤ALMACENADOSENELPORTAFOLIOSPUEDENEVIDENCIARLOQUEELALUMNOHAAPRENDIDO YPERMITENSER usados para motivar discusiones productivas entre los estudiantes con su profesor.
¿QUÉ VENTAJAS OFRECE EL PORTAFOLIOS DE EVIDENCIAS? s Que el estudiante pueda decidir cuáles productos de aprendizaje desea colocar en el portafolios, describir lo que representan estos productos y cómo se relacionan con los conocimientos adquiridos. s Que los estudiantes y el profesor puedan establecer conversaciones interesantes acerca de cómo se alcanza el conocimiento y cómo el aprendizaje se va construyendo progresivamente en el tiempo. s Que si un producto pierde relevancia para el estudiante a lo largo del proceso, puede ser removido del portafolios o bien, ser usado como una muestra de cómo el aprendizaje va cambiando. s Que el profesor pueda obtener información valiosa con relación a sus estudiantes, analizando los productos que ellos eligen poner en su portafolios. s Que el profesor pueda analizar los diferentes sentidos que adquiere el conocimiento con el tiempo para los estudiantes. s Que los portafolios puedan ser construidos íntegramente por el estudiante y que su evaluación parcial y final pueda negociarse entre profesor y estudiante, para que este último tenga certeza de que está “construyendo” UNCAMINOVÖLIDOHACIAELCONOCIMIENTO
¿CÓMO DESARROLLAR ESTA ESTRATEGIA DE APRENDIZAJE Y EVALUACIÓN? 1. ,ASEVIDENCIASDEAPRENDIZAJEQUEELESTUDIANTEAPORTETOMARÖNLAFORMA de un producto. Cada producto deberá ser etiquetado con un nombre que lo describa e identifique. 2. $EBESERENTREGADAUNAPEQUE®AREFERENCIAESCRITAJUNTOCONELPRODUCTO PARADARACONOCERQU£REPRESENTAESTEENELPORTAFOLIOS,OSPRODUCTOS deberán ser utilizados para convencer al lector del portafolios (el PROFESOR OTROESTUDIANTE UNAAUTORIDAD DEQUEELAPRENDIZAJESEHA realizado. 3. Cada sección del portafolios debe contener un índice con los productos que van en esa sección. Cada sección debe tener una tabla con el puntaje, que puede ser usado para “cuantificar” el aprendizaje ALCANZADO0OREJEMPLO SEPUEDEUSARUNAESCALADEPUNTOS DONDESE establece un criterio de evaluación para un 1, otro criterio para asignar un 2 y así sucesivamente. 4. El portafolios puede incluir una sección de evaluación, donde el estudiante muestre sus propias evaluaciones acerca de su aprendizaje. 4AMBI£NSEPUEDENCONSIDERAREVALUACIONESDESUSCOMPA®EROSDE grupo. 5. %LPORTAFOLIOSDEBEESTARENPODERDELPROPIOESTUDIANTE PUESES£LQUIEN DEBEDECIDIRQU£COSASCOLOCARYCUÖNDOCOLOCARLAS3INEMBARGO EL profesor debe mirar el portafolios al menos una vez al mes, para orientar el proceso y negociar la evaluación con el estudiante.
!TRAV£SDELOSTRABAJOSREALIZADOS por el estudiante y presentados en cada sección del portafolios, adecuadamente identificados de conformidad a las categorías ELEGIDASPOR£L SEDEBERÖ evidenciar con claridad el avance del aprendizaje. Al mismo tiempo, mediante un análisis conjunto profesorestudiante, deberá quedar claro dónde existen mayores dificultades y cuáles temas domina mejor. Es fundamental recordar que tanto las categorías del portafolios como sus productos y descripciones correspondientes, deben ser generadas por los propios estudiantes.
Desempeños del estudiante
Bloque 1 Reconoces a la química como una herramienta para la vida
s #OMPRENDEELCONCEPTODEQU¤MICA SUDESARROLLO HISTRICOYSURELACINCONOTRASCIENCIAS s 5TILIZAELM£TODOCIENT¤lCOENLARESOLUCIN DEPROBLEMASRELACIONADOSCONLAQU¤MICADE SUENTORNOINMEDIATO
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
Reconoces a la química como una herramienta para la vida
Comprendes la interrelación de la materia y la energía
Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones
Competencias a desarrollar s %STABLECELAINTERRELACINENTRELACIENCIA LATECNOLOG¤A LASOCIEDAD YELAMBIENTEENCONTEXTOSHISTRICOSYSOCIALESESPEC¤lCOS s &UNDAMENTAOPINIONESSOBRELOSIMPACTOSDELACIENCIA YLATECNOLOG¤AENSUVIDACOTIDIANA ASUMIENDOCONSIDERACIONES£TICAS s )DENTIlCAPROBLEMAS FORMULAPREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO YPLANTEALASHIPTESISNECESARIASPARARESPONDERLAS s /BTIENE REGISTRAYSISTEMATIZALAINFORMACINPARARESPONDER APREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO CONSULTANDOFUENTESRELEVANTES YREALIZANDOEXPERIMENTOSPERTINENTES s #ONTRASTALOSRESULTADOSOBTENIDOSENUNAINVESTIGACINOEXPERIMENTO CONHIPTESISPREVIASYCOMUNICASUSCONCLUSIONES s 6ALORALASPRECONCEPCIONESPERSONALESOCOMUNESSOBREDIVERSOS FENMENOSNATURALESAPARTIRDEEVIDENCIASCIENT¤lCAS
s %XPLICITALASNOCIONESCIENT¤lCASQUESUSTENTANLOSPROCESOS PARALASOLUCINDEPROBLEMASCOTIDIANOS s !NALIZALASLEYESGENERALESQUERIGENELFUNCIONAMIENTO DELMEDIOF¤SICOYVALORALASACCIONESHUMANASDERIESGO EIMPACTOAMBIENTAL s !PLICANORMASDESEGURIDADENELMANEJODESUSTANCIAS INSTRUMENTOS YEQUIPOENLAREALIZACINDEACTIVIDADESDESUVIDACOTIDIANA s !SUMEUNAACTITUDQUEFAVORECELASOLUCINDEPROBLEMASAMBIENTALES ENLOSÖMBITOSLOCAL NACIONALEINTERNACIONAL s 2ECONOCEYCOMPRENDELASIMPLICACIONESBIOLGICAS ECONMICAS POL¤TICAS YSOCIALESDELDA®OAMBIENTALENUNCONTEXTOGLOBALINTERDEPENDIENTE s #ONTRIBUYEALALCANCEDEUNEQUILIBRIOENTRELOSINTERESES DECORTOYLARGOPLAZOCONRELACINALAMBIENTE
Bloque 4
Bloque 5
Bloque 6
Bloque 7
Interpretas la tabla periódica
Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares
Manejas la nomenclatura química inorgánica
Representas y operas reacciones químicas
Continúa...
Introducción
E Objetos de aprendizaje La química El método científico YSUSAPLICACIONES
l primer bloque del curso de Química 1 lleva por título “Reconoces a la química como una herramienta para la vida”, y su intención, tal como su nombre lo indica, es ayudarte
a comprender que esta ciencia no es una asignatura aburrida y pesada que deberás llevar por fuerza en el bachillerato, sino que más bien es la puerta de entrada al mundo de las ciencias experimentales que tratan de indagar el funcionamiento de los fenómenos que vemos y, a partir de tales explicaciones, lograr construir una sociedad con mayores y mejores niveles de vida, cuidando el medio ambiente para dejar un legado a las siguientes generaciones, convirtiéndose así en una herramienta para la vida. Podrás ver todos estos temas en el siguiente mapa conceptual.
Reconoces a la química como una herramienta para la vida implica conocer
concepto de química
método científico
mediante su
cuyos pasos son
desarrollo histórico
relación con otras ciencias
identificar problemas
tales como
obtener y registrar información
plantear hipótesis
contrastar resultados
experimentar
comunicar resultados
matemáticas biología física
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Actividades de enseñanza
Para comenzar... Para que puedas comprender los temas de este bloque, es necesario que rescates las competencias (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que ya has adquirido a lo largo de tu vida. Haz tu mejor esfuerzo para responder y detecta aquellos aspectos que no conoces o dominas para enfocar tu estudio.
Conocimientos I. En la historia de la química se han distinguido diversos descubridores y científicos por las aportaciones que han realizado. Trata de relacionar al personaje con su aportación correspondiente.
1.
Diseñó un experimento para probar la existencia del núcleo atómico.
2.
Construyó la primera clasificación periódica de los elementos químicos.
3.
Creó una teoría sobre la acidez o basicidad de las sustancias.
4.
Efectuó la síntesis de la urea a partir del isocianato de amonio. Enunció la ley de conservación de la masa.
5.
a. Lavoisier b. Wöhler c. Mendeleïev d. Rutherford e. Arrhenius
Lluvia de ideas sobre LOSCONOCIMIENTOSPREVIOS CONRESPECTOALAQU¤MICACOMO CIENCIA SURELACINCONOTRAS CIENCIASYSUCAMPODEESTUDIO Aplicar en su comunidad UNCUESTIONARIOQUEINCLUYA CONCEPTOYCAMPODEESTUDIO DELAQU¤MICA RELACINCONOTRAS DISCIPLINASYAPLICACIONES DELAQU¤MICAENLAVIDACOTIDIANA Construcción del concepto GRUPALDEQU¤MICA ATRAV£S DEUNALLUVIADEIDEAS Explicación del concepto DEQU¤MICA Identificación de los principales MOMENTOSENELDESARROLLO DELAQU¤MICA
II. Posiblemente hayas escuchado que el método científico está constituido por varios pasos. ¿Cuáles son y en qué orden deben aplicarse? Compara tus respuestas con las de tus compañeros.
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Habilidades Integra un equipo y redacten un texto que exprese la respuesta a las siguientes preguntas: ¿en cuáles actividades, objetos o experiencias de su vida diaria está presente la química? ¿De qué forma?
Actitudes y valores Lee las preguntas, reflexiona un momento y luego trata de responderlas con sinceridad.
1. ¿Qué es lo que esperas aprender en este curso de Química 1?
2. ¿De qué manera puedes aplicar en tu vida lo que aprenderás sobre la química?
3. ¿Cuáles serán tus tres compromisos principales para tener éxito en este curso de química?
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Reto I. Para iniciar con este bloque realizarán, trabajando en equipo (tres integrantes como mínimo y cinco como máximo), una investigación de campo en la que identificarán la presencia de la química en las actividades cotidianas.
II. Como producto de su investigación de campo elaborarán un reporte que se integrará al portafolio de evidencias que irán construyendo a lo largo del curso.
III. Pueden elegir cualquiera de las siguientes opciones o proponer alguna otra que sea de su particular interés: s s s s s s
La química en la cocina. La química de los cosméticos. La química de los alimentos. La química y los plásticos de uso cotidiano. La química y los medicamentos. La química en el organismo humano.
IV. Cada uno de los integrantes del equipo deberá asumir un rol específico y cumplir de la mejor manera las actividades que se le asignen. Los roles que sugerimos son: s Organizador y animador de las actividades: se encargará de que se trace un plan de trabajo adecuado para desarrollar la actividad con los máximos resultados posibles. Tratará de integrar a todos los miembros del equipo y los animará a dar lo mejor de cada uno. Asimismo, organizará las actividades para cumplir en tiempo y forma con la tarea final. s Investigador A: se encargará de consultar la bibliografía al alcance o buscará sitios de Internet que puedan ayudar a enriquecer la información. s Investigador B: se encargará de diseñar cuestionarios de opinión para aplicarlos a las personas que el equipo considere que puedan brindar información para redactar el trabajo final. s Redactor: organizará el material que proveyeron los investigadores para proceder a la redacción del informe final. s Diseñador: se encargará de que el trabajo final contenga las ilustraciones necesarias que sirvan para hacer más atractiva y entendible la lectura.
V. En el informe final deberán incluir apartados en los que expliquen lo siguiente: s ¿Cuáles de las aportaciones históricas de la química se utilizan en el tema que eligieron para su investigación? s ¿Cuáles ciencias, además de la química, se relacionan con el tema que investigaron? Argumenten su respuesta. s ¿Cómo se aplica el método científico experimental en el campo que investigaron? Identifiquen cuáles de los pasos están involucrados y de qué manera.
VI. La participación en el trabajo, la responsabilidad en las actividades y funciones, el entusiasmo por cumplir con la tarea formando parte de un equipo, serán aspectos que evaluarán de los compañeros de equipo y en su misma persona.
Coevaluación Observa el desempeño de tus compañeros de equipo y asigna para cada categoría un puntaje, tratando de ser objetivo e imparcial. #ATEGOR¤A Compromiso con la función asignada
4 Asume su función durante todo el trabajo realizado.
3
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Generalmente cumple Solo en algunas con la función que le ocasiones cumple fue asignada. con su asignación.
1 No cumple con el rol asignado.
Continúa st-editorial.com
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#ATEGOR¤A
4
Asiste puntualmente a todas las reuniones y lleva los materiales Responsabilidad de trabajo.
Participación
En todas las reuniones de trabajo o en las actividades asignadas, participa con entusiasmo y compromiso.
3
2
1
Asiste a todas las reuniones, pero falla su puntualidad y algunas veces no lleva el material de trabajo.
Falta a algunas reuniones de trabajo o es impuntual y no cumple en ocasiones con el material acordado.
Falta a la mayoría de las reuniones o llega siempre con impuntualidad. Casi nunca lleva el material de trabajo.
Asiste a todas las reuniones de trabajo, pero en ocasiones se muestra apático y no cumple con lo asignado.
Solo en algunas reuniones de trabajo o en algunas actividades participa con entusiasmo.
La mayoría de las veces no participa en las actividades de trabajo.
Autoevaluación I. Evalúa tu trabajo y tus actitudes, coloca una X en la descripción que mejor se ajuste a tu desempeño durante la realización del trabajo. !SPECTO
3IEMPRE
'ENERALMENTE !LGUNASVECES
#ASINUNCA
1. Cumplí entusiasta y responsablemente con el rol que me fue asignado.
2. Asistí puntualmente a las reuniones de trabajo y aporté los materiales necesarios.
3. Mi actitud motivó el trabajo de los demás.
4. Mi colaboración ayudó a conseguir resultados satisfactorios para todo el equpo.
II. Responde las siguientes preguntas: 1. ¿Qué aprendí?
2. ¿Qué aspectos deberían cambiarse para obtener mejores resultados?
3. ¿Cómo puedo mejorar mi participación en futuras actividades?
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Para comenzar...
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Tema 2
La química
El método científico y sus aplicaciones
A propósito de la química... Mira a tu alrededor y trata de reconocer los fenómenos o procesos que observas. ¿Qué descubriste? ¿Cómo está presente la química en tus actividades cotidianas? ¿Cuáles crees que son sus principales aplicaciones en la actualidad? ¿Por qué la química es una herramienta para la vida?
Para comprender el concepto de química, conviene tener claras las razones por las que se afirma que la química es una ciencia. En general, se considera que una ciencia constituye cierta parte del saber humano que se distingue principalmente por ser sistemática, metódica, especializada, abierta y capaz de producir investigación científica. La química tiene un objeto de estudio bien delimitado y utiliza además una metodología específica para comprender su íntima estructura y funcionamiento. En efecto, la química como ciencia se caracteriza por poseer un objeto de estudio bien delimitado, utilizando una metodología específica, y por integrar un conjunto dinámico de saberes sistematizados, construidos mediante el profundo estudio de los fenómenos en los que las sustancias interactúan entre sí para formar otras nuevas. Asimismo, incrementa continuamente st-editorial.com
su acervo de saberes al incorporar nuevos conocimientos a través de la investigación científica, con el objeto de brindar a la sociedad soluciones eficaces para mantener la vida en el planeta. Como ciencia, la química ha descubierto las leyes y los principios que gobiernan la materia, y a partir de esos conocimientos se ha vuelto capaz de predecir el comportamiento de los elementos y compuestos bajo determinadas circunstancias, además de incursionar en la fabricación de los nuevos y sorprendentes materiales que demanda la vida actual. Con este curso irás aproximándote paulatinamente al concepto de la química a través de varias actividades de aprendizaje. Además, aprenderás que la química forma parte de tu vida y que se convertirá, si te aplicas a su estudio, en una herramienta valiosa para tus actividades cotidianas. ¡Adelante! 19
BLOQUE 1
Desarrolla competencias
actividad individual
Comprende el concepto de química, su desarrollo histórico y su relación con otras ciencias.
1. Entrevista a cinco personas de tu comunidad o colonia (que no sean tus compañeros de escuela) y pregúntales lo siguiente: a. En su opinión, ¿qué es la química? b. ¿Para qué sirve la química? c. ¿De qué forma emplea la química en su vida diaria?
2. No te olvides de solicitar a cada entrevistado su edad, ocupación y escolaridad. 3. Con todos los datos y respuestas obtenidos, orientado por tu profesor, trata de encontrar las ideas que se presentan con mayor frecuencia y relaciónalas con la edad y la escolaridad de los entrevistados.
4. En tu cuaderno puedes realizar la gráfica para mostrar tus respuestas. Luego, anota las conclusiones.
Desarrolla competencias
actividad grupal
Comprende el concepto de química, su desarrollo histórico y su relación con otras ciencias.
Reunidos en equipos, realicen los siguientes ejercicios.
1. La siguiente tarea de aprendizaje les ayudará a construir una noción de química que puedan explicar con sus propias palabras. Para ello busquen en la biblioteca de su escuela al menos tres o cuatro textos de química, ubiquen en ellos el concepto de química y anótenlo en el cuadro. Luego continúen con el resto de lo que se les solicita. #ONCEPTODEQU¤MICA
3EMEJANZASENTRELOSCONCEPTOS
$IFERENCIASENTREELLOS
#ONCEPTODEQU¤MICACONSTRUIDOAPARTIRDELOSCONCEPTOSANTERIORES
#ONCEPTODEQU¤MICAEXPRESADOCONSUSPROPIASPALABRAS
2. Orientados por su profesor, construyan un concepto de química elaborado por todos los integrantes del grupo y escríbanlo en su cuaderno.
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RECONOCES A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA
En la actualidad, la química es una ciencia que interviene de manera cada vez más importante en múltiples y variados campos de la actividad humana. Resulta prácticamente imposible pensar en algún aspecto donde no esté presente, cambiando o acompañando la vida del ser humano de alguna forma. Antes de continuar intentemos establecer una definición de esta ciencia que seguramente coincidirá en muchos aspectos con el concepto construido anteriormente por todos. La química es la ciencia que estudia la composición, estructura y transformaciones de la materia, su interrelación con la energía, así como las leyes que regulan tales interacciones. Así pues, al estudiar esta asignatura, indagaremos qué es la materia, cómo está estructurada, cómo interacciona para dar origen a nuevas sustancias, cómo la energía está presente en aquellos cambios y cuáles son las leyes que regulan las interacciones de masa y de energía. Los fenómenos químicos pueden encontrarse prácticamente en cualquier parte: en la oxidación de los metales, en la cocción de los alimentos, en el crecimiento de las plantas y los animales, en el metabolismo, la respiración y la digestión de los seres vivos, entre otros. La química, para su estudio, se ha dividido en diferentes ramas (figura 1): Química general. Se dedica al estudio de los principios básicos de la constitución, las propiedades y transformaciones de las sustancias, además de estudiar las leyes generales de la química. Química inorgánica. Aborda el estudio de los diversos elementos y compuestos que con ellos se forman, a excepción del carbono y sus compuestos. Química orgánica. Estudia, sobre todo, los compuestos que contienen carbono, ya sean producidos por los seres vivos o sintetizados en el laboratorio (figura 2). Química analítica. Investiga la composición de las sustancias y se subdivide en dos áreas principales: el análisis cualitativo y el cuantitativo. El primero identifica los componentes desconocidos existentes en una sustancia, y el segundo indica las cantidades relativas de dichos componentes. Química física. Estudia áreas tan importantes como la termodinámica, la cinética química y el estado sólido de las sustancias. Química ambiental. Es la química de los alrededores, es decir, del aire, la tierra, el agua y la materia viviente. Se dedica a proveer la base química para entender la composición del ambiente natural y de los procesos que se llevan a cabo en el medio ambiente, así como los cambios que se producen en este como resultado de las actividades humanas.
Desarrolla competencias
actividad grupal
Química general
Química inorgánica
Química orgánica
Química analítica
Química física
Química ambiental
Figura 1. Los fenómenos que estudia la química son muy variados.
Comprende el concepto de química, su desarrollo histórico y su relación con otras ciencias.
Reunidos en equipos, realicen las siguientes actividades.
1. Para adecuarse a las nuevas realidades, la evolución de la química ha desembocado en el surgimiento de otras ramas. Indaguen qué estudia cada una de las siguientes y anótenlo en su cuaderno.
a. Radioquímica. b. Electroquímica. c. Quimiurgia.
d. Astroquímica. e. Cristaloquímica.
2. Con la información que obtengan, elaboren en su cuaderno un mapa mental o concep-
Figura 2. Los laboratorios modernos utilizan múltiples instrumentos y equipos para realizar las investigaciones.
tual que muestre las ramas de la química, a qué se dedica cada una y cómo se relacionan unas con otras. Pueden apoyarse en la sección “Estudio eficaz” al final del libro.
3. Durante su investigación, ¿encontraron información sobre alguna rama de la química diferente a las que hemos enlistado? Tomen nota y comuniquen su hallazgo a sus compañeros.
Termodinámica.%STUDIODELASRELACIONESENTREELCALOR ELTRABAJOYOTRASFORMASDEENERG¤AENLOSPROCESOSQU¤MICOS Cinética química.%STUDIODELASVELOCIDADESDEREACCINYSUSMECANISMOS
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Glosario 21
BLOQUE 1
INFOGRÁFICO 1. ¿CÓMO ENFRÍA UN REFRIGERADOR? -EZCLADEGASESLICUADOSDImUOROMETANOY PENTAmUORETANO QUESONEXTREMADAMENTE INmAMABLES -EDIANTEELPROCESODECOMPRESINY DESCOMPRESINDELGAS SEENTREGAFR¤OAL INTERIORDELREFRIGERADOR
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,¤QUIDO
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%LREFRIGERADORNOFUNCIONADEMANERAININTERRUMPIDA PUESLASNECESIDADESDEFR¤OSESATISFACENDESPU£S DEUNDETERMINADOTIEMPODEESTARENOPERACIN
E l mundo que te rodea
El genoma humano o de cualquier ser viviente es el conjunto de genes, formados por moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN), cuya composición elemental (que estudiarás más a fondo en el curso de biología) y desciframiento detallado constituyen el objeto de estudio de muchos bioquímicos y médicos en varios países.
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,OSREFRIGERADORESUTILIZANUNGASmUIDO QUEPASADELESTADOGASEOSOALL¤QUIDO YVICEVERSAY ALEVAPORARSE ENFR¤AEL INTERIOR
3EEXTRAEELCALORATRAV£SDE LAREJILLAUBICADAENLAPARTE POSTERIOR
La química y otras ciencias Cualquier químico en su laboratorio utiliza un sinnúmero de conocimientos provenientes de otras ciencias. Con frecuencia tiene necesidad de efectuar cálculos que requieren conocimientos de las matemáticas o utiliza modelos teóricos generados por la física. Asimismo, la biología y las disciplinas asociadas a ella le aportan a la química conocimientos fundamentales sobre las sustancias que son necesarias para el funcionamiento de la vida, muchas de las cuales, cabe mencionar, ya se han logrado sintetizar en el laboratorio. De igual manera, la química ayuda a otras ciencias. Tomemos como ejemplo la bioquímica, que empezó simplemente con el análisis de los fluidos corporales, pero pronto desarrolló métodos para determinar la naturaleza y función de los componentes celulares más complejos hasta llegar al desciframiento del genoma humano. Para todo ello fueron y siguen siendo fundamentales los conocimientos que aporta la química. No cabe duda de que la medicina ha sido uno de los territorios que más se ha beneficiado con los descubrimientos de la química. Baste señalar los medicamentos que se preparan siguiendo una fórmula, el tratamiento del cáncer mediante la aplicación de radiaciones, el diseño de nuevos métodos de diagnóstico para el tratamiento de enfermedades, etc. La industria de los alimentos es otro ejemplo de un área que se ha visto beneficiada por las aportaciones de la química, ya que se han fabricado compuestos que se utilizan para conservar los alimentos sanos y que sus propiedades nutritivas no se pierdan, como es el caso de las sustancias que se usan en los refrigeradores. Las múltiples implicaciones de la química con otras ciencias nos hacen entender la razón por la cual se le considera una herramienta para la vida. st-editorial.com
RECONOCES A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA
R etrato Friedrich Wöhler, pedagogo y químico alemán, fue alumno del prestigioso químico sueco Berzelius y logró, mediante un concienzudo trabajo científico, aislar dos elementos químicos: el aluminio y el berilio. Wöhler ha sido reconocido por su síntesis del compuesto químico orgánico denominado urea, que es cristalino e incoloro y se encuentra de forma abundante en la orina y en las heces fecales. Además, obtuvo el acetileno, un gas altamente inflamable, importante en los procesos de soldadura. Escribió numerosos textos de química orgánica e inorgánica.
Desarrolla competencias
actividad individual
Comprende el concepto de química, su desarrollo histórico y su relación con otras ciencias.
Realiza las siguientes actividades en tu cuaderno.
1. ¿Cómo se relaciona la química con tus actividades diarias? 2. ¿Cuál es, en tu opinión, el mayor aporte que ha hecho la química a la sociedad? 3. Menciona tres aspectos que a tu consideración han mejorado con la participación de la química.
4. Si la química no existiera, ¿en qué cambiarían tus actividades diarias? 5. Además de las ya mencionadas en el texto, escribe otras dos ciencias que tengan relación con la química, defínelas y explica en qué consiste la relación.
6. Elabora un mapa mental, mapa conceptual, cuadro sinóptico o esquema donde muestres la relación de la química con otras ciencias.
Los grandes momentos del desarrollo de la química La química es una ciencia cuyo desarrollo histórico se encuentra íntimamente ligado al desarrollo de la humanidad. No exageramos al afirmar que cada gran hallazgo –podríamos referirnos, por ejemplo, al descubrimiento del fuego– generó también un avance significativo en la civilización y provocó que se modificara la relación entre el ser humano y la naturaleza. Se ha logrado determinar, por ejemplo, que entre los años 000 y 3000 antes de nuestra era, el ser humano descubrió los procesos químicos necesarios para utilizar los minerales de cobre y las propiedades de los metales, con lo cual logró fabricar herramientas mucho más resistentes y efectivas tanto para sus tareas domésticas como para la caza de animales. Así, se habla de una era del cobre, otra del bronce –aleación de cobre con estaño– y otra más, cercana a nuestros tiempos, la era del hierro. En cada una de ellas, el uso del metal ayudó a que algunos pueblos superaran a otras civilizaciones y transmitieran su propia cultura. Muy lejos quedó la época en la que se hablaba de la khemeia –que en griego significa “el arte de extraer jugos”– como la única y principal actividad de la química. Actualmente, gracias a los avances impresionantes que la ciencia ha logrado concretar, motivados por una curiosidad incesante del ser humano por encontrar los mecanismos que explican el funcionamiento de los fenómenos que observamos a nuestro alrededor, existen muchos productos que nos facilitan y agilizan nuestras actividades cotidianas. Muchos de los materiales con los que vestimos, nos alimentamos y utilizamos a diario tienen su origen en el desarrollo de esta ciencia que hoy nos toca estudiar. En este sentido, es necesario conocer su historia y a los personajes que en su momento realizaron aportaciones trascendentes no solo para la química, sino para la humanidad. st-editorial.com
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BLOQUE 1
Desarrolla competencias
Comprende el concepto de química, su desarrollo histórico y su relación con otras ciencias.
actividad grupal
Esta es una actividad que pueden hacer en equipos. El producto final será una línea de tiempo ilustrada que irán construyendo progresivamente según vayan encontrando, procesando y sintetizando la información. Les recomendamos consultar los siguientes libros que pueden encontrar en línea: Breve historia de la Química de Isaac Asimov en www.libros maravillosos.com/brevehistoriaquimica/index.html y Del tequesquite al ADN de Garritz y Chamizo en bibliotecadigital.ilce. edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/072/htm/delteque.htm Para orientar la elaboración de la línea de tiempo les sugerimos algunas preguntas para cada etapa o personaje. Las respuestas les ayudarán a ubicar la época a que corresponden. Debemos señalar la necesidad de situar al personaje o al aporte dentro de su contexto socio-histórico para entender mejor la importancia de su descubrimiento o de su aportación. Las ilustraciones que incluyan deberán ayudar a este mismo fin.
Etapa 1: Descubrimiento del fuego 1. ¿Cuál es la fecha calculada en que el ser humano descubrió el fuego? 2. ¿Cuál es el homínido al que se atribuye este descubrimiento? 3. ¿Cuáles fueron los cambios fundamentales en la forma de vida, provocados por el descubrimiento y uso del fuego?
Etapa 3: Los antiguos griegos 1. De acuerdo con Aristóteles (384-322 a. C.), ¿cuáles eran los elementos primordiales de todas las cosas? ¿Cómo se combinaban? 2. ¿Cuál fue el aporte de Demócrito de Abdera? ¿Qué importancia se le dio a sus ideas y por qué?
Etapa 5: Wöhler y el vitalismo 1. ¿Qué sostenía la doctrina del vitalismo? 2. ¿Quién era Friedrich Wöhler y cuál fue su aporte para derribar la teoría del vitalismo? 3. ¿Cómo se relaciona el aporte de Wöhler con la química orgánica?
Etapa 7: Desarrollo de la teoría atómica
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Etapa 2: La metalurgia 1. ¿Cuáles fueron los metales o aleaciones que, con preferencia, se usaron en la antigüedad?
2 ¿Cuáles civilizaciones antiguas se destacaron por utilizar los metales tanto para sus actividades cotidianas como para la guerra? 3. ¿Por qué se habla de una Edad de hierro y de una Edad de bronce?
Etapa 4: La alquimia 1. ¿A qué se le denomina alquimia? ¿Cuáles eran sus propósitos fundamentales?
2. ¿A qué personajes se les considera los principales representantes de la alquimia?
3. ¿Cuáles son los aportes principales de la alquimia para la química moderna?
Etapa 6: Descubrimiento de los elementos químicos 1. ¿Quién fue Dmitri Mendeleïev? ¿Cuáles elementos químicos logró predecir?
2. ¿Cuáles son las características principales de la tabla de Mendeleïev? ¿Cuál es el criterio principal para su construcción? ¿Cuáles son sus fallas? 3. ¿A quién se le atribuye la actual tabla periódica? 4. ¿Cuál es el criterio actual para la organización de los elementos en la tabla periódica?
Etapa 8: La química en México
1. ¿Cuáles fueron los aportes rea-
1. ¿Cuáles eran, en el México antiguo, las princi-
lizados por Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Sommerfeld y Dirac, para la teoría atómica actual? 2. ¿Cuál es la representación gráfica para cada uno de los modelos atómicos realizados por los investigadores anteriores? 3. ¿Cómo fueron descubiertas las partículas integrantes del átomo: el electrón, el protón y el neutrón?
pales aplicaciones para el oro, la plata, el cobre y el estaño? ¿Quiénes fueron Andrés Manuel del Río, Fausto de Elhuyar y Vicente Ortigoza?, ¿cuáles fueron sus principales aportes? ¿Cuál fue, en sus inicios, la principal actividad de la empresa Syntex? ¿A qué se le llama “hierro esponja” y cuáles son sus principales aplicaciones? ¿En qué consistió la denominada “revolución verde” y cuáles fueron sus consecuencias?
2. 3. 4. 5.
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RECONOCES A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA Para evaluar la línea de tiempo, les sugerimos utilizar la siguiente matriz de valoración: #ATEGOR¤A
3
2
El estudiante tiene apuntes sobre todos los eventos y fechas que él o ella desea incluir en la línea de tiempo antes de empezar a diseñarla.
El estudiante tiene apuntes sobre casi todos los eventos y fechas que él o ella desea incluir en la línea de tiempo antes de empezar a diseñarla.
El estudiante tiene apuntes sobre la mayoría (~75%) de los eventos y fechas que él o ella desea incluir en la línea de tiempo antes de empezar a diseñarla.
El estudiante no había preparado apuntes adecuados antes de empezar a diseñar la línea de tiempo.
Conocimiento del contenido
El estudiante puede describir precisamente 75% (o más) de los eventos en la línea de tiempo sin referirse a esta, y puede rápidamente determinar cuál de dos eventos ocurrió primero.
El estudiante puede describir precisamente 50% de los eventos en la línea de tiempo sin referirse a esta, y puede rápidamente determinar cuál de dos eventos ocurrió primero.
El estudiante puede describir cualquier evento en la línea de tiempo si se le permite referirse a esta, y puede determinar cuál de dos eventos ocurrió primero.
El estudiante no puede usar la línea de tiempo eficazmente para describir o comparar eventos.
Contenido / hechos
Los hechos son Los hechos son precisos para todos los precisos para casi eventos reportados. todos los eventos reportados.
Los hechos son precisos para la mayoría (~75%) de los eventos reportados.
Con frecuencia, los hechos son incorrectos para los eventos reportados.
La apariencia total de la línea de tiempo es agradable y fácil de leer. Todas las ilustraciones son efectivas y balanceadas con el uso del texto.
La línea de tiempo es relativamente legible.
La línea de tiempo es difícil de leer.
Algunas ilustraciones son efectivas y su uso es balanceado con el uso del texto.
Varias ilustraciones no son efectivas o pertinentes con lo que describe el texto.
Preparación
Legibilidad
Ilustraciones
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La apariencia total de la línea de tiempo es algo agradable y fácil de leer. Todas las ilustraciones son efectivas, pero parece haber muy pocas o muchas.
1
Utilicen la siguiente escala para evaluar la línea de tiempo. 0UNTAJE
#OMENTARIOS
De 16 a 20 puntos
El trabajo fue sobresaliente. ¡Felicitaciones!
De 11 a 15 puntos
Buen trabajo. Seguramente pueden mejorar siempre que cuiden los detalles.
De 6 a 10 puntos
Es necesario que se esfuercen más para obtener mejores resultados.
Menos de 10 puntos
Detecten las causas del desempeño deficiente y corríjanlas.
¿Qué podrían hacer para mejorar su participación en el equipo de trabajo?
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Desarrolla competencias
actividad individual
Reflexiona y responde las siguientes preguntas. Luego puedes compartir tus respuestas con tu profesor.
1. ¿Cuál de los aprendizajes obtenidos calificarías como el más significativo? ¿Por qué?
2. ¿Qué relación encuentras entre lo que acabas de aprender y tu vida diaria?
3. ¿Qué cambios harías en el diseño de la actividad para que fuera mucho más interesante y poder mejorar tu aprendizaje?
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La química
El método científico y sus aplicaciones
La observación, la experimentación y la investigación son las bases del método científico. ¿Piensas que solo los grandes investigadores químicos emplean este método en sus trabajos de laboratorio? ¿Crees que se pueda aplicar el método científico en algunas de las actividades que realizas en tu vida cotidiana?
En la actualidad, la humanidad posee un inmenso cúmulo de conocimientos. Tan grande es el acervo, que sería prácticamente imposible encontrar hoy figuras como Leonardo da Vinci (1452-1519), que en su momento logró dominar casi todas las áreas del conocimiento que existían. Fue artista, científico, ingeniero, inventor, anatomista, escultor, arquitecto, urbanista, botánico, músico, poeta, filósofo y escritor. El ser humano del siglo xxi es el heredero de múltiples esfuerzos de pensadores, filósofos y científicos de todas las épocas. Sin embargo, no solo es suficiente la genialidad de una persona, se necesita mucha dedicación y una gran disciplina. Gracias a las reflexiones sobre los resultados que estas personas obtuvieron en la investigación, se creó el método científico. En el siglo xvii se sentaron las bases del método científico. El político y filósofo inglés Francis Bacon (15 1-1 2 ) fue el primero en distinguir entre la investigación científica y el razonamiento st-editorial.com
lógico. En su época, por influencia de los antiguos filósofos griegos, se consideraba que para conocer la realidad y desentrañar sus misterios, la herramienta principal o única era el razonamiento. Bacon, por el contrario, afirmaba que para obtener conocimientos válidos sobre la realidad de las cosas y los fenómenos, era necesaria la aplicación de una serie de pasos con una secuencia lógica. En términos sencillos, su propuesta partía de observaciones minuciosas, elaboración de hipótesis, experimentación (cuando era posible hacerlo), contrastación de los resultados experimentales con las hipótesis planteadas previamente y, al final, la estructuración de principios o teorías que debían ser tomadas como ciertas hasta que no las desmintieran otros hechos o experiencias. Actualmente, toda persona que se dedica a actividades científicas, o cualquiera que se cuestione el porqué de las cosas o los fenómenos, utiliza el método científico como herramienta indispensable. 27
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Lee Lavoisier y la teoría del flogisto El descubrimiento del fuego marcó un hito en el desarrollo de la humanidad. Al observar la combustión de diversas sustancias, los antiguos griegos supusieron que todo lo que era capaz de arder contenía dentro de sí al elemento fuego, y este se liberaba bajo las condiciones apropiadas. Por su parte, los alquimistas atribuyeron la combustiblidad (la propiedad de arder) de una sustancia al “principio del azufre”. Así pues, las sustancias que contenían tal principio ardían, mientras que las que carecían de él no podían hacerlo. El químico alemán Georg Ernst Stahl (1660-1734) dio a conocer en 1702 la teoría del flogisto para explicar el fenómeno de la combustión. El flogisto, sustancia misteriosa, invisible e imponderable, estaba contenida en las sustancias combustibles. Cuanto más flogisto poseía una sustancia, era capaz de arder con mayor facilidad. Al término de la combustión, habiéndose desprendido el flogisto, la sustancia
ya no podía arder, puesto que se había “desflogisticado”. Para la mayoría de los científicos de la época, la teoría del flogisto era totalmente acertada puesto que explicaba los cambios que se observaban al desarrollarse la combustión, principalmente en lo que se refería a la disminución de la masa original, ya que era menor al que poseía la muestra original.
¿Cómo se demostró la falsedad de esta teoría? La respuesta se encuentra en la aplicación incipiente del método científico por uno de los químicos más importantes de la historia: Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794). Por aquella época, Lavoisier trabajaba buscando una mejora de las técnicas del alumbrado público en París. En sus experimentos calentaba algunas muestras de metales como el estaño y el plomo en recipientes cerrados
herméticamente, y con una pequeña cantidad de aire; al final se formaba en la superficie una fina capa de metal “calcinado”. Midió cuidadosamente la masa antes y después del experimento, y pudo determinar que no había variación alguna considerando el sistema completo (metal, calcinado y aire). Sin embargo, cuando pesó las muestras de metal calcinado notó que su masa se había incrementado. Repitió la experiencia en numerosas ocasiones y obtuvo el mismo resultado. Así, concluyó que al contrario de lo que afirmaba la teoría del Stahl, no se había desprendido flogisto de la muestra al arder, sino que había ganado algo de aire. La sustancia en cuestión era el oxígeno. A raíz de sus observaciones, demostró la falsedad de la teoría del flogisto y enunció la ley de la conservación de la masa, por la cual es conocido ampliamente.
Fuente: www.biografiasyvidas.com/biografia/l/lavoisier.htm A partir de la lectura anterior, establece cuáles son los pasos del método científico que se utilizaron para determinar la teoría del flogisto y luego refutarla.
El método científico se compone de varios pasos que siguen un orden lógico y que a través de la experiencia han demostrado su validez para alcanzar resultados confiables. Es necesario señalar que existen diferentes posturas sobre cuáles son los pasos del método científico y en qué orden deben seguirse, pero en general, las coincidencias muestran que los más esenciales son los que se describen a continuación. 28
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RECONOCES A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA
INFOGRÁFICO 2. PASOS DEL MÉTODO CIENTÍFICO Obtención y registro de información
? Un fenómeno Planteamiento de la hipótesis
Experimentación
Comunicación de resultados
Contrastación de resultados
Identificación de problemas y formulación de preguntas de carácter científico Seguramente has escuchado o leído en el periódico o en una revista sobre la situación ambiental actual; quizás tú mismo te hayas hecho estas preguntas o algunas similares: ¿Por qué se está adelgazando la capa de ozono? ¿Cuáles son las causas de la pérdida de la biodiversidad? ¿Cuáles son los factores que están provocando el cambio climático? ¿Cuáles son las consecuencias más graves para el planeta provocadas por el cambio climático? La observación, la identificación de problemas y la consiguiente formulación de preguntas al respecto son actividades primordiales para el avance de cualquier ciencia. Los científicos pueden compararse a “eternos curiosos” que contemplan la realidad con ojos inquisitivos, tratando de desentrañar los mecanismos que explican su comportamiento. Sin embargo, no cualquier observación es útil para identificar un problema. Es necesario aplicar atentamente
los sentidos y detectar, en lo posible, todos los factores que influyan o parezcan influir en el desarrollo del fenómeno. Las preguntas que se logren formular deberán servir para hacer observaciones precisas para encontrar la mayor cantidad de respuestas posibles.
Planteamiento de la hipótesis Una vez que se ha observado un fenómeno, el paso siguiente es proponer una explicación sobre aquel, es decir, elaborar una hipótesis. La siguiente lectura relata la famosa anécdota en la que Isaac Newton (1 43-1727) observó la caída de una manzana y a partir de este hecho propone una hipótesis que dará, al final, el punto de apoyo para establecer la ley de la gravitación universal. En términos generales, una hipótesis es una suposición que permite establecer relaciones entre hechos y, de esa manera, explicarnos por qué se produce. Toda suposición tiene, necesariamente, un cierto margen de error.
Lee Newton, la manzana y la ley de la gravitación universal ¿Por qué la manzana debe siempre descender perpendicularmente a la Tierra?, pensó para sí mismo [Isaac Newton]. ¿Por qué no va hacia un lado o hacia arriba, sino constantemente hacia el centro de la Tierra? Seguramente, la razón es que la tierra la atrae.
Debería haber una fuerza de atracción en la materia: y la suma de las fuerzas de atracción en la materia de la Tierra debería estar en el centro de la Tierra, y no en otro lugar. Por esto, esta manzana cae perpendicularmente, o hacia el centro. Si la materia
atrae así a la materia, debe ser en proporción a su cantidad. Por tanto, la manzana atrae tanto a la Tierra como la Tierra atrae a la manzana. Así que hay una fuerza, como la que aquí llamamos gravedad, que se extiende ella misma a través del universo.
Fuente: William Stukeley, Memorias de sir Isaac Newton.
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E l mundo que te rodea La práctica de la investigación científica se encuentra invariablemente vinculada a una concepción materialista del mundo. La corriente filosófica del materialismo afirma que la realidad existe independientemente del que observa. De esta manera, podemos aceptar que nuestro conocimiento tiene cierto margen de error o imprecisión, que las verdades científicas son sobre todo temporales y que, en algunas ocasiones, la magnitud del error o los preconceptos del observador pueden incluso ser tan grandes y marcados como para tergiversar la observación misma. ¿Qué piensas sobre la subjetividad de la ciencia?
En ese sentido, cuando un investigador elabora una hipótesis, no tiene la absoluta certeza de poder comprobarla. Por otro lado, una buena hipótesis debe basarse en el conocimiento científico preexistente. Otro elemento indispensable para construir una buena hipótesis es la verificabilidad, es decir que pueda comprobarse utilizando los métodos y procedimientos que dicha ciencia ya posee.
Obtención y registro de información
Figura 3. La bitácora para registrar datos y observaciones es una herramienta esencial en el trabajo científico.
La actividad científica consigna con detalle y método una información relevante para hallar explicaciones acerca del fenómeno que está estudiando. Además de lo que los sentidos nos proporcionan, utiliza instrumentos apropiados y fuentes de consultas válidas que ayudan a sustentar, corregir o desechar la hipótesis planteada (figura 3). Por ejemplo, el eminente físico italiano Galileo Galilei (15 4-1 42) es un claro ejemplo de un científico que, además de realizar observaciones precisas y plantear hipótesis claras, registraba minuciosamente la información. En todas sus obras agregó una extensa serie de dibujos sobre lo que observaba con el telescopio, o cuando experimentaba con el plano inclinado. Si tienes el interés por desarrollar un espíritu científico, acostúmbrate a llevar una bitácora donde registres diariamente lo que sucede con el fenómeno o problema que estés estudiando; busca toda la información que puedas y contrástala con lo que has registrado de tus observaciones, anotando tus reflexiones. Esto te será de mucha utilidad para llegar al planteamiento de soluciones pertinentes al problema.
Experimentación En la química, ciencia experimental por definición, este paso es fundamental. El término “experimento” hace referencia a la creación de pruebas que sirven para verificar la o las hipótesis establecidas sobre las causas de un determinado problema u objeto de estudio. Al diseñar este experimento, el investigador escoge algunos factores, también llamados variables, que inciden sobre el funcionamiento del fenómeno o hecho que se está observando, y los altera de manera controlada para ver las consecuencias resultantes. No todas las variables tienen la misma categoría ni influyen de la misma forma sobre el fenómeno o problema en estudio. Así pues, tenemos dos grandes clases de variables: las independientes y las dependientes. Las variables dependientes son aquellas que, se supone, influyen directamente sobre el comportamiento, fenómeno o hecho en estudio. Las variables dependientes cambian sus valores a partir del cambio en las variables independientes. Por ejemplo, en el estudio del comportamiento de los gases, una variable independiente es la temperatura, mientras que las variables dependientes son la presión y el volumen. En efecto, cuando la temperatura de un gas se incrementa, el volumen lo hace de manera proporcional. A la inversa, cuando decrece la temperatura de un gas, también disminuye su volumen. Cuando una muestra de gas está contenida en un recipiente hermético, el aumento de la temperatura incrementa la presión y, a la inversa, si se enfría el recipiente, la presión tiende a disminuir. 30
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RECONOCES A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA
Contrastación de resultados Realizado el experimento, el investigador reflexiona sobre sus resultados y, en caso necesario, reformula el diseño para obtener mejores resultados. Sin embargo, la pregunta fundamental que se hace el investigador en este paso es la siguiente: partiendo de los resultados de la experimentación, ¿la hipótesis se prueba o se desecha? No se debe afirmar de buenas a primeras que la hipótesis se refuta o se comprueba. Es necesario efectuar un análisis concienzudo y minucioso de los resultados obtenidos, revisar –si las hay– las gráficas que muestran el comportamiento del fenómeno y la bibliografía, en la que podamos encontrar información confiable relacionada con nuestro estudio. Solo así podemos estar seguros de que nuestra aplicación del método científico va por buen camino.
Comunicación de resultados Como ya hemos expresado en el punto anterior, los científicos analizan los resultados obtenidos en la etapa de experimentación; en la etapa de contrastación dan respuesta sobre la validez o nulidad de la hipótesis; y por último se procede a comunicar los resultados. Si la hipótesis se desecha, se vuelve a plantear otra y se repite la aplicación del método científico hasta llegar de nuevo a la presente etapa. Cuando un investigador ha logrado probar una hipótesis que explica uno o varios fenómenos, tiene la necesidad y, podría decirse, la obligación de comunicar a la comunidad científica sus resultados, de manera que cualquiera pueda replicar la experiencia y aceptar o refutar las conclusiones obtenidas. Este paso es esencial para dar validez a los nuevos conocimientos y así enriquecer el desarrollo de la ciencia.
Desarrolla competencias
actividad grupal
E n la web
Recomendamos visitar las siguientes páginas para conocer más sobre los temas de este bloque: U aportes.educ.ar/quimica/ nucleo-de-herramientas/pro puestas-de-ensenanza/_la_ quimica_en_la_vida_cotidia.php U www.silviamar.com/Spanish /quimica_dia.htm
Utiliza el método científico en la resolución de problemas relacionados con la química de su entorno inmediato.
A primera vista, el método científico es una herramienta exclusiva de los científicos. Sin embargo, el método debe ser un instrumento de uso común para cualquier persona, especialmente para quienes continúan con estudios de nivel medio superior o superior. A continuación te invitamos a que te reúnas en equipo y desarrollen una sencilla experiencia de aplicación del método científico sobre la solubilidad y la temperatura de una sustancia.
1. Preparen en un recipiente –que pueda ser calentado– una disolución saturada de cloruro de sodio (sal de mesa). Para ello, coloquen en el recipiente el contenido de un vaso de agua limpia; luego añadan una cucharada pequeña de sal de mesa y agiten hasta completar la disolución. Continúen con este proceso hasta que lleguen al punto de saturación, lo cual se nota fácilmente porque ya no puede disolverse más sal.
2. Una vez preparada la disolución, apliquen la primera parte del método científico, efectúen observaciones y regístrenlas en su cuaderno; les sugerimos las siguientes preguntas (pueden añadir las que consideren necesarias): a. ¿Cuál es la apariencia de la disolución saturada? b. ¿Cómo es su sabor? c. ¿Cuántos gramos de sal lograron disolverse? d. ¿Cuál es la temperatura de la disolución? e. ¿Existe información sobre la solubilidad del cloruro de sodio, como tablas o gráficas?, ¿dónde pueden encontrarse? ¿Coincide la información de esas tablas o gráficas con la que hemos obtenido al desarrollar nuestra experiencia? Si hay alguna diferencia, ¿a qué puede deberse?
3. Formulen una hipótesis sencilla, como la siguiente: “Al incrementar la temperatura de la disolución, aumenta la solubilidad del cloruro de sodio”.
4. Para desarrollar el experimento: a. ¿Qué materiales o equipo se necesita? b. ¿Cómo pueden controlar la temperatura? c. ¿Cómo registran los datos obtenidos en la experiencia? d. ¿Cómo analizan los resultados? st-editorial.com
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5. ¿Desecharon o comprobaron su hipótesis? Tomando como base los resultados de su experiencia y la información que previamente obtuvieron de libros, tablas o gráficas, anoten las conclusiones que consideren pertinentes, cuidando que su lenguaje sea claro y accesible para quienes las lean.
6. Realicen el informe de la experiencia que incluya: a. Título del experimento. b. Objetivo. c. Consideraciones teóricas. d. Hipótesis. e. Materiales y equipo. f. Pasos para desarrollar el experimento. g. Análisis de los resultados y elaboración de conclusiones donde muestren si se comprueba o se desecha la hipótesis, y los ajustes que deberían realizar para que su experimento funcione mejor.
Lee Molina y su descubrimiento Hoy por hoy, uno de los más grandes problemas de la humanidad es la contaminación ambiental unida al fenómeno del calentamiento global. El doctor mexicano Mario Molina Enríquez (1943), ganador del premio Nobel de Química en 1995, aplicó junto con su equipo el método científico para identificar los factores asociados a la descomposición de la capa de ozono. El profesor Molina y su grupo de investigación publicaron una serie
de artículos entre 1976 y 1986, donde se pronunciaban sobre la función esencial de las propiedades químicas de compuestos en la descomposición del ozono de la estratosfera. Luego demostraron en el laboratorio la existencia de una nueva clase de reacciones químicas que ocurren en la superficie de partículas de hielo, inclusive aquellas que están presentes en la atmósfera. También propusieron y demostraron en el laboratorio una nueva secuencia de reacciones
catalíticas que explican la mayor parte de la destrucción del ozono en la estratosfera polar. Recientemente, el profesor Molina ha estado investigando la química de la contaminación atmosférica en la baja atmósfera y se ha involucrado en trabajos interdisciplinarios colaborando con expertos de múltiples disciplinas, para enfrentar el problema de la degradación de la calidad del aire en las grandes ciudades del planeta.
Fuente: Centro Mario Molina. En: www.centromariomolina.org/biografia.html Integra un equipo con dos o tres de tus compañeros y realicen las siguientes actividades.
1. En el texto anterior identifiquen cuáles etapas del método científico se aplicaron.
2. Identifiquen en su entorno algún problema o fenómeno en el que puedan aplicar el método científico. Traten de cumplir todas las etapas del método y finalmente muestren su trabajo a su profesor y al grupo para recibir retroalimentación.
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Evaluación sumativa Heteroevaluación Realiza las siguientes actividades en tu cuaderno.
1. Anota la definición de química. 2. Describe el campo de estudio de las siguientes ramas de la química: a. Química orgánica. b. Química analítica. c. Química general. 3. ¿Cuáles son los pasos del método científico? ¿En qué consisten? 4. ¿Cuáles eran, según Aristóteles, los cuatro elementos primordiales? 5. ¿A qué se le llamó alquimia? 6. ¿Qué era, para los alquimistas, la piedra filosofal? 7. ¿Cómo construyó Mendeleïev su tabla periódica? 8. ¿En qué consiste el modelo atómico de Dalton? 9. ¿Por qué razón se considera que el experimento de Wöhler dio inicio a la química orgánica? 10. ¿Cuáles fueron las principales aportaciones de Andrés Manuel del Río?
Autoevaluación I. Utiliza tu creatividad y realiza lo que te piden los siguientes enunciados. 1. Redacta en tu cuaderno un texto de dos o tres párrafos en los que expreses la importancia que tiene la química en tus actividades diarias. Incluye al menos dos ejemplos y dos ilustraciones.
2. Explica en qué consiste la relación de la química con: a. Las matemáticas.
b. La biología.
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c. La física.
II. Lee con atención los dos textos siguientes e identifica en cada uno de ellos los pasos del método científico; anótalos en una hoja aparte.
Texto 1 Juan está dispuesto a ver su programa favorito en la televisión, sin embargo, al presionar el botón de encendido en el control remoto el televisor no se enciende. Repite dos veces la operación y nada. Revisa si el control remoto está bien, cambia
las pilas y sigue sin encenderse. Se acerca al aparato y trata de encenderlo directamente presionando los botones, pero no hay caso. Comprueba si está conectado el televisor, y así es, pero no funciona. Trata de encender la luz de la habitación sin
resultado. Prueba en otras habitaciones y tampoco. Sospecha entonces que el problema está en los fusibles. Al revisarlos se da cuenta de que uno de ellos está averiado. Coloca uno en buenas condiciones y todo vuelve a funcionar normalmente.
Fuente: http://deismo.iespana.es/ejemplocotidiano.htm
Texto 2 El experimento de Rutherford consistió en “bombardear” con un haz de partículas alfa una fina lámina de oro de, aproximadamente, 200 átomos de espesor. Las partículas alfa con carga positiva se obtenían de la desintegración de una sustancia radiactiva, el polonio. Para obtener un fino haz se colocó la muestra radiactiva en una caja de plomo en la que se practicó un pequeño orificio. Perpendicular a la trayectoria del haz se interpuso la lámina de oro y para la detección de trayectoria de las partículas, se empleó una pantalla con sulfuro de zinc que produce pequeños destellos cada vez que una partícula alfa choca con él. Según el modelo de Thomson, las partículas alfa atravesarían la lámina 34
metálica sin desviarse tanto de su trayectoria por las siguientes razones:
R La carga positiva y los electrones se encuentran dispersos en todo el volumen del átomo.
desviaban hacia la fuente de polonio, aproximadamente una de cada 8 000 partículas. En palabras de Rutherford ese resultado era “tan sorprendente como si le disparases balas de cañón a una hoja de papel y rebotasen hacia ti”.
R Las partículas alfa tienen una gran masa comparada con la masa de los electrones y no serían desviadas por estos ni por las fuerzas eléctricas que existen entre ellos.
R Las partículas alfa encontrarían en su camino muchos átomos y eso compensaría las desviaciones que pudieran darse. Sin embargo, se observó que un pequeño porcentaje de partículas se
Rutherford concluyó que el hecho de que la mayoría de las partículas atravesaran la hoja metálica, indica que gran parte del átomo está vacío, que la desviación de las partículas alfa indica que el deflector y las partículas poseen carga positiva, pues la desviación siempre es dispersa. Y el rebote de las partículas alfa indica un encuentro directo con una zona fuertemente positiva del átomo y a la vez muy densa. st-editorial.com
El modelo atómico de Rutherford mantenía el planteamiento de Thomson, de que los átomos poseen electrones, pero su explicación sostenía que todo átomo estaba formado por un núcleo y una corteza. El núcleo debía tener carga positiva, un radio muy pequeño y en él se
concentraba casi toda la masa del átomo. La corteza estaría formada por una nube de electrones que orbitan alrededor del núcleo. Según Rutherford, las órbitas de los electrones no estaban muy bien definidas y formaban una estructura
compleja alrededor del núcleo, dándole un tamaño y una forma indefinidos. También calculó que el radio del átomo, según los resultados del experimento, era 10 000 veces mayor que el núcleo mismo, lo que implicaba un gran espacio vacío en el átomo.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Rutherford
III. Nuestra capacidad de aprender mejora cuando conocemos con precisión qué hemos aprendido y cuánto –de lo pretendido originalmente– hemos conseguido. En la siguiente tabla marca con una X tu nivel de desempeño. .IVELDEDESEMPE®O
!SPECTO
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Concepto de Puedo explicar química y relación claramente el con otras ciencias concepto de química y describir cómo se relaciona con otras ciencias.
Desarrollo histórico de la química
Aplicación del método científico experimental
Ubico clara y correctamente las diferentes etapas y personajes del desarrollo histórico de la química. Explico, además, cómo se relacionan entre sí. Ante una situaciónproblema de la vida cotidiana sé cuáles pasos del método científico experimental puedo aplicar y de qué manera para encontrar la solución.
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2
Aunque puedo explicar bien el concepto de química, me cuesta trabajo describir cómo y por qué se relaciona con otras ciencias. Logro ubicar la mayoría de las etapas del desarrollo de la química pero tengo cierta dificultad para explicar cómo se relacionan entre sí.
Tengo más o menos claro el concepto de química pero no sé describir cómo se relaciona con otras ciencias.
Conozco la definición de química pero no puedo explicarla ni describir la relación de esta ciencia con otras.
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Solo conozco algunas de las etapas del desarrollo de la química pero no puedo explicar bien qué relación tienen entre ellas.
Frente a una situación-problema de la vida cotidiana identifico con claridad cuáles pasos del método científico experimental debo utilizar, pero en la práctica no puedo aplicarlos adecuadamente.
Frente a una situación-problema que debo resolver tengo dificultad para identificar y aplicar los pasos del método científico experimental.
Mi dominio de las etapas es bajo y me confundo al ubicarlas en el tiempo. Tampoco puedo explicar qué relación hay entre las etapas y personajes. Conozco teóricamente cuáles son los pasos del método científico pero no sé cómo aplicarlos para solucionar problemas cotidianos.
De los desempeños marcados con 1 o con 2, anota en tu cuaderno un compromiso de trabajo concreto y establece una fecha para su consecución.
IV. Reflexiona y responde en tu cuaderno las siguientes preguntas acerca de tu desempeño durante el estudio del bloque. Piensa qué harías para mejorar.
1. ¿Reconociste conocimientos previos antes de estudiar el bloque?, ¿cuáles fueron? 2. ¿Cuáles fueron los aprendizajes que adquiriste durante el estudio de los temas vistos en el bloque?, ¿cómo los aprendiste?
3. ¿En qué actividades se te presentaron más dificultades?, ¿qué estrategias implementaste para superarlas?
4. ¿Consideras que los conocimientos acerca de la química que aprendiste en este bloque son útiles en tu vida cotidiana?, ¿por qué?
5. ¿Qué aspectos piensas que debes mejorar antes de iniciar el estudio del bloque siguiente?, ¿cómo los mejorarás?
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Desempeños del estudiante
Bloque 2 Comprendes la interrelación de la materia y la energía
s #OMPRENDEELCONCEPTO LASPROPIEDADES YLOSCAMBIOSDELAMATERIA s #ARACTERIZALOSESTADOSDEAGREGACINDELAMATERIA s %XPRESAALGUNASAPLICACIONESDELOSCAMBIOS DELAMATERIAENLOSFENMENOSQUEOBSERVAENSUENTORNO s 0ROMUEVEELUSORESPONSABLEDELAMATERIA PARAELCUIDADODELMEDIOAMBIENTE s $ISTINGUEENTRELASFUENTESDEENERG¤ASLIMPIAS YCONTAMINANTES s !RGUMENTALAIMPORTANCIAQUETIENENLASENERG¤AS LIMPIASENELCUIDADODELMEDIOAMBIENTE
Bloque 1
Bloque 2
Bloque 3
Bloque 4
Reconoces a la química como 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
Competencias a desarrollar s &UNDAMENTAOPINIONESSOBRELOSIMPACTOSDELACIENCIAYLA TECNOLOG¤AENSUVIDACOTIDIANA ASUMIENDOCONSIDERACIONES£TICAS s )DENTIlCAPROBLEMAS FORMULAPREGUNTASDECARÖCTER CIENT¤lCOYPLANTEALASHIPTESISNECESARIASPARARESPONDERLAS s /BTIENE REGISTRAYSISTEMATIZALAINFORMACINPARARESPONDER APREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO CONSULTANDOFUENTESRELEVANTES YREALIZANDOEXPERIMENTOSPERTINENTES s #ONTRASTALOSRESULTADOSOBTENIDOSENUNAINVESTIGACINO EXPERIMENTOCONHIPTESISPREVIASYCOMUNICASUSCONCLUSIONES s 6ALORALASPRECONCEPCIONESPERSONALESOCOMUNESSOBREDIVERSOS FENMENOSNATURALESAPARTIRDEEVIDENCIASCIENT¤lCAS s %XPLICITALASNOCIONESCIENT¤lCASQUESUSTENTANLOSPROCESOS PARALASOLUCINDEPROBLEMASCOTIDIANOS
s !NALIZALASLEYESGENERALESQUERIGENELFUNCIONAMIENTO DELMEDIOF¤SICOYVALORALASACCIONESHUMANASDERIESGO EIMPACTOAMBIENTAL s !PLICANORMASDESEGURIDADENELMANEJODESUSTANCIAS INSTRUMENTOSYEQUIPOENLAREALIZACINDEACTIVIDADES DESUVIDACOTIDIANA s !SUMEUNAACTITUDQUEFAVORECELASOLUCINDEPROBLEMAS AMBIENTALESENLOSÖMBITOSLOCAL NACIONALEINTERNACIONAL s 2ECONOCEYCOMPRENDELASIMPLICACIONESBIOLGICAS ECONMICAS POL¤TICASYSOCIALESDELDA®OAMBIENTALENUNCONTEXTOGLOBAL INTERDEPENDIENTE s #ONTRIBUYEALALCANCEDEUNEQUILIBRIOENTRELOSINTERESES DECORTOYLARGOPLAZOCONRELACINALAMBIENTE
Bloque 5
Bloque 6
Bloque 7
Bloque 8
Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares
Manejas la nomenclatura química inorgánica
Representas y operas reacciones químicas
Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas
Introducción
¿ Objetos de aprendizaje Materia Propiedades YCAMBIOS
Alguna vez has reflexionado sobre la química como la ciencia que estudia las características, propiedades y transformaciones de la materia? En tales transformaciones,
la energía desempeña un papel trascendente y la química se encarga de examinar sus efectos y establecer los principios o las leyes que rigen su interacción con la materia. Nuestra meta final en este bloque es ayudarte a que aprendas los principios básicos de la interacción entre materia y energía y los utilices para conocer cómo funciona el planeta en el que vives y para que tomes conciencia de tu actitud en su conservación. El mapa conceptual que tienes a continuación puede ayudarte a entender mejor los contenidos de este bloque.
Energía YSUINTERRELACIN CONLAMATERIA
Comprendes la interrelación entre materia y energía entendiendo los conceptos de
materia
energía
conoce sus influye en
propiedades pueden ser
extensivas intensivas químicas físicas
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estudia sus
cambios de estado
tipos
por ejemplo
por ejemplo
deposición evaporación sublimación licuefacción solidificación fusión
potencial cinética química nuclear
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Para comenzar... Para que puedas comprender los temas de este bloque, es necesario que rescates las competencias (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que ya has adquirido a lo largo de tu vida. Haz tu mejor esfuerzo para responder y detecta aquellos
Actividades de enseñanza Cuestionarios breves que permitan IDENTIlCARLOSCONOCIMIENTOS PREVIOSSOBRELOSOBJETOS DEAPRENDIZAJEDELBLOQUE
aspectos que no conoces o dominas para enfocar tu estudio.
Conocimientos Realiza las siguientes actividades que te proponemos.
Consulta, en diferentes fuentes DEINFORMACIN SOBREELCONCEPTO DEMATERIAYLASCARACTER¤STICASDE LOSCAMBIOSF¤SICOS QU¤MICOSYNUCLEARES
a. Materia:
Exposición de las características GENERALESDELOSESTADOS DEAGREGACINDELAMATERIA
b. Energía:
Actividad experimental QUEPERMITARECONOCER LASPROPIEDADESF¤SICAS LAS CARACTER¤STICASDELOSESTADOS DEAGREGACINYLOSCAMBIOS QUEPRESENTALAMATERIA
1. Escribe lo que se te viene a la mente cuando lees los siguientes términos:
Visita a un museo, de manera PRESENCIALOVIRTUAL ENELQUE SEEXPONGANLASCARACTER¤STICAS DELOSDIFERENTESTIPOSDEENERG¤A YSUSMECANISMOSDEGENERACIN
c. Estado de agregación:
2. Explica en tu cuaderno cómo te imaginas el proceso de los siguientes cambios de estado:
a. Fusión. b. Solidificación. c. Evaporación.
Investigación sobre nuevas FUENTESDEENERG¤AENDIFERENTES COMUNIDADESNACIONALES YOPA¤SES Presentación sobre h&UENTESDEENERG¤AYSUUSOv PARAEXPLICARLOSDIVERSOSTIPOS YFUENTESDEENERG¤A ENFATIZANDO ENLAIMPORTANCIADELUSO RACIONALDEESTA Foro sobre la importancia DELCUIDADOENELUSO YAPLICACINDELAENERG¤A ENLASACTIVIDADESHUMANAS
Habilidades Elabora en tu cuaderno un mapa mental o conceptual que incluya los siguientes términos: materia, energía, masa, peso, energía cinética, energía potencial, energía mecánica, sólido, líquido, gas. Si lo consideras necesario, agrega otros para que el mapa quede más completo.
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Actitudes y valores Lee con atención el siguiente texto. Hoy en día, uno de los problemas que la humanidad debe resolver es el uso adecuado y eficiente de la energía. En esta tarea cada uno de nosotros puede hacer algo para ayudar.
1. Anota una acción concreta que te comprometas a realizar en: a. Tu casa:
b. Tu escuela:
c. Tu comunidad:
2. Trata de convencer al menos a dos de tus compañeros o vecinos para que colaboren en el uso adecuado de la energía, ejecutando alguna de las acciones que se te hayan ocurrido.
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Reto ¿Qué es la materia? ¿Cuáles son sus propiedades? ¿De qué manera se relaciona con la energía? ¿Cómo interactúan entre sí? Las preguntas anteriores son, con absoluta certeza, parte medular del bloque que estudiarás a continuación y pueden ser respondidas, teóricamente, con mayor o menor precisión según los conocimientos que hayas adquirido en la secundaria. Sin embargo, no tenemos la intención de que solo aprendas definiciones sino que, por encima de todo, aprendas a observar los fenómenos que suceden a tu alrededor y que logres identificar en ellos las manifestaciones y propiedades de la materia y la forma en que la energía está presente en tales sucesos. El reto que te proponemos requerirá, como en el bloque anterior, de trabajo en equipo con una alta coordinación y responsabilidad.
I. Tomando en cuenta que ya estudiaste el método científico, sus pasos y cómo se aplican, ahora deberás aplicar junto con tus compañeros de equipo ese conocimiento para estudiar un fenómeno, considerando varios aspectos. Las preguntas que aparecen a continuación pueden servir de guía, aunque, por supuesto, pueden añadirse otras que consideren pertinentes.
1. Cuando el fenómeno se presenta, ¿cuáles son sus manifestaciones más evidentes? ¿Sucede siempre de la misma manera o en ocasiones presenta mayor intensidad que en otras? Si su manifestación es variable, ¿a qué pudiera deberse? Es decir, ¿cuáles factores están implicados en su comportamiento diferente? Hablando de la materia y la energía, ¿de qué manera están presentes? ¿Interactúan entre sí para la aparición del fenómeno? Si esto es así, ¿cómo puedes describir esa interacción? Por otra parte, la influencia de la energía en la materia y viceversa, ¿puede medirse?, ¿de qué manera?, ¿con qué aparatos? 2. La aparición del fenómeno, ¿es predecible o impredecible? En cualquiera de las dos opciones, ¿cómo puede explicarse su predecibilidad o su impredecibilidad? En el caso de que sea predecible, ¿qué factores lo provocan? 3. Si el fenómeno es predecible, ¿podrían estructurar un modelo que pueda explicar tanto su presencia como su comportamiento? ¿Cuál sería ese modelo? Descríbanlo tan claro como les sea posible.
II. Cada uno de los integrantes del equipo deberá compartir con sus compañeros las observaciones que haya realizado y tratarán de llegar, por consenso, a conclusiones sobre la forma en que en el fenómeno estudiado manifiesta las propiedades de la materia y su interrelación con la energía.
III. Finalmente, preparen una presentación en computadora y muestren al profesor y a sus compañeros los frutos de sus observaciones y sus conclusiones obtenidas con base en las observaciones. Cuiden que la presentación tenga como máximo 15 diapositivas, incluyendo solo el texto necesario y un buen elenco de imágenes seleccionadas para ilustrar las ideas.
Coevaluación Utilicen la siguiente rúbrica para evaluar el trabajo de los equipos. #ATEGOR¤A
Organización del trabajo
%XCELENTE El equipo repartió equitativamente las cargas de trabajo y cada uno de los integrantes asumió el rol que le correspondía.
3UlCIENTE El equipo repartió equitativamente las cargas de trabajo pero no todos los integrantes asumieron su rol.
2EGULAR
)NSUlCIENTE
La cargas de trabajo se repartieron inequitativamente y varios de los integrantes no cumplieron con el rol.
No se repartieron las cargas de trabajo y la mayoría de los integrantes del equipo no cumplió con el rol asignado.
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#ATEGOR¤A Participación en la actividad
Logro de la tarea
3UlCIENTE
2EGULAR
)NSUlCIENTE
Todos y cada uno de los miembros del equipo participó con entusiasmo y compromiso en la actividad.
%XCELENTE
La mayoría de los miembros del equipo participó mostrando compromiso y entusiasmo.
Pocos integrantes del equipo trabajaron. Los demás no tuvieron participación alguna.
Ninguno de los miembros del equipo participó en la actividad y por ello no se cumplió.
La tarea asignada cumplió con todos los aspectos solicitados y se entregó oportunamente para su evaluación.
La mayoría de los aspectos solicitados en la tarea se cumplieron. La entrega fue oportuna.
Del total de aspectos solicitados en la tarea solo algunos se cumplieron, asimismo, la entrega del producto no fue oportuna.
La tarea no se cumplió en lo absoluto y no se entregó el producto solicitado.
Autoevaluación Evalúa tu trabajo y tus actitudes, coloca una X en la descripción que mejor se ajuste a tu desempeño durante la realización del trabajo. !SPECTOAEVALUAR
3IEMPRE
!LGUNASVECES
.UNCA
1. Participé con entusiasmo en la actividad. 2. Manifesté responsabilidad en el desarrollo de la tarea.
3. Generé un ambiente positivo dentro del equipo. 4. Mis aportaciones fueron de calidad. 5. Fui respetuoso con mis compañeros de equipo.
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Tema 1
Tema 2
La materia: propiedades y cambios
La energía y su interrelación con la materia
Una gran parte de la materia con la que diariamente tenemos contacto se convierte en basura, y esta acarrea serios problemas para el ambiente. ¿Has reflexionado acerca de cuánta basura se genera en la escuela y en tu casa? ¿Cómo podrías tú evitar tanta generación de basura?
Según la Real Academia de la Lengua Española la primera acepción de la definición de materia es: “Realidad primaria de la que están hechas las cosas”, y la segunda: “Realidad espacial y perceptible por los sentidos, que, con la energía, constituye el mundo físico”. Ambas, como es lógico, son correctas, pero a los efectos del estudio de la química, nosotros definiremos la materia como aquello que ocupa un lugar en el espacio y posee los atributos de gravedad e inercia. Como ya conoces, la materia está presente en todo el universo, ¿pero te has preguntado cómo surgió? ¿Ha existido siempre en la forma en que actualmente la conocemos? Afirman los astrónomos que hace 13 500 o 15 500 millones de años no existían ni el tiempo
ni el espacio, y lo que hoy denominamos materia y energía se encontraban concentradas en un punto del espacio tremendamente denso y a una temperatura inimaginable. La Gran Explosión, también conocida como Big Bang, dio inicio al universo. En aquel momento se liberaron cantidades enormes de materia y energía que dieron origen a las galaxias, estrellas y planetas. A través de varios millones de años, la materia se ha organizado para obtener un ambiente propicio para el surgimiento de la vida. Todo cuanto existe en el universo está hecho de materia, pero no toda la materia se presenta de la misma forma. Los estados en que se encuentra pueden ser: sólido, líquido, gas o plasma.
