Quimica 1. Competencias + aprendizaje + vida

Ana María Sosa Reyes

En el marco de la Reforma Integral de la Educación Media Superior, el libro Química 1 se presenta como un apoyo eficaz para que el estudiante reconozca la importancia de la química en el mundo moderno, su futuro promisorio, los principales retos por venir, sus alcances y sus limitaciones. Además, que descubra en el pensamiento científico una herramienta poderosa para la solución de problemas, y que todo ello le sea útil para desarrollar competencias genéricas y disciplinares que le permitirán:

Química COMPETENCIAS + APRENDIZAJE + VIDA

• Interactuar con su entorno de manera activa, propositiva y crítica. • Prepararse para su ingreso y permanencia en la educación superior. • Incorporarse, si es su interés, al ámbito laboral. Mediante un lenguaje claro y sencillo, con una variedad de ejemplos cotidianos, Química 1 proporciona una base sólida de los conceptos y principios de la química. Enfocados en la adquisición de las competencias, las actividades prácticas y los proyectos en cada bloque favorecen la investigación como estrategia didáctica, con el propósito de promover la independencia del estudiante en el proceso de enseñanza-aprendizaje. Asimismo, prevalecen los temas ambientales para generar una conciencia de cuidado y preservación del medio que nos rodea, así como un accionar ético y responsable del manejo de los recursos naturales para ésta y las generaciones futuras.

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COMPETENCIAS + APRENDIZAJE + VIDA

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COMPETENCIAS + APRENDIZAJE + VIDA

Ana María Sosa Reyes Colegio de Ciencias y Humanidades, Plantel Sur Universidad Nacional Autónoma de México

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Datos de catalogación bibliográfica

SOSA REYES, ANA MARÍA Química 1 Pearson Educación, México, 2010 ISBN: 978-607-32-0116-2 Área: Ciencias Formato 21 × 27 cm.

Edición en español Editor: Editora de desarrollo: Supervisor de producción:

Páginas: 224

Enrique Quintanar Duarte e-mail: [email protected] Claudia Celia Martínez Amigón Rodrigo Romero Villalobos

PRIMERA EDICIÓN, 2010 D.R. © 2010 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5o. piso Col. Industrial Atoto, CP 53519 Naucalpan de Juárez, Estado de México Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Reg. núm. 1031 Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ISBN VERSIÓN IMPRESA: 978-607-32-0116-2 ISBN VERSIÓN E-BOOK: 978-607-32-0117-9 ISBN E-CHAPTER: 978-607-32-0118-6 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 13 12 11 10

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Contenido Bloque 1 Identifica a la Química como herramienta para la vida Proyecto. La química en nuestras vidas La química Aplicaciones de la química La química y el ambiente La química, la información y los datos Los grandes momentos del desarrollo de la química La historia de Fritz Haber y la fijación de nitrógeno

El método científico y sus pasos El caso del agujero de ozono y los freones

Bloque 2 Comprende las interacciones de la materia y la energía Proyecto. Uso responsable de la materia y la energía La historia del etanol, un combustible controvertido Interacciones entre la materia y la energía Interacciones materia-energía

La energía Los estados de agregación y la energía Cambios físicos, químicos y nucleares de la materia La energía nuclear, una historia de temor, muerte, dinero y ecología Las pilas, una aplicación más de las relaciones materia-energía Construcción de diagramas “V” de Gowin

Bloque 3 Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones Proyecto. Evolución del modelo atómico Aportaciones al modelo atómico El estudio de la naturaleza de la materia en la antigüedad

Elementos y compuestos Características de los átomos El “átomo de los químicos” El modelo de Dalton Las partículas subatómicas. El “átomo de los físicos” Hacia el interior de los átomos: el descubrimiento de los electrones

La radiactividad El núcleo atómico Los neutrones Número atómico, masa atómica y número de masa Aplicaciones de los isótopos

Estructura electrónica y energía cuantizada Los números cuánticos Posibles combinaciones El espín y el principio de exclusión de Pauli Configuraciones electrónicas

Los modelos científicos

Bloque 4 Interpreta la tabla periódica Proyecto. Indicadores de la contaminación Plantas susceptibles a la contaminación: los biomonitores Historia sobre la clasificación de los elementos químicos

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2 4 5 6 7 9 12 12

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Contenido

Símbolos químicos Las tríadas de Döbereiner La hipótesis de Proust Mendeleiev, creador de la tabla moderna

Metales, no metales y metaloides Grupos, periodos y bloques de la tabla periódica La periodicidad de la tabla periódica El orden en la tabla y las configuraciones electrónicas Las otras tablas Elementos útiles, metales y no metales Obtención de cobre a partir del compuesto cloruro de cobre El caso del aluminio y la importancia de su reciclaje

Bloque 5 Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares Proyecto. El agua en nuestro entorno Las extrañas propiedades del agua Las propiedades de las sustancias Estados de agregación Interacciones atractivas en los diferentes estados de agregación De las propiedades a los enlaces

Sólidos con alto punto de fusión Sólidos con bajo punto de fusión Sustancias conductoras de corriente eléctrica

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96 98 99 101 101 102 103

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Determinación de la conductividad El enlace metálico y las propiedades de los metales El enlace iónico y las propiedades de las sustancias El enlace covalente y las propiedades de las sustancias

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El modelo de enlace de Lewis y la regla del octeto Estructuras de Lewis para compuestos iónicos Estructuras de Lewis para compuestos covalentes

113 113 114

Fuerzas intermoleculares y los puentes de hidrógeno

Bloque 6 Maneja la nomenclatura química inorgánica Proyecto. Origen de los nombres de las sustancias, significado y contexto histórico El lenguaje de la química y su historia Unificación de la simbología Representación de los compuestos La identidad basada en la composición Descripción de las reglas de la IUPAC

Resistencia al cambio: nomenclatura de los elementos Herramientas o reglas de nomenclatura química IUPAC para los compuestos inorgánicos

Lectura de las fórmulas: los nombres Hidruros metálicos Hidrácidos Óxidos metálicos Óxidos de no metales Hidróxidos metálicos Oxácidos no metálicos Sales, oxosales neutras, sales ácidas y sales básicas Oxosales Oxosales ácidas y básicas Sales mixtas

Seguridad en el laboratorio

Bloque 7 Representa y opera reacciones químicas Proyecto. Conservación de monumentos históricos La calidad del aire

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Contenido

Las reacciones químicas y sus ecuaciones Tipos de reacciones

Ley de la Conservación de la Materia Balanceo de ecuaciones

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162 164

Balanceo por tanteo

167

Reacciones de óxido-reducción Números de oxidación Agentes oxidantes y reductores

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Balanceo por redox

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Bloque 8 Entiende los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas Proyecto. Desarrollo sustentable El calentamiento global y el desarrollo sustentable Reacciones exotérmicas y endotérmicas Entalpía de reacción Entalpía de formación Velocidad de reacción Factores que afectan la velocidad de reacción

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Conversión de unidades

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Bibliografía

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Agradecimiento

A la Bióloga Abigail González Peña por sus valiosos comentarios, los cuales sirvieron para enriquecer el contenido de esta obra.

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Presentación L

a química es una ciencia con una gran influencia en nuestra vida cotidiana: nos permite comprender muchos de los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor o en nuestro cuerpo. A través del conocimiento generado por esta ciencia, los seres humanos hemos sido capaces de satisfacer muchas de nuestras necesidades, crear nuevas y mejorar nuestra calidad de vida. Hoy resulta casi imposible imaginar un mundo sin aspirinas, café instantáneo, anestésicos, anticonceptivos, fertilizantes, pilas, cosméticos, detergentes, vinos, plásticos o antibióticos.

Al profesor El libro Química 1 pretende ser una herramienta efectiva para reconocer la importancia de la química en el mundo moderno, su futuro, sus principales retos, sus alcances y limitaciones. Además, se busca que el alumno descubra en el pensamiento científico el apoyo para la resolución de problemas cotidianos y que todo ello le sea útil para tomar decisiones conscientes y responsables. A lo largo del libro, y mediante un lenguaje sencillo, se proporciona una base sólida de los conceptos y principios de la química. La variedad de ejemplos relacionados con la vida diaria permiten que el alumno encuentre utilidad en el aprendizaje de los nuevos conceptos. Las actividades prácticas y los proyectos que se proponen en cada bloque pretenden favorecer la investigación como estrategia didáctica, con el propósito de promover la independencia del alumno en el proceso de enseñanza-aprendizaje. En el libro se han privilegiado los temas ambientales para generar una conciencia de cuidado y preservación del ambiente, así como un accionar ético y responsable del manejo de los recursos naturales para nuestra generación y las futuras generaciones. Se espera que, al término del curso, el alumno sea capaz de emplear los conocimientos conceptuales y metodológicos propios de la química para comprender mejor su entorno.

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Al alumno El libro Química 1 pretende ofrecerte una visión moderna y atractiva de la química, útil para comprender los procesos que ocurren en tu cuerpo y en el mundo que te rodea. Ojalá que al terminar de estudiar un tema cierres el libro, fijes tu vista en algún objeto y puedas modelar sus características y propiedades visibles y la relación con aquellas que no puedes ver, para comprender las propiedades y los cambios que observamos en las sustancias. Quizá al principio parezca complicado; sin embargo, he procurado que los conceptos básicos sean lo suficientemente claros para que los comprendas y avances hacia los más complejos. Espero que al encontrarte frente a un problema o cuando te surja una pregunta, puedas pensar como si fueras un científico y plantees hipótesis que te sirvan para diseñar y llevar a cabo experimentos que te conduzcan a generar conclusiones convincentes. Es importante que en cada proyecto y en cada actividad, participes, discutas y propongas ideas. Sobre los temas, he preferido aquellos que se relacionan con problemas ambientales, no sólo por su importancia, sino porque considero que constituyen una de las preocupaciones más auténticas entre los jóvenes. Tal vez, si te decides, descubrirás que la química puede resultar apasionante, pues en cuanto se llega a comprender tan sólo una parte de sus conceptos, su lenguaje y sus métodos, cambia por completo la percepción que tenemos del mundo que nos rodea.

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Proyecto 4

tras vidas ímica en nues

Al inicio de cada bloque se presenta una propuesta de proyecto mediante el cual desarrollarás la unidad de competencia correspondiente al bloque. A lo largo del bloque se ofrecen algunas indicaciones para avanzar en el proyecto, mismo que podrás culminar en la sección Pista de aterrizaje.

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Información sobre el vínculo entre la competencia que trabajarás en cada bloque y el uso de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC); de ahí el nombre de la sección.

Actividades de comprensión de lectura y redacción, en equipo y grupales, que te permitirán desarrollar la unidad de competencia de cada bloque.

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Bloque 1 t Identifica a la Química como herramienta para la vida

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Estos recuadros te proponen herramientas informáticas y consejos que te ayudarán en tus actividades dentro de los bloques.

Acción

I N D I C A D O R

D E

D e s e mp e ñ o Tomando en cuenta la definición inicial que escribiste, la que aparece en el recuadro y la lectura sobre el visitante del pasado, escribe un breve ensayo que se titule “La importancia de la química en mi vida cotidiana”.

Explica el concepto de química y sus aplicaciones, utilizando ejemplos reales de su vida cotidiana.

Actividades individuales mediante las cuales leerás textos o examinarás imágenes relacionadas con el tema de cada bloque.

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Amplía

Desarrollo de contenidos Incluye actividades de exploración de conocimientos previos, e información sobre los diversos conceptos relacionados con la unidad de competencia de cada bloque.

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Horizonte

Por equipos elaboren un cuestionario de 10 preguntas respecto a las características de la vida cotidiana en los tiempos en que los entrevistados tenían tu edad. Pueden preguntar sobre los combustibles que se empleaban en los transportes, para cocinar y para calentar la casa; sobre los problemas ambientales que enfrentaban. También sobre la forma en que mantenían limpios sus dientes y arreglaban su cabello. Además, investiguen cuáles limpiadores usaban para lavar la ropa o mantener limpios la cocina y el baño. La idea es que, con la información que obtengan, hagan una comparación sobre las ventajas y desventajas que tenemos ahora por los avances de la ciencia comparados con lo que se tenía entonces. Una vez que elaboren las preguntas, aplíquenlas a 10 personas, las de mayor edad que puedan entrevistar. Discutan en el equipo sobre las diferencias y en una cartulina hagan un dibujo que evidencie los contrastes que más llamaron su atención. Presenten su dibujo al resto del grupo.

La química y el ambiente Hay productos de la química que definitivamente han hecho nuestra vida más cómoda; sin embargo, si pensamos en el papel de la química y la situación de contaminación ambiental que vivimos, ahí la cosa cambia. Uno de los problemas más graves que enfrenta la humanidad en cuestión de contaminación es el calentamiento global. Es decir, el aumento de la temperatura ambiente promedio que se ha venido observando en las últimas décadas. Sobre este incremento, lo que más preocupa es la velocidad a la que avanza el fenómeno y las consecuencias ecológicas que pueden ocurrir, cuyos efectos comienzan a ser evidentes. Tras reconocer que la temperatura promedio del planeta está aumentando, se identificó, mediante técnicas de análisis, que la posible causa del fenómeno es la emisión de algunos gases a la atmósfera, conocidos como gases de efecto invernadero: metano (CH4), óxido de dinitrógeno (N2O), monóxido de carbono (CO), vapor de agua (H2O) y, principalmente, dióxido de carbono (CO2). Este último gas es el principal producto de la combustión de los carburantes fósiles que se utilizan día a día, como la gasolina.

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.

Amplía tu horizonte Es una actividad para realizar fuera del aula que te permitirá avanzar en el desarrollo del proyecto.

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Química 1

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C I A E T E N C O M P

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Actividad para culminar todas las tareas que se presentaron a lo largo del bloque y que deben ser incluidas en el portafolio de evidencias. Incluye las indicaciones finales para la actividad detonadora.

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Cruce de caminos Información que destaca la utilidad de lo aprendido en cada bloque para aplicarlo en otras signaturas o en la resolución de problemas de la vida cotidiana.

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Genéricas 1. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue. 2. Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación de sus expresiones en distintos géneros. 3. Elige y practica estilos de vida saludables. 4. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados. 5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos. 6. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general, considerando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva. 7. Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida. 8. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos. 9. Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de su comunidad, región, México y el mundo. 10. Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la diversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales. 11. Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con acciones responsables.

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Disciplinares básicas 1. Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. 2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. 3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. 4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. 5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. 6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. 7. Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. 8. Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nociones científicas. 9. Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos. 10. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista mediante instrumentos o modelos científicos. 11. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. 12. Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece. 13. Relaciona los niveles de organización química, biológica, física y ecológica de los sistemas vivos. 14. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

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xvii 1

Química 1

¿para

qué?

Quizá alguna vez, al caminar en los pasillos de algún supermercado y observar los diversos productos en las estanterías, te has preguntado: 1 ¿Qué diferencia hay entre los aerosoles actuales que no

dañan la capa de ozono y los antiguos que sí lo hacían? 2 ¿Será que las pilas recargables, mucho más costosas, de

veras no contaminan? 3 ¿Por qué un refresco en lata es más costoso que el que

viene embotellado? 4 ¿Qué tratamiento le dan al agua embotellada que resulta

tan cara? 5 ¿Cómo se usan las tablas nutricionales que aparecen en

las etiquetas de los productos alimenticios?

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BLOQUE

1

Identifica a la Química como herramienta para la vida

Indicadores de desempeño

Tiempo asignado al bloque ✔ 10 horas

El alumno:

✔ Explica el concepto de química y sus

Unidad de competencia Reconoce a la química como parte de su vida cotidiana tras conocer el progreso que ha tenido ésta a través del tiempo y la forma en que ha empleado el método científico para resolver problemas del mundo que nos rodea, así como su relación con otras ciencias, que conjuntamente han contribuido al desarrollo de la humanidad.

✔ ✔ ✔ ✔

aplicaciones, utilizando ejemplos reales de su vida cotidiana. Relata los momentos trascendentales que ha vivido el desarrollo de la química a través del tiempo. Establece la relación de la química con las matemáticas, física y biología, utilizando ejemplos reales de su vida cotidiana. Explica la forma en que el método científico ha ayudado a la química en la resolución de problemas. En un nivel incipiente, observa y analiza un fenómeno, hecho o situación de la vida cotidiana; formula una hipótesis, experimenta y obtiene las conclusiones correspondientes.

El contenido de este bloque te invita a reflexionar sobre la importancia de la química en nuestras vidas: el uso de diversos productos que han mejorado nuestra vida cotidiana y los problemas ambientales que ha ocasionado el uso inadecuado de algunos productos de la química. También se presenta una imagen moderna sobre el modo en que se genera el conocimiento científico, cómo los procedimientos que caracterizan a la ciencia son útiles para resolver problemas y cómo el trabajo de los científicos impacta a la sociedad, la economía y hasta la política.

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SABERES REQUERIDOS Conocimientos ✔ Comprende el concepto de química. ✔ Reconoce los grandes momentos ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔

del desarrollo de la química. Reconoce los pasos del método científico. Identificación de problemas y formulación de preguntas de carácter científico. Planteamiento de hipótesis. Obtención y registro de información. Experimentación. Contrasta resultados. Comunica las conclusiones.

Habilidades

Actitudes y valores

✔ Expresa la importancia que

✔ Desarrolla un sentido de

tiene la química, ubicando las aplicaciones de ésta en sus actividades cotidianas. ✔ Relaciona a la química con otras ciencias, como las matemáticas, la física y la biología, entre otras. ✔ Aplica los pasos del método científico en la resolución de problemas del campo de la química. ✔ Desarrolla actividades experimentales y/o de campo, siguiendo los pasos del método científico.

responsabilidad y compromiso al reconocer que la química se aplica de manera permanente en su vida diaria. ✔ Valora las aplicaciones de la química en su vida cotidiana y en el desarrollo de la humanidad. ✔ Muestra interés por participar en actividades experimentales y/o de campo. ✔ Promueve el trabajo metódico y organizado.

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Proyecto

La química en nuestras vidas

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omo proyecto de este primer bloque se te propone organizar, al final del mismo, una sesión de debates sobre el papel que tiene la química en nuestras vidas. Formen equipos de cinco personas, la mitad de los equipos defenderá la postura de que la química ha mejorado las condiciones de vida del ser humano, mientras que los restantes argumentarán a favor de que los productos de la química han generado más problemas que beneficios. Es importante que conforme estudian los contenidos del bloque vayan eligiendo información útil para argumentar a favor de la postura que le tocó a cada equipo. También tomen en cuenta la información que surja de las actividades Entra en acción y Entremos en acción.

¿Tú qué dices?

¿

Cómo calificarías el papel de la química en el contexto de la situación actual del ambiente? ¿Es causa o solución del problema? La contaminación y el deterioro del ambiente son, sin duda, temas de discusión constante; sin embargo, ¿te has sentado a pensar realmente cuál es el origen del problema?, ¿acaso hay manera de recuperar lo que se tenía?, y sobre todo, ¿sabes qué podrías hacer para contribuir a resolver dicho problema, que aunque la frase suene desgastada, nos atañe a todos? ¿Tú qué dices?

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Bloque 1 • Identifica a la Química como herramienta para la vida

C O M P E T E N C I A

EN

Entremos

Acción

Disciplinar Formen equipos de tres personas y discutan sobre los cuestionamientos anteriores. Lleguen a un consenso y expliquen brevemente:

• La causa principal que ustedes consideran es origen del deterioro ambiental. • La idea que tienen sobre la posibilidad de revertir el deterioro ambiental. • Las acciones que, a su juicio, podrían llevar a cabo para resolver este problema.

Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

Durante los siguientes días busquen en periódicos, revistas e Internet noticias que apoyen algunas de las respuestas que surgieron de la discusión anterior. Por ejemplo, una noticia sobre alguna nueva técnica útil para purificar el agua apoyaría la idea de que sí se puede revertir el deterioro ambiental. Luego de dos semanas, por equipos revisen la información recabada y preséntenla en una cartulina que tenga tres secciones: causas del deterioro ambiental, posibilidades de revertirlo y acciones a tomar. Pidan a su profesor que asigne una pared del salón o un espacio para colocar las cartulinas y den una breve explicación al resto del grupo acerca de su contenido.

La química Con frecuencia, cuando se discute el tema de la contaminación ambiental aparecen entre los culpables la química, la industria química y las sustancias químicas. ¿Se mencionaron algunos de estos factores en la discusión que se llevó a cabo en tu aula de clases? ¿De alguna forma resultó la química responsable de este problema?

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

Bueno, para emitir un juicio justo habrá que saber más sobre esta área de la ciencia a la que unas veces se le presenta como amenaza, pero que en otras aparece como salvadora. Entonces, será mejor empezar por definir claramente qué es la química. Reúnete con un compañero y decidan cómo definirían el concepto de química, escriban su definición en los siguientes renglones:

La definición que generalmente se usa sobre la química es breve y sencilla: La ciencia que estudia la materia y sus cambios. Compara esta definición con lo que ustedes escribieron y comenten las coincidencias entre ambas.

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Química 1

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece.

l Como consecuencia de s desarrollo de nuevo fármacos, productos de higiene personal o más efectivos, así com s má la disposición de y mejores alimentos, las expectativas de vida promedio a nivel mundial pasaron de ser de 47 años que se tenía a principios de la década de 1950, a 66 que en promedio viven se ahora las personas y 25 20 el ra pa e qu estima os. añ 73 de sea

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Aplicaciones de la química Imagina que te pudieras encontrar con un joven de la Edad Media, de tu misma edad. Ahora, trata de pensar en todas las cosas que te llamarían la atención en relación con su aspecto, su estado de salud y sus hábitos. ¿Qué crees que lo distinguiría de los jóvenes actuales? Coméntalo con un compañero y en el espacio que sigue haz una lista de al menos 10 cosas que crees que llamarían tu atención.

Seguramente entre los aspectos que se te ocurrieron se encuentra la ropa que el joven del pasado traería puesta: probablemente un traje de lino, algodón o lana bastante arrugado, con pocos colores y de tonalidades pardas y poco brillantes; que además tal vez no tengan un aspecto tan limpio como el de la ropa que tú sueles ponerte. También puede ser que hayas pensado en su forma de peinarse, aunque, más que el peinado habría que pensar en las condiciones de su pelo: tal vez más grasoso de lo que acostumbramos ahora, menos brillante y seguramente muy maltratado. Además, puede ser que el visitante tuviera una cabellera más abundante que el promedio actual. ¿Y los dientes? ¿En qué condiciones crees que encontrarías la dentadura de nuestro visitante que a estas alturas seguramente ya estaría molesto por ser el objeto de tantas observaciones? Pues sí, en cuestión de ropa y de higiene personal la química nos ha dado muchas ventajas: por una parte, ropa de muchos tipos con diferentes telas, colores y texturas, también detergentes para mantenerla limpia. Además de zapatos cómodos, ligeros e inclusive que ayudan a mejorar tu rendimiento y evitan malos olores. Sobre la higiene personal ni qué decir: hoy podemos encontrar productos que nos permiten tener aliento agradable durante más tiempo, dientes limpios y sanos. También cabello limpio, brillante y con peinados casi inimaginables hace unos años. En el área de la salud, los beneficios que han surgido son numerosos y sin duda aún más importantes, baste decir que gracias a la variedad y eficacia de los medicamentos actuales, las expectativas de vida de las personas hoy superan por mucho las de quienes vivieron hace años. La alimentación, base de la buena o mala salud de la gente, también tiene mucho que ver con los avances de la química, no sólo con respecto al tipo de alimentos que podemos encontrar a la venta, sino en los avances sobre fertilizantes y aditivos agrícolas que permiten producir más y mejores alimentos, así como las técnicas de conservación que prolongan la vida útil de los mismos.

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Bloque 1 • Identifica a la Química como herramienta para la vida

EN

Entra

I N D I C A D O R

Acción

TU

Amplía

D E

Dese mpeño Tomando en cuenta la definición inicial que escribiste, la que aparece en el recuadro y la lectura sobre el visitante del pasado, escribe un breve ensayo que se titule “La importancia de la química en mi vida cotidiana”.

Explica el concepto de química y sus aplicaciones, utilizando ejemplos reales de su vida cotidiana.

e

Horizont

Por equipos elaboren un cuestionario de 10 preguntas respecto a las características de la vida cotidiana en los tiempos en que los entrevistados tenían tu edad. Pueden preguntar sobre los combustibles que se empleaban en los transportes, para cocinar y para calentar la casa; sobre los problemas ambientales que enfrentaban. También sobre la forma en que mantenían limpios sus dientes y arreglaban su cabello. Además, investiguen cuáles limpiadores usaban para lavar la ropa o mantener limpios la cocina y el baño. La idea es que, con la información que obtengan, hagan una comparación sobre las ventajas y desventajas que tenemos ahora por los avances de la ciencia comparados con lo que se tenía entonces. Una vez que elaboren las preguntas, aplíquenlas a 10 personas, las de mayor edad que puedan entrevistar. Discutan en el equipo sobre las diferencias y en una cartulina hagan un dibujo que evidencie los contrastes que más llamaron su atención. Presenten su dibujo al resto del grupo.

La química y el ambiente Hay productos de la química que definitivamente han hecho nuestra vida más cómoda; sin embargo, si pensamos en el papel de la química y la situación de contaminación ambiental que vivimos, ahí la cosa cambia. Uno de los problemas más graves que enfrenta la humanidad en cuestión de contaminación es el calentamiento global. Es decir, el aumento de la temperatura ambiente promedio que se ha venido observando en las últimas décadas. Sobre este incremento, lo que más preocupa es la velocidad a la que avanza el fenómeno y las consecuencias ecológicas que pueden ocurrir, cuyos efectos comienzan a ser evidentes. Tras reconocer que la temperatura promedio del planeta está aumentando, se identificó, mediante técnicas de análisis, que la posible causa del fenómeno es la emisión de algunos gases a la atmósfera, conocidos como gases de efecto invernadero: metano (CH4), óxido de dinitrógeno (N2O), monóxido de carbono (CO), vapor de agua (H2O) y, principalmente, dióxido de carbono (CO2). Este último gas es el principal producto de la combustión de los carburantes fósiles que se utilizan día a día, como la gasolina.

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.

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Química 1

El efecto invernadero parece ser el fenómeno responsable del calentamiento global. Se produce debido a que la luz visible que llega del sol es absorbida por el suelo, que posteriormente emite radiación infrarroja. Los gases de efecto invernadero son capaces de absorber y retener esta radiación que, de otro modo, se emitiría al espacio. Cuando hay una gran cantidad de esos gases en la troposfera, la radiación queda “atrapada” y la temperatura ambiente aumenta, como sucede dentro de un invernadero. Este fenómeno se lleva a cabo de manera natural en la Tierra y permite que la temperatura en ella sea adecuada para la vida; sin embargo, recientemente su efecto se ha visto incrementado debido a las actividades humanas.

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onsulta al menos tres sitios en Internet que expliquen en qué consiste el calentamiento global y elabora un resumen. El propósito es que aclares tus dudas y al final tengas una idea general sobre las características del fenómeno; comenta con tu profesor la información que hayas encontrado y hazle saber las dudas que aún tengas. A continuación encontrarás unas direcciones sugeridas. • http://www.bbc.co.uk/spanish/especiales/clima/impactdefault.shtml • http://cambio_climatico.ine.gob.mx/

Una vez comprendido el fenómeno, habrá que investigar cuánta responsabilidad tenemos cada uno de nosotros en este problema. Incluso en Internet existen algunos sitios que cuentan con programas sencillos que te permiten calcular cuánto dióxido de carbono emites a la atmósfera con base en la cantidad y el tipo de combustibles que utilizas cotidianamente. Ingresa a alguno de estos sitios, calcula el volumen de CO2 que generas y evalúa qué tan responsable eres al respecto. Compara tus resultados con tres o cuatro compañeros y determinen ¿quién genera mayor volumen de CO2? y, ¿a qué puede deberse tal diferencia? A continuación te sugerimos dos de estos sitios: • http://desarrollosustentable.pemex.com/portal/index.cfm • http://www.calculatusemisiones.com/main.html Con la información que generaron hagan una lista de todos los alumnos con los valores que calculó cada uno. Comenten en grupo si hay diferencias.

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Bloque 1 • Identifica a la Química como herramienta para la vida

Es probable que después de reflexionar acerca de cómo cada uno de nosotros es parte del problema del calentamiento global, hayas empezado a considerar que no es tan sencillo juzgar el papel de la química para calificarla como causa o solución de algunos problemas.

EN

Entra

Acción

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Ahora, ¿qué dices? ¿El origen de los problemas ambientales estará en la industria y los procesos químicos? ¿En la química podemos encontrar la causa o la solución? Escribe un párrafo en el que expreses tus opiniones para cada una de las preguntas.

Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.

1.

2.

La química, la información y los datos La comprensión de un fenómeno complejo como el calentamiento global ha implicado mucho trabajo interdisciplinario, es decir, ha sido necesario que químicos, físicos, biólogos y ambientalistas se pongan a trabajar juntos. Así se ha hecho la recopilación cuidadosa de un gran número de datos, como la concentración de los gases de efecto invernadero en la atmósfera, la temperatura ambiental, la cantidad y el tipo de combustibles utilizados, etcétera. El análisis adecuado de esta información ha hecho posible que los científicos se den cuenta de la magnitud del problema y la urgencia que hay para revertirlo. Sin embargo, la solución de problemas como el del calentamiento global no está sólo en manos de los científicos, se requiere de la acción directa de la sociedad y de sus gobernantes. Ahora bien, para que tanto la sociedad como los políticos comprendan el fenómeno y puedan compartir la preocupación de los científicos, es necesario hacer accesible la información, presentándola de manera clara y concisa. Es aquí donde las gráficas pueden ser muy útiles. Recuerda, de tus clases de matemáticas, que las gráficas constan generalmente de dos ejes. El horizontal (de las abscisas o X) indica los valores de la variable independiente, aquella que quien recolecta los datos elige de forma arbitraria. Por ejemplo, en la primera de las gráficas de la siguiente actividad se decidió investigar lo que ocurrió entre los años 800 y 2000. El eje vertical (de las ordenadas o Y), indica los valores de la variable dependiente, aquella cuyos valores dependen de la X y no se eligen, sino que se determinan o miden para cada una de las X elegida. En el ejemplo se tomó un intervalo de tiempo y para cada año se determinó la emisión de carbono (como una medida del dióxido de carbono). La gráfica completa nos permite saber cómo varió la emisión de carbono a la atmósfera en ese tiempo.

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Química 1

Acción

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

I N D I C A D O R

A continuación encontrarás algunas gráficas que relacionan datos sobre el fenómeno del calentamiento global. Forma equipo con otro compañero, observen las gráficas cuidadosamente y comenten qué información pueden obtener de cada una. Respondan cada una de las preguntas que se plantean y discutan sus respuestas. Para que quedes convencido de que tus respuestas son correctas, consulta otras fuentes en la biblioteca de tu escuela. 1800

Emisiones anuales de carbón por regiones EUA y Canadá Europa del Oeste Asia del Este Europa del Este y antiguos Estados Soviéticos India y Sureste de Asia

D E

D es e m pe ño

1400 1200 1000

América Central y América del Sur Medio Este África

Establece la relación de la química con las matemáticas utilizando ejemplos de la vida cotidiana.

800 600 400

(Año: 2000) Gráfica 1.1 Emisiones anuales de carbón por regiones.

1600

1800

1850

200 1900

1950

Millones de tons. métricas de carbón/año

EN

Entremos

2000

Fuente: Inventario Nacional de Gases de Efecto Invernadero, INEGI, México.

¿Cómo ha variado la emisión de carbono a la atmósfera desde el año 800?

Al comparar la emisión de Estados Unidos y Canadá con la de Europa del Oeste, en los últimos 50 años se observa una notable diferencia, ¿a qué atribuyes comportamientos tan distintos?

Por su parte, Europa del Este y los antiguos países soviéticos muestran una caída en el valor de sus emisiones en los últimos años, ¿a qué se debe este cambio?

Con base en los datos, ¿qué explicación darías a las diferencias observadas entre las emisiones de India y los países del centro y sur de América?

En la siguiente gráfica se han sobrepuesto dos gráficas: en rojo la que muestra cómo ha variado la temperatura promedio a nivel mundial entre el año 1000 y el 2000. La línea azul corresponde a la variación de la concentración de dióxido de carbono que se ha determinado en la atmósfera.

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Bloque 1 • Identifica a la Química como herramienta para la vida

11

14.5 390 14.3

370 350

14.1 ppm 330 CO2 310

C 13.9

290 13.7 270 13.5

250 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

Gráfica 1.2 Variación de la temperatura y la concentración de dióxido de carbono a nivel mundial.

¿Qué conclusión puede sacarse al comparar este par de gráficas?

¿Desde cuándo inició el fenómeno del calentamiento global?

70

Porcentaje del total mundial

60

Reservas

50 40 Producción 30 20 Consumo

10 0

Oriente Latinoamérica África Rusia y paises Medio de Europa del Este

Asia

América Europa del Norte Occidental

Gráfica 1.3 Petróleo por regiones.

En la gráfica 1.3 se presentan los porcentajes a nivel mundial sobre las reservas, la producción y el consumo de petróleo por regiones. ¿Cuál es la zona que produce mayor cantidad de petróleo?

¿Coincide esta zona con la de mayor consumo? ¿A qué puede deberse?

¿Qué relación hay entre la información que te ofrece esta gráfica y la gráfica 1.1?

Como se dijo antes, el problema del calentamiento global ha requerido de los conocimientos de diferentes disciplinas, como las matemáticas, para organizar e interpretar los datos.

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Química 1

EN

Entremos

Acción

I N D I C A D O R

Formen equipos de tres personas y piensen cuáles aspectos del calentamiento global requieren de los conocimientos de la física y de la biología. Escriban sus ideas en un párrafo.

D E

D es e m pe ño Establece la relación de la química con las matemáticas, física y biología, utilizando ejemplos reales de su vida cotidiana.

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

Compartan con el resto del grupo lo que escribieron y de forma conjunta, bajo la coordinación de su profesor, construyan en el pizarrón un mapa conceptual que se titule “La participación de diferentes ciencias en el problema del calentamiento global”.

Los grandes momentos del desarrollo de la química La química ha aportado infinidad de productos que han contribuido a nuestro bienestar, incluso puede decirse que algunos de ellos han cambiado nuestra forma de vida, tal es el caso de la síntesis industrial del amoniaco.

La historia de Fritz Haber y la fijación de nitrógeno

El amoniaco es una de las 16 sustancias cuya producción se a considera estratégica al o bid de nivel mundial ce du pro se e qu volumen la en ad lid uti n gra y a su s cto du fabricación de pro En . indispensables 2004 se generaron 109,000,000 de toneladas métricas a nivel mundial, cuyo uso principal es como fertilizante.

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Un ejemplo interesante sobre lo relativo a las bondades y los problemas que surgen a partir de los avances científicos lo constituye la historia del descubrimiento de la síntesis del amoniaco que hiciera el alemán Fritz Haber. Es bien sabido que entre los elementos esenciales de los organismos vivos está el nitrógeno, esto parecería no ser un problema si pensamos que el aire que nos rodea es una mezcla de gases en donde predomina precisamente el nitrógeno. Sin embargo, resulta que ni las plantas ni los seres humanos somos capaces de tomarlo y aprovecharlo tal como está en el aire, N2, es decir, de forma elemental. Los animales obtenemos nitrógeno de las plantas y éstas lo adquieren de compuestos que lo incluyen en su fórmula, como el nitrato de potasio (KNO3) o el amoniaco (NH3), ambos compuestos están contenidos en todos los fertilizantes químicos que se emplean actualmente. A principios del siglo pasado, Haber descubrió la forma de preparar amoniaco a partir del hidrógeno (H2) y el nitrógeno (N2) del aire en vez de obtenerlo a partir de compuestos extraídos de las minas, como se hacía entonces. El descubrimiento de Haber fue llevado a nivel industrial por Carl Bosch, por lo que a la técnica se le conoce como proceso Haber-Bosch. Puede decirse que el impacto de este avance cambió al mundo, pues gracias a la eficacia y cantidad de fertilizantes utilizados en la agricultura, es posible producir alimentos suficientes para casi todos los más de 6,000 millones de seres humanos que habitamos la Tierra. Pero aquí no termina la historia de Fritz Haber y sus contribuciones a la ciencia, pues el nuevo método para obtener amoniaco fácil y barato no sólo favoreció al área de los fertilizantes. También jugó un papel importante en un momento crucial de la historia de la humanidad: la Primera Guerra Mundial. El proceso Haber-Bosch

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Bloque 1 • Identifica a la Química como herramienta para la vida

permitió a los alemanes fabricar amoniaco que, además de ser utilizado como fertilizante, también es parte importante de la materia prima usada en la fabricación de explosivos como el nitrato de amonio, la nitroglicerina y el trinitrotolueno o TNT. A la fecha, el número de muertes en conflictos bélicos que pueden asociarse a la aplicación del proceso Haber-Bosch se calcula de entre 100 y 150 millones. Haber fue un alemán patriota de origen judío que puso todo su ingenio y talento a disposición de su patria; sin embargo, en 1933 tuvo que abandonar Alemania, dominada por los nazis, debido a su origen judío…. ¡paradojas del ser humano! Las contribuciones de Fritz Haber modificaron la vida de los seres humanos en varios sentidos. Conocer las historias sobre la vida y las contribuciones de algunos científicos importantes nos permite tener un panorama general sobre la forma en que se ha desarrollado la química.

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ormen equipos de cuatro personas. Su profesor asignará a cada equipo un periodo de 30 años desde el siglo XVIII hasta nuestros días. Investiguen en Internet sobre las contribuciones de algunos científicos que hayan vivido en el periodo que les tocó y decidan en el equipo sobre quién les gustaría investigar más a fondo (puede ser alguno de los que se sugieren a continuación). Escriban e ilustren en una hoja la biografía del científico que hayan investigado, deben mencionar los aspectos más interesantes sobre su vida, sus contribuciones y su época.

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Relata los momentos trascendentales que ha vivido el desarrollo de la química, a través del tiempo.

Sugerencias: • • • • •

Marie Curie (1867-1934) Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794) Charles Goodyear (1800-1860) Roald Hoffmann (aún vivo) Carl Djerassi (aún vivo)

En clase, cada equipo presentará al científico que eligió. Expondrán del más antiguo al más moderno e irán pegando sus hojas en el pizarrón para formar una línea del tiempo. Traslada esa línea del tiempo a tu cuaderno y agrégale detalles decorativos propios de cada época.

El método científico y sus pasos El conocimiento científico ¿se descubre o se construye? Es común escuchar que el trabajo de los científicos es descubrir los misterios o secretos que celosamente oculta la naturaleza. Sin embargo, ¿acaso podemos decir que las leyes y las teorías que constituyen hoy todo el conocimiento científico siempre estuvieron ahí y sólo hizo falta que llegara alguien y las descubriera?