Inercia. 4ENDENCIADEUNCUERPOACONSERVARSUESTADODEREPOSOOMOVIMIENTO Temperatura.-EDIDADELAENERG¤ACIN£TICAPROMEDIODELASMOL£CULASDEUNCUERPO
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Glosario 43
BLOQUE 2
Características y manifestaciones de la materia
INFOGRÁFICO 1. CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA
En la física clásica, los científicos consideraban a la materia y a la energía como entidades diferentes y relacionadas de manera externa. Actualmente, la física cuántica ha demostrado que es posible transformar la materia en energía y viceversa, lo cual ha originado una revolución en el pensamiento y en la forma de entender nuestro mundo. La famosa ecuación de Albert Einstein (1879-1955), E = mc2, nos habla de la interconversión de masa (m) y energía (E) asociadas con la velocidad de la luz al cuadrado (c2). Si seguimos con la misma línea de pensamiento, podemos afirmar que la materia puede existir de dos maneras: en forma de masa o en forma de energía. La masa es la existencia de materia en forma de partículas, y la energía, por su parte, es el principio interno de la actividad de la masa. Siempre es importante dejar claro que la masa y el peso tienen una relación indisoluble, pero no son lo mismo. La segunda ley de Newton (F = ma) nos ayuda a comprender el peso y la aceleración de la gravedad (a) aplicada a la masa de un cuerpo determinado (m). En consecuencia, la masa de un cuerpo será la misma en la Tierra que en la Luna; sin embargo, el peso variará a partir de la diferente aceleración de la gravedad. En la Luna, que tiene aproximadamente un sexto del valor de la aceleración de la gravedad existente en nuestro planeta, un cuerpo pesará también la sexta parte de lo que pesa en la Tierra. Además, en el Sistema Internacional de Unidades (si) se distingue la masa del peso, porque cada una tiene unidades diferentes; la masa se mide en kilogramos (kg), mientras que el peso se mide en newtons (N). Como se observa en el infográfico 1, la materia tiene diferentes clasificaciones. Analízalo y procede luego a desarrollar la siguiente actividad.
Materia
Heterogénea
Comprende el concepto, las propiedades y los cambios de la materia.
Desarrolla competencias
actividad individual
Completa la columna de sustancias con aquellas que tengas contacto diariamente y clasifícalas como elemento, compuesto o mezcla. En caso de duda, pide asesoría a tu profesor. 3USTANCIA
4IPO
1. Agua
Compuesto
2. Aire
Mezcla
3. Gas LP
Mezcla
4. 5. 6. 7.
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8. 9. 10.
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COMPRENDES LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIAY LA ENERGÍA
Sustancias puras
Homogénea (composición uniforme)
(composición fija)
Elementos
Mezclas homogéneas
Compuestos
Son la unión química de dos o más elementos químicos en proporciones definidas. Los compuestos se representan por fórmulas, por ejemplo H2O, CO2. Para separar a los elementos que conforman un compuesto se requieren métodos químicos. La sal común (cloruro de sodio), el bicarbonato de sodio y el alcohol etílico (etanol) son ejemplos de compuestos porque los átomos que los componen están unidos mediante enlaces químicos.
Son sustancias que no pueden ser descompuestas en otras más simples por métodos químicos ordinarios. La tabla periódica reporta los elementos químicos conocidos. Hasta la fecha, se conocen 118 elementos, cada uno representado con una letra mayúscula solamente o por una letra mayúscula acompañada de una o más minúsculas. Por ejemplo: hidrógeno (H), carbono (C), hierro (Fe).
(composición variable)
Son la unión física de dos o más sustancias. Su composición es variable y puede separarse por medios físicos. Por ejemplo, una mezcla de azúcar y agua puede tener diferentes proporciones de una o de otra; una vez hecha la mezcla, los componentes pueden separarse por los métodos adecuados. Ejemplos de mezclas son el aire, las bebidas gaseosas, el agua de mar, entre otros.
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BLOQUE 2
Propiedades de la materia La materia es todo lo que se encuentra en el universo y se compone de partículas elementales. Se organiza en niveles; el más complejo consiste en la agrupación de moléculas y estas, a su vez, de átomos.
Figura 1. La goma tiene la capacidad de deformarse cuando le aplicamos una fuerza y de recuperar su forma original al quitarle dicha fuerza.
Figura 2. El punto de fusión del hierro es de 1 539˚C.
Propiedades extensivas Son aquellas propiedades comunes a toda clase de materia y dependen de la cantidad de masa que el cuerpo posee (por eso reciben este nombre). Como ejemplos de propiedades extensivas, mencionemos las siguientes: Masa. Cantidad de materia contenida en los cuerpos. Inercia. Propiedad que poseen los cuerpos de mantener su estado de reposo o de movimiento hasta que una fuerza externa los obligue a cambiar. Peso. Fuerza con la que la Tierra atrae los cuerpos por acción de la gravedad. Impenetrabilidad. Resistencia que opone un cuerpo a que otro ocupe simultáneamente su lugar; ningún cuerpo puede ocupar a la vez el lugar de otro. Volumen. Espacio que ocupa un cuerpo. Divisibilidad. La materia puede dividirse hasta cierto límite, que puede ser microscópico o macroscópico. Elasticidad. Propiedad que tienen los cuerpos de cambiar de forma cuando son afectados por una fuerza, recobrando la original cuando tal fuerza ha cesado (figura 1). Propiedades intensivas También se denominan específicas, y no dependen de la cantidad de masa que posee un cuerpo, sino que corresponden a una sustancia determinada y sirven para identificarla y distinguirla del resto. Mencionemos algunos ejemplos: Punto de ebullición. Temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido se iguala con la presión atmosférica; por ejemplo, el agua posee un punto de ebullición –y de congelación– específico que sirve, entre otras cosas, para distinguirla de cualquier otra sustancia que pudiera tener una apariencia similar, como el etanol. Punto de fusión. Temperatura a la cual los cuerpos en estado sólido pasan al estado líquido (figura 2). Densidad. No cambia su valor cuando aumenta o disminuye la cantidad de masa, por ejemplo, podemos determinar la densidad del agua tomando una muestra de un gramo o una tonelada: el valor será, con el margen de error, el mismo. En el cuadro 1 se observa que cada sustancia se distingue por su punto de fusión y de ebullición; por ello, ambas características se clasifican como propiedades intensivas. CUADRO 1.05.4/3$%&53)Ê.9$%%"5,,)#)Ê.$%!,'5.!33534!.#)!3 3USTANCIA !GUA !LCOHOL !LUMINIO #OBRE (IERRO -ERCURIO 0LOMO
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0 -117 660
100 78
Tanto las propiedades extensivas como las intensivas pueden dividirse, a su vez, en propiedades físicas y químicas. Observa a continuación. Glosario 46
Molécula.0ART¤CULANEUTRAENLACUALSEENCUENTRANCOVALENTEMENTEUNIDOSDOSOMÖSÖTOMOS,AUNIDAD MÖSPEQUE®ADEUNCOMPUESTOQUERETIENELASPROPIEDADESDEDICHOCOMPUESTO
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COMPRENDES LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIAY LA ENERGÍA
180
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160 140 120 100 80 60
4EMPERATURA#
Propiedades físicas Son aquellas relacionadas con el aspecto de las sustancias y con su comportamiento físico, es decir, cuando no hay transformación en la estructura interna de la materia. Dentro de las propiedades físicas, además de los puntos de ebullición y de fusión, se incluyen: Propiedades organolépticas. Son aquellas que se distinguen con los órganos de los sentidos: color, olor, sabor y textura. Densidad. Relación masa-volumen de un cuerpo y se expresa con la fórmula W m/v, donde: W densidad, m masa y v volumen. Las masas de las muestras no cambian al aumentar o disminuir la temperatura. Sin embargo, los volúmenes de los sólidos y de la mayor parte de los líquidos cambian al elevarse su temperatura; por esa razón se acostumbra expresar los valores de densidad anotando a qué temperatura se ha efectuado la medición (cuadro 2).
kN0 40
.A. 20
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20
40
60
80
100
120
140
3OLUBILIDADG, Fuente: www.educared.net/aprende/anavegar4/ comunes/premiados/D/627/sulubilidad/curvas.htm.
Figura 3. Representación gráfica de las curvas de solubilidad. CUADRO 2.$%.3)$!$$%!,'5.!33534!.#)!3!# 3USTANCIA
$ENSIDAD ENGCM
3USTANCIA
$ENSIDAD ENGCM
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1
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0LOMO
6IDRIO
Solubilidad. Para sustancias sólidas se define como masa (g) la que satura 100 g de disolvente a una temperatura y presión determinadas. A partir de múltiples experiencias de laboratorio, se obtienen las llamadas curvas de solubilidad, en las que se puede observar cómo esta propiedad cambia al variar la temperatura a la que se efectúa la disolución (figura 3). Calor específico. Capacidad de una sustancia para almacenar energía interna en forma de calor. Su valor es específico para cada sustancia y se determina de forma experimental. Para el agua tiene un valor de 1 cal/°C · g (o 4.184 J/°C · kg), lo cual implica que debe suministrársele 1 caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en 1°C.
Propiedades químicas Son aquellas que describen el comportamiento químico de las sustancias. Este tipo de propiedades se detectan únicamente cuando se produce una transformación interna en ellas. En otras palabras, una propiedad química es observable cuando la sustancia que se está estudiando participa en una reacción química. Bajo tales circunstancias, es posible determinar si una sustancia es oxidante o reductora, cuál es su electronegatividad, su estado de oxidación, su reactividad, la tendencia a reaccionar con diversas sustancias, a enmohecerse, corroerse, explotar o actuar como veneno o carcinógeno, entre otros características. Para detectar una propiedad química, podemos hacernos las siguientes preguntas sobre el comportamiento de una sustancia: s ¿Arde en el aire? s ¿Se descompone en otras sustancias cuando se deja al sol? s ¿Qué ocurre cuando se coloca en un ácido o en una base? s ¿Con qué otras sustancias químicas reacciona y qué sustancias se obtienen de la reacción? s Al participar en una reacción química: ¿produce o necesita calor?, ¿reacciona de manera rápida o lenta?, ¿con cuáles sustancias reacciona y con cuáles no? s En los compuestos que forma, ¿cuál es su estado de oxidación más frecuente?
Corroer. $ESGASTARLENTAMENTEUNMATERIALCOMOROY£NDOLO Carcinógeno. #ARACTER¤STICADEUNASUSTANCIAQUEPRODUCECÖNCER
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Glosario 47
BLOQUE 2
Desarrolla competencias
Comprende el concepto, las propiedades y los cambios de la materia.
actividad individual
1. Anota en el círculo una E o una I, si la propiedad es extensiva o intensiva. a.
Porosidad
f.
Punto de ebullición
b.
Color
g.
Masa
c.
Densidad
h.
Elasticidad
d.
Punto de fusión
i.
Impenetrabilidad
e.
Volumen
2. Coloca una V si la afirmación es verdadera o una F si es falsa. a.
Las propiedades químicas son también propiedades extensivas.
b.
La dureza es una propiedad química.
c.
El estado de agregación es una propiedad física.
d.
El sabor de una sustancia se considera como propiedad.
e.
La temperatura es una propiedad química.
f.
Algunos cuerpos, dependiendo su volumen, pueden ocupar el lugar de otros al mismo tiempo.
Desarrolla competencias
actividad grupal
Comprende el concepto, las propiedades y los cambios de la materia.
Promueve el uso responsable de la materia para el cuidado del medio ambiente.
I. En equipos, lean con atención el siguiente texto. El magnesio es un metal que se obtiene hoy en día principalmente por la electrólisis del cloruro de magnesio fundido. Es maleable y dúctil cuando se calienta. A excepción del berilio, es el metal más ligero que permanece estable en condiciones normales. Ni el oxígeno ni el agua ni los álcalis atacan al metal a temperatura ambiente. Reacciona con los ácidos, y cuando se calienta a unos 800ºC también lo hace con el oxígeno y emite una luz blanca. El magnesio tiene un punto de fusión de 649ºC, un punto de ebullición de 1 107ºC, una densidad de 1.74 g/cm3 y su masa atómica es 24.305 uma.
1. A partir de la información anterior, completen un cuadro en el que anoten por separado las propiedades físicas y químicas del magnesio.
2. Una vez que hayan completado el cuadro, discutan dentro del equipo cuáles de las propiedades enlistadas pueden considerarse intensivas y cuáles extensivas.
3. Dirigidos por su profesor, compartan los resultados de su trabajo con el resto del grupo. Observen cuáles son las coincidencias y las diferencias, dialoguen sobre estas últimas para llegar a un acuerdo entre todos.
II. Formen equipos y realicen lo siguiente: 1. Busquen información sobre el significado práctico de la regla de las tres “R” (reducir, reusar, reciclar). Pueden encontrar información en los siguientes links: www.angelfire.com/space2/3wplanet/911.htm, www.conciencia-animal.cl/paginas/temas/temas.php?d=311, www.slideshare.net/alzild/las-3-r-reciclarreducir-reutilizar-presentation. Elaboren fichas de trabajo donde concentren sus hallazgos. 2. Con la información obtenida elaboren, para cada una de las tres “R”, un cartel donde expliquen el significado y la forma aplicarlas en el salón de clases y en el hogar. 3. Organizados por su profesor, pongan en práctica a lo largo del curso las tres “R” en el salón de clases y, de ser posible, en toda la escuela. Para ello les sugerimos tomar al menos dos acuerdos grupales para cada una de las tres “R” y establecer fechas para revisión de los avances logrados o las dificultades que se hayan presentado al momento de implementar los acuerdos. En cada sesión de revisión hagan los ajustes necesarios para que la actividad logre los objetivos que se plantearon desde el inicio.
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Estados de agregación de la materia Es evidente que no todas las sustancias de la naturaleza se presentan en el mismo estado de agregación –sólido, líquido y gaseoso–. Algunas cambian ante nuestros ojos de manera espontánea, como el agua, que se evapora para formar las nubes y, después de algunos cambios significativos en su temperatura, se condensa y regresa a su estado primigenio. Y si las condiciones climáticas lo permiten, se efectuará el cambio del estado líquido al estado sólido, en forma de hielo. Puedes observar en el infográfico 2 un resumen de los diferentes estados del agua. La teoría cinético-molecular nos ayuda a entender la razón por la cual se puede pasar de un estado de agregación a otro. De acuerdo con esta teoría, las moléculas o los átomos que componen un cuerpo se encuentran, según su temperatura, más o menos separadas y en constante movimiento. Estado sólido. Las moléculas o átomos se encuentran en un ordenamiento aproximadamente cristalino y geométrico; cada una de ellas vibra en su lugar y las fuerzas de atracción son fuertes; por ello se afirma que en este estado la energía potencial es mucho mayor que la energía cinética. Estado líquido. Las moléculas se encuentran relativamente separadas, pero conservan cierta cohesión. Podríamos comparar las moléculas en estado líquido con canicas que se deslizan unas sobre otras, lo cual explica por qué los líquidos se derraman. Además, en el estado líquido la energía cinética de las moléculas es aproximadamente igual a su energía potencial.
Estado gaseoso. Las moléculas están bien separadas, cada una de ellas se mueve a grandes velocidades y choca con las demás, de tal manera que no se pierde ni se gana energía (a esto se le conoce como choques perfectamente elásticos). Las fuerzas de atracción entre las moléculas son casi nulas y se afirma que en este estado la energía cinética es considerablemente mayor que la energía potencial. Plasma. Es el cuarto estado de agragación de la materia y, aunque pudiera parecer extraño, es el más abundante en el universo. En efecto, el Sol, el resto de las estrellas y los gases interestelares están formados por materia en ese estado. En nuestro planeta, podemos encontrar algunas manifestaciones del plasma en los relámpagos, en la chispa que surge en un cortocircuito, en algunas partes de la flama del mechero y en el gas de una lámpara fluorescente. Este cuarto estado se presenta como una especie de gas constituido por electrones y partículas positivas que han sido arrancadas de los átomos por la acción de temperaturas muy altas. El plasma no puede ser contenido en recipiente alguno, conduce la electricidad y oscila como una gelatina cuando es perturbado. Para confinarlo se utilizan campos magnéticos o gravitatorios muy poderosos. Se habla de que existe un plasma frío y un plasma caliente. El primero se obtiene en un rango de temperatura que va de los 10 000° a los 100 000°C, mientras que el segundo se obtiene a millones de grados.
INFOGRÁFICO 2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LOS ESTADOS DE LA MATERIA Sólido
Líquido
Gaseoso
Plasma
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Glosario 49
BLOQUE 2
Cambios de estado Volviendo sobre algunos de los postulados básicos de la teoría cinético-molecular, el aumento o la disminución de la temperatura provoca, en la mayoría de los casos, el paso de un estado de agregación a otro. En este sentido se habla de fusión cuando una sustancia en estado sólido pasa al estado líquido. El paso en sentido inverso, la solidificación, nos indica que se ha pasado del estado líquido al sólido. Observa la siguiente representación esquemática de los cambios de estado. Figura 4. La mayor parte de la naftalina se produce a partir de la destilación de carbón en el estado líquido.
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S
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Las moléculas de un líquido, al ser calentadas, pueden pasar al estado gaseoso; tal cambio se denomina evaporación. A la inversa, el paso del estado gaseoso al líquido se conoce como condensación, licuación o licuefacción. Algunas sustancias, como el yodo cristalino o la naftalina, pueden presentar un cambio de estado característico, puesto que son capaces de cambiar directamente del estado sólido al estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido; este proceso se denomina sublimación (figura 4). El cambio inverso, es decir, el paso directo del estado gaseoso al sólido, se llama deposición.
Desarrolla competencias
actividad individual
Caracteriza los estados de agregación de la materia.
1. Determina si el enunciado se refiere al estado sólido (S), líquido (L), gaseoso (G) o plasma (P) y anota la letra correcta en el círculo correspondiente.
a.
La energía cinética de las moléculas es aproximadamente igual a la energía potencial.
b.
Su forma y volumen depende del recipiente que lo contenga.
c.
Su forma y volumen no cambian a menos que sean sometidos a una presión.
d.
Se describe como una mezcla de partículas ionizadas.
e.
La energía cinética de las moléculas es mucho menor que la energía potencial.
2. Relaciona el cambio de estado con su descripción. Paso del estado gaseoso al líquido. Cambio del estado líquido al sólido. Paso del estado sólido al gaseoso, sin pasar por el líquido. Paso del estado gaseoso al sólido, sin pasar por el líquido.
a. Fusión b. Licuefacción c. Deposición d. Solidificación e. Sublimación
Cambio del estado sólido al líquido. 50
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Desarrolla competencias
actividad grupal
Expresa algunas aplicaciones de los cambios de la materia en los fenómenos que observa en su entorno.
Las sustancias en estado gaseoso son afectadas por las condiciones de presión y temperatura a las cuales se encuentran sometidas. En la actividad que les proponemos podrán observar la variación de volumen de una masa de gas al cambiar la temperatura o la presión. Tomen nota de todas sus observaciones. Material y equipo a emplear: z 2 globos pequeños z Mechero de Bunsen o lámpara de alcohol z 2 recipientes de 1 litro de capacidad z 10 cubos de hielo z Agua Procedimiento:
1. Inflen un poco uno de los globos y hagan un nudo para evitar que se salga el aire. 2. Traten con sus dos manos de comprimir al máximo posible el globo que acaban de inflar. ¿Es posible comprimirlo totalmente? ¿Cuál es la razón por la cual no puede lograrse esto? ¿Cuál es la sensación que experimentan en sus manos? ¿A qué se debe? 3. En uno de los recipientes coloquen agua y los cubos de hielo. Utilicen su ingenio para lograr que el globo quede sumergido en el agua fría (posiblemente pueda servir una moneda y un hilo con la longitud suficiente). Después de unos 10 minutos, tomen nota de lo que observan que ha sucedido con el globo e intenten escribir una explicación del fenómeno. 4. En el otro recipiente, coloquen el otro globo inflado de manera tal que quede sumergido en el agua la mayor parte. Lleven a calentar el agua y después de unos 10 minutos retiren el globo y anoten sus observaciones. 5. Anoten en sus cuadernos las conclusiones de toda la actividad y algunas sugerencias para mejorar la experiencia.
Características de los cambios físicos, químicos y nucleares de la materia Es frecuente observar que todo cuanto nos rodea está sujeto al cambio. Heráclito (544484 a. C.), filósofo griego de la Antigüedad, afirmaba que la esencia de todo cuanto existe es el cambio continuo. La naturaleza nos proporciona múltiples ejemplos de cambio a lo largo de cada día y en el discurrir de las estaciones. Si dejamos un objeto a la intemperie, veremos que con el paso del tiempo va transformándose. Nosotros mismos, conforme crecemos, cambiamos y seguiremos cambiando en muchos aspectos. La química, como ya se ha dicho, se dedica a estudiar las transformaciones de las sustancias. Tales cambios se pueden dar en diferentes ámbitos: físicos, químicos o nucleares. Veamos cada uno con más detalle. Cambio físico. Un cambio físico no cambia la naturaleza íntima de las sustancias, sino solo su forma, posición, tamaño y estado de agregación. Por ejemplo, cuando el agua al hervir pasa del estado líquido al estado de vapor, sigue siendo la misma sustancia y puede regresar al estado inicial sin alterarse. st-editorial.com
Cambio químico. Definimos cambio químico como el producido en la materia cuando las sustancias pierden sus propiedades y se forman otras con propiedades diferentes. Para ver estas propiedades distintas nos basamos en las propiedades físicas de la materia: punto de fusión, punto de ebullición, densidad, solubilidad en agua o color. Si estas propiedades son diferentes, ha ocurrido una transformación química (figura 5). El cambio químico por antonomasia es la reacción química. En ella, a partir de unas sustancias llamadas reactivos, se obtienen otras con características a veces totalmente distintas, que son los productos. Ejemplo de esto es la combinación de dos reactivos en estado gaseoso: hidrógeno y oxígeno, los cuales producen moléculas en estado líquido: el agua.
2H2(g)
O2(g) q 2H2O(l)
Cambio nuclear. El cambio nuclear, asociado a
la radiactividad, es un tercer tipo de transformación, a cuyo estudio los países desarrollados dedican importantes recursos económicos y humanos. 51
BLOQUE 2
R5 ,.ù /&-5 .95 -)(5 & .,)( -5 -* # )-5 5 grandes velocidades fuera de la atracción del núcleo. En este tipo de emisión, el número de masa no se altera, mientras que el número atómico se incrementa en una unidad: A Z
La radiactividad es la desintegración espontánea de núcleos atómicos. Durante la desintegración radiactiva se emiten partículas alfa (F), partículas beta (G) y rayos gamma (I). R5 ,.ù /&-5& 95-)(5(Ě & )-5 5" &#)5+/ 5 )(-tan de dos protones y dos neutrones, en consecuencia, cuando un núcleo inestable emite una partícula alfa pierde cuatro unidades de masa y su número atómico se reduce en dos: X
A-4 Z-2
q
Núcleo inestable
X
Núcleo producto
Desarrolla competencias
Y + -01e -
0 Z+1
R5 3)-5 !''95 ()5 .(5 &5 (Ě' ,)5 5 '-5 ni al número atómico, simplemente reducen la energía del núcleo inestable:
Figura 5. Cuando se quema la madera, la energía almacenada se libera como calor y luz.
A Z
Xq
4 2
He
Partícula alfa
A Z
X (excitado) q AZX + Y
Para entender mejor la desintegración radiactiva, analicemos el torio-232 (90 Th), el cual emite sucesivamente una partícula alfa y una beta: 232 90 228 88
Th q Ra q
228 88 228 89
Ra + 42He Ac + -01e - 1
Como puede observarse en la secuencia, al emitir una partícula alfa, el thorio-232 se ha transformado en radio-228. A su vez, este último cuando emite una partícula beta se convierte en actinio-228.
actividad individual
Clasifica fenómenos de su entorno en físicos, químicos y nucleares.
1. Ubica en tu entorno inmediato diferentes fenómenos y descríbelos de manera breve y clara en la primera columna del siguiente cuadro. Luego, clasifica el fenómeno como físico, químico o nuclear y anota en la tercera columna la razón por la cual lo clasificas así. $ESCRIPCIN
4IPODEFENMENO
*USTIlCACIN
2. Compara tu trabajo con el de tus compañeros y efectúa los ajustes que consideres necesarios. 3. Muestra tu trabajo al profesor para recibir retroalimentación.
Glosario
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Núcleo. 0ORCINCENTRALDEUNÖTOMODONDESEUBICANLOSNEUTRONESYLOSPROTONES%NELN¢CLEOSECONCENTRALA MAYORPARTEDELAMASADELÖTOMO Número atómico (Z). #ANTIDADDEELECTRONESODEPROTONESPRESENTESENUNÖTOMO
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COMPRENDES LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIAY LA ENERGÍA
R etrato En 1860 se conocían más de 60 elementos, pero conforme pasó el tiempo este número fue creciendo. El químico ruso Dimitri Ivánovich Mendeleïev ordenó los elementos de acuerdo con su masa atómica, y aunque su clasificación no era la primera, incorporó muchas mejoras, como la combinación de los pesos atómicos y espacios en blanco para elementos aún no descubiertos.
Lee Origen de los elementos En la Tierra se conocen actualmente 112 elementos: el uranio 92 y los que lo anteceden son elementos naturales, otros como el promecio y el tecnecio no son naturales y los restantes se obtienen por reacciones nucleares. El origen del universo nos da respuesta a las preguntas de por qué solo existen 90 elementos naturales y la abundancia de ellos. La teoría más seguida sobre la formación del universo es la del Big Bang, principio que sostiene que toda la materia del universo estaba contenida en un núcleo primitivo con una densidad aproximadamente de 1096 g/cm3 y una temperatura cercana a 1032 K; se supone que este núcleo explotó, distribuyó materia y radiación uniformemente a través del espacio; se produjo así el principio de expansión del universo. En dicho proceso el ambiente se enfrió, lo cual permitió la formación de las primeras partículas llamadas quarks. Así se diferenciaron las cuatro fuerzas principales: gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte y débil.
Durante un tiempo comprendido entre 10 y 500 s, el universo se comporta como un colosal reactor nuclear de fusión, y va a convertir el H en He. Para generar otros elementos se requiere la combinación de H-He o He-He a una temperatura interna cercana a 108 K en el interior de las estrellas, ahí se dan procesos de fusión. Las reacciones de estos elementos pesados dependen de una compleja relación entre: la temperatura, su estabilidad y su vida media. La máxima estabilidad de estos se sitúa alrededor del hierro, y todas las reacciones que se producen hasta el Fe son de tipo exotérmico. Por esto el hierro es más abundante que sus vecinos. Como consecuencia de la expansión, la temperatura fue disminuyendo y cuando se alcanzaron 109 K surgieron unas reacciones nucleares. Con el tiempo la temperatura disminuye lo suficiente para que las partículas positivas puedan capturar electrones y formar átomos. La novedad es que estas reacciones no se ven afectadas por las radiaciones electromagnéticas, los átomos pueden
interactuar entre sí y de ese modo se inicia la formación de átomos diferentes, los cuales empiezan a condensarse y a formar el núcleo de las estrellas. Para la explicación del origen de los elementos en la Tierra se discuten muchas teorías, la más aceptada es la siguiente: la Tierra en un principio tenía una temperatura muy elevada, por la expansión sufrió un enfriamiento, se generaron distintas capas: un núcleo denso, sólido y formado por Fe y Ni fue envuelto por una fase líquida (magma); y por último se originó una corteza externa. La distribución de los elementos en la Tierra ha dependido de las fuerzas que han actuado sobre ella. Nos encontramos en la corteza muchos depósitos de materiales (menas). Estos materiales proceden del magma fluido que asciende por grietas existentes en la corteza, afuera se solidifican y forman filones u otros dispositivos, y se explican así las distintas concentraciones de elementos de la corteza.
Fuente: www.textoscientificos.com/quimica Analiza bien la lectura y responde en tu cuaderno las siguientes preguntas.
1. Indaga si existe otra teoría sobre la formación del universo. Si es así... ¿qué sostiene? 2. ¿Cuál es la rama de la geología que estudia las propiedades físicas y químicas de los minerales que se encuentran en el planeta en sus diferentes estados de agregación? ¿Es importante en nuestro país?
Práctica de laboratorio El contenido estudiado en este tema podemos repasarlo en las prácticas de laboratorio “Extinción de fuego con la ayuda de una reacción química” y “Obtención del jabón de pasta” (pp. 231 y 232), que se encuentran en la Sección final.
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CO2
CO2
CO2
CO2
CO2
CO2
CO2 CO2
CO2
O
O
O
O O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
Tema 1
Tema 2
La materia: propiedades y cambios
La energía y su interrelación con la materia
La contaminación del planeta debe ser una preocupación de todos. ¿Has pensado alguna vez en tu ciudad o pueblo apagado totalmente, sin energía eléctrica? ¿Te imaginas cómo sería nuestra vida cotidiana si perdemos algo a lo cual estamos adaptados y condicionados? ¿Apoyas la campaña de conciencia mundial sobre la búsqueda y el empleo de energías limpias?
La energía es la fuerza vital de nuestra sociedad. De ella dependen la iluminación de interiores y exteriores, el calentamiento y la refrigeración de nuestras casas, el transporte de personas y mercancías, la obtención de alimentos y su preparación, el funcionamiento de las fábricas, etcétera. Hace poco más de un siglo las principales fuentes de energía eran la fuerza de los animales y la de los seres humanos, así como el calor obtenido al quemar la madera. El ingenio humano también desarrolló algunas máquinas con las que aprovechaba la fuerza hidráulica –para moler los cereales y preparar el hierro en los talleres– o la fuerza del viento –en los barcos de vela o los molinos de viento.
Glosario 54
En el siglo xix tuvo lugar la Revolución Industrial y con ella el invento de la máquina de vapor; desde entonces, el avance acelerado de la industria y el gran desarrollo la tecnología han cambiado drásticamente las fuentes de energía que mueven la sociedad moderna. Ahora, el desarrollo de un país está ligado a un creciente consumo de energía de combustibles fósiles como el petróleo, el carbón y el gas natural. La energía se define frecuentemente como la capacidad para realizar un trabajo. En el Sistema Internacional (si) la unidad de energía es el Joule, definido como el trabajo realizado cuando una fuerza de 1 newton (N) desplaza 1 metro su punto de aplicación.1 J 1 N · m
Calor. -EDIDADEUNACANTIDADDEENERG¤A Joule (J).5NIDADDEENERG¤A TRABAJOOCALOR* CAL
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como 1 N
1 kg ·
entonces: 1 J 1J
1 kg ·
E l mundo que te rodea
m s2
1 kg ·
m ·m s2
m2 s2
Esta última expresión es sumamente útil cuando efectuamos cálculos de energía y utilizamos unidades de masa, distancia y aceleración. En algunas ocasiones para medir la energía se utiliza otra unidad: la caloría, sin embargo como es una unidad muy pequeña se utiliza con mayor frecuencia un múltiplo de ella, la kilocaloría (1 kcal 4.18 J). El poder energético de los alimentos es medido en kilocalorías.
Tipos de energía Los diversos tipos de energía que pueden obtenerse y utilizarse se engloban dentro de dos grandes tipos: la cinética y la potencial.
Las casas geosolares están construidas con un sistema natural híbrido que aprovecha las sinergias producidas entre la energía solar y la energía del subsuelo. En estas casas se utiliza la inercia térmica, que permite a las paredes almacenar energía durante el día y emitirla durante la noche.
Energía potencial Es aquella que posee un cuerpo debido a su posición dentro de un campo de fuerzas. Por ejemplo, un objeto que se encuentra suspendido a una altura de 10 m sobre el nivel del suelo, contiene una cantidad de energía potencial que se puede calcular mediante la fórmula Ep mgh, donde m significa la masa del cuerpo (kg); g representa la aceleración debida a la gravedad; y h, la altura (m) a la cual se encuentra el objeto en cuestión (figura ). Supongamos que se requiere calcular la energía potencial de un objeto, cuya masa es de 2 kg y que se encuentra suspendido a una altura de 5 m con respecto al nivel del suelo. Para encontrar la respuesta, utilizamos la fórmula: Ep = mgh Ep (2 kg)(9.8 m/s2)(5 m) Ep 98 kg · m2/s2 98 J
Figura 6. La energía potencial de un objeto suspendido es liberada cuando este comienza a caer.
Energía cinética Es la energía de movimiento; cualquier cuerpo que se mueve posee energía cinética (figura 7). Para calcular la cantidad de energía cinética de un objeto se emplea la siguiente fórmula: Ec ½ mv2, donde Ec es la energía cinética ( J), m es la masa del cuerpo (kg) y v, la velocidad del cuerpo (m/s). A manera de ejemplo, calculemos la energía cinética de un objeto con una masa de 10 kg que se mueve con una velocidad de 10 m/s. Utilizamos la fórmula: Ec ½ mv2 Ec ½(10 kg)(10 m/s)2 Ec 500 kg · m2/s2 500 J La interrelación entre energía cinética y potencial es sumamente estrecha, dado que una se transforma en la otra y viceversa. Por ejemplo, el agua contenida en una presa contiene energía potencial que se transforma en energía cinética cuando se abren las compuertas. Asimismo, la energía cinética vuelve a transformarse en energía potencial. Una determinada forma de energía puede ser utilizada, dependiendo de la tecnología empleada, en otros tipos según sean los requerimientos. Aunque las manifestaciones de la energía pueden ser muy variadas –energía mecánica, energía calorífica, energía química, energía hidráulica–, debemos considerar lo que expresa la ley de la conservación de la energía: la energía no puede ser creada ni destruida, pero sí puede pasar de una forma a otra. st-editorial.com
Figura 7. Es posible generar electricidad con la energía cinética que las personas producen cotidianamente con sus movimientos.
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Beneficios y riesgos en el consumo de energía Tradicionalmente, el ser humano ha obtenido energía a partir de los combustibles fósiles como el carbón o el petróleo; actualmente está experimentando con la energía que puede obtenerse de la desintegración nuclear y de la generada a través de fuentes alternativas como la eólica, la geotérmica y la solar. Sin embargo, la demanda creciente de energía útil y limpia obliga a investigar sobre la manera más eficiente de obtener energía sin dañar el ecosistema. Al liberarse grandes cantidades de energía por la fisión o fusión de átomos se produce la energía atómica. La primera planta nuclear para uso comercial se puso a prueba en Inglaterra en 195 . Treinta y cuatro años después, un total de 420 reactores nucleares producían 17 de la electricidad mundial. En un principio, esta nueva forma de generar energía fue considerada una opción viable, ya que consumía poco combustible (por ejemplo, con un kilo de uranio se podía producir tanta energía como con 1 000 toneladas de carbón). Sin embargo, en décadas siguientes se comenzaron a escuchar reclamos y comentarios sobre los peligros de la radiación. Las voces de protesta crecieron luego del accidente ocurrido en la central de Chernobyl en 198 , causado por insuficientes medidas de seguridad (infográfico 3). Otro factor que favorece la oposición al uso de este tipo de energía es el problema que plantean los residuos nucleares. Una de las ventajas que los defensores de la energía nuclear destacan es que resulta menos contaminante que los combustibles fósiles. Comparativamente, las centrales nucleares emiten muy pocos contaminantes a la atmósfera. Los que se oponen a la energía nuclear argumentan que el hecho de que el carbón y, en menor medida, el petróleo y el gas sean sucios, no es un dato a favor de las centrales nucleares; es cierto que deben disminuirse las emisiones procedentes de las centrales que usan carbón y otros combustibles fósiles; esto es tecnológicamente posible, aunque encarece la producción de electricidad. En una central nuclear que funciona correctamente, la liberación de radiactividad es mínima y perfectamente tolerable, ya que entra en los márgenes de radiación natural que habitualmente hay en la biósfera.
INFOGRÁFICO 3. ACCIDENTES POR FALTA DE PREVENCIÓN: CHERNOBYL El 26 de abril de 1986 ocurrió el accidente de Chernobyl cuando se produjo el sobrecalentamiento del núcleo del reactor nuclear, y provocó la explosión del hidrógeno acumulado en su interior.
Electricidad
Barras de control Se sumergen en el reactor para reducir la temperatura.
Turbinas
Cantidad reglamentaria: 30 barras Vapor
Reactor nuclear Produce gran cantidad de calor para evaporar el agua. Necesita cierta cantidad de potencia para funcionar adecuadamente. Potencia mínima: 700 Mw Agua
Glosario 56
! Cantidad durante el accidente: 8 barras
! Potencia mínima durante el accidente: 200 Mw
Contaminante.3USTANCIAQUESEENCUENTRAENUNMEDIOALCUALNOPERTENECEYQUEPUEDECAUSAREFECTOSADVERSOS PARALASALUDOELAMBIENTE
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El problema surgió cuando se produjeron accidentes y escapes radioctivos en algunas de las más de 400 centrales nucleares que hay en funcionamiento. Una planta nuclear típica no puede explotar como si fuera una bomba atómica, pero cuando por un accidente se producen grandes temperaturas en el reactor, el metal que envuelve al uranio se funde y se escapan radiaciones. También puede escapar a la atmósfera, por accidente, el agua radiactiva del circuito primario que está contenida en el reactor. La probabilidad de que ocurran estos accidentes es muy baja, pero cuando suceden, sus consecuencias son muy graves, porque la radiactividad produce daños severos. De hecho, ha habido accidentes graves. Tres de los más dañinos y recientes han sido el de Three Mile Island, en Estados Unidos; el de Fukushima, en Japón, y el que ya mencionamos de Chernobyl, en la antigua urss. Con los adelantos tecnológicos y la experiencia en el uso de las centrales nucleares, la seguridad es cada vez mayor; pero queda un problema de difícil solución: el almacenamiento a largo plazo de los residuos radiactivos que se generan en las centrales, ya sean como consecuencia del funcionamiento habitual o del desmantelamiento de una planta, cuando esta ya ha cumplido su ciclo de vida y debe ser cerrada.
Energías limpias o no contaminantes Debido a los graves problemas de contaminación y al deterioro ambiental que provoca el uso de combustibles fósiles para la obtención de energía, se está generando una conciencia mundial sobre la búsqueda y el empleo de energías limpias, es decir, se pretende obtener la cantidad suficiente de insumos energéticos sin afectar el ecosistema. Las energías limpias son aquellas que en su proceso de extracción, procesamiento, distribución y utilización, generan reducidos impactos ambientales y sociales, además de no generar desechos nocivos para la salud y la naturaleza. Actualmente se conocen varios tipos de energía limpia, como veremos a continuación.
a. Energía térmica
b. Energía luminosa Figura 8. Algunos ejemplos de energías limpias o no contaminantes.
Energía térmica El calor de la radiación solar se puede captar por medio de los colectores solares térmicos, que consisten en unos discos (figura 8a) o paneles con caja plana, de tapa acristalada, que simulan un invernadero pequeño. En su interior se coloca un pequeño serpentín, el cual contiene el agua y le transmitirá calor, luego la almacenará en un gran termo donde alcanzará 70°C. A nivel práctico, por ejemplo, con un pequeño panel de 2 m2 es posible cubrir las necesidades del consumo de energía en una familia de cuatro personas y se evita la emisión de una tonelada de CO2 a la atmósfera, producto de la quema de gas butano. Energía luminosa Proveniente del Sol, es la más limpia de todas; sin embargo, la tecnología actual no satisface las demandas de la sociedad, por tal razón en la práctica es tomada como una energía alternativa o complementaria. Los paneles fotovoltaicos captan y convierten la luz solar en energía eléctrica y así es utilizada en aquellos lugares donde el cableado eléctrico no ha llegado por las condiciones económicas o geográficas (figura 8b). En las ciudades más importantes de nuestro país podrían utilizarse las fachadas y azoteas de los grandes edificios para colocar estos paneles y disminuir considerablemente el consumo de energía eléctrica. st-editorial.com
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BLOQUE 2
E n la web Recomendamos visitar las siguientes páginas para conocer más sobre los temas de este bloque: U www.educa.madrid.org/portal/c/portal/layout?p_l_id=2288.94 U www.portaleureka.com/accesible/quimica/81-quimica/212-plasma-el-cuarto-estado -materia
Energía eólica En aquellos lugares donde la fuerza del viento es suficientemente fuerte, se han empezado a colocar parques eólicos donde los aerogeneradores tienen grandes hélices que, al girar, producen electricidad mediante la ayuda de generadores apropiados. Lamentablemente, instalarlos implica una gran inversión, además de que impacta el ecosistema durante su construcción. La buena noticia es que con el paso del tiempo la inversión es rentable, pues la fuerza del viento es prácticamente inagotable (figura 9a). a. Energía eólica
b. Biomasa
c. Energía hidráulica Figura 9. Otros ejemplos más de energías limpias o no contaminantes.
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Biomasa En el ámbito energético, la biomasa es el combustible que se obtiene directa o indirectamente de recursos biológicos. Entre los combustibles derivados de la biomasa se encuentran el denominado alcohol de caña, el estiércol y la leña; aunque es importante mencionar que se está experimentando en varios lugares del mundo, entre ellos nuestro país, en la construcción de digestores de biomasa, que son cámaras donde se desarrolla la fermentación anaerobia (en ausencia de aire) de los residuos orgánicos. A partir de esta fermentación se obtiene gas metano que sirve como combustible (figura 9b). Energía hidráulica La energía hidráulica utiliza el agua en movimiento para generar electricidad. Es, desde hace muchos años, una de las principales fuentes energéticas –cerca de 20 de la electricidad mundial–. En los países desarrollados el porcentaje puede alcanzar 50 . La cantidad de energía hidráulica que se puede obtener depende de los cauces de agua y sus desniveles, por lo que no es posible explotarla en cualquier lugar y con frecuencia se hace necesario construir presas en lugares adecuados, como las presas de la Angostura y Chicoasén, en Chiapas y la de Infiernillos, en el estado de Michoacán (infográfico 4). La construcción de presas requiere una gran inversión económica. Sin embargo, su costo de explotación es bajo, lo que la convierte en una forma de energía rentable económicamente (figura 9c). En los países más desarrollados, el consumo de energía se ha estabilizado o crece muy poco, gracias a que se usa cada vez con mayor eficiencia. Pero, como hemos dicho, las cifras de consumo por persona son muy altas. En un país en vías de desarrollo como México, el consumo de energía por persona ha ido creciendo. En la actualidad se considera que para lograr el progreso, la sociedad debe hacer un mayor gasto de energía, lo cual implica destinar cada vez mayores porciones del gasto público a este aspecto. Con la intención de disminuir dicho gasto a favor de todos, el uso de las energías limpias son la mejor solución y la alternativa más viable en favor del medio ambiente. st-editorial.com
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INFOGRÁFICO 4. REPRESAS MÁS GRANDES DE MÉXICO ,A!NGOSTURA (Belisario Domínguez)
.EZAHUALCYOTL (Malpaso)
#HICOAS£N )NlERNILLO 0RESIDENTE-IGUEL (Manuel Moreno Torres) (Adolfo López Mateos) !LEMÖN (Temascal)
20 217 millones de m3
14 028 millones de m3
11 883 millones de m3
)NTERNACIONAL ,A!MISTAD 7 000 millones de m3
Desarrolla competencias
!GUAMILPA 7 000 millones de m3
11 860 millones de m3
9 106 millones de m3
-IGUELDELA-ADRID (Cerro de Oro)
)NTERNACIONAL &ALCN
¬LVARO/BREGN (Oviachic)
5 380 millones de m3
4 908 millones de m3
4 200 millones de m3
actividad individual
Distingue entre las fuentes de energías limpias y contaminantes.
Realiza las siguientes actividades.
1. Busca información sobre los diferentes tipos de energía, completa en tu cuaderno un cuadro como el siguiente y responde las preguntas. 4IPODEENERG¤A
$ESCRIPCIN
&UENTES DEOBTENCIN
5SOSMÖSRELEVANTES
z,IMPIAOCONTAMINANTE
Térmica Luminosa Hidráulica Eólica Biomasa Eléctrica Nuclear
2. Dentro de tu hogar, ¿qué tipos de energía utilizas?
3. ¿Qué acciones emprenderías para disminuir el consumo de energía?
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4. Menciona tres riesgos en el consumo de energía, además de los ya mencionados en el texto.
5. Organiza la información y completa la siguiente red semántica en tu cuaderno.
es
tiene varias formas
Energía
riesgos
calorífica
beneficios
tipos
limpia
química
ejemplos
ejemplos
luminosa
Desarrolla competencias
actividad grupal
Argumenta la importancia que tienen las energías limpias en el cuidado del medio ambiente.
Reunidos en grupos, realicen las siguientes actividades.
1. Discutan sobre cuál, de las denominadas “energías limpias”, es más factible de conseguir en el lugar donde viven, para evitar el consumo de combustibles fósiles y así cuidar el medio ambiente.
2. Una vez que estén de acuerdo sobre el mejor tipo de energía limpia, investiguen sobre los costos y el equipo necesario para poderla obtener.
3. Coordinados por su profesor, organicen una sesión de debate en la modalidad de Phillips 6.6 sobre el tema: “Ventajas y desventajas del uso de energías limpias para el cuidado del medio ambiente”. En la modalidad de Phillips 6.6 el grupo de clase se divide en pequeños grupos de 6 personas que nombran un secretario. Discuten durante 6 minutos sobre el tema de tal manera que cada miembro del grupo pueda hablar durante un minuto. El secretario recoge las conclusiones que son leídas por turno en sesión plenaria. Para que la actividad tenga éxito, será necesario que todos los estudiantes se involucren activamente en la búsqueda de información y lleguen al debate con argumentos bien sustentados. Toma notas en tu cuaderno de las conclusiones leídas por los secretarios en la sesión plenaria. Luego, elabora un cuadro en el que clasifiques los argumentos en pro o en contra del uso de energías limpias. Asimismo, no olvides escribir tus conclusiones personales.
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Evaluación sumativa Heteroevaluación I. Determina, de los siguientes materiales: aire, agua de mar, hierro, gasolina, madera, mercurio y papel, cuáles son elementos, cuáles son compuestos y cuáles mezclas. %LEMENTOS
#OMPUESTOS
-EZCLAS
II. Elige la opción correcta.
1.
El volumen y la divisibilidad son propiedades que dependen de la masa que posee el cuerpo; por esa razón se conocen como propiedades:
a. másicas. b. intensivas. c. específicas. d. extensivas. e. químicas. 2.
Aquellas propiedades que sirven para identificar a una sustancia en particular se denominan:
a. físicas. b. químicas. c. específicas. d. generales. e. extensivas. 3.
De los siguientes tipos de energía, se consideran energías limpias:
a. eólica, hidráulica y mecánica. b. calorífica, eólica e hidráulica. c. hidráulica, mecánica y solar. d. eólica, hidráulica y solar. e. calorífica, eólica y mecánica. III. Marca con una V (verdadero) o con una F (falso) según corresponda.
1.
El cambio físico no altera la naturaleza de las sustancias.
2.
El cambio nuclear es un tipo de cambio químico.
3.
La emisión de partículas radiactivas es un cambio físico.
4.
En una reacción química no se afecta el núcleo de los átomos.
5.
Cuando se altera la forma de un cuerpo se ha dado un cambio químico.
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Autoevaluación I. Compara las ventajas y desventajas de producir energía nuclear. Indica y justifica si esta energía puede propiciar un mayor progreso en la sociedad. 6ENTAJAS
$ESVENTAJAS
II. A partir de los conocimientos adquiridos en esta unidad, amplía los conceptos del mapa conceptual que se encuentra al inicio de este bloque y haz uno tú mismo.
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III. Completa y expresa en el cuadro tus opiniones sobre la siguiente pregunta. z0/215»!(/22!2%.%2'Ù! 2AZONESINDIVIDUALES
2AZONESCOLECTIVAS
2AZONESAMBIENTALES
IV. Anota en tu cuaderno dos actividades concretas que te comprometas a desarrollar a lo largo del curso para mejorar el uso de la materia y de la energía en tu escuela.
V. Nuestra capacidad de aprender mejora cuando conocemos con precisión qué hemos aprendido y cuánto –de lo pretendido originalmente– hemos conseguido. En la siguiente tabla marca con una X tu nivel de desempeño tomando en cuenta esta escala: !SPECTO
.IVELDEDESEMPE®O
2
1
Conocimiento de Identifico con claridad las las propiedades propiedades de la materia de la materia presentes en los objetos de mi entorno, distingo entre físicas o químicas, extensivas o intensivas. Distinción de En los fenómenos que los estados de suceden a mi alrededor agregación de la puedo identificar el estado materia de agregación de la materia y los cambios que se dan en ella.
Identifico algunas propiedades de la materia en los objetos de mi entorno, pero no sé de qué tipo son.
Al observar objetos de mi entorno logro, solo en ciertos casos, identificar las propiedades de la materia.
Conozco solo de manera teórica las propiedades de la materia pero no sé identificarlas en los objetos de mi entorno.
En la mayoría de los fenómenos que observo puedo señalar el estado de agregación, pero no siempre identifico los cambios que suceden.
Solo en algunos fenómenos puedo identificar los estados de agregación y, con alguna dificultad, los cambios de estado.
Uso responsable de la materia para el cuidado del ambiente
En la mayoría de mis actividades trato de reducir la basura, además de reciclar o reutilizar los materiales. Conozco más o menos algunos tipos de energías limpias por lo que mis argumentos requieren ser más sustentados.
Solo en algunas ocasiones trato de reducir la basura y reciclo o reutilizo los materiales.
Teóricamente conozco la información sobre los estados de agregación y los cambios que se dan en ellos, pero no puedo identificarlos en los fenómenos que observo. Casi nunca reduzco la cantidad de basura. Pocas veces reutilizo o reciclo los materiales.
Conozco solo uno o dos tipos de energías limpias y no puedo argumentar muy bien sobre ellas porque desconozco sus ventajas.
No conozco bien sobre las ventajas de las energías limpias, por lo que no puedo argumentar casi nada en favor de su uso.
Argumentación sobre la importancia de las energías limpias
Lo promuevo en todas mis actividades cotidianas reduciendo la basura y reciclando o reutilizando los materiales. Poseo información sobre las ventajas de los diversas energías limpias y tengo argumentos sólidos para promover su uso.
De los desempeños marcados con 1 o con 2, anota en tu cuaderno un compromiso de trabajo concreto y establece una fecha para su consecución. VI. Reflexiona y responde en tu cuaderno las siguientes preguntas acerca de tu desempeño durante el estudio del bloque. Piensa qué harías para mejorar.
1. ¿En qué actividad se te presentaron más dificultades?, ¿qué estrategias implementaste para superarlas? 2. ¿Qué actividades te resultaron más interesantes? 3. ¿Cómo te sentiste trabajando en equipo?, ¿por qué? 4. ¿Cómo pueden servirte estos aprendizajes en tu vida y en tu entorno? st-editorial.com
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Desempeños del estudiante
Bloque 3 Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones
s $ISTINGUELASAPORTACIONESCIENT¤lCASQUECONTRIBUYERON ALESTABLECIMIENTODELMODELOATMICOACTUAL s #ONSTRUYEMODELOSDELASDISTINTASTEOR¤ASATMICAS s )DENTIlCALASCARACTER¤STICASDELASPART¤CULAS SUBATMICAS s 2ESUELVEEJERCICIOSSENCILLOSDONDEEXPLICA CMOSEINTERRELACIONANELN¢MEROATMICO LAMASAATMICAYELN¢MERODEMASA s %LABORACONlGURACIONESELECTRNICASPARALA DETERMINACINDELASCARACTER¤STICASDEUNELEMENTO s !RGUMENTASOBRELASVENTAJASYDESVENTAJASDELEMPLEO DEISTOPOSRADIACTIVOSENLAVIDADIARIA
Bloque 2
Bloque 3
Bloque 4
Bloque 5
Comprendes la interrelación de la materia y la energía
Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones
Interpretas la tabla periódica
Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares
Competencias a desarrollar s %STABLECELAINTERRELACINENTRELACIENCIA LATECNOLOG¤A LASOCIEDAD YELAMBIENTEENCONTEXTOSHISTRICOSYSOCIALESESPEC¤lCOS s &UNDAMENTAOPINIONESSOBRELOSIMPACTOSDELACIENCIAYLATECNOLOG¤A ENSUVIDACOTIDIANA ASUMIENDOCONSIDERACIONES£TICAS s )DENTIlCAPROBLEMAS FORMULAPREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO YPLANTEALASHIPTESISNECESARIASPARARESPONDERLAS s /BTIENE REGISTRAYSISTEMATIZALAINFORMACINPARARESPONDER APREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO CONSULTANDOFUENTESRELEVANTES YREALIZANDOEXPERIMENTOSPERTINENTES s #ONTRASTALOSRESULTADOSOBTENIDOSENUNAINVESTIGACINOEXPERIMENTO CONHIPTESISPREVIASYCOMUNICASUSCONCLUSIONES s 6ALORALASPRECONCEPCIONESPERSONALESOCOMUNESSOBREDIVERSOS FENMENOSNATURALESAPARTIRDEEVIDENCIASCIENT¤lCAS s %XPLICITALASNOCIONESCIENT¤lCASQUESUSTENTANLOSPROCESOS PARALASOLUCINDEPROBLEMASCOTIDIANOS s $ISE®AMODELOSOPROTOTIPOSPARARESOLVERPROBLEMAS SATISFACER NECESIDADESODEMOSTRARPRINCIPIOSCIENT¤lCOS
s 2ELACIONALASEXPRESIONESSIMBLICASDEUNFENMENODELANATURALEZA YLOSRASGOSOBSERVABLESASIMPLEVISTAOMEDIANTEINSTRUMENTOS OMODELOSCIENT¤lCOS s !NALIZALASLEYESGENERALESQUERIGENELFUNCIONAMIENTO DELMEDIOF¤SICOYVALORALASACCIONESHUMANASDERIESGO EIMPACTOAMBIENTAL s !PLICANORMASDESEGURIDADENELMANEJODESUSTANCIAS INSTRUMENTOS YEQUIPOENLAREALIZACINDEACTIVIDADESDESUVIDACOTIDIANA s !SUMEUNAACTITUDQUEFAVORECELASOLUCINDEPROBLEMASAMBIENTALES ENLOSÖMBITOSLOCAL NACIONALEINTERNACIONAL s 2ECONOCEYCOMPRENDELASIMPLICACIONESBIOLGICAS ECONMICAS POL¤TICAS YSOCIALESDELDA®OAMBIENTALENUNCONTEXTOGLOBALINTERDEPENDIENTE s #ONTRIBUYEALALCANCEDEUNEQUILIBRIOENTRELOSINTERESESDECORTO YLARGOPLAZOCONRELACINALAMBIENTE
Bloque 6
Bloque 7
Bloque 8
Manejas la nomenclatura química inorgánica
Representas y operas reacciones químicas
Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas
Introducción
¿ Objetos de aprendizaje Modelos atómicos YPART¤CULASSUBATMICAS Conceptos básicos N¢MEROATMICO MASAATMICA YN¢MERODEMASA
De qué está hecho el mundo material en que vivimos? ¿Cómo está construido? Estas han sido algunas de las interrogantes que los seres humanos nos hemos planteado
desde hace siglos. Las respuestas no han podido ser más disímiles; sin embargo, la inquietud sigue latente y los científicos continúan dedicando muchos de sus esfuerzos para desentrañar los mecanismos que subyacen en la realidad que observamos. El modelo atómico actual intenta darle respuesta a estas y a diferentes preguntas y, aunque se ha avanzado mucho, todavía subsisten incertidumbres que nos plantean nuevos retos a quienes habitamos hoy el planeta. Observa el mapa conceptual que viene a continuación donde se presentan los temas más importantes de este bloque.
Configuraciones electrónicas YLOSN¢MEROSCUÖNTICOS
Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones
Los isótopos YSUSAPLICACIONES
relacionándolo con los aportes de
describes características
ubicas significado y valores
en los
partículas subatómicas
números cuánticos
isótopos radiactivos
como
Dalton Thomson Rutherford Chadwick Goldstein Bohr Sommerfeld Dirac-Jordan
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por ejemplo
protón electrón neutrón
cobalto-60 yodo-131 carbono-11 carbono-14 plomo-212
elaboras
son
del
configuraciones electrónicas
n, l, m, s
electrón diferencial
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Actividades de enseñanza
Para comenzar... Para que puedas comprender los temas de este bloque, es necesario que rescates las competencias (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que ya has adquirido a lo largo de tu vida. Haz tu mejor esfuerzo para responder y detecta aquellos aspectos que no conoces o dominas para enfocar tu estudio.
Conocimientos I. Para cada uno de los términos identifica tu nivel de conocimiento y márcalo con una X. z1U£TANTOCONOZCOACERCADE
-UCHO
0OCO
.ADA
Los elementos químicos Los compuestos químicos La estructura del átomo Las partículas subatómicas El número atómico La masa atómica Los números cuánticos La configuración electrónica
II. Responde a lo siguiente (investiga antes si es necesario). 1. ¿Cómo se conoce el total de electrones que posee un átomo?
2. ¿Cómo se determina el total de neutrones de un elemento químico?
3. ¿Cuáles son los datos necesarios para poder responder las dos preguntas anteriores?
Construcción de una línea DETIEMPOPARAEXPLICAREL DESARROLLOYAPORTACIONES QUESEHANTENIDOALOLARGO DELAHISTORIADELMODELOATMICO RESALTANDOLASAPORTACIONES DE$ALTON 4HOMPSON 2UTHERFORD #HADWICK 'OLDSTEIN "HR 3OMERFELD $IRAC *ORDAN Cuestionario acerca DELASCARACTER¤STICAS IDEAS PRINCIPALESYAPORTACIONES QUECADAUNODELOSMODELOS APORTALACONSTRUCCINDELMODELO ATMICOACTUAL Ejercicios para favorecer LACOMPRENSINDELAAPLICACIN EINTERRELACINENTREELN¢MERO ATMICOYELN¢MERODEMASA ENLADETERMINACINDELAS CARACTER¤STICASDELOSÖTOMOS %XPLICARELPROCEDIMIENTOASEGUIR PARALARESOLUCINDELOSMISMOS Exposición del significado NOMBREYCARACTER¤STICAS QUEDETERMINA YLOSVALORES DELOSN¢MEROSCUÖNTICOSAS¤ COMOLOSPRINCIPIOSENLOSQUE SESUSTENTALACONSTRUCCIN DELASCONlGURACIONESELECTRNICAS Ejercicios tipo que permitan RELACIONARCARACTER¤STICAS DELOSELEMENTOSQU¤MICOS CONSUCONlGURACINELECTRNICA YLOSELECTRONESDEVALENCIA %XPLICARELPROCEDIMIENTOASEGUIR PARALARESOLUCINDELOSMISMOS Explicación del concepto DEISTOPOYSUSCARACTER¤STICAS
Habilidades
Debate sobre “Riesgos YBENElCIOSENLAUTILIZACIN DELOSISTOPOSRADIACTIVOSv
¿Cómo imaginas que está estructurado un átomo? ¿Qué forma tiene? ¿Cuáles son sus componentes y cómo están organizados? Elabora en el espacio de la siguiente página un dibujo del átomo con todo el detalle que puedas, tal como lo imaginas. Comparte tu dibujo con tus compañeros y tu profesor.
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Actitudes y valores Reflexiona un momento y responde.
1. ¿Cómo influye el conocimiento de la estructura atómica en tu comprensión del medio donde te desarrollas?
2. ¿Cuáles son las aplicaciones prácticas del modelo atómico en tu vida y en tu entorno?
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Reto La ciencia actual sustenta muchas de sus explicaciones en “modelos” que ayudan a entender el funcionamiento de múltiples fenómenos, tanto de la vida cotidiana, como de la naturaleza. En el caso del átomo se ha hecho especialmente necesario contar con “modelos” que nos indiquen cómo está constituido y cuáles formas de energía están presentes en él. ¿Por qué se utilizan modelos para explicar cómo es el átomo? La razón es muy simple: aun con todos los avances tecnológicos actuales, nadie lo ha podido observar directamente. Podemos preguntarnos entonces, si nadie los ha visto, ¿cómo se sabe que existen? ¿Cómo ha sido posible saber cuáles partículas lo integran y qué propiedades físicas o químicas tiene cada una de ellas? ¿Cómo se ha llegado –históricamente– hasta el actual modelo atómico?
I. El reto para el equipo de trabajo será preparar y dictar una conferencia sobre el modelo atómico actual y sus aplicaciones, en modalidad de “panel de expertos”, es decir, donde todos y cada uno de los integrantes del equipo domina una parte de los temas y lo va explicando uno después del otro, según el plan que haya acordado el equipo con el profesor.
II. En la preparación de su conferencia les sugerimos cubrir los puntos siguientes: 1. El uso de “modelos” en la ciencia, ilustrando con uno o dos ejemplos. 2. Los modelos atómicos anteriores, indicando quién fue su autor, qué descubrimientos o hechos le sirvieron de sustento para elaborar su modelo, la descripción clara del modelo atómico y su relación con el modelo atómico anterior (si lo hay), etc. 3. Descripción del modelo atómico actual y sus aplicaciones en diferentes ámbitos. Ilustren, de ser posible, con uno o dos ejemplos de aplicaciones que estén presentes en su entorno inmediato.
III. Indudablemente que su conferencia tendrá mayor impacto en la audiencia si utilizan aspectos gráficos, como puede ser una serie de diapositivas en Power Point o láminas elaboradas en papel para rotafolio o cartulina o maquetas de los diferentes modelos atómicos.
Coevaluación Sugerimos guiarse, tanto para la preparación de la conferencia como para su realización, por la siguiente matriz de valoración: #ATEGOR¤A
4
3
2
1
Entendimiento del tema
El equipo, en su totalidad, mostró entendimiento claro y profundo del tema y presentó información precisa en su conferencia.
El equipo entendió el tema con profundidad pero la información que brindaron requiere ser apoyada con más ejemplos.
El equipo muestra una comprensión suficiente, pero la información requiere muchas mejoras.
El equipo no demostró un adecuado entendimiento del tema. Su abordaje de los temas requiere ser corregido casi en su totalidad.
Uso de hechos y/o estadísticas
Cada punto principal está bien apoyado con hechos relevantes, estadísticas y/o ejemplos.
Cada punto principal está apoyado con algunos hechos relevantes, estadísticas o ejemplos.
Solamente algunos puntos están bien apoyados con hechos relevantes.
Los puntos tratados no tienen apoyo en hechos relevantes, estadísticas y/o ejemplos.
Continúa
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#ATEGOR¤A
4
3
2
1
Aspectos gráficos
Cada uno de los temas abordados en la conferencia fue ilustrado con imágenes o modelos claros y atractivos.
La mayoría de los temas tocados en la conferencia fue ilustrado con imágenes o modelos.
Solo unos cuantos temas contaron con el apoyo de elementos gráficos como láminas o diapositivas.
Casi ninguno o ningún tema se apoyó con el uso de diapositivas o láminas.
Organización de la conferencia
Los miembros del equipo dictaron su parte de la conferencia respetando el tiempo acordado con su profesor.
Uno o dos miembros del equipo no respetaron el tiempo asignado y la organización del panel se complicó.
Pocos miembros del equipo respetaron el orden y el tiempo asignado.
El equipo, en general, mostró desorganización y las intervenciones no respetaron los tiempos acordados.
Autoevaluación Analiza tu participación en la actividad y responde breve y con sinceridad a las preguntas:
1. Mi participación durante la actividad fue…
2. Mi mejor aportación al producto final fue…
3. Mi aprendizaje más significativo fue…
4. Debo mejorar en…
5. Mi compromiso para las próximas actividades será…
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Para comenzar...
Tema 1
Tema 2
Tema 3
Modelos atómicos y partículas subatómicas
Conceptos básicos: número atómico, masa atómica y número de masa
Configuraciones electrónicas y números cuánticos
Continúa...
¿Has podido ver alguna vez un átomo? ¿Has pensado en cuáles son las pruebas que indican si los átomos existen en realidad? ¿Qué forma tienen? ¿Cómo están constituidos? ¿Cómo se sabe si poseen electrones, protones y neutrones?
En la actualidad, no podemos apreciar un átomo en el microscopio con lujo de detalle como lo hacemos con los microorganismos; no obstante, aunque no vemos su estructura interna, conocemos mucho acerca de ella a través de métodos indirectos. En la Antigüedad se empezó a ver el mundo no como algo controlado por los dioses, sino como una gran máquina gobernada por leyes fijas e inmutables que las personas podían llegar a comprender. Fue esta corriente materialista de pensamiento surgida entre los siglos vi y iv a. C. en las ciudades griegas, la que sentó las bases de las matemáticas y las ciencias experimentales. El defensor más brillante del materialismo en la Antigüedad clásica fue Demócrito. Este filósofo se interrogó sobre la divisibilidad de la materia y pensaba que llegaba un momento en que se obtenían partículas que no podían dividirse más; a estas las denominó átomos, palabra proveniente del griego atomon que significa indivisible. La idea de st-editorial.com
Demócrito tuvo poca aceptación entre los filósofos griegos y romanos. Así, el átomo fue olvidado durante miles de años, mientras que la idea de que el universo estaba compuesto por cuatro elementos (tierra, agua, fuego y aire) era más aceptada y propagada por eruditos como Aristóteles. ¿Para qué nos sirve conocer la estructura del átomo? Porque las propiedades de las sustancias están determinadas por el arreglo de los átomos y, entendiendo su estructura, podremos conocer cómo se combinan en las reacciones químicas de la naturaleza. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno desempeñan una función importantísima en la respiración, ya que al ser transportados en la matriz mitocondrial generan la fuente de energía que las células emplean para todos sus procesos metabólicos. Comencemos el estudio del átomo haciendo un viaje imaginario por el pasado y remontándonos a aquellos experimentos y teorías que le dieron forma. 71
BLOQUE 3
INFOGRÁFICO 1. LÍNEA DE TIEMPO DE LOS MODELOS ATÓMICOS PROPUESTOS !NTIGÓEDAD Aristóteles
Demócrito
#ONSIDERABAQUELAMATERIAESTABAFORMADA PORCUATROELEMENTOS tierra, agua, fuego y aire,OSHIND¢ESYJAPONESESTAMBI£N CRE¤ANENESOSCUATROELEMENTOS MÖSUN QUINTO LLAMADO£TER
0LANTEQUELAMATERIANOSEPOD¤A DIVIDIRINDElNIDAMENTE PORESO DENOMINátomosALASPART¤CULAS DEUNASUSTANCIA QUEENGRIEGO SIGNIlCAhINDIVISIBLESv
John Dalton. Ley de las proporciones múltiples
Figura 1. Para Dalton los átomos eran partículas esféricas minúsculas, rígidas e indestructibles.
El físico y químico británico John Dalton (17 -1844) planteó en 1803 su ley de las proporciones múltiples, donde afirmaba que los elementos se pueden combinar en más de un conjunto de proporciones, y que cada conjunto corresponde a un compuesto diferente. La masa de un elemento se combina con la de otro, y dichas masas guardan entre sí una relación de números enteros sencillos. Por ejemplo, Dalton encontró que el carbono se combina con el oxígeno en dos proporciones: una para dar monóxido de carbono –CO– (3:4) y la otra para dar dióxido de carbono –CO2– (3:8); dos gases con propiedades distintas a pesar de estar formados con los mismos elementos. El primero es un gas tóxico que se genera por combustión incompleta y el segundo es un gas producto de la respiración o de una combustión completa. Estas leyes rigen la proporción en masa y volumen para formar compuestos. Finalmente, Dalton propuso su teoría atómica para explicar estas leyes, donde define al átomo como la unidad constitutiva de los elementos (figura 1). Las ideas básicas de su teoría pueden resumirse en los siguientes puntos: R5 5'. ,#5 -.á5 ),' 5*),5 #'#(/.-5*,.ù /&-5&&' -5á.)')-8 R5 ) )-5&)-5á.)')-5 5/(5'#-')5 & ' (.)5-)(5# ï(.# )-8 R5 )-5 # , (. -5 & ' (.)-5 -.á(5 ),' )-5*),5/(50,# 5 5á.)')-8 R5 /( )5&)-5á.)')-5 5&)-5 & ' (.)-5- 5 )' #((5*,5 ),',5/(5 )'*/ -.)65&)5 hacen en proporciones fijas de números enteros positivos. R5 -5, #)( -5+/ù'# -5#'*&# (5/(5, ), ('# (.)5 5á.)')-85#(!Ě(5á.)')5 se crea, destruye o descompone en una reacción química. Asimismo, la teoría de Dalton explica la diferencia entre elementos –compuestos de un solo tipo de átomo– y moléculas –combinación de dos o más tipos de átomo diferentes–. Otra aportación importante de Dalton es que fue el primero que elaboró juntamente con su teoría una tabla de masas relativas de átomos y moléculas. Dalton inventó también símbolos para representar a los elementos y las moléculas, como se puede comprobar en el cuadro 1. A pesar de que la teoría de Dalton era inexacta en varios aspectos –indivisibilidad del átomo– y que no elaboró ninguna hipótesis acerca de la estructura de los átomos, su importancia radica en que sirvió para explicar un gran número de datos experimentales y permitió predecir el comportamiento de la materia en diversas circunstancias. CUADRO 1. 3)-"/,/'Ù!$%%,%-%.4/302/05%34!0/2$!,4/. 3¤MBOLO .OMBRE (IDRGENO s
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0ESO
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#OBRE
56
-ERCURIO
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EXPLICAS EL MODELO ATÓMICO ACTUALY SUS APLICACIONES
#ONTIN¢A
%DAD#ONTEMPORÖNEA John Dalton 0OSTULLA ley de las proporciones múltiplesYDIFERENCI PORPRIMERAVEZ ENTREÖTOMOSYMOL£CULAS !LREALIZARLASPRUEBASDELABORATORIO £LMISMODESCUBRIQUETEN¤AUNAENFERMEDAD GEN£TICAQUELEIMPED¤AIDENTIlCARALGUNOSCOLORES%STAENFERMEDADSEDENOMINA daltonismo ENHONORA£L
Desarrolla competencias
actividad individual
h%LANÖLISISYLAS¤NTESIS QU¤MICANOSONSINO SEPARACINOREUNIN DEDIFERENTESÖTOMOSv John Dalton
Distingue las aportaciones científicas que contribuyeron al establecimiento del modelo atómico actual.
Enuncia los principales postulados de la teoría atómica de Dalton.
Desarrolla competencias
actividad grupal
Distingue las aportaciones científicas que contribuyeron al establecimiento del modelo atómico actual.
1. Reunidos en equipos, complementen la línea de tiempo que se muestra en este tema con más información acerca de las aportaciones que condujeron al modelo atómico actual (deben utilizar sus propias palabras para explicar cada una, incluir fechas más exactas y agregar símbolos, pequeños esquemas o cualquier otro elemento). Si disponen de conexión a Internet, les sugerimos descargar la versión de prueba de SmartDraw, un software para el aprendizaje visual que permite elaborar con mayor facilidad líneas de tiempo, mapas mentales y conceptuales. La dirección electrónica para la descarga es: www.smartdraw.com/downloads/index.htm?WT.svl=link02 2. Conforme avancen en los siguientes temas del bloque continúen con la elaboración de su línea de tiempo. Al final, muéstrenlo al resto de la clase para recibir retroalimentación. No olviden incluir ilustraciones para hacerla más clara y atractiva. Pueden utilizar el siguiente espacio para hacer un boceto.
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BLOQUE 3
LÍNEA DE TIEMPO DE LOS MODELOS ATÓMICOS PROPUESTOS 6IENEDELAPÖGINAANTERIOR
%DAD#ONTEMPORÖNEA William Crookes
Joseph J. Thompson
$ESCUBRILOSrayos catódicos, UNACORRIENTELIBREDEELECTRONES MEDIANTEELUSOPIONERODETUBOS EL£CTRICOS,OSRAYOSCATDICOS SIGUENUSÖNDOSEENLOSTELEVISORES
3UPON¤AQUEELÖTOMOERA UNAesfera de electrificación positivaENLACUALSEINSERTABAN LOSELECTRONESCARGADOS NEGATIVAMENTE
Joseph J. Thomson. El electrón y el modelo atómico
Figura 2. Thomson suponía que el átomo era una esfera de electrificación positiva en la cual se insertaban los electrones cargados negativamente.