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.

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Química 1

EN

Entremos

Acción

Formen equipos de tres personas y discutan las ideas que cada uno tiene sobre la manera en que se genera y se ha producido durante ya varios siglos todo el conocimiento que llamamos científico. Lleguen a algún consenso y escriban en no más de tres renglones su conclusión respecto a si el conocimiento se descubre o se genera. Lean su conclusión al resto del grupo y vean si coincide con lo que piensan los demás.

La sociedad actual tiene y manifiesta con frecuencia un gran respeto por la ciencia. Día a día podemos ver en nuestra vida cotidiana y en la publicidad cómo se hace referencia a la ciencia y a lo que dicen los científicos como algo incuestionable y de absoluta confiabilidad, pero ¿en qué se basa este respeto y fe absoluta hacia el conocimiento científico que muestra una sociedad que presume ser cada vez más crítica? A esta pregunta generalmente se responde argumentando que la ciencia y lo que dicen los científicos se basa en los hechos, es decir, en observaciones y resultados experimentales, ambos objetivos (esto es, donde no se consideran ni las creencias ni las ideas de quien experimenta). La respuesta por lo regular nos deja convencidos y contentos, pero resulta que quienes se han dedicado a estudiar, analizar y entender cómo es que durante siglos se han ido acumulando estos conocimientos que constituyen lo que llamamos ciencia han encontrado que no es tan sencillo. Si bien es cierto que cuando los científicos hacen sus experimentos observan y miden con extremo cuidado, también sucede que tanto sus observaciones como el tipo de mediciones que hacen están condicionadas por los conocimientos y las ideas del experimentador. Los científicos no son simples espectadores de lo que pasa allá afuera, sino que también ponen de su cosecha. Pues cuando un científico, digamos un químico, se pone su bata y se va al laboratorio, no es que se ponga a mezclar sustancias sin ton ni son para observar qué pasa. Más bien sucede que cuando nuestro químico va al laboratorio tiene ya una idea o suposición sobre lo que podría pasar, tampoco ve y mide TODO lo que pasa, sino sólo aquello que le interesa, de acuerdo con sus conocimientos y con las ideas que ya se ha formado. Durante mucho tiempo se trató de encontrar el MÉTODO mediante el cual los científicos extraen sus secretos a la naturaleza. Uno de los primeros en participar en esta búsqueda fue el filósofo inglés Francis Bacon, quien en el siglo XVII propuso que para hacer ciencia y ser buen científico no había más que seguir una serie de pasos en un orden determinado. Así apareció la idea de que TODOS los avances de la ciencia surgen primero a partir de la observación objetiva que hace un científico, quien después formula una hipótesis para explicar lo que observó y mediante experimentos pone a prueba su hipótesis que, finalmente, se comprueba o se refuta de acuerdo con los resultados experimentales. Sin embargo, analizando cómo es que se llevaron a cabo algunos de los avances que son pilares de la ciencia actual, a lo largo de la historia, ahora sabemos que, si bien no existe una serie sencilla de pasos para hacer ciencia, ocurre que la mayoría de los científicos aplica algunos procedimientos comunes, aunque quizá no en un orden predeterminado.

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Bloque 1 • Identifica a la Química como herramienta para la vida

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Entonces, si miramos de cerca el desarrollo de cualquier avance en la ciencia, seguramente encontraremos que los científicos: • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Cuentan con una serie de conocimientos sobre una materia dada. A la luz de sus conocimientos se plantean preguntas específicas. Hacen observaciones. Hacen suposiciones o hipótesis. Hacen experimentos. Obtienen y registran información. Comparan sus resultados con los de otros. Obtienen conclusiones. Comunican a otros sus resultados. Realizan predicciones. Investigan qué más se sabe o se está investigando sobre el tema que les ocupa. Cuestionan y ponen a prueba las afirmaciones de otros. Replantean sus preguntas y sus hipótesis. Replantean sus experimentos. Repiten sus observaciones. Interpretan sus resultados. Delimitan las preguntas que quieren contestar. Proponen modelos para explicar.

Todas éstas son actividades comunes al trabajo de los científicos, quienes las realizan en cualquier orden según sus intereses, su creatividad, su intuición y hasta la suerte que cada uno puede tener.

F

El caso del agujero de ozono y los freones Sherwood Rowland es un científico estadounidense dedicado al área de la química. Desde los inicios de su carrera trabajó en cuestiones relacionadas con la composición de la atmósfera terrestre y más específicamente sobre lo que sucede cuando la radiación solar interacciona con las sustancias que normalmente están o, de algún modo, llegan a la atmósfera. Así fue como se hizo experto en técnicas para detectar y cuantificar la presencia de sustancias específicas en las diferentes capas de la atmósfera. Acorde con su línea de investigación, Rowland se ha mantenido rodeado de químicos y meteorólogos que trabajan en investigaciones afines. Es así que conoció el trabajo de James Lovelock, científico británico interesado en la dinámica de la alta atmósfera, donde detectó una gran concentración del gas triclorofluorometano (CFCl3), uno de los gases que se conocen como clorofluoroalcanos (CFC). Estas sustancias, comercialmente llamadas freones, se prepararon por primera vez en 1930, es decir, no son gases que se encuentren de manera natural en la atmósfera. El descubrimiento que Lovelock reportó en 1970 le pareció interesante a Rowland, pues pensó que siendo el CFCl3 una sustancia que prácticamente no reacciona con nada, podría seguir su camino conforme se aleja de la Tierra y avanza hacia la estratosfera. La pregunta que se planteó Rowland fue: ¿qué les pasa a los CFC conforme se alejan de la Tierra y son expuestos a la radiación solar? Para responder a esta pregunta se inició una investigación a la que se integró Mario Molina, científico mexicano que cursó la carrera de ingeniero químico en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Rowland y Molina se ocuparon de estudiar las propiedades de los CFC y sus reacciones frente a la radiación solar en las condiciones de la alta atmósfera. Así, encontraron que, aunque en las condiciones de la baja atmósfera los CFC son sustancias inertes, en las condiciones extremas que

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Cl

H Cl

Los CFC se utilizan en equipos de aire acondicionado, de refrigeración y para fabricar espuma de aislamiento.

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Química 1

Imagen del agujero de ozono captada en el año 2000.

estudiaban se descomponen formando óxido de cloro (ClO), un compuesto muy reactivo y capaz de interrumpir el proceso de formación de ozono (O3) que se lleva a cabo en la estratosfera. Los resultados obtenidos alarmaron a los científicos, pues la capa de ozono que cubre a la Tierra sirve como protección porque absorbe parte de la radiación ultravioleta, que es en extremo dañina para los seres vivos. Aunque desde 1974 Rowland y Molina dieron a conocer sus resultados y alertaron sobre los problemas que los CFC podrían causar, no fue sino hasta 1982, cuando se reportó el descubrimiento de un importante adelgazamiento de la capa de ozono en la zona antártica, que el mundo entero tomó conciencia de la magnitud del problema. Al respecto, es importante destacar el papel y la responsabilidad de los medios de comunicación que hoy pueden mantenernos informados prácticamente de forma instantánea. Fue así como, por primera vez en la historia de la humanidad, se llevó a cabo un esfuerzo a nivel mundial para reducir el uso de los CFC mediante el compromiso firmado en 1987 por más de 180 naciones en el Protocolo de Montreal. Rowland y Molina, junto con Paul Crutzen, recibieron en 1995 el Premio Nobel por sus contribuciones a la comprensión del fenómeno.

EN

Entremos

Acción

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

I N D I C A D O R

D E

Comenta con un compañero sobre el trabajo de Molina y Rowland, reconozcan en esta historia al menos cinco de los procedimientos que caracterizan el quehacer científico y escríbanlos en la siguiente tabla. Compartan con el resto del grupo el contenido de su tabla. Situación

Procedimiento de la ciencia

Rowland quería saber qué les pasaba a los CFC cuando llegaban a la estratosfera y eran expuestos a la radiación solar.

A la luz de sus conocimientos, los científicos se plantean preguntas.

D es e m pe ño Explica la forma en que el método científico ha ayudado a la química en la resolución de problemas.

¿Entonces qué opinas? ¿El conocimiento científico se descubre o se construye? Después de leer acerca del trabajo de Mario Molina y de Rowland, responde las siguientes preguntas. • ¿Se puede decir que descubrieron el agujero de ozono?

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Bloque 1 • Identifica a la Química como herramienta para la vida

• ¿Qué habría ocurrido si, tras dar a conocer sus descubrimientos, se hubiera encontrado que la capa de ozono permanecía en buen estado como siempre?

Realicen una discusión con todo el grupo para comparar sus respuestas. En este momento resulta adecuado preguntarse si realmente vale la pena analizar cómo es que se ha generado el conocimiento científico y discutir sobre las ventajas o problemas que conlleva su aplicación. ¿Tú qué crees? ¿Será importante reflexionar sobre la naturaleza de la ciencia? Para tener una idea de la relevancia del tema habría que pensar que: • La ciencia es parte de la cultura, tal como lo es el arte. • La sociedad tiene derecho a la información sobre la ciencia para tomar decisiones y participar en los debates. • Sin información más o menos comprobada puede creerse cualquier cosa. • Sin información con bases más allá de las creencias no se pueden tomar decisiones razonadas. • El desarrollo de la ciencia y la tecnología determina la prosperidad de las naciones. • La sociedad financia ciencia y tecnología con sus impuestos. • La comprensión del mundo natural es fuente de emoción y realización personal. Su profesor organizará una discusión para que en grupo vayan aclarando lo que significa cada una de las aseveraciones anteriores.

EN

Entremos

Acción

Investigación científica Ahora que tienes una idea más clara sobre los quehaceres de la ciencia, contesta un par de preguntas aplicando algunos de los procedimientos que emplean los científicos. 1. ¿El poliacrilato de sodio puede absorber de la misma forma cualquier tipo de líquido? 2. ¿Afectará de algún modo la temperatura del líquido en la capacidad de absorción del poliacrilato? El poliacrilato de sodio es un sólido cristalino que se utiliza en el interior de los pañales desechables, es de aspecto similar al de la sal de mesa. La propiedad que caracteriza a esta sustancia es su capacidad para absorber y retener agua, es por ello que además de emplearse en los pañales también se utiliza en retenedores de agua de uso agrícola, como protección en las paredes para evitar incendios y hasta como relleno en riñones y ojos artificiales. Antes de realizar cualquier actividad experimental formen equipos de tres personas y comenten sus hipótesis, es decir, las posibles respuestas que se les ocurran para las preguntas antes expuestas. Después planeen las actividades experimentales que podrían llevar a cabo para reunir datos y evidencias que les permitan poner a prueba esas hipótesis y responder científicamente. También hagan una lista del material que necesitan, el poliacrilato lo pueden obtener como se indica a continuación.

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño En un nivel incipiente, observa y analiza un fenómeno, hecho o situación de la vida cotidiana; formula una hipótesis, experimenta y obtiene las conclusiones correspondientes.

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Química 1

Para obtener al menos un gramo de poliacrilato de sodio: 1. Sobre una mesa extiende unas hojas de papel de color. 2. Con unas tijeras corta un pañal desechable a la mitad por la parte más angosta. 3. Sacude las dos mitades sobre la mesa de tal forma que el sólido cristalino que está dentro del pañal caiga sobre las hojas. Además del poliacrilato también caerá un poco de algodón, sepáralos y guarda el poliacrilato en un frasco absolutamente seco con tapa. Con el propósito de generar el mínimo de residuos trata de utilizar muy poco poliacrilato en cada prueba, digamos un volumen equivalente al de un chícharo. Una vez que termines la actividad recupera todo el poliacrilato hidratado, mételo en una bolsa y deposítalo con la basura sólida.

EN

Entremos

Acción

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Obtiene, registra y sistematiza la información para responder preguntas de carácter científico realizando experimentos pertinentes.

I N D I C A D O R

D E

D es e m pe ño En un nivel incipiente observa y analiza un fenómeno, formula una hipótesis, experimenta y obtiene conclusiones correspondientes.

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Escribe en tu cuaderno ambas preguntas y las hipótesis que para cada una plantearon en tu equipo de trabajo, así como las actividades que piensan realizar. Consulten con su maestro, reúnan el material necesario e inicien el trabajo. No olviden anotar todas las observaciones y resultados que vayan obteniendo en los experimentos que realicen. Recuerden que al hacer cada experimento están poniendo a prueba una hipótesis y que para ello sólo deben modificar una variable independiente, manteniendo todos los demás parámetros constantes. Anoten en cada caso si su hipótesis fue confirmada o hubo que rechazarla. Es importante mencionar que rechazar una hipótesis no significa que el experimento haya fracasado, pues seguramente la experiencia con el sistema nos llevará a plantear mejores hipótesis que de alguna forma toman en cuenta el trabajo anterior. Planteen nuevas hipótesis para ponerlas a prueba y si encuentran una respuesta convincente traten de plantear nuevas preguntas sobre este sistema. Si bien no siempre se obtienen respuestas favorables de las investigaciones, lo que sí es seguro es que al final surgen nuevas preguntas aún más interesantes. Con toda la información obtenida redacten un informe que entregarán a su profesor y construyan un cartel en una cartulina para presentar sus resultados al resto del grupo. Incluyan gráficas con los datos obtenidos, recuerden que en el eje de las abscisas (X) se pone la variable independiente, aquella que ustedes decidieron variar. Mientras que en el eje de las ordenadas (Y) la dependiente, que es la que varió como consecuencia de la alteración que ustedes, como experimentadores, hicieron sobre el sistema.

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Bloque 1 • Identifica a la Química como herramienta para la vida

C O M P E T E N C I A

EN

Entremos

Acción

Disciplinar Junto con un compañero diseña un modelo que explique cómo es que el poliacrilato puede contener el agua. Lo importante es que tu modelo explique el fenómeno que estás observando, es decir: que el polvo cristalino puede absorber más agua de la que hubieras pensado. Tu modelo puede ser un dibujo, una maqueta o sólo una idea. Presenta y compara con tus compañeros los modelos que propusieron. ¿Cuál explica mejor el comportamiento del poliacrilato?

Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

Experimentos útiles Durante una investigación de tipo científico, una vez que se tiene una hipótesis clara, se procede a hacer experimentos. Por ejemplo, Rowland pensaba que como los CFCs son inertes, no les pasaría nada al cruzar la atmósfera y hasta entonces procedieron a hacer las mediciones acordes con esa hipótesis. Al llevar a cabo un experimento se puede decir que de algún modo el experimentador altera el sistema, es decir, realiza un cambio cada vez y observa si se produce la consecuencia que predijo. El parámetro que el experimentador decide modificar se denomina variable independiente (vi) y la que se modifica en consecuencia se llama variable dependiente (vd). Por ejemplo, Molina y Rowland irradiaron los CFC para ver si se degradaban. Para obtener información útil de un experimento es importante modificar una sola variable del sistema. Por ejemplo, si además de irradiar los CFC al mismo tiempo se hubiera aumentado la presión, entonces cualquier modificación observada no podría atribuirse a ninguna de las dos variables ni a las dos juntas, el experimento habría sido inútil al no poderse identificar a cuál de las modificaciones se debían los cambios.

EN

Entra

Acción

Disciplinar Obtiene, registra y sistematiza la información para responder preguntas de carácter científico realizando experimentos pertinentes.

I N D I C A D O R

Ahora realiza esta segunda actividad experimental en tu casa, de forma individual o con la ayuda de un amigo o familiar.

Actividad experimental Entre los productos de higiene personal que compramos diariamente se encuentran los champús. Los usamos para conseguir una cabellera brillante, con mayor volumen, resistente, sin caspa y, bueno, también limpia. Nuestro empeño por tener una cabellera envidiable hace que la industria de los champús pueda generar a nivel mundial 30% de las ganancias de una de las áreas más lucrativas de la industria química: la de los cosméticos. Las preguntas que se plantean son: ¿La cantidad de espuma generada por un champú se ve afectada por la temperatura del agua? ¿La cantidad de espuma generada por el champú depende del pH del agua? Puedes hacer experimentos con uno o varios champús. Recuerda que en cada experimento sólo debes cambiar una variable independiente y mantener las demás inalteradas. También es importante que diseñes un método para medir con precisión la cantidad de espuma generada, ya que de otro modo no podrás comparar tus resultados con los de tus compañeros. De igual forma que en la actividad anterior, construye varias gráficas con los datos que obtengas. Presenta y compara tus resultados con los de tus compañeros.

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C O M P E T E N C I A

D E

Dese mpeño En un nivel incipiente observa y analiza un fenómeno, formula una hipótesis, experimenta y obtiene conclusiones correspondientes.

5/31/10 2:58:55 PM

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Química 1

DE

Pista

Aterrizaje

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas.

Has terminado este primer bloque y es momento de organizar el debate que se propuso al inicio. Para ello tu profesor fijará el día y la hora, además de organizar parejas de equipos. En cada debate participarán un equipo en pro y otro en contra de que la química mejora nuestras vidas. • Considerando el tiempo total con el que cuentan decidan cuánto durará cada debate. • Nombren a un compañero que se dedicará a hacer anotaciones sobre los argumentos que se viertan en el debate. • También para cada debate deberán nombrar a un moderador que no pertenezca a ninguno de los equipos que debaten para que se encargue de que cada uno argumente de forma ordenada y equitativa. • Cada persona del grupo evaluará el desempeño de cada uno de los equipos llenando la tabla que se presenta más adelante. • Como trabajo final, de manera individual y consultando lo que escribió el anotador escriban, a modo de noticia periodística, una reseña sobre lo ocurrido en el debate y entréguenla a su maestro. Tabla para evaluar desempeño. Evalúa el desempeño de cada equipo de acuerdo con el grado (nada, poco, suficiente o mucho) en que consideres que se cumplió cada uno de los cuatro aspectos que se muestran en la tabla.

Desempeño en el debate

Nada (0)

Poco (2)

Suficiente (4)

Mucho (5)

Participaron todos los integrantes del equipo. Los argumentos empleados coinciden con lo tratado en este bloque. Respetaron las indicaciones del moderador. Sus argumentos incluyeron la mayoría de los temas del bloque.

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5/28/10 9:28:24 AM

Bloque 1 • Identifica a la Química como herramienta para la vida

Caja de

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herramientas

Los mapas conceptuales son útiles para representar gráficamente el conocimiento que se tiene sobre un tema. Están constituidos por un conjunto de conceptos que se escriben encerrados en rectángulos y que se relacionan usando líneas. Sobre las líneas se escriben palabras (conectores) que especifican la relación que hay entre dos conceptos. Con un par de conceptos y su conector se forma una oración afirmativa. Los conceptos que se incluyen en el mapa se acomodan de forma jerárquica, es decir, de arriba abajo iniciando con el más general o incluyente hacia los más particulares o específicos. Por ejemplo, un mapa conceptual útil para explicar precisamente lo que son los mapas conceptuales se puede construir de la siguiente manera:

Los mapas conceptuales

representan

Conocimiento organizado

incluyen

Conceptos

unidos por

Conectores

para formar

Proposiciones (o enunciados)

que están

Estructurados jerárquicamente

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Química 1

LO

Evalúa

o

Aprendid

Unidad de competencia desarrollada: Reconoce a la química como parte de su vida cotidiana, tras conocer el progreso que ésta ha tenido a través del tiempo y la forma en que ha empleado el método científico para resolver problemas del mundo que nos rodea, así como su relación con otras ciencias, que conjuntamente han contribuido al desarrollo de la humanidad. 1. En la clase siguiente al debate realicen el recuento de las evaluaciones y determinen cuál equipo obtuvo la mejor del grupo. Al sacar el promedio de las evaluaciones incluyan la autoevaluación que se asignó a cada equipo. 2. Divide una hoja de tu cuaderno en dos secciones, en la primera escribe el título “Ideas que yo tenía sobre la importancia de la química en mi vida cotidiana antes de estudiar el bloque 1”. A la parte restante titúlala “Ideas nuevas que adquirí después de estudiar el bloque 1”. Escribe en cada sección las ideas correspondientes y compáralas. ¿Crees que se modificó de forma importante la imagen que tenías sobre el papel de la química y sobre sus características como ciencia? Coméntalo con el resto del grupo.

Autoevaluación En la siguiente evaluación del bloque encontrarás enlistados los aprendizajes que se espera que hayas adquirido después de estudiar este bloque. En la segunda columna de la tabla está un espacio para que reflexiones sobre tu desempeño y escribas “sí”, “no” o “faltó trabajo”, según consideres en qué medida adquiriste o no ese aprendizaje.

Tipo de saberes

Conocimientos

Saberes requeridos para el logro de la competencia

Resultado de la evaluación

Comprendo el concepto de química.

Reconozco los grandes momentos del desarrollo de la química.

Reconozco los pasos del método científico: • Identificación de problemas y formulación de preguntas de carácter científico. • Planteamiento de hipótesis. • Obtención y registro de información. • Experimentación. • Contrastación de resultados. • Comunicación de las conclusiones.

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Bloque 1 • Identifica a la Química como herramienta para la vida

Habilidades

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Expreso la importancia que tiene la química ubicando las aplicaciones de ésta en las actividades cotidianas. Relaciono a la química con otras ciencias, como las matemáticas, la física y la biología, entre otras. Aplico los pasos del método científico en la resolución de problemas del campo de la química. Desarrollo actividades experimentales y/o de campo siguiendo los pasos del método científico.

Actitudes y valores

Desarrollo un sentido de responsabilidad y compromiso al reconocer que la química se aplica de manera permanente en la vida diaria. Valoro las aplicaciones de la química en la vida cotidiana y en el desarrollo de la humanidad. Muestro interés por participar en actividades experimentales y/o de campo.

Promuevo el trabajo metódico y organizado.

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BLOQUE

2

Comprende las interacciones de la materia y la energía

Indicadores de desempeño

Tiempo asignado al bloque ✔ cinco horas

El alumno:

✔ Explica las propiedades y los estados de

Unidad de competencia Establece la relación que existe entre las propiedades de la materia y los cambios que la energía provoca en ella. Asimismo, valora los beneficios y riesgos que el uso de la energía causa en su vida cotidiana y el medio ambiente.

✔ ✔

✔ ✔

En este bloque se hablará sobre la materia y la energía, sus propiedades y la estrecha relación que existe entre ambas. Se utilizará el modelo de los átomos y las moléculas para explicar las propiedades y los cambios que presenta la materia, así como el papel de la energía durante dichos cambios. Esto te permitirá comprender mejor las ventajas y desventajas de las fuentes de energía tradicionales, como la gasolina o las pilas, y profundizar en el conocimiento de las fuentes alternativas, como la controvertida energía nuclear.

✔

agregación de la materia de las sustancias que observa en su entorno cotidiano. Explica la forma en que la energía provoca cambios en la materia. Desarrolla experimentos sobre propiedades físicas, estados de agregación y cambios que presenta la materia, aplicando el método científico. Reconoce la presencia de diversos tipos de energía en su entorno, identificando sus características e interrelación. Valora los beneficios y riesgos del consumo de energía. Argumenta los riesgos y beneficios del uso de la energía en su vida cotidiana y en especial en el medio ambiente.

Ampliar tus conocimientos sobre estos temas te será útil cuando tengas que tomar una postura o dar una opinión al respecto.

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SABERES REQUERIDOS Conocimientos ✔ Reconoce las propiedades de la materia: extensivas e intensivas, físicas y químicas. ✔ Describe las características de los cambios físicos, químicos y nucleares de la materia. ✔ Describe las características de los diferentes tipos de energía y su interrelación. • Cinética. • Potencial. • Luminosa. • Calorífica. • Química. • Eólica.

Habilidades ✔ Explica el concepto de materia. ✔ Caracteriza los estados de agregación y sus cambios en los fenómenos que observa en su entorno. ✔ Expresa algunas aplicaciones de los cambios físicos, químicos y nucleares. ✔ Distingue entre las fuentes de energías limpias y las contaminantes. ✔ Argumenta la importancia que tienen las energías limpias en el cuidado del medio ambiente.

Actitudes y valores ✔ Promueve el uso responsable de la materia para el cuidado del medio ambiente. ✔ Promueve el uso responsable de la energía junto con el empleo de energías limpias.

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Proyecto

Uso responsable de la materia y la energía

L

a propuesta para el proyecto de este bloque consiste en que, con la participación de todos tus compañeros, creen un grupo en alguna de las redes sociales disponibles en Internet, como Facebook, Blogspot o Myspace. La idea es que éste sea el medio para llevar a cabo una Campaña que promueva el interés de la sociedad sobre el uso responsable de la materia y la energía. Si es la primera vez que formas un grupo, consulta las instrucciones que ofrece cada una de las redes. Una vez que se constituya el grupo, proporciona la dirección a tu maestro y compañeros para que puedan unirse y seguir las actualizaciones que se vayan haciendo. Después de dos semanas redacta un resumen de los comentarios que hagan los seguidores del grupo y entrégalo a tu profesor.

¿Tú qué dices?

¿

Por qué continuamos transportándonos en automóviles que funcionan con gasolina si generan tanta contaminación? El uso de fuentes alternativas de energía es, sin duda, un tema de actualidad. Escuchamos hablar sobre cómo aprovechar la energía del Sol, cómo utilizar celdas de combustible cuyo único desecho es agua, e incluso, de la posibilidad de generar energía a partir de las heces fecales del ganado. Todo esto suena a veces tan sencillo que parece un contrasentido el hecho de que la gasolina, que procede del petróleo, continúe siendo el combustible por excelencia en el mundo.

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Bloque 2 • Comprende las interacciones de la materia y la energía

C O M P E T E N C I A S

EN

Entremos

Acción

Disciplinar es Formen equipos de tres personas y discutan acerca del tema anterior. Escriban sus ideas sobre las tecnologías ya existentes, las implicaciones económicas y sociales que un cambio en los combustibles podría tener en la sociedad y la situación de México en este contexto. Recuerden que al final de la discusión deberán responder la pregunta inicial. Organicen en el salón una discusión grupal sobre lo que cada equipo respondió y en el siguiente espacio escribe un breve resumen. Cuando termines este bloque revisa estas ideas y ve si han cambiado o se reafirmaron.

Resumen

• Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. • Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

La historia del etanol, un combustible controvertido El etanol es una sustancia muy conocida, ya que es el componente principal de las bebidas alcohólicas y, a muchos de nosotros nos lo aplicaron en cortadas e infecciones cuando éramos pequeños. Su olor es característico, así como la facilidad con que se inflama. Aquí empieza la historia. Así como la gasolina, el etanol reacciona con el oxígeno desprendiendo una buena cantidad de energía; es decir, se trata de un combustible que puede utilizarse como fuente de energía, al igual que muchos de los productos del petróleo. En la búsqueda de nuevos y mejores combustibles, lo primero que atrajo del etanol es la facilidad con que se obtiene de fuentes distintas al petróleo: el proceso de fermentación del azúcar y su posterior destilación para producir bebidas espirituosas es conocido por el hombre desde hace siglos. Así, el etanol se obtiene a partir de maíz, caña de azúcar y remolacha; por su origen se le denomina bioetanol. El empleo del bioetanol como combustible para los automóviles se remonta a la década de 1930. Sin embargo, no fue sino hasta 1975 cuando

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La industria sil automovilística de Bra los ícu veh ló rol desar que pueden operar con una mezcla de sil etanol y gasolina. Bra er líd do era sid es con mundial en cuestión de biocombustibles.

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Química 1

el gobierno de Brasil decidió iniciar un programa a fin de modificar los vehículos de toda la población y emplear en forma masiva el bioetanol para, en un momento dado, sustituir por completo la gasolina. Hasta aquí las ventajas y el potencial de este combustible —en principio renovable— pueden parecer incuestionables. Sin embargo, el conocimiento que hoy se tiene sobre el impacto que puede causar en los niveles ecológico, social y hasta político el uso masivo de algunas sustancias como los clorofluorocarbonos (CFC), hizo que varios científicos, ecologistas y gobiernos externaran sus inquietudes en varios aspectos: • La materia prima del combustible, el maíz, es una fuente de alimento funda-

mental para muchos pueblos. • El gran potencial económico de los combustibles podría hacer que los suelos

agrícolas se avocaran hacia la producción de etanol. • La producción de maíz, caña o remolacha implica por sí misma un consumo

de combustibles fósiles, fertilizantes y agua que afecta al ambiente. Durante 2007 se vivió una crisis mundial debido al alza en los precios de los cereales, que llevó a un aumento general en el precio de los alimentos. Esto se atribuyó, en parte, al incremento en la demanda de maíz para la producción de bioetanol. Una vez más se advierte que no es posible utilizar simplemente los productos de la ciencia y ser felices con ellos; antes se debe reflexionar y asumir una postura responsable, haciendo o solicitando que se hagan los estudios necesarios que tomen en cuenta los factores ambientales, económicos y sociales relacionados con el caso, para que posteriormente no haya que lamentar los daños.

Interacciones entre la materia y la energía C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.

La temperatura o punto de ebullición de una sustancia corresponde al valor de la temperatura a la que una sustancia o pasa del estado líquid o nd cua al gaseoso se encuentra a una atmósfera de presión.

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Obtener energía a partir del etanol; calentar agua con los rayos del Sol; hacer ejercicio para quemar calorías; generar electricidad mediante un molino de viento. ¿Qué tienen en común todos estos eventos? Durante algunos minutos trata de quedarte completamente quieto, observando a tu alrededor; no te muevas, no hagas ruido, incluso trata de contener la respiración. ¿Qué pasó? ¿Realmente todo se mantuvo estático? ¿Ni un ruido, ni un movimiento? ¿Nada? Seguramente, si lograste captar un momento en el que no haya pasado nada, éste debe de haber durado sólo un instante, hasta que tuviste que volver a respirar. Esto se debe a que a nuestro alrededor suceden cambios todo el tiempo: algo cae, sube la temperatura, suena un timbre, la leche hierve, alguien estornuda o, por lo menos, escuchamos nuestra respiración. En todos estos cambios la materia involucrada se modifica de una forma u otra y, cuando la materia cambia, alguna transferencia de energía se lleva a cabo, sin excepción.

Interacciones materia-energía Empecemos por la materia: Desde nuestras primeras clases de ciencias aprendemos que la materia ocupa un lugar en el espacio, que no se crea ni se destruye y que sólo se transforma. Sin embargo, la química no se encarga de estudiar “todo lo que ocupa un espacio”, sino que estudia a las sustancias que, muchas veces mezcladas, forman todos los objetos que nos rodean. Una sustancia es cualquier muestra de materia que se caracteriza por sus propiedades. Por ejemplo, sabemos que el agua hierve a 100 oC cuando se encuentra a una

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Bloque 2 • Comprende las interacciones de la materia y la energía

atmósfera de presión. No importa de dónde provenga el agua, este comportamiento la caracteriza y nos permite distinguirla de otras sustancias. Así, en las mismas condiciones de presión y temperatura, el bicarbonato de sodio es un polvo blanco de sabor salado, con propiedades antisépticas y menos soluble en agua que la sal de mesa. Las propiedades de las sustancias se clasifican en dos tipos: aquellas cuyo valor depende del tamaño de la muestra que tenemos y que pueden sumarse (son aditivas), se denominan extensivas, como la masa, el área o el volumen; en cambio, las intensivas son las propiedades cuyo valor es el mismo sin importar la cantidad de sustancia en cuestión y no son aditivas. Así, la temperatura de ebullición, la densidad y la solubilidad son ejemplos de propiedades intensivas. En la tabla siguiente se presentan algunos ejemplos de propiedades extensivas e intensivas. Observa cómo para las primeras sí importa el tamaño de la muestra, mientras que las intensivas siempre conservan el mismo valor. ¿Se te ocurren otros ejemplos?

EN

Entra

Acción

I N D I C A D O R

Investiga las propiedades de las sustancias que se te ocurrieron e inclúyelas en la tabla.

Masa de hierro

Un clavo 7g

Una varilla de construcción 10 kg

Un barco 2000 kg

Volumen de gas butano

Una burbuja 0.5 mL

Un globo 2L

Un tanque estacionario 300 L

Temperatura de ebullición del etanol

Una gota 78.4 °C

Un vaso 78.4 °C

Una alberca 78.4 °C

Solubilidad del cloruro de sodio o sal de mesa en agua

Un grano 0.36 g/mL

Una cucharada 0.36 g/mL

Un kilo 0.36 g/mL

D E

Dese mpeño Explica las propiedades y estados de agregación de las sustancias que observa en su entorno cotidiano.

EN

Entremos

Acción

La organización ecologista Greenpeace propuso la regla de las tres erres (RRR), que resume tres ideas clave para desarrollar hábitos de consumo responsable: • Reducir: no comprar o consumir productos o energía que no son necesarios. • Reutilizar: ofrecer nuevas posibilidades de uso a un producto. • Reciclar: los materiales o algunas de sus partes pueden ser utilizados para fabricar otros nuevos. En referencia a las propiedades de la materia que se han enumerado hasta ahora, en un cuarto de cartulina elabora un cartel que promueva la aplicación de la regla de las tres erres. Conserva este material para emplearlo en el desarrollo del proyecto de bloque.

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece.

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Química 1

EN

Entremos

Acción

C O M P E T E N C I A S

D i s c i p li nare s • Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. • Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.

Actividad experimental La solubilidad se define como la cantidad de sustancia (en gramos) que puede disolverse en un mililitro de soluto y sus unidades son g/mL. Formen equipos de tres personas y propongan un procedimiento experimental con el que puedan determinar la solubilidad en agua de las siguientes sustancias: sacarosa (azúcar común), cloruro de sodio (sal de mesa), bicarbonato de sodio y dextrosa (se puede encontrar en algunos endulzantes sin calorías). Una vez que tengan un plan, preséntenlo a su profesor para que lo autorice y llévenlo a cabo. Cuando hayan determinado las solubilidades, propongan un segundo procedimiento experimental a fin de responder esta pregunta: ¿la solubilidad de una sustancia se modifica si cambia la temperatura de la disolución? A continuación describan el procedimiento que piensan seguir y lo que suponen que sucederá; es decir, sus hipótesis. Muestren su plan al profesor y, una vez que lo autorice, realicen el procedimiento y respondan la pregunta. Elaboren un informe completo sobre esta actividad, el cual debe incluir la pregunta, las hipótesis, la descripción del procedimiento, los resultados y la respuesta a la pregunta. Procedimiento propuesto:

I N D I C A D O R

D E

D es e m pe ño Aplicando el método científico, desarrolla experimentos sobre propiedades físicas, estados de agregación y cambios que presenta la materia.

Hipótesis:

La energía El término energía es bastante común; sin embargo, definir qué es exactamente no resulta fácil. Algo similar sucede cuando se habla del amor: se sabe cuando hay mucho o cuando es poco, pero decir con certeza qué es este escurridizo concepto, eso… es otra cosa. Una forma sencilla de definir la energía consiste en decir que se trata de la capacidad que se tiene para hacer trabajo o provocar movimiento. Es importante recordar que, al igual que la materia, la energía ni se crea ni se destruye, y frecuentemente se transforma. Así, podemos encontrarla como la energía del viento o energía eólica que mueve las paletas de un molino, como la energía que por su posición posee un patinador en lo alto de una pista o en forma de luz y calor en una bombilla. Además, está la energía química contenida, por ejemplo, en los explosivos o en la batería de un automóvil.

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Bloque 2 • Comprende las interacciones de la materia y la energía

EN

Entra

Acción

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Construye un mapa conceptual que lleve como título “La importancia de la energía en nuestra vida”. Incluye en el mapa las diferentes formas en las que encontramos a la energía (cinética, potencial, luminosa, calorífica, química y eólica) y los cambios que ésta provoca en la materia. Expongan su mapa al resto del grupo y con la información que presenten tus compañeros completa y corrige tu mapa. Al terminar el bloque revisa esta información y, si han cambiado tus ideas, modifícalo de nuevo.

Explica la forma en que la energía provoca cambios en la materia.

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Reconoce en su entorno la presencia de diversos tipos de energía, identificando sus características e interrelación.

Pues sí, la materia se transforma y, cuando lo hace, de una forma u otra interviene la energía. Entre los cambios que frecuentemente presentan las sustancias están los cambios de estado de agregación.

Los estados de agregación y la energía Las sustancias se pueden clasificar por su estado de agregación en sólidos, líquidos y gases. Sin embargo, ésta no es una propiedad característica; es decir, el agua no se distingue por ser líquida, pues también la podemos encontrar en forma sólida y hasta gaseosa, y el dióxido de carbono puede ser gaseoso en el aire o sólido en el hielo seco. Pero, ¿qué se debe hacer para que una sustancia cambie de un estado a otro? Por ejemplo, ¿cómo le harías para tener sal de mesa líquida?, ¿y para que el etanol líquido pase al estado sólido? Inténtalo en tu casa y coméntalo después con el resto del grupo. Comparen sus resultados.

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

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Química 1

El agua es una de las rarísimas sustancias que, en condiciones naturales, podemos encontrar en los tres . estados de agregación a otr ál ¿cu lo: Piénsa sustancia has visto en los tres estados?

Efectivamente, para pasar de sólido a líquido o de líquido a gas hay que administrar energía en forma de calor, luz, movimiento o hasta sonido, mientras que para que un gas se licue o un líquido se solidifique se debe provocar que la sustancia pierda energía.

La sustancia toma energía del exterior Sublimación Fusión

Vaporización

Sólido

Líquido Solidificación

Gaseoso Condensación

Sublimación inversa

La sustancia cede energía hacia los alrededores

Figura 2.1 Proceso para que una sustancia cambie de un estado a otro.

De hecho, todas las sustancias pueden presentarse en cualquier estado de agregación con ciertas condiciones de presión y temperatura. Imagina que pudieras tener oro gaseoso dentro de un globo. Esto es posible; el problema está en que las condiciones de presión y temperatura que se necesitarían son muy difíciles de alcanzar, al menos en un laboratorio común.

Cambios físicos, químicos y nucleares de la materia C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

Figura 2.2 Estructura de la molécula de etanol.