Glosario 74
Antes de continuar es conveniente señalar que uno de los experimentos más importantes para descubrir el electrón fue realizado por William Crookes (1832-1919) en 18 4. Crookes descubrió que después de transmitir una descarga de bajo voltaje a un gas contenido en un tubo de vidrio, se obtenía una radiación luminosa y verde. El tubo estaba dotado de electrodos (tiras metálicas cubiertas de sulfuro de zinc) y conectado a una bomba de vacío con la que se extrajo la mayor parte de aire. El rayo viaja del electrodo negativo llamado cátodo, al electrodo positivo, llamado ánodo, por lo que se les conoce como rayos catódicos. Diversos experimentos con los rayos catódicos demostraron que viajan en línea recta –si se les coloca un objeto sólido entre el cátodo y el ánodo, proyecta una sombra en el resplandor del vidrio– y que tienen masa –al pasar hacen girar un molinete. Para determinar el carácter eléctrico de las partículas constituyentes de los rayos catódicos Joseph John Thomson (185 -1940) demostró que estos se desviaban en un campo magnético. Él sabía que un objeto cargado eléctricamente era afectado por dos tipos de fuerza –desde Faraday (1791-18 7) se habla de fuerzas electromagnéticas que actúan sobre cualquier objeto provisto de carga eléctrica–, por lo que si los rayos catódicos tenían carga, serían afectados por estas fuerzas, que actúan como la generada por un imán. Entonces, armó un dispositivo modificando el tubo de rayos catódicos: los rayos deberían atravesar una zona en la que se había creado un campo eléctrico entre dos placas cargadas y un campo magnético. Ajustó el voltaje de las placas hasta que se compensaran los efectos desviadores del campo magnético, si los rayos eran realmente partículas, su trayectoria debía ser afectada por los imanes y por las grandes cargas eléctricas, y, efectivamente, la placa positiva –ánodo– atraía el haz, mientras que la placa negativa –cátodo– lo repelía. Thomson llegó a la conclusión de que los rayos catódicos se componen de partículas con carga negativa a las que posteriormente George Stoney (182 -1911) sugirió que se les diera el nombre de electrones. Thomson logró descubrir una característica cuantitativa del electrón, la carga específica, y sugirió calcular la relación que guarda la masa del electrón respecto de su carga (e/m), tal que su cociente es 1 759 × 1011 C/kg o 1 759 × 108 C/g. Dos años después de haber obtenido la relación e/m, Thomson determinó aproximadamente el valor de la carga en e- 2.17 × 10-19 C. )5 / 5-#()5"-.5gofo5+/ 5) ,.5( , 15 #&&#%(5Bgnln7gokiC5"#4)5&5*,#' ,5 7 terminación precisa y directa de la carga del electrón. El resultado fue e- 1.59 × 10-19 C (el valor actual aceptado internacionalmente es de e- 1. 022 × 10-19 C). Luego de que Thomson descubrió la existencia del electrón, sugirió un modelo del átomo en el que las cargas negativas se encontraban asociadas con las cargas positivas en una esfera uniforme. Este modelo conocido como “pastel con pasas” (donde los electrones representan las pasas) explicaba el hecho de que la materia fuese eléctricamente neutra (figura 2).
Electrodo. #ONDUCTOREL£CTRICOATRAV£SDELCUALENTRAOSALEUNACORRIENTEEL£CTRICADEUNSISTEMA st-editorial.com
EXPLICAS EL MODELO ATÓMICO ACTUALY SUS APLICACIONES
#ONTIN¢A
Eugen Goldstein
Henri Becquerel
$ESCUBREELprotón,LAPART¤CULA DELÖTOMOQUEPOSEECARGA POSITIVA
&UEGALARDONADOENCONEL PREMIO.OBELDE&¤SICAYREALIZUNA SERIEDEEXPERIMENTOSENTUBOSDE RAYOSCATDICOS QUELECONDUJERONAL DESCUBRIMIENTODELOSelectrones
(OJADEALUMINIO
Ernest Rutherford. El modelo atómico
/ ")-5 5&)-5 - / ,#'# (.)-5 (5&5 # ( #5- 5"(5 )5 5'( ,5 accidental; el descubrimiento de la radiactividad no fue la excepción. En 189 , el físico francés Henri Becquerel (1852-1908) buscaba la posibilidad de que los rayos X emitieran fluorescencia. Colocó trozos de material fluorescente sobre placas fotográficas cubiertas con papel negro, exponiéndolas a la luz solar para determinar si se velarían las placas a través de la cubierta protectora. Efectivamente, después de estar expuestas durante cierto tiempo a la luz solar, las placas se velaban. Por casualidad, entre los materiales fluorescentes colocó sales de uranio, y las placas se velaron aunque los días fueran nublados y estuvieran guardadas en un cajón. Después de algunas pruebas, se demostró que las sales de uranio emitían radiaciones desconocidas, por lo que denominó al fenómeno radiactividad. )-. ,#),' (. 65 ,# 5/,# 5Bgnlm7goijC535-/5 -*)-)5# ,, 5 (1859-190 ) descubrieron los elementos radiactivos radio y polonio, y reconocieron que la radiactividad es de naturaleza atómica. (5gofi65&)-5/,# 535 +/ , &5 )'*,.# ,)(5 &5*, '#)5) &5 5 ù-# 535 ,# 5/,# 5!(ĉ5 &5 5/ù'# 5 (5gogg8 El estudio de la radiactividad continuó con el neozelandés ,( -.5 /." , ), 5 Bgnmg7goimC65 +/# (65 -./ #( )5 &)-5 ,3)-5 65 descubrió otro tipo de emisiones a las que bautizó rayos alfa (F), rayos beta (G) y rayos gamma (L). Observa el cuadro 2.
.ATURALEZA
#ARGA
2AYOSBETA 2AYOS8 2AYOS GAMMA
(OJADEPAPEL
0LACADEPLOMO
Figura 3. Esquema que muestra la capacidad de penetración de distintas longitudes de onda sobre diferentes materiales.
0ODERDE PENETRACIN
!LFA
F
0ART¤CULASCONLAMASADE UNÖTOMODEHELIO
+2
0OCO
"ETA
G
%LECTRONES
2EGULAR
'AMMA
L
2ADIACINELECTROMAGN£TICA
-UCHO
Los rayos F son poco penetrantes y pueden ser detenidos por una hoja de papel; los rayos G son más penetrantes que los primeros (parecidos a los rayos X) y logran atravesar una hoja de aluminio de aproximadamente 0.3 mm de espesor, y los rayos L tienen un poder mayor de penetración, ya que son capaces de atravesar placas gruesas de metal como el plomo de 3 mm de espesor (figura 3). /." , ), 5 ')-.,ĉ5+/ 5&)-5,3)-5F eran sensibles a los campos magnéticos y eléctricos, por lo que pudo determinar la relación st-editorial.com
2AYOSALFA
,ÖMINADEORO
CUADRO 2.4)0/$%/.$!32!$)!#4)6!3 .OMBRE 3¤MBOLO
0LACADEHORMIGN
2AYOSALFA &UENTEDERAYOSALFA
0LACADE SULFURODEZINC
Figura 4. Esquema del comportamiento de rayos F (núcleos de helio positivos) al impactar una placa de oro.
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BLOQUE 3
LÍNEA DE TIEMPO DE LOS MODELOS ATÓMICOS PROPUESTOS 6IENEDELAPÖGINAANTERIOR
%DAD#ONTEMPORÖNEA Marie Curie
Max Planck
$ESCUBREQUELARADIACTIVIDAD T£RMINOINVENTADOPORELLA ES DEnaturaleza atómica.
0ROPONELAteoría cuántica YROMPE LOSESQUEMASDELAF¤SICACLÖSICA %INSTEINRETOMALASIDEASDE0LANCK PARASUTEOR¤ADELARELATIVIDAD
carga-masa como lo hizo Thomson con el elec.,ĉ(85 (5 gofn65 /." , ), 5 , # #ĉ5 &5 *, '#)5 ) &5*),5 -. 5"&&4!)65* ,)5&)5'á-5 /,#)-)5 -5 que se le recuerda más por su modelo atómico que por el descubrimiento de los rayos F, G y L. Una 0 45+/ 5/." , ), 5 - / ,#ĉ5&5(./,& 45 5&-5 partículas F, diseñó un experimento junto con sus -#-. (. -5 #! ,5 35 , - (65 (5 &5 +/ 5 /- 5 explorar el interior de un átomo. Empleó una fuente radiactiva de rayos F (núcleos de helio positivos), que bombardeaba una lámina delgada de oro de 0.000 mm de espesor. Atrás de la lámina colocó una placa de sulfuro de zinc que emitía luz cuando era alcanzada por los rayos F. Después de varias pruebas, encontraron que la mayor parte de la radiación había atravesado la placa de oro, que algunas se desviaban en ángulos pequeños y
Desarrolla competencias
que muy pocas rebotaban hacia la fuente de energía radiactiva (figura 4). Los resultados obtenidos no concordaban con el modelo propuesto por Thomson, quien pensaba que el átomo era una masa más densa de protones y electrones. (.)( -65 (5 gogg5 /." , ), 5 *,)*/-)5 /(5 modelo atómico en el que señalaba: R5 &5á.)')5 -5 (5!,(5*,. 5 -* #)50 ù)535 (5 &5 centro, al que llamó núcleo, se encuentra concentrada casi toda la masa con carga positiva. R5 / -.)5+/ 5 &5á.)')5 -5 &ï .,# ' (. 5( /7 tro, los electrones se encuentran girando alrededor del núcleo y ocupan la mayor parte del volumen del átomo. 5.,0ï-5 5 -. 5') &)65/." , ), 5*,)*/-)5 la existencia de dos cargas: protones y electrones.
actividad individual
Distingue las aportaciones científicas que contribuyeron al establecimiento del modelo atómico actual.
1. Muestra tu comprensión sobre el modelo atómico de Rutherford y elabora un mapa mental que plasme las ideas principales. Utiliza colores y figuras para ilustrar tu mapa.
2. Luego compáralo con el de algún compañero y evalúa su trabajo haciendo las recomendaciones que permitan mejorarlo.
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EXPLICAS EL MODELO ATÓMICO ACTUALY SUS APLICACIONES
#ONTIN¢A
Ernest Rutherford
James Chadwick
$ESCUBRELOSrayos alfa, beta y gamma,YPOSTULAUNMODELO ATMICODIFERENTEALDE4HOMPSON
$ESCUBREELneutrón,LA PART¤CULASINCARGADELÖTOMO YCOMPLETALAESTRUCTURA DELÖTOMO
James Chadwick. El neutrón Una vez descubierto el núcleo, los científicos querían - ,5 5+/ï5'á-5 -. 5 ),' )85 !Ě(5/." , ), 65 el electrón era 1 83 veces más ligero que el protón, por lo tanto, la masa del electrón era casi despreciable, y el protón era el que determinaba mayormente la masa del átomo. Pero ciertos datos experimentales con relación a la masa de los átomos no concordaban del todo, pues si el átomo era neutral, debía existir la misma cantidad de protones que de electrones, y si los protones determinaban la masa, entonces la del átomo no coincidía con la suma de la masa de los protones y electrones: hacía falta masa. (5-/-5 2* ,#' (.)-65" 1# %5Bgnog7gomjC5 bombardeó átomos de boro con partículas alfa y a partir del incremento en masa del nuevo núcleo, calculó que la partícula añadida al boro tenía una
"ORO
2AYOSALFA
masa más o menos igual al protón. Sin embargo, la *,.ù /&5 (5-ù5()5*) ù5 . .,- 85" 1# %5 7 cidió que la explicación debía ser que la partícula no poseía carga eléctrica –una partícula sin carga no produce ionización y, por lo tanto, no condensa !).#.-5 5!/@85-ù65 (5goih65 ' -5" 1# %5 llegó a la conclusión de que había emergido una partícula nueva, que tenía aproximadamente la misma masa del protón pero sin carga, o en otras palabras, que era eléctricamente neutra; de esta forma descubrió el neutrón (figura 5). La posibilidad de una partícula así ya había sido sugerida. La nueva partícula solucionó al instante ciertas dudas que los físicos teóricos habían mantenido acerca del modelo de núcleo protónelectrón. Con este último descubrimiento se completó el rompecabezas de la estructura del átomo.
$ETECTOR DEN¢CLEOS
'ASNITRGENO
Figura 5. Chadwick logró en su experimento interceptar neutrones expulsados por la amortiguación de aire generada por el gas de nitrógeno. Los núcleos de nitrógeno, cargados positivamente, son fácilmente detectables y permitieron inferir la existencia de los neutrones.
Ionización. #ONVERSINDEUNÖTOMOOUNAMOL£CULAENUNIONPORP£RDIDAOGANANCIADEUNOOMÖSELECTRONES st-editorial.com
Glosario 77
BLOQUE 3
LÍNEA DE TIEMPO DE LOS MODELOS ATÓMICOS PROPUESTOS 6IENEDELAPÖGINAANTERIOR
%DAD#ONTEMPORÖNEA Niels Bohr
Arnold Sommerfeld
$IOUNAEXPLICACINALOSespectros de emisión ALTRABAJARCONEL HIDRGENO
0ROPONEUNnúmero cuántico LQUEDETERMINA UNN¢MEROMAYORDERBITAS DIFERENTES
Desarrolla competencias
actividad individual
Distingue las aportaciones científicas que contribuyeron al establecimiento del modelo atómico actual.
1. Completa el siguiente cuadro comparativo con la información que se solicita. !UTOR
&ECHA
)DEASYAPORTES ALMODELOATMICO
!VANCECONRESPECTO ALAPORTEANTERIOR
Demócrito
Dalton
Thomson
Goldstein
Chadwick
2. Analiza y escribe en tu cuaderno las conclusiones sobre el avance con respecto al aporte anterior. 3. Comparte los resultados con tu profesor y corrige en caso necesario. 78
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EXPLICAS EL MODELO ATÓMICO ACTUALY SUS APLICACIONES
Paul Dirac y Ernst Jordan
Gran colisionador de hadrones
$ESCRIBENALELECTRNCOMO UNAonda que vibraENTORNO ALN¢CLEO
z1U£INFORMACINPUEDESENCONTRAR ACERCADEESTEDESCUBRIMIENTO
Eugen Goldstein. El protón y los rayos canales En 188 , Eugen Goldstein (1850-1931) llevó a cabo un experimento con el tubo de rayos catódicos donde colocó la placa del cátodo con perforaciones y se percató de que existían electrones desplazándose hacia el ánodo, sin embargo había otras partículas que salían disparadas hacia el lado contrario (figura ). A estos rayos que atravesaban los cátodos en sentido contrario se les llamó rayos canales. A las partículas detectadas en los rayos canales se les denominó protones. En 1907, se estudiaron las desviaciones de estas partículas en un campo magnético y se conoció que su masa era aproximadamente un promedio de 1 83 veces mayor que la de un electrón.
#ÖTODO
¬NODO
"
!
2AYOS CANALES
0ANTALLA PERFORADA
2AYOS CATDICOS
Figura 6. Experimento que permitió detectar los protones en el tubo de rayos catódicos.
Niels Bohr. Número cuántico n &5 ù-# )5 (ï-5# &-5)",5Bgnnk7golhC5- 5 -ĉ5 (5 &5') &)5 5-/5 ' -.,)5/." , ), 535&5. ),ù5 /á(.# 5 5 25&( %5Bgnkn7gojmC65 para proponer una explicación a los espectros de emisión durante su trabajo con el hidrógeno y planteó los siguientes postulados: R5 )-5 & .,)( -5- 5 ( / (.,(5!#,( )5 (5ĉ, #.-5 -. #)(,#-5 sin emitir energía. R5 /( )55/(5á.)')5- 5& 5*&# 5 ( ,!ù65-/-5 & .,)( -5 ,#(7 can de una órbita de menor energía a una de mayor energía, absorbiéndola. R5 /( )5 &5 & .,ĉ(5, !, -55-/5ĉ, #.5 -. #)(,#5 '#. 5&5 ( ,!ù5 que absorbió en forma de radiaciones electromagnéticas. Bohr planteaba la existencia de niveles energéticos donde se encontraba el electrón, los cuales solo podían tener cierta cantidad específica de energía cuantizada. Consideremos lo que sucede al calentarse una muestra de algún elemento químico: los electrones absorben cuantos de energía y pueden pasar a un nivel de energía mayor, por lo que se dice que el átomo se encuentra en un estado excitado. Cuando disminuye la temperatura de la muestra, el electrón regresa a su órbita estacionaria, emite el cuanto de energía antes absorbido y se dice entonces que el átomo se encuentra en un estado de energía basal (figura 7).
%STADOBASAL
%STADOEXCITADO #UANTODE ENERG¤A
%STADOBASAL
Figura 7. Según Bohr, cuando el electrón excitado regresa a su órbita original, emite un cuanto de energía.
Estado excitado. %STADOENELQUEUNÖTOMORECIBEENERG¤AYUNELECTRNPASADEUNNIVELENERG£TICOMÖSBAJOAUNOMÖSALTO Estado de energía basal. %STADODEUNÖTOMOENELQUETODOSLOSELECTRONESESTÖNENNIVELESENERG£TICOSLOMÖSBAJOSPOSIBLES
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Glosario 79
BLOQUE 3
Figura 8. Representación esquemática del modelo de Bohr, con el electrón girando alrededor del núcleo en una órbita determinada.
Con esta teoría, Bohr logró explicar el espectro de emisión del hidrógeno y establecer la importancia de los niveles de energía que posteriormente recibió el nombre de número cuántico principal, simbolizado con la letra n. Este número especifica la órbita del electrón y su energía, tomando valores desde n 1, 2, 3, 4… hasta infinito. A partir del estudio con gases nobles, Bohr propuso que en cada nivel de energía podía estar un número limitado de electrones. El número máximo de electrones en un nivel de energía se obtiene a partir de la fórmula 2n2, donde n es el nivel de energía en cuestión. De esta manera si n 1, entonces el total de electrones será 2(1)2 2, y así sucesivamente. A partir del modelo de Bohr, se pudieron deducir los valores para los radios de las órbitas y para sus energías (figura 8). Pero el mejoramiento de las técnicas espectrográficas permitió obtener resultados con un grado mayor de resolución, lo que demostró que, en los espectros de emisión, algunas rayas que se consideraban simples, ahora aparecían como dos o más líneas que deberían corresponder a energías semejantes. Además, cuando el espectro era sometido a un campo magnético intenso, aparecían nuevos desdoblamientos de las rayas en el espectro, fenómeno que se conoce como efecto Zeeman. Esto quiere decir que el electrón podía tener varios estados que poseían igual energía en ausencia de un campo magnético, pero diferente energía en su presencia.
Arnold Sommerfeld. Número cuántico l Ante estos hechos experimentales, que el modelo atómico de Bohr no podía justificar, Arnold Sommerfeld (18 8-1951) propuso una corrección y dijo que las órbitas, además de circulares, podían también ser elípticas, y donde en principio se observaba un único nivel energético había, en realidad, varios subniveles correspondientes a órbitas ligeramente diferentes. Con el número cuántico n, Bohr podía definir el radio de una órbita circular, pero para definir una elipse hacían falta, al menos, dos radios, por lo que se requerían al menos dos números cuánticos más. Entonces, Sommerfeld propuso un número cuántico l que determina un número mayor de órbitas diferentes. Las órbitas elípticas podían tener diferentes orientaciones en el espacio, lo que hacía necesario introducir otro número cuántico llamado número cuántico magnético m, que sirve para caracterizar cada orientación espacial. Otro hecho importante fue el enunciado por Louis de Broglie (1892-1987), al señalar que los electrones tienen tanto propiedades de onda como de partículas. Eso quiere decir que existe una dualidad, donde todas las que habían sido consideradas como partículas (electrones, protones y neutrones) también podrían tratarse como modelos ondulatorios. Esto se confirmó en experimentos donde se logró difractar electrones como si fueran un haz de luz. A consecuencia de este comportamiento dual de los electrones, surgió el principio enunciado por el físico alemán Werner Heisenberg (1901-197 ), conocido como principio de incertidumbre, que establece que es imposible determinar simultáneamente y con exactitud la posición y la velocidad del electrón. ¿Por qué? Si queremos observar la posición del electrón, deberíamos usar una luz lo bastante fuerte para que la velocidad del electrón cambiara radicalmente. En cambio, si la luz utilizada no posee la energía mencionada, la velocidad del electrón no se modificaría demasiado y no podríamos observar su posición.
Paul Dirac-Ernst Jordan Ante la imposibilidad de tratar el comportamiento del electrón según la mecánica clásica, surge la mecánica cuántica65 /3)-5* , -5 / ,)(5,1#(5 ",Č #(! ,5Bgnnm7golgC6 Paul Dirac (1902-1984) y Ernst Jordan (1902-1980). En 192 , propusieron describir al electrón, no como una partícula que gira alrededor de un núcleo, sino como una onda que vibra en torno a él, de modo que esté al mismo tiempo en todos los puntos de la órbita. Esta descripción se llamó mecánica ondulatoria. Glosario 80
Mecánica cuántica.4EOR¤ABASADAENLAMECÖNICAONDULATORIAQUEEXPLICALAESTRUCTURAATMICA st-editorial.com
EXPLICAS EL MODELO ATÓMICO ACTUALY SUS APLICACIONES
Partículas subatómicas Por su parte, la electricidad desempeñó un papel importantísimo en la comprensión de la estructura del átomo. El físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), conocido por sus trabajos sobre la electricidad, inventó en 1800 lo que conocemos actualmente como la pila voltaica, dispositivo que producía un flujo estable de energía. Posteriormente al invento de Volta, Humphrey Davy (1778-1829), científico inglés, descubrió cuatro elementos nuevos: potasio, sodio, magnesio y calcio. El método que utilizó no habría sido posible sin el descubrimiento de la pila voltaica. Davy empezó a desarrollar lo que él mismo denominó electroquímica y, al explorar el uso de la batería, logró separar varios elementos químicos como el estroncio, el boro y el ,#)65 (., 5).,)-85) )-5&)-5 # (.ùŀ )-5' ( #)( )-5 lograron determinar el carácter eléctrico de la materia
Desarrolla competencias
y, por consecuencia, del átomo –como constituyente esencial– y sus partículas. De esta manera, estamos en el momento de definir que una partícula subatómica es la partícula más pequeña de un átomo (sub-, que en latín significa “bajo” o “debajo de”). Podemos determinar de forma resumida los siguientes, que ya hemos mencionado: Protón. Partícula subatómica de carga positiva que se / # 5 (5 &5(Ě & )5.ĉ'# )85# ( 5/(5'-5*,)2#mada de 1 uma. Neutrón. Partícula subatómica sin carga eléctrica que se encuentra en el núcleo atómico y de masa similar a la del protón, es decir, de 1 uma. Electrón.5 *, - (. )5*),5&5& .,5 -, es una partícula subatómica que tiene una unidad de carga negativa. En un átomo, los electrones rodean el núcleo, que se compone solo de protones y neutrones. Distingue las aportaciones científicas que contribuyeron al establecimiento del modelo atómico actual.
actividad individual
Realiza en tu cuaderno lo lo que se te pide a continuación. 1. Menciona las conclusiones de Bohr acerca de la estructura del átomo. 2. ¿Qué señala el principio de incertidumbre de Heisenberg?
Desarrolla competencias
actividad grupal
Construye modelos de las distintas teorías atómicas.
1. Organizados por su profesor integren equipos de trabajo para elaborar y presentar maquetas que representen los modelos atómicos revisados en clase.
2. Para la confección y evaluación de su modelo les sugerimos guiarse por la siguiente matriz de valoración: #ATEGOR¤A
4
3
2
1
Material utilizado para la elaboración
El modelo atómico se fabricó totalmente con materiales reciclados.
El modelo atómico se fabricó en su mayor parte con materiales reciclados, pero incluyeron algunos materiales nuevos
Fidelidad en la representación
La maqueta representa fielmente y con todo detalle el modelo atómico asignado.
La maqueta representa la mayoría de los detalles del modelo atómico, pero tiene algunas fallas.
La maqueta representa muchos detalles del modelo atómico pero pueden observarse también varios aspectos que no corresponden.
La maqueta presenta muy pocos detalles correspondientes al modelo atómico que intenta representar.
Trabajo en equipo
El equipo asumió la tarea con gran responsabilidad y entusiasmo a lo largo del proceso.
La mayoría de los miembros del equipo trabajaron organizados, con entusiasmo y responsablemente. Pero uno o dos de ellos no participaron.
Pocos integrantes del equipo colaboraron con entusiasmo y responsabilidad. Los demás integrantes participaron poco o casi nada.
Hubo poca o nula integración del equipo. La tarea se llevó a cabo con grandes dificultades.
Presentación del modelo
La presentación del modelo se llevó a cabo con la participación de todos los integrantes. Cada uno de ellos conocía perfectamente el aspecto que debía exponer.
La mayoría de los miembros del equipo participaron en la exposición, pero uno o dos no conocían el tema y su intervención no ayudó mucho al objetivo de la presentación.
La mitad o menos de los miembros del equipo participaron bien en la exposición. Los demás sabían poco o casi nada del tema. De manera global la presentación presentó varias deficiencias.
Solamente uno o dos de los miembros del equipo participaron en la exposición. Se nota un pobre conocimiento del modelo atómico.
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La confección del modelo se realizó con pocos materiales reciclados y un gran cantidad de materiales nuevos
El modelo atómico se construyó exclusivamente con materiales nuevos.
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Tema 1
Tema 2
Tema 3
Tema 4
Modelos atómicos y partículas subatómicas
Conceptos básicos: número atómico, masa atómica y número de masa
Configuraciones electrónicas y números cuánticos
Los isótopos y sus aplicaciones
¿Conoces cuáles son los elementos de menor y mayor número atómico? ¿Qué partículas tienen los átomos en su interior? ¿Cuál es la unidad de medida del número atómico?
Número atómico
Masa atómica
Se define como la cantidad de protones o electrones que tiene un átomo. Si consideramos que el átomo es eléctricamente neutro, debemos tener la misma cantidad de protones que de electrones. El número atómico se simboliza con la letra Z, y cada elemento tiene un número atómico único. Por ejemplo, si un átomo tiene protones, nos estamos refiriendo al carbono, pero este mismo elemento tiene también electrones; si hablamos ahora de un átomo con 15 protones estamos refiriéndonos al fósforo que, de igual manera, tiene 15 electrones.
Conocida también como peso atómico, se define como la masa promedio de los átomos de un elemento en relación con la masa de un átomo de carbono 12, tomado exactamente como 12.011 unidades de masa atómica. La masa atómica ofrecida en la tabla periódica de los elementos es una medida promedio de las masas de los isótopos a partir de su abundancia relativa. La masa atómica se determina mediante el uso del espectrómetro de masas. Así, por ejemplo, la masa atómica del cloro es el promedio de las masas atómicas de sus isótopos naturales; la información sobre el cloro demuestra que el elemento tiene 75.77 de átomos de 35Cl y 24.23 átomos de 37Cl. De esta manera, al multiplicar el porcentaje de abundancia por la masa del isótopo y obtener el promedio, se concluye que la masa atómica para el cloro es 35.453 unidades de masa atómica (uma) [Ej. 1].
Z número atómico número de electrones
número de protones
Como podrás observar en la tabla periódica de este libro (p. 97), los elementos que la forman, de los cuales hablaremos al final del bloque, están ordenados en función de sus números atómicos y cada uno representado por un símbolo. 82
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EXPLICAS EL MODELO ATÓMICO ACTUALY SUS APLICACIONES
Ejemplo 1 El plomo elemental (Pb) consta de cuatro isótopos naturales, cuyas masas son 203.97302, 205.97444, 206.97587 y 207.97663 uma (figura 9). Las abundancias relativas de estos cuatro isótopos son 1.4, 24.1, 22.1 y 52.4%, respectivamente. Con estos datos, calculamos la masa atómica promedio del plomo.
Solución Los datos del problema y los cálculos se presentan en el cuadro siguiente.
)STOPO
-ASAUMA
!BUNDANCIARELATIVA
-ASAwABUNDANCIA RELATIVA
1
2
3
4
-ASAATMICAPROMEDIO
Figura 9. El plomo, tal como se presenta en la naturaleza, es una mezcla de tres isótopos estables y uno radiactivo.
UMA
Es importante resaltar que en realidad no se puede pesar la masa de un átomo individualmente y, por lo tanto, lo que se obtiene son masas promedio relativas. Hay que recordar que la masa de cada partícula fue calculada tanto en gramos como en uma, donde no se obtienen números enteros. Pero para fines prácticos, empleamos siempre enteros, ya que no podemos hablar de fracciones de partículas, aunque en la realidad la masa de un elemento no es necesariamente un número entero.
Número de masa
CUADRO 3.0!24Ù#5,!335"!4Ê-)#!3
La masa de un protón y un neutrón son muy semejantes, comparada con la del electrón que es aproximadamente 1 83 veces menor que cualquiera de los dos. Como la masa de un protón o neutrón es en promedio 1. 7 × 10-24 g, empleamos una unidad de medición más adecuada. Los químicos propusieron la llamada unidad de masa atómica (uma), donde el protón y el neutrón tienen un valor de 1 uma, y como la masa del electrón se puede considerar despreciable, este tendría 0 uma. -/'')-5&)5(. ,#),5 (5 &5 / ,)5i65 )( 5- 5 muestra que la masa se concentra casi en su totalidad en el núcleo, por lo que los protones y neutrones determinan finalmente la masa del átomo. De aquí podemos señalar que el número de masa, simbolizado A, es la suma de protones y neutrones.
0ART¤CULA 3¤MBOLO
-ASAG
-ASAUMA
#ARGA
P
w
~1
.¢CLEO
.EUTRN
N
w
~1
+ ±
%LECTRN
E
w
~
&UERADEL N¢CLEO
0ROTN
5BICACIN
.¢CLEO
CUADRO 4.0!24Ù#5,!335"!4Ê-)#!3 02%3%.4%3%.#!2"/./ &Ê3&/2/9#%3)/ 0ART¤CULAS
#ARBONO
&SFORO
#ESIO
0ROTONES
w
w
w
.EUTRONES
w
w
w
%LECTRONES
w 4OTALUMA
w 4OTALUMA
w 4OTALUMA
Ě' ,)5 5'-55*,).)( -55( /.,)( 5555 Para representar los distintos tipos de átomos, se utiliza la siguiente notación: AZX . Algunos ejemplos se representan en el cuadro 4 y serían: 12 6
C 1531P
133 55
Cs .
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BLOQUE 3
Lee Las auroras boreales y la teoría atómica A cada momento, el Sol está emitiendo un flujo continuo de partículas totalmente ionizadas, principalmente protones de alta energía. A este flujo se le da el nombre de “viento solar” y es el responsable de que el Sol pierda, en cada segundo, aproximadamente 800 kg de materia. Cuando el viento solar se acerca a un planeta que tiene un bien desarrollado campo magnético –como es el caso de la Tierra– las partículas son desviadas por la región conocida como
“magnetósfera”. Esta última evita que las partículas cargadas expulsadas por el Sol impacten directamente sobre la atmósfera y la superficie del planeta. En el caso de la Tierra, la mayoría de las partículas cargadas son atrapadas por el cinturón de radiación de Van Allen. Pero cuando el viento solar es lo suficientemente fuerte aparece el fenómeno de las auroras boreales que se produce cuando las partículas chocan con los gases en la ionósfera (región que se extiende hasta unos 60 o
100 kilómetros de la Tierra). La variedad de colores: rojo, verde, azul y violeta que aparecen en el cielo se deben a los diferentes gases que componen la ionósfera y del nivel de energía que esos átomos o moléculas alcanzan. Se sabe que el oxígeno es el responsable de los dos colores primarios de las auroras (verde/amarillo). El nitrógeno, al serle arrancado alguno de sus electrones más externos, produce una luz azulada, mientras que las moléculas de helio son las responsables de la coloración rojo/púrpura. Víctor Manuel Mora González
Comenta con tu profesor y tus compañeros sobre cómo creen que los avances en la teoría atómica ayudaron a dar explicación al fenómeno de las auroras boreales.
actividad individual
Desarrolla competencias
Resuelve ejercicios sencillos donde explica como se interrelaciona el numero atómico, masa atómica, y número de masa.
1. Completa el cuadro. Si es necesario utiliza la tabla periódica (p. 97). %LEMENTO .¢MEROATMICO: -ASAATMICA! N
Ag
14
47
0ROTONES0
%LECTRONESE
16
16
7
108 55
W
.EUTRONES.
74
78 110
2. El cobre presenta dos isótopos, el primero de ellos posee una masa de 62.9696 uma y el segundo de 64.9278 uma. Su abundancia relativa es, respectivamente, de 69.17% y de 30.38%. A partir de estos datos determina en tu cuaderno la masa atómica promedio del cobre.
Desarrolla competencias
actividad grupal
Identifica las características de las partículas subatómicas.
En equipos jueguen al “círculo de preguntas” (members.fortunecity.com/dinamico/dinamica/ D1121.htm), utilicen preguntas como estas: ¿en qué parte del átomo se ubica el protón?, ¿cuál es la masa del electrón?, ¿cuál es la carga del neutrón?, etc. Les recomendamos que previamente elaboren las preguntas anotando las respuestas correspondientes. Soliciten el apoyo de su profesor para efectuar las correcciones necesarias.
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l
s
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Tema 2
Tema 3
Tema 4
Conceptos básicos: número atómico, masa atómica y número de masa
Configuraciones electrónicas y números cuánticos
Los isótopos y sus aplicaciones
¿Sabes lo que es un espectro? Y no hablamos de fantasmas en este caso... ¿Puedes creer que en química tienen el mismo valor que las huellas dactilares y nos ayudan a identificar una sustancia?
Hablemos primero de ciertas características de la luz y de las sustancias. Cuando calentamos un objeto podemos sentir inicialmente una transmisión de calor; si lo continuamos calentando, se observa que emite un color generalmente rojizo, pero si se calienta aun más, se puede observar una luz blanca parecida a la del filamento de un foco. Cuando se hace pasar una luz blanca a través de un prisma óptico, los distintos colores que podemos ver no son más que longitudes de onda. Las ondas electromagnéticas propagan energía a través del espacio mediante la vibración de un campo eléctrico y uno magnético, que se caracterizan por tener: R5 )(!#./ 5@&5 #-.( #5'ù(#'5 (., 5 )-5*/(7 tos que están en el mismo estado de vibración,
como las ondas que se generan en un charco de agua cuando arrojamos una piedra. R5 , / ( #5@&-50 -5+/ 5&5)( 50# ,85 R5 ,#) )5@ &5.# '*)5+/ 5., 5 (5, ,5/(5 vibración. R5 &) # 8 Si la luz de un tubo de descarga de gas, que contiene un elemento específico, se hace pasar a través de un prisma, se observan líneas coloridas estrechas, donde cada línea es una longitud de onda particular. Este patrón de líneas se llama espectro de líneas o espectro atómico (figura 10). Cada elemento emite un color característico que sirve para identificarlo.
Longitud de onda.$ISTANCIAM¤NIMAENTREDOSPUNTOSQUETIENENELMISMOESTADODEVIBRACINENUNAONDAPERIDICA Espectro.%SLADESCOMPOSICINDEUNAONDACOMPUESTAENONDASSIMPLES
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Glosario 85
BLOQUE 3
Figura 10. Formación del espectro de luz en sus diferentes longitudes de onda al atravesar un prisma.
Los colores de los fuegos artificiales no son más que la representación de esos elementos; por ejemplo, el amarillo es característico del sodio, los compuestos de estroncio producen el rojo y los de cobre, el azul. (5goff65 25&( %5&)!,ĉ5 ,5/(5 2*&# #ĉ(5 5*),5+/ï5&)-5 / ,*)-5 &# (. -5 emiten radiaciones electromagnéticas. Enunció una ecuación que resulta válida para todo el espectro de frecuencias. Postuló que la emisión de radiaciones electromagnéticas se produce en forma de diminutas partículas elementales que llamó cuanto o quantum, que significa cantidad elemental. Los átomos no pueden absorber o emitir cualquier valor de energía, sino unos valores concretos: los cuantos de energía. E
h∙Q(Q
. 2 × 10-34 Js)
A partir de este postulado podemos afirmar que los fenómenos subatómicos son de naturaleza discontinua. Con la hipótesis de Planck acerca de la cuantización de la energía, se puede entender mejor que los espectros atómicos sean discontinuos y estén constituidos por líneas definidas, separados entre sí por espacios oscuros. ,5gohm65 &5 ù-# )5/-.,# )5,1#(5 ",Č #(! ,65*)3á( )- 5 (5 &5 )( *.)5 5 dualidad onda partícula y en el principio de incertidumbre, señala que la mecánica cuántica es esencialmente probabilística. Al suponer que el electrón se puede describir como una onda >65&5 / #ĉ(5 5 ",Č #(! ,5* ,'#. 5 & /&,&9 d2 } d2 } d2 } 8r2 m ] g 2 + 2 + 2 + dy dz h2 E - V } = 0 dx En esta ecuación, > es la función de onda, que contiene la información sobre &5*)-# #ĉ(5 &5 & .,ĉ(85' #ï(5- 5&&'5), #.&6535 -5&5, !#ĉ(5 &5 -* #)5 )( 5& probabilidad de encontrar al electrón es alta. &5, -)&0 ,5&5 / #ĉ(5 5 ",Č #(! ,5*,5 &5á.)')5 5"# ,ĉ! ()65- 5) - ,0ĉ5 que solo eran permitidas ciertas >y ciertas energías. Estas variables de las funciones de onda se denominan números cuánticos. Paul Dirac incorporó la teoría relati0#-.535-/-.#./3ĉ5&5 / #ĉ(5 5 ",Č #(! ,5*),5 /.,)5 / #)( -5 (5 /35-)&/ #ĉ(5 aparecían cuatro números cuánticos: n, l, m y s. Finalmente, los resultados teóricos coincidían con las observaciones espectroscópicas.
Glosario 86
Js.*ULIOSENUNSEGUNDO st-editorial.com
EXPLICAS EL MODELO ATÓMICO ACTUALY SUS APLICACIONES
De manera general, los números cuánticos describen el tamaño, la forma y la orientación espacial de los orbitales en el átomo. Veamos los diferentes tipos de números cuánticos. Número cuántico principal. Es una medida del tamaño del orbital y puede tener /&+/# ,50&),5 (. ,)5 - 5g5"-.5 &5#(ŀ(#.)85 # (.,-5'á-5!,( 5- 5 &50&),5 de n, mayor será su órbita y los electrones estarán más alejados de la influencia del núcleo. El valor de n es el factor principal para determinar la energía del electrón. Cada valor de n está asociado con una letra, de la siguiente manera: R5 (55g:5 R5 (55h:5
R5 (55i:5 R5 (55j:5
R5 (55k:5 R5 (55l:5
R5 (55m:5
Número cuántico del momento angular, azimutal o secundario. Describe la forma del orbital atómico y puede tomar valores naturales desde 0 hasta n – 1. De esta manera, si empleamos la fórmula l n – 1 tendríamos: R5 /( )5(55g65 (.)( -5&55g5@5g55f R5 /( )5(55h65 (.)( -5&55h5@5g55g R5 /( )5(55i65 (.)( -5&55i5@5g55h R5 /( )5(55j65 (.)( -5&55j5@5g55i Los valores de l generalmente se codifican por letras (cuadro 5). CUADRO 5..·-%2/#5¬.4)#/L9353/2")4!,%3 6ALORDEL
4IPODEORBITAL
SSHARP AGUDOENESPA®OL
1
PPRINCIPAL
2
DDIFUSO
3
FFUNDAMENTAL
Número cuántico magnético. Determina la orientación espacial del orbital. Se deno-
mina magnético porque esta orientación espacial se acostumbra a definir en relación con un campo magnético externo. Puede tomar valores positivos y negativos, #( &/-)5 &5 ,)6535- 5 & /&5 )(5&5 ĉ,'/&5'55h&55g65&)5+/ 5+/# , 5 #,5+/ 5 pende del valor de l. Por ejemplo: R5 #5&55f65 (.)( -5'55hBfC55g55g65*),5&)5+/ 5'5.)'5 &50&),5 5f8 R5 #5&55g65 (.)( -5'55hBgC55g55i65*),5&)5+/ 5'5.)'5&)-50&), -957g65f535g8 R5 #5&55h65 (.)( -5'55hBhC55g55k65*),5&)5+/ 5'5.)'5 #( )50&), -957h657g65f65g535 h8 R5 #5&55i65 (.)( -5'55hBiC55g55m65*),5&)5+/ 5'5.)'5-# . 50&), -957i657h657g65f65 g65h535i8 En el cuadro se presenta un resumen de los números cuánticos n, l y m. CUADRO 6..·-%2/3#5¬.4)#/3 .¢MEROCUÖNTICOPRINCIPALN
.¢MEROCUÖNTICOANGULARL
.¢MEROCUÖNTICOMAGN£TICOM
1
2
1
3
1 2
4
1 2 3
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BLOQUE 3
Número cuántico de espín. Determina el sentido de giro Orbitales atómicos del electrón sobre sí mismo. Solo puede tener valores &5-)&/ #)(,5&5 / #ĉ(5 5 ",Č #(! ,65 - 5 ) 7 5|5357|85-.)-5!#,)-5*/ (5- ,5 (5 &5- (.# )5 5&-5 tienen cuatro tipos de orbitales diferentes, que se designan con las letras s, p, d y f (infográfico 2). manecillas del reloj o en sentido contrario. Las propiedades de los elementos y los comEn resumen, n indica la capa en la cual se encuen- puestos dependen de los electrones de dicho eletra el electrón del átomo; l indica la subcapa dentro de mento y más propiamente de los que se encuentran esa capa y el tipo de orbital; m especifica el número en los niveles de energía más externa. Para ello es de orbitales dentro de esa subcapa; y s representa el importante conocer el tipo de orbital donde se engiro que puede tener el electrón sobre su propio eje. cuentran los electrones.
INFOGRÁFICO 2. ORBITALES ATÓMICOS Orbital s Este tipo de orbital tiene un valor de l = 0 y una forma esférica. El tamaño de los orbitales s y su energía será mayor o menor, según el valor del número cuántico principal. Para cada valor de n hay un único orbital s.
Orbital p S
x
Presenta un valor de l = 1, con forma de lóbulos o peras. Todos los orbitales p tienen un plano imaginario que corta el núcleo y divide la región de densidad electrónica a la mitad. Dicho plano se llama plano nodal. Hay tres tipos de orbitales p de idéntica forma y solamente difieren en su orientación en el espacio: el px, py y pz (m = -1, 0, +1).
z
y
DZ2
PY
PZ
DX2nY2
DYZ
y
x
Orbital d Tiene un valor de l = 2 y forma de lóbulos, aunque con una disposición más complicada que en los orbitales p, lo que da lugar a cuatro regiones de densidad electrónica.
z
PX
z
y
x
DXZ
DXY
Hay cinco orbitales d: dz2, dx2 – y2, dyz, dxz y dxy (m = -2, -1, 0, +1, +2).
Orbital f
FY3nYX2
FYZ2nYR2
FXZ2nXR2
FX3nXY2
El orbital f tiene un valor de l = 3 y presenta un aspecto multilobular, distinguiéndose hasta 7 diferentes (m = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3). Los orbitales f son importantes para comprender el comportamiento de los elementos con número atómico mayor a 57.
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FZX2nZY2
FXYZ
FZ3nZR2
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EXPLICAS EL MODELO ATÓMICO ACTUALY SUS APLICACIONES
Los orbitales pueden contener un número determinado de electrones. Si consideramos que el número cuántico espín (abreviado con la letra s) nos señala que un electrón gira en el sentido de las manecillas del reloj y el otro en sentido contrario, veremos que solo puede haber dos electrones por órbita, como se indica en el cuadro 7. CUADRO 7.#!.4)$!$$%%,%#42/.%39Ê2")4!30/235".)6%,%.%2'»4)#/ .¢MERODERBITAS SubnivelesDEENERG¤A
.¢MEROTOTALDEELECTRONES
S
1
P
3
6
D F
5 7
14
2
El cuadro 8 muestra un resumen de los cuatro números cuánticos de manera práctica, el cual será aplicado en la configuración electrónica. CUADRO 8.$%3#2)0#)Ê.$%/2")4!,%3!4Ê-)#/3 .IVELDE 3UBNIVELDEENERG¤A /RIENTACIN ENERG¤AN YORBITALESL DEORBITALESM N N
N
N
.¢MERODE ELECTRONESPORSUBNIVEL
L
S
M
2
L L L L L L L L L
S P S P D S P D F
M M M M M M M M M
2 6 2 6 2 6 14
Desarrolla competencias
actividad grupal
.¢MERODE ELECTRONESPORNIVEL 2
32
Resuelve ejercicios sencillos donde explica cómo se interrelacionan el número atómico, la masa atómica y el número de masa.
Reunidos en parejas, realicen los siguientes ejercicios.
1. Expliquen con sus propias palabras cómo es que vemos un arco iris cuando una luz blanca atraviesa un prisma óptico.
2. Realicen un mapa mental en su cuaderno que reúna los conceptos de números cuánticos y orbitales atómicos. Recuerden incluir los gráficos de los tipos de orbitales.
Subnivel.3UBDIVISINDEUNNIVELENERG£TICO3EREPRESENTAPORLALETRALYSUSVALORESNUM£RICOSSEOBTIENENCONLA FRMULAL Nn
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Glosario 89
BLOQUE 3
E l mundo que te rodea
El término espín significa giro y proviene del inglés spin. El espín proporciona una medida del momento angular intrínseco de las partículas subatómicas, pero, en contraste con la mecánica clásica, donde el momento angular se asocia a la rotación de un objeto extenso, el espín es un fenómeno exclusivamente cuántico.
Reglas para elaborar configuraciones electrónicas La configuración electrónica es la manera en la cual los electrones se ordenan en un átomo, en una molécula o en otra -.,/ ./,5 ù-# 85 )-5 #( # 5 &5 #-.,# / #ĉ(5 5 &)-5 & .,)( -5 entre las diferentes capas, subcapas y orbitales; que permite que el átomo tenga el nivel de energía más bajo. Las propiedades de los elementos dependen, sobre todo, de cómo se distribuyen sus electrones. Los electrones se van colocando en los distintos niveles y subniveles por orden de energía creciente hasta completarlos. Es importante conocer la cantidad de electrones que existen en el nivel más externo de un átomo, pues estos son los que intervienen en los enlaces con otros átomos para formar compuestos. Para escribir correctamente una configuración electrónica debemos aplicar tres reglas: R5 ,#( #*#)5 5 #ŀ5 #ĉ(5*,)!, -#08 R5 ,#( #*#)5 5 2 &/-#ĉ(5 5/ R5 !&5 5/( 8
Principio de edificación progresiva Para escribir la configuración electrónica, se utiliza el principio de Aufbau, palabra alemana que significa construcción progresiva. Utilizaremos este método para asignar las configuraciones electrónicas a los elementos, por orden de su número atómico creciente. Veamos, por ejemplo, la configuración electrónica para Z 11-18, -5 #,65 - 5 &55"-.5 &5,85 5g-2 2s2 2p 3s1 2 2 2 12 !5g- 2s 2p 3s 2 2 2 1 13Al 1s 2s 2p 3s 3p 2 2 2 2 14Si 1s 2s 2p 3s 3p 2 2 2 3 15P 1s 2s 2p 3s 3p 2 2 2 4 1 S 1s 2s 2p 3s 3p 2 2 2 5 17Cl 1s 2s 2p 3s 3p 2 2 2 18Ar 1s 2s 2p 3s 3p 11
Observamos que cada uno de estos elementos tiene las subcapas 1s, 2s y 2p llenas. Como la configuración 1s2 2s2 2p ),, -*)( 5 &5 ( ĉ(5 B C65 &5 ()'#(, ')-5 ^ )(ŀ5!/, #ĉ(5 #(. ,(5 &5 ( ĉ(_5 35 &5 , *, - (., ')-5 (., 5 ), " . -95 D E85 5 )(ŀ5!/, #ĉ(5 & .,ĉ(# 5 &55- 5 - ,# 5 (5&5 ),'5 7 nominada “configuración electrónica abreviada interna del gas noble” o bien “configuración electrónica utilizando el kernel”, de la siguiente manera: 95D E5i-1 y de manera análoga podemos escribir la configura #ĉ(5 & .,ĉ(# 5*,5 &5 !65&65#656565&535,8
!95D E5i-2 &95D E5i-2 3p1 #95D E5i-2 3p2 95D E5i-2 3p3 95D E5i-2 3p4 &95D E5i-2 3p5 ,95D E5i-2 3p 90
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EXPLICAS EL MODELO ATÓMICO ACTUALY SUS APLICACIONES
etrato El físico astriaco-suizo-estadounidense Wolfgang Ernst Pauli (1900-1958) fue uno de los fundadores de la mecánica cuántica. Propuso el principio de exclusión según el cual es imposible que dos electrones de un mismo átomo tengan la misma energía, el mismo lugar y números cuánticos idénticos. En 1945 fue galardonado con el premio Nobel de Física por este descubrimiento.
Puesto que solo podemos tener 2 electrones por cada orbital, veamos la representación electrónica de algunos elementos en la forma de diagrama de niveles ener!ï.# )-85 ), ')-5+/ 5 &5-/ (#0 &5-5.# ( 5g5ĉ, #.65 &5*5.# ( 5i5ĉ, #.-65 &5 5.# ( 5 órbitas y el f tiene 7 órbitas. Debido a que se requiere de más espacio para hacer esta notación, representaremos los diez primeros elementos de la tabla periódica, con la salvedad de que todos cumplirán con la regla de Hund (cuadro 9). CUADRO 9.$%3#2)0#)Ê.$%/2")4!,%30!2!!,'5./3%,%-%.4/3 %LEMENTOQU¤MICO
#ONlGURACINELECTRNICA
$IAGRAMAENERG£TICO
1
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3
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-. 1s 2s
"E
S2S2
-. -. 1s 2s
"
S2S2P1
-. -. 1s 2s 2p x 2p y 2p z
#
S2S2P2
-. -. - 1s 2s 2p x 2p y 2p z
N
S2S2P3
-. -. - - 1s 2s 2p x 2p y 2p z
/
S2S2P4
-. -. -. - 1s 2s 2p x 2p y 2p z
9
&
S2S2P5
-. -. -. -. 1s 2s 2p x 2p y 2p z
.E
S2S2P6
-. -. -. -. -. 1s 2s 2p x 2p y 2p z
2
4
5
6
7
Electrón diferencial Cuando dibujamos el diagrama energético, de acuerdo con la regla de edificación progresiva, el principio de máxima multiplicidad y el principio de exclusión de Pauli, vamos acomodando los electrones y el último que se coloca, según las reglas mencionadas, se denomina electrón diferencial. El electrón diferencial le otorga al elemento una serie de propiedades físicas y químicas que lo distinguen de los demás. Su ubicación se utiliza para obtener los valores de los cuatro números cuánticos (n, l, m, s), como se muestra en el ejemplo: st-editorial.com
91
BLOQUE 3
INFOGRÁFICO 3. EDIFICACIÓN PROGRESIVA
9
F
1s2 2s2 2p5
-. -. -. -. 1s 2s 2p x 2p y 2p z - 1 0 +1
1
s s s
s
s
p
s
s
p p
p
d d
p
d
p d
d f
f f
f
El electrón diferencial del flúor se encuentra en el orbital 2p. (Observa que hemos colocado en los suborbitales los números -1, f535g65&)5 /&5()-5- ,0#,á5*,5) . ( ,5 &50&),5 &5(Ě' ,)5 /á(.#7 co m, como más adelante se explica). De esta manera, el valor del número cuántico principal (n) es 2, porque el electrón diferencial se ubica en 2py. El valor de l para un orbital tipo p es 1. En el cuadro 10 se concentran los valores de l para los cuatro tipos de orbitales. CUADRO 10./2")4!,%3!4Ê-)#/3
Teóricamente existen infinitos orbitales en un átomo (el valor de n no está limitado), sin embargo, no todos se llenan con electrones, pues estos únicamente ocupan los orbitales con menor energía de acuerdo a la regla de Aufbau, que establece el orden de llenado de los orbitales de la mayoría de los átomos. Los orbitales tipo s tienen capacidad para alojar hasta 2 electrones como máximo. Los orbitales p, pueden contener hasta 6 electrones (dos por cada suborbital). Por su parte, en los orbitales d, se colocan como máximo 10 electrones, y en los orbitales f, caben hasta 14 electrones.
/RBITAL
6ALORDEL
S
P
1
D
2
F
3
El valor del número cuántico m es 0 porque el electrón diferencial quedó en el centro de los tres orbitales p: -. -. -. -. 1s 2s 2p x 2p y 2p z - 1 0 +1
2
El número cuántico s (spin o espín) tiene, en este caso, un valor de -1/2, porque la flecha va hacia abajo (si el electrón diferencial estuviera representado por una flecha hacia arriba, el valor de s " ,ù5-# )5 5gIhC85(5, -/' (65 &5 & .,ĉ(5 # , ( #&5 &5ł5Ě),5 tiene los siguientes valores para sus números cuánticos: n
2l
1m
0s
-1/2
Principio de exclusión de Pauli
Para el llenado de orbitales se comienza por el primer nivel de energía en la parte superior izquierda, al que corresponde un solo subnivel, el 1s. Siguiendo el sentido de las flechas continuamos en el segundo nivel de energía, al que corresponden dos subniveles, el 2s y el 2p; al llegar al tercer nivel de energía, encontramos tres subniveles: 3s, 3p y 3d pero antes del orbital 3d se debe llenar el orbital 4s; para saber dónde hay traslapes debe seguirse cuidadosamente el sentido de las flechas.
92
Dos electrones de un mismo átomo no pueden tener el mismo conjunto de cuatro números cuánticos iguales. Esto nos conduce a entender que ningún orbital puede contener más de dos electrones y que esos dos electrones no tienen los mismos valores de números cuánticos.
Regla de Hund Establece que el ordenamiento más estable de electrones es aquel donde está el número máximo de electrones desapareado (es decir que no están formando pareja); todos ellos tienen el spin en el mismo sentido. Las subcapas de los átomos se llenan por orden creciente de (55&85/( )5 )-5-/ *-5.# ( (5 &5'#-')50&),5 5(55&5- 5&& (5 primero la subcapa n más baja. st-editorial.com
EXPLICAS EL MODELO ATÓMICO ACTUALY SUS APLICACIONES
En la mecánica cuántica, el electrón es descrito por la ecuación de Fermi-Dirac. Los electrones son fermiones, esto causa que estén sujetos al principio de exclusión de Pauli, que determina el llenado de los diferentes orbitales de cada elemento químico. Para entenderlo mejor veamos en la p. 92 la imagen 2 del infográfico 3, que nos muestra el orden correcto en que se llenan los orbitales. Para utilizar correctamente el diagrama debemos recordar que cada subnivel de energía soporta un máximo de electrones dado por: s 2 p
seguida, colocamos el cuarto nivel de energía, al que le corresponden cuatro subniveles: s, p, d y f. Los demás niveles siguen esta regla con la salvedad de que el resto contiene también cuatro subniveles. 3UBNIVEL DEENERG¤A
.IVEL DEENERG¤A
1s
.¢MERODE ELECTRONES PORSUBNIVEL
d 10 f 14
Armarlo es muy simple. Se inicia en el primer nivel de energía en la parte superior izquierda, al que corresponde un solo subnivel, el s. Enseguida nos colocamos en el segundo nivel de energía. Al segundo nivel le corresponden dos subniveles, el s y el p, y los colocamos al mismo nivel horizontal. Posteriormente iniciamos con el tercer nivel de energía, en el cual tenemos tres subniveles: s, p y d, que se colocan igualmente de manera horizontal. En
Desarrolla competencias
2
actividad individual
Veamos los siguientes ejemplos: Be 1s2 2s2 2 2 2 3 15P 1s 2s 2p 3s 3p 2 2 2 2 5 25 (5g- 2s 2p 3s 3p 4s 3d 2 2 2 2 10 2 10 3 51Sb 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 2 2 2 2 10 2 10 s2 4f14 5d4 74W 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 2 2 2 2 10 2 10 2 s 4f14 5d10 p 7s2 885g- 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 4
Elabora configuraciones electrónicas para la determinación de las características de un elemento.
1. Describe el significado de los cuatro números cuánticos. N L M S
2. Obtén la configuración electrónica de los siguientes elementos y escríbelos en tu cuaderno. a. 8O. b. 20Ca. c. 42Mo. d. 84Po. e. 92U.
st-editorial.com
93
CO2
O O O
CO2
O
CO2
O
CO2
O
CO2 CO2
O
CO2
CO2
O O O O
CO2
O O
O O
O O CO2
O
CO2 O O
Tema 3
Tema 4
Configuraciones electrónicas y números cuánticos
Los isótopos y sus aplicaciones
Los organismos vivos emplean CO2 en sus procesos fotosintéticos y quimiosintéticos para producir tejidos. ¿Sabías que estas moléculas en su mayoría contienen isótopos como el carbono-12 y carbono-14?
Los isótopos son átomos de un mismo elemento químico pero que poseen un diferente número de masa. Estos han existido desde el origen del universo y son parte intrínseca de todo lo que nos rodea. Los núcleos de muchos elementos son inestables, debido a que presentan un número excesivo de protones o neutrones, que buscan estabilizarse mediante el desprendimiento de diversas partículas. Por ejemplo, un elemento muy abundante que existe en la naturaleza y que presenta isótopos es el hidrógeno (figura 11); el más abundante de ellos tiene en el núcleo un protón y no muestra neutrones. Sin embargo, 1 de cada 5 000 átomos de hidrógeno, además de tener un protón, también tiene un neutrón. A este hidrógeno se le conoce como deuterio y su masa es de 2 uma. Un tercer isótopo del hidrógeno es el tritio, el cual es muy escaso, con un protón y dos neutrones en su núcleo. 94
Evidentemente, los isótopos del hidrógeno no son el único caso de isótopos, también tenemos el carbono, el cobalto, el uranio, el potasio, el cloro, entre muchos otros. En los seres vivos, el carbono-12, por ser más estable, no disminuye una vez que un organismo muere; por su parte, no sucede así con el carbono-14, que se va desintegrando. Por alguna razón, las enzimas discriminan las moléculas de CO2 que tienen el isótopo pesado y escogen preferentemente las que tienen isótopos ligeros. Al medir la cantidad de 14C de un resto orgánico, se puede saber su edad, es decir, el tiempo que ha pasado desde que dejó de incorporar nuevo 14C, o sea, el tiempo transcurrido desde su muerte. Para concluir, podemos afirmar que los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen igual número de protones y electrones –es decir, igual número atómico– pero diferente número de neutrones –o sea, que difieren en su masa atómica. st-editorial.com
EXPLICAS EL MODELO ATÓMICO ACTUALY SUS APLICACIONES
E (5&51 Recomendamos visitar las siguientes páginas para conocer más sobre los temas de este bloque: U herramientas.educa.madrid.org/tabla/ U concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/ atomo/modelos.htm U www.youtube.com/watch?v=0UW90luAJE0&feature=related U www.youtube.com/watch?v=tfzr7Yjv3-M&feature=related
Conoce algunos isótopos radiactivos Al buscar mayor estabilidad, los átomos emiten espontáneamente radiaciones. A estos isótopos se les conoce como radiactivos. Los átomos de carbono tienen generalmente protones y neutrones y, por lo tanto, un número de masa de 12. Pero hay átomos de carbono que tienen un número de masa de 13 (isótopos estables y pesados) o número de masa de 14 (isótopos inestables o radiactivos), ya que emiten radiactividad a medida que se hacen estables. Una cosa similar ocurre con muchos otros elementos. Existe una gran variedad de isótopos radiactivos y las aplicaciones que tienen son numerosas. A continuación se concentra información sobre algunos de ellos:
Figura 11. Una inmensa zona de gas de hidrógeno ionizado se distingue en forma de largos filamentos y cavidades, que resplandecen con tonos rojizos en varias partes de la galaxia NGC 2366.
INFOGRÁFICO 4. LOS ISÓTOPOS Y SUS APLICACIONES Isótopo
Cuando se desintegra emite...
Cobalto-60
Yodo-131
Plomo-212
Carbono-11
6IDAMEDIA5.27 años
6IDAMEDIA8 días
6IDAMEDIA10.6 horas
6IDAMEDIA20.8 minutos
0ART¤CULASBETA
0ART¤CULASBETA
0OSITRONES
0OSITRONES
4RATAMIENTOPARAELCÖNCER 4RAZADORENREACCIONES QU¤MICAS )RRADIACINDEALIMENTOS PARAESTERILIZARLOS
4RATAMIENTODEENFERMEDADES DELATIROIDES 4RAZADORRADIACTIVOPARA REACCIONESQU¤MICASO PROCESOSINDUSTRIALES
4RAZADORPARAREACCIONES QU¤MICAS $ETERMINACINDEPLOMO ENLAATMSFERA
4OMOGRAF¤APOREMISIN DEPOSITRONES
Aplicación
st-editorial.com
95
BLOQUE 3
Lee Fisión nuclear en la formación de una bomba atómica Hiroshima y Nagasaki fueron el objetivo militar para demostrar el impacto que puede tener una gran descarga de energía sobre los cuerpos. Si el ser humano se mantiene con vida es porque los enlaces químicos son conservados por intervención de cierta cantidad de energía y por una serie de procesos biológicos que pueden ser explicados desde la química. Estar expuesto a una energía que excede la que sostiene la vida a través de los enlaces químicos del cuerpo causa ante todo una desorganización de las funciones. La Segunda Guerra Mundial se distingue por ese acto que llevaron a cabo los estadounidenses. El físico Einstein propició con su conocimiento la aplicación de la teoría, influido por la información que le comunicó
el presidente Roosevelt, quien decía que Hitler estaba en proceso de crear la bomba atómica. El conflicto bélico fue un momento propicio a los ojos del presidente estadounidense para probar las bombas de uranio “Little Boy” y de plutonio “Fat Man”. En correspondencia con el filósofo japonés Shinojara, Einstein escribió: “Condené totalmente el recurso de la bomba atómica contra Japón, pero no pude hacer nada para impedirlo”. Producto de la radiactividad que ha permanecido en la zona, muchas personas han padecido de cáncer y deformaciones de nacimiento. Los átomos radiactivos se mantienen en un estado excitado, sus capas electrónicas deben perder energía para alcanzar su estado fundamental; esta constante excitación
atómica causa una influencia negativa sobre el entorno, que se mantiene en el ambiente por años. En la fisión nuclear se produce una reacción en cadena, la primera se dio el 2 de diciembre de 1942, que fue dirigida por Enrico Fermi de la Universidad de Chicago. Este proceso se conoció a nivel gubernamental como “Proyecto Manhattan”. La bomba nuclear es una reacción en cadena “no controlada”; el proceso termina hasta que se acaba toda la reserva involucrada en el proceso. El presente proceso muestra el bombardeo de neutrones sobre un átomo de uranio, así el núcleo se hace inestable y desencadenará salidas de energía producto de la formación de nuevos isótopos inestables. Víctor Manuel Mora González
Reunidos en equipos, realicen las siguientes actividades.
1. Definan en sus cuadernos cuáles propiedades son características del uranio y el plutonio. Expongan en clase sus aplicaciones en diversas áreas y manifiesten sus puntos de vista en un debate con el resto de la clase, con una actitud de respeto hacia la diversidad de opinión. 2. Sumen al debate las conclusiones de la información que aporta la lectura.
Desarrolla competencias
actividad grupal
Argumenta sobre las ventajas y desventajas del empleo de isotopos radiactivos en la vida diaria.
Organizados por su profesor, investiguen sobre las ventajas o desventajas del uso de los isótopos en la vida cotidiana. Preparen fichas de trabajo con la información y participen en la dinámica “discusión de gabinete” cuya mecánica pueden consultar en members.fortunecity.com/dinamico/dinamica/D0332.htm
96
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st-editorial.com
7
6
5
4
3
2
1
H
+1
2
Sc
3
Y
Ti Zr Hf Rf
5,4,3,2
V Nb Ta 4
Pr
3,4
Pa
4,5
6,3,2
Cr 4,5,6
Mo 4,5,6
W Sg
Nd
3
3,4,5,6
U
7
2,3,4,7
Mn 4,6,7
Tc
Bh
Pm 3,4,5,6
Np
*,ANTÖNIDOS
#!CT¤NIDOS
/TROSMETALESBLOQUEP
.OMETALES
4IERRASRARAS
3EMIMETALESOMETALOIDES
Neptunio 237.05
93
Prometio 144.91
61
Bohrio 264
107
3
4,6,7
Re Renio 186.207
75
Tecnecio 97.907
43
Manganeso 54.938
25
VIIB
'ASESNOBLES
Uranio 238.03
92
Neodimio 144.24
60
Seaborgio 263
106
Wolframio 183.85
74
Molibdeno 95.94
42
Cromo 51.996
24
6 VIB
!¢NNOSINTETIZADOS
Protactinio 231.04
91
Praseodimio 140.907
59
Dubnio 262
Db
105
Tantalo 180.948
73
5
3,5
Niobio 92.906
41
Vanadio 50.941
23
5 VB
-ETALESALCALINOT£RREOS
Torio 232.04
Actinio 227.03
3,4
Th
Ac
90
3,4
Cerio 140.12
58
Lantano 138.905
3
4
4
Rutherfordio 261
104
Hafnio 178.49
72
Ce
89
4
4,3
Circonio 91.224
40
Titanio 47.80
22
La
57
#
89-103
*
57-71
3
3
Itrio 88.9059
39
Escandio 44.96
21
4 IVB
-ETALESALCALINOS
2
2
3
IIIB
Fe Ru
2,3,4
2,3
2,3,4
Os Osmio 190.2
2,3
Sm 3,4,5,6
Pu Plutonio 244.06
94
Samario 150.36
62
Hassio 269.13
Hs
108
76
Rutenio 101.07
44
Hierro 55.847
26
VIIIB
8
Co
2,3
3,4,5
Rh
Iridio 192.22
Ir
2,3,4,6
Rodio 102.90
Eu
2,3
3,4,5,6
Am
Ni Pd
2,4
2,3
Pt
2,4
Gd
2,3
96
Curio 247.07
Cm
3
Gadolinio 157.25
64
Darmstadtio (271)
Ds
110
Platino 195.08
78
Paladio 106.42
46
Níquel 58.69
28
10 VIIIB
Cu Ag 1,3
Oro 196.97
Au
Plata 107.87
Tb
3,4
Bk
3,4
Berkelio 247.07
97
Terbio 158.925
65
Roentgenio (272)
Rg
1
1,2
Cobre 63.546
111
79
47
29
11 IB
0REPARADOSSINT£TICAMENTE
,¤QUIDO
'ASEOSO
3LIDO
Colores de símbolos según su estado:
Americio 243.06
95
Europio 151.96
63
Meitnerio 266
Mt
109
77
45
Cobalto 58.933
27
VIIIB
9
Elementos de transición
-ETALESDETRANSICIN
#
*
Ra
88
Radio 226.02
1
Fr
Francio 223.02
87
Bario 137.33
Cesio 132.905
56
Ba
1
Cs
55
Sr
Estroncio 87.62
38
Rb
1
2
Rubidio 85.4678
37
Ca
Calcio 40.08
20
K
1
Magnesio 24.32
Sodio 22.991
2
Mg
12
2
Na
1
Be
4
Berilio 9.013
1
Li
Litio 6.940
Potasio 39.100
19
11
3
Hidrógeno 1.00797
1
2
IIA
1
IA
Metales
TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS
Zn Cd
Zinc 65.39 2
2
Hg
1,2
Dy
3
Cf
3
Californio 251.08
98
Disprosio 162.50
66
Ununbio 277
Uub
112
Mercurio 200.59
80
Cadmio 112.41
48
30
12 IIB
B Al
Boro 10.811 3
3
1,2,3
Talio 204.38
Tl
Indio 114.82
In
Ho Es
3
3
C
2,±4
Si
2,+4
Ge
2,4
Sn
2,4
Er Erbio 167.26
Fermio 257.08
Fm
100
68
Flerovio 289
Fl
3
3
2,4
Plomo 207.2
Pb 114
82
Estaño 118.71
50
Germanio 72.59
32
Silicio 28.0855
14
Carbono 12.011
6
14 IVA
-ASAATMICA
3¤MBOLO
.¢MEROATMICO
Einstenio 252.09
99
Holmio 164.93
67
Ununutrio
Uut
1,3
1,2,3
Galio 69.723
Ga
113
81
49
31
Aluminio 26.981
13
5
13 IIIA
P
±3,5
+3,5
As +3,5
Sb Bi
+3,5
Tulio 168.93
Tm 2,3
2,3
6
-1,±2
O S
2,4,6
2,4,6
Se -2,4,6
Te -2,4,6
Po Lv
Yb
2,3
2,3
C
2+4
Nobelio 259.10
No
102
Iterbio 173.04
70
Livemorio (293)
116
Polonio 208.98
84
Telurio 127.60
52
Selenio 78.96
34
Azufre 32.066
16
Oxígeno 15.999
8
16 VIA
Carbono 12.011
Mendelevio 258.09
Md
101
69
Ununpentio
Uup
115
Bismuto 208.98
83
Antimonio 121.75
51
Arsénico 74.921
33
Fósforo 30.974
15
Nitrógeno 14.007
N
7 ±2,±3,4,5
VA
15
No metales
F
-1
Cloro 35.453
Cl
±1,3,5,7
Flúor 18.998
Lu Lr
3
3
Ar
Neón 20.179
Ne
Helio 4.003
He
Kr Xe
2
0
Radón 222.02
Rn
Ununoctio
Uuo
118
86
2
2,4
Xenón 131.29
54
0
0
Criptón 83.80
36
Argón 39.948
18
10
2
18 VIIIA
.OMBRE
.¢MERO DEOXIDACIN
Laurencio 262.11
103
Lutecio 174.04
71
Ununseptio
Uus
117
Astato 209.98
At
85 ±1,3,5,7
Yodo 126.90
I
53 ±1,3,5,7
Bromo 79.904
Br
35 ±1,3,5,7
17
9
17 VIIA
Gases nobles
EXPLICAS EL MODELO ATÓMICO ACTUALY SUS APLICACIONES
97
Evaluación sumativa Heteroevaluación Selecciona la opción correcta.
1.
a. catión. b. anión. c. ion. d. núcleo. 2.
4.
El número atómico expresa el total de:
a. electrones y neutrones. b. protones y neutrones. c. electrones y protones. d. nucleones.
El número cuántico l indica:
a. el nivel principal. b. el subnivel. c. el giro del electrón. d. la orientación del orbital. 8.
El número cuántico m indica:
a. el nivel principal. b. el subnivel. c. el giro del electrón. d. la orientación del orbital. 9.
Todos los siguientes elementos son metales, excepto el:
a. Fe. b. S. c. Li. d. La.
Al promedio de las masas isotópicas de un elemento se le conoce como:
a. número de masa. b. masa atómica. c. peso atómico. d. número atómico. 5.
7.
Los experimentos de Chadwick ayudaron al descubrimiento del:
a. mesón. b. positrón. c. neutrón. d. electrón.
El modelo atómico de Rutherford ayudó al descubrimiento del:
a. orbital atómico. b. núcleo atómico. c. electrón diferencial. d. espín.
El modelo atómico de Thomson postula la existencia del:
a. neutrón. b. protón. c. electrón. d. muón. 3.
6.
Al átomo que tiene un electrón de más o uno de menos se le denomina:
10.
Los siguientes elementos se encuentran en el bloque p:
a. La y U. b. F y Br. c. Ca y Mg. d. W y Ni.
Autoevaluación I. Trabaja en tu cuaderno y determina, para los elementos químicos Li, Na, K, Rb, Cs y Fr, lo siguiente: 1. El número atómico y número de masa. 2. La cantidad de electrones, protones y neutrones. 3. La configuración electrónica. 4. El diagrama energético ubicando el electrón diferencial. 5. Los valores de los cuatro números cuánticos para el electrón diferencial.
98
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II. Una vez que hayas terminado el ejercicio anterior, estudia los resultados y analiza en tu cuaderno las similitudes y diferencias entre las configuraciones electrónicas y los valores de los números cuánticos. Redacta al menos tres conclusiones que se deriven de tu análisis y compártelas con tu profesor.
III. Redacta un texto en tu cuaderno donde argumentes sobre la utilidad y los riesgos de los isótopos radiactivos. Si es necesario, puedes investigar los datos que te hagan falta.
IV. Nuestra capacidad de aprender mejora cuando conocemos con precisión qué hemos aprendido y cuánto –de lo pretendido originalmente– hemos conseguido. En la siguiente tabla marca con una X tu nivel de desempeño. .IVELDEDESEMPE®O
!SPECTO Aportaciones históricas que contribuyeron al modelo atómico actual
Construcción de una maqueta sobre uno de los modelos atómicos.
Elaboración de configuraciones electrónicas
Ventajas y desventajas del empleo de los isótopos radiactivos en la vida diaria
4
3
2
1
Conozco a detalle los diferentes modelos atómicos y puedo ubicarlos temporalmente, señalo a los principales personajes y los experimentos que los sustentan. La maqueta tiene una alta correspondencia con los aspectos esenciales del modelo atómico que representa. Los materiales utilizados son baratos y en la medida de lo posible, reciclados. Puedo elaborar correctamente la configuración electrónica de cualquier elemento químico. A partir de ella Identifico, su ubicación en la tabla y algunas de sus propiedades químicas.
Conozco varios modelos atómicos, puedo ubicarlos temporalmente pero no tengo mucha claridad sobre la relación entre ellos ni sobre los experimentos que los sustentan. La maqueta corresponde más o menos con el modelo atómico que representa, pero falla en algunos aspectos. Los materiales utilizados fueron baratos pero no reciclados. Puedo elaborar correctamente la configuración electrónica de muchos elementos químicos, pero tengo algunas fallas. Identifico, su ubicación en la tabla y algunas de sus propiedades químicas Conozco con detalle las ventajas y desventajas de, al menos, 15 isótopos radiactivos. A partir de esto, sustento argumentos sobre su empleo en la vida cotidiana.
Conozco varios modelos atómicos pero no puedo ubicarlos bien en el tiempo ni establezco correctamente su aportación al modelo atómico actual. La maqueta presenta solo algunos aspectos que corresponden al modelo atómico que intenta representar. Los materiales utilizados son algo caros y no pueden reciclarse. Puedo elaborar correctamente la configuración electrónica de algunos elementos químicos, pero tengo muchas fallas. Identifico, su ubicación en la tabla y algunas de sus propiedades químicas. Conozco con detalle las ventajas y desventajas de, al menos, 10 isótopos radiactivos, pero mis argumentos sobre su empleo en la vida cotidiana requieren mayor sustento.
Solo conozco uno o dos de los modelos atómicos pero no a detalle. Tampoco puedo señalar la relación entre ellos y qué aportaron al modelo atómico actual. La maqueta no corresponde casi en ningún aspecto con el modelo representado. Los materiales son costosos y no pueden reciclarse.
Conozco con detalle las ventajas y desventajas del uso de, al menos, 20 isótopos radiactivos. A partir de esto, sustento argumentos sobre su empleo en la vida cotidiana.
Solo puedo elaborar, sin error, las configuraciones de unos pocos elementos químicos. No puedo determinar la ubicación ni propiedades de los elementos.
Conozco con poco detalle las ventajas y desventajas del uso de uno o dos isótopos radiactivos. No puedo argumentar sobre su empleo en la vida cotidiana.
De los desempeños marcados con 1 o con 2, anota en tu cuaderno un compromiso de trabajo concreto y establece una fecha para su consecución.
V. Reflexiona y responde en tu cuaderno las siguientes preguntas acerca de tu desempeño durante el estudio del bloque.
1. ¿Qué aprendizajes adquiriste?, ¿cómo los aprendiste? 2. ¿Los conocimientos de tu vida cotidiana te ayudaron a comprender los temas presentados en el bloque?, ¿cuáles fueron esos conocimientos?
3. ¿Para qué piensas que te sirven los aprendizajes que adquiriste? 4. ¿Cuál es la relevancia de los aprendizajes que adquiriste? 5. ¿Cómo te sentiste trabajando en equipo?, ¿por qué? 6. ¿Qué aspectos piensas que tienes que mejorar cuando trabajas en equipo? 7. ¿Qué actitudes debes mantener para continuar con el estudio de la química?
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Desempeños del estudiante s $ESCRIBEELPROCESOHISTRICODELACONSTRUCCIN DELATABLAPERIDICA s 5TILIZALATABLAPERIDICAPARAOBTENERINFORMACIN DELOSELEMENTOSQU¤MICOS s #OMPRUEBA DEMANERAEXPERIMENTAL LASPROPIEDADES F¤SICASYQU¤MICASDEALGUNOSELEMENTOSQU¤MICOS s 5BICAALOSELEMENTOSQU¤MICOSENLATABLAPERIDICAA TRAV£SDELAINTERPRETACINDESUCONlGURACINELECTRNICA s )DENTIlCAAPLICACIONESDEMETALES NOMETALES YMINERALESENELQUEHACERHUMANOYENELSUYOPROPIO s 2ECONOCELAIMPORTANCIASOCIOECONMICADELAPRODUCCIN DEMETALESYNOMETALESENNUESTROPA¤SYELMUNDO
Bloque 4 Interpretas la tabla periódica
Bloque 3
Bloque 4
Bloque 5
Bloque 6
Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones
Interpretas la tabla periódica
Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares
Manejas la nomenclatura química inorgánica
Na Cl
Na
Na Cl
Na
Na Na
Cl
Na Cl
Na Cl
Na Cl
Na
Cl
Cl Cl
Na Cl Cl
Cl Na
Na Cl
Na
Na
Na
Cl
Cl
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Competencias a desarrollar s %STABLECELAINTERRELACINENTRELACIENCIA LATECNOLOG¤A LASOCIEDAD YELAMBIENTEENCONTEXTOSHISTRICOSYSOCIALESESPEC¤lCOS s &UNDAMENTAOPINIONESSOBRELOSIMPACTOSDELACIENCIA YLATECNOLOG¤AENSUVIDACOTIDIANA ASUMIENDOCONSIDERACIONES£TICAS s )DENTIlCAPROBLEMAS FORMULAPREGUNTASDECARÖCTER CIENT¤lCOYPLANTEALASHIPTESISNECESARIASPARARESPONDERLAS s /BTIENE REGISTRAYSISTEMATIZALAINFORMACINPARARESPONDER APREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO CONSULTANDOFUENTES RELEVANTESYREALIZANDOEXPERIMENTOSPERTINENTES s #ONTRASTALOSRESULTADOSOBTENIDOSENUNAINVESTIGACINOEXPERIMENTO CONHIPTESISPREVIASYCOMUNICASUSCONCLUSIONES s 6ALORALASPRECONCEPCIONESPERSONALESOCOMUNESSOBREDIVERSOS FENMENOSNATURALESAPARTIRDEEVIDENCIASCIENT¤lCAS s 2ELACIONALASEXPRESIONESSIMBLICASDEUNFENMENODELANATURALEZA YLOSRASGOSOBSERVABLESASIMPLEVISTAOMEDIANTEINSTRUMENTOS OMODELOSCIENT¤lCOS
s %XPLICITALASNOCIONESCIENT¤lCASQUESUSTENTANLOSPROCESOS PARALASOLUCINDEPROBLEMASCOTIDIANOS s !NALIZALASLEYESGENERALESQUERIGENELFUNCIONAMIENTO DELMEDIOF¤SICOYVALORALASACCIONESHUMANASDERIESGO EIMPACTOAMBIENTAL s !PLICANORMASDESEGURIDADENELMANEJODESUSTANCIAS INSTRUMENTOSYEQUIPOENLAREALIZACINDEACTIVIDADESDESUVIDACOTIDIANA s !SUMEUNAACTITUDQUEFAVORECELASOLUCINDEPROBLEMAS AMBIENTALESENLOSÖMBITOSLOCAL NACIONALEINTERNACIONAL s 2ECONOCEYCOMPRENDELASIMPLICACIONESBIOLGICAS ECONMICAS POL¤TICASYSOCIALESDELDA®OAMBIENTAL ENUNCONTEXTOGLOBALINTERDEPENDIENTE s #ONTRIBUYEALALCANCEDEUNEQUILIBRIOENTRELOSINTERESES DECORTOYLARGOPLAZOCONRELACINALAMBIENTE
Bloque 7
Bloque 8
Representas y operas reacciones químicas
Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas
Cl
Na
Na
Na
Introducción
Na Cl
Na
Na Cl
Na
Na Na
Na Cl
Na Cl
Cl
Na Cl
Na
Cl
Cl
Na
Cl Cl
Na Cl Cl
Cl
Na Cl
L
Na
Na
Na
Na
Na
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Na
Cl Cl
Cl
Cl Cl
Objetos de aprendizaje Elementos químicos: s'RUPO s0ERIODO s"LOQUE Propiedades periódicas YSUVARIACINENLATABLA PERIDICA
os seres humanos siempre hemos estado tentados a encontrar una explicación a la complejidad de la materia que nos rodea. Los primeros filósofos griegos pensaban
que los elementos de toda materia estaban constituidos, en diferentes proporciones, por agua, tierra, fuego y aire. Con el paso del tiempo, y gracias a la mejora de las técnicas de experimentación física y química, los científicos se dieron cuenta de que la materia es en realidad más compleja de lo que parece. En este bloque obtendrás información de los elementos químicos empleando la tabla periódica, experimentarás con algunos elementos químicos para reconocer sus propiedades y describirás la importancia y las aplicaciones más relevantes de los principales metales, no metales y semimetales que se obtienen en nuestro país, ubicando además las regiones donde se extraen. Verás en el siguiente mapa conceptual la organización esquemática de los temas más relevantes de este bloque.
Utilidad e importancia DELOSMETALESYNOMETALES PARALAVIDASOCIOECONMICA DELPA¤SYDELMUNDO
Interpretas la tabla periódica
conoces sus
comprendes cómo se organizan
antecedentes
por ejemplo
de los
entiendes
ubicas propiedades
propiedades periódicas
metales, no metales y semimetales
como
su aplicación e importancia en
elementos químicos México en
octavas de Newlands clasificación de Mendeleïev tríadas de Döbereiner
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grupos periodos
radio atómico energía de ionización electronegatividad
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Actividades de enseñanza
Para comenzar... Para que puedas comprender los temas de este bloque, es necesario que rescates las competencias (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que ya has adquirido a lo largo de tu vida. Haz tu mejor esfuerzo para responder y detecta aquellos aspectos que no conoces o dominas para enfocar tu estudio.
Conocimientos I. Sin consultar la tabla periódica (¡condición importante!), responde lo siguiente: 1. ¿Cómo está organizada la tabla periódica?
dos (filas horizontales) contiene?
3. Clasifica los elementos según su tipo: M (metal), NM (no metal) y GN (gas noble). d. B __________________ e. C __________________ f. N __________________
g. O ________________ h. F ________________ i. He ________________
II. Anota el nombre o símbolo del elemento químico, según corresponda. 3¤MBOLO
.OMBRE
3¤MBOLO
C
.OMBRE Calcio
Cobalto
Cm
Mercurio
Ag
Cu Na
Actividad experimental QUEPERMITARECONOCER LASPROPIEDADESDELOS ELEMENTOS Construcción de una tabla PERIDICA
2. Los grupos son columnas verticales en la tabla, ¿cuántos hay? ¿Cuántos perio-
a. H __________________ b. Li __________________ c. Be __________________
Investigación sobre propiedades, APLICACIONESEIMPORTANCIA SOCIOECONMICAPARAELPA¤S YELMUNDODEALGUNOS ELEMENTOSQU¤MICOS
Hierro Antimonio
Ahora consulta la tabla, verifica tus respuestas y toma nota de los errores para corregirlos.
Explicación de la clasificación DELOSELEMENTOSQU¤MICOS PORGRUPOS PERIODOSYBLOQUES APARTIRDESUCONlGURACIN ELECTRNICA Explicación de las propiedades PERIDICASDELOSELEMENTOS ELECTRONEGATIVIDAD ENERG¤A DEIONIZACIN AlNIDAD ELECTRNICA RADIOYVOLUMEN ATMICA CONRESPECTOALA UBICACINDELOSELEMENTOS ENLATABLAPERIDICA Ejercicios de aplicación DELASPROPIEDADESPERIDICAS DELOSELEMENTOS Investigación por equipos, ENLIBROS REVISTASE)NTERNET SOBRELOSPRINCIPALESMETALES YNOMETALESQUESEPRODUCEN ENNUESTROPA¤SYELMUNDO UBICANDOSUSPRINCIPALES APLICACIONESYLOSLUGARES DONDESEREALIZASUEXTRACCIN
Habilidades Busca información en libros o en Internet y encuentra a cuál elemento químico corresponde cada descripción.
1. Se utilizó frecuentemente para el llenado de globos y dirigibles. En la actualidad se usa para inflar los globos metereológicos que funcionan a gran altitud. Sirve, también, como gas inerte de protección en soldadura autógena y los buzos que trabajan a grandes profundidades lo mezclan con oxígeno para llenar sus tanques.
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2. Las compañías papeleras lo utilizan para blanquear papel; en las plantas de tratamiento de aguas residuales sirve para reducir los niveles de microorganismos que pueden provocar enfermedades.
3. Se utilizaba, anteriormente, para la fabricación de tuberías pero en la actualidad se evita, dado que sus compuestos solubles son una amenaza para la salud humana. Como es muy maleable y dúctil se le emplea para la fabricación de alambres.
Actitudes y valores I. En este bloque estudiaremos los elementos químicos y la forma en que están organizados dentro de la tabla periódica. Escribe tres razones por las que este conocimiento pudiera ser de utilidad para tu vida diaria.
1.
2.
3.
II. De acuerdo con los errores que observaste en el apartado de conocimientos, anota dos acciones concretas para corregir tus deficiencias al respecto y, si te parece conveniente, coméntalas con tu profesor.
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Reto La tabla periódica puede parecer, a primera vista y para quien no la conoce, un arreglo arbitrario de los diversos elementos químicos con una serie de datos incomprensibles. Sin embargo, la tabla periódica es, en realidad, una herramienta valiosa para los químicos y para todo aquel que desee entender mejor cómo funciona nuestro mundo y los fenómenos que en él y en los seres vivos suceden.
I. El reto para el equipo será la confección de un video-tutorial (con una duración máxima de 10 minutos) que muestre cómo está organizada la tabla periódica y cuáles propiedades de los elementos químicos podemos determinar por su ubicación dentro de ella.
II. La recomendación es utilizar un programa gratuito para la edición de video como Windows Movie Maker, fácil de aprender a usar y que permite realizar, con un poco de esfuerzo y creatividad, videos muy atractivos. En Internet existen otras opciones de programas de edición de video gratuitos o que otorgan un periodo de prueba.
III. Para desarrollar el video, es necesario diseñar previamente un guion para determinar qué se va a mostrar y cómo se pretende hacerlo. Es recomendable pensar en los tiempos asignados a cada tema que se va a tratar, quién o quiénes serán los conductores o los actores, cuáles serán los escenarios o locaciones. En caso de que planeen hacer entrevistas, deben prever qué se le va a preguntar a los entrevistados, cuáles imágenes se utilizarán (ya sean fijas o tomadas con una cámara) qué música se empleará como fondo, etc.
IV. Será necesario conseguir toda la información necesaria para que el video contenga ideas claras y relevantes sobre la organización de la tabla periódica y que sea verdaderamente útil para aprender sobre los elementos químicos.
V. Les recomendamos utilizar la matriz de valoración que aparece enseguida para guiarse en la elaboración y la evaluación de su video. #ATEGOR¤A
4
3
2
1
El equipo tiene una visión clara de lo que va a lograr. Cada miembro puede describir lo que ellos están tratando de hacer y cómo su trabajo contribuirá al producto final.
El equipo tiene una visión bastante clara de lo que va a lograr. Cada miembro puede describir lo que ellos están tratando de hacer en conjunto, pero tienen problemas en describir cómo su trabajo contribuirá al producto final.
El equipo tiene una idea del concepto a desarrollar, pero no tiene un enfoque claro a seguir. Los miembros del equipo describen de diferentes maneras las metas o el resultado final del producto.
El equipo ha puesto muy poco esfuerzo en sugerir ideas y refinar el concepto. Los miembros del equipo no tienen claras las metas y cómo sus contribuciones les ayudarán a alcanzar la meta.
Investigación Las tarjetas de notas indican que los miembros del grupo desarrollaron preguntas sobre el tema asignado, consultaron por lo menos tres fuentes de referencia, desarrollaron una postura basada en sus fuentes y citaron correctamente sus fuentes. Guion El guion está completo y muestra claramente qué va a decir y a hacer cada actor. El guion es bastante profesional.
Las tarjetas de notas indican que los miembros del grupo consultaron por lo menos tres fuentes de referencia, desarrollaron una posición basada en sus fuentes, y citaron correctamente sus fuentes.
Las tarjetas de notas indican que los miembros del grupo consultaron al menos dos fuentes de referencia, desarrollaron una posición basada en sus fuentes y citaron correctamente las mismas.
Hay menos de dos tarjetas de notas o las fuentes están citadas incorrectamente.
El guion está bastante completo. Está claro lo que cada actor va a decir o hacer. El guion muestra planeación.
El guion tiene algunas fallas mayores. No está siempre claro lo que los actores van a decir o hacer. El guion muestra un intento de planeación, pero parece incompleto.
No hay guion. Se espera que los actores inventen lo que van a decir y hacer.
Trabajo en equipo
Los estudiantes se reunieron y comentaron regularmente. La mayoría de los estudiantes contribuyeron a la discusión y todos escucharon respetuosamente. Todos los miembros del equipo contribuyeron equitativamente al trabajo.
Los miembros del equipo solo realizaron unas cuantas reuniones. La mayoría de los estudiantes contribuyeron a la discusión y escucharon respetuosamente. Todos los miembros del equipo contribuyeron equitativamente al trabajo.
No hubo reuniones y/o algunos de los miembros del equipo no contribuyeron equitativamente al trabajo.
Concepto
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Los miembros del equipo se reunieron y comentaron regularmente. Todos contribuyeron a la discusión y escucharon respetuosamente. Asimismo, todos contribuyeron equitativamente al trabajo.
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Coevaluación I. El docente te asignará a un compañero o compañera que deberás observar durante el desarrollo de la actividad.
II. Relatarás de manera breve, concisa y objetiva, un hecho o anécdota que demuestre de manera significativa su desempeño.
III. A continuación, tratarás de explicar las conclusiones a las que llegaste sobre su desempeño. El ejemplo siguiente te servirá como punto de partida para tu registro. %*%-0,/$%2%')342/!.%#$Ê4)#/ Grupo:
Alumno(a):
Fecha:
Sitio:
Observador:
Incidente: Durante la presentación oral sobre los resultados de la investigación de campo, Mario habló con voz baja durante toda su intervención, balanceándose hacia atrás y hacia adelante, sin mirar para nada al auditorio. Al final, Roberto (en la fila de atrás) dijo “No pude oírte, ¿puedes de nuevo leer en voz alta?” Mario contestó que no y se sentó.
Interpretación: Mario, al parecer, no preparó bien su intervención y se muestra demasiado tímido y nervioso al actuar frente al grupo. El haberse rehusado a leer de nuevo me pareció debido a su nerviosismo.
IV. Una vez que tengas terminado el registro anecdótico, entrégalo a tu profesor para que lo conozca.
Actitudes y valores Indica con qué frecuencia se presentan los siguientes atributos en tu desempeño. Encierra en un círculo el número que corresponda: 0, si no se presenta el atributo; 1, si se presenta poco el atributo; 2, si generalmente se presenta el atributo; 3, si siempre se presenta el atributo. 0ARTICIPACINENELTRABAJO
1. Participé en las reuniones de trabajo 2. Cooperé activamente en la preparación del video. 3. Mi participación ayudó a alcanzar la meta.
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!CTITUD
1. Mostré respeto a mis compañeros y al trabajo desarrollado. 2. Fui responsable con las actividades que se me asignaron.
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Y
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Para comenzar...
Tema 1
Tema 2
Tema 3
Los elementos químicos
Grupo, periodo y bloque
Propiedades periódicas y su variación en la tabla periódica
Continúa...
La ubicación de los elementos químicos tienen una razón de ser, luego del trabajo producido por los aportes de varios científicos. ¿A qué crees que se debe el lugar específico para cada uno? ¿Puedes encontrar los factores que vinculan un elemento con otro?
En el siglo xix, los químicos se vieron en la necesidad de ordenar los nuevos elementos descubiertos. La primera manera, la más natural, fue la de clasificarlos por masas atómicas, pero esta categorización no reflejaba las diferencias y similitudes entre los elementos. Muchas otras clasificaciones fueron adoptadas antes de llegar a la tabla periódica que se utiliza en nuestros días. De manera breve, haremos un recuento de los intentos más significativos, entre ellos: R5 ,ù -5 5Č , #( ,8 R5 .0-5 5"( )/,.)#-535 1&( -8 R5 3 ,535 ( & û 08 R5 )- & 3535 &5(Ě' ,)5.ĉ'# )8 Tríadas de Döbereiner. &5+/ù'# )5 )"((5Č , #( ,5 (1780-1849) elaboró en 1817 un informe que mostraba una relación entre la masa atómica de ciertos elementos y sus propiedades. En su informe mencionaba la existencia de similitudes entre st-editorial.com
elementos agrupados en tríos que él denomina “tríadas”. La tríada del cloro, del bromo y del yodo son ejemplos que ponen en evidencia que, en cada tríada de elementos, la masa atómica del elemento central es, aproximadamente, el promedio de las masas atómicas de los otros dos elementos (cuadro 1 y figura 1). En 1850 se lograron conocer unas veinte tríadas para llegar así a una primera clasificación coherente. Octavas de Chancourtois y Newlands. En 18 2, Alexander Beguyer de Chancourtois (1820-188 ), geólogo francés, puso en evidencia una cierta periodicidad entre los elementos de la tabla. En 18 4, Chancourtois y el químico inglés John A. 1&( -5Bgnin7gnnlC5(/( #,)(5&5& 35 5&-5 octavas, donde las propiedades se repiten cada ocho elementos, aunque no puede aplicarse a los elementos más allá del calcio. Esta clasificación fue, por tanto, insuficiente, y pronto fue desechada por la comunidad científica. 107
BLOQUE 4
CUADRO 1. 42Ù!$!39-!3!3!4Ê-)#!3 %LEMENTO ,I "E .A
+
-ASAATMICA
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-ASAATMICA
%LEMENTO
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,ITIO
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Meyer y Mendeleïev. (5gnlo65 &5+/ù'# )5& 'á(5 /&#/-5 85 3 ,5Bgnif7gnokC5- 5 percató de que existía cierta periodicidad en el volumen atómico. Los elementos similares tienen un volumen atómico semejante en relación con los otros elementos. Los metales alcalinos tienen, por ejemplo, un volumen atómico importante. Meyer , ĉ5/(5!,áŀ 5+/ 5, *, - (. 5&)-50)&Ě' ( -5.ĉ'# )-5 5&)-5 & ' (.)-5 (5 relación con sus masas atómicas (figura 2).
Figura 1. En cada tríada de elementos, la masa atómica del elemento central es, aproximadamente, el promedio de las masas atómicas de los otros dos elementos.
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.OTALASMEDIDASSONENANGSTROMS°
Fuente: www.juntadeandalucia.es/averroes/~jpccec/tablap/properiodicas/radatom Figura 2. Representación gráfica de los elementos según Meyer.
(5gnlo65 &5+/ù'# )5,/-)5#'#.,#5 ( & û 05Bgnij7gofmC5*, - (.ĉ5/(5*,#' ,5 versión de su tabla periódica. Esta tabla fue la primera presentación coherente de las - ' $(4-5 5&)-5 & ' (.)-5+/ù'# )-65*/ -.)5+/ 5 )(. (ù5&)-5li5 )() # )-5"-.5 entonces y tomaba la masa atómica como criterio de ordenamiento (cuadro 2). Esta tabla fue diseñada de manera que hiciera aparecer la periodicidad de los elementos, clasificándolos verticalmente. Las agrupaciones horizontales se suceden representando los elementos de la misma “familia”. ,5 *) ,5 *&# ,5 &5 & 35 +/ 5 ï&5 , ù5 # ,.65 ( & û 05 ./0)5 +/ 5 $,5 # ,.)-5 huecos vacíos. Él estaba convencido de que un día esos lugares vacíos que correspondían a las masas atómicas 45, 8, 70 y 180 no lo estarían más. Los descubrimientos futuros confirmaron esta convicción. Consiguió, además, anticipar las propiedades químicas de tres de los elementos que faltaban a partir de las propiedades de los cuatro elementos vecinos. Entre 1875 y 188 se descubrieron el galio, el escandio y el germanio, con las propiedades previstas. #(5 ' ,!)65/(+/ 5&5 &-#ŀ #ĉ(5 5 ( & û 05', 5/(5 &,)5*,)!, -)65 contenía ciertas anomalías debidas a errores de determinación de masa atómica 5&5ï*) 855* -,5 5 -.)65"35+/ 5, )() ,5+/ 5&5. &5 5 ( & û 05 )(dujo a la tabla periódica actual. 108
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INTERPRETAS LA TABLA PERIÓDICA
CUADRO 2.4!",!0%2)Ê$)#!02/05%34!0/2-%.$%,%×%6 0ERIODO
'RUPO)
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Fuente: http://chemlab.pc.maricopa.edu/periodic/foldedtable.html
Moseley y el número atómico. Henry Moseley
(1887-1915) fue un químico y físico inglés que efectuó experimentos muy sofisticados en los que logró la difracción de cristales para obtener y medir la longitud de onda de los rayos X emitidos por diversos elementos químicos. Los resultados obtenidos le permitieron encontrar una relación sistemática entre la longitud de onda , . ,ù-.# 5 5 5 & ' (.)535-/5(Ě' ,)5.ĉmico (Z). La importancia del descubrimiento de Moseley , # 5 (5+/ 5(. -5 5ï&65 &5(Ě' ,)5.ĉ'# )5 ,65 simplemente, una noción utilizada, pero que no
Desarrolla competencias
se había podido comprobar ni medir experimentalmente. En los anteriores intentos de clasifi #ĉ(65 &5 (Ě' ,)5 .ĉ'# )5 ,5 -#'*& ' (. 5 /(5 dato más, pero a partir de Moseley se convirtió en el criterio fundamental para la organización de los elementos dentro de la tabla periódica. Comentaremos, finalmente, que con los datos recogidos de sus experimentos, Moseley logró demostrar la existencia de “huecos” en la tabla * ,#ĉ # 85 (5 .)65 &)-5 & ' (.)-5 +/ù'# )-5 ji5 (tecnecio), 1 (prometio) y 75 (renio) todavía eran desconocidos en la época en que le tocó vivir, pero Moseley logró adelantar su existencia.
actividad individual
Describe el proceso histórico de la construcción de la tabla periódica.
1. Toma como base la información que acabas de leer, elabora una línea de tiempo, mapa mental o mapa conceptual que represente los antecedentes de la tabla periódica actual. Incluye los dibujos o ilustraciones que sean necesarios para que tu trabajo sea más atractivo y claro. 2. Comparte lo que hiciste con tus compañeros y tu profesor para recibir retroalimentación y, en caso de ser necesario, mejora tu trabajo.
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A
IA
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Tema 1
Tema 2
Tema 3
Tema 4
Los elementos químicos
Grupo, periodo y bloque
Propiedades periódicas y su variación en la tabla periódica
Utilidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país y del mundo
Analiza la tabla periódica actual. ¿Puedes distinguir cuáles son los grupos, los periodos y los bloques? ¿Cuáles son las características visuales de cada uno? ¿Por qué crees que se dispusieron de tal forma?
Gracias a los descubrimientos de Moseley se logró establecer la ley periódica, que sostiene que las propiedades de los elementos químicos son /(5 /( #ĉ(5* ,#ĉ # 5 5-/-5(Ě' ,)-5.ĉ'# )-85 A partir de esta ley, los químicos han organizado &)-5 & ' (.)-5+/ù'# )-5*),5-/5(Ě' ,)5.ĉ'# )65 en grupos y periodos. Un grupo de la tabla periódica es una columna vertical; en la tabla estándar hay 18 grupos. El hecho de que la mayoría de estos grupos correspondan directamente a una serie química no es fruto del azar. La tabla ha sido desarrollada para organizar las series químicas conocidas dentro de un esquema coherente. La distribución de los elementos en la tabla periódica se realiza a partir de los grupos que poseen la misma configuración electrónica en su capa más externa. Las interacciones de estos electrones son los que principalmente determinan el comportamiento químico; de aquí el hecho de que los elementos de un mismo grupo tengan similares propiedades físicas y químicas. 110
Así pues, los grupos concentran aquellos elementos que tienen una configuración electrónica -#'#&,5 (5 -/5 Ě&.#')5 (#0 &5 35 +/ 65 *),5 &5 '#-'5 ,4ĉ(65*, - (.(5*,)*# -5- ' $(. -85&5 -5 el caso del primer grupo (grupo IA o grupo 1) llamado de los metales “alcalinos”, que incluye &5 #6565 65 65-535,85) )-5.# ( (5/(5-)&)5 electrón en su capa más externa y son metales altamente reactivos que se combinan con facilidad para formar óxidos o hidróxidos. Los grupos marcados con la letra A se denominan “representativos” y, entre otras ca, . ,ù-.# -65-/5Ě&.#'5 *5 & .,ĉ(# 5)5 *5 de valencia tiene orbitales s y p (van del IA al VIIIA). Por su parte, los grupos que se marcan con la letra B corresponden a los elementos de transición y su orbital más externo es de tipo d (van del IB al VIIIB). Los lantánidos y actínidos se conocen como “tierras raras” y muchos de ellos no se encuentran en la naturaleza, sino que han sido sintetizados. st-editorial.com
INTERPRETAS LA TABLA PERIÓDICA
Desde hace tiempo se acostumbra darles nombres a algunos grupos de elementos (como se observa en el infográfico 1). Los periodos (filas horizontales) son 7 y corresponden a los niveles de energía donde se ubica el electrón diferencial. Para ilustrar esta idea, tomemos como primer ejemplo al elemento potasio, que presenta la configuración electrónica: 1s2 2s2 2p 5i-1 &5 & .,ĉ(5 # , ( #&5 &5*).-#)5- 5/ # 5 (5 &5), #.&5i-65 ),, -*)( # (. 5&5 tercer nivel energético, por lo que en consecuencia se le ubica en el tercer periodo. "),5 )(-# , ')-5/(5!-5() & 65 &52 (ĉ(5B C65 )(5(Ě' ,)5.ĉ'# )5kj85,5 este elemento la configuración electrónica, utilizando el kernel, es: D ,E5j 10 5s2 5p El electrón diferencial del azufre se ubica en el orbital 5p, que corresponde al quinto nivel energético. Esto lo ubica en el quinto periodo de la tabla, como puede comprobarse fácilmente. &5, 0#-,5&5. &5- 5) - ,05+/ 5 &5(Ě' ,)5 5 & ' (.)-5 5 5* ,#) )5()5 es fijo. Así, el primer periodo tiene tan solo dos elementos, el hidrógeno y el helio; los periodos segundo y tercero contienen ocho elementos cada uno. El cuarto y el +/#(.)5* ,#) )-5.# ( (5gn6535 &5- 2.)5.# ( 5ih65&5#!/&5+/ 5 &5-ï*.#')8 Para facilitar la representación, aparecen dos filas horizontales fuera de la tabla que corresponden a elementos que deberían ir en el sexto y séptimo periodo. A la serie de elementos que comienza con el lantano, se les denomina lantánidos 35* ,. ( (5&5- 2.)5* ,#) )85) )-5&)-5 & ' (.)-5+/ 5- 5 ( / (.,(5 (5&5ŀ&5 siguiente se denominan actínidos y pertenecen al periodo séptimo.
INFOGRÁFICO 1. GRUPOS QUÍMICOS Grupo
Nombre
Grupo
Nombre
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-ETALES ALCALINOS
6!
'RUPODELNITRGENO
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-ETALES ALCALINOT£RREOS
6)!
'RUPODELOX¤GENO OCALCGENOS FORMADORESDECAL
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'RUPODEL BORO
6))!
'RUPODELOSHALGENOS FORMADORESDESAL
)6!
'RUPODEL CARBONO
6)))!
'ASESNOBLESO INERTES
Lantánidos.'RUPODEELEMENTOSQUEFORMANPARTEDELPERIODODELATABLAPERIDICA%STOSELEMENTOSSONLLAMADOS TIERRASRARASDEBIDOAQUESEENCUENTRANENFORMADEXIDOS Actínidos.%STOSELEMENTOS JUNTOCONLOSLANTÖNIDOS SONLLAMADOSELEMENTOSDETRANSICININTERNA
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Glosario
111
BLOQUE 4
Bloques s, p, d y f La tabla periódica actual, además de organizarse en grupos y periodos, puede subdividirse en cuatro grandes bloques: s, p, d y f, dependiendo &5Ě&.#')5), #.&5 5&5 )(ŀ5!/, #ĉ(5 & .,ĉ(# 5 (infográfico 2). Para comprender cómo se logra ubicar los elementos en un bloque determinado, tomemos como ejemplo el grupo IA (1), es decir, los metales alcalinos: #6565 65 65-65,85 5 )(ŀ5!/, #ĉ(5 & .,ĉ(# para cada uno de ellos se muestra a continuación:
aun sin observarla, se pueden determinar el grupo y el periodo de un elemento específico. Como ejemplo de lo anterior, tomemos el alu'#(#)65 )(5(Ě' ,)5.ĉ'# )5#!/&55gi85/5 )(ŀ57 guración electrónica es la siguiente: gi
Al
1s2 2s2 2p i-2 i*1
La configuración indica que los electrones del aluminio se ubican en tres distintas capas o niveles 5 ( ,!ù85 (5 &5 Ě&.#'5 *65 .' #ï(5 )() # 5 como capa de valencia Bi-2 i*1), el aluminio contiene 2 1 1s 2s un total de tres electrones. A partir de estos datos iLi 2 2 1 podemos afirmar que este elemento se ubica en el 1155g- 2s 2p i2 2 2 1 periodo tres –porque los electrones están en el ter19 55g- 2s 2p i- i* 4s 2 2 2 2 10 1 cer nivel de energía–, en el grupo III –porque tiene im 55g- 2s 2p i- i* 4s i 4p 5s 1s2 2s2 2p i-2 i* 4s2 i 10 4p 5s2 4d10 5p s1 i5 & .,)( -5 (5-/5Ě&.#'5 *@535 'á-5* ,. ( 5 55Cs 2 2 2 2 10 2 10 s2 a un grupo tipo A debido a que los electrones de la 87,55g- 2s 2p i- i* 4s i 4p 5s 4d 5p 4f14 5d10 p 7s1 Ě&.#'5 *5- 5/ # (5 (5), #.& -5-535*85(5, -/' (65 el aluminio está en el grupo IIIA, periodo tres y bloEs evidente que todos presentan una configura- que tres –para ubicarlo en un bloque determinado #ĉ(5 & .,ĉ(# 5-#'#&,5 (5-/5Ě&.#')5(#0 &65 )5+/ 5 solamente necesitamos saber en qué tipo de orbital todos y cada uno tienen su electrón más externo en queda situado el electrón diferencial–, como podrá un orbital s. Precisamente esta es la razón por la cual comprobarse al revisar la tabla periódica. Podemos - 5/ # (5 (5 &5!,/*)5 85 ), ')-5+/ 5 &5(#0 &5 concluir que si se conoce la configuración electrónica energético equivale numéricamente al periodo en de un elemento, se pueden determinar el grupo, el el cual se ubica dentro de la tabla. De esta manera, periodo y el bloque en que se ubica dentro de la tabla.
INFOGRÁFICO 2. CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS Y TABLA PERIÓDICA
S
S
S S
P
S S
P
S S
S S
D
P
D
P
D
P
S S
S
S
D
F F
%LEMENTOS
S DELBLOQUES
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%LEMENTOS
D DELBLOQUED
%LEMENTOS
P DELBLOQUEP
%LEMENTOS
F DELBLOQUEF
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INTERPRETAS LA TABLA PERIÓDICA actividad individual
Desarrolla competencias
Utiliza la tabla periódica para obtener información de los elementos químicos.
I. A partir de la configuración electrónica de los siguientes elementos, determina el bloque en el que se encuentran.
1. 4Be = 1s2 2s2
Bloque:
2. 15P = [10Ne] 3s 3p 2
Bloque:
3
3. 25Mn = [18Ar] 4s 3d
Bloque:
4. 51Sb = [36Kr] 5s2 4d 5p3
Bloque:
5. 74W = [54Xe] 6s2 4f14 5d4
Bloque:
2
5
II. Lee con atención y coloca en el círculo la opción que contenga la respuesta correcta. 1.
Las filas horizontales de la tabla periódica se denominan:
4.
a. filas. b. columnas. c. grupos. d. periodos. 2.
a. 1 y 2. b. 3 al 12. c. 13 al 17. d. 13 al 18.
Los elementos de la parte media de la tabla reciben el nombre de:
a. elementos. b. elementos de transición. c. grupo principal. d. metales. 3.
Los no metales se encuentran ubicados en los grupos:
5.
Los lantánidos y los actínidos se encuentran ubicados en el bloque ___ de la tabla periódica.
a. s b. d c. p d. f
En la tabla periódica actual, los elementos están ordenados según:
a. su peso atómico. b. su número atómico. c. su configuración electrónica. d. su energía de ionización.
Desarrolla competencias
Comprueba, de manera experimental, Utiliza la tabla periódica para obtener información las propiedades físicas y químicas de los elementos químicos. de algunos elementos químicos.
actividad grupal
I. Reunidos en equipos y organizados por su profesor, se repartirán al azar cada uno de los 18 grupos de la tabla periódica para obtener la mayor cantidad de información sobre todos y cada uno de los elementos químicos que lo integran.
1. Elaboren una monografía sobre el grupo asignado, la cual contenga, al menos, la siguiente información sobre cada uno de los elementos químicos que pertenecen a él:
a. Origen y significado del nombre y símbolo
h. Propiedades físicas más relevantes (estado de
químico. b. Descubridor (si es que se le conoce). c. Número atómico. d. Masa atómica. e. Configuración electrónica. f. Grupo, periodo y bloque en el que se ubica en la tabla periódica. g. Fuentes de obtención.
agregación, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, etc.). i. Propiedades químicas (valencia, estado de oxidación, radio atómico, electronegatividad, etc.). j. Tipos de compuestos que forma con el oxígeno. k. Efectos sobre la salud. l. Efectos ambientales.
2. Al final del reporte, determinen cuáles son los aspectos comunes a los elementos que integran el grupo y escriban sus conclusiones.
3. Finalmente, compartan su información con el resto de la clase. st-editorial.com
113
BLOQUE 4
4. Para evaluar la actividad de investigación te proponemos la siguiente rúbrica: #ATEGOR¤A
4
3
2
Plan para la organización de la información
Los estudiantes tienen desarrollado un plan claro para organizar la información conforme esta va siendo reunida. Todos los estudiantes pueden explicar el plan de organización de los descubrimientos investigados.
Los estudiantes tienen desarrollado un plan claro para organizar la información al final de la investigación. Todos los estudiantes pueden explicar este plan.
Los estudiantes tienen desarrollado un plan claro para organizar la información conforme esta va siendo reunida. Todos los estudiantes pueden explicar la mayor parte de este plan.
Los estudiantes no tienen un plan claro para organizar la información y/o los estudiantes no pueden explicar su plan.
Calidad de las fuentes
Los investigadores identifican por lo menos dos fuentes confiables e interesantes de información para cada una de sus ideas o preguntas.
Los investigadores identifican por lo menos dos fuentes confiables de información para cada una de sus ideas o preguntas.
Los investigadores, con ayuda de un adulto, identifican por lo menos dos fuentes confiables de información para cada una de sus ideas o preguntas.
Los investigadores, con bastante ayuda de un adulto, identifican por lo menos dos fuentes confiables de información para cada una de sus ideas o preguntas.
Cada estudiante en el grupo puede explicar qué información es necesaria para el grupo, qué información es responsable de localizar y cuándo es necesaria. El equipo presenta en tiempo y forma la monografía cuidando todos los aspectos indicados por su profesor.
Cada estudiante en el grupo puede explicar qué información es responsable de localizar.
Cada estudiante en el grupo puede, con la ayuda de sus compañeros, explicar qué información es responsable de localizar.
Uno o más estudiantes en el grupo no pueden explicar qué información son responsables de localizar.
El equipo presenta en tiempo y forma la monografía, pero faltan algunos aspectos indicados por su profesor.
El equipo presenta la monografía pero ha descuidado varios aspectos solicitados por su profesor.
El equipo presenta la monografía fuera de tiempo y sin cuidar los aspectos solicitados por su profesor.
Delegación de responsabilidad
Monografía
1
II. Organicen equipos de trabajo con las directrices establecidas por su profesor. 1. Consigan pequeñas muestras de hierro, cobre, aluminio, estaño, oro, plata, carbón, etc. 2. Investiguen las propiedades físicas y químicas de los elementos químicos cuyas muestras lograron conseguir. Elaboren fichas de trabajo con la información.
3. Tomen por separado cada muestra y revísenla con detenimiento para registrar algunas de sus características físicas más evidentes: color, aspecto, dureza, etc. Con la ayuda de un imán determinen si la muestra es capaz o no de ser magnetizada. 4. Para determinar la densidad, les sugerimos comenzar por establecer la masa de la muestra del elemento; para ello utilicen una balanza granataria o una balanza analítica. Acto seguido, determinen el volumen de la muestra. Una manera recomendable consiste en utilizar una probeta con una cantidad de agua cuidadosamente medida en la que se introducirá la muestra del elemento. La cantidad de agua que se desplaza equivale al volumen de la muestra. Al dividir la masa entre el volumen, encontramos experimentalmente la densidad que compararemos con el dato previamente investigado. Para eliminar el error experimental les recomendamos repetir la experiencia al menos dos o tres veces y tomar como valor definitivo el promedio de los valores obtenidos en cada experiencia. 5. Los metales se oxidan con cierta facilidad por lo que una forma de comprobar esta capacidad podría consistir en colocar la muestra en un ambiente húmedo durante varios días y registrar las observaciones con regularidad. 6. Se sabe que los metales producen óxidos básicos y los no metales, óxidos ácidos. Una forma de determinarlo experimentalmente es conseguir un poco de óxido obtenido en el punto anterior y tratar de diluirlo en agua. Con ayuda de un trozo de papel tornasol o con un instrumento medidor de pH determinaremos si la solución obtenida es básica o ácida. 7. Finalmente, utilicen su ingenio y, con la ayuda de su profesor, propongan otras experiencias sencillas que sirvan para comprobar algunas de las propiedades físicas o químicas de los elementos químicos. Utilicen los pasos del método científico para asegurar que sus observaciones estén bien sustentadas. 114
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Tema 2
Tema 3
Tema 4
Grupo, periodo y bloque
Propiedades periódicas y su variación en la tabla periódica
Utilidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país y del mundo
Se dice que los átomos pierden o ganan electrones. ¿Cómo piensas que esto se lleva a cabo y por qué? ¿Los átomos de los diferentes & ' (.)-5+/ù'# )-5, #)((5 5 ),'5*,.# /&,>5? / , qué son los electrones?
El ordenamiento de los elementos en la tabla periódica actual permite ver ciertas propiedades de los elementos que siguen un patrón más o menos definido. A estas propiedades se les denomina periódicas, ya que se repiten secuencialmente a lo largo de los periodos y grupos.
Electronegatividad Expresa la fuerza de atracción que un átomo ejerce sobre los electrones que intervienen en el enlace químico. La escala de electronegatividad utiliza como unidad el pauling, y después de numerosos experimentos se han determinado los valores +/ 5- 5'/ -.,(5 (5 &5 / ,)5i85&5á.)')5'á-5 & .,)( !.#0)5 -5 &5ł5Ě),5B19C65 )(5/(50&),5 5 4.0 pauling, mientras que el elemento con el valor más bajo es el francio (87,C65 )(5f8m85)')5
Enlace químico. &UERZADEUNINENTREDOSÖTOMOS st-editorial.com
puede observarse, los valores altos de electronegatividad se encuentran entre los no metales, y los valores bajos corresponden a los metales, lo que explica de alguna manera su comportamiento en la formación de los enlaces. La electronegatividad aumenta hacia la derecha (a lo largo de un periodo) y disminuye hacia abajo (dentro de un grupo).
Energía de ionización Se le denomina energía de ionización a la cantidad de energía que debe suministrársele a un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental, para arrancarle el electrón más débilmente retenido. Existen varias energías de ionización (ei) - !Ě(5 - 5^,,(+/ _5 &5 á.)')5 &5 *,#' ,5 & 7 trón, el segundo, el tercero y así sucesivamente;
Glosario 115
BLOQUE 4
en tal sentido se habla de una primera energía de ionización, segunda energía de ioniza #ĉ(65 . 85),'&' (. 65&)-50&), -5 5&5*,#' ,5 ( ,!ù5 5#)(#4 #ĉ(5-)(5 )(-# ,blemente menores que los valores de la segunda. Los valores de energía de ionización se expresan en electrón-voltio (eV) o en kJ/mol. Los metales tienden a perder sus electrones con relativa facilidad y presentan baja energía de ionización, por lo que no cuesta trabajo despojarlos de sus electrones de capa de valencia (cuadro 4). CUADRO 3.4!",!0%2)Ê$)#!$%%,%#42/.%'!4)6)$!$%353!.$/,!%3#!,!$%0!5,).' !UMENTA A2ADIOATMICODISMINUYEA%NERG¤ADEIONIZACINAUMENTAA%LECTRONEGATIVIDADAUMENTAA
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INTERPRETAS LA TABLA PERIÓDICA
Afinidad electrónica Se define como la cantidad de energía liberada cuando un átomo gaseoso y en su estado fundamental capta un electrón libre y se convierte en un ion negativo con carga eléctrica de -1. En palabras más llanas, la afinidad electrónica puede entenderse como una medida de la tendencia a adquirir electrones adicionales. El signo de la afinidad electrónica es negativo si la energía es liberada, o positivo si se absorbe energía en el *,) -)85 - ,05 (5 &5 -+/ '5-#!/# (. 5&5 ),' #ĉ(5 5#)( -5( !.#0)-5)5*)-#.#0)-5 al ganar o perder electrones, respectivamente.
etrato
El químico estadounidense Linus Carl Pauling (1901-1994) recibió el Nobel de Química en 1954 por su trabajo sobre la naturaleza de los enlaces químicos. También obtuvo el de la Paz en 1962, por su campaña contra las pruebas nucleares terrestres. Fue uno de los fundadores de la biología molecular y ha realizado aportes en diversos campos: química cuántica, inorgánica y orgánica, inmunología, psicología, metalurgia, anestesiología, entre otros.
¬TOMONEUTRO ELECTRN IONNEGATIVO
¬TOMONEUTRO ELECTRN IONPOSITIVO
Los valores de afinidad electrónica se pueden expresar tanto en electrón-volts (eV) como en kilojoules/mol (kJ/mol) y, a diferencia de las otras propiedades periódicas que hemos revisado, parece variar de manera un tanto caótica y desordenada a lo largo de la tabla periódica, sin embargo pueden apreciarse algunos patrones. ),5 $ '*&)65&)-5"&ĉ! ()-5B65&65,65 C5*, - (.(5&)-50&), -5'á-5&.)-5 5ŀ5(# 5 electrónica, lo cual implica que con cierta facilidad adquieren electrones para convertirse en iones mononegativos (cuadro 5). CUADRO 5.4!",!0%2)Ê$)#!$%!&).)$!$%3%,%#42Ê.)#!3K*MOL 'RUPO 0ERIODO 1
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Fuente: http://enciclopedia.us.es/index.php/Afinidad_electrónica
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BLOQUE 4
Radio atómico / 5 (. ( ,- 5 )')5&5 #-.( #5*,)' #)5 (., 5 &5(Ě & )5.ĉ'# )535&5 *5 & .,ĉ(# 5'á-5 2. ,(65 también es una propiedad periódica y su variación se muestra, de forma regular, en que los átomos con mayor radio son los metales alcalinos y los de menores dimensiones son los halógenos.
INFOGRÁFICO 3. VARIACIÓN DEL RADIO ATÓMICO 2ADIOATMICODECRECIENTE
2ADIOATMICOCRECIENTE
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Gráfica de la variación del radio atómico, en angstroms, dentro de grupos y periodos en función del número atómico.
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Z Fuente: www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/radio-atomico-ionico
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INTERPRETAS LA TABLA PERIÓDICA
Volumen atómico Como ya conoces, Meyer observó la variación periódica del tamaño de los átomos y determinó que el volumen atómico o volumen molar es el cociente entre la masa de un mol de elemento y su densidad. Este valor está relacionado con el volumen del átomo, aunque no se corresponde exactamente con él. Los elementos tienen sus electrones en diferentes niveles, por tanto, presentan un volumen atómico variable; en esto también influye la carga nuclear, -5 #,65 /( )5 /' (.5 &5 (Ě' ,)5 5 *,).)( -5 &5 (Ě & )65 &5 ., #ĉ(5 -) , 5 &)-5 & .,)( -5 .'bién aumenta y el volumen tiende a disminuir. En un mismo periodo se observa una disminución del
volumen atómico hacia la izquierda, y un aumento progresivo a medida que nos acercamos a los elementos situados a la derecha del periodo. En un mismo grupo, el volumen atómico aumenta al au' (.,5 &5(Ě' ,)5.ĉ'# )6535+/ 5&5 - ( ,5 (5 el grupo los elementos tienen más capas. Por lo general, si un elemento presenta un volumen atómico pequeño, los electrones más externos estarán fuer. ' (. 5.,ù )-5*),5 &5(Ě & )5365*),5.(.)65. ( ,á(5 gran dificultad para ser cedidos; y a la inversa, si un elemento posee un volumen atómico elevado, la dificultad para ceder sus electrones de valencia será mucho menor, y menor será también la atracción nuclear, producto de la mayor distancia.
actividad grupal
Desarrolla competencias
Reunidos en equipos de trabajo realicen lo siguiente y presenten un trabajo escrito con todas las respuestas.
1. Describan la variación de la energía de primera ionización en los metales alcalinos. 2. Expliquen la forma en que la energía de ionización varía a lo largo del periodo 4. ¿Cuáles son los elementos que presentan los mayores valores de energía de ionización? ¿Cómo se puede explicar este comportamiento?
3. Elaboren en su cuaderno una gráfica donde sitúen los valores de afinidad electrónica en el eje vertical y el número atómico en el eje horizontal para los siguientes casos:
a. Los elementos de los grupos IA y IIA. b. Los elementos del periodo 4. 4. Analicen lo que muestran las dos gráficas y escriban sus conclusiones tratando de explicar el comportamiento que se observa en cada caso.
Ubica a los elementos químicos en la tabla periódica a través de la interpretación de su configuración electrónica.
actividad individual
Desarrolla competencias
Partiendo de la configuración electrónica es posible determinar tanto el grupo como el periodo en el que se ubica un elemento químico. Observa los dos ejemplos resueltos y completa la tabla en tu cuaderno: %LEMENTO QU¤MICO
#APAELECTRNICAMÖS EXTERNA
#ONlGURACIN 2
2
6
2
3
2
2
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2
6
2
P
1s 2s 2p 3s 3p
Sr
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s
3s 3p 2
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Pb Pb
Pb Pb
Pb Pb Pb
Pb
Pb Pb
Pb
Pb Pb Pb Pb
Pb
Pb
Pb
Tema 3
Tema 4
Propiedades periódicas y su variación en la tabla periódica
Utilidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país y del mundo
Pb
Pb
Pb
Pb
Pb
Pb
Pb
Se dice que los metales pesados afectan el medio ambiente y la salud humana. ¿En qué productos puedes encontrar metales como el cadmio, el plomo o el mercurio? Químicamente hablando, ¿por qué son nocivos? ?Ě5 )(-/' -5 5&!/(5 ),'5 -.)-5*,) / .)->
!Ě(5 &-5 *,)*# -5 ù-# -5 35 +/ù'# -5 5 &)-5 elementos químicos, se dividen en tres categorías: metales, no metales y semimetales o metaloides Bŀ5!/,5iC85 5.) )-5&)-5 & ' (.)-5+/ù'# )-5 )7 nocidos, considerando tanto a los naturales como a los sintéticos, solamente 25 se cuentan entre los no metales y unos pocos (entre 5 o ) son consi , )-5 )')5- '#' .& -5)5' .&)# -85) )5 &5 resto de los elementos químicos son metales. Metal. Los metales, en su mayoría, provienen de los '#( ,& -85,50 45- 5 ( / (.,5 (5&5(./,& 45 un metal en estado puro; se localizan en yacimientos y, después de su extracción, se someten a determinados procesos físicos y químicos que permiten aislar al metal. En la corteza terrestre, los metales más abundantes son aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, titanio y magnesio. Los metales se ubican dentro de los grupos marcados como IA (1) y IIA (2), así como en los grupos B Bi5&5ghC65 )() # )-5 )')5 & ' (.)-5 5.,(-# #ĉ(85 Sus características más notables son las siguientes: 120
R5 # ( (5&/-., 535 ,#&&)5' .á&# )8 R5 5. '* ,./,5' # (. 5-)(5-ĉ&# )-65 )(5&7 gunas pocas excepciones como el galio (Ga) y el mercurio (Hg). R5 )(5 '& & -65 -5 #,65 - 5 & -5 */ 5 !)&* ,65 prensar o martillar para obtener distintas formas sin que se rompan. Se ha logrado, por ejemplo, obtener láminas de oro puro tan delgadas que su espesor es de apenas 0.000 5 cm, por lo que se necesitaría apilar más de 1 500 de estas hojas para obtener un espesor de 1 cm. R55 )(5 Ě .#& -65)5- 65*/ (5" ,- 5&á'#(-5)5 alambres delgados con ellos sin que se rompan. El oro es un ejemplo extraordinario de la ductilidad de los metales. Es posible hacer un hilo de 75 km con una pepita de oro de tan -)&)5if5!8 R55 )( / (5 &5 &),535&5 & .,# # 8 R55 /( )5, #)((5+/ù'# ' (. 5 )(5 &5)2ù7 geno, forman óxidos con un carácter básico. st-editorial.com
Pb
INTERPRETAS LA TABLA PERIÓDICA
No metal. Es un elemento que presenta la tendencia a ganar electrones cuando reacciona químicamente. Los no metales –hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxíge()65ł5Ě),65 ĉ- ),)654/ , 65 &),)65- & (#)65 ,)')653) )535-..)@5- 5/ # (5 (.,)5 5 los grupos IVA al VIIA (bloque p) y presentan características muy diferentes a las de los metales. Veamos: R55 )5*)- (5&/-., 5' .á&# )65'á-5 # (5*/ (5*, - (.,5 #0 ,-)-5 )&), -8 R55 / (5*, ,5 (5 /&+/# ,5 5&)-5., -5 -. )-5 5&5'. ,#95-ĉ&# )65&ù+/# )535!-8 R55 )-5+/ 5-)(5-ĉ&# )-55. '* ,./,5' # (. 5()5-)(5 Ě .#& -5(#5'& & -65'á-5 bien son quebradizos. R55 ( ,&' (. 65-/5 (-# 5 -5' (),5+/ 5&5 5&)-5' .& -8 R55 / & (5- ,5#-&(. -5)5- '# )( / .), -5 5&5 & .,# # 535 &5 &),8 R55 &!/()-5 5&)-5()5' .& -5*, - (.(5 &5 (ĉ' ()5 5alotropía, el cual consiste en que un mismo elemento se presenta en diferentes formas y con el mismo estado de agregación. Es el caso del carbono, que puede presentarse en estado sólido como grafito o como diamante. R5 )(5 &)-5 ' .& -5 -/ & (5 ),',5 )'*/ -.)-5 #ĉ(# )-65 !(( )5 & .,)( -:5 )(5 otros no metales forman enlaces covalentes, compartiendo electrones. R5 (5, #ĉ(5 )(5 &5)2ù! ()65 ),'(5ĉ2# )-5 )(5 ,á . ,5á # )65.' #ï(5 )() #7 dos como anhídridos. R5 &!/()-5 5&)-5()5' .& -65 (5 )( # #)( -5(),'& -5 5*, -#ĉ(535. '* ,./,65 son gaseosos y en su estado elemental forman moléculas diatómicas: H2652, 2652, Cl2, Br2 y I2. Metaloide. Algunos elementos químicos presentan propiedades “intermedias”, entre las de los metales y las de los no metales, razón por la cual son llamados con frecuencia metaloides o semimetales. Entre ellos, tenemos el boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, telurio y astato.
Cobre
Manganeso
Bromo
Yodo
Silicio
Antimonio
Figura 3. Algunas muestras de metales (cobre y manganeso), no metales (yodo y bromo) y semimetales (silicio y antimonio).
Para distinguir la ubicación de los metales, no metales y semimetales se acostumbra en algunas tablas periódicas trazar una línea que parte desde el boro y, en forma escalonada, va bajando hasta llegar al astato. De esta forma, los elementos a la izquierda de esta línea son metales; hacia arriba y hacia la derecha, tenemos a los no metales; y los semimetales se ubicarían inmediatamente por encima o por debajo de esta línea imaginaria.
Utilidad e importancia socioeconómica en México / -.,)5*ù-5-/-. (.5 / (5*,. 5 5-/5 )()'ù5 (5 &5/-)5 5&)-5' .& -65()5' 7 tales y semimetales. En el México prehispánico ya se conocían y utilizaban varios metales como el oro, la plata, el cobre, el estaño, el mercurio y el plomo (figura 4). Durante la Colonia se fueron desarrollando muchos centros de explotación de minerales. Algunas ciudades, como Pachuca, debieron gran parte de su crecimiento a las minas de plata que existían en la región. En la actualidad, México se ha consolidado como un importante productor de minerales como hierro, zinc, cobre, plomo, manganeso y plata. De hecho, aunque existen otros elementos del producto nacional que generan muchos recursos económicos, la minería y las industrias que procesan minerales se siguen constituyendo como un factor de singular relevancia. La tecnología mexicana del hierro esponja consiste en un proceso de reducción directa del mineral de hierro. El producto obtenido puede ser utilizado con gran ventaja en la producción de aceros y algunos otros materiales relacionados. Cabe decir que dentro de la producción mundial de hierro, que asciende a miles y miles de toneladas, la tecnología mexicana del hierro esponja sigue siendo líder.
Figura 4. Algunas de las joyas y objetos que datan de la época prehispánica dan cuenta de la pericia de los orfebres y artesanos.
Reducción.'ANANCIADEELECTRONES3ELELLAMAAS¤PORQUEALGANARELECTRONESSEREDUCEELN¢MERO DEOXIDACINDELÖTOMO
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Glosario 121
BLOQUE 4
Lee Encuentran en la Antártida microbios que “respiran” hierro Una comunidad de microbios que ha vivido segregada del resto del mundo durante más de 1.5 millones de años ha sido descubierta debajo de un vasto glaciar en la Antártida. Los organismos han sobrevivido en una total oscuridad, sin más alimento que minerales y materia orgánica descompuesta que quedó atrapada hace muchísimo tiempo en la base del glaciar. En vez de “respirar” oxígeno, han aprendido a respirar hierro para producir energía. El descubrimiento de estos microbios demuestra la tenaz capacidad de la vida para sobrevivir en los ambientes más extremosos y plantea la perspectiva de que algún día sea posible encontrar vida en ambientes semejantes, tanto en la Tierra como en otros planetas. “Es un poco como encontrar un bosque que nadie ha visto durante 1.5 millones de años”, comentó la profesora Ann Pearson, de la Universidad Harvard, quien formó parte del equipo. “Resulta interesante que las especies sean similares a organismos contemporáneos, y sin embargo muy distintas, lo cual obedece sin duda al tiempo que han vivido en un ambiente tan inhóspito.”
Los científicos descubrieron los microbios al analizar el agua salina que manaba de una grieta en la pared del glaciar Taylor, en los valles secos de McMurdo, en la Antártida oriental. El glaciar es famoso por sus “Cascadas de Sangre”, flujo de depósitos minerales de color rojo óxido, descubiertas en 1911.
autora principal del estudio, publicado en la revista Science.
El agua salina que manaba del glaciar no contenía oxígeno, indicio de que había estado aislada de la atmósfera, pero contenía la reveladora firma genética de organismos que vivían bajo la masa de hielo.
“El agua es unas cuatro veces más salada que la del mar, por eso no se congela, pese a estar a una temperatura de unos 10 grados bajo cero. El análisis químico reveló que los genes de los microbios encontrados allí están emparentados de cerca con los genes de microbios marinos actuales, pese a que han estado aislados del océano durante más de un millón de años. Las sales asociadas a estas propiedades son sales marinas y, dada la historia del agua de mar en los valles secos, tenía sentido que las comunidades microbianas subglaciares retuvieran algo de su herencia marina”, agregó la doctora Mikucki.
Los científicos creen que los microbios descienden de una población de organismos marinos que habitó en un antiguo océano, el cual se convirtió en un estanque salino cerrado que quedó cubierto por el glaciar hace aproximadamente 1.5 y 2 millones de años. No se sabe el tamaño exacto del estanque, pero está a más de 400 metros bajo el hielo, a unos 4 kilómetros de las Cascadas de Sangre. “Este estanque salino es una especie única de cápsula del tiempo, de un periodo de la historia de la Tierra”, señaló Jill Mikucki, del Colegio Dartmouth, en Nueva Hampshire,
Los investigadores obtuvieron una muestra fría y clara del agua. “Cuando la sometí a análisis químico, vi que no tenía oxígeno. Entonces se puso de veras interesante, fue un verdadero momento eureka”, expresó.
Para buscar formas de vida en condiciones extremas en la Tierra, los científicos aplican las mismas técnicas que esperan utilizar en la búsqueda de vida en Marte y en Europa, la luna congelada de Júpiter.
Fuente: www.jornada.unam.mx/2009/05/22/index.php? section=ciencias&article=a02n1cie Organizados con toda la clase, obtengan conclusiones de la información que aporta la lectura y coméntenlas en un foro organizado por su profesor.
E l mundo que te rodea Por lo general, las masas atómicas de los diferentes elementos químicos se calculan con la media (aritmética) ponderada de las masas de los distintos isótopos de cada elemento, teniendo en cuenta la abundancia relativa de cada uno de ellos. La masa atómica de un isótopo coincide aproximadamente con la masa de sus nucleones.
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INTERPRETAS LA TABLA PERIÓDICA
E (5&51 Recomendamos visitar las siguientes páginas para conocer más sobre los temas de este bloque: U www.ptable.com/ UÊÊwww.youtube.com/watch?v=Ofp9kv1H_0M&feature=related UÊÊw ww.educarchile.cl/Portal.Base/Web/VerContenido.aspx?GUID=123.456.789.0 0 0 &ID=136396
actividad grupal
Desarrolla competencias
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.
Reunidos en equipos realicen las siguientes actividades.
1. Definan cuáles propiedades son características del uranio y el plutonio. Expongan en clase sus aplicaciones en diversas áreas y manifiesten sus puntos de vista en un debate en plenaria.
2. En nuestro país, el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) se encarga de recopilar datos totalmente actualizados sobre los diferentes aspectos geográficos y demográficos en México. En la dirección: www.inegi.gob.mx/inegi/contenidos/espanol/prensa/comunicados/minbol.asp encontrarás un boletín sobre la situación de nuestra industria minero-metalúrgica. Utiliza esta información y marca en un mapa cuáles son los estados con mayor producción de:
a. Oro. b. Plata.
c. Hierro. d. Zinc.
e. Cobre.
3. Investiguen y analicen los impactos que la producción minera puede generar sobre las comunidades aledañas.
4. Discutan en clase la importancia del reciclaje como forma de resolver una problemática social. Realicen una lista de acciones que desde ese mismo momento puedan llevar a la práctica.
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Evaluación sumativa Heteroevaluación I. Elige la opción con la respuesta correcta. 1.
Döbereiner sostenía que en las tríadas…
a. la masa atómica del elemento intermedio era aproximadamente el promedio de las masas atómicas de los otros dos integrantes.
b. el número atómico del elemento intermedio era la suma de los otros dos elementos integrantes.
c. la electronegatividad siempre iba en aumento del primer al tercer elemento. d. el número atómico del menor podía obtenerse al restar los números atómicos de los otros dos.
2.
La ley de las octavas sostenía que…
a. las propiedades se repiten cada ocho elementos. b. con ocho elementos se completa un periodo. c. un grupo está integrado por ocho elementos. d. con ocho electrones se completa la capa de valencia. 3.
Meyer observó cierta periodicidad en…
a. el volumen atómico. b. el número atómico. c. la masa atómica. d. el número de masa. 4.
Mendeleïev clasificó a los elementos químicos conocidos hasta entonces tomando como criterio…
a. la masa atómica. b. el volumen atómico. c. el número atómico. d. el número de masa. 5.
Moseley, con sus experimentos, logró asociar…
a. la longitud de onda y el número atómico. b. el volumen atómico con la masa atómica. c. el volumen atómico con el número atómico. d. la longitud de onda con la masa atómica. II. Para los elementos Mg, Pd, S y U, realiza lo siguiente en tu cuaderno: 1. Escribe su configuración electrónica. 2. A partir de la configuración, indica el grupo, periodo y bloque en el que se le debe ubicar. Justifica tus respuestas.
Autoevaluación I. Ordena los siguientes elementos: Ca, C, Cu, Mn, Si, P, Cl, Ne, de mayor a menor, según su… 1. Masa atómica _____________________________________________________________________________ 2. Número atómico __________________________________________________________________________
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3 Electronegatividad _________________________________________________________________________ 4. Radio atómico ____________________________________________________________________________ II. Para cada una de las propiedades periódicas, dibuja en tu cuaderno un esquema de la tabla periódica e indica su variación en los grupos y periodos.
III. Nuestra capacidad de aprender mejora cuando conocemos con precisión qué hemos aprendido y cuánto –de lo pretendido originalmente– hemos conseguido. En la siguiente tabla marca con una X tu nivel de desempeño. !SPECTO Proceso histórico de construcción de la tabla periódica
.IVELDEDESEMPE®O 4
Describo con detalle los principales antecedentes de la tabla periódica actual y establezco con precisión los aportes de cada uno para su construcción. Uso de la tabla Mi conocimiento de periódica la tabla periódica me permite identificar, sin ninguna dificultad, información sobre las propiedades físicas y químicas de los elementos. Comprobación Empleo con habilidad experimental de el método científico algunas propiedades experimental para físicas y químicas de identificar algunas elementos químicos propiedades físicas y químicas de los elementos químicos. Mis conclusiones tienen buen sustento teórico y experimental. Importancia Puedo explicar cuáles socioeconómica de son los principales la producción de metales y no metales metales y no metales que se obtienen en en México México, su importancia socioeconómica y algunas de sus aplicaciones.
3
2
1
Describo la mayoría de los antecedentes de la tabla periódica actual pero me falta precisar sobre los aportes de algunos de ellos.
Describo solo algunos de los antecedentes de la tabla periódica pero no puedo precisar bien cuáles fueron sus aportes.
Desconozco la mayoría de los antecedentes de la tabla periódica y no puedo establecer los aportes realizados.
Mi conocimiento de la tabla periódica me permite identificar con algunas fallas información sobre las propiedades físicas y químicas de los elementos. Empleo la mayoría de los pasos del método científico experimental para identificar algunas propiedades físicas y químicas de los elementos químicos. Mis conclusiones requieren mayor sustento teórico y experimental. Puedo explicar cuáles son los principales metales y no metales que se producen en México, pero necesito más información sobre su importancia socioeconómica y sus aplicaciones.
Mi conocimiento de la tabla periódica me permite identificar información sobre las propiedades físicas y químicas de los elementos, pero requiero aprender mucho más. Solo aplico algunos de los pasos del método científico experimental para identificar propiedades físicas y químicas de los elementos químicos. Mis conclusiones requieren mayor sustento teórico y experimental. Puedo identificar solamente algunos metales y no metales producidos en México. Desconozco muchos aspectos de su importancia socioeconómica y sus aplicaciones.
Mi conocimiento de la tabla periódica tiene muchas deficiencias y no logro obtener información sobre las propiedades físicas y químicas de los elementos. No sé con certeza cómo aplicar el método científico experimental. Por ende, mis conclusiones carecen en gran medida de sustento teórico y experimental.
Solamente puedo mencionar algunos metales y no metales que se producen en México, pero desconozco por completo su importancia socioeconómica y sus aplicaciones.
De los desempeños marcados con 1 o con 2, anota en tu cuaderno un compromiso de trabajo concreto y establece una fecha para su consecución.
IV. Reflexiona y responde en tu cuaderno las siguientes preguntas acerca de tu desempeño durante el estudio del bloque.
1. ¿Detectaste conocimientos previos antes de comenzar a estudiar el bloque?, ¿cuáles fueron? 2. ¿Consideras que adquiriste conocimientos útiles en tu vida cotidiana?, ¿por qué? 3. ¿En qué actividad se te presentaron más dificultades?, ¿qué estrategias tomaste para superarlas? 4. ¿Qué actividades te resultaron más interesantes? 5. ¿Cómo te sentiste trabajando en equipo?, ¿por qué? 6. ¿Qué aspectos debes superar en lo consecutivo?
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Desempeños del estudiante s %LABORAESTRUCTURASDE,EWISPARALOSELEMENTOS
Bloque 5 Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares
YLOSCOMPUESTOSCONENLACEINICOYCOVALENTE s $EMUESTRAEXPERIMENTALMENTELASPROPIEDADES DELOSCOMPUESTOSINICOSYCOVALENTES s %XPLICALASPROPIEDADESDELOSMETALES APARTIRDELASTEOR¤ASDELENLACEMETÖLICO s 6ALORALASAFECTACIONESSOCIOECONMICAS QUEACARREALAOXIDACINDELOSMETALES s 0ROPONEACCIONESPERSONALESYCOMUNITARIAS VIABLESPARAOPTIMIZARELUSODELAGUA s %XPLICALASPROPIEDADESMACROSCPICASDELOSL¤QUIDOSYGASES APARTIRDELASFUERZASINTERMOLECULARESQUELOSCONSTITUYEN s %XPLICALAIMPORTANCIADELPUENTEDEHIDRGENO ENLACONFORMACINDELAESTRUCTURADELASBIOMOL£CULAS
Bloque 4
Bloque 5
Bloque 6
Bloque 7
Interpretas la tabla periódica
Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares
Manejas la nomenclatura química inorgánica
Representas y operas reacciones químicas
Competencias a desarrollar s &UNDAMENTAOPINIONESSOBRELOSIMPACTOSDELACIENCIA YLATECNOLOG¤AENSUVIDACOTIDIANA ASUMIENDOCONSIDERACIONES£TICAS s )DENTIlCAPROBLEMAS FORMULAPREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO YPLANTEALASHIPTESISNECESARIASPARARESPONDERLAS s /BTIENE REGISTRAYSISTEMATIZALAINFORMACINPARARESPONDER APREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO CONSULTANDOFUENTESRELEVANTES YREALIZANDOEXPERIMENTOSPERTINENTES s #ONTRASTALOSRESULTADOSOBTENIDOSENUNAINVESTIGACINOEXPERIMENTO CONHIPTESISPREVIASYCOMUNICASUSCONCLUSIONES s 6ALORALASPRECONCEPCIONESPERSONALESOCOMUNESSOBREDIVERSOS FENMENOSNATURALESAPARTIRDEEVIDENCIASCIENT¤lCAS s %XPLICITALASNOCIONESCIENT¤lCASQUESUSTENTANLOSPROCESOS PARALASOLUCINDEPROBLEMASCOTIDIANOS s 2ELACIONALASEXPRESIONESSIMBLICASDEUNFENMENODELANATURALEZA YLOSRASGOSOBSERVABLESASIMPLEVISTAOMEDIANTEINSTRUMENTOSO MODELOSCIENT¤lCOS
Bloque 8
Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas
s !PLICANORMASDESEGURIDADENELMANEJODESUSTANCIAS INSTRUMENTOS YEQUIPOENLAREALIZACINDEACTIVIDADESDESUVIDACOTIDIANA s !NALIZALASLEYESGENERALESQUERIGENELFUNCIONAMIENTO DELMEDIOF¤SICOYVALORALASACCIONESHUMANASDERIESGO EIMPACTOAMBIENTAL s !SUMEUNAACTITUDQUEFAVORECELASOLUCINDEPROBLEMAS AMBIENTALESENLOSÖMBITOSLOCAL NACIONALEINTERNACIONAL s 2ECONOCEYCOMPRENDELASIMPLICACIONESBIOLGICAS ECONMICAS POL¤TICASYSOCIALESDELDA®OAMBIENTAL ENUNCONTEXTOGLOBALINTERDEPENDIENTE s #ONTRIBUYEALALCANCEDEUNEQUILIBRIOENTRELOSINTERESES DECORTOYLARGOPLAZOCONRELACINALAMBIENTE
Introducción
A Objetos de aprendizaje Enlace químico Regla del octeto
l observar las sustancias con las que interactuamos cotidianamente, podemos constatar que algunas son sólidas, otras líquidas y otras se encuentran en estado gaseoso. Unas
son duras, otras quebradizas. Estas pueden disolverse en agua, aquellas no; algunas reaccionan químicamente a velocidades muy altas, mientras que otras lo hacen de forma extremadamente lenta. ¿Cuál es la explicación, a nivel atómico o molecular, de tales comportamientos? La respuesta se encuentra en el tipo de enlace químico o en la clase de interacciones intermoleculares que dan origen a las sustancias, a cuyo estudio dedicaremos este bloque. A continuación se presentan los temas más relevantes de este apartado en un mapa conceptual.