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La materia cambia todo el tiempo y en esos cambios siempre interviene la energía; por eso nuestro entorno está lleno de colores, texturas, sabores y olores, todos diferentes. Pero, ¿cómo se explica esta versatilidad? ¿Cómo es que el mismo dióxido de carbono que exhalamos en la respiración puede presentarse como un bloque sólido de hielo seco? ¿Qué le sucede a nuestra piel que con el tiempo se mancha o envejece? ¿Cómo es posible que una bomba del tamaño de un balón de futbol pueda destruir una ciudad entera? Preguntas como éstas son las que intenta contestar la química. Una de las herramientas más útiles que posee para darles respuestas es la idea de que toda la materia está formada por átomos: partículas prácticamente invisibles que se agrupan de muchísimas formas distintas para dar forma a toda, absolutamente toda, la materia que nos rodea. Los cambios que presenta la materia pueden clasificarse en tres tipos muy diferentes uno del otro: • Físicos • Químicos • Nucleares

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Bloque 2 • Comprende las interacciones de la materia y la energía

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Los cambios físicos que a veces presenta la materia son aquellos en los que las propiedades características de las sustancias no varían, como los cambios de estado. Por ejemplo, si congelamos un poco de etanol, cuya temperatura de fusión es de −114 °C (la temperatura mínima de un congelador doméstico suele ser de −6 °C), el sólido que queda tiene el mismo sabor y las mismas propiedades antisépticas; sigue siendo combustible y, por supuesto, su consumo continúa causando los mismos efectos en nuestro organismo que el etanol líquido que conocemos. Cuando sucede un cambio físico, los átomos de las sustancias se mantienen unidos unos con otros prácticamente de la misma forma antes y después del cambio. Así, cada molécula del etanol tiene casi la misma estructura en el gas, el líquido o el sólido; la diferencia está más bien en la velocidad del movimiento de las moléculas, que son más lentas en el sólido, así como en la distancia que hay entre unas y otras. La energía que implica un cambio de estado como éste corresponde sólo a la energía necesaria para hacer que las moléculas se muevan más de prisa y se mantengan más distantes unas de otras.

Figura 2.3 Moléculas de etanol en estado líquido y etanol gaseoso.

Tras un cambio químico, las sustancias que quedan son diferentes de las que había antes de dicho cambio; entonces decimos que ha ocurrido una reacción química. Por ejemplo, el cloro es un gas amarillento de olor picante que reconoces porque se desprende de las botellas de blanqueador, mientras que el sodio es un sólido metálico parecido a la plata; cuando estas dos sustancias reaccionan químicamente se obtiene una sustancia por completo diferente, que es el cloruro de sodio y que seguramente conoces como sal de mesa.

Figura 2.4 Gas cloro (Cl2).

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Figura 2.5 Sodio metálico (Na).

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Química 1

Figura 2.6 Cloruro de sodio (NaCl).

Así, a partir de un gas picante y muy tóxico y de un metal plateado capaz de explotar al contacto con el agua, se forma una sal blanca, cristalina, de sabor salado y absolutamente segura para comer (al menos en las cantidades recomendadas). Han desaparecido las sustancias que reaccionaron y sólo queda una nueva sustancia. En el nivel de los átomos y las moléculas, cuando ocurre un cambio químico, algunos o todos los enlaces que mantienen unidos a los átomos de una sustancia se rompen; los átomos se reacomodan y forman estructuras diferentes y, por lo tanto, sustancias distintas a las que había antes del cambio. Los cristales de cloruro de sodio están formados por átomos de cloro y de sodio que, en un arreglo característico, dan lugar a las propiedades de la sal. En el caso de las reacciones químicas, la energía involucrada se relaciona con el hecho de que siempre que se unen dos átomos se desprende energía, mientras que para que un enlace entre dos átomos se rompa, invariablemente se debe administrar energía a la sustancia. Así, la energía que se desprende o se requiere cuando se efectúa cierta reacción química depende del número y el tipo de enlaces que se rompan y se formen durante dicha reacción. Las reacciones que requieren energía para llevarse a cabo se denominan endotérmicas, mientras que aquellas en las que se desprende energía se llaman exotérmicas. La reacción de combustión es un típico ejemplo de reacción exotérmica. O

CH2OH

O O O

O

O

O O

O

H

O

C O

O

HO

C H OH C H

O

H

H

C

H C

H

OH

H H

H O

H H

O

O

H

H H

O

H

O O O C C O O C O O C O O C O

O C O

H

O

O OH

Figura 2.7 Proceso de combustión de una molécula de glucosa.

En la combustión de la glucosa (C6H12O6) en presencia de oxígeno (O2), algunas partes de la glucosa se separan y sus átomos se reacomodan y combinan con el oxígeno, formándose dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Observa la figura 2.7 y comprueba cómo a nivel molecular también se cumple la ley de la conservación de la materia. Los cambios nucleares que presentan naturalmente algunas sustancias resultan más raros que los cambios de estado o que muchas reacciones químicas que experimentamos de manera cotidiana; sin embargo, se llevan a cabo de forma natural y más cerca de nosotros de lo que a veces se piensa. Dijimos que, en una reacción química, los átomos se despegan y pegan unos con otros para formar sustancias, manteniendo en todo momento su identidad; es decir, los átomos de hidrógeno lo siguen siendo después de la reacción, igual que los de oxígeno y los de carbono.

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Bloque 2 • Comprende las interacciones de la materia y la energía

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Cuando ocurren las reacciones nucleares, la estructura interna de los átomos se modifica de tal manera que un átomo de polonio (Po) puede convertirse en uno de plomo (Pb), por ejemplo. Existe una gran cantidad de sustancias que presentan naturalmente este tipo de reacciones y desprenden grandes cantidades de energía, lo que hace de estos procesos una fuente de energía igual o más importante aun que la de los combustibles fósiles, como el petróleo. La energía puede presentarse en diversas formas: calorífica, cinética o de movimiento, luminosa, eléctrica, etcétera. Así, cuando decimos que se genera energía, con frecuencia lo que se hace es más bien pasar de una forma a otra. Por ejemplo, en las plantas generadoras de electricidad se calienta agua para producir vapor, mismo que al expandirse hace que roten unas turbinas, generando con ello electricidad y pasando así de energía calorífica a eléctrica. Estas plantas pueden ser termoeléctricas o nucleares, dependiendo de dónde se saca la energía para calentar el agua: las termoeléctricas utilizan combustibles fósiles como carbón, combustóleo o gas natural, mientras que las plantas nucleares utilizan como combustible materiales radiactivos, los cuales llevan a cabo reacciones nucleares que desprenden la energía suficiente para calentar agua y producir grandes cantidades de vapor.

La energía nuclear, una historia de temor, muerte, dinero y ecología Hemos discutido sobre la inevitable relación que hay entre el empleo de los conocimientos científicos, la economía, el papel de la sociedad y hasta la política. Para ilustrarlo, quizá no haya mejor ejemplo que el controvertido debate sobre la aplicación de la energía nuclear que se sostiene desde la década de 1940.

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas.

Figura 2.8 Planta nuclear.

La idea de emplear reacciones nucleares como fuente de energía provoca temor entre la población debido a que en los últimos 40 años ocurrieron accidentes en plantas nucleoeléctricas como Three Mile Island, en Estados Unidos, y Chernobyl, en la antigua URSS, que marcaron a la humanidad. Esto sin contar con el hecho de que la energía nuclear se liga con la elaboración de bombas atómicas.

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Química 1

Aunque países como Japón y Francia desarrollaron programas nucleares que hasta la fecha les han permitido generar la mayor parte de su energía eléctrica a bajos costos, la mala fama de la energía nuclear ocasionó también que la inversión y, por lo tanto, el desarrollo de la tecnología en la materia se estancaran aproximadamente 10 años en la mayoría de los países desarrollados. A pesar del temor que prevalece ante posibles accidentes nucleares, de los elevados costos de construcción de las plantas y la posibilidad de que los combustibles nucleares sean empleados para construir armas, en la actualidad el tema de la energía nuclear como alternativa para sustituir a los combustibles fósiles está de vuelta. Lo anterior obedece a que las necesidades de energía van en aumento y el uso de los combustibles procedentes del petróleo está cada vez más restringido, tanto por la disminución de las reservas como por el problema que generan los gases de efecto invernadero en el ambiente. Además, han avanzado los nuevos desarrollos en tecnología nuclear, tanto en el tratamiento de residuos como en la seguridad de los reactores, haciendo de ésta una opción más segura y amigable con el ambiente. El debate al respecto se encuentra en auge: grupos ambientalistas a favor y en contra, políticos que deciden dar o no el apoyo económico para los programas nucleares y una población civil que tendrá que estar bien informada para, en su momento, externar una postura, dar su voto o financiar con sus impuestos el uso de las fuentes de energía que considere más adecuadas.

EN

Entremos

Acción

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.

I N D I C A D O R

D E

D es e m pe ño Valora los beneficios y riesgos en el consumo de la energía.

I N D I C A D O R

D E

D es e m pe ño Argumenta los riesgos y beneficios del uso de la energía en su vida cotidiana y, en especial, en el medio ambiente.

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Organicen en el grupo un debate sobre los pros y los contras del uso de la energía nuclear como alternativa para sustituir a los combustibles fósiles. Para dar realismo a la actividad, formen equipos de cuatro personas y cada equipo desempeñará un papel: el de los ambientalistas, los políticos, la sociedad civil, los científicos, la prensa, etcétera. Es importante que se escuchen todas las posturas, por lo que sería conveniente formar dos equipos de cada papel, unos a favor y otros en contra. Asignen un tiempo para que cada grupo tome la palabra. Además, los de prensa generarán un reporte a modo de noticia periodística para resumir lo ocurrido durante el debate y repartirán copias entre todo el grupo.

Las pilas, una aplicación más de las relaciones materia-energía El conocimiento sobre la transformación de la materia y su relación con la obtención de energía han permitido contar con fuentes tan prácticas como las pilas, que nos permiten tener luz donde no hay electricidad, ocupando un espacio reducido y sin ninguna emisión aparente. Después de analizar los pros y los contras de las diferentes fuentes energéticas que utilizamos a diario, tú, ¿qué dices?, ¿son las pilas una fuente de energía conveniente? Comenta tus ideas con un compañero y anota tu respuesta en el siguiente espacio para que, después de analizar el asunto, puedas comparar si tus ideas sobre las pilas como fuente alternativa cambian de algún modo.

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Bloque 2 • Comprende las interacciones de la materia y la energía

EN

Entremos

Acción

Actividad experimental (para hacer en casa) Fabricación de una pila Antes de analizar cómo funcionan las pilas, en esta actividad vas a elaborar una pila sencilla. Trabajen en equipos de tres personas. Para hacer la pila necesitan el material siguiente: • Una placa de magnesio metálico o de zinc (si en el laboratorio de tu escuela tienen magnesio los resultados serán mejores, pero si no, puedes conseguir el zinc en el interior de una pila cuadrada o en algunos clavos). • Una placa de cobre. • Un limón. • Dos cables con conexiones de caimán en los extremos. • Una calculadora que utilice una pila de 1.5 volts (puede ser una calculadora que ya no funcione bien, pero que sí encienda). • Un multímetro.

C O M P E T E N C I A S

Disciplinar es • Explica las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. • Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

Procedimiento Encaja la placa de cobre y la de zinc (o magnesio) en el limón y conecta un cable en cada una de las placas, como se indica en la figura 2.9. Retira la pila de la calculadora y conecta el caimán conectado a la placa de cobre, en el sitio donde normalmente va el polo positivo de la pila, y el del zinc en el otro. Revisa las conexiones hasta que la calculadora encienda. Si no funcionara la pila, puedes medir el voltaje que se está produciendo con ayuda del multímetro.

¿Cómo hacer para que la pila genere un voltaje mayor? Una pila como la que elaboraste está constituida por los siguientes elementos básicos: las placas metálicas llamadas electrodos y el líquido del limón que conduce la corriente, llamado electrolito. Cada par de placas conectadas constituyen una celda; en este caso, el limón con sus placas es una celda. Para aumentar el voltaje de la pila puedes variar alguno de estos elementos; por ejemplo, el metal del que están hechos los electrodos, el tipo de electrolito o el número de celdas conectadas. Diseña, junto con tus compañeros de equipo, los procedimientos experimentales que podrían hacer para poner a prueba las hipótesis siguientes:

Figura 2.9 Elaboración de una pila. I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Aplicando el método científico, desarrolla experimentos sobre propiedades físicas, estados de agregación y cambios que presenta la materia.

• Si se utiliza otro tipo de metales como hierro, magnesio o aluminio, ¿se modificará el voltaje de la pila? • Una pila construida con varias celdas, ¿generará un voltaje mayor? • La temperatura a la que se encuentran los limones, ¿puede afectar la magnitud del voltaje? Muestren a su profesor su propuesta para que la autorice y consigan el material necesario. Recuerden que un experimento se hace para aceptar o rechazar una hipótesis. A manera de informe sobre esta actividad construye una “V” de Gowin, para ello consulta la Caja de herramientas al final de este bloque.

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Química 1

Malas noticias sobre las pilas tón de • Una sola pila de bo ojes rel en n usa se las que e ed pu s ora ad cul cal y contaminar 600,000 litros de agua. evita • Una pila recargable 0 30 s no el uso de al me s. desechable

Podría parecer que las pilas son una fuente de energía limpia, ya que no se aprecian emisiones, y para que funcionen no se quema ningún combustible. Sin embargo, el lado contaminante y costoso de las pilas está en los metales que se utilizan. Por una parte, la mayoría de los metales que empleamos, como el hierro, el cobre, el aluminio y el magnesio, no existen naturalmente en su estado metálico, sino que reaccionan con facilidad con otras sustancias y forman sales. Como el sodio metálico, que cuando reacciona con cloro da lugar al cloruro de sodio. Es así que en las minas, por lo general, no se encuentran sustancias metálicas, sino sales como el sulfato de cobre o el nitrato de plata: ni cobre ni plata puros. Entonces, para tener cobre, zinc o magnesio metálicos se tiene que invertir energía. Por ejemplo, al calentar las sales a altas temperaturas para obtener las sustancias metálicas; he aquí el precio de esta alternativa. Es así que la ley de la conservación de la energía no falla: la energía, que de algún modo guardan las pilas, tuvo que venir de algún lado.

Figura 2.10 Cobre y sulfato de cobre.

Por si esto no fuera un precio suficiente, una vez que se tienen los metales, en cuanto tienen contacto con otras sustancias tienden a reaccionar para volver a formar sales, algunas bastante solubles en agua y además venenosas. Cuando se desechan las pilas en el suelo y se humedecen, las sales formadas contaminan la tierra, envenenando la flora y la fauna del medio. Por esto, de las pilas que se ofrecen en el mercado las más recomendables son las recargables, pues aunque son más caras se mantienen útiles por más tiempo y no se desechan.

EN

Entra

Acción

¿De dónde sale la energía que permite que las pilas recargables sirvan una y otra vez? Coméntalo con tus compañeros y consulta en la biblioteca o en Internet para que respondas la pregunta en los siguientes renglones.

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

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Esta información también te puede ser útil para el proyecto final.

5/31/10 2:58:26 PM

Bloque 2 • Comprende las interacciones de la materia y la energía

DE

Pista

Aterrizaje

Ahora que has concluido este bloque, organízate con tus compañeros de clase para llevar a cabo el proyecto propuesto al inicio. La creación del grupo en una de las redes sociales de Internet debe promover la participación del mayor número de personas, por lo que debe ser atractivo, entonces incluyan fotografías, videos y lo que consideren interesante en relación con el tema. La estructura de la página debe contener tres secciones:

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

• Una que les permita a ustedes investigar cuánto saben las personas sobre los problemas que genera el uso irresponsable de la materia y la energía. • Otra en donde se ofrezca información veraz del tema. • Una más para proporcionar sugerencias de cambios que podría hacer la gente en sus actividades cotidianas en beneficio del ambiente.

Coevaluación Además deberán incluir algún cuestionario para que los seguidores evalúen tu material. Podría ser un cuestionario como el siguiente: 1. ¿Te ha quedado claro cuál es la intención de esta campaña? 2. ¿Aprendiste algo que no sabías sobre el uso responsable de la materia? 3. ¿Aprendiste algo que no sabías sobre el uso responsable de la energía? 4. ¿Te resultó atractiva esta página? Es importante que no limiten la página a los temas de este bloque y continúen enriqueciéndola conforme avanzan en el libro durante todo el ciclo escolar.

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Química 1

Caja de

herramientas Construcción de diagramas “V” de Gowin La construcción de diagramas “V” de Gowin es una estrategia útil para comprender y analizar lo que se ha aprendido, por ejemplo, en una actividad experimental. Como se muestra en la siguiente figura, la V tiene cuatro lados (izquierdo y derecho), la parte superior y la parte inferior. • En la parte superior se indica el problema que se pretende resolver. • En la parte inferior la forma como se planea resolver. • En el lado derecho, empezando por la parte inferior, se colocan los datos u observaciones que se van obteniendo en el experimento en forma ascendente; a continuación se coloca el manejo (transformaciones) que se hace de los datos (tablas, gráficas, operaciones matemáticas, etcétera), los resultados y conclusiones (conocimientos obtenidos). • En el lado izquierdo, iniciando también en la parte inferior, se colocan los conceptos involucrados; a continuación y hacia arriba, los principios y la teoría. La construcción de la V en una investigación pone en evidencia la estrecha relación que hay entre lo que hacemos y lo que pensamos o sabemos.

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Bloque 2 • Comprende las interacciones de la materia y la energía

Teoría que explica el por qué del comportamiento: cinético molecular. Explica el comportamiento de la materia, a partir de las siguientes premisas: toda la materia está compuesta por partículas pequeñísimas e invisibles llamadas moléculas, que se encuentran en constante movimiento.

Preguntas en las que se concreta el problema:

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Conclusiones: La solubilidad de las sustancias aumenta linealmente con la temperatura. La mayoría de las sales presentan este comportamiento. Esto se explica pensando que al subir la temperatura aumenta el movimiento de las partículas, por lo que pueden dispersarse más.

¿Cómo afecta la temperatura a la solubilidad de las sustancias? ¿Todas las sustancias se comportan igual?

Principios y leyes (muestran la relación entre los conceptos):

Análisis o manejo de datos: KNO3

200

Solubilidad

Las disoluciones son

150 100

mezclas 12,1

sustancias

con

NaCl

50 34,2

de

0

20

40

60

80

100

T(ºC)

pueden ser

Resultados del trabajo experimental: Gramos de sustancia disuelta en 1 mL de agua a cada temperatura.

propiedades soluble en soluto

como

disolvente

5 °C

solubilidad

20 °C

45 °C

Sal de mesa Azúcar

Conceptos clave: Disolución, soluto, disolvente, temperatura, sustancia, solubilidad.

Bicarbonato de sodio

Procedimiento que se planea seguir para responder: se disolverá toda la sustancia que sea posible a diferentes temperaturas.

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Química 1

LO

Evalúa

o

Aprendid

Unidad de competencia desarrollada: Establece la relación que existe entre las propiedades de la materia y los cambios que la energía provoca en ella. Asimismo, valora los beneficios y riesgos que el uso de la energía causa en su vida cotidiana y el medio ambiente. 1. En tu cuaderno elabora una tabla con tres columnas y varios renglones. A la primera columna ponle como título “Tipos de energía”; en la siguiente escribe “Ideas que yo tenía sobre este tipo de energía y que cambiaron tras el estudio de este bloque”, y a la tercera titúlala “Nuevas ideas que ahora tengo sobre este tipo de energía”. En cada renglón de la primera columna escribe los diferentes tipos de energía vistos en este bloque y llena las dos columnas restantes para que puedas comparar tus ideas antes y después de tratar los temas sobre la materia y la energía. 2. En forma individual, escribe tres preguntas sobre los temas tratados en este bloque. Es importante que sean preguntas auténticas e interesantes, es decir, que la respuesta no se encuentre en el texto y que efectivamente tengas curiosidad por conocerla. Muestra tus preguntas al profesor y organicen un intercambio de preguntas en el grupo para que cada uno investigue y aclare la duda de los otros.

Autoevaluación En la siguiente evaluación del bloque encontrarás enlistados los aprendizajes que se espera que hayas adquirido después de estudiar este bloque. En la segunda columna de la tabla hay un espacio para que reflexiones sobre tu desempeño y escribas Sí, No o Faltó trabajo, según consideres en qué medida adquiriste o no ese aprendizaje.

Tipo de saberes

Conocimientos

Saberes requeridos para el logro de la competencia

Resultado de la evaluación

Reconozco las propiedades de la materia: extensivas e intensivas, físicas y químicas. Describo las características de los cambios físicos, químicos y nucleares de la materia. Describo las características de los diferentes tipos de energía y su interrelación.

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Bloque 2 • Comprende las interacciones de la materia y la energía

Habilidades

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Explico el concepto de materia. Caracterizo los estados de agregación y sus cambios en los fenómenos que observo en mi entorno. Expreso algunas aplicaciones de los cambios físicos, químicos y nucleares. Distingo entre las fuentes de energías limpias y las contaminantes. Argumento la importancia que tienen las energías limpias en el cuidado del medio ambiente.

Actitudes y valores

Promuevo el uso responsable de la materia para el cuidado del medio ambiente. Promuevo el uso responsable de la energía junto con el empleo de energías limpias.

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BLOQUE

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Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

Indicadores de desempeño

Tiempo asignado al bloque ✔ 10 horas

El alumno:

✔ Relata las aportaciones de Dalton, Thomson,

Unidad de competencia Valora las aportaciones históricas de diversos modelos atómicos al describir la estructura del átomo, reconocer sus propiedades nucleares y electrónicas, así como las aplicaciones de elementos radiactivos en su vida personal y social.

✔ ✔ ✔

La idea de que todo está formado por átomos es quizá la herramienta actual más poderosa para explicar las propiedades y el comportamiento de la materia. En este bloque encontrarás una breve historia sobre la evolución que ha sufrido el modelo atómico desde Demócrito hasta nuestros días. Conocerás cómo la idea de que la materia no es continua, que surgió entre los griegos 600 a.C., tuvo que esperar casi 2 mil años para ser retomada por los científicos modernos y cómo, conforme los experimentos y las suposiciones que hicieran los científicos aportaron más conocimiento sobre la estructura del átomo y las partículas subatómicas, el modelo de las esferas se fue modificando hasta que hoy es posible proponer incluso la ubicación de cada uno de los electrones en un átomo.

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✔

✔ ✔

Rutherford, Chadwick, Goldstein, Bohr, Sommerfeld y Dirac-Jordan como parte de un proceso histórico que desemboca en el modelo atómico actual. Describe la masa, carga y ubicación de las partículas subatómicas (electrón, protón y neutrón). Diseña modelos con materiales diversos para representar la estructura del átomo. Identifica el número atómico, masa atómica y número de masa de cualquier elemento de la tabla periódica. Representa la configuración electrónica de un átomo y su diagrama energético, aplicando el principio de exclusión de Pauli, la regla de Hund y el principio de edificación progresiva. Identifica los electrones de valencia en la configuración electrónica de los elementos y su relación con las características de éstos. Reflexiona sobre las aplicaciones de los isótopos en las actividades humanas.

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SABERES REQUERIDOS Habilidades

Conocimientos ✔ Describe las aportaciones al modelo

✔ ✔ ✔ ✔

✔ ✔

atómico actual realizadas por Dalton, Thomson, Rutherford, Chadwick, Goldstein, Bohr, Sommerfeld y Dirac-Jordan. Reconoce las partículas subatómicas y sus características más relevantes. Define los conceptos de número atómico, masa atómica y número de masa. Describe los significados y valores de los números cuánticos (n, l, m, s). Explica las reglas para elaborar las configuraciones electrónicas: Principio de edificación progresiva, Principio de exclusión de Pauli y Regla de Hund. Define el concepto de isótopo. Conoce algunos isótopos radiactivos: • Cobalto-60 • Yodo-131 • Carbono-11 • Carbono-14 • Plomo-212, entre otros.

✔ Establece la relación entre número ✔

✔

✔ ✔ ✔

atómico, masa atómica y número de masa. Realiza cálculos sencillos relacionados con partículas subatómicas, tomando como base el número atómico, la masa atómica y el número de masa. Desarrolla e interpreta configuraciones electrónicas considerando los números cuánticos y los electrones de valencia de los elementos, relacionándolos con las características de los mismos. Explica la relación existente entre el número atómico y el número de masa de los isótopos. Describe las aplicaciones de algunos isótopos radiactivos. Reconoce la importancia y los riesgos del empleo de isótopos en diferentes campos.

Actitudes y valores ✔ Valora las aportaciones históricas de los modelos atómicos que nos llevan al modelo actual. ✔ Muestra disposición al trabajo metódico y organizado. ✔ Valora las aplicaciones de los isótopos en la vida cotidiana.

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Proyecto

Evolución del modelo atómico

L

a propuesta para el proyecto de este bloque es que, junto con tu grupo, lleven a cabo una muestra histórica de modelos atómicos. 1. Empleando diversos materiales, cada equipo construirá un modelo atómico que corresponda a alguna época en particular. 2. Con todo el grupo, monten una exposición que muestre cómo fue evolucionando el modelo atómico.

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Bloque 3 • Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

¿Tú qué dices?

C O M P E T E N C I A S

Imagina la siguiente actividad experimental: tienes dos probetas con capacidad de 100 mililitros cada una, la primera contiene exactamente 20 mL de etanol puro y la otra exactamente 20 mL de agua destilada. Entonces viertes el contenido de una en la otra de tal modo que se mezclan los dos líquidos. ¿Cuál sería el volumen final de la mezcla etanol-agua? Discute con otro compañero la situación y escribe la respuesta:

Puede parecerte desconcertante, pero resulta que los volúmenes de sólidos, líquidos y gases no siempre son aditivos. Es decir, si mezclas 20 mL de una sustancia con 20 mL de otra distinta puede suceder —depende de cuáles sustancias se trate—, que al mezclarlas no se obtenga un volumen final de 40 mL. Propongan una explicación para la afirmación anterior y escríbanla:

Disciplinar es • Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. • Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.

No olvides revisar estas respuestas una vez que termine el bloque para ver cuánto cambiaron tus ideas. C O M P E T E N C I A S

Disciplinar es

EN

Entremos

Acción

Ahora lleven a cabo la actividad de forma práctica:

Material por equipo: • • • • • • •

50 cm de tubo de vidrio de 6 mm [. Mechero de gas o alcohol. Cerillos. Etanol o metanol absoluto (con el más bajo contenido de agua). Agua destilada. 2 jeringas con aguja. Parafilm, plastilina o un tapón de hule suave.

• Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. • Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.

Precauciones: El metanol y el etanol, además de tóxicos, son inflamables, por lo que deberán mantenerse alejados de cerillos o mecheros encendidos. Deben usarse bajo la supervisión del profesor. 1. Investiguen el procedimiento para cerrar el extremo de un tubo de vidrio por calentamiento y llévenlo a cabo. 2. Marquen el tubo aproximadamente a la mitad, cerrado por un extremo con un trozo de cinta o un marcador. 3. Con una jeringa introduzcan agua destilada hasta la marca. 4. Repitan la operación, con cuidado y muy rápido —sin agitar— utilizando metanol o etanol puro hasta llenar el tubo al ras y que el menisco convexo del líquido quede fuera del tubo.

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Figura 3.1 a) Menisco cóncavo; b) Menisco convexo. La forma de la curva depende de las características del líquido.

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Química 1

5. Sellen el tubo con parafilm, insertando el tapón de hule o con un poco de plastilina, para evitar que se introduzcan burbujas de aire al sellar. 6. A continuación agiten el tubo invirtiendo los extremos de manera sucesiva para que ambos líquidos se mezclen perfectamente. 7. Observen. Figura 3.2 Formas cristalinas.

8. Comparen los resultados de los equipos, planteen una posible explicación y discútanla con su profesor.

EN

Entremos

Acción Elaboración de modelos Una vez que hayas discutido las posibles explicaciones de por qué no se suman los volúmenes de la mezcla, representa mediante un 30 30 modelo lo que observaste usando la idea de los átomos. 20 20 Puedes hacer una representación o modelado de lo que ocurre con los líquidos utilizando canicas en dos tamaños notablemente 10 10 diferentes o incluso canicas y chochitos. Las cm cm canicas grandes representarán las partículas de una de las sustancias y las más pequeñas, o los chochitos, a la otra. Midan aproximadaFigura 3.3 Proceso para que una mente dos volúmenes iguales de ambos tipos sustancia cambie de un estado a otro. de canica en un recipiente de plástico. Mezclen y observen que el volumen resultante al revolver las canicas no es la suma de los volúmenes iniciales. Comparen y expliquen: 40

En 1665, Robert Hooke dijo que la regularidad de las formas cristalinas podía explicarse suponiendo el ordenamiento de minúsculas partículas esféricas. También n supuso que la disolució se ua ag en es sal de el debía al hecho de que ; uo tin con líquido no es es decir, que presenta huecos en los cuales las podrían acomodarse . sal la partículas de

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C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

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¿Pasará lo mismo con diferentes líquidos? ¿Y con los sólidos? ¡Haz la prueba! Con ambas experiencias podemos imaginar a la materia como algo discontinuo, pero las dudas persisten: hasta aquí nada nos prueba la existencia real de los átomos. Además de que no podemos explicar aún las propiedades y características de esas partículas que se supone conforman a la materia.

Aportaciones al modelo atómico Cuando se habla de que la materia está formada por átomos, a menudo se recuerda al filósofo griego Demócrito, quien propuso el nombre de átomo (que significa “indivisible”). Sin embargo, poco se habla sobre las propuestas anteriores y cómo llegó Demócrito a esa idea tan revolucionaria, que fue tomada en serio hasta casi 2 mil años después.

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Bloque 3 • Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

El estudio de la naturaleza de la materia en la antigüedad 624 aC-546 aC

585 aC-525 aC

Tales, del pueblo de Mileto, fue uno de los primeros a los que se denominó filósofos de la naturaleza porque se interesaban por la naturaleza y sus procesos.

Anaxímenes, también de Mileto.

Opinaba que el agua era el origen de todas las cosas materiales; quizá basado en la observación de que tras las lluvias aparecían plantas, animales e insectos.

Es probable que Tales se preguntara cómo es que el agua se transforma en hielo y vapor, y luego vuelve a ser agua.

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500 aC

535 aC-475 aC

490 aC-430 aC

500 aC-428 aC

460 aC-370 aC

Parménides, del pueblo de Elea.

Heráclito, del pueblo de Efeso.

Empédocles.

Anaxágoras.

Demócrito, uno de los últimos filósofos de la naturaleza.

Creía que el origen de todo era el aire o la niebla; quizá porque puede “verse” cómo el agua “surge” del aire cuando llueve.

Pensaba que todo ha existido siempre y que el mundo era eterno y que nada puede surgir de la nada.

Opinaba que los cambios constantes son los rasgos básicos de la naturaleza.

Daba la razón a Heráclito y rechazó la idea de que hay un solo elemento, porque ni el agua ni el aire son capaces de convertirse en una planta o animal.

Tampoco aceptó la idea de que un solo elemento pudiera convertirse en todo lo que vemos en la naturaleza.

Supuso que todo tenía que estar construido por piezas pequeñas e invisibles a las que llamó átomos, que servían como unidades de construcción. Los átomos debían ser diferentes entre sí (múltiples elementos) para poder usarse para componer diferentes cuerpos.

Quizá compartía con Tales la idea de que debe existir una materia primaria que es el origen de todos los cambios que suceden en la naturaleza.

Pese a que sabía que la naturaleza muestra cambios constantes, entre fiarse de sus sentidos o por la razón, optó por sus pensamientos, aunque no concordaran con lo que veía.

Supuso la existencia de una especie de razón universal o ley natural que dirige todo lo que ocurre en la naturaleza.

Planteó la existencia de cuatro raíces: agua, aire, tierra y fuego, y afirmó que los cambios se deben a que estas raíces se mezclan (unen) o separan por intervención de dos fuerzas: “amor” y “odio”. Distingue así elemento de fuerza.

Opinaba que la materia, aun en sus partes más pequeñas, debía contener algo de las propiedades del todo. A estas piezas las llamó gérmenes o semillas, además de una especie de fuerza que ordenaba todo.

También aportó la idea de que los diferentes tipos de átomo también poseían entrantes y salientes que podían usar para acoplarse o desacoplarse y formar así todas las cosas, es decir, diferentes objetos con las mismas piezas.

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En la línea de tiempo anterior podrás ver cómo se fue modificando la idea de que la materia es discontinua, esto es, que está formada por partículas muy pequeñas. La suposición de que la materia está formada por átomos fue una aportación de los filósofos griegos de la naturaleza, pero quedó sólo en eso: idea filosófica, porque en aquella época no se hacía ciencia como la conocemos y no había manera de comprobarla. Aun así, los filósofos de la naturaleza ocupan un lugar importante en la historia de la ciencia. Otro revés que sufrió el estudio de la naturaleza fue que, luego de Demócrito, el interés de la filosofía comenzó a centrarse en el ser humano. Aristóteles (384 a.C.–322 a.C.) ha sido uno de los filósofos más influyentes y sus ideas permanecieron vigentes y casi como verdades absolutas hasta finales de la Edad Media. Aristóteles había retomado la idea de las cuatro raíces de Empédocles, a las que denominó elementos, y añadió otro llamado quintaesencia. Aunque desde hace tiempo sabemos que los cuatro elementos de Aristóteles son en realidad tres mezclas y un plasma, la idea de cuatro o cinco elementos ha sido muy difícil de erradicar. Hoy perdura, sobre todo, entre personas dedicadas a la magia y el esoterismo. Las ideas de Aristóteles sobre los cinco elementos perduraron hasta 1661, cuando el químico inglés Robert Boyle introdujo en su libro El químico escéptico, nuevamente el concepto de elemento. Boyle, a diferencia de los antiguos griegos, definió como elemento a toda sustancia básica de la materia. Según él, un elemento se podía combinar con otros para formar compuestos, pero no podía descomponerse en otra sustancia más simple una vez separada del compuesto. Gracias a Boyle, la idea de que el agua, el aire, el fuego, la tierra y el éter o quintaesencia eran los componentes básicos de la materia fue abandonada.

Figura 3.4 La experiencia cotidiana hace que la mayoría de las personas visualice a la materia como un continuo. Por otra parte, la existencia de los átomos supone que la materia es corpuscular, con huecos en los que sólo hay vacío.

Elementos y compuestos Es importante recordar ahora que el propósito del modelo de la materia formada por átomos, como el de muchos de los modelos científicos, es explicar las propiedades de la materia que sí vemos, es decir, las propiedades macroscópicas. Así, el desarrollo del modelo atómico avanzó de forma paralela con el conocimiento que se tenía sobre las propiedades macroscópicas de las sustancias. El trabajo arduo en los laboratorios, bastante rústicos comparados con los que se tienen ahora, permitió clasificar a las sustancias conocidas en elementos y compuestos. El criterio para hacer esta clasificación es que los compuestos son sustancias que, aun en ausencia de cualquier otra, pueden reaccionar para formar dos o más sustancias simples llamadas elementos, que solas ya no pueden generar ninguna otra sustancia.

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Bloque 3 • Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

Agua

hidrógeno 1 oxígeno

compuesto

Oxígeno

oxígeno

elemento

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La suposición de que la materia está formada por átomos fue retomada hasta mucho tiempo después de que se aceptaron los conceptos de elemento y compuesto, y para conformar la idea actual sobre el átomo tuvieron que pasar muchos años más y converger la física y la química en el estudio de la naturaleza de la materia.

Características de los átomos Antes de iniciar con la historia sobre el desarrollo del modelo atómico, comenta con tus compañeros cuál es la imagen que viene a la mente de cada uno cuando escucha la palabra átomo. Descríbela en el siguiente espacio y conforme avances en el bloque trata de identificar cuál es el modelo que coincide con esa imagen.

El “átomo de los químicos” En 1789, el químico francés Antoine-Laurent Lavoisier publicó su Tratado elemental de química, que define como elementos a todas aquellas sustancias que no pueden descomponerse en otras más simples y hace una lista de los conocidos hasta entonces. Su lista incluía elementos conocidos desde la antigüedad, porque se presentan libres, como el oro; compuestos que no habían podido descomponerse hasta ese entonces, como la cal (óxido de calcio) y otras cosas que no eran ni elementos ni compuestos, como la luz.

El modelo de Dalton En 1808, John Dalton enunció su teoría atómica, en la que retoma la idea de la existencia de los átomos de Demócrito. La propuesta de Dalton estaba basada en el supuesto de que los átomos de cada elemento se pueden caracterizar por su masa y sus postulados son: 1. 2. 3. 4. 5.

Todas las sustancias están formadas por átomos. Los átomos son indivisibles. Los átomos de un mismo elemento tienen igual masa. Los átomos diferentes tienen peso distinto. Los compuestos resultan de la combinación de átomos de diferentes elementos, siempre en proporciones de números enteros pequeños. 6. Las reacciones químicas ocurren cuando los átomos se separan, se juntan o se reacomodan. Sin embargo, los átomos de un elemento no se transforman en átomos de otro elemento durante una reacción química. Junto con un compañero vuelve a leer los postulados de Dalton y comenten lo que cada uno de ustedes entiende de éstos. Si tienen dudas pregunten a su profesor.

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Los pesos atómicos determinados a partir de las relaciones de s combinación conocida n era las mu fór sus y de bastante inexactos y r fueron modificados po en n lto Da el propio varias oportunidades.

Se han puesto tres de esos postulados en itálicas porque, como veremos más adelante, resultaron ser falsos y fue a través de la experimentación como se abandonaron. Tras analizar con detenimiento cada uno de los postulados de Dalton podemos ver que este modelo, basado en las propiedades macroscópicas de las sustancias, propone primero que la materia es corpuscular y está formada por esferitas sólidas. También que existen varios tipos de átomos que se distinguen unos de otros por su masa. Además, propone que los elementos; es decir, las sustancias que no se pueden descomponer en otras, están formados por átomos iguales. Mientras que los compuestos, aquellas sustancias que se descomponen dando lugar a dos o más elementos, están formados por átomos de dos o más tipos que se combinan en proporciones definidas. Finalmente, Dalton propone que cuando se da una reacción química y se forman sustancias diferentes a las que reaccionaron, entonces los átomos de las sustancias que reaccionan se reacomodan y combinan con los de los otros reactivos para arreglarse de una manera diferente y formar los productos.

Figura 3.5 Representación de a) un elemento formado por átomos aislados; b) un elemento formado por pares de átomos y c) un compuesto formado por dos tipos de átomos en una proporción 1 a 2.

ELEMENTS

¿Se te ocurre de qué manera fue posible asignar un peso a los s átomos de los diferente s elementos si hemo ni dicho que los átomos ? ver en ed pu se siquiera

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Dalton pudo construir una tabla de pesos atómicos de los elementos; que W W 1 46 después fueron corregidos por el químiStrontian Hidrogen italiano Stanislao Cannizzaro, quien 5 68 co Barytes Azote en 1860 construyó una tabla de pesos 5 I Iron 50 atómicos en principio correcta. Sin emCarbon 7 Z Zinc 56 bargo, hasta entonces, y pese a que se coOxigen nocían las propiedades físicas y químicas 56 de muchos elementos y se había podido Copper Phosphorus 9 C 90 determinar su peso relativo, los químicos L Lead Sulphurus 13 no tenían pruebas directas de la existen190 cia de los átomos y tampoco podían exSilver Magnesia 20 S 28 G Gold 190 plicarse qué hace diferente a un átomo de Lime comparado con otro. 28 P Platina 190 un elemento Soda Varias suposiciones y mediciones ex42 Mercury 167 Potash perimentales con cantidades macroscópicas de sustancias permitieron que, en Figura 3.6 Modelo de la tabla de pesos 1806, Jacobs Berzelius propusiera utilizar atómicos de Dalton. la relación entre las masas de cualquier par de átomos conocidos. Aunque no podía saber la masa de un solo átomo, Berzelius dedujo que, comparando las masas de muestras macroscópicas de sustancias, podía calcularse qué tan pesado es un átomo en comparación con otro: un átomo de carbono es 12 veces más pesado que uno de hidrógeno. Esta masa relativa, que no tiene unidades por tratarse de un cociente entre dos masas, corresponde a la masa atómica de los elementos.