Formación y propiedades DELOSCOMPUESTOS CONENLACEINICO
Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares
Formación y propiedades DELOSCOMPUESTOS CONENLACECOVALENTE TIPOSDEENLACECOVALENTE formación de
Enlace metálico
asociados a
Fuerzas intermoleculares
explicas
características macroscópicas con
metálico
enlace químico
interacciones moleculares
del tipo
del tipo
covalente
iónico
dipolos instantáneos
puente de hidrógeno
dipolo-dipolo
que pueden ser
coordinado no polar polar
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Actividades de enseñanza
Para comenzar... Para que puedas comprender los temas de este bloque, es necesario que rescates las competencias (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que ya has adquirido a lo largo de tu vida. Haz tu mejor esfuerzo para responder y detecta aquellos
Explicación de las reglas para LAELABORACINDEREPRESENTACIONES DE,EWISYLAREGLADELOCTETO
aspectos que no conoces o dominas para enfocar tu estudio.
Conocimientos Marca con una X tu nivel de conocimiento sobre cada uno de los términos. z1U£TANTOCONOZCOACERCADE
-UCHO
Dinámica con preguntas YRESPUESTASUTILIZANDOEJEMPLOS RELATIVOSALOSENLACESQU¤MICOS
0OCO
.ADA
Enlace iónico Enlace covalente
Foro grupal sobre la importancia DELOSENLACESQU¤MICOSENLA GENERACINDENUEVOSMATERIALES YSUIMPACTOAMBIENTALYSOCIAL Exposición sobre las características DELENLACEINICOYLASPROPIEDADES QUEESTEDETERMINAENLOS COMPUESTOSQUELOPRESENTAN
Enlace covalente polar Enlace covalente no polar Enlace covalente coordinado Puente de hidrógeno Dipolo Electronegatividad Geometría molecular Estructuras de Lewis
Escribe a continuación qué sabes de cada tema.
Ejercicios que permitan DETERMINARLAESTRUCTURADE ,EWISYLAGEOMETR¤AMOLECULAR DELOSCOMPUESTOSCOVALENTES Actividad experimental QUEPERMITARECONOCER LASPROPIEDADESDELOSCOMPUESTOS CONENLACEINICOYCOVALENTE Exposición sobre las características DELENLACEMETÖLICOYLASTEOR¤AS QUEEXPLICANSUFORMACIN Campañas a favor de la utilización YRECICLADODELOSMETALES Exposición sobre las características DELOSENLACESINTERMOLECULARES YSURELACINCONLASPROPIEDADES DELASSUSTANCIASQUELOSPRESENTAN
Habilidades Realiza los siguientes ejercicios.
1. Lee la siguiente situación: En comparación con otros compuestos formados por los elementos del mismo grupo de la tabla periódica, el agua presenta un comportamiento irregular, puesto que su punto de ebullición es muy elevado (100°C), si consideramos su bajo peso molecular (18 g/mol); es capaz de absorber una gran cantidad de calor antes de elevar su temperatura; el agua líquida es más densa que el hielo, a presión y temperatura estándar, y a diferencia de la mayoría de las sustancias, cuando se congela, en lugar de disminuir su volumen, lo incrementa, por lo que en lugares donde la temperatura baja mucho, las tuberías llegan a romperse.
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Explicación de la importancia DELOSPUENTESDEHIDRGENOENLA CONFORMACINDELOSCOMPUESTOS QUEFORMANPARTEDELOSSERESVIVOS Actividad experimental QUEPERMITAEVALUAREL COMPORTAMIENTOQU¤MICODELAGUA Elaborar en equipos de trabajo, UNCARTELSOBRELOSMETALES QUEDEFORMANATURALSE ENCUENTRANEN-£XICOYOTRAS COMUNIDADESYSU IMPORTANCIA ECONMICA
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2. Intenta junto con dos o tres de tus compañeros explicar las razones por las que la molécula de agua se comporta de esta manera.
3. El cloruro de sodio, conocido como sal común o sal de mesa, es una sustancia cristalina con una estructura cúbica bien definida, presenta un punto de fusión elevado, superior a los 800ºC y al ser disuelto en agua, es capaz de conducir la electricidad. Con estos datos, intenten responder a la pregunta: ¿qué tipo de enlace químico presenta el cloruro de sodio? Justifiquen su respuesta.
Actitudes y valores Revisa los temas del bloque y anota cuáles son los aprendizajes que esperas obtener al estudiarlo. Compártelos con tu profesor.
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Reto Las sustancias con las que tienes contacto a diario presentan propiedades que pueden ser explicadas a partir del tipo de enlace establecido entre sus átomos y, asimismo, por las interacciones que se dan entre las moléculas ya formadas. En ese sentido, un caso extraordinario lo representa el agua que, gracias a sus propiedades, ha propiciado la vida en este planeta tal como la conocemos. El reto para tu equipo de trabajo será el estudio experimental de las propiedades del agua y a partir de las observaciones obtenidas, poder concluir sobre la presencia de los enlaces químicos y de las interacciones intermoleculares en el agua. Les sugerimos algunas experiencias y, como tarea del equipo apoyados por su profesor, añadirán otras experiencias que completen el estudio de las propiedades del agua. Primera experiencia 1. Consigan ocho o diez cubos de hielo y colóquenlos en un vaso de precipitados o en un recipiente que pueda ser calentado y midan con un termómetro la temperatura inicial. 2. Comiencen el calentamiento y cada minuto (o, mejor aún, cada 30 segundos) registren la temperatura. 3. Con los datos elaboren una tabla que incluya el número consecutivo de observación, el tiempo acumulado y la temperatura. El calentamiento deberá ser suspendido cuando inicie la ebullición. 4. A partir de los datos obtenidos, elaboren una gráfica con el tiempo en el eje x y la temperatura en el eje y. 5. Analicen la gráfica trazada y, con el apoyo de su profesor, elaboren hipótesis que sirvan para explicar el comportamiento que se observa. Segunda experiencia 1. Se necesitan varios cubos de hielo, una regla o –mejor aún– un calibrador o vernier, una balanza y dos o tres vasos de precipitados. 2. En primera instancia, hay que medir la masa del cubo de hielo con la balanza. Para ello sugerimos medir, previamente, la masa de un vaso de precipitados limpio y seco; acto seguido, colocar el cubo de hielo en él y determinar la masa de ambos objetos juntos. Finalmente determinar la masa del cubo de hielo por diferencia. 3. Con ayuda del calibrador o regla determinen las dimensiones del cubo de hielo y, suponiendo que es un cubo regular, calculen su volumen. 4. Utilizando los datos de masa y volumen, calculen la densidad del hielo. 5. Considerando que en cada medición hay un cierto margen de error, promedien los resultados obtenidos para llegar a un resultado más o menos consistente. Si hay resultados que se disparen demasiado, tal vez convenga omitirlos y quedarse solo con los que guarden cierta regularidad. Tercera experiencia 1. Para iniciar la experiencia, midan la masa de un vaso de precipitados limpio y seco. 2. A continuación, con ayuda de una probeta, midan unos 50 mL de agua y colóquenla en el vaso de precipitados. Registren la temperatura. 3. Marquen la altura a la que llegó el agua en el vaso de precipitados y, utilizando la fórmula para calcular el volumen del cilindro, determinen el radio o diámetro aproximado del vaso de precipitados. 4. Lleven al congelador el vaso de precipitados con agua y permitan que avance el proceso de enfriamiento hasta llegar a la congelación. 5. Hecho lo anterior, determinen el crecimiento del volumen que presenta el hielo en comparación con el agua (ayúdense con la marca que inicialmente pusieron en el vaso de precipitados, la fórmula del volumen del cilindro y el radio o diámetro del vaso de precipitados que determinaron experimentalmente). 6. Investiguen el valor del coeficiente de dilatación volumétrica para el agua y determinen si el crecimiento de volumen es el esperado según los cálculos que, teóricamente, pueden hacerse con la diferencia de temperatura y la fórmula para calcular la dilatación volumétrica. Otras experiencias propuestas por el equipo con ayuda de su profesor: En sus cuadernos anoten el o los procedimientos para otras experiencias en las que puedan observar las propiedades y el funcionamiento del agua. No se olviden de documentar todas las observaciones y registrar las conclusiones a las que llegue el equipo.
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Coevaluación El trabajo en equipo requiere destrezas colaborativas para que las tareas se lleven a cabo exitosamente. Utilizando la rúbrica que aparece enseguida, evalúa la participación de cada uno de tus compañeros durante el desarrollo de la actividad. Comparte tus resultados con el directamente interesado y con tu profesor, si lo solicita. #ATEGOR¤A Trabajo con otros
Contribuciones
Actitud
Enfoque en el trabajo
Preparación
2
1
Casi siempre escucha, comparte y apoya el esfuerzo de otros. Trata de mantener la unión de los miembros trabajando en grupo. Siempre proporciona ideas útiles cuando participa en el grupo y en la discusión en clase. Es un líder definido que contribuye con mucho esfuerzo. Nunca critica públicamente el proyecto o el trabajo de otros. Siempre tiene una actitud positiva hacia el trabajo. Se mantiene enfocado en el trabajo que se necesita hacer. Es autodirigido.
4
Usualmente escucha, comparte y apoya el esfuerzo de otros. No causa problemas en el grupo.
3
A veces escucha, comparte y apoya el esfuerzo de otros, pero algunas veces no es un buen miembro del grupo.
Raramente escucha, comparte y apoya el esfuerzo de otros. Frecuentemente no es un buen miembro del grupo.
Por lo general, proporciona ideas útiles cuando participa en el grupo y en la discusión en clase. Un miembro fuerte del grupo que se esfuerza. Rara vez critica públicamente el proyecto o el trabajo de otros. A menudo tiene una actitud positiva hacia el trabajo. La mayor parte del tiempo se enfoca en el trabajo que se necesita hacer. Otros miembros del grupo pueden contar con esta persona.
Algunas veces proporciona ideas útiles cuando participa en el grupo y en la discusión en clase. Un miembro satisfactorio del grupo que hace lo que se le pide. Ocasionalmente critica en público el proyecto o el trabajo de otros miembros del grupo. Tiene una actitud positiva hacia el trabajo.
Rara vez proporciona ideas útiles cuando participa en el grupo y en la discusión en clase. Se rehúsa a participar.
Trae el material necesario a clase y siempre está listo para trabajar.
Casi siempre trae el material necesario a clase y está listo para trabajar.
Algunas veces se enfoca en el trabajo que se necesita hacer. Otros miembros del grupo deben algunas veces regañar, empujar y recordarle a esta persona que se mantenga enfocado. Casi siempre trae el material necesario, pero algunas veces necesita instalarse y se pone a trabajar.
Con frecuencia critica en público el proyecto o el trabajo de otros miembros del grupo. Rara vez tiene una actitud positiva hacia el trabajo. Raramente se enfoca en el trabajo que se necesita hacer. Deja que otros hagan el trabajo.
A menudo olvida el material necesario o no está listo para trabajar.
Autoevaluación Evalúa tu trabajo y tus actitudes, coloca una X en la descripción que mejor se ajuste a tu desempeño durante la realización del trabajo. !SPECTO
3IEMPRE
'ENERALMENTE
!LGUNASVECES
#ASINUNCA
1. Cumplí entusiasta y responsablemente con el rol que me fue asignado.
2. Asistí puntualmente a las reuniones de trabajo y aporté los materiales necesarios.
3. Mi actitud motivó el trabajo de los demás. 4. Mi colaboración ayudó a conseguir resultados satisfactorios para todo el equpo.
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H
H
C C
Para comenzar...
Tema 1
Tema 2
Tema 3
Enlace químico y regla del octeto
Formación y propiedades de los compuestos con enlace iónico
Formación y propiedades de los compuestos con enlace covalente (tipos de enlace covalente)
Continúa...
¿Qué te viene a la mente cuando te mencionan la palabra “enlace”? ¿Qué te imaginas ahora con el concepto de enlace químico? ¿Cuáles son las características que deben tener dos sustancias para que se unan?
La ciencia afirma que la inmensa mayoría de las sustancias de las que estamos constituidos los seres humanos, la naturaleza y el universo entero, se han formado por la unión de átomos, con una fuerza tal que se requiere de una gran cantidad de energía para poderlos separar. Al iniciar este bloque podemos preguntarnos: ¿Cómo y para qué se unen los átomos? ¿Cuáles propiedades físicas o químicas se derivan del enlace químico? ¿Cuáles son los principales tipos de enlaces químicos y cuáles son sus características? Los químicos, tomando como punto de partida el desarrollo de la tabla periódica y el concepto de configuración electrónica, han podido comprender de qué manera se forman las moléculas y los compuestos. Muchos científicos, entre los que se encuentra el físico y químico estadounidense
Gilbert N. Lewis (1875-194 ), de quien hablaremos más adelante, sostienen que los átomos establecen una unión entre sí para alcanzar una configuración electrónica más estable; la estabilidad tiene un punto máximo cuando los átomos participantes adquieren una configuración electrónica similar a la de un gas noble. De esta manera, podemos definir el enlace químico como aquel proceso físico en el cual se producen interacciones atractivas –o fuerzas– entre átomos y moléculas, y que conceden estabilidad a los compuestos químicos diatómicos y poliatómicos. Los enlaces químicos pueden ser de diferentes tipos. En este apartado estudiaremos el enlace iónico y sus características, pero antes revisaremos los conceptos de regla del octeto y estructura de Lewis, que son importantes para entender este proceso de forma más integral.
Enlace iónico. &ORMADOPORLAATRACCINELECTROSTÖTICAENTREIONESDECARGAOPUESTA
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Glosario 133
BLOQUE 5
E l mundo que te rodea Las estructuras de Lewis y la regla del octeto son solo herramientas que permiten proponer la estructura de los compuestos. Pero como en cualquier modelo, siempre hay excepciones a la regla. Hay compuestos que no satisfacen la regla del octeto ni ninguna otra. El monóxido de nitrógeno (NO), por ejemplo, es un gas subproducto de la combustión de la gasolina de automóviles y uno de los contaminantes más importantes de la atmósfera.
Regla del octeto El químico Gilbert N. Lewis, célebre por su teoría de la interpretación del enlace covalente, propuso la llamada regla del octeto. Observó que los elementos llamados gases nobles o gases inertes difícilmente formaban compuestos con otros elementos y gozaban, además, de gran estabilidad. Al analizar sus estructuras electrónicas pudo comprobar que todos ellos (con excepción del helio) poseen 8 electrones en su capa más externa. Veamos: He = 1s2 2 2 10Ne = 1s 2s 2p 2 2 2 18Ar = 1s 2s 2p 3s 3p 2 2 2 2 10 3 Kr = 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 2 2 2 2 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d10 4p 5s2 4d10 5p 54Xe 2 2 2 2 10 4p 5s2 4d10 5p 8 Rn = 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 14 2 10 4f 6s 5d 6p 2
La mayoría de los elementos distintos a los gases nobles reaccionan químicamente y pueden ganar, perder o compartir electrones hasta obtener ocho en su última capa, también conocida como capa de valencia. La afirmación anterior se conoce como regla del octeto y se aplica, como se explicará más adelante, tanto a los enlaces iónicos como a los covalentes. Los electrones de la capa de valencia son los que participan directamente en la formación de los enlaces químicos.
Estructuras de Lewis Los electrones de valencia son los responsables de la actividad electrónica que ocurre en la formación de enlaces químicos, y una forma muy útil de mostrarlos son las estructuras de Lewis. En estas representaciones, el símbolo del elemento químico representa el núcleo atómico y las capas internas, mientras que los electrones de la capa de valencia se denotan por puntos u otro signo conveniente, que rodean al símbolo químico. Glosario 134
La cantidad de puntos colocados alrededor del símbolo, para los elementos situados en los grupos A, es igual al número de electrones s y p en el nivel externo de energía del átomo. Los puntos se van acomodando uno a uno alrededor del símbolo, suponiendo que existen cuatro costados: uno arriba, otro a la derecha, uno debajo y, por último, uno a la izquierda. Dependiendo del total de electrones de valencia, puede suceder que queden uno o más electrones “desapareados” o solitarios. Por ejemplo, para representar al litio (3Li) con estructuras de Lewis, se anota su configuración electrónica: Is2 2s1 Esto nos permite observar que posee dos capas y en la más externa (2s) tiene un solo electrón, de ahí que mediante la estructura de Lewis lo representamos así: Li u En el caso del nitrógeno (7N), cuya configuración electrónica es 1s2 2s2 2p3, la estructura de Lewis correspondiente, al ir colocando punto por punto, presenta un par de electrones apareados y tres no apareados o solitarios, que serán aquellos que tendrán la capacidad de participar en el enlace químico:
N Como un tercer ejemplo, consideremos la configuración electrónica del átomo de cloro (17Cl): 1s2 2s2 2p 3s2 3p5 En la capa más externa tiene siete electrones que se distribuyen en tres pares de electrones y un electrón no apareado: Cl
Enlace covalente. &ORMADOPORUNPARDEELECTRONESCOMPARTIDOS Electrones de valencia. %LECTRONESDELNIVELMÖSEXTERNODEUNÖTOMO
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INTERPRETAS ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES INTERMOLECULARES actividad grupal
Desarrolla competencias
Elabora estructuras de Lewis para los elementos y los compuestos con enlace iónico y covalente.
Realicen en equipos las siguientes actividades. Para cada uno de los elementos que aparecen anotados en el siguiente esquema:
1. Escriban su configuración electrónica e identifiquen la capa más externa (capa de valencia). 2. Utilizando puntos, como se ha mostrado en los ejemplos, muestren la estructura de Lewis para cada uno de ellos. 1
18
IA
2
13
14
15
16
17
VIIIA
H
IIA
IIIA
IVA
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4
5
6
7
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9
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11
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Ne
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IVB
VB
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VIII B
VIII B
VIII B
IB
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S
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Ga
Ge
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Rb
Sr
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I
Xe
Cs
Ba
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Pb
Bi
Po
Al
Rn
Fr
Ra
3. Para finalizar la actividad escriban sus conclusiones sobre las coincidencias que observen entre el número de grupo, la capa de valencia y la estructura de Lewis.
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Na Na Na
Na Na Na Tema 1
Tema 2
Tema 3
Tema 4
Enlace químico y regla del octeto
Formación y propiedades de los compuestos con enlace iónico
Formación y propiedades de los compuestos con enlace covalente (tipos de enlace covalente)
Enlace metálico
Continúa...
Si un enlace es la unión de dos o más elementos y el ion es un átomo o grupo de átomos que presenta una carga de electrones positiva o negativa, ¿qué podrías decir sobre el enlace iónico? ¿Podrías realizar una representación gráfica de este concepto?
El enlace iónico se forma generalmente entre un metal de baja electronegatividad y un no metal de alta electronegatividad. En el mecanismo de reacción –descripción detallada y paso a paso de la forma con la cual se produce la interacción entre átomos, el rompimiento de los enlaces y la formación de otros nuevos en una reacción–, el átomo del no metal literalmente arranca los electrones de la capa de valencia del átomo metálico, y se convierte así en un anión. El metal se transforma en un ion positivo (catión) al perder los electrones. La atracción entre iones de cargas opuestas da origen a la formación del enlace. Los metales tienen pocos electrones en su capa de valencia y tienden, al reaccionar con los no metales, a perder electrones y convertirse en cationes. La pérdida de electrones influye en el volumen atómico. Podemos observar en el infográfico de la siguiente página que los átomos de sodio son más grandes que los iones de sodio (1). Los no metales poseen más electrones en su capa de valencia y tienden 136
a adquirir electrones, por lo que frecuentemente aparecen como aniones. El volumen de los aniones es mayor que el de los átomos de los no metales (2). Es importante señalar que esto trae como consecuencia que ambos iones adquieran una capa exterior con ocho electrones, como se observa a continuación (3). Un electrón en la capa de valencia: K
19
1s2 2s2 2p 3s2 3p 4s1
Siete electrones en la capa de valencia: Cl
17
1s2 2s2 2p 3s2 3p5
Después del intercambio electrónico... Ocho electrones en la última capa: 1s2 2s2 2p 3s2 3p
K
También ocho electrones en la última capa: Cl-
1s2 2s2 2p 3s2 3p st-editorial.com
INTERPRETAS ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES INTERMOLECULARES
INFOGRÁFICO 1. ENLACE IÓNICO 1
Metales
2
No metales
El átomo de sodio tiene un radio atómico de 1.54 Å, mientras que el ion Na+ tiene un radio de solo 0.95 Å.
Na+ Na
Representación del átomo de cloro y el ion cloruro (Cl-). #L
)ONDESODIO CATIN
#L
¬TOMODECLORO
)ONCLORURO ANIN
¬TOMODESODIO E
3
Al transferirse un electrón del átomo de potasio al de cloro, ambos se convierten en iones.
E
E
E ¬TOMODE+
17+
19+
17+
19+
E ++#L #LORURODEPOTASIO
¬TOMODE#L
En el caso del flúor y el calcio, también sucede algo similar [Ej. 1].
Ejemplo 1 Explicamos cómo se combinan Ca y F para formar fluoruro de calcio (CaF2).
Solución Un átomo de calcio posee la estructura electrónica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 y para poder obtener la configuración del gas noble argón (1s2 2s2 2p6 3s2 3p6) debe perder esos dos electrones. El flúor (1s2 2s2 2p5), para alcanzar la configuración estable del gas neón, requiere ganar un electrón. Para que se forme el fluoruro de calcio, por cada átomo de calcio que cede dos electrones se necesitan dos átomos de flúor que los capten. Una vez que sucede esto, el átomo de calcio se transforma en el ion calcio (Ca2+) y los átomos de flúor en iones fluoruro (F-). Observa en el siguiente esquema la transferencia de electrones del átomo de calcio a los átomos de flúor.
9+
9+
E +
20
20
+
E
E E
E
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9+ E #A
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ÖTOMO DE#A st-editorial.com
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&LUORURODECALCIO 137
BLOQUE 5
La electronegatividad, propiedad que estudiamos en el bloque anterior, es una medida de la fuerza con la que un átomo atrae hacia sí a los electrones de enlace y tiene una importancia fundamental en la formación del enlace iónico. Para que la transferencia pueda llevarse a cabo, se necesita que haya una diferencia de electronegatividad mayor a 2.0 entre los átomos que forman el enlace. Para ejemplificar, tomemos el caso del fluoruro de calcio: CaF2. Al consultar la tabla de electronegatividades, en la página 11 , determinamos que el flúor posee un valor de 4.0 pauling y el calcio, de 1.0. Al calcular la diferencia entre ambos obtenemos 3.0, por lo que concluimos que se trata de un compuesto iónico. Una vez constituidos los cristales iónicos se forma una “red” cristalina en la que cada catión se encuentra rodeado tridimensionalmente por varios aniones. A su vez, cada anión está rodeado de varios cationes, como se muestra en la figura 1.
Propiedades de los compuestos iónicos Figura 1. Empaquetamiento iónico, donde dos o más átomos se unen debido a electronegatividades muy distintas.
¿Cuál es la razón principal de que un determinado compuesto posea las particularidades físicas y químicas que lo distinguen de cualquier otra sustancia? La explicación la encontramos tanto en la naturaleza de los diferentes elementos químicos que la componen, como en el tipo de enlaces que se forman al interior. En el caso de los compuestos iónicos, las propiedades que se derivan del enlace son las siguientes: R5 5*, - (.(5 (5 ),'5 5-ĉ&# )-5 ,#-.&#()-8 R5 # ( (5/(5&.)5*/(.)5 5 /-#ĉ(535 5 /&&# #ĉ(8 R5 (5-)&/ #ĉ(5 /)-5-)(5 * -5 5 )( / #,5&5 & .,# # 8 R5 )5-)(50 , ,-5')&ï /&-65-#()5!, ! )-5!#!(. - )-5 5#)( -5/(# )-5 & 7 trostáticamente.
Desarrolla competencias
actividad individual
Demuestra experimentalmente las propiedades de los compuestos iónicos y covalentes.
Realiza los siguientes ejercicios en tu cuaderno.
1. Responde las siguientes preguntas. a. ¿Cómo se forma el enlace iónico? b. ¿Qué afirma la regla del octeto? 2. Escribe la estructura de Lewis para los siguientes elementos: a. Mg. c. Ar. e. S. b. P. d. Si. 3. Utilizando la tabla de electronegatividades (pág. 116), calcula la diferencia entre los elementos que integran cada una de las fórmulas. Determina cuáles de ellos se forman por enlace iónico.
a. Na2S b. CaO c. CO2 d. NH3 e. H2O 4. Describe, utilizando diagramas, la formación del enlace iónico entre el calcio (Ca) y el bromo (Br) para la formación del bromuro de calcio (CaBr2).
Práctica de laboratorio El contenido estudiado en este tema podemos reforzarlo en la práctica de laboratorio “Construcción de una pila eléctrica a partir de sustancias iónicas” (p. 232), que se encuentra en la Sección final. 138
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Tema 2
Tema 3
Tema 4
Tema 5
Formación y propiedades de los compuestos con enlace iónico
Formación y propiedades de los compuestos con enlace covalente (tipos de enlace covalente)
Enlace metálico
Fuerzas intermoleculares
Continúa...
Ya conoces la regla del octecto y la definición de enlace iónico. ¿Estás en disposición de expresar qué significado tiene el enlace covalente y si en él también influye la diferencia de electronegatividad?
Los enlaces iónicos pueden efectuarse por la pérdida o ganancia de electrones. Existe, además, un gran número de compuestos químicos, como el agua, el azúcar y el gas butano, que presentan un tipo de enlace que se forma al compartir electrones: el enlace covalente. Existen varios tipos de enlace covalente: polar, no polar u homopolar y coordinado. Si analizamos el comportamiento de los compuestos iónicos y covalentes podemos establecer que la diferencia de electronegatividades entre los átomos enlazantes determina el tipo de enlace. Si la diferencia es 1.7 o mayor, el enlace es iónico. Si es 0, es un enlace covalente no polar. Por último, si es menor a 1.7, se tiene un enlace covalente polar (cuadro 1). Analicemos cada tipo de enlace covalente: Enlace covalente no polar. Existen elementos químicos como el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno
y el cloro, entre otros, que presentan características similares: todos son no metales, gases a temperatura ambiente y existen de manera natural en forma de molécula diatómica, en otras palabras, cada molécula se compone de dos átomos del mismo elemento químico: H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2, I2 Cada una de las moléculas diatómicas mostradas son ejemplos de enlace covalente no polar, también llamado homopolar. Se caracterizan porque la diferencia de electronegatividad es cero, dado que los dos átomos son iguales. La molécula diatómica no presenta una polarización porque la nube electrónica se distribuye uniformemente y los electrones de enlace se sitúan justamente entre los átomos enlazados (figura 2).
Nube electrónica. 2EGINDELESPACIODONDECONMAYORPROBABILIDADPUEDEENCONTRARSEUNELECTRNDETERMINADO st-editorial.com
Glosario 139
BLOQUE 5
CUADRO 1.$%4%2-).!#)Ê.$%,%.,!#%!0!24)2$%,!%,%#42/.%'!4)6)$!$ %LEMENTOS
$IFERENCIADEELECTRONEGATIVIDAD
.AY#L
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3Y/
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#OVALENTEPOLAR
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n
((
Figura 2. El hidrógeno es una molécula diatómica; no existe como átomo único.
H2/
+
+
Figura 3. Los enlaces covalentes polares en el agua forman dipolos.
4IPOSDEENLACE
#OVALENTENOPOLAR
Enlace covalente polar. Cuando los átomos tienen una diferencia de electronegatividad
menor a 1.7, presentan un enlace del tipo covalente polar. El átomo que tiene una electronegatividad mayor atrae hacia sí a los electrones de enlace. La nube electrónica se desplaza hacia este átomo y forma un dipolo negativo (b-); del otro lado, en consecuencia, se forma un dipolo positivo (b ). En el caso de la molécula del agua se forma, donde se encuentra el oxígeno, un dipolo negativo (b-), y donde se encuentran los átomos de hidrógeno, los dipolos positivos (b ), como se muestra en la figura 3. Enlace covalente coordinado. El tercer tipo de enlace covalente se llama coordinado porque, de los átomos que forman el enlace, uno de ellos aporta el par de electrones de enlace, mientras que el otro solamente los acomoda en su capa de valencia. Un ejemplo de este tipo de enlace covalente se muestra en el ácido sulfúrico: el azufre cede el par de electrones y el átomo de oxígeno hace el espacio para acomodarlos. El enlace covalente coordinado generalmente se simboliza por una flecha que va desde el átomo que aporta al que recibe el par electrónico de enlace: O H–O–S–O–H O Desarrolla competencias
actividad individual
Demuestra experimentalmente las propiedades de los compuestos iónicos y covalentes.
Realiza las siguientes actividades.
1. Determina la diferencia de electronegatividades entre ambas parejas y determina si el enlace que pueden establecer es iónico, covalente polar o covalente no polar.
a. H – C b. H – Se c. H – F d. C – Cl 2. Revisa cada una de las siguientes proposiciones y califícalas como falsas (F) o verdaderas (V) según corresponda.
a. b.
El enlace covalente no polar se establece entre átomos de la misma forma.
c.
En un enlace covalente polar, la diferencia de electronegatividad provoca regiones con carga parcial, llamados dipolos.
d.
Los átomos con electronegatividad baja tienen mayor tendencia a atraer electrones.
En el enlace covalente coordinado un átomo proporciona el par de electrones de enlace y el otro solamente los acomoda en un orbital vacío.
Desarrolla competencias
actividad grupal
Reunidos en equipos, indaguen cuál concepto químico explica la razón por la cual es difícil la formación de enlaces entre el agua y el aceite. ¿Por qué razón el agua se separa más intensamente del aceite cuando este se calienta en la cocina? 140
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INTERPRETAS ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES INTERMOLECULARES
Estructuras de Lewis para compuestos covalentes Las estructuras de Lewis se utilizan con frecuencia para representar la disposición estructural de los compuestos covalentes. Asimismo, permiten identificar, auxiliados de los valores de electronegatividad, los diversos tipos de enlace entre los átomos que
¬TOMODEm¢OR
¬TOMODEm¢OR
Ejemplo 2 Dibujamos la estructura de Lewis para el dióxido de azufre (SO2).
Solución 1. Calculamos el total de electrones de valencia, considerando el grupo en el cual se ubican en la tabla periódica y el total de átomos presentes en la fórmula. %LEMENTO
'RUPO
¬TOMOSEN ELCOMPUESTO
S
6
1
E
2
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/
6
4OTALDEELECTRONES DEVALENCIA
2. Esbozamos la disposición estructural y colocamos el átomo central (S) rodeado de los dos átomos de oxígeno –generalmente, el átomo central es el menos electronegativo–. Cada enlace se simbolizará por una línea que representa el par de electrones enlazantes. O–S–O 3. Al total de electrones de valencia calculado en el paso 1, le restamos dos electrones por cada enlace, de manera que, para nuestro ejemplo, tenemos 18 – 2(2) = 14 e-. st-editorial.com
forman al compuesto en cuestión. Mediante varios ejemplos, mostramos los pasos que se requieren para dibujar correctamente una estructura. [Ej. 2, 3, 4] En la siguiente imagen se puede observar gráficamente cómo dos átomos de flúor comparten electrones para tener, cada uno, ocho electrones en su capa más externa.
-OL£CULADEm¢OR
4. Para determinar cuántos pares de electrones no enlazantes se colocarán en la estructura, dividiremos entre dos el resultado del paso anterior, lo cual nos da un total de siete pares de electrones no enlazantes. Los repartimos de la manera más equitativa posible: O–S–O 5. El átomo de oxígeno de la izquierda y el átomo de azufre ya tienen su octeto, pero al átomo de oxígeno de la extrema derecha parecen faltarle dos. Desplazaremos un par del átomo de azufre al enlace, por lo cual tendremos la siguiente estructura: O–S=O 6. Todos los átomos tienen sus octetos y la estructura está correcta. Para terminar, calcularemos las diferencias de electronegatividad entre los átomos participantes en el enlace y determinaremos el tipo de enlace. Volviendo a nuestro ejemplo, la diferencia es de 3.5 – 2.5 = 1.0. Esta diferencia nos indica que el enlace es covalente polar y los dipolos se establecen de la siguiente manera: b - b+ b O–S=O
141
BLOQUE 5
Ejemplo 3
Ejemplo 4
Dibujamos la estructura de Lewis para la molécula de nitrógeno (N2).
Dibujamos la estructura de Lewis para el ácido sulfúrico (H2SO4).
Solución
Solución
1. Calculamos los electrones de valencia. El nitrógeno está en el grupo VA y tiene, por tanto, cinco electrones de valencia; como la molécula se forma de dos átomos, tiene en total diez electrones de valencia.
1. Electrones de valencia:
2. Dibujamos una estructura tentativa colocando un solo enlace entre los dos átomos. Recordemos que el enlace se forma por dos electrones, cada átomo aporta uno: N–N 3. Del total (10 e-) restamos dos por el enlace formado. El resto (8 e-) lo dividimos entre dos para obtener el total de pares de electrones no enlazantes; en este caso cuatro, que se distribuirán para completar los octetos: N–N 4. Ninguno de los dos átomos completa el octeto. Desplazamos un par de cualquier lado y se forma un doble enlace:
%LEMENTO
'RUPO
¬TOMOSEN ELCOMPUESTO
4OTALDEELECTRONES DEVALENCIA
H S /
1 6 6
2 1 4
2 6 24 E
3UMA 2. Estructura tentativa: O H–O–S–O–H O 3. Total de pares no enlazantes: 32 – 6(2) = 20 e20/2 = 10 pares no enlazantes
4. Repartimos los diez pares entre los átomos, sabiendo que el hidrógeno no completa el octeto, solo le bastan dos electrones y ya los tiene con el enlace formado.
N=N O 5. A pesar de lo anterior, no logramos tener el octeto para ambos, mientras uno ya tiene los ocho, el otro tiene tan solo seis. Repetimos la operación del paso anterior y movemos del otro átomo un par, con lo que se forma un triple enlace, de manera que nos queda así:
H–O–S–O–H O 5.Todos los átomos –menos el hidrógeno– tienen ya sus ocho electrones, por lo cual hemos llegado a la estructura final.
N>N 6. Tenemos ya la estructura final, pues en el triple enlace hay seis electrones para ambos (recuerda que los comparten) y un par no enlazante para cada uno, con lo cual se tiene el octeto para cada átomo. 7. ¿Qué tipo de enlace covalente se ha formado? Como los átomos son iguales en todo, la electronegatividad es la misma y la diferencia, por tanto, es cero. En conclusión, tenemos un enlace covalente no polar u homopolar.
6. En esta estructura todos los enlaces son covalentes; sin embargo, los átomos de oxígeno colocados arriba y abajo del átomo central no han compartido ningún electrón de su dotación inicial, conservan los seis en tres pares de electrones no enlazantes. ¿Cómo han completado el octeto? El azufre ha donado un par de electrones para el enlace, por lo cual tenemos el enlace covalente coordinado. Para distinguirlo, lo cambiaremos por una flecha que va del átomo donante al átomo receptor: O H–O–S–O–H O
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INTERPRETAS ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES INTERMOLECULARES
Geometría molecular y polaridad Se podría pensar que todas las moléculas son lineales, o que se estructuran con enlaces formando ángulos rectos. Sin embargo, al estudiar las propiedades físicas y químicas de los compuestos, se observa que las moléculas presentan una geometría específica y toma en consideración la repulsión entre los pares de electrones que no participan en el enlace. Al modelo que explica tales repulsiones se le conoce como repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (rpecv). Como veremos, este modelo nos dirá si la geometría de la molécula es lineal, trigonal plana, tetraédrica u otra. Tomemos en cuenta que las cargas de igual signo se repelen. Los electrones que no participan en el enlace influyen en la geometría molecular al buscar la posición más alejada de los otros pares de electrones no enlazantes. Compuestos como el SO2 y el CO2, que tienen un átomo central y dos átomos a los lados, presentan una geometría lineal, porque los pares de electrones no enlazantes –que tienen la misma carga negativa– tienden a alejarse lo más posible entre sí, formando un ángulo de 180°, como se muestra en la figura 4. Otros compuestos, como el H2O, contienen dos enlaces hidrógeno-oxígeno y dos pares de electrones no enlazantes que pertenecen al átomo de oxígeno. Esto hace que la molécula de agua no sea lineal, al adoptar una estructura en forma de ángulo con abertura aproximada de 104.5° (figura 5). ¿De qué manera podemos determinar cuál puede ser la geometría molecular de un compuesto? Lo primero que tenemos que hacer es saber cuántos enlaces presenta la molécula y cuántos pares de electrones no enlazantes rodean al átomo central (cuadro 2). [Ej. 5, ] CUADRO 2.$%3#2)0#)Ê.$%,!%3425#452!-/,%#5,!2 .¢MERODE PARESENLAZANTES
.¢MERODE PARESSOLITARIOS
.¢MERODEPARES ELECTRNICOSENLA CAPADEVALENCIA
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4ETRA£DRICA
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#UADRADA PLANA
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&ORMAGENERAL DELAMOL£CULA
/ #
/
Figura 4. Representación de la molécula de CO2 con geometría lineal (AB).
H H
/
Figura 5. Esquema de la molécula de H2O con geometría angular (AB2).
143
BLOQUE 5
Ejemplo 5
Ejemplo
Determinamos la geometría molecular para el tetracloruro de carbono (CCl4).
Determinamos cuál es la geometría molecular del amoniaco (NH3).
Solución
Solución
Si dibujamos la estructura de Lewis para el tetracloruro de carbono, tenemos:
La estructura de Lewis para el amoniaco es la siguiente:
Cl Cl – C – Cl
H–N–H
Cl
H
El átomo de carbono ha formado cuatro enlaces y no le ha quedado ningún par libre, por lo que le corresponde una estructura del tipo AB4. Observa en la imagen siguiente que la geometría molecular que le corresponde es tetraédrica.
Como en este caso el nitrógeno forma tres enlaces y le queda un par libre, tiene una geometría molecular AB3. Observa la geometría del amoniaco es piramidal trigonal en la imagen que aparece a continuación:
#L
· · N
# H
H #L
#L H #L
Propiedades de los compuestos covalentes Los compuestos covalentes presentan enlaces covalentes, los cuales provocan que estos compuestos tengan características peculiares: R5 &5 #-)&0 ,- 5()5 ),'(5#)( -535*),5 &&)5()5- 5 )'*),.(5 )')5 & .,)&#.)-5B()5 )( / (5&5 & .,# # C8 R5 / (5*, - (.,- 65*,á .# ' (. 65 (5 /&+/# ,5 -. )5 5!, ! #ĉ(95-ĉ&# )-65&ù+/# )-535!- -8 R5 , - (.(50,# )-5*/(.)-5 5 /&&# #ĉ(65/(+/ 5! ( ,&' (. 5-)(5 $)-8 R5 5 #-/ &0 (5 (5-)&0 (. -5*)&, -5)5()5*)&, -65 * ( # ( )5-#5 &5 )'*/ -.)5.# ( 5 (& 5 )0& (. 5 polar o no polar, respectivamente.
Desarrolla competencias
actividad individual
Demuestra experimentalmente las propiedades de los compuestos iónicos y covalentes.
Realiza los siguientes ejercicios en tu cuaderno.
1. Calcula la cantidad de electrones de valencia en: a. CH4 b. CH3Cl c. H2CO3 d. C2H4 2. Determina la estructura de Lewis y la geometría molecular para los siguientes compuestos: a. CO2 b. CH3Cl c. SO3 d. O2 144
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INTERPRETAS ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES INTERMOLECULARES
Desarrolla competencias
actividad grupal
Demostrar experimentalmente las propiedades de los compuestos iónicos y covalentes.
Integren un equipo de trabajo para desarrollar la actividad paso a paso.
1. Para tener un marco teórico inicial, elaboren un cuadro comparativo con las propiedades de los compuestos iónicos y covalentes, donde se incluya: estado de agregación en los que se presentan punto de fusión y de ebullición, conducción de la electricidad cuando están fundidos o en solución, solubilidad en agua, etc. 2. En esta experiencia estudiaremos, en primer lugar, la capacidad de las sustancias iónicas o covalentes para conducir la electricidad cuando están en solución. En un segundo momento, realizaremos una sencilla experiencia para comparar los puntos de fusión. 3. Con el apoyo de su profesor, preparen lo siguiente: U 100 mL de solución 0.5 M de NaCl U 100 mL de solución 0.3 M de KNO3 U 100 mL de solución 0.1 M de azúcar de mesa (C12H22O11) U 100 mL de solución al 50% en volumen de ácido clorhídrico, HCl U 100 mL de solución al 50% en volumen de ácido acético, CH3COOH U 100 mL de solución al 50% en volumen de etanol, C2H5OH
4. Consigan el material necesario para armar un dispositivo como el que se muestra en la ilustración. Utilicen una pila de 6 o 9 volts, la cual pueden conseguir, sin problemas, en el supermercado. También requerirán un foco de 1 o 2 w. No olviden insertar los electrodos en una cartulina recortada en forma de círculo, para que se puedan trasladar de un vaso a otro sin ser tocados.
Introduzcan los electrodos en cada solución y observen si el foco se enciende o no. Registren lo observado.
5. Luego, consigan 1 g de cloruro de sodio y 1 g de azúcar de mesa. Lleven a calentamiento cada sustancia por 2 o 3 minutos y anoten sus observaciones
6. Para finalizar la experiencia elaboren una tabla en la que concentren las observaciones y anotando si, de acuerdo a lo observado, la sustancia es iónica o covalente. Comparen las diferencias de electronegatividad con lo observado y determinen si en este caso la teoría corresponde a la experiencia.
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Tema 3
Tema 4
Tema 5
Tema 6
Formación y propiedades de los compuestos con enlace covalente (tipos de enlace covalente)
Enlace metálico
Fuerzas intermoleculares
Puente de hidrógeno
Este es el tercer tipo de enlace que observamos. ¿Qué tipo de relación crees que tienen estos enlaces con los elementos de la tabla periódica que estudiamos, y a los cuales llamamos metales?
Los metales presentan un tipo de enlace que les permite exhibir propiedades como conductividad eléctrica, maleabilidad, dureza, entre otras. Si observamos la tabla periódica veremos que los metales son el grupo más numeroso. El enlace metálico se produce, como su nombre lo indica, entre los metales. Sin embargo, en este tipo de enlace no hay una unión real entre los átomos, sino más bien una red de iones positivos, y entre los espacios vacíos transitan electrones libres.
Teorías sobre el enlace metálico Para explicar el enlace metálico se han elaborado dos teorías –mar de electrones y teoría de bandas que puedes ver en los infográficos 2 y 3 en la parte superior de las páginas siguientes Teoría del mar de electrones. Podríamos considerar al cristal puro de un metal como una molécula
Glosario 146
gigantesca que está formada por millones de átomos unidos entre sí. En los metales, cada átomo, excepto los de la superficie, se encuentra rodeado por ocho o diez átomos vecinos inmediatos, con los cuales establece el enlace metálico. Los electrones están distribuidos entre los núcleos y de alguna manera se encuentran moviéndose con entera libertad entre ellos (infográfico 2). Precisamente esto es lo que explica por qué los metales son buenos conductores del calor y de la electricidad. En 1928, Sommerfeld sugirió que, en los metales, los electrones se organizan en una disposición cuántica tal que los niveles de baja energía disponibles para ellos se encuentran prácticamente ocupados. Así, la estructura metálica está formada por cationes del metal rodeados de un mar de electrones; y la fuerza de unión es la atracción entre los iones positivos del metal y los electrones de alrededor que se mueven libremente.
Maleabilidad. 0ROPIEDADDEUNASUSTANCIAQUEPERMITEHACERLÖMINASCONELLA st-editorial.com
INTERPRETAS ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES INTERMOLECULARES
INFOGRÁFICO 2. TEORÍA DEL MAR DE ELECTRONES La conductividad eléctrica se explica por la facilidad con la que los electrones pueden pasar por la estructura del metal.
Teoría de bandas. En el mismo año,
partiendo de las ideas anteriores, el físico estadounidense Felix Bloch (19051983), y más adelante el francés Louis Marcel Brillouin (1854-1948), propusieron la denominada teoría de bandas para los enlaces que se establecen en los sólidos metálicos. Según esta teoría, como los átomos metálicos poseen un pequeño número de electrones de valencia con los cuales pueden unirse a los átomos vecinos, se requiere un amplio reparto de electrones entre los átomos individuales. Este se consigue a través de la superposición de orbitales atómicos de energía equivalente con los átomos adyacentes, lo cual supone que, por ejemplo, si los electrones de un determinado átomo metálico ubicados en los orbitales 1s se mezclaran con los orbitales 1s de los átomos vecinos, en consecuencia se formará a lo largo del metal una banda de energía que ya no pertenece a un átomo en concreto, sino a todos los átomos participantes. Como se ha dicho, las bandas de energía se forman con orbitales de energía similar y por esa razón pueden llegar a establecerse varias bandas, cada una de ellas con un nivel de energía distinto. Los orbitales así formados poseen dos electrones cada uno y se van llenando de energía, en orden de menor a mayor, hasta agotar el número de electrones disponibles. Cada una de las bandas tiene un margen de valores de energía y para que un electrón forme parte de esa banda debe poseer una cantidad de energía adecuada. A veces, dependiendo del metal, se dan interrupciones de energía entre las bandas st-editorial.com
Iones metálicos
Los electrones se mueven libremente
porque algunos electrones no tienen acceso a ese nivel. Partiendo de lo anterior, se entiende que las bandas con mayor energía no están llenas de electrones. Cuando un átomo absorbe energía térmica, algunos electrones se desplazan a las bandas de mayor energía y este fenómeno es el que explica la elevada conductividad térmica y eléctrica de los metales (infográfico 3).
Características derivadas del enlace metálico A partir de las teorías que hemos revisado y como resultado del enlace metálico, los metales tienen ciertas características comunes: R5 )(5 / ()-5 )( / .), -5 &5 &),535&5 electricidad. R5 ( ,&' (. 5 -)(5 -ĉ&# )-5 5 . '* 7 ratura ambiente, con excepción del mercurio y del galio. R5 )(5 Ě .#& -5B- 5*/ (5 ),',5&'7 bres) o maleables (se pueden formar láminas). R5 # ( (5 &.)-5 */(.)-5 5 /&&# #ĉ(5 35 de fusión. R5 #)((5 )(5 &5)2ù! ()5*,5 ),7 mar óxidos básicos.
R etrato
El físico y matemático francés Louis Marcel Brillouin se destacó en el campo de la investigación científica y fue reconocido además por su gran aporte al desarrollo de la mecánica cuántica, a través de los experimentos a gran escala que realizó sobre temas como la teoría cinética de los gases, la viscosidad, la termodinámica, la electricidad, entre otros. Fue profesor en destacadas universidades de Francia y autor de varios escritos teóricos, por ejemplo, acerca de la estabilidad del avión y una teoría de la marea.
La corrosión de los metales Los metales ocupan un lugar especial en nuestra vida moderna porque gracias a ellos podemos elaborar muchos artefactos o llevar a cabo la construcción de casas, puentes o edificios. Sin embargo, uno de los problemas a los que tiene que enfrentarse nuestra civilización es la corrosión que es, en pocas palabras, un deterioro 147
BLOQUE 5
INFOGRÁFICO 3. TEORÍA DE BANDAS En el metal los orbitales atómicos se combinan para formar orbitales moleculares que se disponen en:
Banda de valencia
Banda de valencia. Está ocupada por los electrones de valencia de los átomos, o sea, por aquellos electrones que se encuentran en el último nivel energético de los átomos. Los electrones de valencia –que forman los enlaces entre los átomos– no intervienen en la conducción eléctrica.
Banda de conducción Banda de conducción. Está ocupada por los electrones libres –aquellos que se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente–, que son los responsables de conducir la corriente eléctrica. En consecuencia, para que un material sea buen conductor de la corriente eléctrica debe tener electrones en la banda de conducción; si la banda está vacía, el material se comportará como un aislante.
–las mayoría de las veces irreversible– de las piezas u objetos metálicos. Se ha calculado que debido a la corrosión cada pocos segundos se “disuelven” 5 toneladas de acero en el mundo, lo cual se traduce en grandes pérdidas económicas o en peligrosas fallas en diversas construcciones. Desde el punto de vista químico la corrosión –llamada comúnmente oxidación- es una transferencia de electrones desde una especie química hacia otra. La especie química desde la cual migran los electrones se comporta como un ánodo mientras que la 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.
Conductor Según la banda de conducción, el material puede ser...
Semiconductor Aislante
especie química que acepta los electrones se convierte en un cátodo. Así pues, la especie que actúa como ánodo es la que se oxida al perder electrones y aquella que actúa como cátodo se reduce al obtener una ganancia de electrones. Tan importante es disminuir la corrosión que año con año se utilizan numerosos recursos para evitarla. Una manera común es mantener pintadas las superficies metálicas o utilizar medidas ingeniosas como la modificación del diseño de las estructuras metálicas evitando, en lo posible, que existan aristas capaces Desarrolla competencias
de corroerse con facilidad. En otras ocasiones, la superficie del metal a proteger se recubre con otro metal que se oxida con mayor facilidad pero que produce una capa protectora que impide que el proceso corrosivo avance hacia el interior. Mencionemos, finalmente, que algunos ductos metálicos se protegen de la corrosión conectando a una cierta distancia algunas varillas de otro metal que se oxida más rápidamente que el material del ducto. A este tipo de tecnología se le conoce como “protección catódica”. actividad individual
1. Responde a lo siguiente en tu cuaderno. a. ¿Cómo están distribuidos los electrones en el enlace metálico y cómo se comportan?
b. Explica algunas características de los metales. 2. Tomando como punto de partida las teorías que describen el enlace metálico, intenta explicar por qué los metales son:
a. Maleables. b. Dúctiles. c. Conductores del calor y la electricidad. 3. Investiga cómo afecta la oxidación de los metales a la industira metalúrgica de nuestro país y del mundo. 148
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Fuerzas intermoleculares
Puente de hidrógeno
Para que un material sólido cumpla con las características propias de su estado, es necesario que ciertas partículas dentro del material mantengan una cercanía entre sí. ¿Cómo relacionas esto con el término “fuerzas intermoleculares”?
Las fuerzas intermoleculares se definen como las fuerzas atractivas que existen entre moléculas y que provocan que permanezcan próximas entre sí cuando la sustancia está en estado líquido o gaseoso. El término “intermolecular”, aunque se refiere exclusivamente a sustancias moleculares (sustancias unidas por enlaces covalentes), también se refiere a cualquier tipo de partículas (moléculas, iones y átomos). Si las fuerzas intermoleculares no existieran, todas las sustancias serían gases y no habría estado líquido ni sólido. Diversos experimentos han ayudado a los científicos a comprender la naturaleza y acción de este tipo de fuerzas y a establecer la distinción frente a las fuerzas intramoleculares. En síntesis, las fuerzas intramoleculares unen a los átomos de una molécula; las intermoleculares mantienen unidas a las moléculas. Debemos señalar, además, que las fuerzas intermoleculares son muy débiles en comparación con las fuerzas intramoleculares. Se gasta poca energía para hacer pasar una sustancia st-editorial.com
líquida al estado gaseoso venciendo las fuerzas intermoleculares, pero es necesario utilizar una gran cantidad para romper los enlaces químicos de una molécula. Entre las fuerzas intermoleculares tenemos las fuerzas de London, las fuerzas dipolo-dipolo y dipolo-dipolo inducido.
Fuerzas de dispersión o fuerzas de London En las moléculas no polares puede producirse de forma transitoria un desplazamiento relativo de los electrones, de modo que origina un polo positivo y otro negativo (dipolo transitorio); esto determina una atracción entre dichas moléculas (el polo positivo de una molécula atrae al negativo de la otra, y viceversa). Estas fuerzas de atracción son muy débiles y se denominan fuerzas de London, en honor al físico alemán-estadounidense Fritz London (1900-1954). 149
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E n la web Recomendamos visitar las siguientes páginas para conocer más sobre los temas de este bloque: U www.youtube.com/watch?v=SPQbVJaVEtU&feature=related U www.youtube.com/watch?v=03IFKJ0r4SQ&feature=related
Dipolo-dipolo Cuando dos moléculas polares se acercan una a la otra, tienden a alinearse de tal forma que el extremo positivo de un dipolo está dirigido al extremo negativo del otro (figura ). Cuando esto ocurre, hay una atracción electrostática entre los dos dipolos. Por varias razones, esta es una atracción mucho más débil que la existente entre iones con cargas opuestas. Primero, solo hay cargas parciales sobre los extremos de los dipolos; segundo, los átomos y las moléculas están en constante movimiento y los choques impiden a los dipolos estar perfectamente alineados; y tercero, hay una fuerza de repulsión entre los extremos de los dipolos que transportan cargas similares. Figura 6. La atracción entre moléculas polares se debe a la interacción entre los dipolos positivos y negativos.
Dipolo-dipolo inducido En los dipolos inducidos, actúa una molécula polar sobre una molécula no polar. Cuando esta última se introduce en el campo de fuerza de la molécula polar, se produce una acumulación de cargas negativas en un extremo y de cargas positivas en el opuesto, generándose así un dipolo.
Desarrolla competencias
actividad grupal
Explica las propiedades macroscópicas de los líquidos y gases, a partir de las fuerzas intermoleculares que los constituyen.
I. En parejas, en un pliego de papel bond, realicen un mapa conceptual sobre lo más relevante de las fuerzas intermoleculares. Luego, hagan una exposición sobre el tema utilizando también otras herramientas, como dibujos, esquemas o maquetas.
II. Integrados en equipos de tres o cuatro personas indaguen en los medios a su alcance sobre las fuerzas intermoleculares. Con la información elaboren un cuadro comparativo como el siguiente: 4IPODEFUERZA INTERMOLECULAR
$ESCRIPCIN
%FECTOS
III. Investiguen sobre el modelo cinético molecular y la forma en que explica las propiedades y comportamiento de sólidos, líquidos y gases.
IV. Con base en las dos investigaciones, elaboren una explicación breve en su cuaderno para el ciclo del agua.
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Tema 5
Tema 6
Fuerzas intermoleculares
Puente de hidrógeno
¿Crees que los términos “puente” y “enlace” significan lo mismo? Entonces, ¿nos referimos aquí a la forma en que se enlazan los átomos de hidrógeno con otros elementos? ¿Qué piensas?
Cuando el átomo de hidrógeno está enlazado de manera covalente a un elemento muy electronegativo como el flúor, el oxígeno o el nitrógeno, se produce una fuerte atracción dipolo-dipolo. En estos casos, se forman moléculas muy polares en las que el pequeñísimo átomo del hidrógeno conduce una carga positiva importante. Ya que el extremo positivo de este dipolo puede aproximarse al extremo negativo de un dipolo vecino, la fuerza de atracción entre los dos es muy grande. A esta clase especial de interacción bipolar se le llama enlace o puente de hidrógeno, y su intensidad es entre 5 y 10 del enlace covalente ordinario. Los puentes de hidrógeno hacen que el agua sea un líquido a temperatura ambiente, en vez de ser un gas.También son responsables de controlar la orientación de las moléculas en el hielo, lo que da lugar a una estructura de tipo cristalino muy abierta. Por esto se observa en algunos lugares del planeta que el agua puede romper las tuberías al congelarse, ya que sus moléculas se organizan en una estructura tridimensional que aumenta el volumen (figura 7). st-editorial.com
Características del agua El agua cubre casi las tres cuartas partes del planeta, determina nuestro clima y le da forma a nuestra geología. Para los seres vivos resulta esencial. Según se ha comprobado, se puede sobrevivir varias semanas sin alimento, pero solo unos pocos días sin agua. El agua es el medio esencial para que se lleven a cabo las reacciones químicas vitales, ya que sirve para transportar nutrientes en plantas y animales. Aún más, procesos como la circulación, la digestión, la eliminación de desechos, la regulación de la temperatura del cuerpo y muchos otros dependen de que exista un suministro suficiente del líquido vital. A continuación describiremos brevemente algunas de las características más importantes del agua. Densidad. La mayoría de los sólidos son más pesados que en su forma líquida. El hielo, por el contrario, tiene una densidad menor que la del agua líquida. Aproximadamente, a los 4°C el agua alcanza su densidad máxima y va disminuyendo conforme aumenta su temperatura, como se aprecia en el cuadro 3. 151
BLOQUE 5 CUADRO 3.6!2)!#)/.%3$%,!$%.3)$!$ $%,!'5!$%!#5%2$/#/.,!4%-0%2!452! $ENSIDADG %STADO 4EMPERATURA ML (IELO # ,¤QUIDO #
Figura 7. Las moléculas de agua forman una red de conexiones entre enlaces de hidrógeno y oxígeno.
Figura 8. Iones disueltos en agua, muchos de ellos pueden formar enlaces con los átomos de hidrógeno.
E l mundo que te rodea
Los grupos hidroxilos (OH), los grupos aminos (NH) y los hidrocarburos donan su hidrógeno para formar puentes hidrogenados, estos se forman cuando un átomo de hidrógeno se encuentra entre dos átomos más electronegativos, de ese modo se establece un vínculo entre ellos. El queroseno, la gasolina y los aceites para la fabricación de muebles, que poseen hidrocarburos, son los que causan más intoxicaciones.
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Calor específico del agua. Otra propiedad poco común del agua es su alto calor específico. Se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia en 1°C. El agua absorbe por gramo más energía calorífica que la mayoría de las sustancias. Esta capacidad se ha utilizado en algunos sistemas de calefacción o de aire acondicionado. En las regiones costeras, la temperatura prácticamente no varía, puesto que el agua no permite grandes cambios al absorber la mayor parte del calor. Disolvente casi universal. Por su estructura covalente polar, el agua es un medio capaz de disolver una gran cantidad de sustancias. El azúcar (C12H22O11) es un sólido cuyas moléculas se mantienen unidas por puentes de hidrógeno, los cuales se rompen cuando se disuelve en agua. Los sólidos iónicos, conocidos como sales, se mantienen unidos por la gran fuerza de atracción entre partículas con cargas opuestas. Cuando se disuelve un sólido iónico en agua, los iones que lo forman son liberados en la solución y atraídos por las moléculas polares del solvente (figura 8). En general, las sales se disocian en sus iones cuando se disuelven en agua.
Desarrolla competencias
Otros compuestos de importancia biológica Anteriormente revisamos algunas de las características del agua que se derivan del puente de hidrógeno formado entre sus moléculas. Este tipo de enlace intermolecular explica el alto punto de fusión, de ebullición y de congelamiento, característicos del agua. Sin embargo, no es el agua el único compuesto que presenta puente de hidrógeno, ni tampoco todos los compuestos que contienen hidrógeno presentan este tipo de enlace intermolecular. Para que se forme el enlace, el átomo de hidrógeno debe estar unido a átomos de muy alta electronegatividad, como el oxígeno, el nitrógeno o el flúor. Entre los compuestos que presentan puente de hidrógeno, se encuentran el fluoruro de hidrógeno (HF), el amoniaco (NH3), algunos alcoholes como el metanol (CH3OH) y el etanol (C2H5OH); algunas aminas (compuestos con el grupo funcional -NH2) y también se encuentra en la disposición de la doble hélice del ácido desoxirribonucleico (adn). Al agua se le denomina el disolvente universal, porque disuelve un gran número de sustancias sin mucho problema. Sin embargo, existen otras muchas que no. En el campo de las disoluciones se dice que “lo similar disuelve a lo similar”, esto quiere decir que una sustancia polar puede disolverse en otra sustancia polar; asimismo, las sustancias no polares requieren de disolventes no polares. El agua (solvente polar) puede disolver sustancias no polares como la glucosa (C6H12O6) y la metilamina (CH3–NH2), debido a que estas sustancias forman puentes de hidrógeno con ella.
actividad individual
Propone acciones personales y comunitarias viables para optimizar el uso del agua.
Responde en tu cuaderno.
1. ¿Qué es un puente de hidrógeno, cómo se forma? 2. ¿Cómo mejorarías tus prácticas de consumo de
Explica la importancia del puente de hidrógeno en la conformación de la estructura de las biomoléculas.
agua para beneficiar al ambiente?
Práctica de laboratorio El contenido estudiado podemos repasarlo en la práctica de laboratorio “Electrólisis del agua” (pp. 232 y 233) y “Destilación del agua” (p. 233), que se encuentran en la Sección final.
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INTERPRETAS ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES INTERMOLECULARES
Desarrolla competencias
actividad grupal
Explica la importancia del puente de hidrógeno en la conformación de las estructuras de las biomoléculas.
Lean el texto y realicen lo que se les pide.
Las biomoléculas son, esencialmente, las moléculas que constituyen a los seres vivos. Las proteínas y el ADN, que forman parte de esta clasificación son, desde el punto de vista químico, polímeros que se forman mediante la unión de cientos y a veces miles de unidades sencillas. Su función biológica depende, entre otras cosas, de la forma tridimensional que llegan a adoptar. En la conformación tridimensional de las proteínas y del ADN participa en gran medida el puente de hidrógeno, pero ¿cómo lo hace?, ¿qué efectos tiene?, ¿qué podría suceder si este tipo de enlace no existiera o fallara?
1. Busquen información en los medios que tengan a su alcance acerca de los niveles de organización de las proteínas. De manera específica fijen su atención en los dos tipos de estructuras secundarias, la hélice alfa y la de hoja plegada. Dibujen con todo cuidado una porción de cada una indicando dónde se ubican los puentes de hidrógeno y traten de explicar cómo participan en la conformación de las estructuras mencionadas. 2. En un segundo momento, investiguen sobre la estructura del ADN y de qué manera los puentes de hidrógeno ayudan a las conexiones entre las dos cadenas helicoidales. Tracen dibujos en los que esto se muestre de forma clara y, si tienen la posibilidad, elaboren un pequeño modelo que ilustre el hecho. 3. Presenten los resultados de la investigación al resto del grupo, con la guía de su profesor. Les recomendamos utilizar diapositivas elaboradas en PowerPoint.
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Evaluación sumativa Heteroevaluación Responde las siguientes preguntas en tu cuaderno.
1. La electronegatividad del sodio y del cloro es de 0.9 y 3.0, respectivamente. ¿Cuál es el tipo de enlace que presenta el cloruro de sodio?
2. ¿Por qué razón se afirma que en un enlace covalente no polar la diferencia de electronegatividad es cero?
3. El carbono y el oxígeno presentan una electronegatividad de 2.5 y 3.5, respectivamente. ¿Cuál es el tipo de enlace que presenta el monóxido de carbono?
4. ¿Por qué se pueden disolver los compuestos iónicos en solventes polares? 5. Los metales son buenos conductores del calor y de la electricidad. ¿Por qué? 6. Desarrolla dos diferencias entre el enlace iónico y el enlace covalente. 7. ¿Por qué razón a las fuerzas dipolo-dipolo, dipolos inducidos y puente de hidrógeno se les clasifica como fuerzas intermoleculares?
8. ¿Cuál es la razón de que aumente el volumen del agua cuando se congela?
Autoevaluación I. Responde lo que se te pide a continuación. 1. Consulta el cuadro sobre valores de electronegatividad (p. 116) y calcula la diferencia de electronegatividad entre los átomos de cada compuesto. Luego determina, según el resultado, si es un enlace iónico o covalente. Realiza esta actividad en tu cuaderno
a. HCl
b. Na2S
c. CH4
d. Br2
e. CaF2
2. Para los compuestos del problema anterior, dibuja en tu cuaderno la estructura de Lewis y determina su geometría molecular.
3. Investiga el peso molecular y los puntos de fusión y de ebullición para las siguientes sustancias: H2O, H2S (sulfuro de hidrógeno), H2Se (selenuro de hidrógeno) y H2Te (telururo de hidrógeno).
a. Con los datos obtenidos completa el siguiente cuadro. 3USTANCIA
0ESOMOLECULARGMOL
0UNTODEFUSIN#
0UNTODEEBULLICIN#
b. Después de ordenarlos de mayor a menor por el peso molecular, elabora una gráfica de peso molecular vs. punto de fusión, y otra gráfica de peso molecular vs. punto de ebullición. En el eje horizontal representa el peso molecular y en el eje vertical, la temperatura. Estudia la tendencia que se observa en cada gráfica y escribe tus conclusiones sobre el comportamiento de las sustancias, especialmente el agua. Luego comparte tus hallazgos con tu profesor y tus compañeros.
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4. Nuestra capacidad de aprender mejora cuando conocemos con precisión qué hemos aprendido y cuánto –de lo pretendido originalmente– hemos conseguido. En la siguiente tabla marca con una X tu nivel de desempeño. !SPECTO
.IVELDEDESEMPE®O 4
3
2
Para los elementos y compuestos con enlace iónico y covalente puedo elaborar, sin dificultad y de manera correcta, la estructura de Lewis correspondiente. Propiedades de Puedo describir con los metales y su soltura las diferentes relación con el enlace teorías sobre el enlace metálico metálico y, a partir de ellas, explico las propiedades que se observan en los metales.
Para los elementos y compuestos con enlace iónico y covalente puedo elaborar, la mayoría de las veces de manera correcta, la estructura de Lewis correspondiente. Puedo describir con algunas fallas las diferentes teorías sobre el enlace metálico pero, a partir de ellas, explico las propiedades que se observan en los metales.
Para los elementos y compuestos con enlace iónico y covalente puedo elaborar solo algunas veces la estructura de Lewis correspondiente.
Repercusiones económicas de la oxidación de los metales
Puedo explicar con claridad en qué consiste la oxidación desde el punto de vista químico y señalo de qué manera afecta la oxidación de los metales a la economía.
Tengo una noción más o menos clara acerca del fenómeno de la oxidación de los metales y puedo describir de qué manera afecta a la economía.
Optimización del uso Identifico con certeza del agua las implicaciones del desperdicio del agua y promuevo constantemente acciones personales y/o comunitarias para optimizar su uso. Relación de Logro explicar con las fuerzas suficiente claridad intermoleculares las propiedades con las propiedades macroscópicas de macroscópicas de los líquidos y gases líquidos y gases a partir de las fuerzas intermoleculares que los constituyen. El puente de Puedo describir en qué hidrógeno y su consiste el puente de participación en la hidrógeno y mencionar estructura de las 4 o 5 ejemplos de biomoléculas su participación en la estructura de las biomoléculas.
Identifico con bastante claridad las implicaciones del desperdicio del agua y promuevo acciones personales y/o comunitarias para optimizar su uso. Puedo describir las propiedades macroscópicas de los líquidos y gases aunque me cuesta trabajo explicarlas a partir de las fuerzas intermoleculares que los constituyen. Puedo describir en qué consiste el puente de hidrógeno y mencionar 2 ejemplos de su participación en la estructura de las biomoléculas.
Elaboración de estructuras de Lewis
1
Requiero apoyo constante de mi profesor o compañeros para elaborar estructuras de Lewis correctamente. No logro identificar el proceso correcto.. Con mucha dificultad No tengo claridad sobre puedo describir las las teorías del enlace diferentes teorías sobre metálico y no logro el enlace metálico Me explicar correctamente cuesta trabajo explicar las propiedades las propiedades que se de los metales. observan en los metales. Requiero consolidar la información. Poseo poca claridad Mi conocimiento sobre el fenómeno sobre el fenómeno de la oxidación y con de la oxidación y dificultad puedo señalar sus repercusiones algunos aspectos socioeconómicas es socioeconómicos muy limitado. Necesito asociados a la oxidación investigar más para de los metales. obtener claridad. Aunque reconozco Aunque poseo las implicaciones del información sobre cómo desperdicio de agua, evitar el desperdicio de solo promuevo de vez agua, pocas veces hago en cuando acciones para algo al respecto. optimizar su uso.
Aunque identifico las propiedades macroscópicas de los líquidos y gases tengo gran dificultad para explicarlas a partir de las fuerzas intermoleculares que los constituyen. Aunque puedo describir las características del puente de hidrógeno no logro explicar muy bien cómo participa en la estructura de las biomoléculas.
Solo tengo ideas vagas sobre la forma en que se relacionan las propiedades macroscópicas de los líquidos y gases con las fuerzas intermoleculares que los contituyen. Tengo un conocimiento elemental del puente de hidrógeno y desconozco de qué manera participa en la estructura de las biomoléculas.
De los desempeños marcados con 1 o con 2, anota en tu cuaderno un compromiso de trabajo concreto y establece una fecha para su consecución.
II. Reflexiona y responde en tu cuaderno las siguientes preguntas acerca de tu desempeño en el bloque. 1. ¿Cómo te ayudaron los conocimientos de tu vida cotidiana la comprensión de los temas del bloque? 2. Anota una nueva pregunta que generes a partir del estudio de este bloque. 3. Señala alguna estrategia que utilizas para aprender química. 4. Si un compañero de clase te pide que le expliques o le aclares alguno de los temas vistos hasta ahora, ¿qué haces? ¿lo ayudas o lo ignoras?, ¿por qué?
5. ¿Cómo ha sido hasta ahora tu participación en la clase de química 1?
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Desempeños del estudiante s %SCRIBECORRECTAMENTELASFRMULASYNOMBRES DELOSCOMPUESTOSQU¤MICOSINORGÖNICOS s 2ESUELVEEJERCICIOSDENOMENCLATURAQU¤MICA s !PLICACORRECTAMENTELASFRMULASQU¤MICAS ALASOLUCINDEPROBLEMAS s 2ECONOCECOMPUESTOSQU¤MICOSINORGÖNICOS ENPRODUCTOSDEUSOCOTIDIANO
Bloque 6 Manejas la nomenclatura química inorgánica
Bloque 5
Bloque 6
Bloque 7
Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares
Manejas la nomenclatura química inorgánica
Representas y operas reacciones químicas
Na
Cl
Na
Na
Na Na
Competencias a desarrollar s &UNDAMENTAOPINIONESSOBRELOSIMPACTOSDELACIENCIA s s
s s s
YLATECNOLOG¤AENSUVIDACOTIDIANA ASUMIENDOCONSIDERACIONES£TICAS )DENTIlCAPROBLEMAS FORMULAPREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO YPLANTEALASHIPTESISNECESARIASPARARESPONDERLAS /BTIENE REGISTRAYSISTEMATIZALAINFORMACINPARARESPONDER APREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO CONSULTANDOFUENTES RELEVANTESYREALIZANDOEXPERIMENTOSPERTINENTES #ONTRASTALOSRESULTADOSOBTENIDOSENUNAINVESTIGACIN OEXPERIMENTOCONHIPTESISPREVIASYCOMUNICASUSCONCLUSIONES 6ALORALASPRECONCEPCIONESPERSONALESOCOMUNESSOBREDIVERSOS FENMENOSNATURALESAPARTIRDEEVIDENCIASCIENT¤lCAS %XPLICITALASNOCIONESCIENT¤lCASQUESUSTENTANLOSPROCESOS PARALASOLUCINDEPROBLEMASCOTIDIANOS
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F¤SICOYVALORALASACCIONESHUMANASDERIESGOEIMPACTOAMBIENTAL s !PLICANORMASDESEGURIDADENELMANEJODESUSTANCIAS INSTRUMENTOS
YEQUIPOENLAREALIZACINDEACTIVIDADESDESUVIDACOTIDIANA s !SUMEUNAACTITUDQUEFAVORECELASOLUCINDEPROBLEMAS
AMBIENTALESENLOSÖMBITOSLOCAL NACIONALEINTERNACIONAL s 2ECONOCEYCOMPRENDELASIMPLICACIONESBIOLGICAS
ECONMICAS POL¤TICASYSOCIALESDELDA®OAMBIENTAL ENUNCONTEXTOGLOBALINTERDEPENDIENTE s #ONTRIBUYEALALCANCEDEUNEQUILIBRIOENTRELOSINTERESES DECORTOYLARGOPLAZOCONRELACINALAMBIENTE
Bloque 8
Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas
Na Cl Cl
Na
Na
Cl Cl
Na
Cl
Cl
C
Cl
Cl
Na Cl Cl
Na Cl Cl
Na
Na
Na Cl
Na
Na C
Introducción
Cl
Na
Na
Cl Cl
Na
Cl
Cl
Na
Cl
Cl
Cl Na
Na
Na
Na Cl Cl
Na
Na
Na Cl
Na
Cl
N
Objetos de aprendizaje Reglas de la UIQPA PARAESCRIBIRFRMULAS YNOMBRESDELOSCOMPUESTOS QU¤MICOSINORGÖNICOS sÊXIDOSMETÖLICOS
L
a química ha construido con el paso de los siglos, y mediante un esfuerzo considerable, su propia simbología. Esto permite que un químico en Japón pueda enviarle la fórmula química
a un colega de México con el objeto de obtener un determinado compuesto industrial; ambos podrán entenderse cabalmente dado que manejan los mismos códigos, aunque uno hable japonés y el otro español. El conocimiento del lenguaje de la química es una herramienta necesaria para avanzar en la comprensión de códigos que permitan acercarse a las características y propiedades de las sustancias, con las que tiene contacto de forma cotidiana cualquier persona. Podrás ver todos los contenidos del bloque en el siguiente mapa conceptual.
sÊXIDOSNOMETÖLICOS s(IDRUROSMETÖLICOS s(IDRÖCIDOS s(IDRXIDOS
Manejas la nomenclatura química inorgánica
s/XIÖCIDOS s3ALES escribes
fórmulas
de los
entiendes cómo los
utilizas diversos
compuestos químicos
sistemas
a partir de sus
nombres
como
de
tradicional
se integran
elementos químicos
158
UIQPA
Stock
son de varios tipos
hidróxidos
sales
óxidos
ácidos
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Actividades de enseñanza
Para comenzar... Para que puedas comprender los temas de este bloque, es necesario que rescates las competencias (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que ya has adquirido a lo largo de tu vida. Haz tu mejor esfuerzo para responder y detecta aquellos aspectos que no conoces o dominas para enfocar tu estudio.
Conocimientos Reflexiona sobre las preguntas que se plantean y, de acuerdo con lo que sabes hasta ahora, respóndelas en la columna de la izquierda. Una vez que concluyas el estudio de los temas del bloque vuelve a este cuadro y anota tu nueva respuesta en la columna de la derecha. Compara ambas respuestas y anota tus conclusiones sobre lo que aprendiste y lo que aún te falta por aprender. -IRESPUESTAANTES DEESTUDIARELBLOQUE
0REGUNTA ¿Cómo puede distinguirse entre un elemento y un compuesto químico? ¿Qué es un anión?
¿Qué es un catión? ¿Cómo se construye una fórmula química a partir del nombre? ¿Cómo se escribe el nombre de un compuesto a partir de su fórmula? ¿Cuál es la diferencia entre un ácido y un hidróxido?
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-IRESPUESTADESPU£S DEESTUDIARELBLOQUE
Dinámica con preguntas YRESPUESTASUTILIZANDOEJEMPLOS RELATIVOSANOMBRESQU¤MICOSY TRIVIALESDEALGUNASSUSTANCIAS YOCOMPUESTOSDEUSOCOM¢N ENLACOMUNIDAD Exposición de las reglas ESTABLECIDASPORLAUIQPA PARAESCRIBIRNOMBRES YFRMULASDELOSCOMPUESTOS QU¤MICOSINORGÖNICOSXIDOS METÖLICOS XIDOSNOMETÖLICOS HIDRUROSMETÖLICOS HIDRÖCIDOS HIDRXIDOSOXIÖCIDOS SALES Ejercicios de aplicación DELASREGLASDELAUIQPA PARALAASIGNACINDENOMBRES Actividad experimental QUEPERMITARECONOCER LASCARACTER¤STICAS DEDIVERSASSUSTANCIAS APARTIRDESUNOMBREYO FRMULAQU¤MICA UBICÖNDOLAS ENELTIPODECOMPUESTO QUELECORRESPONDEYSIGUIENDO LASNORMASDESEGURIDAD QUEAPLIQUEN Investigación sobre sustancias UTILIZADASDEMANERACOTIDIANA ENELHOGAR LAESCUELAYOEL MEDIODONDESEDESENVUELVEN
159
Habilidades I. Busca en esta sopa de letras las siguientes palabras: ácido - hidróxido - oxisal - oxiácido - poliatómico - bicarbonato - sulfato - sulfito - nitrato - nitrito fosfato - fosfito - cloruro - clorato
T O T A R T I N Z W P S G O U
P O N I R M F V L A S I I H V G E I O M S D D R U R I C L A C R F C A S I I J C T D Y A O O G F Y H F O T A N O Y D O D
T K X O K M A O U N C O S B I
R O O H W M O T Q V X D F R X
I N S K D L D A W C Q I I A O
T G K U W E J F G L F C T C R
O D T S O B B A L C N F J K S O Z T O R Y E A I O W I B D I
M A Y Z Y Z A F K A I X V Y H
C L O R U R O T V T I O O S J
T O A Q G P Y U O O O N W K W
R O C I M O T A I L O P O I E
II. Relaciona la fórmula con su nombre correspondiente: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
K2O Na2CO3 H2S Cl2O5
a. Óxido de potasio b. Hidróxido de boro c. Pentóxido de dicloro d. Ácido sulfúrico e. Bicarbonato de sodio
H2SO4 NaHCO3 Cl2O3 B(OH)3
Actitudes y valores Las actitudes que tú adoptas tienen un gran impacto en tu desempeño escolar. Te invitamos a calificar tu nivel de desempeño en los aspectos que se enlistan en el cuadro siguiente. Con base en los resultados te recomendamos establecer un plan de mejora personal y académica. $ESEMPE®OAREVISAR
3IEMPRE
-UCHASVECES !LGUNASVECES #ASINUNCA
Reviso mis apuntes diariamente y los corrijo en caso necesario. Repaso los temas vistos en clase y trato de investigar al respecto. Desarrollo las tareas y los trabajos en tiempo y forma, con la calidad que me han solicitado. En los trabajos en equipo colaboro de forma activa. Durante las clases he estado atento y concentrado. Resuelvo las dudas sobre los temas vistos en clase.
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Reto Aprender el lenguaje de la química es una de las tareas más complicadas a las que se enfrentan los estudiantes, sin embargo, es también uno de los conocimientos más necesarios, no solo para acreditar la asignatura, sino para crecer en nuestra comprensión de cientos de sustancias con las que tenemos contacto frecuente. El reto para el equipo será diseñar un juego con el que se facilite el aprendizaje de la nomenclatura química inorgánica. Para que el reto se cumpla existen varias condiciones:
1. El juego deberá ser inédito y original. Los miembros del equipo, en consecuencia, deberán utilizar su creatividad como ingrediente principal.
2. Los materiales con los que se elabore el juego deberán ser económicos y, en la medida de lo posible, reciclables.
3. Las instrucciones para su uso deberán ser suficientemente claras, por lo que deberá cuidarse la correcta sintaxis y ortografía.
4. Cuando se juegue por vez primera, habrá que evaluar hasta dónde funciona y cuáles aspectos deberán corregirse o mejorarse. Hagan los cambios necesarios y vuelvan a aplicarlo, evaluando siempre los resultados obtenidos. -!42):0!2!,!6!,/2!#)Ê.$%,*5%'/ #ATEGOR¤A 4 Instrucciones para la aplicación del juego
Muestran correcta sintaxis y ortografía. Se entienden con gran facilidad sin ayuda de explicación.
Utilidad didáctica
El juego despierta un alto interés en quienes lo usan y se logra el objetivo de aprendizaje. Diseño gráfico El juego es muy atractivo visualmente.
3
2
Buena sintaxis y ortografía, sin embargo requieren algo de explicación para su comprensión.
Tienen fallas en la sintaxis y en la ortografía y requieren de frecuente aclaración para comprenderlas. El juego no es muy interesante y el objetivo de aprendizaje se obtiene apenas. El juego tiene poco atractivo visual y requiere de muchas mejoras.
El juego despierta interés pero el objetivo de aprendizaje no se logra cabalmente. El juego es atractivo visualmente pero es necesario mejorarlo.
1 Las instrucciones no se entienden por sí solas y requieren de mucha explicación por parte de los autores. El juego no llama la atención de los usuarios y no apoya el aprendizaje de la nomenclatura. El diseño gráfico es muy pobre. Prácticamente no existe.
Coevaluación Observa a tus compañeros de equipo durante el desarrollo de la actividad. Partiendo de tus observaciones, asigna una calificación para cada aspecto. Trata de ser muy objetivo y mantén una actitud constructiva. #ATEGOR¤A Trabajo cooperativo
4 El equipo trabajó bien en conjunto. Todos los miembros contribuyeron equitativamente en cuanto a la cantidad de trabajo.
3 El equipo generalmente trabajó bien. Todos los miembros contribuyeron de alguna manera a la calidad del trabajo.
2 El equipo trabajó relativamente bien en conjunto. Todos los miembros contribuyeron un poco.
1 El equipo no funcionó bien en conjunto y el juego da la impresión de ser el trabajo de solo uno o dos estudiantes del grupo.
Continúa
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#ATEGOR¤A Creatividad
4
3
2
El equipo se esforzó en hacer el juego interesante y divertido para jugar, como fue demostrado por las preguntas creativas, piezas del juego y/o el juego mismo.
El equipo puso mucho esfuerzo en hacer el juego interesante y divertido para jugar usando textura, escritura elegante y/o personajes interesantes. Todos los estudiantes del equipo pueden fácil y correctamente explicar 1 o 2 aspectos sobre el tema usado para el juego sin mirarlo.
El equipo trató de hacer el juego interesante y divertido, pero algunas de las cosas hicieron el juego difícil de entender y/o de disfrutar.
Poco esfuerzo fue puesto en hacer el juego interesante o divertido.
La mayor parte de los estudiantes en el equipo pueden fácil y correctamente explicar 1 o 2 aspectos del tema usado para el juego sin mirarlo.
Algunos estudiantes en el equipo no pudieron correctamente explicar los aspectos sobre el tema usado para el juego sin mirarlo.
Los miembros del equipo proporcionaron trabajo de calidad.
El trabajo realizado por el equipo requirió, ocasionalmente, ser redirigido o corregido para asegurar su calidad.
El trabajo realizado por el equipo requirió, generalmente, de corrección o redirección para asegurar la calidad.
Conocimiento Todos los estudiantes ganado en el equipo pueden fácil y correctamente explicar varios aspectos sobre el tema usado para el juego mirarlo. Calidad del trabajo
Todos los miembros del equipo proporcionaron trabajo de la más alta calidad.
1
Autoevaluación Indica con qué frecuencia se presentan los siguientes atributos en tu desempeño. Encierra en un círculo el número que corresponda: 0, si no se presenta el atributo; 1, si se presenta poco el atributo; 2, si generalmente se presenta el atributo; 3, si siempre se presenta el atributo. 0ARTICIPACINENELTRABAJO Participé en las reuniones de trabajo. Cooperé activamente en la preparación del juego didáctico. Mi participación ayudó a alcanzar la meta.
0 0 0
1 1 1
2 2 2
3 3 3
0 0
1 1
2 2
3 3
!CTITUD Mostré respeto a mis compañeros y al trabajo desarrollado. Fui responsable con las actividades que me asignaron.
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Cf
Es
Sn
Pb
N
Mv H
Ag
Mv
Fe Bk
C Para comenzar...
Tema 1 Reglas de la IUPAC (UIQPA) para escribir fórmulas y nombres de los compuestos químicos inorgánicos
¿Sabes qué significa la sigla uiqpa? Si lo sabes, ¿por qué piensas que fue necesaria su creación? Si desconoces su significado, investígalo.
Debido al gran desarrollo de la química, de forma regular se sintetizan nuevas sustancias y, además de investigar sus propiedades, los científicos han procurado otorgarles un nombre adecuado que permita identificarlas y distinguirlas de otras. Para este fin se creó desde hace algunos años la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (uiqpa, por sus siglas en español). Este organismo, con sede en la ciudad de Ginebra, Suiza, establece las reglas para nombrar a los miles y miles de compuestos orgánicos e inorgánicos. Su labor consiste, pues, en establecer acuerdos para manejar el lenguaje de la química.
Símbolos y fórmulas químicas Para comprender y manejar más eficazmente el lenguaje de la química debemos distinguir claramente entre símbolos químicos y fórmulas químicas. Símbolo químico. Sirve para representar los elementos incluidos en la tabla periódica. Una vez st-editorial.com
asignado el nombre, se utiliza una o más letras en el símbolo. Si el símbolo consta de una sola letra, esta se escribe con mayúscula, y en el caso de tener más, la primera se escribe con mayúscula seguida de minúsculas. En el cuadro 1 podrás encontrar algunos ejemplos de esta escritura. La mayoría de los símbolos químicos se derivan del nombre del elemento, algunos del español, otros del inglés, alemán, francés, latín o ruso. Por ejemplo, el cobre (cuprum, Cu), el estaño (stannum, Sn), el hierro (ferrum, Fe), la plata (argentum, Ag) y el plomo (plumbum, Pb), entre otros, tomaron su símbolo del nombre en latín. Existen otros casos en los que se utilizó el nombre de una ciudad: californio (Cf ), de California, y berkelio (Bk), de Berkeley. También encontramos algunos elementos cuyo nombre y símbolo se han tomado del nombre de algunos científicos eminentes como Einstein (einstenio, Es), Rutherford (rutherfordio, Rf ) y Mendeleïev (mendelevio, Mv). 163
BLOQUE 6
E l mundo que te rodea
La UIQPA (IUPAC, por sus siglas en inglés) se fundó a principios del siglo XX y está formada por los miembros de todas las sociedades nacionales de química. Además de establecer los estándares en el manejo de los símbolos químicos y la nomenclatura de los compuestos, se encarga también de normalizar las masas, las medidas y los protocolos químicos usados en todo el mundo.
Compuestos químicos. Se representan por una fórmula química en la que se expresa la clase de elementos químicos que la forman y la relación numérica en la que participan. La fórmula del agua (H2O) nos expresa que está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Por su parte, la fórmula del sulfato de potasio, K2SO4, indica que existen dos átomos de potasio, uno de azufre y cuatro de oxígeno. Para escribir fórmulas químicas como las anteriores, hay que tomar en cuenta una serie de conceptos y reglas que iremos describiendo conforme avancemos en el estudio de los temas del bloque. En primer lugar, hay que considerar que en la fórmula química interviene la unión de un ion positivo, al que llamaremos catión, con un ion negativo, al que llamaremos anión. Es importante tener presente que un ion se forma cuando los átomos ganan o pierden electrones, y que los metales tienden a perder electrones, convirtiéndose en iones positivos o cationes; mientras que los no metales tienden a ganar electrones, transformándose así en iones negativos o aniones. Los átomos no forman iones por sí mismos, y con frecuencia se llegan a formar cuando se combinan metales con no metales, aunque no son las únicas posibilidades. A la capacidad que tienen los elementos para ganar o perder electrones la llamamos valencia, que generalmente coincide con el grupo al que pertenece; es muy precisa para los elementos representativos con valencias como 1, 2, 3 (figura 1). Sin embargo, tanto los grupos A como B llegan a tener más de una valencia. Para esto último sería más conveniente hablar de número de oxidación, determinado por el compuesto donde se encuentra el elemento químico, que puede tomar un valor positivo o negativo, según el otro elemento con que se combine. Por ejemplo, el oxígeno casi siempre tiene un número de oxidación de 2-, pero si se combina con el flúor, presenta un número de oxidación de 2 , producto de la electronegatividad. Entonces, es importante observar el número de oxidación de un elemento. Para determinarlo, se consideran las siguientes reglas: R5 &5(Ě' ,)5 5)2# #ĉ(5 5/(5 & ' (.)5&# , 5B(65h65hC5 -5f8 R5 &5(Ě' ,)5 5)2# #ĉ(5 &5"# ,ĉ! ()5 -5g65 2 *.)5 (5&)-5"# ,/,)-5' .á&# )-5 donde es 1- . R5 &5(Ě' ,)5 5)2# #ĉ(5 &5)2ù! ()5 -5h765 2 *.)5 (5&)-5* ,ĉ2# )-5+/ 5 -5g785 Con el flúor actúa con número de oxidación 2 . R5 &5(Ě' ,)5 5)2# #ĉ(5 5&)-5' .& -5 (5&)-5 )'*/ -.)-5 -5#!/&55-/50& ( #5 iónica. Por ejemplo, alcalinos 1 , alcalino-térreos 2 . R5 &5(Ě' ,)5 5)2# #ĉ(5 5/(5#)(5 -5#!/&55-/5 ,!8 R5 5-/'5&! ,# 5 5&)-5(Ě' ,)-5 5)2# #ĉ(5 5.) )-5&)-5á.)')-5 5/(5 )'*/ -.)5 -5#!/&55f8
Estas reglas nos ayudarán a conocer con precisión el número de oxidación con el que “trabaja” un elemento en un compuesto determinado, y las emplearemos más adelante en el balanceo de ecuaciones químicas.
Glosario 164
CUADRO 1../-%.#,!452!$%!,'5./3%,%-%.4/3 .OMBRE 3¤MBOLO .OMBRE 3¤MBOLO DELELEMENTO DELELEMENTO
.OMBRE DELELEMENTO
!LUMINIO
!L
(IDRGENO
(
!ZUFRE
3
(IERRO
&E
"ARIO
"A
3ODIO
.A
#OBRE
#U
#ARBONO
C
-ERCURIO
(G
0OTASIO
K
/RO
!U
/X¤GENO
O
:INC
:N
#ALCIO
#A
0LATA
!G
.ITRGENO
.
!RS£NICO
!S
-G
0LOMO
0B
#LORO
#L
-AGNESIO
3¤MBOLO
.OMBRE DELELEMENTO
3¤MBOLO
Fórmula química.-£TODOABREVIADOPARAMOSTRARLACOMPOSICINDEUNASUSTANCIAUSANDOLOSS¤MBOLOSDELOSELEMENTOS Número de oxidación. #ARGAAPARENTEQUEADQUIEREUNÖTOMOCUANDOFORMAPARTEDEUNCOMPUESTO
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MANEJAS LA NOMENCLATURA QUÍMICA INORGÁNICA
Figura 1. La forma en que las sustancias reaccionan unas con otras está determinada por los electrones de valencia.
Desarrolla competencias
actividad individual
Resuelve ejercicios de nomenclatura química.
Determina el número de oxidación para cada elemento, tomando como base las reglas que acabamos de enlistar.
1. Serie I
4. Serie IV
a. Fe
a. NaCl
b. Ni
b. KF
c. Cl2
c. CaBr2
d. F2
d. Sr3N2
e. O2
e. Be2C
2. Serie II
5. Serie V
a. H2O
a. ClO1-
b. H3N
b. SO32-
c. H2Se
c. CrO42-
d. NaH
d. PO43-
e. CaH2
e. NH41+
3. Serie III
6. Serie VI
a. MgO
a. Al2(SO4)3
b. Li2O
b. Ca(NO3)2
c. CO2
c. Fe(HCO3)3
d. NO
d. RbMnO4
e. SO3
e. K2Cr2O7
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165
BLOQUE 6
CUADRO 2.3)34%-!3$% ./-%.#,!452!53!$/3 %.15Ù-)#! #OMPUESTO
3ISTEMA'INEBRA
&E/
ÊXIDOFERROSO
&E2O3
ÊXIDOF£RRICO
3/2
!NH¤DRIDOSULFUROSO
3/3
!NH¤DRIDOSULF¢RICO
0B3/4
3ULFATOPLUMBOSO
0B3/4)2
3ULFATOPL¢MBICO
3ISTEMA3TOCK ÊXIDODE HIERRO)) ÊXIDODE HIERRO))) ÊXIDODE AZUFRE)6 ÊXIDODE AZUFRE6)
3ISTEMAIUPAC -ONXIDODEHIERRO 4RIXIDODEDIHIERRO $IXIDODEAZUFRE 4RIXIDODEAZUFRE
3ULFATODE PLOMO))
4ETRAOXOSULFATO DEPLOMO))
3ULFATODE PLOMO)6
4ETRAOXOSULFATO DEPLOMO)6
Nomenclatura química para los diversos grupos de compuestos A lo largo de la historia de la química se han hecho intentos por sistematizar los nombres de los compuestos para que en todo el mundo se emplee el mismo lenguaje y no genere confusión al referirnos a un mismo compuesto. Durante un largo tiempo se utilizó el denominado Sistema Ginebra, que se caracterizaba por utilizar en los nombres terminaciones -oso e -ico, según el número de oxidación del elemento central. Más adelante, comenzó a utilizarse la nomenclatura Stock, que emplea en el nombre un número romano encerrado entre paréntesis para los cationes con varios números de oxidación. La uiqpa ha establecido un sistema que pretende ser mucho más sistemático, como veremos más adelante. Observa en el cuadro 2 algunos ejemplos de los tres sistemas de nomenclatura que se han empleado durante varios años. Aunque actualmente todavía se utiliza el Sistema Ginebra, emplearemos, con preferencia en este texto, el Sistema Stock.
Moléculas simples Son aquellas constituidas por átomos de un mismo elemento. Su fórmula se representa mediante el símbolo del elemento con un subíndice para indicar el número de átomos. A continuación, se enumeran los casos de moléculas simples: R5 )-5!- -5() & -5-)(5')().ĉ'# )-95" &#)5B C52 (ĉ(5B C65, ĉ(5B(C65 (., 5).,)-8 R5 2#-. (5-# . 5 & ' (.)-5+/ 5 (5-/5 -. )5(./,&5- 5*, - (.(5 )')5')&ï /&-5 diatómicas. Estos son: hidrógeno (H2), oxígeno (O2C65(#.,ĉ! ()5B2), cloro (Cl2), flúor (F2), yodo (I2) y bromo (Br2). R5 2#-. (5).,-5')&ï /&-5-#'*& -5*)&#.ĉ'# -5 )')5 &54/ , 5B8), el ozono (O3) y el fósforo (P4). R5 )-5' .& -5 (5 -. )5&# , 5-#'*& ' (. 5- 5, *, - (.(5' #(. 5-/5-ù' )&)95 cobre (Cu), hierro (Fe), plata (Ag), entre otros.
Compuestos binarios: óxidos metálicos y no metálicos, sales binarias e hidruros Están constituidos por dos elementos distintos unidos entre sí, mediante algún tipo de enlace. Para escribir la fórmula, se siguen estos pasos: R5 5().5 &5-ù' )&)5 &5 & ' (.)5*)-#.#0)5)5 .#ĉ(5- !/# )5 &5-ù' )&)5 &5 & mento negativo o anión, con sus respectivos números de oxidación. R5 &5(Ě' ,)5 5)2# #ĉ(5 &5 & ' (.)5*)-#.#0)5*-5 )')5-/ ù( # 5 &5( !.#0)65 prescindiendo del signo, y viceversa. Cuando el número de oxidación es uno, no se escribe en la fórmula, ya que se sobreentiende. Si los números de oxidación son iguales en ambos iones, se neutralizan y no aparecen como subíndices en la fórmula; sin embargo, cuando uno es múltiplo del otro, se dividen ambos entre el menor y los resultados correspondientes se fijan como subíndices definitivos.
Figura 2. El cloruro de calcio es muy utilizado en las más prestigiosas cocinas del mundo, en un proceso conocido como esferificación básica: creación de bolitas tipo caviar.
166
Para nombrar al compuesto, por regla general, se cita primero la raíz del ion negativo con la terminación -uro (excepto en los óxidos), seguida del nombre del otro elemento precedido por la preposición “de”. Si el ion positivo tiene distinto número de oxidación, se escribirá a continuación en números romanos y entre paréntesis (menos el signo). Para escribir fórmulas químicas es fundamental aprenderse una lista de aniones y cationes con los cuales se trabajará constantemente (cuadro 3). Es importante notar que tanto en este cuadro como en los siguientes ejemplos, resulta indistinto escribir el número de oxidación como 1 o 1 , incluso en la parte de balanceo de ecuaciones que veremos más adelante. Cabe señalar que los elementos que tienen dos números de oxidación no son los únicos, pero son los fundamentales. Estos números se conocen como estados de oxidación fundamental. Veamos unos ejemplos para aplicar las reglas de nomenclatura mediante el Sistema Stock en compuestos binarios. [Ej. 1, 2, 3, 4] st-editorial.com
MANEJAS LA NOMENCLATURA QUÍMICA INORGÁNICA
CUADRO 3. )/.%3-/./!4Ê-)#/3 #ATIONESIONESPOSITIVOS O ,ITIO ,I 3ODIO .A 0OTASIO K 2UBIDIO 2B &RANCIO &R 0LATA !G (IDRGENO ( 2+ "ERILIO "E -AGNESIO -G #ALCIO #A %STRONCIO 3R "ARIO "A 2ADIO 2A :INC :N #ADMIO Cd 3+ "ORO B !LUMINIO !L #OBRE #U -ERCURIO (G /RO !U 'ALIO 'A #ROMO #R (IERRO &E #OBALTO #O .¤QUEL .I 0ALADIO Pd 0LATINO 0T 'ERMANIO 'E -ANGANESO -N 0LOMO 0B 3ILICIO 3I %STA®O 3N !NIONESIONESNEGATIVOS
&LUORURO & #LORURO #L "ROMURO "R 9ODURO I (IDRURO ( 23ULFURO 3 ÊXIDO O 3.ITRURO . st-editorial.com
Ejemplo 1
Y su nombre sería:
Elegimos de las tablas un ion positivo y un ion negativo, y los ordenamos, primero el positivo, luego el negativo.
Cloruro de calcio (figura 2)
Tomamos en primer lugar los que tienen un solo número de oxidación:
Ejemplo 3
K Br +1
-1
Puesto que ambos tienen un mismo número de oxidación, estos se neutralizan.
Fe+2 Fe+2
F-1 F-1
Fe
F2
Para nombrarlo, iniciamos con el anión (bromuro), luego el nombre del catión (potasio) precedido por la preposición “de”:
Procedemos como en el ejemplo anterior. Puesto que el hierro tiene dos números de oxidación, al escribir el nombre de la fórmula se especifica el número en romano al final del nombre y entre paréntesis:
(KBr) Bromuro de potasio
FeF2 Fluoruro de hierro (II)
Ejemplo 2 En este caso, tomamos dos iones, el positivo del lado izquierdo y el negativo del derecho:
Ejemplo 4 Mn+4 Mn+4
O-2 O-2
Ca+2 Cl-1 Cruzando los números de oxidación: Ca+2
En este caso, los números de oxidación son múltiplos, por lo que podemos simplificarlos, y la fórmula resultante quedaría:
Cl-1 MnO2
La fórmula quedaría:
Su nombre sería:
CaCl2
Óxido de manganeso (IV)
Si observas el mapa conceptual, comprobarás que para los compuestos binarios existe una clasificación que depende del tipo de elementos que se combinen.
Compuestos binarios
óxidos metálicos
óxidos no metálicos
sales binarias
no metálicos de carácter no ácido
hidruros
no metálicos de carácter ácido
metálicos
167
BLOQUE 6
R etrato En 1793, Joseph Priestley (1733-1804) descubrió el óxido de nitrógeno (I), compuesto formado por la combinación de oxígeno y nitrógeno, conocido como “gas de la risa”. Además, estudió el proceso de fermentación de la cerveza, que produce un gas conocido como anhídrido carbónico, y se dio cuenta de que era más pesado que el aire y capaz de extinguir una llama. Una vez disuelto en agua, descubrió que le daba un sabor agradable. Había descubierto el agua de soda.
Óxidos metálicos Son aquellos que están formados por un metal y el oxígeno. El oxígeno representa al elemento central con un número de oxidación de 2- y los metales actuarán con uno o más números de oxidación, dependiendo de su naturaleza (cuadro 4). Óxidos no metálicos Los óxidos no metálicos, también conocidos como óxidos ácidos, están formados por un no metal y el oxígeno. Aquí también el oxígeno tiene un número de oxidación de 2- y el no metal presenta uno de sus números de oxidación positivos (cuadro 4). Sales binarias Son también conocidas como sales hidrácidas y están formadas por un metal y un no metal. Se obtienen a partir de los hidruros no metálicos que tienen un carácter ácido. El número de oxidación del no metal es negativo, mientras que el metal actúa con uno de sus números de oxidación (cuadro 4).
Hidruros Son combinaciones de hidrógeno con otros elementos químicos. Podemos definir tres clases. Hidruros no metálicos con carácter no ácido. Es la combinación del hidrógeno (con número de oxidación de -1) con los no metales. Disueltos en agua, presentan una propiedad no ácida. Se ),'(5 )(56565-65 6565#5355B / ,)5jC8 Hidruros no metálicos con carácter ácido. Existen otros hidruros no metálicos que tienen un carácter ácido cuando se combinan con F, Cl, Br I, S, Se o Te. El hidrógeno se encuentra aquí con número de oxidación de 1. Al nombrar los compuestos no aparece la palabra hidruro, puesto que se inicia con el nombre que tiene el ion negativo (cuadro 4). Hidruros metálicos. Son aquellos compuestos que están formados por hidrógeno y un metal. El hidrógeno actúa con número de oxidación de 1- y el metal con uno de sus números de oxidación (cuadro 4).
CUADRO 4. ./-%.#,!452!$%,/3#/-05%34/3").!2)/3 .OMBRE3ISTEMA3TOCK
&RMULA
.OMBRE3ISTEMA3TOCK
ÊXIDOSMETÖLICOS
&RMULA
3ALESBINARIAS
.OMBRE3ISTEMA3TOCK
&RMULA
(IDRUROSNOMETÖLICOSCONCARÖCTERÖCIDO
ÊXIDODEBARIO
"A/
#LORURODESODIO
.A#L
&LUORURODEHIDRGENO
(&
ÊXIDODEALUMINIO
!L2O3
"ROMURODEHIERRO))
&E"R2
#LORURODEHIDRGENO
(#L
ÊXIDODEPLOMO)6
0B/2
&LUORURODEZINC
:N&2
3ULFURODEHIDRGENO
(23
ÊXIDODEESTA®O))
3N/
9ODURODEPLATA
!G)
9ODURODEHIDRGENO
()
ÊXIDODEHIERRO)))
&E2O3
3ULFURODECADMIO
#D3
4ELURURODEHIDRGENO
(24E
ÊXIDOSNOMETÖLICOS
(IDRUROSNOMETÖLICOSCONCARÖCTER NOÖCIDO
(IDRUROSMETÖLICOS
ÊXIDODEAZUFRE)6
3/2
(IDRURODECARBONO)6
#(4
(IDRURODEHIERRO)))
&E(3
ÊXIDODECARBONO))
CO
(IDRURODENITRGENO)))
.(3
(IDRURODEMAGNESIO
-G(2
ÊXIDODEYODO6
I2O5
(IDRURODEFSFORO)))
0(3
(IDRURODEBERILIO
"E(2
ÊXIDODEAZUFRE6)
3/3
(IDRURODEBORO)))
"(3
(IDRURODESODIO
.A(
ÊXIDODECARBONO)6
CO2
(IDRURODESILICIO)6
3I(4
(IDRURODEPLOMO))
0B(2
168
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MANEJAS LA NOMENCLATURA QUÍMICA INORGÁNICA
Desarrolla competencias
Escribe correctamente las fórmulas y nombres de los compuestos químicos inorgánicos.
actividad grupal
Reconoce compuestos químicos inorgánicos en productos de uso cotidiano.
Reunidos en equipos, realicen los siguientes ejercicios.
1. Utilicen la información del cuadro 3 para construir cada una de las fórmulas en el cuadro que aparece a continuación. Posteriormente anoten su nombre en la línea que corresponda. Finalizado el ejercicio comparen sus respuestas con el resto de los equipos y pidan, en caso de duda, el apoyo de su profesor. ,I
"E
!L
&E2-
&E3+
0B4+
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
i.
j.
k.
l.
m.
n.
ñ.
o.
p.
q.
r.
s.
t.
u.
v.
w.
(
O2-
.3-
#L-1
a.
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b.
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c.
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d.
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f.
q.
g.
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h.
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j.
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k.
v.
l.
w.
2. Algunos de los compuestos binarios están presentes en ciertos artículos de uso cotidiano, y gracias a la costumbre se les conoce por sus nombres comunes (o triviales). Su tarea será encontrar información sobre el uso de estas sustancias y el nombre correcto que debe dárseles. 3USTANCIA
.OMBRECORRECTO
5SOS
Ácido muriático Alúmina Cal viva Gas carbónico Sal común
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169
BLOQUE 6
Compuestos poliatómicos: oxiácidos, oxisales e hidróxidos Están constituidos por tres o más átomos y pueden estar combinados uno o más iones positivos (cationes) con un ion poliatómico negativo (anión). Su nomenclatura es muy similar a la de los compuestos binarios; se nombra primero el anión poliatómico negativo, seguido del nombre del catión. Como veremos a continuación, muchos de los iones poliatómicos están formados de oxígeno y se llaman, por esa razón, oxoaniones, y generalmente tienen el sufijo -ato o -ito. El sufijo -ato nos señala que contiene más oxígeno que la forma -ito. Esto es aplicable para aquellos que forman generalmente solo dos iones. Pero existen muchos iones poliatómicos formados por más oxígenos, y para indicar que hay más oxígenos que en la forma -ato se pone el prefijo per- y el sufijo -ato. Cuando se tienen menos oxígenos que en la forma -ito, se antepone el prefijo hipo- y el sufijo -ito. Los oxoaniones que contienen cloro constituyen un buen ejemplo: ClO4- Perclorato ClO3- Clorato ClO-
ClO2- Clorito Hipoclorito
Solo tres iones no emplean el -ato/-ito: el hidróxido (OH1-), &5 #(/,)5B1-) y el hidrógeno sulfuroso (HS1-). También existen dos iones poliatómicos con carga positiva que son el amonio B41 ) y el ion hidronio (H3O1 ). Al igual que en los compuestos binarios, se recomienda aprenderse la lista de iones poliatómicos que aparece en el cuadro 5. Ya que ahora contamos con iones de más de un elemento, sería conveniente realizar algunos ejemplos que ilustren la manera en que se escriben las fórmulas bajo el Sistema Stock. Consideremos que la lista de cationes es la misma que trabajamos para los compuestos binarios. [Ej. 5, , 7]
Ejemplo 5 Tomamos dos iones donde uno sea positivo y el otro negativo, colocados en este orden:
Ejemplo 7
Ca+2
OH1-
Fe3+
SO42-
Ca+2
OH1-
Fe3+
SO42
Fe
(SO4)3
Puesto que ambos tienen el mismo número de oxidación, estos se neutralizan y la fórmula quedaría así:
Al momento de colocar los números de oxidación, ubicaremos el 2 del calcio como subíndice del ion hidróxido, solo que este ion lo encerraremos entre paréntesis y el 2 queda fuera de él, de la siguiente manera:
RbNO3
Ca(OH)2
Cuyo nombre es:
Y su nombre sería:
Nitrato de rubidio
Hidróxido de calcio
Rb+1 NO3-1
170
Ejemplo
CUADRO 5.)/.%30/,)!4Ê-)#/3
(IDRXIDO /( .ITRITO ./2 .ITRATO ./3 #IANURO #. "ICARBONATO (#/3 0ERMANGANATO -N/4 (IPOCLORITO #L/ #LORITO #L/2 #LORATO #L/3 0ERCLORATO #L/4 (IPOBROMITO "R/ "ROMITO "R/2 "ROMATO "R/3 0ERBROMATO "R/4 (IPOYODITO IO 9ODITO IO2 9ODATO IO3 0ERYODATO IO4 23ULlTO 3/3 3ULFATO 3/4 #ROMATO #R/4 $ICROMATO #R2O7 4IOSULFATO 32O3 #ARBONATO CO3 3&OSlTO PO3 &OSFATO PO4 !RSENIATO !S/4 1+ !MONIO .(4
2
Fe2 (SO4)3 Y su nombre sería: Sulfato de hierro (III)
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MANEJAS LA NOMENCLATURA QUÍMICA INORGÁNICA
Los compuestos poliatómicos se clasifican de tres formas diferentes:
Compuestos poliatómicos
oxiácidos
oxisales
hidróxidos
R5 ),5&)5.(.)65 &5(Ě' ,)5 5)2# #ĉ(5 &55 (5 &5 )'puesto es 5. Este, en número romano, es el que se coloca en el nombre del compuesto (V). Aunque no estamos tratando la nomenclatura Ginebra, es importante que la conozcas ya que es más usual que la del Sistema Stock en este caso (cuadro ). CUADRO 6../-%.#,!452!$%/8)¬#)$/3 3ISTEMA3TOCK
Oxiácidos La característica de los oxiácidos es la presencia del hidrógeno (ion positivo) y un ion negativo formado por un átomo característico central (que le da el nombre) juntamente con el oxígeno, el cual le da nombre al grupo de los oxiácidos. En el Sistema Stock hay que considerar las siguientes reglas para nombrar estos compuestos: R5 )5- 5 '*& 5&5*& ,5^á # )-_8 R5 5/.#(5*, ŀ$)-5 )')5)2)765 #)2)765.,#)2)765- !Ě(5 &5 número de oxígenos. Es muy parecida a la parte de la nomenclatura de Ginebra que utiliza los prefijos griegos mono- (1), di- (2), tri- (3), tetra- (4), penta- (5), hexa- ( ), hepta- (7), octa- (8), entre otros. El prefijo mono-, si resulta innecesario, puede omitirse. R5 &5 ()' , 5 &5 & ' (.)5 (.,&5 - 5 " 5 . ,'#(,5 (5 -ato. R5 5Ą 5&5ŀ(&5&5 ,- 5^ 5"# ,ĉ! ()_8 Para determinar el número de oxidación del elemento central –el cual irá en el nombre del compuesto en número romano– empleamos las reglas para obtener el número de oxidación. Por ejemplo, para conocer el número de oxida #ĉ(5 &55 &5 )'*/ -.)53: R5 )&) ')-5 &5 (Ě' ,)5 5 )2# #ĉ(5 &5 65 +/ 5 5 acuerdo con las reglas es 1 y para el O es 2-. 1
-2
&RMULA
4RIOXONITRATO6 DEHIDRGENO
¬CIDON¤TRICO
(./3
4ETRAOXOSULFATO6) DEHIDRGENO
¬CIDOSULF¢RICO
(23/4
4ETRAOXOCLORATO6)) DEHIDRGENO ¬CIDOPERCLRICO
(#L/4
4RIOXOCARBONATO)6 DEHIDRGENO ¬CIDOCARBNICO
(2CO3
4ETRAOXOFOSFATO6 DEHIDRGENO
(3PO4
¬CIDOFOSFRICO
Oxisales Son muy similares a las anteriores, con la diferencia de que en lugar del hidrógeno, tenemos cualquier otro anión con sus respectivos números de oxidación. De igual manera, hay que determinar el número de oxidación del elemento central para colocar su valor con número romano en el nombre del compuesto (cuadro 7). Hidróxidos Son compuestos formados por combinación del ion hidróxido (OH-) con cationes metálicos. Estos compuestos también se llaman bases, debido a la tendencia que tienen los OH- para reaccionar con los H . Se nombran mediante la palabra hidróxido y el nombre del catión, con sus respectivos números de oxidación (cuadro 7). CUADRO 7./-%.#,!452!$%/8)3!,%3%()$2Ê8)$/3 3ISTEMA3TOCK
3 R5 5+/ 5. ( ')-5i5)2ù! ()-65&5 ,!5.).&5 -5 57l5B-#'plemente multiplica 3 × 2-) y el hidrógeno quedaría en 1.
3ISTEMA'INEBRA
&RMULA
/XISALES 4RIOXOCLORATO6 DESODIO
.A#L/3
4ETRAOXOSULFATO6) DECOBRE))
#U3/4
4ETRAOXOSILICATO)6 DEZINC
:N23I/4
1
-
4RIOXONITRATO6 DECROMO)))
#R./3)3
1
-2
$IOXOCLORITO))) DEMANGANESO)6
-N#L/2)4
3 R5 / -.)5 +/ 5 &5 , !&5 # 5 +/ 5 ^&5 -/'5 &! ,# 5 5 los números de oxidación de todos los átomos de un compuesto es igual a cero”, entonces: g5k57l55f 1
-2
3 st-editorial.com
(IDRXIDOS (IDRXIDODESODIO
.A/(
(IDRXIDODEMAGNESIO
-G/( 2
(IDRXIDODEHIERRO))
&E/( 2
(IDRXIDODECOBALTO)))
#O/( 3
(IDRXIDODEALUMINIO
!L/( 3 171
BLOQUE 6
Desarrolla competencias
actividad individual
Resuelve ejercicios de nomenclatura química.
Encuentra el número de oxidación para el elemento central de los siguientes compuestos:
1. HNO2 2. H2SO3 3. H2SO4 4. H3PO3 5. H3PO4
Reglas de la nomenclatura UIQPA para nombrar compuestos inorgánicos
Figura 3. El cloruro de potasio se emplea en medicina, en casos de diarrea, vómitos y en el tratamiento posquirúrgico del aparato digestivo.
Figura 4. El H2SO4 se emplea en la elaboración de fertilizantes y en las baterías para autos.
A continuación mostramos algunas reglas empleadas según la nomenclatura de la uiqpa para nombrar los compuestos químicos inorgánicos (cuadro 8). Hidrácidos. Ácidos compuestos exclusivamente de hidrógeno y un no metal. Se nombran tomando la raíz del no metal junto con la terminación -uro y agregando “de hidrógeno” . Sales de los hidrácidos. Compuestos que surgen de reemplazar el hidrógeno por un metal en los hidrácidos. Su nombre se construye mencionando en primer lugar el anión con la terminación -uro y posteriormente el nombre del metal (figura 3). Si el metal presenta varios números de oxidación, debe identificarse el número con el que está funcionando mediante un número romano y entre paréntesis al final del nombre. Hidróxidos. La forma de nombrarlos es muy sencilla, solamente se utiliza en primer lugar la palabra hidróxido seguida del nombre del metal. En caso de que el metal utilice varios números de oxidación se procede de la misma forma como en la regla anterior. Hidruros metálicos. Compuestos que se forman con un metal y el hidrógeno (que en este caso trabaja con número de oxidación 1-). Se nombran con la palabra hidruro, seguida del nombre del metal. Óxidos ácidos. Son óxidos de no metales. A la palabra óxido se sigue el nombre del no metal. Para aquellos casos en los que el no metal tenga varios números de oxidación positivos, se debe indicar mediante número romano y entre paréntesis. Óxidos básicos. Son los óxidos de metales. Sus nombres utilizan la palabra óxido, seguida de la identificación del metal en cuestión. Oxiácidos. En la nomenclatura propuesta por la uiqpa, los oxiácidos se nombran de la siguiente manera: R5 5' ( #)(5&5,ù45 &5()' , 5 &5()5' .&5 )(5&5. ,'#( #ĉ(57.)535 &5(/' ral en romanos, si posee más de un número de oxidación. R5 5Ą 5&5()' , 5&5 ,- 5^ 5"# ,ĉ! ()_8 En la figura 4 se puede apreciar un uso del sulfato (VI) de hidrógeno. Sales de los oxiácidos (oxisales). Se forman al reemplazar el o los hidrógenos en
los oxiácidos por un metal. Su nombre se construye de manera similar a las de los oxiácidos, pero en vez de nombrar el hidrógeno se menciona el metal, como marcan las reglas anteriores. Sales ácidas de los oxiácidos. Son aquellas en las cuales no se encuentran reemplazados todos los hidrógenos y existen aún átomos de hidrógeno en la fórmula. Su nombre menciona en primer lugar el total de átomos de hidrógenos que aún quedan presentes, seguido del no metal con terminación -ato y su número de oxidación (si procede), además del nombre del metal correspondiente. 172
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MANEJAS LA NOMENCLATURA QUÍMICA INORGÁNICA
CUADRO 8../-%.#,!452!0!2!#/-05%34/3)./2'¬.)#/3 .OMBREUIQPA
&RMULA
.OMBREUIQPA
(IDRÖCIDOS
&RMULA
ÊXIDOSBÖSICOS
#LORURODEHIDRGENO
(#L
ÊXIDODERUBIDIO
2B2O
"ROMURODEHIDRGENO
("R
ÊXIDODEESTRONCIO
3R/
3ULFURODEHIDRGENO
(23
ÊXIDODEALUMINIO
!L2O3
3ELENIURODEHIDRGENO
(23E
ÊXIDODEVANADIO))
VO
.ITRURODEHIDRGENO
(3.
ÊXIDODEVANADIO)))
V 2 O3
ÊXIDODEVANADIO)6
VO2
ÊXIDODEVANADIO6
V 2 O5
3ALESDELOSHIDRÖCIDOS #LORURODEPOTASIO
+#L
"ROMURODECALCIO
#A"R2
3ULFURODEALUMINIO
!L233
.ITRATO6 DEHIDRGENO
(./3
3ELENIURODECOBRE)
#U23E
3ULFATO)6 DEHIDRGENO
(23/3
.ITRURODEHIERRO)))
&E.
3ULFATO6) DEHIDRGENO
(23/4
&OSFATO))) DEHIDRGENO
(3PO3
(IDRXIDOS
/XIÖCIDOS
(IDRXIDODESODIO
.A/(
&OSFATO6 DEHIDRGENO
(3PO4
(IDRXIDODEBERILIO
"E/( 2
#LORATO) DEHIDRGENO
(#L/
(IDRXIDODEALUMINIO
!L/( 3
#LORATO))) DEHIDRGENO
(#L/2
(IDRXIDODEORO)
!U/(
#LORATO6 DEHIDRGENO
(#L/3
(IDRXIDODEORO)))
!U/( 3
#LORATO6)) DEHIDRGENO
(#L/4
(IDRUROSMETÖLICOS
#LORATO) DEMOLIBDENO)6
-O#L/ 4
(IDRURODEMAGNESIO
-G(2
#LORATO))) DEMOLIBDENO6
-O#L/2)5
(IDRURODEHIERRO))
&E(2
#LORATO6 DEMOLIBDENO6)
-O#L/3)6
(IDRURODEHIERRO)))
&E(3
#LORATO6)) DEHIERRO)))
&E#L/4)3
(IDRURODEPLOMO)6
0B(4 ÊXIDOSÖCIDOS
3ALESDELOSOXIÖCIDOS .ITRATO6 DECALCIO
#A./3)2
ÊXIDODECLORO)))
#L2O3
3ULFATO)6 DEPLOMO))
0B3/3
ÊXIDODECLORO6
#L2O5
3ULFATO6) DEPLOMO)6
0B3/4)2
ÊXIDODECLORO6))
#L2O7
&OSFATO))) DEALUMINIO
!L0/3
ÊXIDODEAZUFRE)6
3/2
&OSFATO6 DEHIERRO))
&E30/4)2
ÊXIDODEAZUFRE6)
3/3
ÊXIDODECARBONO))
CO
(IDRGENOFOSFATO6 DESODIO
.A2(0/4
ÊXIDODECARBONO)6
CO2
$IHIDRGENOFOSFATO6 DECOBRE)
#U(2PO4
(IDRGENOCARBONATO)6 DEORO)))
!U(#/3)3
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3ALESÖCIDASDELOSOXIÖCIDOS
173
BLOQUE 6
E l mundo que te rodea Los hidróxidos son el resultado de la combinación de un óxido con el agua. También se conocen con el nombre de bases y se comportan como sustancias que en solución producen iones hidroxilo. El hidróxido constituye uno de los iones poliatómicos más simples.
Desarrolla competencias
actividad individual
Resuelve ejercicios de nomenclatura química.
Aplica correctamente las fórmulas químicas a la solución de problemas.
1. Escribe el nombre de las siguientes fórmulas. a. RaF2 b. CsHCO3 c. Cu(BrO)2 d. BeCrO4 e. Zn3(AsO4)2 f.
S2O3
g. Hg3(AsO3))2 h. Mn(IO3)4 i.
B(ClO3)3
j.
AuNO3
k. Sr(OH)2 l.
Ag2SO4
m. CaCr2O7 n. Ga(IO)3 ñ. H2SO4 o. Na2O p. K2S q. Ba3(PO3)2 r.
AlH3
s. FeBr3 t.
174
PbH4
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MANEJAS LA NOMENCLATURA QUÍMICA INORGÁNICA
2. Escribe el nombre y el (los) número(s) de oxidación de los siguientes aniones y cationes. )ONES
.OMBRE
.¢MEROS DEOXIDACIN
Ca NO3 Mn Al Cu SO4 Fe Cr O CO3 Cl IO3 OH CN Ba Cd Sn NH4 AsO4
3. Escribe la fórmula de los siguientes compuestos. #OMPUESTO
&RMULA
Sulfito de calcio Cloruro de magnesio Carbonato de níquel (III) Bromato de oro (I) Permanganato de potasio Cromato de aluminio Cianuro de sodio Clorato de manganeso (IV) Óxido de estaño (II) Trioxonitrato (V) de cobalto (III) Tiosulfato de cadmio Arseniato de germanio (IV) Hidróxido de mercurio (II) Bicarbonato de hierro (III) Óxido de bario Tetraoxoclorato (VII) de hidrógeno Sulfito de amonio Carbonato de potasio Dicromato de silicio (IV)
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BLOQUE 6
Manejo y almacenamiento de sustancias peligrosas Aprender química implica conocer no solo el nombre y la fórmula de muchos compuestos, sino también distinguir cuál es el manejo apropiado y las medidas de seguridad que debe tenerse con ellas si se conservan en el hogar, en la escuela o en el lugar de trabajo. Muchos países, incluyendo el nuestro, han difundido información sobre las medidas necesarias para evitar riesgos en el uso y almacenamiento de químicos. Entre otras cosas se ha acordado utilizar pictogramas que indican el peligro asociado con las sustancias y las precauciones que deben tomarse en cuenta para su manejo. En el siguiente infográfico se muestra un resumen de esto.
INFOGRÁFICO. PICTOGRAMAS QUE INDICAN PELIGRO Peligro #OMPUESTOSQUEPUEDENINmAMARSUSTANCIASCOMBUSTIBLESOFAVORECERLA AMPLITUDDEINCENDIOSYADECLARADOS DIlCULTANDOSUEXTINCIN
Precaución %VITARELCONTACTOCONSUSTANCIASCOMBUSTIBLES
Precaución
Peligro 3USTANCIASQUEPUEDENEXPLOTARBAJODETERMINADAS CONDICIONES
%VITARCHOQUE PERCUSIN FRICCIN CHISPASYCALOR
Precaución
Peligro 3USTANCIASQUEAFECTANDEMANERAIRREVERSIBLEAL MEDIOAMBIENTE
Peligro 3USTANCIASEXTREMADAMENTEINmAMABLES BIENDEFORMA ESPONTÖNEAOENCONTACTOCONELAIREOELAGUA Extremadamente Inflamable
Peligro 3USTANCIASINmAMABLESOVOLÖTILES
%VITARSUELIMINACINDEFORMAINCONTROLADA
Precaución !LEJARFUENTESDECALOR LLAMASOCHISPAS
Precaución !LEJARFUENTESDECALOR LLAMASOCHISPAS
Inflamable 3OBREELUSODECIERTASSUSTANCIAS 3OBREAFECCIONESENLASALUD
Peligro 0ORCONTACTOCONESTASSUSTANCIASSE DESTRUYENTEJIDOVIVOYOTROSMATERIALES Irritante
Peligro 0RODUCENIRRITACINSOBRELAPIELYLOSOJOS YAFECTAN ELSISTEMARESPIRATORIO
Tóxico
Muy tóxico
Nocivo
Peligro 3USTANCIASQUEPORINHALACIN INGESTINOPENETRACIN CUTÖNEAPUEDENPROVOCARDA®OSENLASALUD
Peligro 3USTANCIASQUEPORINHALACIN INGESTINOPENETRACIN CUTÖNEAPUEDENPROVOCARDA®OSMUYSERIOSENLASALUD
Peligro 0RODUCENEFECTOSNOCIVOSDEPOCATRASCENDENCIA
Glosario 176
Precaución .OINHALARLOSVAPORESYEVITAREL CONTACTOCONLAPIEL OJOSYROPA
Precaución .OINHALARLOSVAPORESYEVITAREL CONTACTOCONLAPIEL
Precaución %VITARCUALQUIERCONTACTOCON ELCUERPO
Precaución %VITARCUALQUIERCONTACTOCONEL CUERPOY ENCASODEMALESTAR ACUDIRALM£DICO
Precaución %VITARCONTACTOEINHALACINDEVAPORES
Pictograma. 3IGNOQUEREPRESENTADEFORMAESQUEMÖTICAUNOBJETO st-editorial.com
MANEJAS LA NOMENCLATURA QUÍMICA INORGÁNICA
E n la web Recomendamos visitar las siguientes páginas para conocer más sobre los temas de este bloque: U www.iocd.unam.mx/nomencla/nomencla.htm U www.alonsoformula.com/inorganica/ U www.alonsoformula.com/organica/
Desarrolla competencias
actividad grupal
Reconoce compuestos químicos inorgánicos en productos de uso cotidiano.
Reunidos en equipos, realicen las siguientes actividades.
1. Investiguen sobre las propiedades de por lo menos cinco sustancias químicas que se utilicen frecuentemente en su casa o en su escuela, y sobre los riesgos que pueden representar para la salud personal o comunitaria y el medio ambiente. Determinen cuál o cuáles etiquetas deberían colocársele a cada envase que los contenga y cuáles son las mejores condiciones para almacenarlo, en caso necesario. Organizados por su profesor, inicien una campaña de seguridad y prevención de riesgos en la que se informe a la comunidad sobre el significado de los pictogramas y las medidas necesarias para evitar accidentes.
2. A lo largo y ancho de nuestro país circulan gran cantidad de vehículos contenedores de sustancias químicas. Por norma oficial, todos estos vehículos deben portar en un lugar visible un rombo de colores que sirve para identificar los riesgos asociados con la sustancia que transportan. Con los mismos equipos, realicen lo siguiente: a. Investiguen sobre el significado de los colores y números que lleva el rombo de seguridad. b. Determinen cuál o cuáles lugares de su comunidad serán los más recomendables para observar el paso de los vehículos contenedores y organicen los tiempos de los integrantes de equipo para poder registrar, en el periodo que les parezca más conveniente, la información que brinda el rombo de seguridad de cada transporte. c. Procesen la información obtenida y determinen de qué tipos son las sustancias que llevaban los vehículos e identifiquen los riesgos asociados a su manejo. d. Expongan sus hallazgos y sus conclusiones al resto del grupo y a su profesor, de tal manera que reciban retroalimentación al respecto.
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177
Evaluación sumativa Heteroevaluación I. Relaciona las siguientes columnas. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
Valencia Sales binarias Oxiácidos Anión Hidróxidos Óxidos metálicos Oxisales Número de oxidación Elemento libre Hidruros Catión Compuestos poliatómicos Compuestos binarios
a. Compuestos que reciben el nombre de bases. b. Carga aparente que adquiere un átomo cuando forma parte de un compuesto. Aquellos que se integran por dos elementos diferentes. Aquel que no está combinado con otro elemento. Ion positivo. Compuesto formado por un metal y un no metal. P resentan hidrógeno, un átomo central que da el nombre y oxígeno. h. Ion negativo. i. Presentan cualquier elemento, un átomo central que da el nombre y oxígeno. j. Compuestos formados por un metal y oxígeno. k. Son combinaciones del hidrógeno con otros elementos. l. Compuestos constituidos por tres o más átomos. m. Capacidad de combinación de un átomo.
c. d. e. f. g.
II. Escribe el nombre de los siguientes compuestos. 1. AgH 2. Al(OH)3 3. AlN 4. Au2O 5. BaBr2 6. CO2O3 7. Fe(IO3)3 8. Fr2O 9. H2CrO4 10. H2SO4 11. HBrO3 12. HCl 13. HNO3
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III. Escribe en tu cuaderno la fórmula de los siguientes compuestos. 1. Bromuro de estaño (IV)
8. Hidruro de estaño (II)
2. Cloruro de amonio
9. Hidruro de nitrógeno (III)
3. Cloruro de manganeso (II)
10. Hidruro de potasio
4. Dioxoyodito (III) de hidrógeno
11. Óxido de aluminio
5. Fluoruro de hidrógeno
12. Óxido de bario
6. Heptaoxodicromato (VII) de hidrógeno
13. Óxido de cobre (II)
7. Hidróxido de plomo (II)
Autoevaluación I. En tu cuaderno, describe, utilizando un diagrama de flujo o un mapa mental, el proceso para: 1. Escribir la fórmula de un compuesto a partir de su nombre. 2. Escribir el nombre del compuesto a partir de su fórmula. II. Nuestra capacidad de aprender mejora cuando conocemos con precisión qué hemos aprendido y cuánto –de lo pretendido originalmente– hemos conseguido. En la siguiente tabla marca con una X tu nivel de desempeño. .IVELDEDESEMPE®O
!SPECTO
4
3
Formulación química Puedo, sin dificultad inorgánica alguna, escribir el nombre de un compuesto a partir de su fórmula y también escribir la fórmula a partir del nombre.
Puedo, en la mayoría de los casos, escribir el nombre de un compuesto a partir de su fórmula y también escribir la fórmula a partir del nombre.
Reconocimiento de compuestos químicos en productos de uso cotidiano
En las sustancias que manejo cotidianamente logro identificar en 70-90% de los casos los compuestos químicos inorgánicos que están presentes.
En las sustancias que manejo cotidianamente logro identificar en 90100% de los casos los compuestos químicos inorgánicos que están presentes.
2
1
Puedo, con varias fallas, escribir el nombre de un compuesto a partir de su fórmula y también escribir la fórmula a partir del nombre. Requiero apoyo de mi profesor. En las sustancias que manejo cotidianamente logro identificar en 60-40% de los casos los compuestos químicos inorgánicos que están presentes.
Tengo muchos errores al resolver problemas de este tipo. Requiero apoyo constante de mi profesor o de mis compañeros.
Me es casi imposible identificar los compuestos químicos inorgánicos que están presentes en las sustancias que manejo cotidianamente.
De los desempeños marcados con 1 o con 2, anota en tu cuaderno un compromiso de trabajo concreto y establece una fecha para su consecución.
III. Reflexiona y responde las siguientes preguntas en tu cuaderno acerca de tu desempeño durante el estudio del bloque.
1. ¿Qué aprendizajes adquiriste?, ¿cómo los aprendiste? 2. ¿Cómo te ayudaron los conocimientos de tu vida cotidiana para comprender los temas presentados en el bloque?
3. ¿Cuál es la práctica de laboratorio que más te ha gustado hasta ahora?, ¿por qué? 4. ¿Piensas que los conocimientos que has adquirido hasta ahora son importantes en tu vida?, ¿por qué?
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179
Desempeños del estudiante
Bloque 7 Representas y operas reacciones químicas
s 2ESUELVEBALANCEODEECUACIONESDEMANERACORRECTA s )DENTIlCAYREPRESENTALOSDIFERENTESTIPOSDEREACCIN
Bloque 6
Bloque 7
Bloque 8
Manejas la nomenclatura química inorgánica
Representas y operas reacciones químicas
Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas
Competencias a desarrollar s 2ELACIONALASEXPRESIONESSIMBLICASDEUNFENMENODELANATURALEZA YLOSRASGOSOBSERVABLESASIMPLEVISTAOMEDIANTEINSTRUMENTOS OMODELOSCIENT¤lCOS s &UNDAMENTAOPINIONESSOBRELOSIMPACTOSDELACIENCIA YLATECNOLOG¤AENSUVIDACOTIDIANA ASUMIENDO CONSIDERACIONES£TICAS s )DENTIlCAPROBLEMAS FORMULAPREGUNTASDECARÖCTER CIENT¤lCOYPLANTEALASHIPTESISNECESARIASPARARESPONDERLAS s /BTIENE REGISTRAYSISTEMATIZALAINFORMACINPARARESPONDER APREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO CONSULTANDOFUENTES RELEVANTESYREALIZANDOEXPERIMENTOSPERTINENTES s #ONTRASTALOSRESULTADOSOBTENIDOSENUNAINVESTIGACIN OEXPERIMENTOCONHIPTESISPREVIASYCOMUNICASUSCONCLUSIONES s 6ALORALASPRECONCEPCIONESPERSONALESOCOMUNESSOBREDIVERSOS FENMENOSNATURALESAPARTIRDEEVIDENCIASCIENT¤lCAS
s %XPLICITALASNOCIONESCIENT¤lCASQUESUSTENTANLOSPROCESOS PARALASOLUCINDEPROBLEMASCOTIDIANOS s !NALIZALASLEYESGENERALESQUERIGENELFUNCIONAMIENTODELMEDIO F¤SICOYVALORALASACCIONESHUMANASDERIESGOEIMPACTOAMBIENTAL s !PLICANORMASDESEGURIDADENELMANEJODESUSTANCIAS INSTRUMENTOS YEQUIPOENLAREALIZACINDEACTIVIDADESDESUVIDACOTIDIANA s !SUMEUNAACTITUDQUEFAVORECELASOLUCINDEPROBLEMASAMBIENTALES ENLOSÖMBITOSLOCAL NACIONALEINTERNACIONAL s 2ECONOCEYCOMPRENDELASIMPLICACIONESBIOLGICAS ECONMICAS POL¤TICAS YSOCIALESDELDA®OAMBIENTALENUNCONTEXTOGLOBALINTERDEPENDIENTE s #ONTRIBUYEALALCANCEDEUNEQUILIBRIOENTRELOSINTERESES DECORTOYLARGOPLAZOCONRELACINALAMBIENTE
Introducción
L Objetos de aprendizaje Símbolos en las ECUACIONESQU¤MICAS
os fenómenos químicos se desarrollan por doquier. Tanto en la naturaleza que nos rodea como en nuestro propio organismo suceden a cada instante decenas o cientos
de procesos, en los cuales unas sustancias interaccionan entre sí dando origen a otras con propiedades diferentes. En este bloque analizaremos cómo suceden dichos procesos, de manera que podamos entender más claramente el funcionamiento de nuestro entorno. A continuación te presentamos de forma esquemática los contenidos más relevantes que estudiaremos en este bloque.
Tipos de REACCIONESQU¤MICAS s3¤NTESISOADICIN
Representas y operas reacciones químicas
s$ESCOMPOSICINOANÖLISIS s3USTITUCINO DESPLAZAMIENTOSIMPLE s3USTITUCIN ODESPLAZAMIENTODOBLE Balanceo de ECUACIONESQU¤MICAS s4ANTEO
que simbolizan
aplicas diversos
reacciones químicas
métodos de balanceo
sÊXIDO REDUCCIN presentes en
diversos tipos
como
vida cotidiana
para cumplir con
algebraico
descomposición
tanteo
síntesis
óxidoreducción
ley de la conservación de la materia
sustitución simple sustitución doble
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Actividades de enseñanza
Para comenzar... Para que puedas comprender los temas de este bloque, es necesario que rescates las competencias (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que ya has adquirido a lo largo de tu vida. Haz tu mejor esfuerzo para responder y detecta aquellos aspectos que no conoces o dominas para enfocar tu estudio.
Conocimientos Realiza lo que se solicita en cada ejercicio.
1. Revisa las fórmulas e indica cuántos átomos de cada elemento están presentes en ella.
a. HNO3
H:
N:
O:
b. Ca(OH)2
Ca:
O:
H:
c. Al2(SO4)3
Al:
S:
O:
d. Pb(ClO3)4
Pb:
Cl:
O:
e. K2Cr2O7
K:
Cr:
O:
Explicación breve, utilizando ELMODELOGENERALYEJEMPLOS DEAPLICACIN SOBRELOS DISTINTOSTIPOSDEREACCIONES QU¤MICASPORESTUDIARS¤NTESIS DESCOMPOSICIN SUSTITUCIN SIMPLEYSUSTITUCINDOBLE Lista de ejemplos de aplicación PARALAIDENTIlCACIN YCOMPLEMENTACINDELOS DISTINTOSTIPOSDEREACCIONES QU¤MICAS Investigación, en los medios DISPONIBLES SOBRELALEY DELACONSERVACINYSURELACIN CONLOSM£TODOSDEBALANCEO DEECUACIONESQU¤MICAS Lluvia de ideas respecto ALOQUEESTABLECELALEY DELACONSERVACINYSURELACIN CONLOSM£TODOSDEBALANCEO DEECUACIONES
2. Anota sobre la línea el nombre del compuesto. a. BaO b. Sr(OH)2 c. HCl d. FeBr3 e. Mg(NO2)2 3. Escribe la fórmula correspondiente. a. Fluoruro de cromo (II) b. Sulfuro de estaño (IV) c. Nitruro de cobre (I) d. Hipoclorito de potasio
Explicación de los métodos PARAELBALANCEO DEECUACIONESTANTEO YDEXIDO REDUCCIN Lista de ejercicios de APLICACINDELOSM£TODOSDE BALANCEODEECUACIONES Investigación en equipo SOBREPRODUCTOSELABORADOS ATRAV£SDEPROCESOSEINSUMOS QU¤MICOSQUEINVOLUCRANEL MANEJODEREACCIONESQU¤MICAS Presentación de un proyecto CONCLUIDOQUESIRVACOMO EJEMPLOPARALAELABORACIN DELPROYECTOPORPARTE DELOSALUMNOS
e. Ácido sulfúrico
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Habilidades I. Las reacciones químicas se desarrollan por todas partes y se hacen evidentes porque transforman las sustancias originales en otras, muchas veces, totalmente diferentes en apariencia y propiedades. Identifica y describe, con todo el detalle que te sea posible, al menos una reacción química en cada uno de los siguientes casos o ámbitos.
1. En tu persona:
2. En la cocina de tu casa:
3. En el medio ambiente que te rodea:
4. En el funcionamiento de un automóvil:
II. Al finalizar el estudio del bloque y con el apoyo de tu profesor, trata de escribir las ecuaciones químicas que acabas de describir.
Actitudes y valores Si reflexionas, a lo largo del curso has mostrado actitudes que han tenido como resultado el éxito y el aprendizaje o, por el contrario, problemas que ponen en riesgo tu aprovechamiento y la acreditación de la asignatura. En las siguientes líneas describe al menos dos actitudes que pueden ayudarte a mejorar tu desempeño escolar. Al finalizar el bloque, regresa sobre estas anotaciones y califica tu desempeño.
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Reto Las reacciones químicas suceden a cada momento y en cualquier ámbito, muchas de ellas dentro de los seres vivos para mantener la vida y otras dentro de la naturaleza para que el mundo, tal como lo conocemos, siga funcionando. La química se enfoca, por su propia naturaleza, al estudio de las reacciones químicas, la forma en la que suceden, cómo se representan, qué información brindan sobre los fenómenos con los que están asociadas, etc.
I. El reto para el equipo será producir un programa de radio, con extensión máxima de 10 minutos, en el que desarrollen alguno de los siguientes temas: s,AMANERAENQUESEREPRESENTA SIMBLICAMENTE UNAREACCINQU¤MICA s%LBALANCEODEUNAECUACINQU¤MICAPORELM£TODODETANTEO s%LBALANCEODEUNAECUACINQU¤MICAPORELM£TODODEXIDO REDUCCIN s%LBALANCEODEUNAECUACINQU¤MICAPORELM£TODOALGEBRAICO s!LGUNASREACCIONESQU¤MICASQUESUCEDENDENTRODELORGANISMOHUMANO s!LGUNASREACCIONESQU¤MICASQUESUCEDENENLANATURALEZA s!LGUNASREACCIONESQU¤MICASQUEDANCOMORESULTADOPRODUCTOSQUEUTILIZAMOSENELASEO EN LAALIMENTACIN ETC
II. Para que el reto pueda cumplirse de la mejor manera, recomendamos: 1.!SIGNARUNROLESPEC¤lCOACADAMIEMBRODELEQUIPO0OREJEMPLO UNOODOSSERÖNLOSGUIONISTAS OTROUOTROS LOSLOCUTORES OTROMÖSELPRODUCTORDELPROGRAMA ELMUSICALIZADOR ELENCARGADODE LOSEFECTOSDESONIDO ETC 2. Preparar –tarea de los guionistas junto con todo el equipo– un guion maestro que deberá ser aprobado por el profesor para que puedan poner manos a la obra en la producción. 3.(ACERLOSINTENTOSNECESARIOSPARAGRABARSUPROGRAMAHASTACONSEGUIRRESULTADOSSATISFACTORIOS 4. Coordinar con el profesor para presentar su programa de radio al grupo de clase y recibir retroalimentación sobre los logros y los aspectos que deben cambiarse.
Coevaluación Observa el trabajo de cada uno de tus compañeros de equipo y del equipo como un todo. Evalúa cada aspecto de acuerdo al desempeño mostrado. #ATEGOR¤A
3
2
1
El grupo investigó el tema e integró tres o más datos de su investigación en el programa de radio. Dicción y ,OSLOCUTORES pronunciación ENUNCIANYHABLAN claramente siempre y no tienen errores de pronunciación.
4
El grupo investigó el tema e integró dos datos de su investigación en el programa de radio. ,OSLOCUTORES ENUNCIANYHABLAN CLARAMENTESIEMPRE pero tienen errores de pronunciación (uno o más).
El grupo investigó el tema e integró un dato de su investigación en el radio.
.OSEHIZONINGUNA investigación o no estuvo claro que el grupo la usara en su programa de radio. ,OSLOCUTORESNO ENUNCIANNIHABLAN claramente y tienen errores de pronunciación (más de uno).
Conciencia del Todos los miembros público del equipo pueden explicar claramente por qué escogieron el VOCABULARIO ELAUDIOY los efectos de sonido QUEUTILIZARONPARA el tipo de audiencia deseada y la finalidad del programa de radio.
Todos los miembros Hubo cierta conciencia Se prestó poca atención del equipo pueden DELAAUDIENCIA a la audiencia en el explicar por qué pero no todos los planeamiento del escogieron el miembros del equipo programa de radio VOCABULARIO ELAUDIOY pueden explicar por y/o solo algunos los efectos de sonido qué escogieron el miembros del equipo QUEUTILIZARONPARA VOCABULARIO ELAUDIOY pueden explicar por el tipo de audiencia los efectos de sonido qué escogieron el deseada. QUEUTILIZARONPARA VOCABULARIO ELAUDIOY el tipo de audiencia los efectos de sonido deseada. QUEUTILIZARON
Investigación
,OSLOCUTORES ENUNCIANYHABLAN claramente casi siempre y no tienen errores de pronunciación.
Continúa st-editorial.com
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#ATEGOR¤A
4
3
El programa de radio mantiene un propósito claro de principio a lN%SCOHERENTE
El programa de radio establece un propósito CLAROALPRINCIPIO PERO se desvía del mismo ocasionalmente.
El propósito del Es difícil discernir cuál programa de radio es es el propósito del MÖSOMENOSCLARO programa de radio. PEROHAYMUCHOS aspectos discordantes.
Duración de la El programa de presentación radio duró entre 8 y 10 minutos y no pareció apresurado o demasiado lento.
El programa de radio duró entre 8 y 10 MINUTOS PEROPARECI un poco apresurado o un poco lento.
El programa de radio El programa de radio duró entre 8 y 10 fue demasiado largo o MINUTOS PEROPARECI demasiado corto. muy apresurado o demasiado lento.
Trabajo en grupo
El equipo trabajó excepcionalmente BIEN,AMAYOR¤A de sus miembros ESCUCHARON compartieron y se apoyaron. Todo el grupo estuvo casi siempre enfocado en el proyecto.
El equipo trabajó RELATIVAMENTEBIEN pero fue dominado por uno o dos miembros. Todo el grupo estuvo casi siempre enfocado en el proyecto.
Propósito
El equipo trabajó excelentemente. Todos sus miembros ESCUCHARON compartieron y se apoyaron. Todo el grupo estuvo enfocado en el proyecto.
2
1
Algunos miembros del equipo se distrajeron del proyecto asignado y/o fueron irrespetuosos con los otros miembros del grupo y/o no fueron incorporados por los otros miembros.
Actitudes y valores Evalúa tu trabajo y tus actitudes, coloca una X en la descripción que mejor se ajuste a tu desempeño durante la realización del trabajo. !SPECTO
3IEMPRE
'ENERALMENTE
!LGUNASVECES
#ASINUNCA
Cumplí entusiasta y responsablemente con el rol que me fue asignado. Asistí puntualmente a las reuniones de trabajo y aporté los materiales necesarios. Mi actitud motivó el trabajo de los demás. Mi colaboración ayudó a conseguir resultados satisfactorios para todo el equpo.
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CO2 CaCO3
CaCO3
Para comenzar...
Tema 1
Tema 2
Tema 3
Símbolos en las ecuaciones químicas
Tipos de reacciones químicas
Balanceo de ecuaciones químicas
Continúa...
¿Por qué piensas que se emplean símbolos para escribir las ecuaciones químicas? Además, ¿cuál consideras que sea el origen de los nombres de los compuestos químicos?
En la naturaleza, en la materia viva y en la inerte, se presenta una infinidad de reacciones químicas. Cuando comemos, quemamos un madero, cocinamos, pensamos o nos ejercitamos, se llevan a cabo reacciones químicas en las que una sustancia cambia a otra al romperse unos enlaces y formarse otros, de lo que resultan nuevas agrupaciones de átomos que dan lugar a nuevas moléculas. El rompimiento de los enlaces químicos se produce de forma espontánea o provocada. Estos procesos se denominan reacciones químicas y se representan mediante una ecuación química, donde las sustancias iniciales se llaman reactivos y las finales productos, y se separan por una flecha que apunta hacia las sustancias formadas: H2 (g)
expresar el estado de agregación de reactivos y productos con los símbolos (s), (l), (g) y (ac). Los símbolos químicos empleados en la ecuación (cuadro 1), además de representar los compuestos que intervienen en la reacción, nos muestran la proporción de átomos de dichos elementos. En nuestro ejemplo, tenemos que dos átomos de hidrógeno reaccionan ( ) con dos átomos de oxígeno para producir (A) agua . En algunas ocasiones, sobre la flecha se pone información adicional como la temperatura o presión en que se lleva a cabo la reacción (figura 1). Es importante saber si en una reacción química los productos pueden volver a reaccionar para formar los reactivos originales. Cuando esto sucede, se colocan en la ecuación dos flechas con sentido contrario:
O2 (g) A H2O (g) N2 (g)
En esta ecuación química el hidrógeno reacciona con el oxígeno para obtener agua. Los reactivos y productos se escriben mediante sus fórmulas respectivas. En las ecuaciones químicas es conveniente st-editorial.com
H2 (g)
NH3 (g)
En este caso se dice que la reacción es reversible, ya que puede ocurrir de izquierda a derecha y viceversa. 187
BLOQUE 7 CUADRO 1.3Ù-"/,/3-¬354),):!$/30!2!2%02%3%.4!2,!3%#5!#)/.%315Ù-)#!3 3¤MBOLO 3IGNIlCADO
Figura 1. La temperatura y la presión pueden afectar el proceso de las reacciones químicas.