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Bloque 3 • Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

Las partículas subatómicas. El “átomo de los físicos” Por otra parte, en el campo de la física las perspectivas eran más bien oscuras. Los físicos James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann, durante las décadas de 1860 y 1870, desarrollaron la idea de que un gas está compuesto por partículas a las que imaginaban como pequeñas esferas duras (algo así como microscópicas bolas de billar) en movimiento continuo y que obedecen (al igual que lo hacen las bolas de billar verdaderas) las leyes de la mecánica de Newton. Sin embargo, pese a que dicho modelo permite describir matemáticamente el comportamiento de los gases, aún no había pruebas directas de la existencia de los átomos. La biografía de Max Planck refiere una anécdota sobre su ingreso a la Universidad de Münich en 1875; en ese entonces, al exponer al jefe del departamento de física de la universidad su decisión de estudiar física, éste le respondió más o menos así: “La física es una rama del conocimiento que casi está completa. Todos los descubrimientos importantes han sido hechos, por lo que ya casi no vale la pena dedicarse a la física”. Esta opinión estaba muy difundida entre los físicos de aquella época debido a que las leyes del movimiento de Newton habían sido extendidas de manera que el calor, el sonido, la electricidad y la luz se comprendían en términos de modelos que operaban más o menos de acuerdo con estas leyes. En la actualidad se le conoce a esta rama de la física como clásica o newtoniana y en aquel entonces era la única física conocida.

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

Hacia el interior de los átomos: el descubrimiento de los electrones Pocos años antes de que Planck ingresara a la universidad, los trabajos del físico y químico Michael Faraday inspiraron al físico Julius Plücker para estudiar qué ocurría dentro de un tubo de vidrio sellado y lleno con gases a muy bajas presiones, donde se colocaban un cátodo y un ánodo sometidos a diferencias de potencial muy altas. Bajo estas condiciones, Plücker observó el fenómeno de radiación luminosa que, por provenir del cátodo, recibió el nombre de rayos catódicos en 1859. Aunque la electricidad era muy utilizada en experimentos químicos y físicos, se desconocía la naturaleza de los rayos catódicos. Los experimentos revelaron que los campos magnéticos y eléctricos desviaban los rayos catódicos, lo que indicaba que poseían carga eléctrica.

D

C A

B

E

Figura 3.7 Tubo de rayos catódicos: los electrones emitidos por el cátodo (C) son acelerados por el campo eléctrico hacia el ánodo (A) que deja pasar algunos por un orificio central. La trayectoria de este haz es afectada por la acción de un campo magnético y uno eléctrico (D-E).

Entre 1893 y 1897, Joseph John Thomson pudo determinar que los rayos catódicos son corrientes de partículas con carga negativa y una masa relativa mil veces menor que la del ion hidrógeno, el átomo más ligero conocido, por lo que se atribuye a Thomson el descubrimiento del electrón. La conclusión de Thomson es muy importante porque la masa de los rayos catódicos resultó mucho menor que la de cualquier átomo. De hecho, experimentos posteriores, mucho más precisos, deter-

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minaron que la masa del electrón es 1,837 veces menor que la del ion hidrógeno, por lo que concluyó que eran partículas subatómicas con carga negativa. La evidencia experimental abatió el segundo postulado de Dalton: “Los átomos son indivisibles” y de paso el modelo del átomo como esferas sólidas, dando paso a un modelo más complejo que considera un átomo constituido por los electrones, partículas subatómicas aparentemente inmersas en una sustancia con carga positiva. Rayos α: Se comprobó que eran partículas con masa y carga eléctrica positiva. Rayos β: Se comprobó que eran partículas, con muy poca masa y con carga eléctrica negativa. Fueron identificadas con los electrones. Rayos γ: Se comprobó que eran radiaciones, sin masa ni carga eléctrica.

α

β

PLACA POSITIVA

PLACA NEGATIVA

γ

Cámara de plomo Fuente radiactiva

Figura 3.8 Comportamiento de las radiaciones α, β y γ.

La radiactividad En 1896, Henri Becquerel descubrió la emisión espontánea de radiación por parte de algunos materiales, a esta propiedad se le denominó radiactividad. En este descubrimiento Becquerel no estaba solo, tenía a una estudiante muy brillante que colaboró y aprendió mucho junto a su maestro: Marie Curie. Los estudios sobre la naturaleza de la radiactividad en diversos materiales reveló la existencia de tres tipos de radiación: alfa (α), beta (β) y gamma (γ); cada una se comporta de forma muy diferente dentro de un campo eléctrico. La trayectoria de las radiaciones α y β es desviada por el campo eléctrico, aunque en direcciones opuestas, pero dicho campo no afecta a la radiación γ. Becquerel, Marie y Pierre Curie (esposo de Marie) determinaron que los rayos β no son otra cosa que electrones moviéndose a gran velocidad. Por su parte, el físico Ernest Rutherford demostró en 1899 que los rayos α, cuya masa es mucho mayor que los β y poseen una carga de 2+, se combinan con electrones para formar átomos de helio (elemento descubierto en 1868). El tercer tipo de radiación se denominó gamma y fue identificado como radiación de alta energía, muy similar a los rayos X (descubiertos en 1895), pero que no consta de partículas ni posee carga. En pocas palabras, parecía que los átomos de los materiales radiactivos se descomponían lanzando electrones (rayos β), partículas con carga positiva (rayos α) y además energía (rayos γ). Como los electrones poseen una masa muy pequeña al compararse con la masa de un átomo cualquiera, J. J. Thomson, junto con Lord Kelvin, propusieron en 1902 el primer modelo del átomo, que consistía en una esfera uniforme de materia positiva en la que estaban inmersos los electrones. Este modelo del átomo es conocido como “pudín de pasas” por su semejanza con ese postre inglés (una imagen más familiar sería una sandía: la carga positiva correspondería a la pulpa y los electrones a las semillas). Lámina de oro

Fuente de partículas Alfa

El núcleo atómico

Partículas Alfa Núcleo del átomo

Detector de partículas

Átomo de oro

Figura 3.9 a) Esquema del experimento de Rutherford. b) Modelo que explica la dispersión de partículas α observada.

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Los modelos científicos evolucionan, no representan una verdad absoluta y son modificados e incluso sustituidos por otros. Tal fue el caso del modelo de Thomson a manos de Rutherford, quien fuera su alumno. En 1910, Rutherford y sus colaboradores Hans Geiger y Ernest Marsden realizaron un experimento que cambió el modelo atómico de Thomson. Al estudiar los ángulos con los que las partículas α se dispersaban al pasar a través de una lámina de oro muy delgada (figura 3.9), Rutherford y sus colaboradores descubrieron que casi todas las partículas atravesaban directamente la lámina de oro sin desviarse, un pequeño porcentaje mostraba una ligera desviación y unas pocas se dispersaban en ángulos grandes o incluso rebotaban en la misma dirección, pero en sentido contrario al que habían sido disparadas.

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Bloque 3 • Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

La explicación de estos resultados, si bien no era sencilla, al menos no era consistente con el modelo de Thomson. En el experimento, la mayor parte de las partículas atraviesan directamente la lámina de oro al cruzar por el espacio vacío. Cuando una partícula α se acerca mucho al núcleo de los átomos de oro, la repulsión de cargas iguales desvía la partícula α, pero cuando el choque es frontal, la partícula α simplemente rebota. En su interpretación de resultados, Rutherford utilizó un nuevo modelo atómico. En él, la mayor parte de la masa del átomo y toda su carga positiva se encontraba en una región muy pequeña y densa a la que llamó núcleo. Además, en su modelo, la mayor parte del volumen total de los átomos es vacío, en el cual los electrones se mueven alrededor de un núcleo muy pequeño (figura 3.10). Este modelo es llamado “planetario” por su similitud con el Sistema Solar y es tan popular que hoy, a más de 100 años de haberse propuesto, casi siempre que se habla de átomos la mayoría de la gente lo tiene en mente.

Figura 3.10 Modelo de átomo de Rutherford.

EN

Entremos

Acción

Formen equipos de tres personas y discutan sobre los modelos del átomo. Lleguen a un consenso y respondan brevemente:

¿Por qué será que el modelo atómico que tiene en mente la mayoría de la gente es el planetario?

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

TIC

TIC

TIC

L

a publicidad y las historietas de superhéroes con frecuencia se refieren a poderes que se obtuvieron por exponerse a la radiación. ¿Tendrán algo que ver con la imagen que viene a la mente de las personas cuando piensan en el átomo? Busca en Internet información e imágenes de historietas que apoyen esta idea, pégalas en el siguiente recuadro y muéstralas al resto del grupo.

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C O M P E T E N C I A S

Disciplinar es • Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. • Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece.

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Química 1

Hagan una lista de superhéroes “atómicos”, señalando el tipo de radiación a la que, según la historieta, se expusieron. Investiguen los beneficios y los posibles efectos reales de la aplicación de los distintos tipos de radiación. De forma paralela a Rutherford, Eugen Goldstein detectó la existencia de los protones en los tubos de rayos catódicos como una radiación en dirección contraria y los llamó rayos canales.

Nombre del superhéroe

Radiación a la que se expuso

Efectos de la radiación

Organicen en el salón de clases una discusión acerca de lo que escribieron y lleguen a una conclusión respecto a qué tanto se apegan las historietas al conocimiento científico. Transmutación es un término que se utilizó desde la alquimia para referirse a un elemento que se transforma en e otro distinto. Hasta qu a tur ruc est la se descifró se mo áto l de interna entendió que cuando esto sucede el núcleo del átomo pierde o gana protones. Estas transformaciones s corresponden a cierto es on cci tipos de rea nucleares.

En 1919, Rutherford descubrió que, cuando una partícula α acelerada choca con un núcleo de nitrógeno, éste se convierte (transmuta) en un núcleo de oxígeno y emite un núcleo de hidrógeno. Además de haber logrado la primera transmutación artificial de un elemento (el sueño de los alquimistas), Rutherford dedujo que los núcleos de los átomos contienen partículas equivalentes a núcleos de hidrógeno, a estas partículas se les denominó protones. Como cada protón tiene una carga positiva, exactamente igual en magnitud a la carga negativa de un electrón, y los átomos son en conjunto eléctricamente neutros, resulta que, con el fin de que las cargas se anulen, todos los átomos tienen un número de protones en su núcleo igual al número de electrones que hay a su alrededor, el modelo atómico no sólo parecía ajustarse a las observaciones, también era capaz de explicar otros hechos y realizar predicciones.

Los neutrones

Figura 3.11 Modelo atómico de Rutherford.

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Si nos detenemos a pensar un poco, el modelo de Rutherford tiene defectos casi evidentes. Por ejemplo: las cargas, cuando son del mismo signo se repelen. Entonces, ¿por qué el núcleo atómico es estable y no explota en pedazos? Otra cosa que tampoco explica dicho modelo es la manera en que están acomodados los electrones alrededor del núcleo. O, ¿por qué los electrones, con carga opuesta a los protones, no “caen” hacia el núcleo? Pero esto no es lo que sucede, ¿qué falla en el modelo? Respondamos las primeras preguntas y dejemos pendiente la referente al acomodo de los electrones alrededor del núcleo. Científicos como Rutherford intuían la existencia de algún tipo de partícula neutra que permitiera mantener unidas las cargas positivas; estas ideas nos llevan hacia lo que se conoce como el modelo atómico nuclear. Las partículas neutras, cuya existencia fue prevista por Rutherford en 1920, fueron llamadas neutrones, y su existencia fue comprobada en 1932 por el físico James Chadwick. La masa de los neutrones resultó prácticamente igual a la de los protones, pero sin carga eléctrica. Sin embargo, los neutrones no explican del todo la estabilidad de los núcleos atómicos ni por qué los núcleos de la mayoría de los elementos son tan estables y no se descomponen explosivamente. La explicación que se dio a este problema fue una nueva clase de interacción: la fuerza nuclear.

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Bloque 3 • Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

EN

Entra

Acción

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Sin regresar a los renglones anteriores y sólo recordando lo que acabas de estudiar, imagina otra vez al átomo y dibújalo en el siguiente espacio. Realiza tu dibujo lo más detalladamente que puedas.

Describe la masa, carga y ubicación de las partículas subatómicas (electrón, protón y electrón).

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño

EN

Entremos

Acción

Junto con un compañero completa la siguiente tabla para describir cómo fue cambiando el modelo del átomo conforme se conoció más sobre su comportamiento (a manera de ejemplo se ha llenado lo que corresponde a Thomson), si requieres mayor información consulta en la biblioteca de tu escuela.

Nombre del o los científicos que modificaron el modelo atómico

Evidencias experimentales empleadas

Conclusión a partir de los resultados

Relata las aportaciones de Dalton, Thomson, Rutherford, Chadwick, Goldstein, Bohr, Sommerfeld y Dirac-Jordan como parte de un proceso histórico que desemboca en el modelo atómico actual.

Nuevo modelo atómico

Dalton

Thomson

Los rayos catódicos tienen carga eléctrica negativa y son mucho más ligeros que cualquier átomo.

Los átomos sí se pueden dividir y contienen electrones.

El átomo está formado por electrones aparentemente inmersos en una sustancia con carga positiva. (Continúa)

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5/28/10 9:32:02 AM

58

Química 1

(Continuación)

Becquerel

Rutherford

Chadwick

Goldstein

Número atómico, masa atómica y número de masa C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

Con el modelo atómico desarrollado hasta aquí es posible explicar las diferencias entre los átomos de distintos elementos: el número de protones y electrones que contienen. Al incrementarse el número de protones en el núcleo o número atómico cambia la naturaleza del elemento. No ocurre lo mismo con el cambio en el número de neutrones, que sólo cambia el número de masa, es decir, la suma de protones y neutrones que contiene el núcleo. Los átomos de un elemento que difieren en el número de neutrones y, por tanto, en su número de masa se llaman isótopos.

Hidrógeno 11H 1 protón 1 electrón

Tritio 31H Deuterio 21H 1 protón 1 protón 1 electrón 1 electrón 1 neutrón 2 neutrones Figura 3.12 Los átomos de hidrógeno presentan tres isótopos: hidrógeno 11H, deuterio 21H y tritio 31H. Los tres contienen un protón y un electrón y sólo se distinguen por el número de neutrones.

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59

Bloque 3 • Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

En la siguiente tabla se presentan los datos de átomos de diferentes elementos con sus respectivos isótopos. Tabla 3.1 Isótopos de diferentes átomos.

Elemento

Protones p

Neutrones n

Electrones e

Número de masa (p + n)

Número atómico

Masa atómica (promedio ponderado)

1

1.007

6

12.01

Hidrógeno 1

Isótopos

H

2

H

0 1

3

H

1

1 1

2

2

3

6

12

Carbono 12

Isótopos

C

13

C

14

C

6

7

6

8

13 14

La masa atómica que actualmente se reporta para cada elemento corresponde a la masa atómica promedio ponderada, que considera la abundancia relativa de los isótopos de un elemento. Por ejemplo, en cualquier muestra de cloro hay dos isótopos: 35Cl con una masa de 34.97 umas y 37Cl de 36.97 umas. No obstante, 75.53% de los átomos son 35Cl y sólo el resto son 37Cl. Entonces la masa atómica del cloro será, por tanto: (0.7553 3 34.97) 1 (0.2447 3 36.97) 5 35.46 uma Es importante hacer notar la diferencia entre número de masa atómica y masa atómica, en el primer caso se trata de la cuenta de protones y neutrones en un isótopo. En tanto que la masa atómica promedio ponderada o simplemente masa atómica es la medida de la masa de un átomo expresada en uma. En la tabla periódica, icono de la química, se encuentran ordenados todos los elementos conocidos hasta ahora. A cada uno le corresponde una casilla, en la cual se indica información valiosa, como el número atómico, la masa atómica e incluso los isótopos de cada elemento. En el bloque siguiente aprenderás cómo utilizar fácilmente toda la información que brinda la tabla periódica.

TIC

TIC

TIC

A

ctualmente podemos encontrar en Internet una gran variedad de tablas periódicas (algunas interactivas) que ofrecen toda la información correspondiente a los elementos. Para realizar la siguiente actividad y para el resto del curso te recomendamos los siguientes vínculos: • http://www.ptable.com/ • http://www.profmokeur.ca/quimica/quimica.htm • http://tablaperiodica.educaplus.org/

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I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Identifica el número atómico, masa atómica y número de masa de cualquier elemento de la tabla periódica.

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60

Química 1

EN

Entra

Acción

Investiga los isótopos de cualquier otro elemento y completa la siguiente tabla utilizando sólo tres de ellos, la idea es que quede clara la diferencia que hay entre número de masa, número atómico y masa atómica.

Protones p

Electrones e

Número de masa (p + n)

Número atómico

Masa atómica (promedio ponderado)

Isótopos

Isótopos

Elemento

Neutrones n

C O M P E T E N C I A S

D i s c i p li nare s • Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece. • Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

I N D I C A D O R

D E

D es e m pe ño Reflexiona sobre las aplicaciones de los isótopos en las actividades humanas.

QUI_044-069_B3.indd 60

Aplicaciones de los isótopos Se considera que el uso de materiales radiactivos está justificado cuando el beneficio que produzca compense el daño ocasionado como consecuencia de la posible exposición a la radiación. Esto incluye el uso de isótopos radiactivos, como el cobalto-60, utilizado en medicina nuclear para radioterapia; el yodo-131, usado en medicina para obtener imágenes de la tiroides. Además, no siempre involucra el uso de grandes cantidades de material. En la datación por carbono-14 se utilizan cantidades minúsculas de material para fechar objetos con antigüedades menores a 50,000 años. También existen disciplinas como la hidrología isotópica, que permite determinar el origen, la forma de recarga e incluso el riesgo de intrusión o contaminación en aguas subterráneas utilizando las relaciones isotópicas (contenido) de los isótopos del hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno presentes en las aguas. Otros materiales radiactivos son utilizados para el análisis de las soldaduras en metales. Además, la técnica de análisis por activación neutrónica permite detectar elementos en cantidades muy pequeñas (¡hasta 10215 µg!) gracias a la medida de la radiactividad inducida en las muestras por irradiación con neutrones. La mejor manera de reducir el riesgo de exposición a materiales radiactivos es conocer los símbolos utilizados (figura 3.13) para indicar la presencia de tales materiales. La Agencia Internacional de Energía Atómica (OIEA) recomendó el uso de un nuevo símbolo de advertencia de radiactividad, con validez internacional (lado derecho de la figura 3.13), en sustitución al tradicionalmente utilizado (lado izquierdo de la figura 3.13). En México, la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardias (CNSNS) es la responsable de atender las necesidades de las diferentes áreas de seguridad nuclear y Figura 3.13 Símbolos que radiológica. representan radiactividad.

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Bloque 3 • Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

61

Estructura electrónica y energía cuantizada La solución a los problemas planteados por el modelo planetario de Rutherford fueron solucionados en 1913 por uno de sus antiguos estudiantes: Niels Bohr, quien utilizó la teoría cuántica iniciada por Max Planck en 1900. La contribución más importante de Planck fue proponer que el comportamiento de la energía a nivel microscópico no es el mismo que el que conocemos macroscópicamente. Una analogía que sirve para contrastar lo que ocurre con la energía en el mundo microscópico y el macroscópico lo constituye el ejemplo de una rampa y una escalera: en el mundo macroscópico, al subir o bajar por una rampa aumentamos o disminuimos la energía potencial de cualquier objeto que deslicemos por ella, este aumento o disminución es continuo, es decir, puede presentar casi cualquier valor. Por otra parte, en el mundo microscópico, el aumento o disminución de la energía sólo puede darse en saltos, esto es, subiendo o bajando peldaños y no es posible ubicar un objeto entre dos escalones. Así, Planck propuso que la energía se dividía en “paquetes”, a los que denominó cuantos (de la palabra latina quantum, que significa: qué cantidad), de ahí lo de física y mecánica cuántica. Los trabajos de Planck permitieron que el físico Niels Bohr propusiera un modelo que explica la forma en que los electrones están dispuestos alrededor del núcleo: el modelo cuántico, perfeccionado poco después por Erwin Schrödinger. Este modelo explica con mucho más detalle la estructura electrónica de los átomos y, por tanto, el comportamiento químico de los elementos. Para explicar los espectros de emisión que presentan algunas sustancias, Bohr propuso que los electrones se encuentran distribuidos en niveles que se distinguen unos de otros por la distancia a la que se encuentran del núcleo y por la energía de los electrones que se encuentran en cada nivel.

40

30

20

10 cm

Figura 3.14 El espectro de emisión se refiere a una respuesta gráfica que corresponde a la energía que una sustancia emite tras ser excitada mediante la administración de una radiación.

En los niveles o zonas más cercanas al núcleo se encuentran los electrones con menos energía, mientras que los más energéticos se hallan más alejados. Bohr también propuso que, para que un electrón pase de un nivel de baja energía a otro más lejano tendrá, de algún modo, que recibir energía. Mientras que en el caso opuesto se observará una emisión energética. Estos detalles sobre la distribución de los electrones en el átomo permitieron explicar teóricamente el espectro de emisión del átomo de hidrógeno. La teoría propuesta por Bohr dio respuesta a muchas interrogantes, entre ellas al acomodo de los electrones alrededor de los núcleos; sin embargo, aún quedaban (y quedan) preguntas por contestar.

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n=3

Energía de órbitas en aumento

n=2 n=1

Un fotón es emitido con energía E = hf

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62

Química 1

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

Z

Orbital 1s Z

Orbital 3d m=1 Z

Orbital 2p m=0

Los números cuánticos En 1926 Erwin Schrödinger amplió la propuesta y estructuró un modelo matemático que indica en cuáles zonas, llamadas orbitales, es más probable encontrar a cada uno de los electrones de un átomo determinado. Es decir, para hacer su modelo, Schrödinger realizó cálculos que toman en cuenta el número de protones que hay en el núcleo de un átomo específico, su tamaño, los niveles de energía de Bohr y el efecto de los demás electrones y construyó unas gráficas tridimensionales que representan las zonas u orbitales en donde la probabilidad de encontrar a un electrón de un átomo dado es mayor. Digamos que con el modelo de Schrödinger es posible no sólo saber a qué distancia del núcleo se encuentra moviendo un electrón, sino además podemos conocer la forma de la zona o el volumen en donde se mueve cada uno. En este modelo los orbitales se pueden describir mediante los valores de tres números, conocidos como números cuánticos. El número cuántico principal (n) se refiere al tamaño del orbital, sus valores son números enteros positivos. Así, n = 1 corresponde al orbital más cercano al núcleo y también al menos energético. Entonces, n puede ser 1, 2, 3,…, etcétera. El número cuántico angular (l ) sus valores van desde 0 hasta n – 1 y se refiere a la forma que tienen los orbitales (figura 3.15). Éstos pueden ser esféricos, cuando el valor de l es 0; polares (como dos globos unidos por la boquilla) cuando l = 1 y en forma de trébol (como cuatro globos unidos) para l = 2. Además existen otras formas de orbitales más complejas para valores de l mayores. Así, los valores de l pueden ser: 0, 1, 2, …, etcétera. El número cuántico magnético (m) indica la orientación de los orbitales en el espacio y los valores que puede tener van desde –l hasta l en la recta numérica. Así, para un orbital esférico que sólo puede tener una orientación el valor de m es 0, mientras que si se trata de un orbital polar (l = 1) que puede tener tres orientaciones en el espacio, entonces el valor de m puede ser –1, 0 y 1, correspondientes a las tres posibles orientaciones de los ejes x, y y z de un sistema cartesiano (figura 3.16). Para distinguirlo de los otros números cuánticos, dependiendo su valor, al número cuántico angular se le asignan letras: cuando l es 0 se dice que se tiene un orbital s, esférico; l = 1 corresponde a un orbital p que puede ser px, py o pz (m = –1, 0 y 1, respectivamente), dependiendo de la orientación que tenga. De este modo, se tienen orbitales s, p, d, f, …, etcétera con diferentes formas y posibles orientaciones. Entonces, al conocer los tres números cuánticos que le corresponden a uno de los electrones en un átomo dado, podemos conocer qué tan cercano está del núcleo y la forma del orbital en donde se está moviendo. Z

Figura 3.15 Forma de los orbitales en un átomo. Y

Orbital Px

Z

Z

X

X

Z

Y

X

Y Orbital S

Z

Y

X

Y

Z

X

Orbital dxy

Orbital dyz

Z

Z

Y

X Orbital dxz

Orbital Py Y

Y

Z

X

X

Orbital dx22y2

Y

X Orbital dz2

Orbital Pz

Figura 3.16 Orientación de los orbitales dependiendo del número cuántico.

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Bloque 3 • Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

63

Posibles combinaciones Tomando en cuenta las reglas con las que operan los números cuánticos, cada uno de los electrones de un átomo podría ubicarse en una de las siguientes posibles combinaciones de números cuánticos. n

l

m

1

0 (s)

0

2

0 (s)

0

1 (p)

21 px 0 py 1 pz

3

0 (s)

0

1

21 px 0 py 1 pz

2

22 dxy 21 dyz 0 dxz 1 dx22y2 2 dz2

El espín y el principio de exclusión de Pauli En 1925, los físicos George Uhlenbeck y Samuel Goulsmit, y de forma independiente el físico Ralph Kronig, plantearon que los electrones tienen una propiedad a la que se denominó espín electrónico (denotado por el número cuántico s), que resultó ser una propiedad física intrínseca de las partículas subatómicas como la masa y la carga, pero cuantizada; esto es, que no puede adquirir cualquier valor, en el caso del electrón se determinó que sólo puede adquirir dos valores: 1½ y 2½. En ese mismo año, el físico Wolfgang Pauli descubrió el principio que gobierna la disposición de los electrones en los átomos con muchos electrones. El principio de exclusión de Pauli, dice que en un átomo no puede haber dos electrones que tengan el mismo conjunto de cuatro números cuánticos n, l, m y s. Esta restricción proporcionó la clave para entender el porqué los elementos se acomodan como lo hacen en la tabla periódica. Vemos cómo nuevamente las líneas entre la física y la química se entrecruzan.

Configuraciones electrónicas Bohr introdujo ideas que son fundamentales en los modelos atómicos actuales: 1. Los electrones solamente existen en ciertos niveles de energía (como los peldaños en una escalera) y 2. El movimiento o transición de un electrón de un nivel mayor a un nivel menor o viceversa se produce únicamente mediante la absorción o emisión de energía. El modelo atómico de Bohr es muy similar conceptualmente hablando al modelo planetario de Rutherford, pero es capaz de explicar por qué los espectros atómicos están formados por un número limitado de rayas y no por un espectro continuo de luz. Las investigaciones posteriores apoyaron las ideas de Bohr, al sustituir la imagen de un pequeño sistema planetario por modelos en los que el núcleo no se visualiza (no es que no exista o no se considere su existencia, su tamaño es tan pequeño aun

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

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64

Química 1

comparándolo con el átomo más pequeño, que resulta una imagen muy burda). Por otra parte, los electrones son sustituidos como nubes de probabilidad, más tenues en las regiones donde es menos probable encontrarlos y más densas donde la probabilidad aumenta. Esto en cuanto a la imagen que podría adquirir el modelo atómico, la distribución electrónica sigue las reglas de combinación de los cuatro números cuánticos y el principio de exclusión de Pauli. En química se utiliza, como notación para describir las configuraciones electrónicas de los átomos, la definición de los orbitales atómicos indicando el número de electrones asignado a cada orbital (o al conjunto de orbitales de la misma subcapa) como un superíndice. El hidrógeno tiene un electrón en el orbital s de la primera capa, de ahí que su configuración electrónica se escriba 1s1 (el superíndice 1 de los orbitales ocupados por un único electrón no es obligatorio); el siguiente elemento, el helio, tiene dos electrones en el orbital s de la primera capa, de ahí que su configuración electrónica se escriba 1s2, etcétera. Para el neón (número atómico 10), la configuración es 1s2 2s2 2p6. La distribución de los electrones en los subniveles y orbitales de los átomos ligeros siguen el principio de construcción denominado principio de Aufbau (del alemán aufbau, “construcción”) y que fue una parte importante del concepto de configuración electrónica de Bohr: “Sólo se pueden ocupar los orbitales con un máximo de dos electrones, en orden creciente de energía orbital: los orbitales de menor energía se llenan antes que los de mayor energía”. Para describir la estructura electrónica de los átomos de los elementos se puede utilizar el orden de energías de los orbitales. Un subnivel s se puede llenar con 1 o 2 electrones. El subnivel p puede contener de 1 a 6; el subnivel d de 1 a 10 y el subnivel f de 1 a 14 electrones. Además, para describir la estructura electrónica de los átomos más pesados, de acuerdo con las correcciones realizadas a la propuesta de Bohr, podemos utilizar el siguiente diagrama nemotécnico que indica el orden en que deben ser llenados los niveles y subniveles. Tabla 3.2 Diagrama que indica cómo se llenan los niveles y subniveles de las órbitas de los átomos.

s

p

d

f

K (n = 1)

1s2

L (n = 2)

2s2

2p6

M (n = 3)

3s2

3p6

3d10

N (n = 4)

4s2

4p6

4p10

4f14

O (n = 5)

5s2

5p6

5d10

5f14

P (n = 6)

6s2

6p6

6d10

Q (n = 7)

7s2

7s6

Para determinar la configuración electrónica de un elemento, sólo hay que saber cuántos electrones hay que acomodar y distribuirlos en los subniveles, empezando con los de menor energía e ir llenando hasta que todos los electrones estén distribuidos. Entonces seguimos las diagonales de un mismo color de forma descendente. Por ejemplo, para encontrar la configuración electrónica del hierro (número atómico 26) tendremos:

1s2

2s2

2p6 3s2

3p6 4s2

3d6

Figura 3.17 Configuración electrónica del hierro.

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5/28/10 9:32:05 AM

65

Bloque 3 • Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

Sin embargo, para átomos con muchos electrones, esta notación es larga, por lo que podemos utilizar una notación abreviada, que tiene en cuenta que las primeras subcapas son iguales a las de algún gas noble. En nuestro ejemplo del hierro, que difiere del argón por la presencia de las capas 3d y 4s, la configuración electrónica se puede escribir con respecto a la del argón como: [Ar] 4s2 3d6. Esta notación es de gran utilidad, sobre todo si consideramos que establecer la configuración electrónica es un ejercicio nimio en los cursos de química general básicos; es más importante que sepas que las propiedades químicas de los elementos son determinadas fundamentalmente por las capas externas o de valencia.

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Representa la configuración electrónica de un átomo y su diagrama energético, aplicando el principio de exclusión de Pauli, la regla de Hund y el principio de edificación progresiva.

Ejemplos:

3

Li

12

21

Mg

Sc

7

N

16

35

S

Br

1s2

2s1

[He]

2s1

1s2

2s2

[Ne]

3s2

1s2

2s2

2p6 3s2

[Ar]

4s2

3d1

1s2

2s2

2p3

[He]

2s2

2p3

1s2

2s2

2p6 3s2

[Ne]

3s2

3p4

1s2

2s2

2p6 3s2

[Ar]

4s2

4p5

2p6 3s2 3p6 4s2

3d1

3p4

3p6 4s2

3d10

4p5

I N D I C A D O R

EN

Entra

Acción

D E

Dese mpeño Escribe las configuraciones electrónicas de los siguientes elementos, subraya los electrones de valencia y fíjate cómo su número coincide con el de la familia en la que se encuentra cada elemento:

Identifica los electrones de valencia en la configuración electrónica de los elementos y su relación con las características de éstos.

Cr Ag Pb C As

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5/28/10 9:32:05 AM

66

Química 1

DE

Pista

Aterrizaje

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

Una vez que has estudiado los modelos atómicos más importantes que se han propuesto, organiza con tus compañeros y tu maestro la exposición de modelos atómicos. Para ello, primero hagan un recuento cronológico de los modelos estudiados y asignen uno a cada equipo de tres personas. También decidan las características generales, como tamaño y base en la que se presentarán los modelos. Además, establezcan un código de colores para que, por ejemplo, todos pongan los electrones del mismo color. Cada equipo podrá usar materiales diferentes. Pidan a su profesor que consiga un lugar adecuado para la exposición e inviten al resto de la escuela para que la visite.

Coevaluación I N D I C A D O R

D E

Todos los alumnos del grupo deberán calificar, de forma individual, los modelos presentados de acuerdo con la siguiente rúbrica:

D es e m pe ño Diseña modelos con materiales diversos para representar la estructura del átomo.

Modelo

Intento 1

Aceptable 2

Admirable 3

Imponente 4

Detalles acordes con lo estudiado Claridad Calidad

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5/28/10 9:32:05 AM

Bloque 3 • Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

Caja de

67

herramientas

Los modelos científicos Entre las herramientas más poderosas que se usan cuando se hace ciencia están los modelos científicos. Las moléculas, que con frecuencia se construyen en las clases de química, los esquemas o maquetas que se hacen de la célula en la clase de biología, y también los mapas y los esqueletos de plástico, son modelos científicos que se caracterizan por su utilidad al tratar de entender los fenómenos, e incluso, para hacer predicciones o hipótesis sobre el comportamiento de la naturaleza. A diferencia de un modelo a escala de un avión, los modelos de la ciencia NO pretenden ser copias fieles de la realidad percibida a través de nuestros sentidos, sino abstracciones. Es decir, son representaciones aproximadas que pueden parecerse poco o nada a lo que vemos, pero que incluyen características basadas en el conocimiento que se tiene sobre el sistema que se trata de modelar. Aunque nuestro modelo no se parezca a la realidad, nos ayuda a formular explicaciones confiables y predicciones veraces. Otra característica de los modelos que usa la ciencia es que en general evolucionan, pues ninguno muestra la verdad absoluta, por lo que todos pueden ser modificados, e incluso, sustituidos por otro en algún momento. En la química, por ejemplo, uno de los modelos más utilizados y quizá el más poderoso es el modelo del átomo, cuya historia ilustra la evolución que siguen los modelos de la ciencia. Un modelo puede ser simplemente una idea o una representación material, como una maqueta, pero en general, un modelo debe: • Ser lo más simple posible. • Coincidir con las teorías establecidas. • Ser capaz de predecir fenómenos que puedan ser comprobados experimentalmente. • Ayudar a explicar el comportamiento de una parte del universo reduciéndolo a los hechos fundamentales. • Explicar fenómenos aparentemente diferentes de los que usamos para elaborarlo en un principio. Finalmente, hay que decir que todos los modelos tienen limitaciones y no hay uno capaz de explicar cada detalle de un fenómeno. Construye tus modelos y ponlos a prueba frente a la realidad, si no funcionan para explicar o predecir, modifícalos o sustitúyelos por otros.

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5/28/10 9:32:05 AM

68

Química 1

LO

Evalúa

o

Aprendid

Unidad de competencia desarrollada: Repasa el contenido de este bloque y con esta información construye un mapa mental sobre el modelo atómico. Incluye tanto los conceptos de la química como los aspectos históricos. Si tienes dudas para completarlo investiga en Internet los datos que te falten. Una vez que consideres que tu mapa muestra de forma organizada toda la información, preséntalo en un cuarto de cartulina y resalta con colores los temas o conceptos que consideres más importantes. Organicen con su profesor una exposición de mapas y decidan entre todos cuál es el que resume mejor la información.

Autoevaluación En la siguiente evaluación encontrarás enlistados los aprendizajes que se espera hayas adquirido después de estudiar este bloque. En la segunda columna de la tabla hay un espacio para que reflexiones sobre tu desempeño y escribas Sí, No o Faltó trabajo, según consideres en qué medida adquiriste o no ese aprendizaje. Saberes requeridos para el logro de la competencia

Tipo de saberes

Conocimientos

Resultado de la evaluación

Describo las aportaciones al modelo atómico actual realizadas por Dalton, Thomson, Rutherford, Chadwick, Goldstein, Bohr, Sommerfeld y Dirac-Jordan. Reconozco las partículas subatómicas y sus características más relevantes. Defino los conceptos de número atómico, masa atómica y número de masa. Describo los significados y valores de los números cuánticos (n, l, m, s). Explico las reglas para elaborar las configuraciones electrónicas: Principio de edificación progresiva, Principio de exclusión de Pauli y Regla de Hund. Defino el concepto de isótopo. Conozco algunos isótopos radiactivos: • • • • •

QUI_044-069_B3.indd 68

Cobalto-60 Yodo-131 Carbono-11 Carbono-14 Plomo-212

5/28/10 9:32:13 AM

Bloque 3 • Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

Habilidades

69

Establezco la relación entre número atómico, masa atómica y número de masa. Realizo cálculos sencillos relacionados con partículas subatómicas, tomando como base el número atómico, la masa atómica y el número de masa. Desarrollo e interpreto configuraciones electrónicas considerando los números cuánticos y los electrones de valencia de los elementos, relacionándolos con las características de los mismos. Explico la relación existente entre el número atómico y el número de masa de los isótopos. Describo las aplicaciones de algunos isótopos radiactivos. Reconozco la importancia y los riesgos del empleo de isótopos en diferentes campos.

Actitudes y valores

Valoro las aportaciones históricas de los modelos atómicos que nos llevan al modelo actual. Muestro disposición al trabajo metódico y organizado. Valoro las aplicaciones de los isótopos en la vida cotidiana.

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BLOQUE

4

Interpreta la tabla periódica

Indicadores de desempeño

Tiempo asignado al bloque ✔ ocho horas

El alumno:

✔ Identifica las propuestas y personajes más

Unidad de competencia Explica las propiedades y características de los grupos de elementos, considerando su ubicación en la tabla periódica, y promueve el manejo sustentable de los recursos minerales del país.

✔

✔ ✔

✔ ✔

Una vez que las técnicas de análisis permitieron distinguir a las sustancias elementales entre todas las sustancias conocidas, se iniciaron los intentos para organizar estos elementos de acuerdo con sus propiedades. En todos estos intentos prevalecía la idea de que las propiedades físicas y químicas de los elementos de algún modo estaban relacionadas con la masa atómica de sus átomos.

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relevantes relacionados con el desarrollo de la tabla periódica. Relaciona la información que brinda la configuración electrónica con la ubicación de los elementos en la tabla periódica y algunas de sus propiedades. Clasifica los elementos de la tabla periódica en grupos, periodos y bloques s, p, d y f. Relaciona las propiedades periódicas (electronegatividad, energía de ionización, afinidad electrónica, radio y volumen atómico) con respecto a la ubicación de los elementos en la tabla periódica. Establece las diferencias entre metales, no metales y metaloides y los ubica en la tabla periódica. Expresa cuáles metales, no metales o minerales participan significativamente en las actividades económicas del país, en su vida cotidiana y en el desempeño de los seres orgánicos.

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SABERES REQUERIDOS Conocimientos

Habilidades

✔ Describe los antecedentes históricos

✔ Maneja la tabla periódica para

de la clasificación de los elementos químicos. ✔ Reconoce las nociones de grupo, periodo y bloque, aplicadas a los elementos químicos. ✔ Describe las propiedades periódicas (electronegatividad, energía de ionización, afinidad electrónica, radio y volumen atómico) y su variación en la tabla periódica. ✔ Caracteriza la utilidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país.

obtener información sobre las características y propiedades de los elementos. ✔ Clasifica los elementos en metales, no metales y semimetales, destacando sus características. ✔ Argumenta los beneficios del manejo racional y sustentable de algunos elementos de relevancia económica. ✔ Desarrolla, siguiendo el método científico, una práctica experimental en la que observe las propiedades de algunos elementos químicos y las asocia con la información que le brinda la tabla periódica.

Actitudes y valores ✔ Promueve el uso racional de los recursos minerales.

✔ Reconoce problemas comunitarios relacionados con la explotación, tanto racional como irracional, de recursos minerales. ✔ Asume el reciclaje como forma de resolver una problemática social. ✔ Promueve el cuidado ambiental con relación al uso racional de elementos químicos de relevancia económica.

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Proyecto

Indicadores de la contaminación

C

omo proyecto de este bloque te proponemos que, en grupo, lleven a cabo una obra de teatro: imaginen que todos forman parte de una comunidad agrícola en donde, tanto las dificultades económicas como una sequía que ha durado demasiado, han complicado el desarrollo de las actividades en el campo. Por otra parte, el gobierno federal ha anunciado el descubrimiento de una mina de cobalto en una zona cercana que se pretende explotar. Formen grupos que representen diferentes sectores de la población para que en conjunto evalúen los beneficios y los problemas que un cambio así podría significar para la comunidad y tomen una postura. Al final del bloque presentarán la obra en el salón y evaluarán su propio trabajo.

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Bloque 4 • Interpreta la tabla periódica

Plantas susceptibles a la contaminación: los biomonitores El término biomonitor se refiere al uso de organismos vivos que se emplean como indicadores de la contaminación. Esta idea parte del hecho conocido de que las plantas, unas más que otras, absorben y retienen algunas de las sustancias que contaminan el agua, el aire o el suelo. La idea surgió de las observaciones que se hicieron sobre la manera en que desaparecen ciertas plantas o especies animales en zonas contaminadas, en tanto que otras no. Esto, que en principio es un problema para el ambiente, ha sido aprovechado por los científicos. En el caso de las plantas como musgos, bromelias y otros organismos, como los líquenes, pueden ser aprovechados para “vigilar” zonas en las que se sospecha que existen compuestos o elementos que pueden ser nocivos. Los biomonitores son criados y transplantados a las zonas posiblemente contaminadas para después ser recolectados, machacados y analizados para buscar las huellas de los contaminantes, los cuales pueden ser determinados y cuantificados. De esta forma, se ha podido descubrir que, aun a kilómetros de distancia, los desechos provenientes de la actividad humana (minería, industria petrolera, etcétera) pueden migrar y contaminar agua, aire y suelo, e incluso, ser absorbidas por plantas cultivadas para alimentación humana o animal; estos cultivos, aunque en apariencia lucen frescos y saludables, llegan a presentar altas concentraciones de sustancias tóxicas.

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.

¿Tú qué dices? Pero, ¿cómo es que las plantas se confunden y en vez de tomar sólo los nutrimentos del agua y el aire retienen sustancias tóxicas? ¿A qué se debe que esto no siempre las mate y sigan creciendo casi normalmente? Comenta con un compañero y escriban sus respuestas: C O M P E T E N C I A

Disciplinar No olviden volver a leerlas al término del bloque para ver si entonces sus ideas han cambiado.

Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

Historia sobre la clasificación de los elementos químicos Seguramente hace mucho tiempo los antiguos químicos, quienes sintetizaron e identificaron un gran número de elementos, también se plantearon preguntas similares. Así, deben haber notado que aunque existe una gran variedad de elementos y cada uno se caracteriza por sus propiedades, hay varios que se parecen mucho entre sí, de tal modo que se pueden organizar en grupos de acuerdo con sus propiedades. Tomando en cuenta las similitudes entre las propiedades de las sustancias elementales y además las masas relativas de sus átomos que ya se habían determinado, comenzó la búsqueda por encontrar una forma de organizar los elementos conocidos, con la finalidad de resumir los conocimientos que se tenían y predecir otros que apenas se sospechaban. Esta búsqueda, que se llevó a cabo entre 1800 y 1900, culminó en la elaboración de la tabla periódica que conocemos y que usamos en la actualidad.

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Recuerda que un elemento es una sustancia que aislada no puede dar lugar a ningún compuesto, ya que está formada por átomos del mismo tipo. Todos los elementos que se se conocen actualmente s ido ten con an ntr encue en la tabla periódica.

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Química 1

Figura 4.1 Tabla periódica de los elementos.

TU

Amplía

e

Horizont

Actividad experimental C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

En la siguiente tabla se enlistan varios elementos; junto con tu grupo traten de conseguir una muestra de cada uno. Es importante que investiguen muy bien dónde y de qué forma pueden conseguirlos. Por ejemplo, el líquido que conocemos como cloro, y que se emplea para blanquear la ropa, en realidad es una mezcla de hipoclorito de sodio en agua, que se descompone formando —entonces sí— gas cloro, que es amarillento y cuyo olor reconocemos con facilidad. Aluminio

Carbón

Helio

Cloro

Azufre

Plata

Sodio

Nitrógeno

Yodo

Hierro

Zinc

Aluminio

Oxígeno

Fósforo

Oro

Cobre

Una vez que hayan reunido las sustancias, observen las características de cada una y hagan tres clasificaciones distintas con base en las propiedades que observen. Por ejemplo, podrían clasificarlas en sólidos, líquidos y gases o en sustancias brillantes y opacas, etcétera. Ahora, ubiquen en la tabla periódica cada uno de los elementos que clasificaron y observen si los que se parecen más se encuentran en posiciones cercanas. Comenten los resultados con su profesor.

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Bloque 4 • Interpreta la tabla periódica

Primeros intentos Para construir una tabla periódica se debía partir de una lista de elementos. La primera fue publicada en 1789 por Antoine-Laurent Lavoisier e incluía elementos conocidos desde la antigüedad, porque aparecen en la naturaleza en forma libre y se descubrieron hace miles de años, como oro, plata, cobre, hierro, mercurio, carbono, estaño, plomo y azufre. También se registraron elementos descubiertos desde la Edad Media por el trabajo de los alquimistas, como fósforo, arsénico, antimonio, bismuto y platino, así como los elementos descubiertos de 1700 a 1789: hidrógeno, cobalto, manganeso, molibdeno, níquel, wolframio (tungsteno) y zinc. El trabajo de Lavoisier condujo a diferenciar, en primer lugar, qué sustancias de las conocidas hasta ese momento eran elementos químicos, cuáles eran sus propiedades y cómo podían aislarse. En 1803 apareció una tabla de elementos basada en las masas atómicas relativas, que fue propuesta por John Dalton. Pero dicha tabla también padecía el mismo problema que la de Lavoisier: incluía como elementos varios compuestos que habían resistido las técnicas de análisis disponibles hasta entonces. Algunos años después, Berzelius recalculó las masas atómicas relativas y corrigió la tabla de elementos de Dalton. Los avances de la química, desde mediados del siglo XVII hasta mediados del XVIII, facilitaron el aislamiento de los elementos de sus Figura 4.2 Lista de elementos de compuestos, de tal forma que de algunos compuestos que habían sido Lavoisier. clasificados por Lavoisier como elementos, como la cal (CaO), la magnesia (Mg(OH)2) y la alúmina (Al2O3), se pudieron aislar los elementos metálicos calcio, magnesio y aluminio. Y compuestos como la sosa (NaOH) y la potasa (KOH), incluidos por Dalton como elementos, fueron descompuestos en los metales sodio y potasio, respectivamente. Al aumentar el número de elementos conocidos también aumentaron los intentos por clasificarlos.

Símbolos químicos Siguiendo una costumbre antigua, los alquimistas designaron a los metales y otras sustancias con símbolos de los planetas. Así, el símbolo del Sol designaba al oro, el caduceo de Mercurio al mercurio y la guadaña de Saturno al plomo. Al aumentar el número de elementos y la necesidad de comunicar los descubrimientos (en lugar de ocultarlos como hacían los alquimistas), hubo que emplear una representación menos engorrosa. John Dalton ideó un conjunto de símbolos para los elementos conocidos, basado en líneas y círculos. Pero dicho simbolismo aún era complejo. En 1813, Jöns Jacob Berzelius descartó los ideogramas de Dalton y utilizó la letra inicial o una combinación de las primeras letras del nombre latino para cada elemento. Por ejemplo, el oro resultó en Au (de aurum), Ag para la plata (de argentum) y K para el potasio (de kalium). Dalton se aferró a su sistema, por considerar a los símbolos de Berzelius “horripilantes”, pero al final prevaleció el sistema de este último y con pequeñas modificaciones, es el usado en la actualidad. Au

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Ag

K

Figura 4.3 Los alquimistas utilizaron los símbolos de los planetas para designar algunos elementos.

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Química 1

En todos estos intentos prevalecía la idea de que las propiedades físicas y químicas de los elementos de algún modo estaban relacionadas con la masa atómica de sus átomos. Es decir, empezó a ser claro que la estructura de los átomos de cada elemento determinaba, de alguna forma, las propiedades de la sustancia que en conjunto formaban esos átomos.

Figura 4.4 Dalton propuso una nueva simbología para los elementos.

Figura 4.5 Cronología del descubrimiento de los elementos químicos.

Las tríadas de Döbereiner En 1817, el químico Johann Wolfgang Döbereiner hizo otro intento de clasificación mostrando que el estroncio tenía una masa atómica relativa aproximadamente igual a la media de las masas del calcio y del bario, elementos con los que posee un comportamiento químico similar. Posteriormente, presentó la existencia de más grupos como éste, a los que denominó tríadas: Cl

Br

I

Ca

Sr

Ba

S

Se

Te

Li

Na

K

Döbereiner intentó relacionar las propiedades químicas de estos elementos con las masas atómicas relativas, observando una gran analogía entre ellos y una variación gradual del primero al último. En su clasificación, Döbereiner explicaba que la masa atómica relativa promedio de las masas de los elementos extremos es parecida a la masa atómica del elemento

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Bloque 4 • Interpreta la tabla periódica

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de en medio. Siguiendo el ejemplo de Döbereiner, otros químicos propusieron unas 20 tríadas más, lo que indicaba una cierta regularidad entre los elementos químicos. Sin embargo, muchas de ellas eran simples relaciones de masas relativas y habían dejado de lado las relaciones entre propiedades químicas, por lo que la idea de Döbereiner no tuvo buena acogida entre los químicos y fue ignorada por años. Sin embargo, la idea de las tríadas sugería la existencia de algún orden numérico subyacente, que podría servir para ordenar los elementos de forma sistemática.

La hipótesis de Proust En 1815, William Proust afirmó que el hecho de que la masa atómica de numerosos elementos fuera un múltiplo entero de la masa del hidrógeno indicaba que los elementos se componían de múltiples hidrógenos, lo que implicaba que posiblemente el hidrógeno era la unidad esencial de la materia. Los intentos por confirmar o refutar la hipótesis de Proust impulsaron los experimentos encaminados a determinar con mayor precisión las masas atómicas de los elementos.

Mendeleiev, creador de la tabla moderna Para el año 1843, la lista de elementos alcanzaba 57 elementos (hoy la tabla periódica enlista poco más de 100) y la carrera por descubrir nuevos elementos estaba en su apogeo, la cacería de elementos echaba mano de cuanta nueva técnica se descubría: análisis químico, electroquímica, etcétera. A mediados del siglo XIX, con la invención del espectroscopio, se descubrieron nuevos elementos, muchos de ellos nombrados por el color de sus líneas espectrales características: cesio (Cs, del latín caesius, azul), talio (Tl, de tallo, por su color verde), rubidio (Rb, rojo), etcétera. Con todos esos descubrimientos, el número de elementos químicos continuaba en aumento y sin importar la forma de presentarlos aparecían en listas, tablas y colecciones sin orden en las que se encontraban algunas conexiones, pero no había relación entre todas las propiedades y hechos encontrados. Hacia 1860, en el primer congreso de química celebrado en Karlsruhe, Alemania, el químico Stanislao Cannizaro propuso aprovechar las propiedades físicas de los elementos para corregir las masas atómicas relativas. En ese mismo congreso se encontraba el ya reconocido químico ruso Dmitri Mendeleiev, quien tomando en cuenta los valores de las masas atómicas corregidas por Cannizaro, propuso lo que sería la primera tabla periódica de los elementos. La propuesta de Mendeleiev consideraba no sólo las masas atómicas, sino también propiedades físicas, como el volumen atómico, el color, su gravedad específica; así como propiedades químicas, como su reactividad en agua (tanto del elemento como de sus óxidos) y en ácidos o bases, entre otras. Mendeleiev ordenó los elementos en ocho grupos, según se observa en la siguiente tabla. Observa con cuidado la tabla propuesta por Mendeleiev y compárala con la tabla moderna. ¿Cuáles diferencias encuentras? ¿Cuáles semejanzas?

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Química 1

Algo muy importante que hizo Mendeleiev, y de ahí lo valioso de su tabla, fue la predicción de la existencia de elementos no conocidos hasta entonces, para los cuales dejó algunos espacios. Lo interesante es que no sólo predijo el lugar que les correspondería en la tabla, sino que fue más allá y predijo las propiedades de sustancias que aún no se conocían. Tabla 4.1 Tabla de elementos de Mendeleiev.

Grupo I R2O

Periodo

Grupo II RO

Grupo IV RH4, RO2

Grupo III R2O3

Grupo V RH3, R2O5

Grupo VI RH2, RO3

Grupo VII RH, R2O7

1

H51

2

Li 5 7

Be 5 9.4

B 5 11

C 5 12

N 5 14

O 5 16

F 5 19

3

Na 5 23

Mg 5 24

Al 5 27.3

Si 5 28

P 5 31

S 5 32

Cl 5 35.5

4

K 5 39

Ca 5 40

2 5 44

Ti 5 48

V 5 51

Cr 5 52

Mn 5 55

5

Cu 5 63

Zn 5 65

2 5 68

2 5 72

As 5 75

Se 5 78

Br 5 80

Grupo VIII RO4

Fe 5 56, Co 5 59, Ni 5 59, Cu 5 63

Ru 5 101, Rh 5 103, Pd 5 106, Ag 5 108

6

Rb 5 85

Sr 5 87

Yt 5 88

Zr 5 90

Nb 5 94

Mo 5 96

2 5 100

7

Ag 5 108

Cd 5 112

In 5 113

Sn 5 118

Sb 5 122

Te 5 125

J 5 127

8

Cs 5 133

Ba 5 137

Di 5 138

Ce 5 140

2

2

2

2

9

2

2

2

2

2

2

2

2

10

2

2

Er 5 178

La 5 180

Ta 5 182

W 5 184

2

Os 5 195, Ir 5197, Pt 5198, Au 5 199

11

Au 5 199

Hg 5 200

Tl 5 204

Pb 5 207

Bi 5 208

2

2

2

12

2

2

2

Th 5 231

2

U 5 240

2

2

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Bloque 4 • Interpreta la tabla periódica

EN

Entra

Acción

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño A partir de la información que acabas de leer, construye una línea del tiempo que resuma el desarrollo de la tabla periódica e ilústrala en el siguiente espacio. Utiliza colores e incluso recortes y muéstrala al resto del grupo.

Identifica las propuestas y personajes más relevantes relacionados con el desarrollo de la tabla periódica.

Metales, no metales y metaloides Una de las clasificaciones más útiles que pueden hacerse de los elementos de la tabla periódica es la que los agrupa en metales, no metales y metaloides. Los metales se distinguen porque generalmente brillan, conducen la electricidad y son maleables; algunos ejemplos son el oro, la plata y el cobre. En contraste, los no metales son polvos opacos o gases que no conducen la corriente y, por lo regular, reaccionan con los metales para formar sales, como el azufre, cloro y oxígeno. Finalmente, los metaloides son elementos que se puede considerar que están en la frontera entre los metales y los no metales, pues presentan características de ambos grupos. Un ejemplo es el carbono, que en forma de grafito puede conducir la corriente, pero no tiene aspecto metálico.

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Química 1

D i s c i p li nare s • Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. • Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

Cruce

DE

C O M P E T E N C I A S

Caminos

A continuación se presenta un fragmento de una nota periodística que se publicó recientemente. Lee con atención y comenta con el resto del grupo si han escuchado hablar acerca de la contaminación ambiental que genera la industria metalúrgica. Discutan sobre qué tan grave será en realidad el posible daño al medio y a los habitantes, así como cuáles acciones consideran que debería tomar la población al respecto. Toma nota sobre la discusión y empléala para desarrollar el proyecto del bloque.

Domingo 26 de abril de 2009 (La Jornada) •

Nubes de polvo causan alergias y males respiratorios, aseguran

Pobladores de Cananea reportan afectaciones por mina de cobre Ulises Gutiérrez Ruelas (Enviado) Cananea, Son., 25 de abril. La población de Cananea denunció este fin de semana una grave contaminación por la llegada de nubes de polvo que se levantan del represo de jales de la mina de cobre de Grupo México, al suroriente de la cabecera de este municipio. Los jales son los restos de sustancias químicas usadas en los procesos de separación del cobre, los cuales eran controlados mediante grandes cantidades de agua en un contenedor de la empresa, pero debido a la huelga iniciada el 30 de julio de 2007, bajó su nivel casi por completo hace cuatro meses. Estas nubes “causan muchos estragos en la gente. Las enfermedades que generan van desde alergias hasta infecciones respiratorias. Algunos chavalos han tenido que ser llevados a Hermosillo, pues les salen

Figura 4.6 La actividad de la enzima carboxipeptidasa depende de la presencia de un átomo de zinc (esfera amarilla). Entre otros procesos vitales, la síntesis de insulina requiere de la acción de este tipo de enzimas.

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ronchas; creemos que por estos químicos que están en el aire. Además, los niños y los viejitos se enferman mucho”, dijo Fernando Camargo, un minero que hacía guardia en la puerta de acceso número uno del socavón, mientras a lo lejos se veía el polvo volcando hacia la periferia. Señaló que los jales contienen ácidos sulfúricos y otras sustancias que los mineros consideran altamente cancerígenas y se han transformado en un problema serio, pues los fuertes vientos, que prácticamente azotan cada dos días, los esparcen incluso a poblaciones vecinas del otro lado de la frontera. Los químicos llegan al agostadero donde pasta el ganado y caen sobre el ojo de agua, a ocho kilómetros de la ciudad minera, donde nace el río Sonora, que atraviesa varios municipios de la entidad de norte a sur.

La industria metalúrgica se encarga de extraer elementos metálicos como plata, cobre, hierro, entre otros, de los minerales que se encuentran en el suelo. Durante la extracción se generan residuos, llamados jales, que aún contienen metales, pero que ya son muy difíciles de aprovechar, por lo que con frecuencia se desechan al suelo o a los ríos sin ningún tratamiento, lo que provoca el deterioro del ambiente. Las sustancias metálicas disueltas en el agua pueden ser tóxicas, pues resulta que numerosas enzimas que regulan el funcionamiento de los organismos incluyen en su estructura iones de átomos metálicos, como zinc o magnesio, cuyo tamaño es muy

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Bloque 4 • Interpreta la tabla periódica

parecido al de los átomos de otros metales. Así que, por ejemplo, un ion de cadmio o cobre puede sustituir al zinc desactivando con ello a la enzima y alterando las funciones fisiológicas del organismo.

EN

Entremos

Acción

Formen equipos de cuatro personas e investiguen en Internet algún caso de contaminación por metales que se haya presentado en México. Registren los detalles del problema, el o los metales que han contaminado y el tipo de daño que cada uno puede causar. También comenten lo que la población de la zona contaminada opina, así como las acciones que se han tomado y presenten ante el grupo su investigación.

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

I N D I C A D O R

Grupos, periodos y bloques de la tabla periódica Aunque se atribuye a Mendeleiev la construcción de la tabla periódica, en realidad las modificaciones y correcciones continuaron a la par del conocimiento sobre la estructura interna del átomo. Así, una vez que se determinó que la diferencia fundamental entre los distintos tipos de átomos es su número atómico (número de protones en el núcleo), entonces hubo que hacer sólo algunas modificaciones en la ubicación de algunos elementos en la tabla con base en este número. Ahora, al ubicar un elemento en la tabla es posible obtener información no sólo sobre sus propiedades físicas y químicas, sino también sobre la estructura y la configuración de los electrones en sus átomos.

Para usar la tabla periódica Para usar la siguiente guía es importante que tengas a la mano una tabla periódica. Cada una de las casillas de la tabla corresponde a un elemento, los números pequeños se refieren a las características de los átomos de cada elemento.

D E

Dese mpeño Expresa cuáles metales, no metales o minerales participan significativamente en las actividades económicas del país, en su vida cotidiana y en el desempeño de los seres orgánicos.

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

• El número atómico corresponde al número de protones del elemento y es el

que se utiliza para ordenarlos de forma creciente. Este número también coincide con el número de electrones en el átomo neutro. • La masa atómica corresponde al promedio ponderado de las masas de los isótopos de ese elemento, por esto se trata de un número con varias cifras decimales. Redondeada a números enteros corresponde a la suma de los protones y los neutrones que hay en el núcleo. • El número de oxidación se refiere al número de electrones que puede ganar o perder un átomo al unirse con otro. Si un átomo gana electrones tendrá carga negativa y su número de oxidación también tendrá este signo (por ejemplo, 22). Mientras que al perder queda cargado positivamente, lo cual se indica en el signo del número de oxidación (13).

Figura 4.7 Características de cada elemento que contiene la tabla periódica.

Los elementos se encuentran organizados en la tabla de la siguiente forma: • Consta de 18 columnas llamadas grupos o familias y siete filas que se denomi-

nan periodos.

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Química 1

• Tiene una línea en forma de escalera que inicia en la base del cuadrito del Boro

y termina en el extremo del Polonio. Esta línea divide a los elementos metálicos, o metales (que se encuentran a la izquierda de la línea), de los no metales (que quedan a la derecha y que son minoría). • En algunas tablas las familias están numeradas con números arábigos que se encuentran en la parte superior; sin embargo, en la mayoría de las tablas se utilizan números romanos, que en el caso de las ocho filas más altas (las dos de la derecha y las últimas seis), indican el número de electrones que tienen los átomos de los elementos de esa familia en su nivel de energía más lejano al núcleo. En total se han descubierto 114 elementos, pero en la naturaleza sólo se pueden encontrar los primeros 92 de la tabla periódica; los siguientes se han sintetizado en el laboratorio. Recuerda que es posible que aún se descubran más. A los grupos o columnas de la tabla también se les conoce como familias, por el parecido que guardan sus integrantes. Sin embargo, los elementos de algunas familias se parecen más entre sí que los de otras. Es así que las familias más características son las de los metales alcalinos, metales blandos sumamente reactivos; los alcalinotérreos, parecidos a los anteriores, pero poco menos reactivos; los halógenos, sustancias no metálicas que reaccionan formando sales, y los gases nobles, cuyo nombre obedece a su escasa reactividad con los demás elementos.

Figura 4.8 Clasificación de los elementos por familias.

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Bloque 4 • Interpreta la tabla periódica

EN

Entra

Acción

Elemento

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Toma una tabla periódica y elige 10 elementos de los que al menos hayas escuchado el nombre. Enlístalos en la tabla que aparece a continuación y escribe las propiedades que conoces de cada uno. Después, investiga más acerca de cada elemento y escribe las características que encuentres en la tercera columna. Finalmente, indica la ubicación de cada uno en la tabla periódica (metal, no metal o metaloide).

Características que ya conocías

Características que investigaste

Se clasifica como metal, no metal o metaloide

Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Establece la diferencia entre metales, no metales y metaloides, y los ubica en la tabla periódica.

La periodicidad de la tabla periódica Una vez que se tuvieron organizados en la tabla todos los elementos conocidos de acuerdo con su número atómico, se encontró que además de los parecidos entre propiedades físicas y químicas de las sustancias, las propiedades de los átomos se comportan siguiendo una tendencia que se repite conforme se recorren los periodos o las filas. • El radio iónico se refiere al tamaño de los átomos. Esta característica presenta

un comportamiento periódico en la tabla, pues al recorrerla de izquierda a derecha sobre un mismo periodo varía sistemáticamente.

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

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Química 1

Figura 4.9 Crecimiento o decrecimiento del radio iónico de los átomos.

• Electronegatividad es la capacidad de un átomo que se encuen-

tra unido a otro para atraer hacia sí mismo los electrones del enlace. Al igual que el radio atómico, el valor de la electronegatividad presenta un comportamiento periódico en la tabla. • La energía de ionización es una medida de la energía necesaria para remover un electrón del átomo de una sustancia que se encuentra en estado gaseoso, es decir, que no se encuentra interaccionando con otros átomos. Para la mayoría de los átomos, que Figura 4.10 Representación de la tienen varios electrones, se hace referencia a la primera, segunelectronegatividad de los elementos. da y tercera energía de ionización que corresponde al último, penúltimo y antepenúltimo electrón más alejados del núcleo. Esta propiedad presenta el mismo comportamiento periódico que la electronegatividad. • Por su parte, la afinidad electrónica se refiere a la habilidad de los átomos para aceptar un electrón extra y se obtiene midiendo la energía necesaria para arrancar un electrón a un ion negativo de una sustancia que se encuentra en estado gaseoso. Su comportamiento a lo largo de la tabla coincide con el de la electronegatividad.

Figura 4.11 Relación de las propiedades de los elementos en la tabla periódica.

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Bloque 4 • Interpreta la tabla periódica

Es importante mencionar ahora que la reactividad de los átomos, es decir, la facilidad con que reaccionan uniéndose o separándose de otros átomos depende justamente del radio iónico, la electronegatividad, la energía de ionización y la afinidad electrónica. Es así que con sólo ubicar el lugar que ocupa un elemento en la tabla, además de conocer algo sobre sus propiedades físicas, es posible predecir o suponer cómo reaccionarán sus átomos con los de otras sustancias.

El orden en la tabla y las configuraciones electrónicas Las configuraciones electrónicas de los átomos, estudiadas en el capítulo anterior, indican cómo es que los electrones se distribuyen alrededor del núcleo en zonas de probabilidad u orbitales atómicos. Así, cada elemento tiene una configuración electrónica característica. Ahora, ya que los elementos en la tabla periódica se encuentran ordenados de forma creciente de acuerdo con su número atómico, es decir, su número de electrones, el orden en que aparecen en la tabla está relacionado con su configuración electrónica. De este modo, la tabla se divide en varios bloques: s, p, d y f.

En un átomo neutro el número de protones va) (carga eléctrica positi ro me nú es igual al de electrones (carga negativa). Así, el e número atómico pued el o com entenderse número de protones o de electrones cuando se refiere a un átomo eléctricamente neutro.

Figura 4.12 Ordenamiento de los elementos de acuerdo con su configuración electrónica.

Así, de acuerdo con la zona en la que se localiza cada elemento se puede saber si su último electrón se encuentra en un orbital s, p, d o f. Por ejemplo, veamos el caso del sodio, que se localiza en la zona s de la tabla:

El número atómico (11) indica que un átomo neutro de sodio cuenta con 11 electrones a los que corresponde la configuración electrónica: 1s22s22p63s1, que se puede abreviar como [Ne]3s1. Es decir, el último o más externo electrón del sodio se encuentra en el tercer nivel de energía en un orbital de tipo s.

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Química 1

Esta información es muy útil si se toma en cuenta que la química de los elementos, es decir, la forma en que reaccionan unos átomos con otros está determinada por los electrones que se encuentran en el último nivel de energía llamados electrones de valencia. Entonces, aquellos elementos que tienen sus electrones de valencia en un arreglo equivalente presentarán un comportamiento químico semejante. De este modo, es posible explicar las semejanzas que presentan los elementos de una familia con base en la similitud de su configuración electrónica: los halógenos que forman la familia VII, todos sumamente reactivos, tienen una configuración electrónica que termina en ns2np5. Tabla 4.2 Configuración electrónica de los halógenos.

F

[He]2s 22p5

Cl

[Ne]3s 23p5

Br

[Ar]3d104s 24p5

I

[Kr]4d105s 25p5

At

[Kr]4f 145d106s 26p5

EN

Entra

Acción

I N D I C A D O R

D E

Elige seis elementos de la tabla periódica, escríbelos en la primera columna de la siguiente tabla. En la segunda columna escribe la configuración electrónica de cada uno y compara la ubicación de los electrones más externos con el bloque en el que se encuentra el elemento.

D es e m pe ño Relaciona la información que brinda la configuración electrónica con la ubicación de los elementos en la tabla periódica y alguna de sus propiedades.

Elemento

Configuración electrónica

Bloque en el que se encuentra

¿Coincide la ubicación de los electrones externos o de valencia con el bloque en el que se encuentra cada elemento?

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Bloque 4 • Interpreta la tabla periódica

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EN

Entra

Acción

Construye un mapa conceptual que lleve como título: “La periodicidad en la tabla periódica” y preséntalo en el siguiente espacio.

Relaciona las propiedades periódicas con respecto a la ubicación de los elementos de la tabla.

Las otras tablas Entre las cosas que caracterizan a la ciencia está su constante evolución: los conceptos, los procedimientos y las teorías se modifican o sustituyen al paso del tiempo conforme se cuenta con nuevos conocimientos. La tabla periódica no es la excepción: aunque pudiera parecer que Mendeleiev descubrió el arreglo perfecto, los conocimientos sobre la estructura del átomo avanzan y persisten los debates acerca de si ésta será la mejor o la más útil manera de acomodar los elementos. Es así que, a la fecha, se han propuesto arreglos alternativos a la tabla de Mendeleiev.

Figura 4.13 Tabla periódica en espiral propuesta por Theodor Benfey en 1960.

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Química 1

Figura 4.14 Modelo tridimensional de Timmothy Stowe.

El físico Timmothy Stowe propuso una tabla periódica tridimensional, donde los tres ejes representan los números cuánticos n, l y m.

Elementos útiles, metales y no metales C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

El conocimiento sobre las propiedades, las similitudes y las diferencias entre los elementos ha permitido que en la actualidad la industria química pueda sintetizar sustancias nuevas o escasas a partir de las que abundan en la naturaleza. Entre los elementos cuya importancia destaca en la industria química se encuentran algunos no metales (como el azufre, el fósforo y el nitrógeno) cuyos compuestos [como el ácido sulfúrico (H2SO4), el amoniaco (NH3) y el bifosfato de calcio (Ca(H2PO4)2)] constituyen la base de todos los fertilizantes que hacen posible la producción de alimentos suficientes para abastecer a la población del mundo entero. La economía de algunos países depende de la producción de este tipo de sustancias.

En química, el término sintetizar se refiere a la obtención de una sustancia a partir de otra u otras mediante . una reacción química

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TIC

TIC

TIC

C

onsulta en Internet cuáles elementos, metales y no metales produce México y el lugar que ocupa como productor en cada uno. Llena la siguiente tabla con la información que obtengas y coméntala con el resto del grupo. Entre las páginas que pueden servirte está la del Instituto Nacional de Estadística y Geografía e Informática: www.inegi.org.mx.

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Bloque 4 • Interpreta la tabla periódica

Elemento (metal o no metal)

Producción de México (toneladas anuales)

Lugar mundial como productor de este elemento

Por su parte, la industria metalúrgica es otra de las áreas de mayor importancia en la industria química, esto debido a la utilidad de sus productos y también a su relevancia en la economía de las naciones que como México cuentan con yacimientos minerales. La metalurgia se enfoca en la obtención de los elementos metálicos a partir de sus minerales. Así, la mayoría de los procedimientos que se aplican en esta industria consisten en hacer reaccionar de algún modo a los compuestos, conocidos como minerales, que incluyen metales en su fórmula para obtener los elementos en su forma metálica, es decir, en la que presentan las propiedades que reconocemos como metálicas: brillo, maleabilidad, buena conducción de la corriente, etcétera. C O M P E T E N C I A S

EN

Entremos

Disciplinar es

Acción

Actividad experimental

Obtención de cobre a partir del compuesto cloruro de cobre Formen equipos de tres personas y, con la ayuda de su profesor, lleven a cabo la reacción de electrólisis del cloruro de cobre para obtener cobre metálico. Para ello necesitarán los siguientes materiales*:

• Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. • Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

• Un tubo de vidrio en forma de U, como el que se muestra en la figura 4.15. • Un soporte universal con una pinza de tres dedos. • Una batería de 9 voltios. • Dos lápices de madera sin goma (también podrías usar puntillas gruesas para portaminas). • Dos alambres con caimanes en los extremos. • Cloruro de cobre (puede ser CuCl2 o CuCl22H2O). • Agua destilada * El cloruro de cobre, así como el tubo de vidrio, generalmente se encuentran en los laboratorios escolares.

Procedimiento 1. Prepara una disolución acuosa de cloruro de cobre disolviendo 1.3 g de CuCl2 o 1.7 g de CuCl22H2O en 100 mL de agua destilada. 2. Saca punta a los dos lápices en ambos extremos. 3. Instala un aparato, como lo muestra la figura 4.15, auxiliándote del soporte y la pinza para fijarlo. Si no contaran con el soporte, pueden introducir el tubo en un vaso grande.

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Figura 4.15 Modelo para realizar el experimento.

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Química 1

4. Sirve la disolución de CuCl2 y conecta los polos de la pila a cada uno de los lápices que en este sistema denominaremos electrodos. 5. Deja el sistema conectado a la pila hasta que observes que la disolución se decolora y en la punta de uno de los lápices se deposita un sólido. En esta reacción que se conoce como electrólisis se obtiene el elemento cobre (Cu) en su forma metálica a partir de un compuesto CuCl2. Como pudiste observar, a partir de una sal cristalina de color verde se obtuvo cobre metálico, brillante y conductor. Reflexiona sobre la reacción que acabas de llevar a cabo y propongan entre los integrantes del equipo un modelo que explique cómo sucedió este proceso. Dibuja el modelo propuesto en el siguiente espacio.

El caso del aluminio y la importancia de su reciclaje Los metales se caracterizan por ser sustancias reactivas, es decir, tienden a reaccionar con otras sustancias para formar compuestos. Es así que en la naturaleza resulta raro encontrar muestras de elementos metálicos como hierro, cobre, zinc, estaño, etcétera, y lo que prevalece son sus compuestos llamados minerales: sulfato de hierro (FeSO4), cloruro de cobre (CuCl2), carbonato de zinc (ZnCO3), entre otras. Todas estas sustancias, aunque contienen átomos de elementos metálicos, no conservan las propiedades características de los metales y forman sólidos quebradizos o polvos coloridos con propiedades completamente diferentes.

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Bloque 4 • Interpreta la tabla periódica

La industria metalúrgica se dedica a la obtención de las sustancias metálicas a partir de los minerales. Los procesos empleados en esta industria son diversos, pero todos involucran lo que se denomina reducción de los iones metálicos, es decir, los átomos del metal que en un compuesto se encuentran formando iones positivos o cationes (Fe3+, Cu2+, Zn2+, etcétera), pierden su carga mediante la aceptación de electrones que le cede otra especie química, como puede ser carbón, monóxido de carbono o hidrógeno, sustancias que sufren el proceso inverso (pérdida de electrones) conocido como oxidación. Los metales más reactivos que no se reducen fácilmente se obtienen mediante el proceso conocido como electrólisis, que consiste en la aplicación de una corriente eléctrica sobre la sustancia disuelta o fundida. Este proceso, aunque eficiente, resulta muy caro debido al costo de la energía eléctrica. El aluminio es un metal reactivo que en la naturaleza se encuentra en forma del mineral bauxita (Al2O3). Es el metal más abundante en la naturaleza. Su reducción sólo se logra aplicando electrólisis, por lo que su obtención resulta costosa. Sin embargo, ya que, a diferencia de otros metales, al reaccionar con el aire forma una capa insoluble que lo recubre y protege de volverse a oxidar, su reciclaje resulta muy redituable: un material cuya obtención es costosa, pero que no se deteriora durante su uso y puede volverse a usar. El costo de reciclar aluminio equivale a 5% de lo que cuesta producirlo a partir de bauxita. El reciclaje de los metales es importante, ya que su obtención a partir de los minerales resulta costosa y además se emiten sustancias contaminantes al suelo, el aire y el agua. Actualmente, cerca de 50% del aluminio que se utiliza es reciclado.

Figura 4.16 Símbolo del reciclado de aluminio.

do El aluminio era conoci en oca desde 1827, ép la que fue aislado por Wohler; sin embargo, era tan caro como el oro, al grado que Napoleón tenía una tre vajilla de aluminio, en otras de plata y oro.

Figura 4.17 El aluminio es un metal altamente reciclable.

EN

Entremos

Acción

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C O M P E T E N C I A

Organicen en el salón de clase una campaña para la recolección de latas de aluminio para su reciclaje. Hagan carteles que incluyan información sobre los costos de producción de aluminio y el tipo de contaminación que genera. También investiguen los centros de acopio más cercanos a su escuela.

Disciplinar Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

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Química 1

DE

Pista

Aterrizaje

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

Llegó el momento de llevar a cabo el proyecto de este bloque. Recuerden que el problema central es que el pueblo tiene problemas para seguir viviendo del campo, ante lo que la posibilidad de trabajar en la mina resulta una opción. Sin embargo, están los problemas ambientales que potencialmente acompañan a la explotación de una mina. Decidan entre todos, la trama general de la representación, los personajes y la postura de cada grupo, el desenlace y la decisión que al final tomará el pueblo. Elijan a unos 10 actores y asignen los papeles. El resto del grupo se encargará de la escenografía y la escritura del guión. Sobre el vestuario, pueden usar letreros que identifiquen el papel de cada actor. Lo importante es que empleen en los diálogos los conocimientos que adquirieron en este bloque.

Coevaluación A manera de autoevaluación para todo el grupo, llena la siguiente tabla de acuerdo con el grado (Nada, Poco, Suficiente o Mucho) en que consideres se cumplió cada uno de los cuatro aspectos que se muestran en la tabla. Desempeño en el debate de la representación teatral

Nada 0

Poco 2

Suficiente 4

Mucho 5

Todos los integrantes del grupo colaboraron en la realización de la obra. Los argumentos empleados coinciden con lo tratado en este bloque. Sus argumentos incluyeron la mayoría de los temas del bloque. Se aprovecharon las habilidades de todos los alumnos.