S
%STADOSLIDO
L
%STADOL¤QUIDO
G
%STADOGASEOSO
AC OAQ
3OLUCINACUOSA
(6
#ALORSEESCRIBESOBRELAmECHA
(A
2EACCINENUNSOLOSENTIDO
(B?
2EACCINREVERSIBLE
(B
$ESPRENDIMIENTO
(?
0RECIPITACIN
!®ADIDOSECOLOCAENTRELASSUSTANCIAS
Desarrolla competencias
actividad individual
Realiza las siguientes actividades en tu cuaderno.
1.%SCRIBELAECUACINQUESEDESCRIBEENCADACASOUTILIZANDOLOSS¤MBOLOSNECESArios. Consulta con tu profesor para verificar la correcta solución de cada ejercicio. a.%LXIDODEHIERRO)))SLIDOREACCIONACONMONXIDODECARBONOGASEOSOPARA FORMARHIERROMETÖLICOSLIDOYDIXIDODECARBONOGASEOSO b.¬CIDOCLORH¤DRICOENSOLUCINACUOSA COBREMETÖLICOA cloruro de cobre II (en SOLUCINACUOSA HIDRGENOGASEOSOQUESEDESPRENDEDELAREACCIN c. El clorato de potasio sólido se calienta para descomponerse en cloruro de potasio sólido y oxígeno gaseoso que se desprende de la reacción. d.#OBREMETÖLICOSLIDO ÖCIDON¤TRICOENSOLUCINACUOSAA nitrato de cobre II en soLUCINACUOSA MONXIDODENITRGENOGASEOSOQUESEDESPRENDEDELAREACCIN
2.$ESCRIBE CONPALABRAS CADAUNADELASECUACIONESSIGUIENTES a. CaF2 AC (2SO4 (ac) A(&AC #A3/4 (s)? b.+S (2O (l) A+/(AC (2 (g)B c.&E3S /2 (g) A Fe2O3 S 3/2 (g)B d. KClO3 (s) A+#LS /2 (g)B e.-GS /2 (g) A MgO (s)
Las ecuaciones químicas y la ley de la conservación de la materia Toda reacción química establece una relación tanto cualitativa como cuantitativa gobernada por la ley de la conservación de la materia, postulada por Antoine-Laurent Lavoisier, donde afirma que la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma. Las reacciones químicas no están fuera de este principio, por consiguiente, si tenemos cierto número de átomos de un elemento en el lado izquierdo de la ecuación, debemos tener el mismo número en el lado derecho. Entonces, las dos ecuaciones que representamos antes: H2 (g) O2 (g) A H2O (g) N2 (g) H2 (g) NH3 (g) No cumplen con esta ley, puesto que en ninguna se cuenta con el mismo número de átomos del lado de los reactivos con relación a los productos. En la ecuación que representa la reacción de obtención de agua, del lado de los reactivos tenemos 2 átomos de oxígeno, mientras que en el producto solo tenemos uno; pero de hidrógeno, sí se cuenta con la misma cantidad en ambos lados de la ecuación. 188
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REPRESENTASY OPERAS REACCIONES QUÍMICAS
Por otro lado, en la segunda ecuación no hay coincidencia en ninguno de los elementos que participan en la reacción. Para cumplir con la ley de la conservación de la materia en las dos ecuaciones, tenemos que balancear todos los átomos del lado izquierdo de la ecuación química con los del lado derecho. Para esto, se introducen coeficientes numéricos que permitan igualar el número de átomos de cada elemento en uno y otro lado de la flecha. Cuando esto ocurre, se dice que la reacción química se ajusta, y cumple con la igualdad que debe haber en una ecuación. Las dos ecuaciones químicas, ya balanceadas, son:
Desarrolla competencias
2H2 (g) O2 (g) A 2H2O (g) N2 (g) 3H2 (g) 2NH3 (g) Es de suma importancia considerar que el coeficiente afecta a todos los átomos que integran la fórmula. Por ejemplo, en la primera ecuación, el coeficiente 2 antes del H2 nos indica que hay cuatro átomos en total, puesto que multiplicamos el coeficiente 2 por el subíndice 2; en la segunda ecuación, el coeficiente 2 antes del amoniaco (NH3) nos indica que en el lado derecho de la ecuación hay dos átomos de nitrógeno y átomos de hidrógeno.
actividad individual
Resuelve balanceo de ecuaciones de manera correcta.
Analiza las siguientes ecuaciones químicas, cuenta los átomos a cada lado y determina si cumplen con la ley de la conservación de la materia.
1. Cl2 /3 A Cl2/ /2
2. O3 /A 2O2
3. 2K2Cr2O7 (2/ 3A 3SO2 +/( #R2O3
4. 2NaHCO3 A.A (2 # /2
5. H2/ .2O A2HNO3
6.#U !G./3 A!G #U./3
7.:N (#LA H2 :N#L2
8.:N (./3 A Zn(NO3)2 ./2 (2O
Coeficiente..¢MEROQUEALAJUSTARUNAECUACINQU¤MICASECOLOCAANTESDELASFRMULASPARAINDICARELN¢MERO DEMOLESPRESENTESENLAREACCIN
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Glosario 189
Tema 1
Tema 2
Tema 3
Tema 4
Símbolos en las ecuaciones químicas
Tipos de reacciones químicas
Balanceo de ecuaciones químicas
Oxidación y reducción, agente reductor, agente oxidante y número de oxidación
Reflexiona sobre lo siguiente: ¿por qué conocer sobre los distintos tipos de reacciones químicas nos puede ayudar a cuidar nuestro planeta?
El conocimiento de las reacciones químicas es importante, no solo para los especialistas sino también para la sociedad en general, puesto que ayuda a crear una conciencia abierta y responsable en la preservación de nuestro ambiente y de la vida en el planeta. La investigación en química, junto con el desarrollo tecnológico, produce nuevos materiales como detergentes, colorantes, medicamentos, plásticos, entre otros (figura 2). Muchas enfermedades se han erradicado por el desarrollo de métodos químicos y bioquímicos; pero también hay que reconocer que existen procesos químicos perjudiciales para la salud de los seres vivos y del planeta en general. En la Ciudad de México hay problemas de contaminación de la atmósfera, de los suelos y del agua, producto de actividades humanas, como la eliminación de basura, el fenómeno de la lluvia ácida por efecto de la combustión de diversos materiales que se envían a la atmósfera –gases como el NO, SO2 y SO3 que se combinan con el agua– y el efecto de la radiación solar. 190
Conocer las reacciones químicas nos ayuda a determinar los posibles efectos en el medio ambiente y, sobre todo, nos permite controlar de manera más eficiente la emisión de sustancias nocivas. Entonces, veamos a continuación la manera en que se clasifican las reacciones químicas.
Síntesis o adición En este tipo de reacciones, dos sustancias (elementos o compuestos) se combinan para formar un producto relacionado con los reactivos más complejos desde el punto de vista químico. Su forma general es: A
B A AB
En este caso, A y B son elementos o compuestos y AB es un compuesto más complejo. Por ejemplo: 4Al (s) 3O2 (g) A 2Al2O3 (s) SO3 (g) H2O (l) A H2SO4 (l) st-editorial.com
REPRESENTASY OPERAS REACCIONES QUÍMICAS
Descomposición o análisis En este tipo de reacciones una sola sustancia se descompone y da origen a productos más sencillos que el reactivo. A dichas reacciones se les considera inversas a las de síntesis. Tienen la siguiente forma general: AB A A
B
Generalmente se llevan a cabo en presencia de calor o por la adición de energía de algún tipo. Por ejemplo: 2KClO3 (s) D 2KCl (s) 2HgO (s) D 2Hg (l)
3O2 (g)
O2 (g)
Sustitución o desplazamiento simple
Figura 2. El desarrollo de la industria farmacéutica va aparejado con los avances en el campo de la química.
En las reacciones de sustitución o desplazamiento simple, un elemento actúa sobre un compuesto para reemplazar uno de sus elementos y ocupar su lugar en la correspondiente molécula. La forma general es: BC A AC
A
B
Si A es un metal, A remplaza a B para formar AC, siempre que A sea más reactivo que B. Pero si A es un halógeno, este reemplazará a C para formar BA, siempre que A sea un halógeno más reactivo que C. Veamos ambos casos: Fe (s) Cl2 (g)
CuSO4 (ac) A Cu (s)
FeSO4 (ac)
2NaBr (ac) ABr2 (l)
2NaCl (ac)
Sustitución o desplazamiento doble En las reacciones de sustitución o desplazamiento doble (conocidas también como reacciones de metátesis), se produce un intercambio o sustitución mutua de elementos entre dos compuestos para producir dos sustancias distintas. Su forma general es la siguiente: AB
CD A AD
CB
El intercambio se lleva a cabo entre grupos positivos y negativos. Para escribir las fórmulas, tenemos que considerar las cargas en función de las reglas de escritura. AB
CD AAD
CB
Ejemplos: NaOH (ac) HCl (ac) ANaCl (ac) H2O (l) CuO (s) 2HNO3 (ac) A Cu(NO3)2 (ac) H2O (l)
E l mundo que te rodea 3EHADESCUBIERTOQUEEXISTEUNAREACCINQU¤MICAQUEGENERAOZONOY SISELOGRARACONTROLAR PODR¤AMEJORARLACALIDADDELAIRE,AFORMACINDELOSRADICALESHIDROXILO/( SEPRODUCEPOR reacción química entre el vapor de agua y el dióxido de nitrógeno. A pesar de que esta reacción CONTRIBUYEALACONTAMINACIN LARAPIDEZENLAFORMACINDERADICALES/(ENLASCIUDADESSEHA MULTIPLICADOVECESMÖSDELOQUESEHAB¤APRECISADOHASTAELMOMENTO
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BLOQUE 7 actividad individual
Desarrolla competencias
Identifica y representa los diferentes tipos de reacción.
Completa las siguientes reacciones tomando en cuenta el tipo al que pertenecen y los números de oxidación para construir correctamente las fórmulas. (Te recomendamos consultar los cuadros que aparecen en el bloque anterior.)
1.3USTITUCINSIMPLE
#U !G./3 A
2.3¤NTESIS
!L "R2 A
3.3USTITUCINDOBLE
#A/ (#LA
4. Síntesis:
N2 /2 A
5. Descomposición:
PbO2
6. Sustitución doble:
BaCl2 .A2SO4 A
7. Sustitución simple:
Cl2 +)A
8. Descomposición:
CaCO3
9.3USTITUCINDOBLE
.A/( (0/A
10. Descomposición:
KClO3
D
D
D
Práctica de laboratorio El contenido estudiado en este tema podemos fortalecerlo al desarrollar la práctica de laboratorio “Una reacción de simple sustitución” (p. 234), que se encuentra en la Sección final.
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H2O
CO2
CO2
H2O
CO2
H2O
CO2
Tema 2
Tema 3
Tema 4
Tipos de reacciones químicas
Balanceo de ecuaciones químicas
Oxidación y reducción, agente reductor, agente oxidante y número de oxidación
Balanceo y equilibrio son sinónimos, ¿por qué consideras que es importante estudiar la forma en que las ecuaciones se equilibran? ¿Es importante esto para realizar los cálculos con ecuaciones?
Cuando se realizan cálculos con reacciones químicas, la ecuación debe estar correctamente balanceada, y por eso es importante analizar algunos métodos de balanceo. Como ya habrán observado en el tema que acabamos de ver, hay números colocados antes de los compuestos, esto se debe a que en los problemas con reacciones se requiere establecer cuál es el reactivo limitante, y para ello se deben tener en cuenta las diferentes purezas de reactivos y productos, además del rendimiento o eficiencia del proceso. La ecuación química balanceada es una ecuación algebraica con los reactivos en el primer miembro y todos los productos en el segundo miembro, pero en este caso el signo igual se reemplaza por un flecha. Veamos entonces los métodos para balancear o equilibrar ecuaciones químicas. Observa st-editorial.com
que en todas, los objetivos que se persiguen son que el número de cada tipo de átomos presentes en la reacción química sea el mismo tanto en reactivos como en productos, y que así la ecuación química cumpla con la ley de la conservación de la materia.
Aproximaciones (método de tanteo) Este método de tanteo, que es como más se conoce, propone los siguientes pasos: R5 )(. #,5&)-5á.)')-5 5 5 & ' (.)5 (5 los reactivos y en los productos. R5 +/#&# ,,5&)-5á.)')-5-#!(( )5 &5 ) ŀ5 # (7 te adecuado. Se comienza por los metales, se continúa con los no metales, luego con el hidrógeno y, por último, con el oxígeno. R5 (5 0 45 -#!( )-5 .) )-5 &)-5 ) ŀ5 # (. -65 - 5 verifica la igualdad [Ej. 1, 2]. 193
BLOQUE 7
E l mundo que te rodea
Ejemplo 1 ,A REACCIN ENTRE EL CARBONO Y EL ÖCIDO SULF¢RICO PARAPRODUCIRDIXIDODEAZUFRE DIXIDODECARBONOYAGUA SEREPRESENTA por la siguiente ecuación: # (2SO4 A SO2 #/2 (2O
Solución El SO2 se emplea en la industria del vino como antiséptico Y ANTIOXIDANTE PERO POR SUS EFECTOS NEGATIVOS EN LA SALUD organismos internacionales COMOLA/RGANIZACIN-UNDIAL de la Salud (OMS LA /RGANIZAción de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO Y LA /RGANIZACIN Internacional de la Viña y el Vino (OIV HAN ESTABLECIDO EN los últimos años límites máximos de esta sustancia en los VINOSY ADEMÖS RECOMIENDAN SUREDUCCINCADAVEZMÖS
#OMOSEPUEDECOMPROBAR YATODOSLOS ÖTOMOS ESTÖN EQUILIBRADOS Y HEMOS LLEgado a la solución.
Ejemplo 2 En este caso tenemos la reacción entre EL POTASIO Y EL AGUA PARA PRODUCIR HIDRXIDODEPOTASIOEHIDRGENO
Veamos los siguientes pasos. + (2O A+/( (2 Paso 1. Contamos el total de átomos de cada elemento antes y después de la reacción.
Solución Analicemos los pasos.
1 C 1 2 H 2 1 S 1 /
Paso 1. Contamos los átomos a cada lado de la ecuación:
Paso 2. En el ejemplo que estamos resolvienDO TENEMOSSOLAMENTENOMETALES ENTONCESCOMENZAMOSPORNOTARQUEELOX¤GENO ES EL QUE DEMUESTRA NO ESTAR EQUILIBRADO dado que en los reactivos existen cuatro ÖTOMOS MIENTRAS QUE EN LOS PRODUCTOS TENEMOS CINCO ÖTOMOS REPARTIDOS EN TRES SUSTANCIAS DISTINTAS #ON FRECUENCIA SE HA DICHO QUE EL M£TODO DE TANTEO PODR¤A LLAMARSEDEENSAYOYERROR PUESTOQUEASIGNAMOS UN COElCIENTE DONDE NOS PAREZCA MÖS ADECUADO Y A PARTIR DE ESTE VAMOS equilibrando todos los demás. Para nuestro EJEMPLO ASIGNAREMOS UN COElCIENTE AL ácido sulfúrico (H2SO4) con el propósito de aumentar el número de átomos de oxígeno en los reactivos.
1 2 1
K H O
1 1
Paso 2. !JUSTAMOSLOSELEMENTOS PRIMERO LOS METALES + LUEGO EL HIDRGENO y finalmente el oxígeno. Como los átomos de potasio son numéricamente IGUALESACADALADODELAECUACIN CONTINUAMOSCONELHIDRGENO 1 1
K H O
1 1
!SIGNAMOS LOS COElCIENTES QUE HEMOS encontrado y nos percatamos que otros ELEMENTOSHANSIDOAFECTADOS PORLOQUE volvemos a contar:
# 2H2SO4 A SO2 #/2 (2O + 2H2O A 2+/( (2 !HORA TENEMOS EN LOS REACTIVOS ÖTOMOS DEHIDRGENO DEAZUFREYDEOX¤GENOEN CONSECUENCIA COLOCAREMOSUNCOElCIENTE ALDIXIDODEAZUFRE3/2) y otro coeficiente 2 al agua (H2/ PARAAJUSTARLASCANTIDADES RESPECTIVASDEAZUFREYDEHIDRGENO
1
K H O
0ARA lNALIZAR EQUILIBRAMOS LOS ÖTOMOS DE potasio asignándole un 2 como coeficiente:
# 2H2SO4 A 2SO2 #/2 2H2O
2+ 2H2O A2+/( (2 Contamos de nuevo todos los átomos y tenemos: 1 194
C ( 3 /
1
K H O
.UESTRA ECUACIN HA QUEDADO FINALmente balanceada y se cumple la ley de la conservación de la materia. st-editorial.com
REPRESENTASY OPERAS REACCIONES QUÍMICAS
Desarrolla competencias
actividad individual
Resuelve balanceo de ecuaciones de manera correcta.
Elabora un diagrama de flujo en el que muestres los pasos necesarios para ajustar una ecuación por el método de tanteo. Comparte tu trabajo con el resto de la clase y tu profesor para recibir retroalimentación.
Desarrolla competencias
actividad grupal
Resuelve balanceo de ecuaciones de manera correcta.
En parejas, ajusten con el método de tanteo las siguientes ecuaciones químicas. Utilicen el cuaderno de trabajo.
1. HgO A(G /2 2. Fe2O3 #/A&E #/2 3. CH4 /2 A CO2 (2O 4. AgNO3 (2S A Ag23 (./3 5. C4H10 /2 A CO2 (2O 6. C2H2 /2 A CO2 (2O 7. C6H6 /2 A CO2 (2O 8. C3H8 /2 A CO2 (2O 9. KClO3 A+#L /2 10.!L /2 AAl2O3
Método de óxido-reducción El método de óxido-reducción para balancear ecuaciones se aplica cuando algunos elementos cambian su número de oxidación al pasar de reactivos a productos. Se basa, además, en que si un elemento gana electrones es porque simultáneamente otro los ha perdido en igual número al reaccionar químicamente. Recordemos que el número de oxidación nos indica la carga aparente que adquiere un elemento químico cuando forma parte de un compuesto. De ahí que resulte obvio que cuando un elemento no forma parte de un compuesto, es decir, cuando se encuentra en estado puro o sin combinar, tenga número de oxidación cero. Aunque ya se han mencionado, conviene reiterar las reglas para determinar el número de oxidación, puesto que las aplicaremos enseguida. R5 )-5 & ' (.)-5 (5 -. )5*/,)5)5-#(5 )' #(,5.# ( (5(Ě' ,)5 5)2# #ĉ(5 ,)85 Por ejemplo: 0
0
0
0
N, Fe, O2, N2 st-editorial.com
195
BLOQUE 7
Recuerda que algunos no metales forman moléculas diatómicas del mismo elemento (figura 3). R5 &5"# ,ĉ! ()65 (5&5'3),ù5 5&)-5 )'*/ -.)-65.# ( 5(Ě' ,)5 5)2# #ĉ(5g5 (excepto en los hidruros metálicos, donde trabaja con -1). 1
1
H2O
1
HCl
-1
H2S
-1
CaH2 AlH3 Figura 3. El agua, como ya conoces, posee moléculas diatómicas, y es muy fácil saber el número de valencia del hidrógeno y el oxígeno.
R5 &5)2ù! ()65 /( )5 ),'5*,. 5 5/(5 )'*/ -.)65.# ( 5(Ě' ,)5 5)2# #ĉ(57h65 excepto en el caso de los peróxidos en los que trabaja con -1. -2
Fe2CO3
-2
H2O
-2
NaClO
-1
H2O2 (peróxido de hidrógeno o agua oxigenada) R5 )-5' .& -5 5&)-5!,/*)-5 535 5.# ( (5(Ě' ,)5 5)2# #ĉ(5*)-#.#0)5#!/&5&5 número de grupo. R5 )-5 )'*/ -.)-5-)(5 &ï .,# ' (. 5( /.,)-65*),5 -5,4ĉ(5&5-/'5 5&-5 ,!-5 netas en un compuesto es igual a cero. En el caso de los iones poliatómicos, la suma de cargas es igual a la carga del ion. (Para obtener las cargas de cada átomo se multiplica el subíndice por la carga y se respeta el signo.) 3
-2
Al2(SO4)3 En este caso, el aluminio tiene número de oxidación 3; como son dos átomos, tenemos: 3 × 2 . El azufre tiene número de oxidación , tiene (aunque no se escriba) subíndice 1. El paréntesis tiene un subíndice 3, por lo que el total se calcula × 1 × 3 18. Por último, para el oxígeno, el cálculo es -2 × 4 × 3 -24. Sumamos 18 - 24 y obtenemos cero, lo cual es correcto porque es un compuesto.
Desarrolla competencias
actividad individual
Encuentra los números de oxidación para cada átomo en los siguientes casos.
196
1. MgO
6. Cu
2. H2S
7. Sr(OH)2
3. CaF2
8. KNO3
4. Fe2O3
9. Ca3(PO4)2
5. AlH3
10. (NH4)2SO3
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e−
e−
e−
e− e−
e− e−
e−
e−
Tema 3
Tema 4
Balanceo de ecuaciones químicas
Oxidación y reducción, agente reductor, agente oxidante y número de oxidación
¿Has visto por tu barrio o en los alrededores algún terreno baldío donde haya carrocerías, recipientes o electrodomésticos que estén oxidados? ¿Cómo llegan a tomar ese color y esa consistencia? ¿A qué crees que se debe esta transformación?
El método de balanceo por óxido-reducción tiene su fundamento, como lo sugiere el nombre, en algunos conceptos de vital importancia en la química. La oxidación es el término que designa la pérdida de electrones por una especie química; la reducción, por el contrario, hace referencia a la ganancia de electrones. ¿Cómo podemos saber si en una reacción un elemento químico gana o pierde electrones? La respuesta es sencilla si aplicamos el concepto de número de oxidación: es la carga aparente que adquiere un elemento químico cuando forma parte de un compuesto. Consideremos la siguiente ecuación química entre el hierro metálico y una solución de ácido clorhídrico. Fe (s)
HCl (ac) A FeCl3 (ac)
H2 (g)
Al determinar los números de oxidación: 0
Fe (s)
1 -1
3
-1
HCl (ac) A FeCl3 (ac)
st-editorial.com
0
H2 (g)
Podemos notar que el hierro cambia su número de oxidación de 0 a 3 porque pierde 3 electrones; por su parte, el hidrógeno cambia de 1 a 0, debido a la ganancia de un electrón. En conclusión, el átomo de hierro se ha oxidado y el átomo de hidrógeno, reducido. Otros dos conceptos que están íntimamente relacionados con la oxidación y reducción, son el de agente oxidante y el de agente reductor. Se le llama agente oxidante a la especie que contiene al elemento que se reduce; el agente reductor es, entonces, la especie que contiene al elemento que se oxida. Volviendo al ejemplo, el hierro es, al mismo tiempo, el elemento que se oxida y el agente reductor. El agente oxidante es el HCl porque contiene al hidrógeno, que es el elemento que se reduce. Veamos a continuación algunos casos de balanceo de ecuaciones por el método de óxidoreducción [Ej. 3, 4, 5]. 197
BLOQUE 7
Ejemplo 3
también se refleja en los electrones ganados o perdidos. (En NUESTRO CASO YA ESTÖN BALANCEADOS LOS ÖTOMOS POR LO QUE pasamos a la siguiente etapa).
Tenemos la siguiente reacción: KMnO4 +./2 (2SO4 AMnSO4 (2/ +./3 +2SO4
Solución Observemos los pasos. Paso 1. Determinamos los números de oxidación de todos los elementos que participan en la reacción.
Paso 4. Balanceamos los electrones ganados y perdidos. 0ARA HACERLO MULTIPLICAMOS EN FORMA CRUZADA AMBAS SEMIRREACCIONES ESDECIR LAPRIMERAPORYLASEGUNDAPOR por lo que la reacción queda de la siguiente forma: E-
2Mn
2Mn
E-
KMnO4 +./2 (2SO4
.
.
MnSO4 (2/ +./3 +2SO4
!LOBSERVARATENTAMENTE NOTAMOSQUESOLODOSELEMENTOS CAMBIANSUESTADODEOXIDACINEL-NQUEPASADE EN LOSREACTIVOSA ENLOSPRODUCTOS YEL.QUEPASADE A %SCRIBIMOSDOSSEMIRREACCIONES UNAPARAEL-NYOTRA PARA EL . INDICANDO LOS ELECTRONES QUE PIERDEN O GANAN según se aprecia en el siguiente esquema.
Paso 5. Asignamos a los productos de la reacción los coefiCIENTES ENCONTRADOS Y AJUSTAMOS SUCESIVAMENTE LA ECUACINHASTATERMINARELBALANCEO KMnO4 +./2 (2SO4 A 2MnSO4 (2/ 5KNO3 +2SO4 )GUALAMOSELN¢MERODEÖTOMOSDE-N COLOCANDOELCOElciente 2 en el permanganato de potasio:
2EDUCCIN GANANCIADEE
2KMnO4 +./2 (2SO4 A 2MnSO4 (2/ 5KNO3 +2SO4
0
1
2
3
4
/XIDACIN P£RDIDADEE
#OMOEL-NPASADE A OBSERVAATENTAMENTEELDIAGRAMA GANACINCOELECTRONES ESDECIR SEREDUCE0ORSU PARTE EL.PASADE A ESTOQUIEREDECIRQUEPIERDE ELECTRONESY PORTANTO SEOXIDA Otra manera de determinar los electrones ganados o perdidos es restar del número de oxidación que presenta en los REACTIVOSELQUEPRESENTAENLOSPRODUCTOSSIELRESULTADO ESNEGATIVO ELELEMENTOHAPERDIDOELECTRONES YSITIENE RESULTADOPOSITIVO HAGANADOELECTRONES 0ARAEL-N n GANACINCOELECTRONES 0ARAEL. n PIERDEDOSELECTRONES Paso 2.%SCRIBIMOSDOSMEDIASREACCIONES UNADEELLASPARAEL átomo que gana electrones (se reduce) y otra para el átomo QUEPIERDEELECTRONESSEOXIDA %NCONSECUENCIA TENEMOS E-
Mn
Mn
E-
N
0ROSEGUIMOSCONLOSÖTOMOSDE. COLOCANDOELCOElCIENTEENELNITRITODEPOTASIO
2KMnO4 5KNO2 (2SO4 A 2MnSO4 (2/ 5KNO3 +2SO4 ,OSÖTOMOSDEPOTASIOSEENCUENTRANBALANCEADOS PUESTO QUEHAYENLOSREACTIVOSYENLOSPRODUCTOS,OSÖTOMOS DE AZUFRE NO ESTÖN BALANCEADOS DADO QUE TENEMOS UNO solo en los reactivos y 3 en los productos. De tal manera que colocamos un coeficiente 3 en el ácido sulfúrico.
2KMnO4 5KNO2 3H2SO4 A 2MnSO4 (2/ 5KNO3 +2SO4 Al colocar este coeficiente al ácido sulfúrico tenemos ÖTOMOS DE HIDRGENO EN LOS REACTIVOS Y SOLAMENTE EN LOS PRODUCTOS !SIGNANDO UN COEFICIENTE AL AGUA HEMOSTERMINADODEBALANCEARLAECUACIN
2KMnO4 5KNO2 3H2SO4 A 2MnSO4 3H2/ 5KNO3 +2SO4 %S RECOMENDABLE ANTES DE TERMINAR VERIFICAR EL CORRECto balanceo contando al final los átomos de oxígeno en reactivos y determinar si coinciden con el total de átomos de oxígeno en los productos. Veamos:
N
Paso 3. Balanceamos los átomos en cada una de las semirreacCIONES SINOLVIDARQUECUALQUIERCAMBIOENLOSCOElCIENTES 198
,AECUACINS¤ESTÖBALANCEADA st-editorial.com
REPRESENTASY OPERAS REACCIONES QUÍMICAS
Ejemplo 4
d. !LCOMPROBAR VEREMOSQUELAECUACINESTÖBALANCEADA
Realicemos el balanceo a la ecuación por el método de óxido-reducción:
7H7 2 Mn 2 18 O 18 .
HMnO4 (./2 AMn(NO3)2 (./3 (2O
Ejemplo 5
Solución Empleamos los siguientes pasos. Paso 1. Obtenemos los números de oxidación.
Efectuamos el balanceo por el método de óxido-reducción a la siguiente ecuación:
!L .A/(
HMnO4 (./2
Na3AlO3 (2
Mn(NO3)2 (./3 (2O
Solución Paso 2. Determinamos cuáles elementos cambian su númeRODEOXIDACINCUANDOPASANDEREACTIVOSAPRODUCTOS Y escribimos una semirreacción para cada uno de ellos:
5TILIZAMOSAHORALOSSIGUIENTESPASOS
E
Mn
!L .A/(
Mn
Na3AlO3 (2
Paso 2. Determinamos cuáles elementos cambian su númeRODEOXIDACINCUANDOPASANDEREACTIVOSAPRODUCTOS Y escribimos una semirreacción para cada uno de ellos:
E
N
Paso 1. Obtenemos los números de oxidación.
N
Paso 3. Balanceamos los átomos en cada semirreacción (en CASODEQUEPROCEDA %NESTEEJEMPLONOESNECESARIO PUESTO QUESOLOHAYUNÖTOMOACADALADOENLASDOSSEMIRREACCIONES Paso 4.!NTESDElNALIZAR BALANCEAMOSLOSELECTRONESPERDIDOS CON LOS GANADOS PARA ELLO EFECTUAMOS LAS MULTIPLICACIONESNECESARIAS,APRIMERASEMIRREACCINSEMULTIPLICARÖ PORYLASEGUNDAPOR PARAOBTENERELSIGUIENTERESULTADO
E
Al
Al
E
H
H2
Paso 3. Balanceamos los átomos en cada semirreacción (en caso de que proceda). En este ejemplo sí es necesario.
E
2Mn
2Mn
E
Al
Al
E
.
.
E
2H Paso 5. Asignamos a los productos de la reacción estos COElCIENTESENCONTRADOSY MEDIANTETANTEO lNALIZAMOSEL BALANCEO,OPRESENTAMOSPORPASOS a. Asignamos los coeficientes a los reactivos. 2HMnO4 (./2 A Mn(NO3)2 (./3 (2O
Paso 4. !HORA BALANCEAMOSLOSELECTRONESPERDIDOSCONLOS GANADOS PARAELLO EFECTUAMOSLASMULTIPLICACIONESNECESARIAS,APRIMERASEMIRREACCINSEMULTIPLICARÖPORYLA segunda por 6. E
2Al b.3EGUIMOSESTEORDENMETALES NOMETALES HIDRGENO y oxígeno.
H2
2Al
E
6H
3H2
2HMnO4 (./2 A 2Mn (NO3)2 (./3 (2O c. Un buen consejo es verificar el correcto balanceo y contar al final los átomos de oxígeno en reactivos y ver si coinciden con los del producto. st-editorial.com
Paso 5. !SIGNAMOSESTOSCOElCIENTESY MEDIANTETANTEO lNALIZAMOSELBALANCEO !L .A/(A 2Na3AlO3 (2 199
BLOQUE 7
Método algebraico para balancear ecuaciones Como su nombre lo indica, este método para el balanceo de ecuaciones químicas está basado en la aplicación del álgebra. Para balancear ecuaciones se deben considerar los siguientes pasos [Ej. ].
Ejemplo
Teniendo los valores de “b” y “e” podemos resolver las ecuaciones (1) y (4):
2EALIZAMOS EL BALANCEO DE LA SIGUIENTE ECUACIN QU¤MICA por el método algebraico. # (2SO4 ASO2 #/2 (2O
Solución
D D D D D
2EALIZAMOSLOSSIGUIENTESPASOS Paso 1. Asignamos una letra a cada especie química: a b # (2SO4
c d e SO2 #/2 (2O
Paso 2. #ONTABILIZAMOSENTONCESLOSÖTOMOSDECADAELEmento químico y establecemos una ecuación para cada UNODEELLOS0ARAELCARBONOHEMOSESCRITOA D DEBIDO a que existe un átomo de este elemento en la especie marcada con la letra “a” y uno también en la letra “d”. ,A mECHA DE REACCIN SE HA CAMBIADO POR EL SIGNO DE IGUAL 0ARAELOX¤GENO LAECUACINRESULTANTEES B C D E $ADOQUEEXISTENÖTOMOSDEOX¤GENOENhAvENhCvEN hDvYENhEv,OSSIGNOSDESUMAENLAREACCINORIGINALSE respetan y aparecen en la ecuación correspondiente.) # ( 3 /
A D B E B C B C D E
Paso 3. A la letra que aparece en más ocasiones (en este CASOLALETRAhBv LEASIGNAMOSELVALORDEYCOMENZAMOS a resolver. (Es muy importante no perder de vista qué ecuación estás resolviendo.) A D E C C D E
,AECUACIN YAESTÖRESUELTAYNOSOFRECEELVALORDE PARALALETRAhCv,AECUACIN SERESUELVEDESPEJANDOYA partir de ello obtenemos el valor de 1 para la incógnita e. 200
9COMOLAECUACIN NOSDICEQUEA D ENTONCESA %NS¤NTESIS TENEMOS A B C D E !UNQUEYAOBTUVIMOSLOSCOElCIENTES NOHEMOSLLEGADO al final debido a que las letras (coeficientes) a y d son fracCIONES LOCUALNOSOBLIGAAHACERUNAJUSTEPARAVOLVERENteros a todos sin excepción. ,ASOLUCINSEOBTIENEMULTIPLICANDOLOSCINCOCOElCIENTES POR COMOSEMUESTRAENSEGUIDA A ¾ B ¾ C ¾ D ¾ E ¾ Paso 4. Asignamos los coeficientes y revisamos si la ecuaCINCUMPLECONLALEYDELACONSERVACINDELAMASA ES DECIR SI EXISTE IGUAL N¢MERO DE ÖTOMOS DE CADA ESPECIE tanto en reactivos como en productos. Observa el siguiente cuadro. # (2SO4 2SO2 #/2 (2O #/-02/"!#)Ê.$%,"!,!.#%/ 2EACTIVO %LEMENTO 0RODUCTO 1
#
1
¾
H
¾
¾
3
¾
¾
/
,AECUACINHAQUEDADOBALANCEADAYCUMPLEYACONLALEY de la conservación de la masa. st-editorial.com
REPRESENTASY OPERAS REACCIONES QUÍMICAS
Desarrolla competencias
actividad individual
Resuelve balanceo de ecuaciones de manera correcta.
E n la web
1."ALANCEALASSIGUIENTESECUACIONESPORELM£TODODEXIDO REDUCCIN IDENTIlCANDO
R %LELEMENTOQUESEOXIDA ELELEMENTOQUESEREDUCEYCUÖNTOSELECTRONESPIERDE OGANACADAUNO RESPECTIVAMENTE
R El agente oxidante (la sustancia que contiene al elemento que se reduce). R El agente reductor (la sustancia que contiene al elemento que se oxida). 5TILIZAELCUADERNODETRABAJOPARALARESOLUCINDELOSEJERCICIOS
a. Sb2S (./3 (2O A H3SbO4 (2SO4 ./ b. HClO3 (2S A H2SO4 (#L c. P4 (./3 (2O A H3PO4 ./ d. K2Cr2O7 &E#L2 (#LACrCl3 +#L &E#L3 (2O e. H23 (./3 A3 ./ (2O 2.!PLICAELM£TODOALGEBRAICOYAJUSTACADAUNADELASECUACIONES5TILIZAELCUADERno de trabajo y no te olvides de efectuar la comprobación final.
a. C2H2 /2 ACO2 (2O b. !L /2 A Al2O3 c. &E (#LA FeCl3 (2 d. Ca(OH)2 (3PO4 A Ca3(PO4)2 (2O e. #U (./3 A Cu(NO3)2 ./ (2O
Desarrolla competencias
actividad grupal
Te recomendamos visitar las siguientes páginas para conocer más sobre los temas de este bloque: U concurso.cnice.mec.es/ CNICE?LAS?REACCIONES? QUIMICASCURSOINDEXHTML U cluster-divulgacioncien tifica.blogspot.com/2009/04/ QUIMIOLUMINISCENCIAHTML
Identifica y representa los diferentes tipos de reacción.
Con frecuencia, en el estudio del bloque, hemos expresado que las reacciones químicas se desarrollan a cada momento y en cualquier ámbito. Mencionemos por ejemplo lo que sucede cuando respiras: a través del aire que inhalas logras recibir el oxígeno necesario para mantenerte con vida y, fruto de nuestra actividad metabólica, devolvemos al medio ambiente dióxido de carbono que será utilizado, en buena parte, por las plantas para el proceso de la fotosíntesis. La reacción química es evidente puesto que el oxígeno se ha transformado en CO2 que, aun cuando es un gas al igual que el oxígeno, presenta propiedades físicas y químicas en gran medida distintas. En esta actividad les proponemos la observación minuciosa de algunos fenómenos aplicando el método científico, de forma tal que logren percibir entre todos los compañeros el desarrollo de las reacciones químicas.
1./XIDACINDEUNMETAL#ONSIGANDOSOTRESCLAVOSQUESEENCUENTRENSINMANCHAS de óxido y realicen los siguientes pasos:
a. 2EV¤SENLOS ATENTAMENTE TOMANDO NOTA DE SUS CARACTER¤STICAS DIMENSIONES PESO ETC
b. $EPOSITEN LOS CLAVOS EN LUGARES QUE TENGAN DIFERENTE GRADO DE HUMEDAD ,ES SUGERIMOS POREJEMPLO COLOCARUNOENUNLUGARCERRADOYSECO OTROCLAVOPUEDE dejarse a la intemperie y finalmente otro colocado en un frasco grande con tapa Y UNOS ALGODONES H¢MEDOS EN SU INTERIOR $ECIDAN ENTRE USTEDES CUÖNTOS D¤AS DURARÖSUEXPERIMENTOYCUÖNTASOBSERVACIONESHARÖNALD¤AYENQU£PERIODOS c. &INALIZADOELTIEMPOQUEUSTEDESHAYANPROGRAMADOPARAELEXPERIMENTO CONCENtren todas sus notas y procedan a registrar el estado actual de las características de los clavos en las que ustedes se fijaron al inicio del experimento. Comparen y redacten un informe en el que identifiquen cuál fue el lugar más propicio para la OXIDACINDELCLAVO)NTENTENEXPLICARELFENMENOYHAGANPROPUESTASPARAMEJOrar la experiencia.
2. 2EACCINDENEUTRALIZACIN,OSÖCIDOSYLASBASESHIDRXIDOS SONSUSTANCIASQUE ENMUCHOSSENTIDOS SECOMPORTANCOMOANTAGONISTAS2ESULTAQUESISEHACEREACCIONARUNABASEFUERTECONUNÖCIDOFUERTE ELRESULTADOESUNANEUTRALIZACINDE AMBAS SUSTANCIAS OBTENI£NDOSE COMO PRODUCTOS UNA SAL Y AGUA %N LOS SERES
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201
BLOQUE 7 HUMANOS ALIGUALQUEENMUCHOSMAM¤FEROS LOSALIMENTOSENSUPROCESODEDIGESTINSONATACADOS PORUNAVARIEDADDEJUGOSGÖSTRICOS ENTRELOSQUESECUENTAELÖCIDOCLORH¤DRICO UNODELOSÖCIDOS MÖSFUERTES,AMUCOSAQUERECUBRENUESTROESTMAGOESTÖPREPARADAPARAMANEJARSINPROBLEMA CIERTONIVELDEACIDEZ SINEMBARGO ACAUSADEUNACOMIDAMUYCONDIMENTADA LAINGESTADEALCOHOL ELESTR£SOALGUNOSMEDICAMENTOS PUEDEPRESENTARSEELFENMENODEHIPERACIDEZ ESDECIR UN EXCESO EN LA PRODUCCIN DEL ÖCIDO ,A SINTOMATOLOG¤A SE MANIlESTA FRECUENTEMENTE CON ARDOR DE ESTMAGO IRRITACINDELESFAGOYELESTMAGOEINmAMACINDELABDOMEN 0ARA ALIVIAR ESTOS S¤NTOMAS SE HAN CREADO MEDICAMENTOS LLAMADOS ANTIÖCIDOS QUE NO HACEN OTRA COSASINONEUTRALIZARELEXCESODEÖCIDO CONLOCUALLAPERSONAEXPERIMENTAMEJOR¤A AUNQUESIEMPRE es recomendable recibir el tratamiento médico adecuado para evitar que se convierta en un problema recurrente. %NESTAACTIVIDADEXPERIMENTAL ENLAQUEOBSERVARÖNUNAREACCINDENEUTRALIZACIN SEREQUIERE
R R R R R R R
1 col morada M,DEVINAGREDEMANZANA GDEBICARBONATODESODIO Recipiente para calentar Agua limpia Un gotero Dos o tres vasos limpios y secos
El procedimiento que sugerimos es el siguiente:
a. 0REPARARUNINDICADORDEP( PARALOCUALSECORTANENPEQUE®OSTROZOSUNASOHOJASDELACOLYSE PONENAHERVIRENAGUAAPROXIMADAMENTEVASOYMEDIO $ESPU£SDEUNOSAMINUTOSDEEBULLICININTENSASERETIRADELFUEGO SEDEJAENFRIARLAPREPARACINYSECUELA%LINDICADORPUEDEENVASARSE ENELGOTEROPARASUPOSTERIORUTILIZACIN b. #ALIBRARELINDICADOR0ARAELLOSEUTILIZANTRESVASOSLIMPIOSYSECOS%NELPRIMEROSECOLOCANUNOS M,DEVINAGRE ENELSEGUNDO AGUALIMPIA YENELTERCERO UNPOCODEBICARBONATOALQUESELE AGREGAAGUAPARADISOLVERLO!CONTINUACIN AGREGUENGOTASDELINDICADORACADAVASO ANOTANDOLACOLORACINOBTENIDA%LCOLORQUESEOBTENGAENELPRIMERCASOSERÖELDELMEDIOÖCIDOEN ELSEGUNDOVASO TENEMOSELMEDIONEUTROYlNALMENTE ENELTERCERCASO ELMEDIOBÖSICO-ANtengan a la vista estos tres vasos que serán el modelo para la siguiente parte de la experiencia. c. %NOTROVASOLIMPIOYSECO COLOQUENUNATERCERAPARTEDEUNACUCHARADADEBICARBONATODESODIOY AGREGUENAGUAAPROXIMADAMENTEUNOS M, 2EMUEVANHASTADISOLVERCOMPLETAMENTEYAGREguen 10 gotas del indicador (en caso necesario pueden agregar más gotas de forma tal que la coloración sea intensa y perfectamente distinguible). d. !GREGUENPOCOAPOCOVINAGREHASTAALCANZARLACOLORACINPROPIADELMEDIONEUTRO%NESTEMOMENTOSEHAALCANZADOELPUNTODENEUTRALIZACINYSEPUEDESUSPENDERLAEXPERIENCIA e. Elaboren un reporte de la actividad en el que incorporen:
R R R R R R
Objetivo de la experiencia. Materiales y sustancias que se emplearon. Hipótesis sobre lo que podrá suceder en la experiencia. Descripción del procedimiento. #ONCLUSIONESENLASQUESEINDIQUESISECOMPROBONOLAHIPTESISPREVIA #AMBIOSQUESUGIERENPARAQUELAACTIVIDADEXPERIMENTALMEJOREENCUANTOASUREALIZACINY sus resultados.
3. &INALMENTE DETECTEN ALGUNA O ALGUNAS REACCIONES QU¤MICAS QUE OBSERVEN EN LAS ACTIVIDADES QUE desarrollan cotidianamente y estúdienlas diseñando los pasos de la experiencia y cómo medirán los RESULTADOS%SMUYIMPORTANTEQUEANALICENLOSRESULTADOSYPROPONGAN PORESCRITO LASMEJORASQUE puede tener la actividad. De ser posible repitan la experiencia incorporando las mejoras sugeridas.
202
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Evaluación sumativa Heteroevaluación I. Escribe el número de oxidación para cada elemento de los siguientes compuestos. 1. H2SO3 2. PCl3 3. BeSO3 4. H2O2 5. Na2S2O3
II. Anota los coeficientes que hacen falta para balancear correctamente cada una de las ecuaciones. 1..A 2. 2Fe2O3 3. 4NH3
HCl A
S A&E
SO2
O2 A./
H2O
4. 2KMnO4 5.
.A#L (2
O3 +)
HCl A2MnCl2 #L2 +#L H2SO4 A 3K2SO4
I2
H2O H2O
III. Balancea las siguientes ecuaciones. 1. MnO2 &E3/4 (2SO4 A MnSO4 &E2(SO4)3 (2O
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203
2. SnCl4 &E#L2A SnCl2 &E#L3
3. KClO3 #A+#L #/2
4. MnO2 (2C2O4 (2SO4 A MnSO4 #/2 (2O
5. PbO2 (#LA PbCl2 #L2 (2O
204
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Autoevaluación I. Elabora en tu cuaderno un organizador gráfico (mapa mental, mapa conceptual o cuadro sinóptico) en el que muestres los pasos necesarios para balancear una ecuación química:
1. Por el método de tanteo. 2. Por el método de óxido-reducción. 3. Por el método algebraico. II. Nuestra capacidad de aprender mejora cuando conocemos con precisión qué hemos aprendido y cuánto –de lo pretendido originalmente– hemos conseguido. En la siguiente tabla marca con una X tu nivel de desempeño. .IVELDEDESEMPE®O
!SPECTO Balanceo de ecuaciones químicas
Tipos de reacciones químicas
4 ,OGROEFECTUAREN cualquier caso y de forma correcta el balanceo de una ecuación química. Si se trata de una reacción REDOX IDENTIlCOAGENTE OXIDANTE AGENTE reductor y la cantidad de electrones transferidos.
3
Efectúo correctamente el balanceo de una REACCIN AUNQUEEN ocasiones me cuesta TRABAJO SOBRETODOSIES una reacción compleja. En el caso de las REACCIONESTIPOREDOX no siempre identifico al agente oxidante y al agente reductor ni los electrones transferidos. Puedo distinguir con ,OGRO CASISIEMPRE claridad a qué tipo distinguir el tipo de específico corresponde reacción química. cierta reacción química. !SIMISMO PUEDO EN !SIMISMO PUEDO LAMAYOR¤ALOSCASOS ENCUALQUIERCASO completar una reacción a completar una reacción a partir de los reactivos. partir de los reactivos.
2
1
Con dificultad puedo balancear una ecuación química. Requiero REVISARMUCHASVECES ELPROCESOYDEVEZEN cuando el apoyo de mi profesor o de mis compañeros. Se me dificulta el balanceo de reacciones tipo redox.
No puedo lograr el balanceo de una ecuación sin el apoyo de mi profesor o de mis compañeros.
Solo en los casos más sencillos logro completar una reacción a partir de los reactivos. Con dificultad logro distinguir el tipo de reacción.
$ESCONOZCOLAFORMADE completar una reacción a partir de los reactivos. Tampoco distingo el tipo de reacción. Requiero MUCHOAPOYOYVOLVERA estudiar el tema.
$ELOSDESEMPE®OSMARCADOSCONOCON ANOTAENTUCUADERNOUNCOMPROMISODETRABAJOCONCRETOYESTABLECEUNAFECHAPARASUCONSECUCIN
III. Reflexiona y responde las siguientes preguntas en tu cuaderno acerca de tu desempeño durante el estudio del bloque.
1.z2ECONOCISTECONOCIMIENTOSPREVIOSANTESDECOMENZARCONELESTUDIODELBLOQUE zCUÖLES 2.z%N QU£ ACTIVIDAD SE TE PRESENTARON MÖS DIlCULTADES zQU£ ESTRATEGIAS IMPLEMENTASTE PARA SUPERARLAS
3. Menciona algún ejemplo en el que apliques los conocimientos adquiridos en este bloque para tu vida cotidiana.
4. z#UÖLESACTIVIDADESTEPARECIERONINTERESANTES zPORQU£ 5.!HORAQUEESTÖSAPUNTODECONCLUIRELCURSODEQU¤MICA zSEESTÖNCUMPLIENDOTUSEXPECTATIVAS DEESTUDIODELAMATERIA zPORQU£
6. z1U£ASPECTOSDEBESMEJORARPARACERRARSATISFACTORIAMENTEELESTUDIODEQU¤MICA
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205
Desempeños del estudiante s $ISTINGUEENTREREACCIONESQU¤MICASENDOT£RMICAS YREACCIONESQU¤MICASEXOT£RMICASPARTIENDO DELOSDATOSDEENTALP¤ADEREACCIN s %XPLICAELCONCEPTODEVELOCIDADDEREACCIN s #ALCULAENTALP¤ADEREACCINAPARTIRDEENTALP¤AS DEFORMACIN
Bloque 8 Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas
Bloque 7
Bloque 8
Representas y operas reacciones químicas
Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas
Na
Mg
Na Na
Cl Ca
Ca
Ca Na
Na Ca
Ca Na
Ca
Ca
Ca
Cl
Mg
N
Competencias a desarrollar s &UNDAMENTAOPINIONESSOBRELOSIMPACTOS DELACIENCIAYLATECNOLOG¤AENSUVIDACOTIDIANA ASUMIENDOCONSIDERACIONES£TICAS s )DENTIlCAPROBLEMAS FORMULAPREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO YPLANTEALASHIPTESISNECESARIASPARARESPONDERLAS s /BTIENE REGISTRAYSISTEMATIZALAINFORMACINPARARESPONDER APREGUNTASDECARÖCTERCIENT¤lCO CONSULTANDOFUENTES RELEVANTESYREALIZANDOEXPERIMENTOSPERTINENTES s #ONTRASTALOSRESULTADOSOBTENIDOSENUNAINVESTIGACIN OEXPERIMENTOCONHIPTESISPREVIASYCOMUNICASUSCONCLUSIONES s 6ALORALASPRECONCEPCIONESPERSONALESOCOMUNESSOBREDIVERSOS FENMENOSNATURALESAPARTIRDEEVIDENCIASCIENT¤lCAS s %XPLICITALASNOCIONESCIENT¤lCASQUESUSTENTANLOSPROCESOS PARALASOLUCINDEPROBLEMASCOTIDIANOS
s !NALIZALASLEYESGENERALESQUERIGENELFUNCIONAMIENTO DELMEDIOF¤SICOYVALORALASACCIONESHUMANASDERIESGO EIMPACTOAMBIENTAL s !PLICANORMASDESEGURIDADENELMANEJODESUSTANCIAS INSTRUMENTOSYEQUIPOENLAREALIZACINDEACTIVIDADES DESUVIDACOTIDIANA s !SUMEUNAACTITUDQUEFAVORECELASOLUCINDEPROBLEMAS AMBIENTALESENLOSÖMBITOSLOCAL NACIONALEINTERNACIONAL s 2ECONOCEYCOMPRENDELASIMPLICACIONESBIOLGICAS ECONMICAS POL¤TICASYSOCIALESDELDA®OAMBIENTAL ENUNCONTEXTOGLOBALINTERDEPENDIENTE s #ONTRIBUYEALALCANCEDEUNEQUILIBRIOENTRELOSINTERESES DECORTOYLARGOPLAZOCONRELACINALAMBIENTE
a Na
g Na
Mg
l
Cl
Ca
a Na
Ca
a a
Na
Cl
Mg Mg
Ca
Cl
Cl
Introducción
aN
gM aN
gM aN aN
lC
lC
aC
aC
aC
aC aN
aC
aN
aN aC
aN
lC
lC
gM aC
lC aC
gM aN
gM
aC aN aN
aC
aC
lC
gM
aC
lC
lC gM
Objetos de aprendizaje Entalpía: s%NTALP¤ADEREACCIN s%NTALP¤ADEFORMACIN
L
as reacciones químicas son, en su esencia, procesos de transformación de unas sustancias en otras. En tal sentido, el interés en este tipo de procesos se centra con mucha
frecuencia en la obtención de un producto determinado. En otras ocasiones, lo que se persigue es el desarrollo de la reacción para obtener energía, como es el caso de la combustión de un trozo de carbón o de leña. Como estudiaremos en este bloque, las reacciones químicas conllevan el cambio de materiales y también cambios energéticos, todo lo cual impacta ineludiblemente en el medio ambiente que nos rodea. En el mapa conceptual que aparece a continuación, podrás identificar los conceptos que se estudiarán en este bloque.
Reacciones exotérmicas YENDOT£RMICAS Velocidad de reacción
Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas
Desarrollo sustentable
identificas
reacciones químicas
son influidas en su velocidad por
pueden ser
exotérmicas
endotérmicas
requieren
generan
presión
catalizadores
temperatura
tamaño de partícula
naturaleza de los reactivos
calor
se identifica al calcular
entalpía de reacción
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Actividades de enseñanza
Para comenzar... Para que puedas comprender los temas de este bloque, es necesario que rescates las competencias (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que ya has adquirido a lo largo de tu vida. Haz tu mejor esfuerzo para responder y detecta aquellos aspectos que no conoces o dominas para enfocar tu estudio.
Actividad experimental QUEPERMITARECONOCER LOSFACTORESQUEINTERVIENEN ENLAVELOCIDADDEUNAREACCIN QU¤MICA
Conocimientos Lee cada una de las preguntas e intenta darle una respuesta antes de que estudies los temas que se incluyen en este bloque. Cuando concluyas el bloque, regresa a este cuadro y anota tu nueva respuesta. -IRESPUESTAANTES DEESTUDIARELTEMA
0REGUNTA
Explicación, utilizando EJEMPLOSDELAVIDACOTIDIANA SOBRELAENTALP¤ADEREACCIN YLAENTALP¤ADEFORMACIN
-IRESPUESTADESPU£S DEESTUDIARELTEMA
¿Qué es el calor?
¿Cuáles son las diferencias entre calor y temperatura?
¿Qué es la entalpía?
¿Cómo influye el aumento de temperatura en la velocidad de una reacción? Además de la temperatura, ¿cuáles otros factores influyen en la velocidad de una reacción?
Habilidades
Explicación de la noción DEDESARROLLOSUSTENTABLE DISCUTIENDOSOBRELA IMPORTANCIADEIMPLEMENTAR ACCIONES ANIVELPERSONALO COMUNITARIO QUELOPROMUEVAN Reporte de investigación DOCUMENTALSOBREELDESARROLLO SUSTENTABLEYLASACCIONES NECESARIASPARAPONERLO ENPRÖCTICA. Visita guiada a una empresa QUEREALICEPROCESOSQU¤MICOS ENLOSQUESEINVOLUCRE LAAPLICACINDELCALOR OAPARTIRDEUNEXPERIMENTO SENCILLOQUELEPERMITA IDENTIlCARLAPARTICIPACIN DELCALORENUNAREACCIN Retroalimentación general DELAASIGNATURA ENLAQUE SEDESTAQUELAIMPORTANCIA DELAQU¤MICAENNUESTRAVIDA COTIDIANAYLOSRIESGOSQUE SECORRENALNOCONOCERLAS PROPIEDADES CARACTER¤STICAS FORMASDEREACCIONAR ODEMANEJARLASSUSTANCIAS QUEFORMANPARTEDENUESTRO ENTORNO
Realiza las siguientes actividades.
1. Escribe la reacción química correspondiente a cada caso y efectúa el balanceo. a. Al ser calentado el clorato de potasio sólido, se obtiene cloruro de potasio, también sólido, y se desprende oxígeno gaseoso.
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b. El gas metano (CH4) reacciona con oxígeno gaseoso para producir el gas dióxido de carbono y agua líquida acompañados de calor.
c. Cuando se le suministra una fuerte corriente eléctrica, es posible descomponer el agua líquida para obtener sus elementos originales: los gases hidrógeno y oxígeno.
2. Vuelve a revisar cada uno de los tres casos y determina si al suceder la reacción se necesitó o se obtuvo energía. Redacta en tu cuaderno un pequeño texto en el que expliques por qué lo supones así.
Actitudes y valores Califica tu nivel de desempeño en cada uno de los aspectos que se enlistan. !SPECTO
3IEMPRE
,AMAYOR¤A DELASVECES
!LGUNAS VECES
0OCASVECES
Modifico mis puntos de vista a partir de lo que he aprendido. Defino mis metas de aprendizaje y las sigo con perseverancia. Aporto mis puntos de vista y valoro, con apertura, las opiniones de los demás. Trabajo en equipo de manera colaborativa y responsable. Desarrollo acciones en favor del cuidado del medio ambiente.
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Reto Para que una reacción química se lleve a cabo es necesario que varios factores concurran. Asimismo, para que una reacción química sea más rápida o más lenta –según convenga–, algunas condiciones deben cumplirse.
I. El reto para el equipo de trabajo será determinar de forma experimental qué acelera o qué retarda una reacción. Para su experiencia les sugerimos trabajar con alguno de los siguientes fenómenos o algún otro que, a sugerencia de su profesor, puedan estudiar: s,AOXIDACINDEUNCLAVO s,ADESCOMPOSICINDELOSALIMENTOS
II. Enlisten los aspectos que van a observar en el objeto de experimentación, por ejemplo, longitud, aspecto.
III. Decidan cuál será el experimento de control o referencia y cuántos y cuáles serán los otros experimentos, qué factores cambiarán en cada caso, cuánto tiempo dedicarán a la observación y con qué frecuencia registrarán los cambios, etc. IV. Acuerden la forma en que aplicarán los pasos del método científico y cómo lo reflejarán en el reporte escrito que elaborarán para presentar sus conclusiones.
V. La segunda parte del reto consistirá en producir, experimentalmente, una reacción química en la que puedan ubicar los siguientes aspectos:
1. ¿Cuáles son los reactivos y cuáles serían los productos? ¿Cuál es la ecuación química, balanceada, que representa la reacción?
2. ¿Cómo van a realizar el experimento? ¿Qué materiales o equipo necesitarán? 3. Al llevarse a cabo la reacción ¿generó calor o lo requirió?, ¿cómo puede precisarse lo anterior? 4. ¿Cuáles son las entalpías de formación para cada una de las especies químicas involucradas en la reacción?
5. ¿Cuál es el valor de la entalpía de reacción? ¿Es una reacción endotérmica o exotérmica? 6. ¿Corresponde lo observado en el ejercicio 3 con lo que determinaron en el ejercicio 5? ¿Hay diferencias? Si es el caso, ¿cómo pueden explicarse?
Coevaluación Evalúa, por separado, el desempeño de cada uno de tus compañeros de equipo, asigna el puntaje que corresponda a cada categoría. #ATEGOR¤A
0
Aportes
Compromiso con su rol
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2
3
Asiste a todas las reuniones de trabajo, pero no logra ser puntual en todas ellas. Participa Participa pasivamente en los regularmente en los temas de discusión y temas de discusión y colabora a veces. colabora a veces.
Asiste puntualmente a todas las reuniones de trabajo llevando consigo sus materiales. Participa activamente en la discusión de temas y colabora siempre.
No entrega informes y no aporta con sus ideas al trabajo.
Entrega algunos Entrega informes, informes y no aporta pero no siempre ideas al trabajo. aporta con sus ideas al trabajo.
Entrega informes y aporta siempre con sus ideas al trabajo.
No cumple ningún rol dentro del grupo.
Eventualmente cumple con su rol dentro del grupo de trabajo.
Responsabilidad
Participación
1 ,LEGATARDEYNO asiste a algunas de las reuniones de trabajo.
No asiste a reuniones.
No participa en las discusiones y no colabora.
Generalmente Asume su rol dentro cumple su rol dentro del grupo de trabajo. del grupo de trabajo.
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Habilidades Responde brevemente a las preguntas:
1. El aprendizaje más significativo que obtuve de la experiencia fue:
2. Mi mejor aportación para el equipo fue:
3. Para mejorar mi participación en las siguientes actividades requiero:
4. Para mejorar mi participación en el equipo me comprometo a:
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O Al
Al
O Al
Al
O
O
O
O Al
Al
O Al
O O
O
O O
Al2O3
Al
O
Al
Al O
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O
O
Al
Al2
Al Al
O
Al
Al2O3
Para comenzar...
Al2O3 Al O
Tema 1
Tema 2
Tema 3
Entalpía de reacción y entalpía de formación
Reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas
Velocidad de reacción
Continúa...
¿Crees que el calor y la temperatura son la misma cosa? Si no es así, ¿cuál es la relación entre ellas? ¿Cómo se mide el calor?, ¿y la temperatura?
Iniciaremos el estudio del bloque tratando de aclarar los conceptos de calor y temperatura, puesto que serán el punto de partida para comprender los conceptos de entalpía de reacción y entalpía de formación. Calor. La teoría cinético-molecular sostiene que la materia está compuesta por átomos o moléculas que se encuentran en constante movimiento. En los sólidos, cada átomo o molécula se encuentra en una posición fija, pero vibrando; en los líquidos, las moléculas se mueven con relativa libertad y chocan ocasionalmente con las que se encuentran a su alrededor. En los gases, las moléculas viajan por el espacio con gran velocidad y colisionan unas con otras con mucha frecuencia. El movimiento de los átomos o moléculas da origen al tipo de energía al que llamamos calor y está prácticamente
presente en toda clase de materia. Se supone que aun en los vacíos siderales más fríos, toda materia posee calor, poco, pero capaz de ser medido. La termoquímica es la rama de la química que se dedica a medir e interpretar los cambios calóricos que acompañan a las reacciones químicas, los cambios de estado y la formación de soluciones. Para medir cuánto calor se genera o es absorbido por una reacción, se ha utilizado desde hace muchos años el calorímetro. El calor se ha medido tradicionalmente en calorías, aunque actualmente el Sistema Internacional (si) utiliza el joule ( J) como unidad de medida (1 cal 4.184 J; 1 kcal 4.184 kJ). Como el joule es una unidad muy pequeña, se acostumbra utilizar el kilojoule (kJ), que equivale a 1 000 joules.
Caloría. #ANTIDADDECALORNECESARIOPARAELEVARLATEMPERATURADEUNGRAMODEAGUAEN# st-editorial.com
Glosario 213
BLOQUE 8
INFOGRÁFICO 1. LA ENERGÍA TÉRMICA SE HACE PRESENTE... Ejemplos #UANDOUNABOMBILLAEL£CTRICASE ENCIENDEDURANTEUNOSINSTANTES
Bombilla eléctrica
%NLACOMBUSTINDELA GASOLINADENTRODEUNMOTOR
Gasolina
%NLOSNEUMÖTICOSDESPU£SDE RODARUNADISTANCIAYDEBIDOALA FRICCINCONLACARRETERA
Neumáticos
%NLAFUSINNUCLEARQUE TIENELUGARENEL3OL
Sol
Temperatura. Se define como la medida de la energía cinética promedio de las moléculas de un cuerpo y se mide, como seguramente ya sabes, en las escalas Celsius, Fahrenheit o Kelvin. Los termómetros, instrumentos utilizados para medir la temperatura, basan su funcionamiento en el efecto que un cambio de temperatura produce en algunas propiedades físicas observables y en el hecho de que cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto, estas tienden a igualarse.
Para temperaturas muy altas, como las que existen en el interior de un horno eléctrico o los hornos de cemento, los termómetros basados en la dilatación de un líquido no son útiles y más bien se emplean otros instrumentos como el llamado termopar que consiste en dos láminas –cada una de diferente metal– que se dilatan de forma diferente y que producen un voltaje. Con el instrumento y la escala adecuados se traduce este voltaje en una lectura de la temperatura. En resumen, cuando hablamos de calor nos referimos a la suma de las energías que poseen todos y cada uno de los átomos o moléculas del cuerpo que se está estudiando. Inferimos que hay una gran cantidad de energía térmica en un cuerpo cuando medimos una temperatura alta; asimismo, una temperatura baja indicará que el cuerpo contiene poca energía térmica. Observa en el infográfico 1 que la energía térmica puede manifestarse en diversos fenómenos.
Entalpía de reacción La palabra entalpía, proviene del griego enthalpien, que significa calentar. Es el calor de una sustancia a presión constante y se denota por la letra H. Esta propiedad de las sustancias permite calcular el calor que es cedido o ganado por una reacción en particular. Aunque la entalpía puede medirse, de hecho, a cualquier temperatura y presión, se ha tomado el acuerdo de considerar condiciones normales o estándar a 25°C (298 K) y 1 atm. Cuando la entalpía se mide en estas condiciones de presión y temperatura se habla de entalpía estándar y se denota con el símbolo H°. La diferencia de calor, o más exactamente el cambio de entalpía que se da en una reacción, se calcula mediante la siguiente expresión: )Hr
8)HProductos – 8)HReactivos
La letra delta ()) es frecuentemente utilizada para manifestar un cambio o variación, en consecuencia la expresión )Hr se refiere a la variación de entalpía en una reacción química. Por su parte, la letra 8 (sigma mayúscula) se usa para expresar una suma. En nuestro caso, a la suma de las entalpías de los productos se le resta la suma de las entalpías de los reactivos, el resultado nos indica el cambio de entalpía que se da en la reacción. Si, como se dijo anteriormente, las entalpías se han medido en condiciones normales, la entalpía calculada es la entalpía estándar de reacción ()H°r). Entalpía estándar de reacción ()H°r). Se define, pues, como la cantidad de calor que se desprende o se absorbe durante una reacción química, a presión constante y según las cantidades de reactivos y productos.
Entalpía de formación La variación de entalpía que se produce durante las reacciones a presión constante expresa la diferencia entre las entalpías de los productos y los reactivos; pero como es imposible conocer en realidad la entalpía de una determinada sustancia, se ha convenido asignar a cada una un valor constante que recibe el nombre de entalpía estandar de formación. Entalpía estándar de formación ()H°f). Es la cantidad de calor, medida en condiciones estándar, que se desprende o se absorbe, cuando se forma un compuesto. Este tipo de entalpía se calcula para las reacciones de formación o síntesis, puesto que, partiendo de los elementos simples, se logra producir un compuesto específico.
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COMPRENDES LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS CUADRO 1. 6!,/2%3$%,!%.4!,0Ù!%34¬.$!2$%!,'5./3#/-05%34/3 #OMPUESTO
(FK*MOL
#OMPUESTO
(FK*MOL
#OMPUESTO
(FK*MOL
H2/L
-313
,I&S
-612
H23/AC
-908
H2/G
-253
.A&S
-569
(./L
-173
H2/L
.A#LS
-411
(./AC
-207
(&G
-298
.A"RS
-356
H30/AC
(#LG
.A)S
-288
H30/AC
-972
("RG
-40
#A/S
-636
#A#/S
()G
"A/S
-558
"A#/S
H2SG
!L2/S
.A23/S
.(G
#R2/S
.A(3/S
#(G
#/G
-110
.A/(S
-427
#2HG
+227
#/G
-412
.A#LAC
-411
#2HG
#3L
#A/( S
-987
#2HG
3I/G
-859
#A3/S
#(2/G
-117
3/G
-395
#A3/q(2/S
#R2/S
&E2/3
-822
+-N/S
-813
#U)AC
&E3#L4
-405
+"RS
-392
#U2SAC
&E/S
-267
-N#LAC
-555
#U3S
&E3/4
-N./3 2
-636
#U3/S
-770
+/(AC
-426
-N3S
-214
:N#LAC
-487
:N/S
-348
:N3/AC
Esto permite tabular las entalpías estándar de formación de los compuestos para calcular a partir de ellas las entalpías estándar de reacción (cuadro 1) [Ej 1].
Ejemplo 1 Determinamos el calor generado en la reacción de combustión del etano a 25°C y 1 atm.
2. Para efectuar el cálculo, el valor de la entalpía de formación se multiplica por el coeficiente que cada sustancia presenta en la ecuación balanceada (no debemos olvidar, por otro lado, la regla de los signos).
2C2H6 (g) + 7O2 (g) q4CO2 (g) + 6H2O(g) )H°r = ? )H°r = 8)H°f productos – 8)H°f reactivos.
Solución 1. Del cuadro 1 de esta página tomamos los datos de la entalpía de formación para cada uno de los compuestos involucrados, y tenemos presente que los elementos sin combinar tienen )H°f = 0. C2H6 (g) = -84.7 kJ/mol O2 (g) = 0 kJ/mol CO2 (g) = -412 kJ/mol H2O(g) = -253 kJ/mol
)H°r = [4(-412) + 6(-253)] – [2(-84.7) + 7(0)] )H°r = [(-1648 – 1518)] – [-169.4] )H°r = -3166 + 169.4 )H°r = -2996.6 kJ 3. El signo negativo muestra que la reacción es exotérmica y, en este caso, el valor numérico nos indica que se libera gran cantidad de calor al ambiente. Pero ya eso es motivo de estudio del siguiente tema.
Ecuación balanceada. %CUACINQU¤MICACONLAMISMACANTIDADDECADACLASEDEÖTOMOSENCADALADODELAECUACIN st-editorial.com
Glosario 215
BLOQUE 8
Desarrolla competencias
actividad grupal
Distingue entre reacciones químicas endotérmicas y reacciones químicas exotérmicas partiendo de los datos de entalpía de reacción.
Realicen en equipo la siguiente experiencia.
Material y equipo a emplear: sOCUBOSDEHIELO s6ASODEPRECIPITADOSDEM, s4ERMMETRO s-ECHERODE"UNSEN
s4RIPI£OSOPORTEUNIVERSALCONANILLODEHIERRO s0INZASPARABURETA s4APNDEHULEMONOHORADADO s#RONMETRO s,IBRETADENOTAS
Procedimiento: 1. Coloquen sobre el tripié el vaso de precipitados que contiene los cubos de hielo. 2. Auxiliándose con las pinzas para bureta y el tapón de hule, pongan el termómetro de tal forma que el bulbo quede en contacto con los hielos.
3. Sometan a calentamiento el vaso de precipitados y registren la temperatura cada 30 segundos aproximadamente. El experimento deberá suspenderse cuando el agua entre en ebullición.
4. Al trazar la gráfica podrá observarse que no se obtiene una línea recta sino una curva que tiene dos “mesetas” en las que, a pesar de que el calentamiento no se suspendió, la temperatura permaneció estable. a. ¿Cuáles pueden ser las razones de este comportamiento por parte del agua?
b. ¿Cómo podemos distinguir entre la temperaturay el calor, a la luz de los resultados de esta actividad experimental?
c. ¿Cuáles propiedades del agua pueden ser la explicación del comportamiento observado?
5. Con los datos obtenidos tracen una gráfica que tenga en el eje horizontal el tiempo en minutos y en el vertical, la temperatura en C. En sus cuadernos anoten las observaciones y conclusiones obtenidas; además las sugerencias para mejorar la experiencia.
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Tema 1
Tema 2
Tema 3
Tema 4
Entalpía de reacción y entalpía de formación
Reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas
Velocidad de reacción
Desarrollo sustentable
Si la materia ni se crea ni se destruye, ¿qué pasa cuando se producen reacciones químicas y se forman nuevos compuestos? ¿Acaso se niega esta famosa ley de la conservación de la materia?
Las ecuaciones químicas en las cuales se indica la cantidad de calor cedido o ganado al ambiente se conocen como ecuaciones termoquímicas. Un ejemplo conocido es la combustión del gas butano que produce dióxido de carbono y agua con desprendimiento de calor: 2C4H10(g) 13O2(g) q 8CO2(g) 10H2O(l) calor Dependiendo de si la reacción genera o requiere calor, las ecuaciones químicas se clasifican como: exotérmicas y endotérmicas (figura 1). Reacción exotérmica. Es aquella que desprende calor hacia el ambiente. En estas reacciones la energía de los productos es menor que la energía de los reactivos, por ejemplo, en las reacciones de combustión. El calor se considera como uno de los productos de la reacción. Esto se expresa escribiendo a la derecha de la ecuación el valor de la entalpía (H), que en este caso es negativo (-). st-editorial.com
Reaccionantes qproductos H2(g) Cl2(g) q2HCl(g)
energía energía
Son ejemplos de reacciones exotérmicas el paso de gas a líquido (condensación) y de líquido a sólido (solidificación). Reacción endotérmica. Es cuando una reacción absorbe calor del ambiente. En estas reacciones el calor se considera como uno más de los reactivos. Las reacciones endotérmicas son aquellas que tienen un incremento de entalpía positivo ( ), es decir, la entalpía de los reactivos es menor que la de los productos. La descomposición del agua en sus elementos constituyentes es una reacción endotérmica, y se expresa de la siguiente manera: Reaccionantes H2O(l)
energía q productos
energía q H2(g)
½O2(g) 217
BLOQUE 8
Ejemplo 2
(Como el signo es positivo, la reacción es endotérmica.)