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Bloque 4 • Interpreta la tabla periódica

Caja de

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herramientas

A los elementos que son importantes para el funcionamiento de los organismos vivos se les da el nombre de bioelementos. Algunos se requieren en grandes cantidades, como el carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), calcio (Ca) y fósforo (P). Sin embargo, hay otros que, aunque se necesitan en cantidades muy pequeñas, nos resultan indispensables para vivir; éstos se denominan oligoelementos. Entre los oligoelementos hay metales y no metales. A continuación encontrarás una lista que indica la cantidad que se recomienda consumir diariamente de cada uno para mantenernos sanos y los alimentos en los que se encuentran. Utiliza esta tabla para llevar a cabo cambios en tu dieta que signifiquen un beneficio para tu salud. Aunque las cantidades requeridas son muy pequeñas, también el contenido de estos elementos en los alimentos es mínimo, por lo que al menos debes consumir uno de cada grupo de forma regular. Tabla 4.3 Oligoelementos necesarios para una dieta sana.

Ingesta diaria recomendada (IDR) para personas de 7 a 18 años (g)

Elemento

C O M P E T E N C I A

Alimentos que lo contiene

Calcio

1

Leche, yogurt, queso, col, brócoli, nabo, sardinas, salmón y tortillas de nixtamal.

Fósforo

1

Arroz blanco, champiñón, lentejas, cacahuate y atún.

Hierro

0.015

Hígado, carne roja, almendras, espinacas, brócoli y avena.

Magnesio

0.4

Pan bolillo, semillas de girasol, salvado, aguacate, tortilla de maíz y sardinas.

Zinc

0.015

Germen de trigo, yema de huevo, queso, camarones.

Cobre

0.002

Champiñones, tofu, arroz, trigo, aguacate y chocolate.

Flúor

0.002

El agua potable, té, pescado, col y espinacas.

Yodo

0.00013

Pescados y mariscos, lácteos y cereales, carne y huevo.

Cromo

0.000035

Cereales integrales, chocolate, ciruela pasa, pimienta y cerveza.

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Disciplinar Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece.

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Química 1

LO

Evalúa

o

Aprendid

Unidad de competencia desarrollada: Explica las propiedades y características de los grupos de elementos, considerando su ubicación en la tabla periódica, y promueve el manejo sustentable de los recursos minerales del país.

Evaluación del bloque Escribe un resumen de una cuartilla sobre los elementos químicos, sus propiedades y su importancia en nuestra vida. Incluye en el texto el mayor número de conceptos que hayas aprendido en este bloque. Entrégalo a tu profesor.

Autoevaluación En la siguiente evaluación del bloque encontrarás enlistados los aprendizajes que se espera hayas adquirido después de haberlo estudiado. En la tercera columna de la tabla hay un espacio para que reflexiones sobre tu desempeño y escribas Sí, No o Faltó trabajo, según consideres en qué medida adquiriste o no dicho aprendizaje.

Tipo de saberes

Conocimientos

Saberes requeridos para el logro de la competencia

Resultado de la evaluación

Describo los antecedentes históricos de la clasificación de los elementos químicos. Reconozco las nociones de grupo, periodo y bloque, aplicadas a los elementos químicos. Describo las propiedades periódicas (electronegatividad, energía de ionización, afinidad electrónica, radio y volumen atómico) y su variación en la tabla periódica. Caracterizo la utilidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país.

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Bloque 4 • Interpreta la tabla periódica

Habilidades

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Manejo la tabla periódica para obtener información sobre las características y propiedades de los elementos. Clasifico los elementos en metales, no metales y semimetales, destacando sus características. Argumento los beneficios del manejo racional y sustentable de algunos elementos de relevancia económica. Desarrollo, siguiendo el método científico, una práctica experimental en la que observen las propiedades de algunos elementos químicos y las asocio con la información que me brinda la tabla periódica.

Actitudes y valores

Promuevo el uso racional de los recursos minerales. Reconozco problemas comunitarios relacionados con la explotación, tanto racional como irracional de los recursos minerales. Asumo el reciclaje como forma de resolver una problemática social. Promuevo el cuidado ambiental en relación con el uso racional de elementos químicos de relevancia económica.

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BLOQUE

5

Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Indicadores de desempeño

Tiempo asignado al bloque ✔ 10 horas

El alumno:

✔ Elabora representaciones de Lewis para

Unidad de competencia Distingue los diferentes modelos de enlaces interatómicos e intermoleculares, relacionando las propiedades macroscópicas de las sustancias con el tipo de enlace que presentan.

✔ ✔ ✔

En este bloque trataremos uno de los temas más importantes de la química: el enlace químico. Aquí verás cómo los diferentes modelos que se proponen sobre los enlaces que mantienen unidos a los átomos surgen como una herramienta necesaria para explicar las propiedades de las diferentes sustancias. Así, aunque a veces decimos que las propiedades de las sustancias dependen del enlace entre sus átomos, más bien habrá que tener claro que primero se explicaron las propiedades que se observan en las sustancias y después se propusieron los modelos de los enlaces: covalente, iónico y metálico. Dependiendo de las propiedades que presenta una sustancia, es posible elegir el modelo de enlace que se ajusta mejor al comportamiento observado en la sustancia.

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✔ ✔ ✔ ✔

✔

diversos elementos químicos, mostrando los electrones de valencia. Realiza ejercicios en los que demuestra la formación del enlace iónico, utilizando estructuras de Lewis. Explica las características que debe tener un enlace covalente. Desarrolla ejercicios en los que muestra la estructura de Lewis y la geometría molecular de compuestos covalentes. Desarrolla experimentos con compuestos iónicos y covalentes para distinguir sus propiedades. Explica qué es un enlace metálico mediante el modelo de electrones libres y la teoría de bandas. Explica las propiedades de los metales a partir de las teorías del enlace metálico. Explica las propiedades macroscópicas de los líquidos y gases, a partir de las fuerzas intermoleculares que los constituyen. Describe el comportamiento químico del agua al desarrollar actividades experimentales con ella.

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SABERES REQUERIDOS Habilidades

Conocimientos ✔ Define el concepto de enlace ✔ ✔

✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔

✔

químico. Enuncia la regla del octeto. Describe la formación del enlace iónico y las propiedades que presentan los compuestos con este tipo de enlace. Define el concepto de enlace covalente. Conoce las características de los diferentes tipos de enlace covalente. Explica las propiedades de los compuestos covalentes. Describe las teorías que explican el enlace metálico (teoría del mar de electrones y la teoría de bandas). Reconoce las características que se derivan del enlace metálico. Refiere la formación de las fuerzas intermoleculares. • Fuerzas de dispersión o fuerzas de London. • Dipolo-dipolo. • Dipolo-dipolo inducido. Identifica las características de los compuestos que presentan un puente de hidrógeno, especialmente la del agua y moléculas de importancia biológica.

✔ Emplea la representación de Lewis ✔ ✔

✔

✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔

para mostrar los electrones de valencia de un elemento químico. Demuestra la formación de enlaces iónicos utilizando representaciones de Lewis. Relaciona las características del enlace iónico con las propiedades macroscópicas de los compuestos. Clasifica los diversos tipos de enlace covalente de acuerdo con el número de electrones compartidos entre átomos. Asocia la diferencia de electronegatividades con el tipo de enlace covalente. Utiliza las estructuras de Lewis para representar compuestos covalentes Dibuja la geometría molecular de compuestos sencillos, partiendo de la estructura de Lewis. Explica la importancia que tienen los metales en la economía de México. Asocia las fuerzas intermoleculares con las propiedades que presentan los gases y los líquidos. Describe la importancia de los puentes de hidrógeno en las propiedades de compuestos que forman parte de los seres vivos.

Actitudes y valores ✔ Valora la utilidad de los modelos teóricos utilizados para explicar la estructura de la materia. ✔ Valora el uso apropiado de los metales y su reciclaje. ✔ Valora la importancia de los modelos teóricos para explicar las propiedades de las sustancias. ✔ Valora la importancia de los enlaces químicos en la formación de nuevos materiales y su impacto en la sociedad.

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Proyecto

El agua en nuestro entorno

C

omo proyecto de este bloque te proponemos que, en equipos de cuatro personas, escriban un guión de radio cuyo propósito sea informar acerca de la situación que hay en su comunidad respecto al agua potable, que lo graben y presenten el audio a sus compañeros. La idea es que conozcan de dónde viene el agua que se emplea en la región en la que viven, los usos principales que se le da al agua potable, si existen problemas de abasto y si se llevan a cabo acciones para reutilizarla o ahorrarla. Además, esta cápsula informativa deberá recomendar al público algunas medidas que contribuyan a resolver los problemas detectados.

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Bloque 5 • Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares

¿Tú qué dices?

C O M P E T E N C I A

Puede parecer contradictorio, pero los habitantes de la ciudad de México, que al inicio de 2010 eran casi nueve millones (sin contar la zona conurbada), enfrentan año con año dos problemas relacionados con el agua: por una parte, en época de lluvias sufren inundaciones que con frecuencia colapsan la ciudad, mientras que en primavera el agua tiene que ser racionada debido a que el suministro resulta insuficiente. Escasez, contaminación y mal uso son los problemas del agua en México. Existen 654 acuíferos, de los cuales 65 están sobreexplotados y 47 en peligro de llegar a esa condición. ¿Cómo es posible que a veces una ciudad se inunde y otras sus habitantes padezcan desabasto? ¿Quién es responsable del problema? ¿Cuál es la solución? Comenta con un compañero esta problemática y escriban sus conclusiones.

Disciplinar Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

Las extrañas propiedades del agua Aunque es una de las sustancias más conocidas, el agua tiene propiedades peculiares. Por ejemplo, a diferencia de la mayoría de las sustancias, en su estado sólido es menos densa que cuando está líquida, por eso los hielos flotan. Esta propiedad hace posible la vida en el mar, pues cuando se alcanza el punto de congelación (alrededor de 0 °C), se forma una capa de hielo que flota sobre la superficie, aislando con ello al agua más profunda que se mantiene a una temperatura más alta (cerca de 3 °C). Si no fuera por esta diferencia en la densidad, el mar se congelaría de abajo hacia arriba haciendo imposible la vida en esas zonas. Otra propiedad interesante del agua es que puede disolver una gran cantidad de sustancias, entre ellas el oxígeno. Los animales acuáticos captan el O2 que se encuentra disuelto en el agua. La solubilidad del oxígeno en el agua aumenta conforme disminuye la temperatura. Conocer y comprender las propiedades de las sustancias es importante, ya que, como el agua, algunas son cruciales para los habitantes de la Tierra. C O M P E T E N C I A

EN

Entremos

Disciplinar

Acción

Actividad experimental Antes de tratar de explicar las propiedades de las sustancias, al nivel de los átomos y las moléculas, en esta actividad observarás algunas de las propiedades que distinguen a las sustancias. Trabajarás con el agua por tratarse quizá de la sustancia que conocemos mejor… o al menos eso pensamos. Para realizar la siguiente actividad se necesita el siguiente material: • 1 moneda. • 10 mL de etanol. • 1 vaso con agua.

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• 1 gotero. • Toallas de papel.

Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Desarrolla experimentos con compuestos iónicos y covalentes para distinguir sus propiedades.

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100

Química 1

I N D I C A D O R

D E

D es e m pe ño Describe el comportamiento químico del agua al desarrollar actividades experimentales con ella.

Antes de iniciar lee las siguientes indicaciones, comenta con los integrantes del equipo y escriban a continuación lo que piensan que va a suceder. Procedimiento 1. Coloquen la moneda sobre la mesa. 2. Sobre la superficie de la moneda agreguen, una a una, tantas gotas como sea posible hasta que el agua se derrame sobre la mesa. ¿Cuántas gotas crees que puedan permanecer sobre la moneda?

3. Ahora repitan el procedimiento usando, en vez de agua, etanol, pero antes de iniciar escriban lo que piensan que va a suceder:

¿El etanol se comportó de la misma forma que el agua?

¿A qué creen que se deba el diferente comportamiento de cada una de las sustancias empleadas?

TIC

TIC

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C

onsulta en Internet y describe cuáles son las propiedades del agua que la hacen única y la distinguen de las demás.

¿Qué otra sustancia se les ocurre usar? Consulten con su profesor y realicen más pruebas con materiales domésticos. Presenta a tu profesor un reporte de tus resultados.

EN

Entra

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Acción

Reflexiona acerca de las propiedades que observaste en el agua y el etanol y en el recuadro a continuación, propón un modelo que explique lo que sucede a nivel de los átomos y las moléculas. Recuerda que los modelos científicos no son reproducciones fieles de lo que sí vemos, sino representaciones de lo que proponemos o pensamos que podría estar sucediendo al nivel de lo que no vemos, y que nos permite explicar algún fenómeno. Presenten frente al grupo los modelos generados y comenten las características comunes. Seguramente encontrarán que unos modelos explican mejor que otros las propiedades observadas.

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Bloque 5 • Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

Las propiedades de las sustancias Estados de agregación Como siempre sucede en química, cuando tratamos de explicarnos las propiedades de las sustancias recurrimos a la idea o modelo de que la materia es corpuscular y no continua, como generalmente nos lo sugieren nuestros sentidos. Pero si todo está formado por partículas, ¿cómo es que las sustancias se presentan en diferentes estados de agregación? Estas reflexiones sin duda nos llevan a uno de los temas más interesantes de la química: el enlace químico; es decir, el tema de cómo es que las partículas que forman una sustancia se unen unas con otras.

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

Figura 5.1 Los modelos sirven para representar lo que no vemos, pero que suponemos que sucede con las sustancias.

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Química 1

Aunque toda sustancia puede hallarse en cualquier estado de agregación, por conveniencia por lo general se hace referencia al estado en el que se encuentra a 25 oC y 1 atmósfera de presión.

Para comenzar, no necesitamos un modelo muy complejo. Así, para explicar los estados de agregación supondremos que la materia está compuesta por pequeñas esferas, sean átomos individuales, moléculas o agregados de ellos, a las que denominaremos simplemente partículas.

Interacciones atractivas en los diferentes estados de agregación Se llama enlace químico a la interacción entre dos o más partículas mediante fuerzas de atracción. Los modelos que se emplean para decir cómo es que se enlazan las partículas son útiles para entender las propiedades de las sustancias. Empecemos con las sustancias gaseosas: no tienen volumen fijo ni forma definidos, exhiben densidades muy bajas, comparadas con los líquidos o los sólidos. Además, son compresibles, es decir, podemos variar su volumen aumentando la presión, como en una jeringa en la que obstruimos la salida y empujamos o jalamos el émbolo. Una forma de explicar estas propiedades es suponer que las partículas del gas prácticamente no interaccionan y se mantienen independientes, muy alejadas unas de otras, la mayor parte del tiempo. Por su parte, los líquidos tampoco tienen una forma definida, pero sí un volumen fijo; además, las densidades son mucho mayores que en los gases y con magnitudes comparables a las de los sólidos. Para explicar sus propiedades se propone que las partículas constituyentes se encuentran cerca interactuando más fuerte que las de un gas, pero conservando la suficiente movilidad como para impedir que permanezcan en posiciones fijas. En un líquido, si una o algunas partículas se mueven, arrastran tras de sí a las vecinas; así, las partículas en un líquido no son independientes, pero fluyen. En los sólidos, las partículas se encuentran a tan corta distancia unas de otras y se atraen tan fuertemente, que su movilidad es casi nula y se quedan apenas vibrando alrededor de posiciones fijas, por lo que en los sólidos las partículas tampoco son independientes y, además, no fluyen.

Figura 5.2 Representación de la estructura interna de un sólido, un líquido y un gas. Cada esfera representa una partícula: átomo, ion o molécula.

D E

D es e m pe ño Explica las propiedades macroscópicas de los líquidos y los gases, a partir de las fuerzas intermoleculares que los constituyen.

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TIC

TIC

I N D I C A D O R

TIC

A

plica tus habilidades con la computadora y prepara una presentación en PowerPoint mediante una animación en la que se pueda observar el movimiento de las partículas de una sustancia que va siendo calentada hasta que pasa por los tres estados de agregación. Recuerda que, incluso, las partículas de los sólidos están en movimiento. Manda por correo electrónico tu presentación a tu profesor y a tus compañeros y decidan entre todos cuál es la que mejor representa el fenómeno.

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Bloque 5 • Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares

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Con estas ideas podemos explicar por qué a las mismas condiciones de presión y temperatura algunas sustancias son sólidas, otras líquidas y las demás gaseosas. Sin embargo, resulta que aún las sustancias que se encuentran en el mismo estado de agregación presentan diferencias. Por ejemplo, mientras que para fundir hierro se requiere una temperatura de 1800 °C, la cera casi se funde en nuestras manos. ¿Por qué hay diferencias tan grandes en las temperaturas de fusión (Tf) de los sólidos? ¿Es decir, por qué para un mismo estado de agregación también hay diferencias? ¿Tú qué piensas? Comenta tus ideas con un compañero y escríbelas a continuación:

Una vez que termines el bloque revisa estas ideas y agrega o cambia lo que consideres necesario.

EN

Entremos

Acción

Determinar puntos de fusión Esta actividad tiene como propósito que continúen trabajando directamente con las sustancias y puedan conocer cómo, por sus propiedades, se distinguen unas de otras. Para ello trabajarán en el laboratorio de la escuela y necesitarán el siguiente material: • • • • • • •

3 vasos de precipitados de 100 mL. Parrilla de calentamiento. Cera blanca. Termómetro. Sal de mesa. 1 balanza. Azúcar.

Antes de iniciar, lee todo el procedimiento y contesta la primera pregunta. Procedimiento 1. Coloquen cada sustancia en cada uno de los vasos. 2. Introduzcan el termómetro. 3. Coloquen los vasos sobre la parrilla e inicien el calentamiento. 4. Con mucho cuidado, pueden usar el termómetro como agitador conforme vean si es que se suaviza la sustancia. 5. Determinen la temperatura a la cual cada sustancia se funde, es decir, la temperatura a la que la sustancia pasa de sólido a líquido y anoten sus observaciones en el cuaderno.

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Química 1

¿Cuál crees que será el comportamiento de cada una de las sustancias?

6. Una vez que lleves a cabo la actividad responde las siguientes preguntas: ¿Las tres sustancias se comportaron igual?

¿Qué explicación darían a este comportamiento?

¿Qué información crees que sería útil para explicar mejor este comportamiento?

¿Las sustancias se comportaron tal como lo describiste al inicio?

C O M P E T E N C I A S

D i s c i p li nare s • Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. • Obtén, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

Recientemente el diamante dejó de ser considerado el material natural más duro del mundo. Los científicos al han descubierto otro, a. que llaman lonsdaleít

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De las propiedades a los enlaces En esta sección veremos cómo, partiendo de las propiedades de las sustancias, se recurre a alguno de los modelos de enlace, aquel que para cada caso explique mejor el comportamiento de las sustancias. Es importante que tengas claro que los modelos de enlace son una herramienta que sirve para explicar las propiedades de las sustancias.

Sólidos con alto punto de fusión La alta temperatura de fusión Tf que presentan algunas sustancias se explica suponiendo que están formadas por muchísimos átomos aglomerados que se mantienen unidos por interacciones muy fuertes. Además, se propone que los átomos de estas sustancias se encuentran formando redes tridimensionales muy rígidas, a las que hay que aplicar mucha energía para romperlas y permitir que las partículas adquieran mayor movilidad, pasando así la sustancia al estado líquido. Entonces, de manera general se propone que en los sólidos de alto punto de fusión los átomos se acomodan formando grandes redes tridimensionales. Son ejemplos los cristales de diamante y lonsdaleíta, ambas sustancias formadas sólo por Figura 5.3 Red cristalina de diamante. átomos de carbono.

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La estructura de red de estas sustancias tiene como consecuencia las formas cristalinas que a veces podemos apreciar. El tamaño de los cristales depende de las condiciones bajo las cuales crecen estas redes “infinitas”. Bajo condiciones propicias, es posible obtener cristales gigantescos, como los encontrados en la mina de Naica en Chihuahua, México.

TU

Amplía

e

Horizont

Investiguen si cerca de su comunidad pueden apreciarse formaciones interesantes como las de Naica. A veces es común encontrar cristales basálticos o cuevas con estalactitas. De ser así, organicen una visita al sitio, siéntense a contemplar las formaciones y dibujen en el siguiente recuadro un modelo que proponga cómo es que se encuentran organizados los átomos en dichas estructuras.

Figura 5.4 Cristales de la mina de Naica en Chihuahua.

Sólidos con bajo punto de fusión Hay muchas sustancias sólidas, algunas de ellas incluso con apariencia cristalina, pero que se funden a temperaturas comparativamente mucho más bajas que las formadas por redes; una de ellas es el azúcar. La explicación a este comportamiento considera que los átomos de las sustancias de este tipo, a diferencia de los que se acomodan en redes, se encuentran en grupos de unos cuantos átomos denominados moléculas. Contrario a lo que sucede en las redes donde todos interaccionan con todos, en las moléculas, las interacciones se dan de forma selectiva entre dos átomos y en una dirección determinada. Éstos son los enlaces que en química simbolizamos con una raya, como en C—C.

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Figura 5.5 Interacciones de dirección selectiva entre los átomos que forman una molécula de glucosa.

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Química 1

Además de los enlaces entre los átomos que forman cada molécula, en las sustancias con bajo punto de fusión existen las interacciones que se dan entre moléculas, o intermoleculares, que generalmente son más débiles que las de dirección selectiva. Así, cuando calentamos una sustancia que está formada por moléculas, éstas se empiezan a mover y separar cada vez más hasta que la sustancia cambia de estado. Sin embargo, los enlaces entre los átomos de las moléculas no se afectan durante este tipo de cambios. Muchos de los compuestos que son líquidos o gases a temperatura ambiente, también están constituidos por moléculas.

TIC

TIC

TIC

E

n la tabla que aparece a continuación, escribe en la primera columna una lista con tres sustancias que, según tú, tienen una temperatura de fusión muy alta. Continúa en la misma columna enlistando otras tres sustancia que consideras que funden a temperaturas más bien bajas. Usando un buscador en Internet, investiga la temperatura de fusión de cada una y escríbela en la segunda columna. Además, consigue la imagen de su estructura química y dibújala para completar la tabla. Comenta con un compañero la información que encontraste y analicen si las sustancias de alta temperatura de fusión presentan estructuras de red y las que funden a bajas temperaturas son moleculares.

Figura 5.6 Las moléculas del fenol se unen formando un sólido cristalino en condiciones normales.

Sustancia

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Temperatura de fusión

Estructura

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Sólido

Líquido

Gaseoso

Figura 5.7 Organización de las moléculas en los tres estados de agregación.

Las propiedades tan particulares del agua se deben a que entre sus moléculas existen grandes fuerzas de atracción intermoleculares. Lo que provoca que el sólido sea menos denso que el líquido es que al bajar la temperatura, las moléculas se acomodan en una estructura muy ordenada y más amplia que en el líquido. ¿Tendrá algo que ver este modelo con el comportamiento observado con la moneda a la que agregaste agua o etanol?

Sustancias conductoras de corriente eléctrica El análisis de los estados de agregación de las sustancias y la facilidad relativa con que podemos pasar de un estado a otro nos da una idea de cómo están acomodados los átomos de una sustancia: formando redes casi infinitas o pequeños agregados llamados moléculas. Pero, aún falta abordar la naturaleza de los enlaces que mantienen unidos a los átomos en estas estructuras. Si analizamos alguna otra propiedad de las sustancias seguramente tendremos un modelo que nos permita explicarnos más cosas, e incluso, hacer predicciones. Utilizaremos la conductividad eléctrica.

EN

Entremos

Acción

Diodo emisor de luz (LED)

Actividad experimental Tubo de manguera negro

Determinación de la conductividad Además del punto de fusión, una propiedad que caracteriza a las sustancias y que debe ser explicada por los modelos es la conductividad de la corriente eléctrica. En esta actividad compararán el comportamiento de diferentes sustancias frente al paso de la corriente. Para realizar dicha actividad necesitarán el siguiente material: • • • • • • •

1 LED. Un trozo de plástico rígido. La cubierta de un bolígrafo. 1 pila de 1.5 V. Alambre de cobre. 1 resistencia de 1200 ohms. Sustancias como zinc, cloruro de sodio, naftaleno, azúcar, dióxido de silicio, magnesio, etcétera.

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Ω 5 1200 Ohms Carcaza de pluma de escribir Pila de 1.5V

Cable de Cu

Figura 5.8 Modelo del experimento.

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Química 1

Procedimiento 1. Construyan el sistema que se muestra en la figura 5.8 y cerciórense de que al unir los extremos de los cables el LED encienda. Cuando el medidor no esté en uso, dejen los cables separados para que la pila no se agote. 2. Ahora prueben la conductividad de diferentes sustancias, pueden ser sólidas, líquidas o, incluso, gases, poniendo una pequeña muestra en contacto con los extremos de los dos cables. Si el LED enciende, la sustancia es conductora, de lo contrario, la clasificaremos como mala conductora o aislante. 3. Escriban un informe de la actividad con los resultados obtenidos y entréguenlo a su profesor. Guarden el probador para usarlo posteriormente. El comportamiento de las sustancias frente al paso de la corriente eléctrica nos permite conocer más acerca de la naturaleza del enlace. Aunque los átomos están formados por partículas con carga eléctrica (protones y electrones), sabemos que no todas las sustancias conducen la corriente. También sabemos que el comportamiento químico de los elementos es atribuible a los electrones, en particular a los electrones más externos o de valencia, por lo que si indagamos cuáles sustancias conducen y cuáles no, y en qué condiciones, tendremos información de interés sobre la naturaleza del enlace.

El enlace metálico y las propiedades de los metales Las sustancias que conducen la electricidad en estado sólido son metales, aunque hay excepciones como el grafito y algunos polímeros modernos que no se clasifican D i s c i p l i nar como metales, pero que sí conducen la electricidad en sólido. Fuera de las excepcioFundamenta opiniones nes señaladas, la conductividad eléctrica de las sustancias sólidas es una característica sobre los impactos de la de los metales e indica que las interacciones que mantienen unidos a los átomos entre ciencia y la tecnología en su ellos tienen características muy particulares. vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. El modelo que explica el enlace que mantiene unidos a los átomos que forman un metal, llamado enlace metálico, toma en cuenta los altos puntos de fusión de estas sustancias, por lo que supone que se encuentran en una estructura de red y trata de explicar las propiedades observables típicas de los metales, como las conductividades eléctrica y térmica, así como la maleabilidad. En este modelo, conocido como mar de electrones, suponemos al material metálico compuesto por una red tridimensional de cationes, dentro de un mar formado por los electrones de valencia. Estos electrones se mantienen unidos a la red de cationes mediante atracciones electrostáticas, pero están distribuidos de manera uniforme en toda la estructura, de modo que ningún electrón puede ser asignado a un catión en particular. La movilidad de los electrones explica propiedades como la conductividad eléctrica al aplicar una diferencia de potencial, ya que éstos fluyen de la terminal negativa hacia la positiva. La conductividad térmica también puede explicarse gracias a esa alta movilidad de los electrones, que transfieren con facilidad energía cinética por todo el sólido. La maleabilidad o capacidad de deformación se explica porque los átomos metálicos pueden moverse sin que se rompan enlaces específicos ni se creen repulsiones entre átomos vecinos, ya que éstos, al desplazarse, ocupan posiFigura 5.9 Modelo del mar de electrones en el enlace metálico. ciones equivalentes en la red. C O M P E T E N C I A

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Bloque 5 • Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares

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La industria metalúrgica que se encarga de extraer del suelo los minerales útiles para el hombre constituye una de las bases de la economía de casi cualquier país. Aunque México depende principalmente de la explotación petrolera, la obtención de metales es fundamental para su desarrollo. En la tabla 5.1 encontrarás la lista de los minerales metálicos que se extraen en México, así como la producción y el lugar que ocupa a nivel mundial. Puedes encontrar esta información en la página electrónica del Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI). Tabla 5.1 Producción de metales en México y lugar que ocupa a nivel mundial (2006).

Minerales metálicos Plata Oro

Producción (kilogramos)

Lugar mundial

2 970

2°

38 961

9°

Producción (miles de toneladas)

Lugar mundial

Bismuto

1 186

2°

Arsénico

1 595

5°

135

5°

1 399

6°

Antimonio

778

6°

Zinc

479

6°

2 519

8°

Manganeso

124

8°

Cobre

334

12°

Fierro

7

13°

Plomo Cadmio

Molibdeno

Fuente: Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI).

EN

Entra

Acción

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Investiga en la página del INEGI: www.inegi.org.mx y en la sección Cuéntame de….México cuáles otras actividades, además de la metalurgia, participan en la actividad económica del país y escribe un breve resumen a continuación:

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Química 1

El enlace iónico y las propiedades de las sustancias A diferencia de los metales, hay sustancias que no conducen la electricidad cuando están sólidas. Sin embargo, sí lo hacen cuando están fundidas o cuando están disueltas en agua. ¿Conoces alguna? Con la ayuda de tus compañeros y tu maestro hagan una lista de al menos seis sustancias que tengan estas propiedades y que puedan conseguir para llevar a cabo la siguiente actividad.

EN

Entremos

Acción

C O M P E T E N C I A S

D i s c i p li nare s • Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. • Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

Actividad experimental

Probar conductividades En esta actividad experimentarás con otra propiedad que caracteriza y distingue a las sustancias. Para realizarla necesitan: • • • •

El medidor de conductividad que construiste en la actividad anterior. Una muestra de cada una de las sustancias que enlistaron en el grupo. Agua. Recipientes de vidrio para hacer las pruebas.

Procedimiento 1. Primero prueba cuáles de las sustancias que tienes pueden fundirse simplemente calentándolas en un recipiente. Si no se funden, prueba si se disuelven en agua para probar su conductividad. 2. Con ayuda del medidor, comprueben si efectivamente las sustancias que eligieron no conducen en estado sólido, pero sí fundidas o disueltas en agua. 3. Ahora consulten en la bibliografía cuáles otras sustancias pueden caber en esta clasificación y agréguenlas a la lista.

Las propiedades que en general presentan estas sustancias son: a) En condiciones ambientales son sólidos cristalinos con altos puntos de fusión, pero quebradizos. b) No conducen la corriente en estado sólido, pero sí fundidos. c) Pueden ser solubles en agua o no; si se disuelven, sus disoluciones conducen la corriente. Para explicar el comportamiento de este tipo de sustancias se recurre a la propuesta de que están formadas por partículas cargadas, unas con carga negativa y otras con carga positiva, de tal modo que la sustancia conjunta es neutra. Cuando la sustancia está en estado sólido (baja temperatura y poca movilidad de las partículas), las partículas positivas y las negativas se mantienen fuertemente unidas. A este tipo de enlace se le conoce como enlace iónico. Cuando se aplica calor a estas sustancias iónicas, o se les disuelve, sus partículas adquieren movilidad y se vuelven portadoras de carga eléctrica: conducen la corriente. Del mismo modo, a las partículas que forman este tipo de sustancias se les llama iones (que en griego quiere decir el que va o viajero). Los iones pueden ser de un solo

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Bloque 5 • Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares

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átomo o un pequeño grupo de ellos: Cl2, Na1 y SO422, son ejemplos de ello. Este tipo de partículas tienen carga, pues presentan un déficit o un exceso de electrones que adquieren a través de un proceso conocido como ionización. Los iones cargados negativamente, producidos por la ganancia de electrones, se conocen como aniones, y los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes. Las atracciones entre cargas opuestas como las repulsiones entre cargas iguales son muy fuertes. Este conjunto de iones se acomoda en el espacio de modo que las atrac- Figura 5.10 Estructura del cloruro de sodio. ciones aumentan mientras que las repulsiones se minimizan. Esto da lugar a estructuras muy ordenadas que generan en las superficies caras planas, con ángulos y aristas bien definidas (estructura cristalina). Además de explicar los elevados puntos de fusión, también explica su propensión a quebrarse: al aplicar una fuerza cortante, se desplaza una capa de iones exponiendo iones de igual carga a otros similares, la intensa repulsión entre ellos sería la responsable de la ruptura del cristal. En estado sólido no existe conductividad eléctrica, ya que las cargas se encuentran totalmente fijas en la red cristalina, mientras que si ésta se rompe, ya sea mediante la fusión o la disolución, los iones adquieren movilidad y pueden transportar la carga de una terminal eléctrica a la otra.

El enlace covalente y las propiedades de las sustancias Nos quedan por estudiar las sustancias que no conducen la electricidad de ninguna forma. Por una parte, están las sustancias de alto punto de fusión para las que se C O M P E T E N C I A propone una estructura de red que no conduce la electricidad en sólido y tampoDisciplinar co se disuelve en agua, como el vidrio, cuarzo, rubí y diamante. Además están las Analiza las leyes generales formadas por moléculas que se funden a temperaturas relativamente bajas y sólo que rigen el funcionamiento algunas se disuelven en agua: azúcar, parafina y azufre. Aun y cuando fundamos del medio físico y valora las cada una de ellas, ninguna permitiría el paso de la corriente eléctrica. Ocurre que, al acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. separarse las partículas, átomos o moléculas que conforman cada una de estas sustancias de sus vecinas por efecto de un disolvente o de la temperatura, no quedan especies cargadas o iones, como en el caso de las redes iónicas. Los enlaces que mantienen unidos a los átomos que forman moléculas se hacen mediante la compartición de pares de electrones, tienen una dirección definida y se denominan enlaces covalentes. También los enlaces que mantienen unidos a los átomos en las redes de sustancias de alto punto de fusión que no conducen la corriente de ninguna forma, como el diamante, son enlaces covalentes. En resumen, podemos decir que para proponer cómo es la estructura interna de cualquier sustancia hay que partir de sus propiedades. Así, según la temperatura de fusión, podemos saber si las partículas de una sustancia se encuentran en una red casi infinita o Figura 5.11 Temperatura de fusión y su relación con la estructura de las sustancias. se trata de moléculas.

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Química 1

De acuerdo con el comportamiento frente al paso de la corriente podemos decir si las partículas se unen mediante enlaces covalente, iónico o metálico.

Figura 5.12 Tipos de enlace según las características de conductividad eléctrica.

I N D I C A D O R

D E

D es e m pe ño Explica las características que debe tener un enlace covalente.

De este modo, podemos ver que las propiedades de algunas sustancias se explican suponiendo que son redes iónicas, como el cloruro de sodio; redes covalentes, como el diamante, o redes metálicas, como el cobre, todas ellas con altos puntos de fusión. Además, encontraremos sustancias moleculares, como el agua, el azúcar o el bióxido de carbono, cuyos átomos se unen de forma covalente formando moléculas que se atraen entre sí con mayor o menor fuerza, según la sustancia de que se trate, pero que en general funden a bajas temperaturas.

EN

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Acción

I N D I C A D O R

D E

D es e m pe ño

Haz un alto en el camino y reflexiona sobre lo que has estudiado acerca de las propiedades de las sustancias y los modelos que las explican. Para ello construye un mapa mental en el que relaciones las siguientes ideas: sustancia, propiedades características, enlace iónico, metálico y covalente, atracciones intermoleculares, moléculas y redes. Para la construcción del mapa mental consulta la Caja de herramientas de este bloque.

Explica qué es un enlace metálico mediante el modelo de electrones libres y la teoría de bandas.

Explica tu representación a un compañero, comparen sus mapas y hagan las modificaciones que consideren necesarias.

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Bloque 5 • Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares

El modelo de enlace de Lewis y la regla del octeto

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar

En 1902, al tratar de encontrar un método para explicar la tabla periódica en sus clases de química, G. N. Lewis descubrió que la química de los elementos de los grupos principales se podía explicar suponiendo que los átomos de esos elementos “ganan”, “pierden” o comparten electrones hasta tener ocho en la capa externa. A la regla de Lewis se le llama la regla del octeto. Posteriormente, a los electrones de la capa externa se les denominó electrones de valencia. La cantidad de electrones de valencia de un átomo se puede contar como el total de electrones externos, sin contar a los del interior. Las excepciones a este método de determinación de los electrones de valencia lo constituyen los elementos de transición o las tierras raras. Para los elementos de los grupos principales (las columnas altas en la tabla periódica), la cantidad de electrones de valencia es igual al número de grupo, tal como se presenta en la tabla 5.2.

Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

Tabla 5.2 Estructuras de Lewis de algunos elementos.

Nombre del elemento

Estructura de Lewis

Carbono (grupo IV A)

C

Flúor (grupo VII A)

F

Hidrógeno (grupo I)

H

Aluminio (grupo III A)

Al

Estructuras de Lewis para compuestos iónicos En el caso del enlace iónico que se forma entre átomos con electronegatividad muy diferente (como un metal y un no metal), se propone que el elemento menos electronegativo perderá tantos electrones como sea necesario para quedarse con ocho en la última capa. Mientras que el elemento más electronegativo ganará un número de electrones suficiente para completar su octeto. Así, la estructura de Lewis, que representa el enlace entre el cloro y el sodio en el cloruro de sodio, se construye tomando en cuenta que el cloro tiene siete electrones de valencia y el sodio uno. Considerando que el cloro es mucho más electronegativo, se propone que el sodio pierde su único electrón de valencia, y sólo le restan ocho en la capa anterior. Por su parte, el cloro gana un electrón, con lo que completa su octeto. Esta transferencia de un electrón tiene como consecuencia la formación del ion cloruro con carga 12 y el ion sodio con carga 11.

Cl

Na

Cl



Cl

Na

Figura 5.13 Estructuras de Lewis del cloro y el sodio.



Na

Figura 5.14 Transferencia de electrones de valencia y formación de los iones correspondientes.

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Química 1

Estructuras de Lewis para compuestos covalentes La idea de la formación de un enlace mediante la compartición de un par de electrones con la tendencia a completar ocho fue propuesta por Lewis, y sigue siendo un concepto fundamental en la descripción cualitativa del enlace covalente. Aunque con las estructuras de Lewis puede representarse cualquier enlace, resultan aún más útiles para enlaces covalentes, ya que explican la formación de dobles y triples enlaces. Para construir la estructura de Lewis de una sustancia hay que seguir las siguientes reglas, cuyo uso se ejemplifica para el caso del bióxido de carbono: 1. Determinar el total de electrones de valencia de los átomos presentes. Para el CO2 el carbono tiene cuatro y cada uno de los oxígenos seis. Así, en total tenemos 16 electrones.

C

O

O

Figura 5.15 Estructura de Lewis de los átomos presentes en el bióxido de carbono.

2. Calcular el número de pares de electrones que se pueden formar, para el bióxido de carbono ocho pares. 3. Situar en el centro al átomo menos electronegativo, en el ejemplo, el carbono. 4. Unir los átomos mediante pares de electrones que llamaremos enlazantes.

OCO Figura 5.16 Unión de átomos mediante pares de electrones enlazantes.

5. Completar los octetos con los pares solitarios que sobran.

OCO Figura 5.17 Conformación de octetos con los pares sobrantes.

6. Si quedan octetos incompletos, como pasa con el carbono en el ejemplo, formar dobles o triples enlaces entre los átomos hasta completar ocho.

I N D I C A D O R

O C O

D E

D es e m pe ño Elabora representaciones de Lewis para diversos elementos químicos, mostrando los electrones de valencia.

O C O

Figura 5.18 Formación de dobles o triples enlaces para completar los octetos.

En la siguiente tabla se presentan varios ejemplos de estructuras de Lewis. Con frecuencia y sólo para facilitar la comprensión, en estas representaciones se usan puntos y cruces para distinguir los electrones de cada átomo. Por comodidad, los pares de electrones enlazantes se sustituyen por líneas.

Tabla 5.3 Ejemplos de estructuras de Lewis.

H H C H H H H C H H

 



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H N H H

O







Metano

ON O









HN H H

Amoniaco



 

N Óxido nitroso

O

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Bloque 5 • Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares

EN

Entra

Acción

CCl4

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Empleando las reglas anteriores, elabora la estructura de Lewis para los siguientes compuestos: tetracloruro de carbono, ácido hipocloroso, agua y fluoruro de aluminio.

HClO

H20

Realiza ejercicios en los que demuestra la formación del enlace iónico utilizando estructuras de Lewis.

AlF3

Empleando las reglas anteriores elabora la estructura de Lewis para representar la reacción entre el ácido fluorhídrico (HF) y el hidróxido de sodio (NaOH) para formar fluoruro de sodio (NaF) y agua (H2O).

Pide a tu profesor que revise las estructuras que hiciste y consúltale las dudas que te queden.

Fuerzas intermoleculares y los puentes de hidrógeno Se han descrito cualitativamente tres modelos de enlace químico responsables de las interacciones atractivas entre átomos (metálico, iónico y covalente) y que les confiere estabilidad a las sustancias. Podemos decir que, en general, el enlace químico está asociado con la compartición o transferencia de electrones entre los átomos de las moléculas y en las redes metálicas, iónicas o covalentes. Estas interacciones son de gran magnitud y largo alcance. Ahora analizaremos las interacciones intermoleculares, es decir, la fuerza de atracción o repulsión que ocurre entre moléculas vecinas. Estas interacciones son en general débiles y de corto alcance, es decir, para que actúen las moléculas deben estar muy cerca y se rompen con facilidad. Aunque puede ocurrir que algunos enlaces químicos débiles llegan a ser menos fuertes que algunas interacciones intermoleculares muy fuertes. En los gases diatómicos, las moléculas se encuentran formadas por un par de átomos del mismo elemento, compartiendo uno o más pares de electrones: son ejemplos de ello el cloro (Cl2), el nitrógeno (N2) y el oxígeno (O2). En dichas moléculas la atracción de los electrones hacia los núcleos es igual, pero cuando unimos de forma covalente dos átomos distintos, como en el ácido clorhídrico (HCl), la atracción de

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

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Química 1

los electrones hacia los núcleos deja de ser equitativa, uno de los dos átomos siempre tiene mayor capacidad para atraer a los electrones y la nube electrónica negativa es más densa en la cercanía de ese núcleo que en aquel con menor capacidad de atracción por los electrones, que presenta una deficiencia de carga negativa. En moléculas de este tipo se dice que la nube electrónica se encuentra polarizada y se presenta un dipolo permanente.

Figura 5.19 Formación de un enlace covalente polar.

A este tipo de enlace covalente se le conoce como covalente polar. A la capacidad de un átomo en una molécula de atraer hacia sí mismo a los electrones en un enlace, Linus Pauling la llamó electronegatividad (χ), la cual es una propiedad periódica que aumenta de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba de la tabla periódica. (Tendencia de electronegatividades.) En general, los electrones que participan en un enlace covalente están más cercanos del átomo con un valor más grande de χ, y la carga parcial negativa (que se denota como δ2) se sitúa sobre ese átomo. De manera equivalente, la carga parcial positiva (δ1) queda en el átomo con un valor más pequeño de electronegatividad. Al estar polarizadas las moléculas se favorece que, por atracción electrostática, se adhieran una a otras manteniéndose unidas. El caso más claro de moléculas polares es el del agua: en cada molécula el oxígeno se une de forma covalente a dos hidrógenos. Al ser más electronegativo el oxígeno atrae a los electrones de valencia adquiriendo una carga parcial negativa, mientras que los hidrógenos presentan una carga parcial positiva. Así, la atracción entre las moléculas del agua, llamada puentes de hidrógeno, es tan fuerte que la sustancia se presenta líquida a temperatura ambiente a diferencia de, por ejemplo, el bióxido de carbono, que es un gas aun cuando sus moléculas son de tamaño similar a las del agua, pero no son polares.

Figura 5.20

Fuerzas intermoleculares en el agua.

En ocasiones, y sólo por un instante, una molécula o un átomo aislado pueden presentar una distribución no equitativa de los electrones. Entonces se dice que se forma un dipolo instantáneo. A veces también sucede que una especie con dipolo, ya sea permanente o instantáneo, se acerca a una partícula no polar y provoca en ella un dipolo que se denomina inducido. De esta forma, podemos encontrar el siguiente juego de posibles interacciones intermoleculares.

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Bloque 5 • Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares

117

Tabla 5.4 Ejemplos de interacciones intermoleculares.

Partículas participantes

Carácter

Tipo de interacción

No polar-no polar

Dipolo instantáneo-dipolo inducido

No polar-no polar

Dipolo instantáneo-dipolo inducido

Polar-no polar

Dipolo permanente-dipolo inducido

Polar-polar

Dipolo permanente-dipolo permanente

Ion-no polar

Ion-dipolo inducido

Ion-polar

Ion-dipolo permanente

Átomos

Moléculas

Ion-molécula

Suponer la existencia de estas interacciones débiles entre las partículas de las sustancias, como parte del modelo, resulta útil para explicar muchas propiedades. Por ejemplo, en los gases nobles, el hecho de que los átomos aislados se mantengan unidos formando un gas sólo se puede explicar suponiendo que se generan dipolos instantáneos. Estas interacciones son de diferente magnitud dependiendo del radio y el volumen de los átomos; la diferencia se puede relacionar con el aumento en la temperatura a la cual los gases nobles llegan a la ebullición. Como se observa en la tabla 5.5, cuanto más grandes son los átomos, se favorece la formación de dipolos instantáneos que aumentan las interacciones entre los átomos y explican que la temperatura de ebullición vaya en aumento. Tabla 5.5 Temperaturas de los puntos de ebullición de algunas sustancias.

La existencia de estas interacciones atractivas fue propuesta por Fritz London para explicar cómo es que los gases no polares pueden licuarse, es decir, que se pueden tener en estado líquido. Es así que las interacciones entre dipolos instantáneos se denominan fuerzas de dispersión de London. Así, mediante el uso de los modelos de enlace metálico, iónico y covalente, y las diferentes interacciones moleculares, podemos explicar las principales propiedades que distinguen a las sustancias, como el punto de fusión, la conductividad y la solubilidad. Contar con una herramienta para comprender el comportamiento de la materia ha permitido a los químicos predecir el comportamiento de las sustancias e, incluso, sintetizar materiales con propiedades sorprendentes que antes no existían en la Tierra.

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Química 1

DE

Pista

Aterrizaje

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece.

Para llevar a cabo el proyecto de este bloque reúnete con cuatro compañeros y, antes que nada, planeen la estructura que tendrá su cápsula informativa. Con el fin de facilitar dicha tarea dividan el contenido en tres secciones: • Importancia del agua en general. • Situación actual de su comunidad respecto a fuentes, principales usos, problemas y medidas que se han tomado. • Recomendaciones para emplear el agua de forma responsable. Es importante que empleen como argumentos las propiedades del agua y las características particulares de sus enlaces que se estudiaron en este bloque. Escriban el guión y graben el audio; además de la información, incluyan música para que resulte más atractivo.

Coevaluación Organicen una sesión para escuchar todas las cápsulas y, a manera de autoevaluación para todo el grupo, llena la siguiente tabla de acuerdo con el grado (Nada, Poco, Suficiente o Mucho) en que consideres se cumplió cada uno de los aspectos que se muestran en la tabla. Rúbrica para evaluar las cápsulas radiofónicas sobre el uso del agua.

Categoría

Nada (0)

Poco (1)

Suficiente (2)

Mucho (3)

Transmite la importancia del problema central. Explica las propiedades del agua usando modelos de enlace. Relaciona los temas vistos en el bloque con el problema central. Propone soluciones al problema. El diseño resulta atractivo. Con base en la calificación, elijan la cápsula que haya sido mejor evaluada.

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Bloque 5 • Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Caja de

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herramientas

Mapas mentales Al igual que los mapas conceptuales, esta herramienta gráfica sirve para organizar y expresar los conocimientos que tenemos sobre un tema. A diferencia de un mapa conceptual en el que se conectan varias ideas, el mental está centrado en una idea principal. Es útil para preparar un examen, resolver un problema o simplemente para tomar notas. La construcción del mapa mental se inicia usando una imagen central que representa la idea principal del tema. Después se colocan los temas relacionados con la imagen central como ramas que salen de éste. En general, las ideas se presentan en forma de dibujos o símbolos, pues de esa forma es más fácil que las capte el cerebro. Las ramas que unen dos figuras llevan una palabra que las relaciona. Cada rama puede tener a su vez ramificaciones que corresponden a los temas secundarios. Es importante usar diferentes colores y tipos de letra para resaltar lo que se considera más significativo. También es importante distribuir la información en todo el espacio disponible para que el mapa sea claro.

Figura 5.21 Ejemplo de mapa mental.

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Química 1

LO

Evalúa

o

Aprendid

Evaluación del bloque Actividad de cierre Enlista en la primera columna de la siguiente tabla cinco sustancias que te resulten conocidas. En la segunda columna escribe al menos tres propiedades que conozcas de cada una. Tomando en cuenta las propiedades descritas, escribe en la tercera columna qué tipo de arreglo y enlace crees que tenga cada sustancia. Finalmente, para completar la tabla, investiga en un libro de química o en Internet la estructura y el tipo de enlace reportado. Compara los datos investigados con tus respuestas en la tercera columna y coméntalo con tu profesor. Si tienes dudas sobre alguna de las sustancias revisa la información de este bloque.

Nombre

Propiedades

Estructura y enlace que propones

Estructura y enlace reportado

Al final del libro hallarás una autoevaluación de este bloque. Realízala y entrégala a tu profesor. En la siguiente evaluación del bloque encontrarás enlistados los aprendizajes que se espera hayas adquirido después de estudiar este bloque. En la tercera columna de la tabla está un espacio para que reflexiones sobre tu desempeño y escribas Sí, No o Faltó trabajo, según consideres en qué medida adquiriste o no ese aprendizaje.

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Bloque 5 • Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Tipo de saberes

Conocimientos

Saberes requeridos para el logro de la competencia

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Resultado de la evaluación

Defino el concepto de enlace químico. Enuncio la regla del octeto. Describo la formación del enlace iónico y las propiedades que presentan los compuestos con este tipo de enlace. Defino el concepto de enlace covalente. Conozco las características de los diferentes tipos de enlace covalente. Explico las propiedades de los compuestos covalentes. Describo las teorías que explican el enlace metálico (teoría del mar de electrones y la teoría de bandas). Reconozco las características que se derivan del enlace metálico. Refiero la formación de las fuerzas intermoleculares. • Fuerzas de dispersión o fuerzas de London. • Dipolo-dipolo. • Dipolo-dipolo inducido. Identifico las características de los compuestos que presentan un puente de hidrógeno, en especial la del agua y moléculas de importancia biológica.

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Química 1

Habilidades

Empleo la representación de Lewis para mostrar los electrones de valencia de un elemento químico. Demuestro la formación de enlaces iónicos utilizando representaciones de Lewis. Relaciono las características del enlace iónico con las propiedades macroscópicas de los compuestos. Clasifico los diversos tipos de enlace covalente de acuerdo con el número de electrones compartidos entre átomos. Asocio la diferencia de electronegatividades con el tipo de enlace covalente. Utilizo las estructuras de Lewis para representar compuestos covalentes. Dibujo la geometría molecular de compuestos sencillos, partiendo de la estructura de Lewis. Explico la importancia que tienen los metales en la economía de México. Asocio las fuerzas intermoleculares con las propiedades que presentan los gases y los líquidos. Describo la importancia de los puentes de hidrógeno en las propiedades de compuestos que forman parte de los seres vivos.

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Bloque 5 • Interpreta enlaces químicos e interacciones intermoleculares

Actitudes y valores

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Valoro la utilidad de los modelos teóricos utilizados para explicar la estructura de la materia. Valoro el uso apropiado de los metales y su reciclaje. Valoro la importancia de los modelos teóricos para explicar las propiedades de las sustancias. Valoro la importancia de los enlaces químicos en la formación de nuevos materiales y su impacto en la sociedad.

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BLOQUE

6

Maneja la nomenclatura química inorgánica

Tiempo asignado al bloque ✔ 15 horas

Indicadores de desempeño El alumno:

✔ Resuelve ejercicios de nomenclatura

Unidad de competencia Maneja el lenguaje de la química, identifica los compuestos de uso cotidiano y aplica las normas de seguridad necesarias para el manejo de productos químicos.

química donde, a partir del nombre, escribe la fórmula y viceversa, siguiendo las reglas establecidas por la UIQPA. ✔ Desarrolla una práctica experimental en la que conoce las características de diversas sustancias para ubicarlas en el tipo de compuesto que le corresponde, siguiendo las normas de seguridad que apliquen. ✔ Muestra su habilidad en el reconocimiento de compuestos inorgánicos presentes en productos de uso cotidiano.

El contenido de este bloque te invita a conocer el desarrollo de la nomenclatura química, la cual, al ser un lenguaje vivo, va cambiando con el tiempo. También se te presenta la propuesta de nomenclatura de la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) con sus múltiples ventajas y se mencionan algunos casos en los que dicha propuesta no fue aceptada y por qué fue así.

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SABERES REQUERIDOS Conocimientos ✔ Describe las reglas establecidas por la IUPAC para escribir fórmulas y nombres de los compuestos químicos inorgánicos: • Óxidos metálicos. • Óxidos no metálicos. • Hidruros metálicos. • Hidrácidos. • Oxiácidos • Sales.

Habilidades ✔ Resuelve ejercicios de nomenclatura química inorgánica, siguiendo las reglas establecidas por la IUPAC. ✔ Identifica las fórmulas químicas en productos de uso común. ✔ Clasifica por la función química los diferentes tipos de compuestos inorgánicos (óxidos, ácidos, bases y sales) de mayor uso.

Actitudes y valores ✔ Valora la utilidad del manejo del lenguaje de la química.

✔ Disposición al trabajo metódico y organizado.

✔ Previene riesgos al utilizar las sustancias químicas que emplea cotidianamente.

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Proyecto

Origen de los nombres de las sustancias, significado y contexto histórico

T

e proponemos que en grupo construyan un álbum en el que reúnan información sobre la historia de los nombres que se han puesto a diferentes elementos y compuestos. Para ello, cada estudiante investigará acerca de las propiedades, el descubrimiento y la historia de alguna sustancia, que por sus propiedades o su aplicación, le parezca interesante. Así, cada uno elaborará una o dos páginas del documento. Dividan el material en dos secciones: elementos y compuestos. Incluyan diferentes materiales, como tablas periódicas de diferentes épocas, para que el álbum sea atractivo.

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

¿Tú qué dices? Cuando se estudia alguna materia del área científica, por lo regular se piensa que lo fundamental es aprender lo más reciente, lo más novedoso y actualizado. Pero hay otras personas que piensan que saber más sobre la historia de la ciencia es muy útil para comprender los temas científicos. Conocer el camino que se recorrió para llegar a los conocimientos, los problemas en la vida de las personas que han hecho la ciencia y las condiciones de vida en cada época, ¿nos permitirá entender mejor los conocimientos científicos más modernos? ¿Tú qué piensas? Discútelo con un compañero y escribe tus ideas:

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

El lenguaje de la química y su historia Si lees la etiqueta de algún producto que estás a punto de utilizar, digamos un champú, podrás encontrar que entre los ingredientes aparecen cosas como: “policuaternium-7”. El uso de nombres tan extraños, pero que suenan a química, tiene la intención, más que de ocultar, de proteger un producto comercial con nombre que funciona a su vez como marca. A diferencia de las empresas, los químicos, al sintetizar nuevos compuestos, deben seguir ciertas reglas para que el nombre de su compuesto indique con precisión cuáles son sus componentes, en qué proporciones se encuentran y, de ser posible, su arreglo espacial. Esto es porque para los químicos la comunicación científica es una parte muy importante de su trabajo. Al igual que todos los científicos, los químicos emplean el lenguaje no sólo para transmitir información, sino también para tratar de persuadir a sus colegas y al resto de la comunidad científica de la validez de su trabajo o de las propiedades de un compuesto. Sin embargo, los químicos utilizan una “lengua” propia, que les permite comunicarse entre ellos, pero que en cierta forma los aparta del resto de las personas: la nomenclatura química. Al igual que las verdaderas lenguas, la nomenclatura química ha seguido un largo camino desde su creación hasta nuestros días. En los albores de las ciencias químicas, la nomenclatura de las sustancias era oscura y llena de esoterismo, muy adecuada para ocultar los descubrimientos a los no iniciados. Fue hasta el siglo XVII que se hicieron los primeros intentos para normar la nomenclatura. Por increíble que parezca, algunos nombres de esa época persisten hasta nuestros días. Esas primeras normas permitieron elaborar listas de elementos y compuestos. Y antes estas reglas y listas de sustancias alimentaron la idea, que aún subsiste en algunos libros de química, de que es posible nombrar a todos los compuestos químicos conocidos con esas normas. Nada más alejado de la realidad, la invención constante de compuestos con nuevas estructuras moleculares ha provocado que la nomenclatura química sea una obra en construcción continua. La función principal de la nomenclatura química es asegurar que los químicos que escuchen o lean el nombre de una sustancia puedan identificar al compuesto en cuestión, sin dificultad. No siempre es una tarea fácil, porque cuando la sustancia es compleja, muchas veces es necesario recurrir a la imagen de la estructura. Además, pese a que el número de nombres aceptados es limitado porque se busca que cada uno se refiera a una sola sustancia, algunas de ellas pueden tener varios nombres. Por eso, desde la creación de la nomenclatura se ha buscado que la composición sea el criterio básico

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C O M P E T E N C I A S

Disciplinar es • Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. • Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales, a partir de evidencias científicas.

Figura 6.1 La química es una obra en construcción permanente.

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Química 1

para nombrar a las sustancias. Este criterio es la base de los sistemas de nomenclatura actuales. En la época de la alquimia y primeros años de la química, los nombres de las sustancias eran descriptivos: hacían referencia a olores, colores, propiedades curativas, nombres de descubridores o lugares de origen. Inclusive, había multitud de nombres y referencias, y una sola sustancia podía tener una gran variedad de nombres.

DE

Cruce

Caminos

El ejemplo del pigmento azul de Prusia Es un pigmento muy antiguo, redescubierto en los primeros años de la química y que recibía multitud de nombres. Cuando se hacía referencia a él por su lugar de producción se le conocía como azul de Amberes, azul de Berlín, azul de Bronce, azul de China, azul de Delft, azul de Diesbach, azul de hierro, azul de Milori, azul de París, azul de Sajonia, azul de Turnbull, azul de Vossen, azul de Zwickau. Peor aún, también se conocía por otros nombres cuando se hacía referencia a él por su color: azul de Luisa, azul de moda, azul de Prusia, azul de acero y azul de agua. De entre todos estos nombres, sólo en uno puedes encontrar alguna referencia a su composición, ¿Cuál elemento contiene?

Figura 6.2 Wivenhoe Park, Essex, paisaje pintado por John Constable, donde utilizó al azul de Prusia en lugar del polvo de roca de lapislázuli como pigmento azul.

Unificación de la simbología El ejemplo del azul de Prusia es una muestra de la confusión que había sobre la identidad de una sustancia. No se sabe si la “nomenclatura” alquímica era oscura a propósito (pero sospechamos que sí, al igual que ahora hacen las empresas con los nombres comerciales), o bien, si era una consecuencia del esoterismo que rodeaba el trabajo de los alquimistas. El primero en notar estos problemas fue John Dalton, quien, como se vio en el bloque 3, trató de unificar los diferentes símbolos químicos que utilizaban a fin de lograr que con una sola representación se pudiera entender a cuál sustancia se hacía referencia. Aunque Dalton fue el iniciador de la unificación de los símbolos químicos, Jöns Jacob von Berzelius fue quien propuso tomar una o dos letras del nombre del elemento en idioma latín o alemán para formar los símbolos químicos. En la actualidad es posible encontrar algunos elementos químicos con un símbolo de una sola letra y algunos con tres, pero la mayoría se representan a partir de dos letras.

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

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Algunos ejemplos son el calcio Ca y el cromo Cr. Generalmente vamos a encontrar que el nombre en latín está muy relacionado con el nombre del elemento químico en español, pero no siempre es así. Por ejemplo, el hierro tiene por símbolo químico Fe (del latín ferrum) y el antimonio Sb (del latín stibium).

Representación de los compuestos Hemos visto cuáles símbolos se utilizan para representar a los elementos. Sin embargo, con frecuencia es necesario representar compuestos, los cuales están constituidos por al menos dos elementos. Al haber un solo nombre para cada elemento, los términos para designar a las sustancias compuestas se pudo construir con las raíces de dichos nombres, lo que permitió desechar la vieja nomenclatura de los compuestos que se basaba en las propiedades, como el gas de los pantanos, que cambió a sulfuro de hidrógeno; el azúcar de plomo, que hoy se llama ¡acetato de plomo!, sustancia muy tóxica para ser llamada azúcar sólo por su sabor ligeramente dulzón, o algunos basados en nombres de lugares, como la sal de Epsom, que hoy se llama sulfato de magnesio y que es un compuesto medicinal originalmente elaborado en Epsom, Inglaterra.

La identidad basada en la composición Hasta el siglo XVIII se había dado un nombre arbitrario a las sustancias identificadas o un mismo compuesto podía ser denominado de diferentes formas. A fin de representar las sustancias compuestas, Lavoisier, junto con los químicos franceses Claude-Louis Berthollet, Antoine Fourcroy y Guyton de Morveau, impulsó el uso de la composición como la propiedad esencial que identificaba a cada compuesto (figura 6.3). Además, propuso utilizar una simbología denominada fórmula química, otra razón para considerarlo el padre de la química moderna. La fórmula química se considera como un resumen de las características de la composición de una sustancia. Mediante una fórmula química se puede obtener información respecto al tipo de elementos que integran el compuesto químico, la relación de combinación de los elementos del compuesto químico, así como el tipo de compuesto que se representa con dicha fórmula. Hay diferentes tipos de fórmulas químicas: molecular, empírica y estructurales, entre las más utilizadas. • La fórmula molecular representa el número real de los átomos que forman la

Figura 6.3 Portada del libro de nomenclatura química de Lavoisier.

molécula de un compuesto dado. • La fórmula empírica sólo representa el número relativo de átomos pertene-

ciente a cada elemento que se encuentra presente en un compuesto. Un ejemplo de estos tipos de fórmulas son las utilizadas para la glucosa, cuya fórmula molecular es: C6H12O6 y su fórmula empírica: CH2O. En el caso de la fórmula estructural, la idea es indicar la unión entre los átomos de una molécula, como una especie de representación gráfica de una molécula (figura 6.4). El número de átomos enlazados indica la cantidad de átomos que se encuentran unidos en un compuesto. Este número se coloca en la parte inferior derecha del elemento químico: H2O.

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Figura 6.4 Representación estructural de la molécula de glucosa.

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Química 1

EN

Entra

Acción

A partir de la información que hemos revisado sobre la historia de la nomenclatura química, elabora una historieta que represente cómo se fue modificando la forma de nombrar a las sustancias desde la alquimia hasta nuestros días.

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

Descripción de las reglas de la IUPAC C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

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Ahora que hemos visto cómo se deben simbolizar los elementos, cómo se pueden simbolizar los compuestos y cómo escribir las fórmulas, veamos cómo han cambiado las reglas de nomenclatura. El nombre de los primeros elementos resultaba de nombres vulgares en griego o en latín. Muchos eran una descripción del color: cloro (del griego χλωρος, verdeamarillento); el olor: bromo (del griego, βρϖμος, fetidez); de un lugar: magnesio (de Magnesia, que en griego designaba una región de Tesalia, Grecia); de un astro:

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

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helio (del griego ηλος, Sol); de un personaje mítico: tantalio (por el nombre del rey griego Τανταλος, Tántalos), o de un personaje importante: einstenio (llamado así en honor de Albert Einstein). En la actualidad, la International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) —nombre y siglas de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada1, institución creada en 1919—, es la encargada de establecer el conjunto de principios y reglas que se aplican para la denominación inequívoca, única y distintiva de cada sustancia. En las reglas de nomenclatura de la IUPAC, los elementos han conservado sus nombres tradicionales, sólo se han eliminado los sinónimos en aquellos casos en los que un mismo elemento era conocido con más de un nombre.

Resistencia al cambio: nomenclatura de los elementos A pesar de los esfuerzos de sistematización de la IUPAC, los cambios no siempre han sido bien aceptados, a finales del siglo XX la IUPAC intentó establecer nombres sistemáticos para los elementos, en particular para aquellos con número atómico mayor a 100. Esto se debió a que en el siglo pasado, el descubrimiento de elementos pesados fue un área de investigación muy competida por diferentes grupos en el mundo. Cada grupo asignaba un nombre a un mismo elemento, alegando la primacía de su descubrimiento. Así, la IUPAC propuso que los elementos con número atómico mayor a 100, fueran nombrados siguiendo reglas sistemáticas: emplear numerales griegos y latinos para los nombres, mientras que los símbolos quedarían compuestos por tres letras. Por ejemplo, para el elemento 104, la IUPAC propuso el nombre de unnilquadio con símbolo Unq, utilizando las raíces un (1), nil (0) y quadio (4). Esta propuesta hubiese permitido resolver disputas como la surgida entre un grupo de investigación de la ex Unión Soviética y un grupo de Estados Unidos. Los soviéticos proponían los nombres dubnio (Db), por la ciudad de Dubna o kurchatovio (Ku) en honor de Ígor Vasílievich Kurchátov, un ex jefe de la investigación nuclear soviética. Por su parte, los estadounidenses propusieron el nombre de rutherfordio (Rf) en honor de Ernest Rutherford. El sistema propuesto por la IUPAC hubiera evitado duplicidad de nombres y establecido un criterio sistemático para nombrar a los elementos conocidos y a los elementos por descubrir, pero ¡la propuesta no fue bien acogida! Fue en 1997 cuando, finalmente, la IUPAC aceptó designar a los elementos 104, 105, 106, 107, 108 y 109 como rutherfordio (Rf ), dubnio (Db), seaborgio (Sg), bohrio (Bh), hassio (Hs) y meitnerio (Mt), respectivamente —nombres basados en los apellidos de científicos o lugares en donde fueron descubiertos—, con los cuales sustituyeron a los nombres sistemáticos propuestos por la IUPAC: unnilquadio (Unq, 104), unnilpentio (Unp, 105), unnilhexio (Unh, 106), unnilseptio, (Uns, 107), unniloctio (Uno, 108) y unnilenio (Unn, 109). La propuesta de símbolos de tres letras y los nombres sistemáticos para elementos con números atómicos mayores a 109 todavía se presentan en algunas tablas periódicas, por lo menos hasta que alguien los descubra y decida cuál nombre llevarán. Como puedes ver, pese a la existencia de una nomenclatura sistematizada, útil y fácil de recordar, a veces los químicos prefieren una terminología tradicional.

1

En este libro se prefiere el uso de las siglas en inglés IUPAC al uso de las siglas UIQPA, porque en la mayoría de las referencias bibliográficas e informáticas se mencionan las primeras y muy poco las segundas. Una búsqueda simple bajo UIQPA resulta en 10,300 entradas, en tanto que bajo IUPAC obtenemos ¡75,600 en español y 1,780,000 en total!

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Química 1

Herramientas o reglas de nomenclatura química IUPAC para los compuestos inorgánicos Escritura de fórmulas: el mecanismo usado para escribir las fórmulas de los compuestos no difiere mucho de las propuestas por Lavoisier: 1. Utilizamos los símbolos de los elementos que conforman el compuesto químico, por ejemplo, hierro (Fe) y oxígeno (O). 2. El tipo de compuesto representado se establece escribiendo primero el símbolo del elemento menos electronegativo2, seguido del elemento más electronegativo, en nuestro ejemplo: FeO 3. La relación de combinación de los elementos del compuesto químico se escribe como subíndice a la derecha del símbolo correspondiente. Si sólo entra en combinación un átomo de cada elemento, como en el caso del FeO, no se escriben los subíndices.

Lectura de las fórmulas: los nombres Leer una fórmula escrita, siguiendo la regla número 1 es simple, sólo necesitamos saber cuáles elementos conforman nuestro compuesto. Este nombre debe informar, en primer lugar, la composición, es decir, cuáles sustancias lo constituyen, por lo que el nombre del compuesto se forma utilizando las raíces del nombre de los elementos constituyentes. Las raíces se obtienen del nombre del elemento, el cual, como hemos mencionado, por lo regular coincide con el nombre en español, salvo algunas excepciones. A veces también se emplean raíces de origen griego. Tabla 6.1 Raíces de los nombres de algunos elementos.

Elemento

2

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Raíces

Arsénico

ars-

Azufre

azufr-, sulf-, tio-

Bromo

brom-

Cloro

clor-

Cobre

cupr-

Fósforo

fosf-

Hidrógeno

hidr-

Hierro

ferr-

Nitrógeno

nitr-, az(o)-

Oxígeno

ox-

Plata

argent-

Plomo

plumb-

En la mayoría de los casos es suficiente con saber cuáles elementos constituyen al compuesto y recordar la tendencia periódica de la electronegatividad. Cuando ambos son no metales, puede ser necesario consultar una tabla periódica.

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

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Las raíces son complementadas con el uso de sufijos, prefijos e infijos que dan información acerca del estado en el que actúa el componente designado por la raíz. Los sufijos -o y -uro, añadidos a las raíces brom- o clor- permiten distinguir entre bromo y cloro elementales y los aniones cloruro (Cl2) y bromuro (Br2). Tabla 6.2 Ejemplos de sufijos empleados para nombrar compuestos inorgánicos.

Sufijo

Uso

Ejemplo

-ato

Generalmente en los nombres de aniones poliatómicos.

nitrato (NO32), sulfato (SO422), fosfato (PO432), etcétera.

-ico

Generalmente para nombrar ácidos.

sulfúrico, nítrico, fosfórico

-ilo

Común en el nombre de radicales.

uranilo (UO2)21, metilo (CH32)

-ina

En compuestos del hidrógeno.

arsina, hidracina, fosfina, etcétera.

-o

En la terminación del nombre de muchos elementos.

aluminio, bromo, carbono, hierro, nitrógeno, oxígeno, sodio, etcétera.

-uro

Para nombrar aniones monoatómicos o al componente más electronegativo en un compuesto binario.

ion fluoruro F2 ion cloruro Cl2 ion bromuro Br2 fluoruro de litio LiF, cloruro de sodio NaCl, bromuro de potasio KBr.

La proporción en la que se encuentra cada uno de los componentes de una sustancia se indica mediante el uso de prefijos multiplicadores, en el caso de los nombres, y números arábigos en las fórmulas. Por ejemplo, los prefijos penta- y di- en pentóxido de difósforo indican la presencia de cinco átomos de oxígeno y dos de fósforo en el compuesto P2O5. Cuando es necesario utilizar dos prefijos iguales, para evitar confusión se utilizan las formas di- y bis-, tri- y tris-, tetra- y tetraquis-, etcétera. Por ejemplo, en el compuesto de fórmula Tl(I3)3 se nombraría tris(triyoduro) de talio. Tabla 6.3 Prefijos multiplicadores.

Número

Prefijo

Número

Prefijo

1

mono-

11

undeca-

2

di- (bis-)

12

dodeca-

3

tri- (tris-)

13

trideca-

4

tetra(tetraquis-)

14

tetradeca-

5

penta(pentaquis-)

15

pentadeca-

(Continúa)

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Química 1 (Continuación)

6

hexa(hexaquis-)

20

icosa-

7

hepta(heptaquis-)

21

unicosa

8

octa(octaquis-)

50

pentacontra-

9

nona(nonaquis-)

51

unipentacontra-

deca-

100

hecta-

10

Indicar solamente la identidad y la proporción de los elementos que forman un compuesto no es suficiente para distinguir todas las sustancias, ya que con los mismos átomos se pueden formar diferentes compuestos. Este problema se resolvió al introducirse dos conceptos nuevos: la valencia y el estado de oxidación. En 1852, Edward Frankland propuso la idea de que los átomos de cada sustancia elemental tienen una capacidad de “saturación” determinada, de manera que sólo se pueden combinar con un número limitado de átomos de otros elementos. Esta capacidad de combinación se llamó valencia (del latín valentia, fuerza, capacidad). La idea era que el número de enlaces formados por los elementos era una propiedad química fija y aunque se cumple en muchos casos, en otros la valencia puede variar entre compuestos diferentes. Uno de los primeros ejemplos en ser identificado fue el fósforo, que algunas veces se comporta como si tuviera una valencia de tres y otras como si fuera de cinco. Por su parte, el estado de oxidación se define como la carga con la que se quedaría un átomo dado, si los pares electrónicos de cada uno de los enlaces que forma dicho átomo con otros átomos se asignan en cada caso al más electronegativo. En 1919, Alfred Stock propuso un sistema de nomenclatura basado en el estado de oxidación. La idea era simplificar la nomenclatura (reduciendo el uso de prefijos y sufijos para indicar las proporciones de los componentes), la cual debe ser deducida a partir del número de oxidación, que en 1924 se recomendó que fuera escrita con un número romano entre paréntesis e inmediatamente después del nombre del elemento al que se refiere. Por ejemplo: FeCl2 FeCl3

cloruro de hierro (II) cloruro de hierro (III)

Otra forma de indicar la proporción de los componentes de un compuesto fue el uso del número de carga, magnitud que indica la carga del componente principal si estuviese como catión o anión. En los ejemplos anteriores tendríamos: FeCl2 FeCl3

cloruro de hierro (12) cloruro de hierro (13)

Este método fue propuesto en 1949 por R. V. G Ewens y H. Basset con el propósito de mejorar el sistema Stock, aunque su uso en sustancias comunes ha sido casi olvidado, es útil en compuestos de coordinación. Las reglas actuales de la IUPAC aceptan varias formas de expresar este segundo nivel de información: la proporción en la que se encuentran los constituyentes del compuesto. Estas diferentes formas de nomenclatura no sólo coexisten y se aplican a unos y otros compuestos, sino que además ha dado lugar a formas híbridas de nomenclatura.

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

Resolver ejercicios de nomenclatura

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Actualmente coexisten los tres tipos de nomenclatura, IUPAC, Stock y tradicional o antigua. Al ejemplificar el uso de la nomenclatura veremos en cuáles casos el uso de cada una de ellas prevalece sobre las otras. Debemos recordar que las reglas de nomenclatura de la IUPAC son recomendaciones, pues al final es el uso lo que permite la subsistencia de los sistemas de nomenclatura. Las reglas de nomenclatura de la IUPAC permiten establecer los nombres y fórmulas de los compuestos químicos inorgánicos, dentro de un sistema de nomenclatura que en conjunto es llamado sistema binario. Debes notar que el término binario hace referencia sólo a la estructura dual de los términos: una parte electropositiva y una electronegativa, y se aplica por igual para compuestos con dos o más componentes. La composición se especifica nombrando primero la parte negativa, luego la palabra de y, finalmente, la positiva. Por ejemplo, en la construcción del nombre químico del cloruro de sodio, cuya fórmula es NaCl, el nombre contiene la raíz del nombre de los elementos cloro y sodio de la tabla 6.1, más el sistema de sufijos de la tabla 6.2. En este caso simple, como la proporción de los elementos constituyentes es 1:1, no es necesario recurrir al uso de símbolos numéricos que informen de la proporción. En el caso de que las proporciones entre los elementos sea diferente de 1, las fórmulas deben indicar esta proporción mediante los prefijos multiplicadores. Cuando la proporción sea diferente de 1:1 y nada más exista un solo compuesto, se acepta que el nombre no indique la proporción. Por ejemplo, el compuesto de fórmula Al2O3 recibe el nombre de óxido de aluminio. Utilizando la estructura del compuesto y su nomenclatura, podemos clasificar a los compuestos más comunes de la química inorgánica en:

Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

Tabla 6.4 Clasificación de algunos compuestos inorgánicos.

Compuestos con hidrógeno

Compuestos con oxígeno

Compuestos con oxígeno e hidrógeno

冦

Hidruros metálicos

冦 冦

Óxidos metálicos

Hidrácidos

Óxidos no metálicos Hidróxidos

Oxiácidos

y Sales

Como verás, para cada uno de estos grupos de compuestos, las reglas de nomenclatura propuestas por la IUPAC son las mismas. Sin embargo, los nombres utilizados en la práctica no siempre coinciden con esas recomendaciones.

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Química 1

I N D I C A D O R

D E

D es e m pe ño Resuelve ejercicios de nomenclatura Química donde a partir del nombre escribe la fórmula y viceversa, siguiendo las reglas establecidas por la UIQPA.

Hidruros metálicos Se forman por iones metálicos de los grupos 1 y 2 unidos al ion hidruro (H21). La composición en su fórmula se especifica indicando primero la parte positiva (el metal) y luego la negativa (el H). Sus nombres se forman nombrando primero la raíz del hidrógeno, seguido del sufijo -uro, luego la preposición de la raíz del metal, más el sufijo -o. (Tablas 6.1 y 6.2).

EN

Entra

Acción

Completa el siguiente cuadro: Fórmula

Nombre

Fórmula

Nombre

LiH

Hidruro de potasio

CaH2

Hidruro de estroncio

Hidrácidos Se forman por la combinación del hidrógeno con no metales de los grupos 16 y 17, EXCEPTO con el oxígeno. Es notable que todos estos compuestos sean gaseosos, a excepción del agua (H2O). ¿Puedes explicar por qué? Sus fórmulas se integran con los símbolos del hidrógeno, en primer lugar, y el símbolo del no metal a continuación. Los nombres para los compuestos puros se forman utilizando las tablas 6.1 y 6.2. En tanto que el nombre de la disolución acuosa de estos compuestos se forma anteponiendo el nombre ácido, después la raíz del nombre del no metal, más la terminación hídrico.