,ADESCOMPOSICINDELAGUAENHIDRGEno y oxígeno se lleva a cabo mediante la siguiente reacción: H2O (l) q H2 (g) + ½O2 (g) )H°r = ? Determinamos el cambio de entalpía e indicamos si la reacción es endotérmica o exotérmica.
Solución Figura 1. En el proceso de la fotosíntesis, las plantas usan energía de la luz para romper las uniones de dióxido de carbono y agua, y así formar como productos a la glucosa y el oxígeno.
Tomamos en cuenta los valores del cuadro (consideramos, además, que los elementos puros tienen H°f = 0) y los coeficientes de cada sustancia en la ecuación balanceada, aplicamos la fórmula: )H°r = 8)H°f productos – 8)H°f reactivos ) H°r = (1 × 0 + ½ × 0) – [1 × (-313)] = + 313 kJ
Desarrolla competencias
En resumen, para determinar si una reacción es endotérmica o exotérmica, deberemos tomar en cuenta los siguientes aspectos: z ,A)H°f tiene un valor de cero para los elementos en su estado elemental. z Puesto que la magnitud de la entalpía depende, en gran medida, del estado físico de la sustancia, dicho estado debe indicarse junto a la fórmula del compuesto. z ,OSCOElCIENTESDELAECUACINBALANceada deben tomarse en cuenta para realizar un cálculo correcto, dado que indican los moles de cada sustancia presentes en la reacción. z Al concluir el cálculo de la entalpía de reacción, el signo positivo indica reacción endotérmica, y el negativo, exotérmica.
actividad individual
Distingue entre reacciones químicas endotérmicas y reacciones químicas exotérmicas partiendo de los datos de entalpía de reacción.
A partir de los datos del cuadro 1, determina la entalpía de reacción para los siguientes casos y establece si es una reacción exotérmica o endotérmica.
1. H2SO4 (ac) + NaOH (ac) q NaCl (ac) + H2O (l)
2. 2FeO (s) + C (s) q 2Fe(s)+ CO2 (g)
3. Mn (s) + 2HNO3 (ac) q Mn(NO3) 2 (ac) + H2 (g)
4. 2CO2 (g) q 2CO (g) + O2 (g)
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COMPRENDES LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
5. 2C2H2 (g) + 5O2 (g) q 4CO2 (g) + 2H2O (g)
Distingue entre reacciones químicas endotérmicas y reacciones químicas exotérmicas partiendo de los datos de entalpía de reacción.
actividad grupal
Desarrolla competencias
En equipos, realicen las siguientes actividades.
1. Observen atentamente su propio cuerpo, su hogar, la escuela y el medio ambiente, y señalen al menos cinco reacciones químicas.
2. Indaguen cómo se escribiría la ecuación química correspondiente y determinen si son reacciones exotérmicas o endotérmicas.
3. Elaboren en su cuaderno un reporte que incluya los siguientes elementos: a. Descripción del fenómeno b.,AECUACINQU¤MICA INDICANDOSIESUNAREACCINEXOT£RMICAOENDOT£RMICA c. Importancia o utilidad del fenómeno. d. Ilustraciones o dibujos. e. Citas de las fuentes donde se tomó la información. 4.%VAL¢ENSUREPORTEDEINVESTIGACIN,ESPROPONEMOSESTAR¢BRICA TRATENDEGUIARSEPORELLAPARAOBTENERLOSMEjores resultados: #ATEGOR¤A
Construcción de párrafos
Redacción
Cantidad de información
Calidad de información
Fuentes
Diagramas e ilustraciones
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4
3
2
1
Todos los párrafos incluyen una introducción, explicaciones o detalles y una conclusión.
,AMAYORPARTEDE los párrafos incluye una introducción, explicaciones o detalles y una conclusión.
,OSPÖRRAFOSINCLUYEN información relacionada pero no fueron generalmente bien organizados.
,AESTRUCTURADEL párrafo no estaba clara y las oraciones no estaban generalmente relacionadas.
No hay errores de gramática, ortografía o puntuación.
Casi no hay errores de gramática, ortografía o puntuación.
Unos pocos errores de gramática, ortografía o puntuación.
Muchos errores de gramática, ortografía o puntuación.
Todos los fenómenos ,AMAYORPARTEDELOS Todos los fenómenos Uno o más temas no fueron tratados al menos fenómenos fueron tratados fueron tratados al menos están tratados. en 2 párrafos. al menos en 2 párrafos. en 1 párrafo ,AINFORMACINESTÖ claramente relacionada con el tema principal y proporciona varias ideas secundarias y/o ejemplos.
,AINFORMACIN da respuesta a las preguntas principales y 1-2 ideas secundarias y/o ejemplos.
,AINFORMACIN da respuesta a las preguntas principales, pero no da detalles y/o ejemplos.
,AINFORMACINTIENE poco o nada que ver con las preguntas planteadas.
Todas las fuentes de información y las gráficas están documentadas y en el formato deseado.
Todas las fuentes de información y las gráficas están documentadas, pero unas pocas no están en el formato deseado.
Todas las fuentes de Algunas fuentes de información y gráficas información y gráficas están documentadas, no están documentadas. pero muchas no están en el formato deseado.
,OSDIAGRAMASE ilustraciones son ordenados, precisos y ayudan al entendimiento del tema.
,OSDIAGRAMASE ilustraciones son precisos y ayudan al entendimiento del tema.
,OSDIAGRAMASE ilustraciones son ordenados y precisos y algunas veces ayudan al entendimiento del tema.
,OSDIAGRAMASE ilustraciones no son precisos o no ayudan al entendimiento del tema.
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D
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C
CD
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CD
C
C
CD
D
D CD
D CD
Tema 2
Tema 3
Tema 4
Reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas
Velocidad de reacción
Desarrollo sustentable
En el mundo que nos rodea y en el interior de nuestro cuerpo constantemente se están produciendo reacciones químicas. ¿Sabes qué se requiere para que una reacción química pueda producirse? o ¿cuáles son los factores que influyen en la velocidad de una reacción?
La rama de la química física que estudia la velocidad y las condiciones de los procesos químicos es conocida como cinética química. Si consideramos una reacción hipotética donde intervienen las sustancias C y D2 para producir el compuesto CD, tendremos la siguiente expresión: 2C
D2 q 2CD
Conforme la reacción se va desarrollando, los reactivos C y D se van consumiendo, mientras que el producto CD se va formando. La tasa de cambio de reactivos a productos en un lapso de tiempo determinado se conoce como velocidad de reacción. La concentración de cada sustancia involucrada se representa por el símbolo o fórmula encerrado entre corchetes ([ ]). Así, expresaremos el cambio en la concentración del producto mediante la siguiente expresión: 220
Velocidad de aparición CD =
D 5CD ? Dt
Para cada uno de los reactivos, la velocidad de desaparición se expresa de manera similar, pero con signo negativo, puesto que su concentración va disminuyendo conforme transcurre la reacción. Velocidad de desaparición - C =
D 5- C ? Dt
Si representamos gráficamente el cambio en la concentración de productos y reactivos, tendríamos una gráfica como la que se muestra en la figura 2. Cabe señalar que no todas las reacciones químicas se desarrollan a la misma velocidad. Algunas de ellas, como la explosión de la dinamita, se verifican de manera casi instantánea con una gran liberación de energía. Otras, como la oxidación de un clavo de hierro, pueden llevar días o meses enteros en verificarse. st-editorial.com
Para que una reacción química se lleve a cabo, pudiera pensarse que basta simplemente con poner en contacto los reactivos, sin embargo, esto no es cierto en todos los casos. Cuando intentamos encender un cerillo debemos producir la chispa inicial para que se encienda y, posteriormente, la combustión se lleva a cabo hasta el final, por sus propios medios. Otro tipo de reacciones, como la descomposición del clorato de potasio para producir oxígeno y cloruro de potasio, requiere de suministro constante de calor para que pueda desarrollarse. En nuestro organismo se producen muchas reacciones que solamente pueden crecer adecuadamente con la participación de catalizadores naturales llamadas enzimas. Para que una reacción pueda efectuarse, es necesario proporcionarle un impulso conocido como: Energía de activación (Ea). Es una barrera de energía potencial entre reactivos y productos. Aunque la energía de los reactivos es mayor que la energía de las moléculas de los productos, debe “subir” una colina para que la reacción sea factible. Una vez que se ha llegado a la cima se desencadena la reacción y se obtienen los productos, que contienen una cantidad menor de energía que los reactivos originales (figura 3).
6ELOCIDADESDEREACCINq
COMPRENDES LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
! "D# $ %QUILIBRIOQU¤MICO
#ONCENTRACINDEPRODUCTOS
4IEMPOq
Figura 2. Las velocidades de los reactivos van decreciendo a medida que se forma el producto final.
2EACTIVOS
q
Una reacción ocurre –dicho de manera muy esquemática, por supuesto– por el rompimiento de los enlaces que conforman a los reactivos y por la aparición de nuevos enlaces en los productos de reacción. Para que se formen las nuevas moléculas, es necesario que los electrones de los enlaces venzan la fuerza de atracción que los mantiene unidos, y esto solamente es posible por la aplicación de una fuerza externa, que puede provenir de diferentes fuentes, como la de los electrones de otras moléculas (figura 4). Para que esta fuerza se haga efectiva es necesario que las moléculas choquen entre sí y se unan, aunque sea por un breve instante, para dar lugar al complejo activado. A partir del complejo activado se forman los enlaces que dan origen a los productos de la reacción. Resulta evidente que mientras mayor sea el número de colisiones entre las moléculas, mayores posibilidades habrá de que se lleve a cabo el mecanismo de rompimiento y la formación de los nuevos enlaces en los productos. El proceso explicado hasta aquí se conoce como teoría de colisiones y permite entender por qué razón las reacciones químicas se llevan a cabo a diferentes velocidades y siguiendo, además, mecanismos de reacción peculiares (figura 5).
%NERG¤ADELASMOL£CULASq
Teoría de colisiones
%NERG¤A DEACTIVACIN
0RODUCTOS
q
2EACCINq
Figura 3. Cuando los reactivos adquieren suficiente energía de activación se desencadena el proceso que culmina en la formación de los productos. Estos últimos poseen menor energía que los reactivos correspondientes.
R etrato Alfred Bernhard Nobel (1833-1896), inventor y químico de origen sueco, creció en Rusia, donde su padre tenía una fábrica de explosivos y, siguiendo la tradición familiar, realizó diversas investigaciones en este campo. Aunque muchos de sus inventos –como la dinamita– eran usados en la minería y la ingeniería, también lo fueron con fines bélicos. Nobel fundó los premios anuales que llevan su nombre, por los aportes de personas en beneficio de la humanidad en los campos de la física, la química, la medicina, la literatura y la paz.
Complejo activado. )NTERMEDIODEREACCINENTRELOSREACTIVOSYLOSPRODUCTOS st-editorial.com
Glosario 221
BLOQUE 8
Factores que modifican la velocidad de reacción
%NERG¤ADELASMOL£CULASq
Figura 4. Con la energía de activación química sucede igual que con el tenis: para que la pelota llegue al lado contrario debe golpearse con suficiente energía.
q
#OMPLEJOACTIVADO
%NERG¤ADEACTIVACIN
Las reacciones químicas se ven afectadas en su velocidad por diversos factores entre los que se encuentran la naturaleza de los reactivos, el tamaño de la partícula, la temperatura, la presión, la concentración y los catalizadores. Naturaleza de los reactivos. Las reacciones químicas se ven favorecidas cuando todos los reactivos se encuentran en la misma fase, es decir, cuando todos son líquidos o todos son gases. Bajo estas condiciones el contacto entre los reactivos es más estrecho puesto que se difunden unos en otros y la reacción puede llevarse a cabo sin mayores problemas. Sin embargo, muchos de los procesos químicos involucran reactivos en diferente fase, por ejemplo, un gas y un sólido. En tales casos la reacción se lleva a cabo en la interfase, es decir, en la superficie de contacto entre ambos reactivos. En consecuencia, si la superficie de contacto es pequeña, la velocidad de reacción es pequeña y viceversa, si se tiene una gran superficie de contacto, se favorece la reacción y se incrementa su velocidad. Tamaño de la partícula. Siguiendo el mismo orden de ideas, cuando los reactivos se encuentran en diferente fase, una forma de incrementar la velocidad de reacción consiste en aumentar la superficie de contacto, lo cual se logra mediante un mecanismo muy simple: si uno de los reactivos es sólido, al pulverizarse se incrementa exponencialmente su superficie. Un ejemplo cotidiano de esto lo tenemos en los convertidores catalíticos que se instalan en los automóviles, como se observa en el infográfico 2.
q $ESPRENDIMIENTO DEENERG¤A
0RODUCTOS
2EACCINq
Figura 5. A medida que las moléculas se aproximan, sus nubes de electrones se repelen, por eso se necesita una energía mínima para vencer la repulsión.
Los convertidores catalíticos consisten en una carcaza de acero inoxidable, en cuyo interior hay miles de pequeñísimos tubos impregnados de sustancias químicamente activas como óxidos de aluminio, metales nobles catalíticamente activos como el platino, rodio y paladio y promotores o retardadores específicos. Se calcula que con esta disposición de los tubos diminutos se logra obtener una superficie equivalente a la de tres campos de futbol. Cuando los gases de la combustión pasan por el catalizador, se llevan a cabo en los tubos procesos de oxidación y de reducción, que logran la transformación del monóxido de carbono (CO), los hidrocarburos (HC) y los óxidos de nitrógeno (NOx) en sustancias como el nitrógeno (N2), el dióxido de carbono (CO2) y el vapor de agua.
INFOGRÁFICO 2.ESTRUCTURA DE UN CONVERTIDOR CATALÍTICO #ARCAZADEACEROINOXIDABLE
-OTOR
CO2
%SCAPE
N2
3ECCINREDUCTORA REVESTIDACON PLATINOYRODIO
#ONVERTIDOR CATAL¤TICO
O
3ENSORDEOX¤GENO
CO
NOX
CO
-ONXIDODECARBONO
NOX
ÊXIDOSDENITRGENO
q q
(IDROCARBURO
q
HC
222
3ECCINOXIDANTEREVESTIDA CONPLATINOYPALADIO
CO
HC
0ANALDECERÖMICA
H2O
N2
.ITRGENO
H2O
6APORDEAGUA
CO2
$IXIDODECARBONO
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COMPRENDES LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
Desarrolla competencias
actividad grupal
Realicen en equipo la siguiente experiencia.
Material y equipo a emplear: s PASTILLASDEANTIÖCIDOENTABLETASEFERVECENTES (Alka-Seltzer) s -ORTEROCONPISTILO s #RONMETRO s 4RESVASOSDEPRECIPITADOSDEM, s !GUA
Procedimiento: 1. En el primer vaso depositen una pastilla completa de antiácido, en el segundo, una pastilla partida en trozos más o menos grandes y en el tercero, una pastilla ya pulverizada. 2.!GREGUENALPRIMERVASOUNOSM,DEAGUA limpia y midan el tiempo necesario para que la pastilla se disuelva completamente.
Temperatura. La temperatura es, desde un punto de vista microscópico, una medida estadística de la energía cinética asociada al movimiento aleatorio de las partículas que componen el sistema calorífico. Las moléculas de cualquier compuesto tienen cierto movimiento. En los sólidos es reducido, en los líquidos aumenta un poco, y en los gases es mucho mayor. Cuando aumenta o disminuye la temperatura, el movimiento molecular aumenta o disminuye, respectivamente, de manera proporcional. En el seno de una reacción, el aumento de temperatura supone un aumento en la energía con la que las moléculas de los reactivos colisionan entre sí, lo cual facilita la formación de los productos de la reacción. En resumen, la velocidad de reacción se incrementa con el aumento de temperatura. Se ha logrado determinar que por cada 10°C de incremento en la temperatura de reacción, la velocidad casi se duplica o se triplica. Sin embargo, el incremento exacto en la velocidad de reacción depende de la naturaleza de los reactivos (figura ). Concentración. Tratemos de imaginar que dentro de una caja de zapatos colocamos diez canicas de un color –moléculas de la sustancia A– y veinte canicas de otro color y tamaño –moléculas de la sustancia B–. Si después de tapar la caja la agitamos vigorosamente, las moléculas de A chocarán con las de B con una velocidad y frecuencia determinadas. Si en nuestro experimento agregamos otras diez canicas del primer tipo, tendremos el doble de la concentración de la sustancia A. Evidentemente, los choques serán ahora mucho más frecuentes porque hay más moléculas en el mismo espacio. Si seguimos con nuestro experimento y doblamos ahora la st-editorial.com
Explica el concepto de velocidad de reacción.
3.!LSEGUNDOVASOAGREGUENM,DEAGUAYTOmen el tiempo que se necesitó para la disolución completa. 4. Repitan la experiencia con la pastilla pulverizada. 5. Para asegurar que nuestros resultados tengan un mejor grado de confianza, limpien y sequen los vasos de precipitados y repitan la experiencia, midiendo el tiempo con toda la precisión posible. Registren los datos en su cuaderno de notas. 6. Respondan las siguientes preguntas en su cuaderno: a. ¿Se requirió el mismo tiempo en todos los casos para llegar a la disolución completa? b. Si no fue así, ¿cuál o cuáles pudieron ser las razones de este comportamiento? Da tus observaciones y conclusiones; además las sugerencias para mejorar la experiencia.
concentración de moléculas de B, las colisiones también aumentarán, y así sucesivamente. De igual manera sucede en el interior de una reacción química: al aumentar la concentración de uno de los reactivos, se multiplica la velocidad de reacción (figura 7). Pero ¿en qué medida se multiplica la velocidad de reacción? Para determinar cuantitativamente la forma en que la concentración de los reactivos influye en la velocidad de formación de los productos, recurrimos a la ley de acción de masas, establecida en 18 4 por los químicos noruegos C. M. Guldberg (183 -1902) y P. Waage (1833-1900). Supongamos que se lleva a cabo la siguiente reacción hipotética: 4A B q 3C 2D Para calcular la velocidad de reacción se utiliza la siguiente expresión matemática: Velocidad de reacción
k[A]4[B]
Donde: [A] y [B]: concentración de los reactivos en la molécula. k: constante de velocidad específica –que se determina experimentalmente. El exponente 4: coeficiente del reactivo A en la ecuación balanceada. La concentración del reactivo B no lleva exponente, puesto que en la ecuación original tiene coeficiente 1. Es necesario precisar que tanto el valor de la constante k como los exponentes de las 223
.¢MERODEMOL£CULASq
BLOQUE 8
4 4
!UMENTODEVELOCIDADq
6
Figura 6. La ecuación de Arrhenius proporciona la base cuantitativa de la relación entre la energía de activación y la velocidad a la que se produce la reacción.
concentraciones se determinan experimentalmente, lo cual implica que pueden tomar valores positivos, negativos o cero, según las condiciones de reacción y de los valores de la concentración. Catalizadores. Se describen como sustancias que aumentan –o en ocasiones disminuyen– la velocidad de una reacción química sin consumirse en ella. De esta forma, un catalizador puede recuperarse prácticamente intacto al término de la reacción. En la descomposición del clorato de potasio para producir oxígeno y cloruro de potasio, solo debe añadirse una cantidad de calor determinada. Sin embargo, cuando se utiliza dióxido de manganeso (MnO2) para catalizar la reacción, esta se desarrolla más rápidamente, en condiciones mejor controladas y con un menor gasto de energía (figura 8). Para indicar la presencia del catalizador escribimos su fórmula sobre la flecha de reacción, pero no se toma en cuenta para el balanceo de la ecuación ni para establecer la formación de compuestos. KClO3
q
KCl
O2
Existen muchos ejemplos de reacciones que se llevan a cabo con mayor rapidez y menor gasto de energía debido a los catalizadores, pero, ¿cómo es que, a nivel molecular, un catalizador acelera la reacción? Experimentalmente se ha logrado establecer que no es solamente la presencia del catalizador lo que acelera la reacción sino que, más bien, su participación ayuda a que la reacción se lleve a cabo por otro camino más sencillo y con menor gasto de energía, como lo vemos en la figura 8.
# .¢MERODEMOL£CULASq
MnO2
#
Desarrolla competencias !UMENTODEVELOCIDADq
actividad individual
Califica cada una de las siguientes afirmaciones como falsa (F) o verdadera (V).
6
Figura 7. Luego de alcanzar la energía mínima de activación, las moléculas se aproximan lo suficiente para que se produzca una reordenación de los enlaces de las moléculas.
1.
El complejo activado es necesario para que se formen los productos.
2. 3.
,OSCATALIZADORESSONUNPRODUCTODELAREACCIN
4. 5.
Al aumentar la concentración de los reactivos, disminuyen las colisiones. ,A NATURALEZA DE LOS REACTIVOS NO INmUYE EN LA VELOCIDAD DE reacción. Si se disminuye la temperatura, disminuye la velocidad de reacción.
3INCATALIZADOR
Desarrolla competencias %NERG¤Aq
#ONCATALIZADOR 2EACTIVOS
Formen equipos e investiguen cómo funciona un catalizador en un proceso químico. Den ejemplos de catalizadores.
0RODUCTOS
0ROGRESODELAREACCINq
Figura 8. Los catalizadores no alteran el balance energético final de la reacción química, solo permiten que se alcance el equilibrio con mayor o menor velocidad.
224
actividad grupal
Práctica de laboratorio El contenido estudiado en este tema podemos repasarlo en la práctica de laboratorio “Aceleración de una reacción por la adición de un catalizador” (pp. 234 y 235), que se encuentra en la Sección final. st-editorial.com
H2O H2O
H2O H2O H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H 2O
H 2O H 2O H 2O H2O
H2O H2O HO
Tema 3
Tema 4
Velocidad de reacción
Desarrollo sustentable
¿Sabías que en la actualidad se liberan aproximadamente 7 000 toneladas de carbono al año por las actividades humanas? ¿Has pensado en las repercusiones que esto puede tener en el futuro si además la deforestación del planeta continúa?
Hace 30 años, después de realizar ejercicio, tomábamos agua de la llave directamente y nunca nos pasó nada. En ese tiempo solo veíamos tapabocas en los hospitales o laboratorios y era impensable que la gente los utilizara al circular por las calles. No se hablaba todavía de contaminación atmosférica –aunque ciertamente ya estaba presente en el ambiente– ni del calentamiento global de la Tierra, provocado por el aumento de gases en la atmósfera. En la actualidad, estos problemas y muchos más son parte de nuestra vida diaria, y se encuentran en etapa de discusión en todos los foros y países, debido al impacto ambiental que han generado y los efectos que tienen sobre la población. Con frecuencia se presentan en nuestro país y en diversas partes del mundo incendios forestales que a veces tardan semanas y hasta meses en ser controlados (figura 9). Esto, junto con la tala inmoderada, provoca la desaparición de vastas extensiones de bosques, el avance de la erosión y de los desiertos. Además, el uso indiscriminado y extensivo de combustibles fósiles en las industrias, st-editorial.com
transportes y hogares de todo el mundo está provocando que nuestro planeta absorba cada vez más radiación solar y esté calentándose en forma inquietante. Algunos gases, como el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2) acumulados en la atmósfera, impiden que se disipe el calor que la Tierra recibe del Sol, lo que provoca un efecto similar al que ocurre al interior de un invernadero, donde los gases calientes quedan atrapados. El calentamiento global, y el cambio climático asociado, se relacionan con frecuencia con la aparición de catástrofes naturales, como lluvias torrenciales, tormentas, ciclones y huracanes, que causan graves inundaciones y daños a la agricultura y la ganadería y, por lo tanto, un gran impacto en los asentamientos humanos. También vastas regiones del planeta sufren sequías y temperaturas extremas, lo que provoca las hambrunas, las enfermedades, la desnutrición, la falta de producción agrícola y la muerte del ganado por la escasez de agua y forrajes, entre otras serias consecuencias. 225
BLOQUE 8
Figura 9. Las pérdidas en el ecosistema son incalculables cuando se producen estos incendios en grandes áreas.
E n la web
Te recomendamos visitar las siguientes páginas para conocer más sobre los temas de este bloque: sA ZOREROBLOGSPOTCOM /05/reaccin-en dotrmica.html sW W W D I S C O V E R Y E N L A E S cuela.com/extras/nuestro planeta.php
Ante este panorama desalentador, los investigadores del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (pnuma) y de la Organización Meteorológica Mundial (omm) nos alertan sobre los efectos del cambio climático asociado al calentamiento global, y nos señalan que de no frenarse, este fenómeno podría provocar grandes trastornos, como un aumento en la temperatura mundial de entre 1 y 3.5°C para el año 2100. Este aumento ocasionaría el deshielo paulatino de los polos glaciares y, como consecuencia, el aumento (entre 11 y 88 cm) en el nivel de los océanos. Ciudades como Tokio y asentamientos humanos en zonas costeras bajas desaparecerían casi por completo y el ecosistema se afectaría de forma irreversible. Un fenómeno que contribuye a este problema es la deforestación, que ha ido en aumento en los últimos años, principalmente en las regiones cercanas al crecimiento urbano e industrial. La capa de ozono (O3) tiene como función evitar el paso de las radiaciones ultravioleta que afectan principalmente nuestra piel. Constantemente estamos enviando gases a la atmósfera que la dañan, un ejemplo de ello son los aerosoles y los refrigerantes: que contienen la molécula clorofluorcarbono (cfc), cuyo átomo de cloro es arrancado por la radiación uv combinándose con una molécula de ozono, destruyéndola. Un nuevo enfoque señala que el crecimiento de la población y la pobreza van ligados a los problemas ambientales, ya que actuamos sobre los recursos naturales al demandar mayores bienes y servicios (infográfico 3). El agua es una clara evidencia de la crisis que sufren las grandes y pequeñas ciudades, puesto que el recurso se agota por su mal uso en la industria y el hogar, y por el aumento en los índices de contaminación de fuentes acuíferas. Un ejemplo en nuestro país son los problemas de derrames de petróleo ocurridos en el 2007 en ríos del estado de Veracruz y que afectaron a miles de personas. Desde 1972 se han realizado esfuerzos por parte de las Naciones Unidas, y se reflejan en la formación del pnuma y en la realización de discusiones sobre los efectos de las actividades humanas en el medio ambiente. Como parte de esta campaña, la que fuera primera ministra de Noruega, la señora G. H. Bruntland (1939), redactó un informe de las condiciones ambientales en el planeta y lo presentó en la Cumbre de la Tierra, en Río de Janeiro (1992), en la que participaron 155 países de todo el mundo. A partir de aquí, toma fuerza un concepto llamado desarrollo sostenible, el cual establece que el desarrollo de las actividades humanas no debe comprometer la capacidad de las futuras generaciones por satisfacer las propias.
INFOGRÁFICO 3. ¿DÓNDE PRODUCIREMOS NUESTROS ALIMENTOS EN EL FUTURO?
97% DENUESTROS ALIMENTOS PROVIENEN DELATIERRA
50%
DELOSSUELOS ESTÖNDEGRADADOS
35%
DELOSSUELOSDELMUNDO ESTÖNYAPERDIDOSINUTILIZABLES
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COMPRENDES LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
Este concepto nos lleva a hacer una reflexión sobre el quehacer humano en tres rubros importantes: sus actividades económicas o de producción, la sociedad y el medio ambiente, todos ligados de manera indisoluble, donde el accionar de los dos primeros afecta al tercero de manera irreversible. Nuestra responsabilidad es cuidar los recursos sin comprometer a las futuras generaciones; disfrutar con compromiso de lo que tenemos es una tarea presente y futura.
E l mundo que te rodea
Riesgos de la ciencia y la tecnología Desde que el ser humano apareció en la Tierra hay tecnología. La elaboración de instrumentos prehistóricos se considera ya como una aplicación de técnicas y se toma como una evidencia contundente en los albores de la cultura humana. La tecnología ha sido una fuerza poderosa en el desarrollo de la civilización, una parte intrínseca de nuestra cultura. La tecnología aumenta las posibilidades de transformar el mundo en que vivimos, modificar nuestra sociedad, cambiar sus niveles de riqueza y bienestar, mudar valores y alterar de manera radical el medio ambiente. La ciencia y la tecnología se deben analizar en un mismo contexto, pues coexisten en un estado de simbiosis de beneficio mutuo. El querer cambiar el mundo a través de la aplicación de la ciencia y la tecnología nos ha llevado a resultados impredecibles que pueden incluir beneficios, costos y riesgos inesperados, donde no solo se afecta la sociedad actual, sino también la futura. A partir de lo anterior, resulta importante anticipar los efectos de la ciencia y la tecnología en la sociedad y en el medio que nos rodea. Es necesario analizar los riesgos de la ciencia y el uso de la tecnología como medio de producción de bienes y servicios. Muchos de los productos obtenidos a partir de la industria química tardan años en degradarse y otros tantos pasan a las cadenas alimenticias de los seres vivos a través del agua, la tierra y el aire. Debemos pensar en los medios para solucionar la problemática ambiental, puesto que nos atañe a todos los que habitamos este planeta. Piensa por un instante: ¿qué pasará si continuamos a este ritmo con la contaminación de nuestros ecosistemas?, ¿qué le vamos a dejar a las futuras generaciones? El consumismo también genera problemas. En general, este concepto se asocia al consumo excesivo o innecesario y su impacto ambiental. Observa el infográfico 4.
,AS 5R son las medidas que debemos tomar para cuidar el medio en el que vivimos: Respetar: respetar el medio ambiente. Me respeto yo y a quienes me rodean. Rechazar: envases no recicables, desodorantes en aerosol y baterías desechables. Reducir: la cantidad de empaques y artefactos con baterías desechables. Reutilizar: reparar artefactos eléctricos, recargar cartuchos de tinta, regalar lo que no utilizamos. Reciclar: la basura y convertir esta última R en un hábito diario.
INFOGRÁFICO 4. CONSUMISMO E IMPACTO AMBIENTAL !UNQUESECREEQUELAGENERACINDEBASURAESPROPORCIONALALCRECIMIENTO DELAPOBLACIN LASESTAD¤STICASDEMUESTRANLOCONTRARIO
Aumento de la población 0A¤SESCON ALTOSINGRESOS
15%
0A¤SESCON BAJOSINGRESOS
40%
!UMENTODELAPOBLACIN ENLOS¢LTIMOSA®OS
35%
!UMENTOENLAGENERACINDE BASURAENLOS¢LTIMOSA®OS
Consumo total
56%
0A¤SESCON ALTOSINGRESOS 0A¤SESCON BAJOSINGRESOS
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168%
11% 227
BLOQUE 8
Lee El futuro de la química La química es la mejor herramienta con la que hoy contamos para enfrentar grandes problemas del siglo XXI: la escasez de alimentos, la aparición de nuevas enfermedades, el agotamiento de las fuentes de energía convencionales y el deterioro del ambiente. El conocimiento de los fenómenos biológicos a nivel molecular permitirá realizar la síntesis de fármacos específicos para cada persona de acuerdo con sus características genéticas particulares y generar sustancias que controlen el funcionamiento de las células del cuerpo. La identificación de la estructura y las propiedades químicas de los componentes del código genético de los seres vivos se constituirán en la vía para corregir los defectos genéticos que se presentan y la misma técnica permitirá el desarrollo de cultivos más resistentes a las plagas o a la escasez de agua. Por otra parte, la comprensión de las propiedades físicas de
las sustancias, con base en su estructura atómica, dará lugar al desarrollo de nuevos materiales que revolucionarán áreas como la microelectrónica, la distribución de energía y el control ambiental. En el próximo milenio, la química también tendrá que operar más intensamente sobre su entorno para conocer mejor los dos grandes problemas: la destrucción de la capa de ozono por la acción de agentes químicos y el calentamiento global de la Tierra debido al incremento de la concentración de CO2 en la atmósfera. También esperan a la humanidad los problemas de la alta concentración de ozono a nivel del suelo y la devastación generada por la lluvia ácida en las grandes ciudades, fenómenos provocados por las reacciones químicas que ocurren en el interior de los motores de combustión en nuestros medios de transporte.
Pero la batalla central se establecerá entre el ángel y el demonio. Los enormes beneficios y avances en nuestra calidad de vida, producto de la intervención de la química, siempre tendrán un costo adverso. El reto consiste en desarrollar procesos que maximicen los beneficios y reduzcan al mínimo los impactos negativos sobre la salud y el ambiente. También se trata de contar con una población químicamente informada y educada, que pueda juzgar y tomar decisiones sobre el impacto de las sustancias y materiales utilizados, y tener un buen control de los desechos generados. En la actualidad se demanda una población que denuncie los abusos y la negligencia de las personas que no muestran una responsabilidad ética con el momento histórico que vivimos. Se trata de alcanzar un milenio en el que la frase “…eso tiene química” no invoque a los demonios.
Fuente: “La química en el siglo XXI. ¿Ángel o demonio?”, de V. Talanquer, en ¿Cómo ves? Reunidos en equipos, discutan lo siguiente, ante los inminentes problemas ecológicos que se presentan: ¿Consideran que la modificación genética de las plantas, los animales y los seres humanos sea lo que nos permitirá lograr una óptima adaptación al ambiente?¿Qué riesgos podría haber?
Desarrolla competencias
actividad grupal
Para contribuir a desarrollar su sensibilidad por el arte y el medio ambiente, les recomendamos que vean el documental de Al Gore, Una verdad incómoda, que trata sobre el impacto ambiental por las actividades de la industria y de las prácticas en general del ser humano. Organicen un debate y saquen sus conclusiones. El documental pueden encontrarlo en Internet, comprarlo o alquilarlo en algún local de renta de películas.
Desarrolla competencias
actividad individual
Realiza las siguientes actividades.
1. ¿Cuál sería para ti la importancia del desarrollo sostenible? 2. Investiga y menciona los criterios ambientales generales y de salud que debes tener en cuenta a la hora de elegir un producto. Discútelo con tus compañeros.
3. En la comunidad donde vives, identifica las fuentes de contaminación más cercanas a la escuela o a tu casa y haz un listado en tu cuaderno de posibles sustancias que tienen un impacto sobre el medio ambiente y la salud de la población. Discútelas con tus compañeros y con tu profesor.
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Evaluación sumativa Heteroevaluación Explica el significado de los siguientes términos en tu cuaderno.
1. Calor. 2. Temperatura. 3. Entalpía. 4. Ecuación termoquímica. 5. Reacción exotérmica. 6. Reacción endotérmica. 7. Velocidad de reacción. 8. Consumismo.
Autoevaluación I. Elabora un mapa conceptual que involucre los siguientes términos: temperatura, calor, entalpía, reacción exotérmica, reacción endotérmica, termoquímica.
II. Calcula en tu cuaderno la entalpía de reacción para cada uno de los casos siguientes. 1. C (grafito) + ½O2 (g) q CO2 (g) 2. H2 (g) ½l2 (s) q 2 HI (g) 3. C2H4 (g) + O2 (G) q CO2 (g) + H2O (g) III. Elabora un mapa conceptual o un mapa mental en el que expliques el concepto de velocidad de reacción y los factores que influyen en ella.
IV. Nuestra capacidad de aprender mejora cuando conocemos con precisión qué hemos aprendido y cuánto –de lo pretendido originalmente– hemos conseguido. En la siguiente tabla marca con una X tu nivel de desempeño. !SPECTO
.IVELDEDESEMPE®O 4
3
2
1
Entalpía de reacción y distinción entre reacciones endotérmicas o exotérmicas
Puedo calcular sin dificultad la entalpía de reacción a partir de datos de entalpía de formación. Con base en los resultados distingo correctamente si se trata de una reacción endotérmica o exotérmica.
En la mayoría de los casos logro calcular la entalpía de reacción a partir de datos de entalpía de formación. Asimismo, logro distinguir con el resultado si se trata de una reacción endotérmica o exotérmica.
Solo en algunas ocasiones puedo efectuar correctamente el cálculo de la entalpía de reacción. Me cuesta trabajo distinguir si se trata de una reacción endotérmica o exotérmica.
Solo con apoyo de mi profesor o de mis compañeros logro calcular la entalpia de reacción. Prácticamente no puedo distinguir entre una reacción endotérmica o exotérmica.
Velocidad de reacción
Puedo explicar con claridad el concepto de velocidad de reacción y los factores que influyen en ella.
Puedo explicar bien el concepto de velocidad de reacción pero necesito claridad sobre los factores que influyen ella.
Mi comprensión del concepto de velocidad de reacción no es totalmente clara y requiero hacer más precisiones. No puedo explicar cuáles factores influyen en la velocidad de una reacción.
No tengo claro qué significa el concepto de velocidad de reacción. Tampoco logro establecer qué influencia tienen algunos factores en la velocidad de reacción.
De los desempeños marcados con 1 o con 2, anota en tu cuaderno un compromiso de trabajo concreto y establece una fecha para su consecución.
V. Reflexiona y responde en tu cuaderno las siguientes preguntas acerca de tu desempeño en el bloque. 1. ¿Cómo pueden servirte los aprendizajes que has adquirido en tu vida y en tu entorno? Menciona cinco ejemplos. 2. ¿Qué aspectos de tu desempeño debes mantener y enriquecer? 3. ¿Qué aspectos debes superar en lo consecutivo?
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SECCIÓN FINAL
Sección final
230
PRÁCTICAS DE LABORATORIO
231
EVALUACIÓN FINAL
236
PARA TERMINAR. AUTOEVALÚA TUS COMPETENCIAS
242
FUENTES CONSULTADAS
243
ESTUDIO EFICAZ
244
TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS
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PRÁCTICAS DE LABORATORIO Vayamos más lejos...
Práctica de laboratorio 1 Extinción de fuego con la ayuda de una reacción química
Pide ayuda a tu profesor para escribir la ecuación química del experimento y responde a la pregunta ¿cuál es el producto de la reacción que provoca que la llama se apague? Investiga sobre la forma como funcionan los extintores y relaciona la información obtenida con el experimento que acabas de realizar.
Objetivo Observar la acción del dióxido de carbono sobre el fuego y entender la forma como funcionan los extintores en general.
Materiales y reactivos s Una vela s Cerillos s Un recipiente hondo de metal, plástico o vidrio s Una cuchara pequeña s 100 g de bicarbonato de sodio s 100 mL de vinagre de vino o de manzana
Problema ¿Cuál es el mecanismo que permite a algunas sustancias apagar el fuego?
Procedimiento 1. Coloca la vela en el recipiente y sujétala con su propia cera (derritiéndola previamente).
2. Enciende la vela. (Evita su contacto con fuentes que puedan propagar el fuego.)
3. A continuación echa en otro recipiente dos cucharadas de bicarbonato y sobre este el vinagre.
Práctica de laboratorio 2 Obtención de jabón de pasta Objetivo Preparar jabón de pasta como producto de la reacción entre aceite y sosa cáustica.
Materiales y reactivos s Caja de madera s Recipiente de barro, cristal o metal s Cuchara o palo de madera s 42 g de sosa cáustica s 250 mL de aceite de cocina o de oliva s 250 mL de agua
Problema ¿Por qué se forma jabón a partir de la reacción entre la sosa cáustica y el aceite?
4. Rápidamente vierte la masa burbujeante en el primer recipiente, ten cuidado de no apagar la llama directamente. Si la vela no se apaga, añade un poco más de vinagre y bicarbonato en el recipiente, revuélvelo un poco.
Registro de observaciones Haz un dibujo que represente el experimento y anota tus principales observaciones.
Cuestionario 1. ¿Cuáles son las características del CO2? 2. Averigua cuál es la composición química de los extintores.
Conclusiones Elabora un resumen que explique por qué se apaga la vela. Comparte las opiniones con tus compañeros y traten de llegar a una respuesta común. Comenten los resultados con el profesor. st-editorial.com
Procedimiento 1. Coloca la sosa cáustica en el recipiente donde vas a fabricar el jabón y añade con mucho cuidado el agua. Como la reacción es exotérmica observarás el desprendimiento de calor. ¡La sosa cáustica es una sustancia corrosiva y debe manejarse con extremo cuidado! Si toca tu ropa o tu piel es necesario lavar con abundante agua. 2. Lentamente y sin dejar de mover, añade el aceite. Sigue agitando a intervalos regulares hasta que observes la formación de una espesa pasta blanquecina que es el jabón. 3. Si a pesar de agitar frecuentemente no se forma la pasta mencionada, trasvasa el contenido a un recipiente metálico y caliéntalo en la estufa por unos minutos sin dejar de revolver hasta obtener el resultado deseado. 4. Vacía la pasta formada en la caja de madera y colócala en un lugar donde pueda escurrir. Después de uno o dos días podrás cortar el jabón en cuadros y estará listo para usarse. 231
PRÁCTICAS DE LABORATORIO Nota: si deseas que el jabón tenga un olor agradable puedes añadirle algunas gotas de esencia o de perfume cuando se esté efectuando la reacción.
Procedimiento 1. Coloca agua en tres cuartas partes de la capacidad del frasco de boca ancha.
2. Añade tres o cuatro cucharadas de sal de mesa al agua y
Registro de observaciones Dibuja los pasos principales de la experiencia y describe las características más notorias del jabón fabricado.
Cuestionario ¿Por qué el jabón funciona como limpiador y contaminador? ¿De qué depende su acción?
Conclusiones Escribe en tu cuaderno una conclusión de lo que observaste en la experiencia. ¿Qué cambios deberíamos hacer para obtener mejores resultados?
agita hasta que se efectúe completamente la disolución.
3. Une un extremo del alambre al tubo de cobre y al trozo de zinc, conecta el otro extremo a cada terminal del LED (diodo emisor de luz, por sus siglas en inglés). 4. En caso necesario, agrega más cantidad de sal hasta lograr una disolución completa. 5. Llena el frasco con vinagre. 6. Sumerge los electrodos en el vinagre y verás que el LED se ilumina (la tensión y la intensidad de la corriente pueden determinarse con un polímetro). 7. Clava en un limón dos electrodos y une los extremos de estos al LED.
Registro de observaciones Vayamos más lejos... s ¿Cómo se llama la reacción que permite obtener el jabón? s ¿Es necesario el calor para que se lleve a cabo la reacción? s ¿Por qué razón se utilizaron solamente 42 g de sosa cáustica? s Comenta tus respuestas con tu profesor.
Dibuja los pasos principales de la experiencia. Anota tus observaciones sobre cuál de los tres procedimientos funcionó mejor.
Cuestionario Reúnete con dos o tres compañeros y discutan por qué razón se encendió el LED. ¿Lo observado tiene alguna relación con los sólidos iónicos? ¿Por qué?
Conclusiones Entre dos tazas: una con agua y otra a la cual se le agregan sustancias iónicas, ¿cuál puede presentar mayor conductividad? Elabora tu conclusión basándote en lo que has aprendido.
Práctica de laboratorio 3 Construcción de una pila eléctrica a partir de sustancias iónicas Objetivo Conocer las propiedades de algunas sustancias iónicas y entender los principios básicos del funcionamiento de una pila.
Vayamos más allá... Indaga el modo como se fabrican las pilas comerciales. ¿Qué relación hay entre estas y el experimento que realizaste? ¿Notas alguna similitud entre el funcionamiento de una batería para automóvil y lo que hemos observado hoy? Justifica tu respuesta.
Materiales y reactivos sFrasco de boca ancha sLED sCuchara o agitador sElectrodos (pueden ser dos clavos pequeños) sAgua sLimón sSal de mesa sTrozo de zinc sVinagre de manzana o de vino sTrozo de tubo de cobre o de lámina de cobre s30 cm de alambre de cobre delgado
Problema ¿Por qué razón las sustancias iónicas disueltas en solución pueden conducir la electricidad? 232
Práctica de laboratorio 4 Electrólisis del agua Objetivo Observar el proceso de la electrólisis del agua.
Materiales y reactivos s Dos lápices afilados por ambos lados s Un cable para 15 amperios st-editorial.com
s Un trozo de cartón delgado de 12 x 12 cm s Tijeras s Cinta adhesiva s Un vaso s Una pila de 9 voltios s Agua
Materiales y reactivos
Problema ¿Pueden romperse los enlaces en la molécula de agua? ¿Cómo puede descomponerse el agua en sus elementos constituyentes?
el tubo de ensayo; el tapón debe tener un orificio que permita la conexión del tubo de hule s Mechero de alcohol s Agua
Procedimiento
Problema
1. Corta dos trozos de cable de 20 cm y únelos a los polos
¿Qué métodos se aplican para purificar el agua? ¿Existe algún método que podamos emplear en el hogar para purificar el agua?
de la pila con cinta adhesiva. 2. Enrolla el otro extremo de los cables a la punta de la mina de los lápices. 3. Coloca el cuadrado de cartón sobre el vaso con agua. 4. Clava los lápices en el cartón, de manera que las puntas opuestas al lugar donde se ataron los cables estén sumergidas en el agua. 5. Deja que la corriente eléctrica fluya por las minas (cilindros de grafito que se encierran en la madera) y por los cables que están sumergidos en agua.
s Dos tubos de ensayo s Pinzas de madera o de otro material s Trozo de tubo de hule o popote s Cinta adhesiva s Vaso s Tapón de hule o de otro material que se utilizará para
Procedimiento 1. Llena el vaso de agua a dos tercios de altura y coloca en él uno de los tubos de ensayo.
2. Llena la mitad del tubo de ensayo con agua y colócale el ta-
Haz un dibujo que represente el experimento y anota tus principales observaciones.
pón; introduce en el orificio el trozo de tubo de hule o popote para formar los tubos de destilación. 3. Introduce la punta del trozo de tubo o popote (instalación de destilación) en el tubo de ensayo vacío. 4. Enciende el mechero y calienta el tubo de ensayo con agua hasta que esta se evapore totalmente. (Usa pinzas para sujetar el tubo de ensayo que se está calentando.)
Cuestionario
Registro de observaciones
1. ¿Qué sucede con cada una de las minas de los lápices? 2. ¿Cómo podrías saber cuál es el hidrógeno y cuál es el
Haz un dibujo que represente el experimento y anota tus principales observaciones.
Registro de observaciones
oxígeno?
Cuestionario Conclusiones Expresa por qué se separan los componentes del agua. Comparte las opiniones con tus compañeros y traten de llegar a una respuesta común. Comenten las conclusiones con el profesor.
1. ¿Cómo se puede saber si el agua obtenida es pura? 2. ¿Cómo trasladarías la experiencia a otra escala, de forma tal que sirva para purificar el agua que bebe una familia?
Conclusiones Vayamos más lejos... Busca información sobre la aplicación industrial de la electrólisis. ¿Puede la electrólisis aplicarse a otros líquidos?
Cuál es la importancia de conocer un método de purificación del agua.
Vayamos más lejos... Investiga sobre las aplicaciones del agua destilada, así como sus ventajas y desventajas en comparación con el agua potable. También indaga sobre los métodos más empleados para purificar grandes cantidades de agua.
Práctica de laboratorio 5 Destilación del agua Objetivo Experimentar uno de los métodos de purificación de agua y observar el fenómeno de evaporación-condensación. st-editorial.com
233
PRÁCTICAS DE LABORATORIO Vayamos más allá...
Práctica de laboratorio 6 Una reacción de simple sustitución
Pide ayuda a tu profesor para escribir la ecuación química del experimento. ¿Cuál metal fue desplazado por el cobre? ¿Por qué logró desplazarlo? Busca ejemplos en la industria en los que se aplique lo que observaste en el experimento. Coméntalos con tus compañeros y tu profesor.
Objetivo Observar una reacción en la que un metal desplaza a otro y comprender los principios básicos para obtener metales puros.
Materiales y reactivos s Un tubo de ensayo s Pinzas de madera o de otro material s Embudo y papel de filtro s Clip s Mechero de alcohol s Sulfato de cobre
Problema ¿Cómo se utilizan las reacciones químicas para obtener metales puros? ¿Qué es una reacción de simple sustitución?
Procedimiento 1. Introduce el clip en el tubo de ensayo. 2. Llena con agua ese tubo de ensayo de forma tal que el nivel del agua sobrepase la altura del clip.
3. Introduce una buena cantidad de sulfato de cobre y agítalo.
4. Enciende el mechero o la lámpara de alcohol y calienta el tubo de ensayo con la disolución y el clip hasta que la disolución se vuelva color marrón. (Usa pinzas para sujetar el tubo de ensayo que se está calentando.) 5. Deja enfriar la disolución, emplea el papel y el embudo para efectuar una filtración. 6. Con cuidado, retira el papel filtro y déjalo secar con todo su contenido. 7. Cuando se haya secado, rasca el clip para obtener el cobre.
Registro de observaciones Anota tus observaciones sobre el desarrollo del experimento. Enlista las propiedades físicas que observas en el cobre obtenido durante el experimento.
Cuestionario ¿Qué sustancia aparece disuelta en el líquido al final de la experiencia?
Conclusiones Explica sintéticamente cómo un metal puede ser desplazado por otro en una reacción química. 234
Práctica de laboratorio 7 Aceleración de una reacción por la adición de un catalizador Objetivo Conocer uno de los métodos de laboratorio para obtener oxígeno y comparar la velocidad de reacción en una reacción catalizada y en una reacción no catalizada.
Materiales y reactivos s Tres tubos de ensayo de 20 x 200 mm s Soporte universal s Mechero Bunsen s Pinza para tubo de ensayo s Cuba hidroneumática y conexiones s Dos tapones monohoradados para los tubos de ensayo s Cronómetro s Dos muestras de 3.0 g de clorato de potasio s 0.5 g de dióxido de manganeso
Problema ¿Cuál es la función de los catalizadores en las reacciones químicas?
Procedimiento 1. Arma el equipo junto con la cuba hidroneumática, como se observa en la figura.
2. Pesa 3.0 g de clorato de potasio (KClO3) y colócalos dentro de un tubo de ensayo limpio y seco. Calienta con el mechero los lados y luego el fondo del tubo de ensayo. Continúa con el calentamiento hasta que no haya desplazamiento de agua dentro del tubo de ensayo que se encuentra en la cuba hidroneumática. Con el cronómetro mide el tiempo que tarda en desarrollarse por completo la reacción. 3. Para la segunda parte del experimento, pesa 0.5 g de dióxido de manganeso (MnO2) y agrégalo a 3.0 g de clorato de potasio en un tubo de ensayo limpio y seco. Arma de nuevo la cuba hidroneumática y efectúa el calentamiento como en el paso anterior. Toma el tiempo en que ahora se desarrolla la reacción y anota tus observaciones. st-editorial.com
Escribe las ecuaciones químicas balanceadas para cada experimento. Experimento 1:
Experimento 2:
Registro de observaciones Dibuja los pasos principales de la experiencia y completa el siguiente cuadro de observaciones.
Experimento
Tiempo de reacción
Características del residuo
Cuestionario 1. ¿Qué cambios observaste en la velocidad de reacción? 2. ¿Qué le sucede al catalizador? 1
¿Todos los catalizadores aceleran las reacciones? De manera general, ¿qué requieren las reacciones de descomposición para llevarse a cabo? ¿Por qué?
Conclusiones Cita al menos dos ejemplos de catalizadores biológicos y su acción en el organismo. Comenta tus respuestas con tu profesor. 2
Vayamos más allá... Averigua qué beneficios representan los catalizadores en las labores de producción industrial.
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235
EVALUACIÓN FINAL Heteroevaluación Estimado/a docente, encuentre más información en: st-editorial.com
I. Elige la opción en la que se relaciona el concepto con su descripción. 1. 2. 3. 4. 5.
Química general Química inorgánica Química orgánica Química analítica
a. Investiga la clase y cantidad de componentes de una sustancia. b. Incluye a la termodinámica, la cinética química, etc. c. Estudio de los compuestos del carbono. d. Estudia los principios básicos de la constitución de la materia. e. Estudia las propiedades de los elementos diferentes al carbono.
Química física
II. Selecciona la respuesta correcta. 1.
2.
3.
La leche es: a. un elemento. b. un compuesto. c. una mezcla heterogénea. d. una mezcla homogénea.
8.
El yodo es: a. un elemento. b. un compuesto. c. una mezcla heterogénea. d. una mezcla homogénea.
9.
a. Aire y petróleo. b. Acero, estaño y aire. c. Estaño, petróleo y aire. d. Petróleo y estaño.
10.
ne a la influencia del cloro.
5.
De las siguientes, ¿cuáles son propiedades generales o extensivas de la materia? a. Porosidad y color. b. Color y olor. c. Olor e inercia. d. Inercia y porosidad. El tipo de energía que se debe a la posición o estado de un cuerpo se le llama:
a. posicional. b. estática. c. potencial. d. cinética. 6.
7.
236
11.
La oxidación, la digestión y la respiración son ejemplos de cambios: a. biológicos. b. químicos. c. físicos. d. mecánicos.
Para un elemento con Z = 17 y A = 35 se calcula que tiene:
a. 17 electrones, 18 protones y 18 neutrones. b. 18 electrones, 18 protones y 17 neutrones. c. 17 electrones, 17 protones y 18 neutrones. d. 18 electrones, 17 protones y 17 neutrones. 12.
Si un elemento químico tiene 15 protones, 15 electrones y 16 neutrones, su número de masa es: a. 15. b. 16. c. 31. d. 46.
13.
En la teoría atómica de Dalton se concibe al átomo como:
El tipo de cambio en el que no se altera la estructura química de la materia se le denomina:
a. físico. b. cinético. c. químico. d. nuclear.
Un elemento químico tiene Z = 18, lo cual indica que tiene:
a. 18 neutrones. b. 18 neutrones y 18 protones. c. 18 electrones y 18 neutrones. d. masa atómica igual a 18 uma.
b. Es un buen conductor de la electricidad. c. Su densidad es de 8.96 g/cm3. d. Se funde a 1 2840C. 4.
Las emisiones de partículas “alfa” son un ejemplo claro de:
a. cambio físico. b. cambio químico. c. cambio nuclear. d. cambio de estado.
¿Cuáles de las siguientes son propiedades físicas del cobre?
a. Adquiere un color verde cuando se expo-
¿Cuáles son mezclas?
a. una esfera de electrificación positiva. b. esferas sólidas y de peso fijo. c. un núcleo atómico pequeñísimo donde se encuentra concentrada la masa, gran espacio vacío y los electrones girando alrededor. d. un núcleo atómico y los electrones girando en niveles de energía cuantificada. st-editorial.com
14.
El modelo atómico que concibe al átomo como una esfera de electrificación positiva, donde se encuentran incrustados los electrones, corresponde a: a. Dalton. b. Thomson. c. Bohr. d. Rutherford.
21.
Los últimos dos orbitales para el 17Cl son 3s2, 3p5. ¿Cuáles de los siguientes enunciados son correctos? a. Se ubica en el tercer periodo. b. Tiene cinco electrones en la capa de valencia. c. Forma parte del grupo VIIA. d. Se encuentra ubicado en el grupo IIIA.
15.
Los rayos canales ayudaron a Goldstein al descubrimiento de la partícula subatómica llamada: a. neutrón. b. protón. c. electrón. d. positrón.
22.
Para el 9F, los valores de los números cuánticos de su electrón diferencial son: a. n = 2, l = 1, m = -1, s = -½. b. n = 2, l = 1, m = 0, s = -½. c. n = 2, l = 1, m = +1, s = -½. d. n = 2, l = 1, m = +1, s = +½.
16.
La partícula subatómica llamada neutrón fue descubierta por:
23.
La ordenación de los elementos químicos en la clasificación de Mendeleïev se hizo en función de: a. la masa atómica. b. el número atómico. c. el número de masa. d. la configuración electrónica.
24.
¿Cuál de las siguientes no es una propiedad de los no metales? a. Presentan el fenómeno de alotropía. b. Tienden a perder electrones en una reacción química. c. Se pueden presentar en cualquier estado de agregación. d. Sus moléculas pueden ser diatómicas, triatómicas, etc.
25.
La regla del octeto establece que: a. los átomos tienen ocho electrones en su capa de valencia. b. los átomos pueden perder, ganar o compartir electrones hasta obtener ocho en su capa de valencia. c. entre los dos átomos que forman el enlace se tienen ocho electrones de valencia. d. los átomos que forman el enlace pueden llegar a perder hasta ocho electrones de su capa de valencia.
a. John Dalton. b. Pierre y Marie Curie. c. Niels Bohr. d. James Chadwick. 17.
Átomos del mismo elemento químico pero con diferente número de masa se llaman: a. isotónicos. b. isoelectrónicos. c. isótopos. d. isósceles.
18.
El número cuántico principal (n) indica: a. la orientación del orbital. b. el nivel de energía. c. la forma del orbital. d. el giro del electrón.
19.
El número máximo de electrones que logra soportar un orbital tipo f es de: a. 2. b. 6. c. 10. d. 14.
20.
¿En cuál de las siguientes opciones se muestra correctamente la configuración electrónica del 33As? a. 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d10, 4s2, 4p3. b. 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d10, 4s1, 4p4. c. 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p3. d. 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s1 3d10, 4p4.
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EVALUACIÓN FINAL Autoevaluación I. Responde a las siguientes preguntas basándote en la teoría atómica de Dalton.
1. ¿El átomo puede descomponerse en partes más pequeñas?
II. Según la información de la tabla periódica, responde lo siguiente. ¿Cuántos elementos se encuentran…
a. en el grupo de los halógenos?
b. en la familia de los metales alcalinos? 2. ¿En qué son idénticos los átomos de un elemento?
c. en la serie de los lantánidos?
d. clasificados como metales de transición? 3. ¿En qué difieren los átomos de cloro de los átomos de oxígeno?
III. Resuelve los siguientes ejercicios. 1. ¿Cuál es la cantidad de electrones de valencia para cada uno de los siguientes iones negativos?
a. Cl4. ¿En qué difiere el agua del peróxido de hidrógeno (H2O2), aunque ambos compuestos están formados solo por hidrógeno y oxígeno?
b. S2c. N3d. C4-
5. ¿Qué pruebas experimentales sustentan las afirmaciones siguientes sobre el átomo?
a. El núcleo de un átomo es pequeño.
2. Encuentra la cantidad de electrones de valencia para cada uno de los siguientes iones positivos.
a. K1+ b. Ca2+ b. El núcleo de un átomo es positivo.
c. Al3+ d. Fe3+
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IV. Realiza los siguientes ejercicios en tu cuaderno. 1. Dibuja la estructura de Lewis para la molécula de flúor (F2) teniendo presente que este elemento químico se encuentra en el grupo VIIA.
2. Dibuja la estructura de Lewis para el ácido nítrico (HNO3) tomando en cuenta que el hidrógeno se encuentra en el grupo IA, el nitrógeno en el VA y el oxígeno en el VIA.
V. Describe las diferencias entre cada par de términos. 1. Ion y molécula.
2. Enlace covalente y enlace iónico.
3. Molécula y compuesto.
4. Anión y catión.
VI. Determina el número de oxidación correspondiente a cada elemento. 1. Na2O 2. KNO2 3. Cu(ClO2)2 4. NH3 5. SnCl2 6. H2SnCl6
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EVALUACIÓN FINAL VII. Escribe la fórmula de cada uno de los siguientes compuestos. 1. Cloruro de zinc: 2. Fluoruro de estaño (IV): 3. Nitruro de calcio: 4. Sulfuro de aluminio: 5. Seleniuro de mercurio (I): 6. Yoduro de plata: 7. Óxido de platino (II): 8. Sulfuro de calcio: 9. Tetraoxoarseniato (V) de hidrógeno: 10. Tetraoxopermanganato (VII) de hidrógeno:
VIII. Balancea las siguientes ecuaciones.
8. H2 + O2 AH2O
1. Au + H2SO4 A Au(SO4)3 + H2 9. H2O + N2O5AHNO3 2. C6H6 + O2ACO2 + H2O
3. CaF2 + H2SO4A CaSO4 + HF
4. Cu + HNO3ANO2 + H2O + Cu(NO3)2
10. HCl + KmNO4AKCl + MnCl2 + H2O + Cl2
11. HCl + Zn AZnCl2 + H2
5. Fe + O2 AFe2O3 12. K + H2OA KOH + H2
6. Fe2 O3 + CA Fe + CO 13. K2Cr2O7 + H2O + SA SO2 + KOH + Cr2O3
7. FeS+ O2A Fe2O3+ SO2 14. KClO3 + SAKCl + SO2
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IX. Calcula la entalpía de reacción para cada una de las siguientes reacciones. 1. C(grafito) + O2(g) ACO2(g)
2. H2(g)+
O2AH2 O(l)
3. 2C2H2(g) + 5O2(g) A 4CO2(g) + H2O(l)
4. CS2(l) + 3O2(g)ACO2(g) + 25O2(g)
5. 4NH3(g) + 5O2(g)A4NO(g) + 6NO(g) + 6H2O(g)
X. Combina los aniones y cationes para fabricar las fórmulas. Posteriormente anota en la línea correspondiente el nombre del compuesto formado. K+1
Mg+2
Fe2+
Fe3+
Pb4+
1
5
9
13
17
2
6
10
14
18
3
7
11
15
19
PO43- 4
8
12
16
20
O2OH1SO42-
1.
11.
2.
12.
3.
13.
4.
14.
5.
15.
6.
16.
7.
17.
8.
18.
9.
19.
10.
20.
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241
PARA TERMINAR. AUTOEVALÚA TUS COMPETENCIAS Ahora que has terminado el curso, es conveniente que hagas un alto para reflexionar sobre las competencias genéricas que has adquirido. En el siguiente cuadro, señala el nivel que consideres que has logrado en cada aspecto. Contesta con honestidad.
SIEMPRE
FRECUENTEMENTE
POCO
CASI NUNCA
NUNCA
Te conoces, te valoras y abordas los problemas y retos a partir de objetivos.
Eres sensible al arte y lo aprecias e interpretas en todas sus expresiones.
Eliges y practicas estilos de vida saludables.
Escuchas, interpretas y emites mensajes pertinentes en distintos contextos, mediante la utilización de herramientas y medios apropiados.
Desarrollas innovaciones y propones soluciones a problemas a partir de un método seleccionado.
Mantienes una postura personal sobre temas de interés y consideras otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva.
Aprendes por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida.
Participas y colaboras de manera efectiva en trabajos de equipo.
Participas con una conciencia cívica y ética en la vida de tu comunidad, la región, México y el mundo.
Mantienes una actitud respetuosa hacia la diversidad de culturas, creencias, valores, ideas y prácticas sociales de otras personas.
Contribuyes al desarrollo sustentable del medio ambiente, de manera crítica y con acciones responsables.
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FUENTES CONSULTADAS
Brown, T. y Lemay, H. Química. La ciencia central. México: Prentice Hall, 1998. Chang, R. Química. México: Mc Graw Hill, 1992. Daub, G. W. y Seese, W. S. Química. 7ª edición, México: Pearson Educación, 199 . Dickson, T. R. Química. Enfoque ecológico. México: Limusa Noriega Editores, 1997. Garritz, A., Chamizo, J. A. Tú y la Química. México: Pearson Educación, 2001. Garritz, A. y otros. La química en la sociedad. México: unam, Facultad de Química, 1994. Garritz, A. (comp.) Química en México. Ayer, hoy y mañana. México: unam, Facultad de Química, 1991. Hein, M. Química. México: Grupo Editorial Iberoamericano, 1992. Hill W. J., Kolb, Doris K. Química para el Nuevo Milenio. México: Pearson Educación, 1999. Kotz, J. C. Química y reactividad química. 5ª edición. México: Thomson Internacional, 2003. Mahan, B. C.; Myers, R. J. Curso de Química Universitario. México: Addison-Wesley Iberoamericana, 1990. Martínez V. A. y Castro A., C. M. Química. México: Santillana, 1998. Talanquer, Vicente. “La química en el siglo xxi: ¿ángel o demonio?”, ¿Cómo ves?, No. 12. Sherman, A., Sherman, S. J. y Rusikoff, L. Conceptos básicos de Química. México: Grupo Patria Cultural, 2001. www.astromia.com/glosario/elementosorigen.htm www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/origen-elementos www.historiasiglo20.org/GLOS/guerraquimica.htm www.tecnociencia.es/especiales/guerraquimica/armasquim.htm
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Estudio eficaz
Técnicas y estrategias para estudiar y aprender con mayor eficacia
Cada vez que vas a aplicar una técnica debes hacer conciencia de cómo, cuándo y por qué la estás utilizando, y si con ella vas a lograr el objetivo que quieres. No solo es importante que tengas en cuenta las técnicas de estudio, también debes tener un buen manejo emocional para hacer del estudio un momento ameno y eficiente.
Las técnicas y estrategias de estudio son un conjunto de herramientas que debes automatizar luego de practicarlas. Estudiar de una manera eficaz te permitirá desarrollar competencias, como aprender de manera autónoma a lo largo de tu vida. Antes de aplicar las técnicas y estrategias de estudio es necesario que identifiques qué habilidad cognitiva está en juego. Las habilidades cognitivas son un proceso mental a través del cual maduras la información para darle un significado. Entre ellas están: Observar: buscar-encontrar, concentrarse, identificar. Analizar: comparar, subrayar, distinguir, resaltar. Ordenar: reunir, agrupar, seriar, calendarizar. Clasificar: jerarquizar, sintetizar, esquematizar. Representar: dibujar, simular, reproducir. Memorizar: conservar, archivar, evocar, recordar. Interpretar: razonar, argumentar, deducir, explicar, anticipar. Evaluar: examinar, criticar, estimar, juzgar.
Estado de ánimo 1. El estado de ánimo afecta tu aprendizaje. 2. Busca alguna motivación para leer un libro, para tener más conocimientos, para demostrarte que puedes hacerlo, para mejorar tus notas. 3. Generalmente los temas nuevos generan ansiedad al principio; no te preocupes, conforme te familiarices con ellos te sentirás mejor. 4. Fíjate si te estás diciendo frases negativas como “No puedo”, “Es muy difícil”, “Qué flojera”; estas no te ayudan a estudiar, te desconcentran; cámbialas por: “Puedo hacer el esfuerzo”, “Puedo sacarle algo interesante a este material” o alguna frase que te ayude a mejorar tu estado de ánimo. 5. Recuerda: tu estado de ánimo es un factor muy importante para el aprendizaje.
Sistemas de representación Existen diferentes canales para obtener y procesar la información: visual, auditivo y kinestésico. Cada quien tiene uno preferente, pero es importante desarrollar los tres porque cada canal tiene sus propios beneficios. Visual. Lo que llega a través de la vista y las imágenes que creas en tu cerebro. Las personas visuales aprenden mejor cuando leen o ven la información. Cuando piensan en imágenes pueden traer a la mente mucha información a la vez. Auditivo. Lo que llega a través de los oídos. Las personas auditivas aprenden mejor cuando reciben las explicaciones oralmente y cuando pueden hablar y explicar esa información a otra persona. El proceso es más lento que el visual. Kinestésico. Lo que llega a través de los movimientos del cuerpo (memoria muscular). Las personas kinestésicas aprenden cuando hacen cosas, como experimentos de laboratorio o proyectos. Aprender utilizando el sistema kinestésico es mucho más lento que los otros dos sistemas, pero es muy difícil olvidarse de lo aprendido.
Camino al aprendizaje 1
Antes de leer un libro
s Hojéalo para que te familiarices con él. s Siempre lee antes los títulos y subtítulos; te pueden dar una buena idea sobre el tema que vas a leer. s Fíjate en las ilustraciones y hazte una hipótesis de lo que trata el capítulo. s Hazte preguntas acerca del tema a partir de los títulos y subtítulos.
3
Antes de hacer el resumen
s Haz dibujos de lo que hayas leído; las imágenes son muy potentes para el aprendizaje. s Explica en voz alta lo que leíste; es importante que te escuches. También te puedes grabar y luego escucharte. s Reconstruye el texto con las frases que subrayaste respetando el orden que tenían. s Revisa que se hayan respondido las preguntas que te hiciste en un principio.
5
Para estudiar
s Repasa los esquemas o dibujos que hayas hecho. s Escribe los conceptos que más trabajo te cuesten; lo que se escribe se recuerda con más facilidad. s El tiempo ideal para concentrarte son 20 minutos; luego descansa 5, durante este lapso puedes pensar acerca de lo que estudiaste y luego vuelve a empezar. s Repasa nuevamente los esquemas o dibujos que hayas hecho. s Graba tu voz y escúchate.
2
Mientras estés leyendo
4
Resumen
s Si el vocabulario o el tema no te es familiar, no te desesperes, sigue leyendo; poco a poco te vas a ir familiarizando al respecto.
s Revisa lo subrayado.
s Subraya las ideas que respondan a las preguntas que te hiciste al principio.
s Haz mapas mentales o conceptuales según te acomode; son muy útiles para estudiar. En las próximas dos páginas te mostramos ejemplos de ambos mapas.
s Resalta las ideas que te parezcan importantes. s Si el texto es muy largo, divídelo en partes y reconstruye en tu mente lo que leíste; esto es para que se te haga menos pesada la tarea.
s Une con tus propias palabras las ideas que consideres más importantes.
6
Para el examen
s Lo más importante es que estés relajado y confiado de lo que sabes. s Si estás nervioso respira lenta y profundamente para que te relajes. s Checa tus pensamientos; si te estás diciendo cosas negativas, eso te altera más. s Contesta primero las preguntas más fáciles y deja para el final las más difíciles. s Al final revisa con calma tus respuestas.
s Asocia lo que estás leyendo con algún conocimiento que ya tengas. s Si tu mente se va a otro lado mientras estás leyendo, regrésala, tú tienes el control sobre tus pensamientos.
Estilo de aprendizaje La programación neurolingüística constituye una valiosa herramienta para que conozcas tu estilo de aprendizaje. En la siguiente página web podrás encontrar varios tests que te serán muy útiles: www.monografias.com/trabajos36/inteligencia-telematica/inteligencia-telematica3.shtml
Mapa conceptual
Es una representación gráfica de diferentes conceptos y de sus relaciones entre sí. Los conceptos tienen diferentes niveles jerárquicos y se unen por líneas identificadas con una palabra de enlace o de conexión, que facilita la integración y comprensión de un tema determinado. Se puede usar para comprender un tema o unidad de estudio, como diagnóstico, para analizar y explicar un concepto a un grupo de personas, como forma de estudio antes de una evaluación.
¿Cómo elaboro un mapa conceptual? sLee y comprende un tema (este será el concepto central). s Identifica las ideas o los conceptos principales. s Determina la jerarquía de los conceptos principales y los secundarios. s Establece las relaciones entre esos conceptos por medio de líneas o flechas. s Agrega, conforme se necesite, las palabras de enlace o de conexión.
A continuación puedes ver un modelo de un mapa conceptual.
Concepto central palabra de enlace
Nivel 1
Nivel 2
Nivel 3
Nivel 4
concepto principal
concepto principal
concepto principal
palabra de enlace
palabra de enlace
palabra de enlace
concepto secundario
concepto secundario
concepto secundario
concepto secundario
concepto secundario
concepto secundario
palabra de enlace
palabra de enlace
palabra de enlace
palabra de enlace
palabra de enlace
palabra de enlace
concepto específico
concepto específico
concepto específico
concepto específico
concepto específico
concepto específico
palabra de enlace
palabra de enlace
palabra de enlace
palabra de enlace
palabra de enlace
palabra de enlace
ejemplo
ejemplo
ejemplo
ejemplo
ejemplo
ejemplo
Mapa mental
Un mapa mental es la expresión gráfica del pensamiento irradiante, el cual se caracteriza por dejar que la mente siga múltiples caminos en torno a un tema o asunto.
Características
¿Cómo elaboro un mapa mental?
s Debe hacerse a mano, con colores y dibujos.
s Pon el tema principal al centro de la hoja, con una palabra o un dibujo.
s Las ideas se organizan de manera jerárquica y se asocian o vinculan entre sí.
s Genera en forma espontánea todos los subtemas y aspectos relacionados con la idea central, agregándolos como ramas de un árbol.
s Generalmente se realiza en una hoja horizontal. s Incluye todo el conocimiento que tengas o investigues sobre el tema central: ideas, conceptos, emociones.
s Utiliza colores, dibujos, líneas, flechas, códigos, símbolos, figuras tridimensionales, palabras clave y todo aquello que creas conveniente.
s Pueden incluirse símbolos, flechas y códigos.
s ¡Usa tu imaginación! El único límite que tienes es el tamaño del papel donde lo realices.
s Debe ser dinámico y creativo. ¡Usa tu imaginación! s El único límite que tienes es el tamaño del papel donde lo realices.
s Diviértete, ya verás que se te facilitará comprender cualquier tema.
Aquí te mostramos un acercamiento a la expresión gráfica del pensamiento irradiante, el mapa mental*. aspecto
dinámico
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5
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* Este mapa mental se adaptó digitalmente para facilitar su lectura. El estudiante podrá realizarlo de forma manual con las características que lo definen.
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color letra de imprenta
subaspecto
tridimensión
Nota: para ver la tabla periódica con sus colores correspondientes, puedes ir a la página 97.