EN

Entra

Acción

Observa el ejemplo y completa el cuadro: Fórmula HF

Nombre Fluoruro de hidrógeno

Nombre de la disolución acuosa Ácido fluorhídrico

HCl HBr HI H2S H2Se H2Te

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

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Óxidos metálicos Se forman por la combinación de iones metálicos unidos al ion óxido (O22). La composición en su fórmula se especifica indicando primero la parte positiva (el metal) y luego la negativa (el O). En tanto que los nombres se forman indicando el número de veces que aparece el anión óxido mediante los prefijos multiplicadores, más la raíz del oxígeno, seguido del sufijo -o, la preposición de, el número de veces que aparece el catión metálico con los prefijos multiplicadores, más la raíz del metal y al final el sufijo -o. (Tablas 6.1 y 6.2).

EN

Entra

Acción

Fórmula Na2O

Observa el ejemplo y completa el cuadro: Nombre Óxido de sodio

Fórmula TiO2

Nombre Dióxido de titanio

CaO

Óxido de magnesio

SnO

Dióxido de estaño

MnO

Trióxido de dimanganeso

MnO2

Dióxido de manganeso

Mn2O7

Trióxido de dicromo

Ten en cuenta que, pese a las ventajas de la nomenclatura sistemática propuesta por la IUPAC, persiste el uso de las nomenclaturas tradicional o clásica y la Stock para nombrar a los óxidos metálicos, por lo cual no es raro encontrar en los libros y en las etiquetas de los reactivos nombres como:

Óxido ferroso (tradicional) u óxido de hierro (II) (Stock) para el FeO, óxido de hierro. Óxido férrico (tradicional) u óxido de hierro (III) (Stock) para el Fe2O3, trióxido de dihierro. Sin embargo, la practicidad del sistema IUPAC parece estar ganando terreno en el caso de los óxidos metálicos, porque evita la memorización de los estados de oxidación.

Óxidos de no metales Se forman por la combinación del oxígeno y otros no metales. A diferencia de los óxidos metálicos, en los que existe una tendencia a formar un enlace de carácter más de tipo iónico, en los óxidos de los no metales los compuestos tienen un carácter covalente. La composición en su fórmula se especifica indicando primero la parte considerada más electropositiva y luego la más electronegativa, el oxígeno. ¿Existen compuestos de flúor y oxígeno? Si el flúor es el elemento más electronegativo de todos, ¿cómo se escribe su fórmula? ¿Cuál será el estado de oxidación del oxígeno en estos compuestos? Los nombres de los óxidos de los elementos no metálicos se forman indicando el número de veces que aparece el anión óxido con los prefijos multiplicadores, más la raíz del oxígeno, seguido del sufijo -o, la preposición de, el número de veces que aparece el no metal usando prefijos multiplicadores, la raíz del no metal más el sufijo -o. (Tablas 6.1, 6.2 y 6.3).

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Química 1

EN

Entra

Acción

Observa el ejemplo y completa el cuadro: Fórmula Cl2O

Nombre Óxido de dicloro

Fórmula Cl2O5

Nombre Pentóxido de dicloro

ClO2

Heptóxido de dicloro

P2O3

Pentóxido de difósforo

SO2

Trióxido de azufre

CO2

Monóxido de carbono

SiO2

Trióxido de diboro

Ten en cuenta que, en el caso de los óxidos de los no metales, subsiste, aunque cada vez menos, el uso de las nomenclaturas antigua y Stock. En estos casos es posible encontrar referencias a los óxidos de los no metales como anhídridos, más los prefijos y sufijos de la nomenclatura tradicional, y como óxidos del no metal más el número de oxidación en números romanos en la Stock. Por ejemplo: anhídrido sulfuroso (tradicional) u óxido de azufre (IV) (Stock) para el SO2, dióxido de azufre. Anhídrido sulfúrico (tradicional) u óxido de azufre (VI) (Stock) para el SO3, trióxido de azufre.

Hidróxidos metálicos Se forman por la combinación de iones metálicos y el ion hidróxido (OH2). La composición en su fórmula se especifica indicando primero la parte positiva (el metal) y luego el grupo aniónico OH2, más los subíndices correspondientes a las proporciones que correspondan. Sus nombres se forman indicando el número de veces que aparece el anión hidróxido con los prefijos multiplicadores, más la palabra hidróxido, la preposición de, la raíz del metal con el sufijo -o. (Tablas 6.1 y 6.2).

EN

Entra

Acción

Observa el ejemplo y completa el cuadro: Fórmula NaOH

Nombre Hidróxido de sodio

Fórmula Ca(OH)2

Nombre Dihidróxido de calcio

LiOH

Dihidróxido de magnesio

KOH

Trihidróxido de aluminio

NH3OH

Dihidróxido de estaño

Zn(OH)2

Trihidróxido de cromo

También en el caso de los hidróxidos persiste el uso de las nomenclaturas tradicional y Stock. En estas ocasiones encontrarás referencias a dichos compuestos como

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

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hidróxido de, más la raíz y los sufijos de la nomenclatura tradicional, o como hidróxidos de, más la raíz del metal y el sufijo -ico. Por ejemplo: Hidróxido ferroso (tradicional) o hidróxido de hierro (II) (Stock) para el Fe(OH)2, dihidróxido de hierro. Hidróxido férrico (tradicional) o hidróxido de hierro (III) (Stock) para el Fe(OH)3, trihidróxido de hierro. Es importante señalar que algunos hidróxidos de metales con altos estados de oxidación tienen carácter ácido y, por consiguiente, se les da el nombre de oxácidos, en lugar de hidróxidos. La nomenclatura IUPAC recomienda nombrarlos mediante el uso de los prefijos multiplicadores, indicando el número de oxígenos, más la raíz oxo-, seguido de la raíz del metal, más el sufijo -ato, la preposición de seguida de los prefijos multiplicadores, indicando el número de hidrógenos, más la palabra hidrógeno. Por ejemplo: H2MnO4 quedaría como tetraoxomanganato de dihidrógeno. En el caso de los oxiácidos de metales, denominados anfóteros por la dualidad de sus propiedades ácido-base, la nomenclatura IUPAC no ha desplazado el uso de las nomenclaturas tradicional y Stock, quizá por el hecho de que estos compuestos son poco frecuentes y de poco uso. Es por eso que se te proporcionan los nombres de los oxiácidos metálicos más comunes y sus nombres en ambas nomenclaturas y se te insta a completar el nombre IUPAC en el siguiente cuadro. Fórmula

Nombre tradicional

Nombre Stock

H2SnO2

Ácido estanoso

Ácido estánico (II)

H2SnO3

Ácido estánico

Ácido estánico (IV)

H2PbO3

Ácido plúmbico

Ácido plúmbico (IV)

H2CrO4

Ácido crómico

Ácido crómico (III)

H2Cr2O7

Ácido dicrómico

Ácido dicrómico (VI)

H2MnO4

Ácido mangánico

Ácido mangánico (VI)

HMnO4

Ácido permangánico

Ácido mangánico (VII)

Nombre IUPAC

Oxácidos no metálicos En la nomenclatura IUPAC también se les considera como compuestos de hidrógeno y para ellos la nomenclatura IUPAC tiene las siguientes reglas: • Se usan los prefijos multiplicadores, indicando el número de oxígenos, más

la raíz oxo-, seguido de la raíz del no metal, más el sufijo -ato, la preposición de seguida de los prefijos multiplicadores, indicando el número de hidrógenos, más la palabra hidrógeno. Por ejemplo:

H2SO4 quedaría como tetraoxosulfato de dihidrógeno. El caso de los oxácidos es peculiar, porque pese a la sencillez de la nomenclatura IUPAC, su uso no es aceptado y, menos aún, utilizado. Lo común es encontrar los nombres de los oxiácidos (así, con i), tal como lo recomienda la nomenclatura tradicional, tanto en libros como en las etiquetas de dichos reactivos. El uso de la nomenclatura tradicional para los oxiácidos está tan arraigada, tanto

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Química 1

en la práctica química como fuera de ella, que la nomenclatura Stock de estos compuestos fue poco utilizada y no se le recuerda más que en los libros de texto, por lo cual, los nombres de los oxiácidos más utilizados se conocen más por sus nombres en la nomenclatura tradicional que por sus nombres en la nomenclatura Stock o IUPAC. El caso de los oxiácidos derivados del cloro permite establecer la pauta para nombrar al resto mediante los prefijos y sufijos de la nomenclatura tradicional, en la cual se antepone la palabra ácido. Tabla 6.5 Oxiácidos derivados del cloro.

Fórmula

Nombre

HClO

Ácido hipocloroso

HClO2

Ácido cloroso

HClO3

Ácido clórico

HClO4

Ácido perclórico

EN

Entra

Acción

Observa el ejemplo y completa la tabla. Fórmula H2SO4

Nombre Ácido sulfúrico

Fórmula H2SO3

Nombre Ácido sulfuroso

HSeO4

Ácido selenioso

HNO3

Ácido nitroso

H3PO3

Ácido fosfórico

H3AsO3

Ácido arsénico

H3BrO3

Ácido peryódico

H3CO3

Ácido silícico

La coexistencia de las tres nomenclaturas ha permitido el surgimiento de variantes híbridas en las que se mezclan las nomenclaturas de tal manera que aparecen nombres como ácido tetraoxosulfúrico para el H2SO4. También hay oxiácidos poco comunes, cuya nomenclatura tradicional persiste. Se han añadido en la siguiente lista con fines informativos. En estos casos, la nomenclatura IUPAC ha ganado terreno porque detalla la composición y las proporciones. Tabla 6.6 Otros oxiácidos.

Fórmula

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Nombre

Fórmula

Nombre

H2S2O3

Ácido tiosulfúrico

HBO2

Ácido metabórico

HNCO

Ácido ciánico

H3PO4

Ácido ortofosfórico

HSCN

Ácido tiociánico

HPO3

Ácido metafosfórico

HCS3

Ácido tiocarbónico

H4P2O7

Ácido pirofosfórico

H3BO3

Ácido ortobórico

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

En el marco de la nomenclatura en el cual surgieron estos nombres, el prefijo tio- (tabla 6.1) se usaba en aquellos ácidos donde los átomos de oxígeno han sido sustituidos total o parcialmente por átomos de azufre. El prefijo orto- hacía referencia al ácido normal, en tanto que el prefijo meta- se refería al ácido orto-, que ha perdido una molécula de agua, y piro- a dos moléculas del ácido orto- unidas, pero que contienen una molécula de agua menos.

EN

Entremos

Acción

Actividad experimental

Óxidos con propiedades ácidas y básicas El objetivo de esta actividad es responder a la pregunta: ¿qué comportamiento ácidobase tienen los óxidos de sodio, calcio, magnesio, azufre y carbono? Para responderla, primero vas a preparar el óxido de cada uno de los elementos mediante su combustión. Después disolverás el óxido en agua y determinarás si presenta propiedades ácidas o básicas. Antes de iniciar, plantea una hipótesis, es decir, para cada elemento indica qué propiedades crees que presentará el óxido:

C O M P E T E N C I A S

Disciplinar es • Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. • Obtiene, registra y sistematiza la información para responder preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. • Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño

Para realizar la actividad, su profesor les proporcionará los siguientes materiales por equipo: • • • • • • • • • • • •

Un trozo pequeño de sodio metálico. Un trozo pequeño de calcio metálico. Una punta de espátula de azufre en polvo. Un trozo de hielo seco (dióxido de carbono). Hidróxido de sodio. Agua destilada. Indicador universal. 5 vasos de precipitado de 100 mL. 1 cucharilla de combustión. 1 mechero. 3 tubos de ensayo. 1 popote para beber.

Desarrolla una práctica experimental en la que conoce las características de las diversas sustancias para ubicarlas en el tipo de compuesto que le corresponde, siguiendo las normas de seguridad que apliquen.

Procedimiento 1. Investiga las precauciones que debes tomar para manejar cada una de las sustancias y anótalas en el siguiente espacio.

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Química 1

2. En los tres tubos prepara las disoluciones testigo que servirán para comparar la coloración de las disoluciones de los óxidos con el indicador universal de la siguiente forma: • En el primero de estos tubos coloca 5 mL de agua destilada y dos gotas de indicador universal. ESTA DISOLUCIÓN ES NEUTRA. • En el segundo tubo pon 5 mL de disolución de hidróxido de sodio (6 M) y dos gotas de indicador universal. ÉSTA ES LA DISOLUCIÓN BÁSICA. En el tercer tubo sirve 5 mL de ácido clorhídrico (1:1) y dos gotas de indicador universal. ÉSTA ES LA DISOLUCIÓN ÁCIDA. 3. Coloca en la cucharilla de combustión un trozo pequeño de sodio, acércalo a la flama del mechero y permite que se lleve a cabo la combustión. 4. Introduce la cucharilla con el producto en un vaso que contenga aproximadamente 20 mL de agua destilada. Añade dos o tres gotas de indicador universal. 5. Compara con las disoluciones testigo y concluye cómo fue el comportamiento del compuesto. 6. Repite los pasos anteriores con el calcio usando pequeñas cantidades en todos los casos. 7. Para quemar el azufre trabaja dentro de una campana de extracción o en el exterior, porque los gases que se desprenden son tóxicos. 8. En el caso del carbono, coloca directamente el trozo de hielo seco (CO2) en un vaso con 20 mL agua destilada y ponle dos o tres gotas del indicador. 9. Registra tus resultados en la siguiente tabla y escribe las fórmulas de cada una de las sustancias. Elemento ⴙ oxígeno

Óxido ⴙ agua

Color del indicador

Comportamiento ácido o base

Sales, oxosales neutras, sales ácidas y sales básicas El caso más simple es el de las sales formadas por un catión y un anión, en los cuales la fórmula se escribe de acuerdo con el sistema binario, indicando primero la parte electropositiva (catión) y luego la electronegativa (anión). Se recomienda nombrarlos con los prefijos multiplicadores, indicando el número de veces que aparece el elemento electronegativo, más la raíz del elemento electronegativo, seguido del sufijo -uro, la preposición de, los prefijos multiplicadores, indicando el número de veces que aparece el elemento electropositivo, la raíz del elemento electropositivo y el sufijo -o cuando corresponda.

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

143

Ejemplos: Tabla 6.7 Ejemplos de la formación de nombres de compuestos.

Fórmula

Nombre

Fórmula

Nombre

Na2S

Sulfuro de sodio

Cu2S

Sulfuro de dicobre

Cu3N

Nitruro de tricobre

Al2S3

Sulfuro de aluminio

CaCl2

Cloruro de calcio

NH3Cl

Cloruro de amonio

FeCl2

Dicloruro de hierro

FeCl3

Tricloruro de hierro

Por razones históricas, muchos compuestos prescinden de los prefijos multiplicadores porque no hay ambigüedad con respecto al número de compuestos que tiene esa composición. Tal es el caso de los cationes de los grupos 1 y 2 (alcalinos y alcalinotérreos), en los cuales se excluyen los prefijos multiplicadores porque los estados de oxidación de ambos grupos son invariables. Lo mismo ocurre en el caso del catión Al13. Por lo que observamos sulfuro de sodio y no sulfuro de disodio y sulfuro de aluminio y no trisulfuro de aluminio. En la práctica, la nomenclatura IUPAC no ha podido desplazar a la tradicional y Stock, por lo que coexisten las tres. Tabla 6.8 Comparación de nombres bajo las nomenclaturas tradicional y Stock.

Fórmula

Nomenclatura tradicional

Nomenclatura Stock

Cu3N

Nitruro cuproso

Nitruro de cobre (I)

Cu2S

Sulfuro cuproso

Sulfuro de cobre (I)

FeCl2

Cloruro ferroso

Cloruro de hierro (II)

FeCl3

Cloruro férrico

Cloruro de hierro (III)

Oxosales Se usan los prefijos multiplicadores indicando el número de oxígenos, más la raíz del oxo-, seguido de la raíz del no metal, más el sufijo -ato, en caso de que el grupo oxoaniónico aparezca más de una vez, se antecede al grupo completo con los prefijos multiplicadores de la tabla 6.3. A continuación, la preposición de, seguida de los prefijos multiplicadores, indicando el número de veces que aparece la especie electropositiva, más el sufijo -o. Ejemplos: Tabla 6.9 Ejemplos de nominación de oxosales.

Fórmula

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Nombre

Na2SO4

Tetraoxosulfato de sodio

Na2SO3

Trioxosulfato de sodio

Ca3(PO4)2

Bis(tetraoxofosfato) de calcio

FeCO3

Trioxocarbonato de hierro

Fe2(CO3)3

Tris(tetraoxocarbonato) de dihierro

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Química 1

La nomenclatura IUPAC de las oxosales, vistas como derivados de los oxiácidos, es poco aceptada y su uso es limitado. En gran cantidad de oxosales se siguen usando las nomenclaturas tradicional y Stock e, incluso, una mezcla de ambas, denominada híbrida. En la nomenclatura tradicional, cuando las oxosales son neutras, esto es, que todos los hidrógenos del ácido han sido sustituidos, el grupo aniónico conserva su prefijo y raíz y se sustituyen los sufijos -oso por -ito e -ico por -ato, seguidos de la palabra de y el nombre del elemento electropositivo. Aunque la nomenclatura tradicional recurre al uso de sufijos -oso e -ico para la especie electropositiva, son de uso generalizado los nombres híbridos en los que se utiliza el nombre de la especie electropositiva con el sufijo -o y el estado de oxidación del catión entre paréntesis y con números romanos. Ejemplos: Tabla 6.10 Ejemplos de nominación bajo la nomenclatura híbrida.

Fórmula

Nomenclatura tradicional

Nomenclatura Stock híbrida

NaNO2

Nitrito sódico

Nitrito de sodio

NaNO3

Nitrato sódico

Nitrato de sodio

CuCO3

Carbonato cúprico

Carbonato de cobre (II)

KClO2

Clorito potásico

Clorito de potasio

KClO3

Clorato potásico

Clorato de potasio

Ca(ClO4)2

Perclorato cálcico

Perclorato de calcio

Ti2(SO4)3

Sulfato titanoso

Sulfato de titanio (III)

Oxosales ácidas y básicas Cuando las oxosales no son neutras, bien sea porque los hidrógenos del ácido no han sido totalmente sustituidos, en cuyo caso tendremos una sal ácida, o bien, porque el ion hidróxido ha sustituido a un ion negativo, en cuyo caso tendremos una sal básica, coexisten las tres nomenclaturas, con especial preponderancia de la tradicional. Se enlistan las más comunes. Tabla 6.11 Nominación de oxasales ácidas y básicas.

Fórmula

Tradicional

Como sal ácida

Sistemática

NaHCO3

bicarbonato sódico

carbonato ácido de sodio

hidrogencarbonato de sodio

NaHS

bisulfuro sódico

sulfuro ácido de sodio

hidrogensulfuro de sodio

NaHSO3

bisulfito sódico

sulfito ácido de sodio

hidrogensulfito de sodio

NaHSO4

bisulfato sódico

sulfato ácido de sodio

hidrogensulfato de sodio

NaHPO4

fosfato monoácido de sodio

hidrogenfosfato de sodio

NaH2PO4

fosfatodiácido de sodio

dihidrogenfosfato de sodio

Ca(OH)CO3

carbonato básico de calcio

hidroxocarbonato de calcio

Al(OH)SO3

sulfito básico de aluminio

hidroxosulfito de aluminio

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

La nomenclatura IUPAC para las sales ácidas es la menos utilizada, pero también la menos ambigua. En este caso, el NaHSO4 se denomina tetraoxosulfato de sodio e hidrógeno, por lo que puedes ver cómo se aplican reglas similares para un oxácido. La ventaja de esta nomenclatura es que el hidrógeno es claramente una especie electropositiva, al igual que el sodio, de manera que refleja mejor la estructura real del compuesto. En lo que respecta a las sales básicas, la IUPAC recomienda nombrarlas como sales con doble anión, uno de los cuales es el ion hidróxido; la recomendación es ordenarlos alfabéticamente.

Sales mixtas Son aquellas que contienen dos o más especies electropositivas o electronegativas diferentes, en estos casos deben citarse en orden alfabético, tanto en la fórmula como en el nombre. Ejemplos: AlNa(SO4)2 LiNaCO3

TU

Amplía

Sulfato de aluminio y sodio Carbonato de litio y sodio

C O M P E T E N C I A S

Disciplinar es

e

Horizont

Junto con un compañero realiza una visita a un centro comercial y revisen las etiquetas de varios productos. La idea es que localicen al menos una sustancia de cada uno de los tipos estudiados: hidruros metálicos, hidrácidos, óxidos metálicos, óxidos de no metales, hidróxidos metálicos, oxiácidos y sales. Organicen en la siguiente tabla la información que reúnan. Producto comercial

Nombre de la sustancia reportada en la etiqueta

Fórmula

Tipo de compuesto

• Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. • Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Muestra su habilidad en el reconocimiento de compuestos inorgánicos presentes en productos de uso cotidiano.

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Química 1

DE

Pista

Aterrizaje

Proyecto: Origen de los nombres de las sustancias, significado y contexto histórico Ahora que has terminado este bloque, organízate con tus compañeros de grupo para elaborar el álbum sobre la historia de los elementos. Recuerda que la idea es que cada uno de ustedes elija un elemento o un compuesto que considere interesante e investigue cómo se descubrió, sus propiedades y de dónde viene su nombre. Pónganse de acuerdo en un formato general para la presentación del trabajo, aunque es importante que cada uno plasme su estilo particular. Para conjuntar el material pueden usar una carpeta de argollas con cubiertas de plástico para meter cada hoja. Coloquen al final 10 (o más) formatos con la siguiente rúbrica de autoevaluación. Una vez que esté listo el álbum, reúnanse en equipos de cinco personas para revisar el documento, y en la tabla A cada equipo otorgará una calificación de acuerdo con la rúbrica de la siguiente tabla B.

Coevaluación Tabla A. En esta tabla, cada uno de los equipos otorgará una calificación sobre los detalles, la claridad y la calidad del álbum de acuerdo con la rúbrica de la tabla B. Álbum sobre la historia de los elementos

E1

E2

E3

E4

E5

E6

E7

E8

Detalles y profundización Claridad del documento Calidad del diseño Tabla B. Para otorgar la calificación que tu equipo da al álbum en cada uno de los tres rubros, localicen la descripción que mejor coincide con su opinión y anoten en la tabla A el valor numérico que corresponda. Por ejemplo, si opinan sobre la claridad del documento que la información está bien organizada, corresponderá 5 o 6 puntos, según lo decidan. Álbum sobre la historia de los elementos

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Detalles y profundización

Escasos detalles (1 a 2)

Algunos detalles (3 a 4)

Buena cantidad de detalles (5 a 6)

Descripción abundante de la información (7 a 8)

Claridad del documento

Vago y poco claro (1 a 2)

No suficientemente organizado (3 a 4)

Bien organizado (5 a 6)

Altamente organizado y fácil de seguir (7 a 8)

Calidad del diseño

Poco diseño (1 a 2)

Diseño simple (3 a 4)

Atractivo, invita a verlo (5 a 6)

Diseño excepcional (7 a 8)

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

Caja de

147

herramientas

Seguridad en el laboratorio La nomenclatura y la simbología, además de ser útiles para comunicarse, también resultan de gran importancia en lo que se refiere a la seguridad que se debe tener al trabajar en un laboratorio. Así, es importante conocer el significado de algunas palabras, las normas básicas para trabajar, así como las recomendaciones para disponer de los residuos que se generan en las actividades experimentales. A continuación encontrarás una lista de 10 reglas a seguir cuando se trabaja en el laboratorio y un glosario básico sobre la peligrosidad de las sustancias. Parece fácil, pero romper estas reglas puede poner en serio peligro tu salud.

Reglas de seguridad básicas en el laboratorio 1. Siempre utiliza protección en los ojos (gogles o anteojos especiales). 2. Consulta las propiedades de las sustancias que vas a utilizar. 3. Usa ropa adecuada: prendas holgadas, bata de algodón y zapatos cerrados de tacón bajo. 4. Recoge tu cabello. 5. Siempre lava tus manos antes y después de trabajar. 6. Nunca trabajes solo en el laboratorio. 7. No comas, bebas, fumes, ni te apliques cosméticos en el laboratorio. 8. No lleves a cabo preparaciones o experimentos que no haya autorizado tu profesor. 9. No juegues ni hagas trucos o malabares en el laboratorio. 10. No saques los reactivos del laboratorio.

Glosario de términos sobre la peligrosidad de las sustancias

C O M P E T E N C I A S

Disciplinar es • Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. • Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece.

Ácidos o bases fuertes. Son sustancias que se ionizan completamente en disolución acuosa. Tienden a reaccionar rápida y vigorosamente. Oxidantes. Son compuestos que fácilmente ganan electrones, con frecuencia aportan oxígeno al reaccionar y, por lo regular, desprenden calor en las reacciones. Sus reacciones con sustancias reductoras pueden ocasionar incendios. Punto de ignición. Se refiere a la temperatura mínima a la que una sustancia se evapora y forma una mezcla inflamable con el aire. Combustible. Sustancia que tiene punto de ignición igual o mayor a 37.8 °C. Líquido flamable. Sustancia que tiene un punto de ignición menor a 37.8 °C. Explosión. Reacción química que sucede rápidamente, produce calor y gases que se expanden. Carcinógeno. Sustancia capaz de causar cáncer en humanos. Mutágeno. Sustancia capaz de causar modificaciones en el ADN de las células humanas.

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Química 1

LO

Evalúa

o

Aprendid

Unidad de competencia desarrollada: Maneja el lenguaje de la química, identifica los compuestos de uso cotidiano y aplica las normas de seguridad necesarias para el manejo de productos químicos.

Evaluación del bloque Aplica tus conocimientos llenando la siguiente tabla con las fórmulas y los nombres de los compuestos que se forman uniendo catión con anión.

Aniones

SO2ⴚ 4

OH ⴚ

HPO2ⴚ 3

ClO1ⴚ 4

Fⴚ

Cationes Cu21

CuSO4 sulfato de cobre

Fe31

Cd21

Al31

NH411

Na11

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

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Autoevaluación En la siguiente evaluación del bloque encontrarás enlistados los aprendizajes que se espera que hayas adquirido después de estudiar este bloque. En la tercera columna de la tabla hay un espacio para que reflexiones sobre tu desempeño y escribas “Sí”, “No” o “Faltó trabajo”, según consideres en qué medida adquiriste o no ese aprendizaje.

Tipo de saberes

Conocimientos

Habilidades

Saberes requeridos para el logro de la competencia

Resultado de la evaluación

Describo las reglas establecidas por la IUPAC para escribir fórmulas y nombres de los compuestos químicos inorgánicos: • Óxidos metálicos. • Óxidos no metálicos. • Hidruros metálicos. • Hidrácidos. • Oxiácidos. • Sales. Resuelvo ejercicios de nomenclatura química inorgánica, siguiendo las reglas establecidas por la IUPAC. Identifico las fórmulas químicas en productos de uso común. Clasifico por la función química los diferentes tipos de compuestos inorgánicos (óxidos, ácidos, bases y sales) de mayor uso.

Actitudes y valores

Valoro la utilidad del manejo del lenguaje de la química. Muestro disposición al trabajo metódico y organizado. Prevengo riesgos al utilizar las sustancias químicas que uso cotidianamente.

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150

Química 1

Proyecto

TIC TIC TIC Hay algunas sustancias cuyas moléculas tienen estructuras sorprendentes y divertidas. Si te interesa, consulta las direcciones de Internet que se enlistan después de los ejemplos.

Nombre trivial

Estructura

Nombre químico sugerido

oldmacdonaldeneninol

6-(6-(3-(1-etil-1-metilpropil)4-hexinil)-4,4-dipropil-2(2-propinil)-2-ciclohexenil)4-metil-2- ciclohepten-1-ol

vacaeneninol

(Z)-6-(2,3-dietil-2-ciclopentenil)7,7,10,10-tetraetil-8-ciclodecen2,4-diin-1-ol

guajoloeneninol

2-(3,3-dietimil-2,4-divinil-6,6diisobutilcicloheptil) cicloproanol

gansoeneninol

(2E, 4Z)-13ciclopropilciclo-tridec-2,4dien-8,10-diin-1-ol

serpenteneninol

(Z,Z)-11-(2-isopropilciclopentil) undeca-6,10-dien-4,8-diin-1-ol

jirafeneninol

(4Z,7E)-12-ciclopropil-3,6,6trietil-4,7-dodecadien-9,11diin-3-ol

patoeneninol

(Z)-2-(1-buten-3-inil)-3-(4,4dimetil-2-ciclobutenil)-4, 4-diisobutil-2-(2-propinil) ciclopentanol

Figura 6.5 Ejemplos divertidos de algunas estructuras de compuestos.

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Bloque 6 • Maneja la nomenclatura química inorgánica

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En los ejemplos anteriores puedes ver que el nombre trivial que reciben los compuestos se relaciona con su forma. Sitio Web sugerido para consulta: http://www.scribd.com/doc/6937763/Introduccion-a-la-Nomenclatura-IUPAC-de-Compuestos-Organicos

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BLOQUE

7

Representa y opera reacciones químicas

Tiempo asignado al bloque ✔ 15 horas

Indicadores de desempeño El alumno:

✔ Resuelve cuestionarios y/o una colección

Unidad de competencia Reconoce a los procesos químicos como fenómenos de su entorno y demuestra la validez de la Ley de la Conservación de la Materia al balancear ecuaciones químicas.

de ejercicios donde complete ecuaciones químicas, efectuando el balanceo correspondiente. ✔ Resuelve ejercicios de identificación del tipo de reacción: síntesis, descomposición, simple sustitución y doble sustitución. ✔ Argumenta los resultados de la experimentación sobre reacciones redox. ✔ Explica las reacciones químicas que observa en su entorno, identificando cuáles generan productos nocivos.

¿Qué tienen en común la respiración, la oxidación que sufren los metales y la contaminación del aire? La comprensión y el manejo de las reacciones químicas nos permite entender por qué algunas sustancias pueden ser tóxicas, mientras que otras nos resultan indispensables para vivir. En este bloque reconocerás diferentes tipos de reacciones químicas, en especial las conocidas como de óxido-reducción.

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5/28/10 9:38:30 AM

SABERES REQUERIDOS Habilidades

Conocimientos ✔ Reconoce el significado de los símbolos utilizados en la escritura de ecuaciones químicas. ✔ Distingue entre las reacciones de síntesis, descomposición, sustitución simple y sustitución doble. ✔ Conoce los métodos de balanceo de ecuaciones químicas por tanteo y por óxido-reducción. ✔ Explica los conceptos de oxidación y reducción, agente reductor, agente oxidante y número de oxidación.

✔ Explicar la transformación de las ✔ ✔ ✔

✔

sustancias, empleando ecuaciones químicas. Predice los productos de diferentes reacciones químicas. Demuestra la Ley de la Conservación de la Materia a partir del balanceo de ecuaciones. Calcula el número de oxidación de los elementos que participan en una reacción química tipo redox, determinando cuáles elementos se oxidan y cuáles se reducen. Aplica el balanceo por el método de tanteo y óxido-reducción.

Actitudes y valores ✔ Valora la observación e identificación experimental de los cambios químicos. ✔ Valora la Ley de la Conservación de la Materia como principio fundamental de la química moderna. ✔ Aprecia la importancia de las reacciones de óxido-reducción en su entorno y en su organismo. ✔ Valora las repercusiones positivas o negativas sobre el medio ambiente y la sociedad, provocadas por los procesos químicos.

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5/28/10 9:38:32 AM

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Proyecto

Conservación de monumentos históricos

A

l término de este bloque te proponemos que junto con tus compañeros de grupo realices una investigación acerca de los monumentos históricos que hay en su comunidad, pero con un enfoque químico. La idea es que, además de investigar sobre los personajes o sucesos que representan parte de la historia de su ciudad y que están plasmados en dichos monumentos o edificios, investiguen acerca de los materiales con que están hechos y los tratamientos que reciben para mantenerlos en buenas condiciones. Esto es importante, pues el deterioro que han sufrido en fechas recientes los monumentos históricos que se encuentran a la intemperie en todo el mundo ha ido en aumento, por lo que es un tema de actualidad entre químicos, arqueólogos e historiadores. Formen equipos de cuatro personas, asignen un monumento a cada equipo (pueden ser estatuas, edificios o cualquier objeto histórico) y tras la investigación, cada equipo presentará en un cartel al resto del grupo el producto de su investigación.

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5/28/10 9:38:33 AM

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Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

¿Tú qué dices?

C O M P E T E N C I A

Disciplinar

Los famosos y su compromiso con el medio ambiente Cada vez es más común que personajes de la farándula, actores y cantantes de todo el mundo, aparezcan promoviendo campañas en defensa del medio ambiente. Las especies en extinción, la conservación de los bosques, las reservas de agua y la contaminación del aire son motivo para organizar conciertos, colectas, carreras y manifestaciones en las que los famosos buscan concientizar a la sociedad sobre la importancia de cuidar el ambiente. Ante esta situación surgen varias preguntas:

Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

• ¿Quién obtiene el mayor beneficio de estos movimientos: los famosos o el

planeta? • ¿Qué tanto contribuirán estos famosos con sus acciones cotidianas en la con-

servación del medio? • ¿Tenemos claro qué debemos hacer o evitar en nuestras acciones diarias para

proteger la naturaleza? Junto con un compañero comenten acerca de ello y escribe tus respuestas en el siguiente espacio.

TIC

TIC

TIC

C O M P E T E N C I A

Disciplinar

O

rganicen en el salón de clases una discusión acerca de las preguntas anteriores. Trabajen de forma ordenada para que puedan escuchar las opiniones de todos. A partir de las ideas que surjan, realiza una búsqueda más amplia para llenar la siguiente tabla. En Internet podrás encontrar una gran cantidad de información sobre la vida de los famosos y de su participación en movimientos ecologistas.

Nombre del famoso

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Figura 7.1 Los famosos de todo el mundo hacen campañas para promover el cuidado del ambiente.

Movimientos ecologistas con los que se ha comprometido

Acciones positivas (ⴙ) hacia el medio en su vida cotidiana

Repercusión que tienen estas acciones en el medio

Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

Acciones negativas (ⴚ) hacia el medio en su vida cotidiana

Repercusión que tienen estas acciones en el medio

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Química 1

Con la información que todos recabaron decidan cuál o cuáles son los famosos que en verdad llevan a cabo acciones importantes respecto al cuidado del planeta. Si realmente estamos preocupados por mejorar la situación del ambiente y queremos tomar decisiones más acertadas sobre nuestras acciones cotidianas, es importante ir más allá de la publicidad y tener, al menos, una idea más clara sobre las propiedades de las sustancias y sus reacciones químicas.

La calidad del aire Uno de los principales retos que se tienen para mejorar la situación del ambiente es disminuir los niveles de contaminantes en el aire. Para entender y actuar al respecto hay que tomar en cuenta que la mezcla de gases que constituye el aire tiene una composición específica y que cualquier modificación puede alterar la naturaleza.

Figura 7.2 La Organización Mundial de la Salud estima que la contaminación atmosférica causa alrededor de dos millones de muertes prematuras al año en todo el mundo.

Figura 7.3 Composición del aire no contaminado.

Los principales contaminantes que se emiten al aire por acciones humanas son el óxido de azufre (SO2), varios óxidos de nitrógeno (NO, NO2 y N2O4), bióxido y monóxido de carbono (CO2 y CO); así como algunas sustancias orgánicas y amoniaco (NH3), además del ozono (O3). El daño que pueden provocar al ambiente, así como la toxicidad de estas sustancias están relacionados con su reactividad y con los productos que se forman cuando reaccionan. El Índice Metropolitano de la Calidad del Aire, mejor conocido como IMECA, sirve para informar a la población cada hora sobre qué tan limpio o contaminado se encuentra el aire, es decir, si su calidad es buena o representa un riesgo para la salud. El IMECA informa sobre la concentración de contaminantes como ozono (O3), partículas menores a 10 micrómetros (PM10), dióxido de azufre (SO2), dióxido de nitrógeno (NO2) y monóxido de carbono (CO). Si el IMECA tiene un valor entre 0 y 50 puntos, la calidad del aire se califica como BUENA y se identifica con el color VERDE. De esta manera, es fácil saber las condiciones que prevalecen en el aire y si es recomendable realizar actividades al aire libre.

EN

Entra

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Acción

De seguro has escuchado sobre algún problema específico de contaminación del aire, descríbelo brevemente e intenta representar una o varias de las reacciones involucradas. Una vez que termines de estudiar este bloque, revisa lo que escribiste en esta actividad para que lo completes incorporando los conceptos tratados en esta sección.

5/28/10 9:38:37 AM

Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

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Las reacciones químicas y sus ecuaciones Como casi todo en química, las reacciones pueden entenderse en dos niveles: el macroscópico y el de los átomos. A nivel macro, una reacción química se entiende como el proceso en el que una o varias sustancias que se ponen en contacto sufren un cambio, dando lugar a la formación de una o varias sustancias que antes de la reacción no existían. Las sustancias que se forman son distintas a las que se tenían originalmente y, por lo tanto, sus propiedades son diferentes. Así, cuando agregamos jugo de limón al bicarbonato de sodio (NaHCO3), observamos cómo se forma un gas, el cual podemos ver por la efervescencia, y que antes de la reacción no estaba. También, cuando dejamos a la intemperie un clavo que recién compramos y que originalmente se encontraba plateado y brillante, después de un tiempo empieza a cubrirse de un polvo café que con frecuencia llamamos óxido o herrumbre. ¿Se te ocurren otros ejemplos? Al nivel de los átomos, una reacción química se define como el cambio que sufre la estructura interna de una o varias sustancias cuando algunos o todos los enlaces que mantienen unidos a sus átomos se rompen y los átomos se reacomodan uniéndose en una estructura diferente que constituye una sustancia nueva.

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

Figura 7.4 El óxido en los clavos es resultado de una reacción química.

Figura 7.5 Proceso en el que se produce una reacción química.

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5/28/10 9:38:37 AM

158

Química 1

Las ecuaciones que representan a las reacciones reversibles —en las que los reactivos forman productos pero éstos también reaccionan para formar reactivos— incluyen dos flechas en sentidos opuestos.

Las sustancias que se tienen originalmente, antes de que ocurra la reacción, se denominan reactivos, mientras que las sustancias que se forman una vez que ha ocurrido el cambio se llaman productos. La representación más general de una reacción es la ecuación química, que siempre incluye tres partes: las fórmulas de los reactivos, que se escriben en forma de una suma; una o dos flechas que indican el sentido en el que transcurre el proceso, y también como suma, cuando son varias las fórmulas de los productos que se obtienen una vez que ha terminado la reacción. Es importante recordar que la flecha tiene un sentido temporal, es decir, indica lo que se tiene antes y después de que ocurra la reacción.

Figura 7.6 Esquema que representa una ecuación química.

En todas las reacciones químicas siempre hay algún intercambio de energía: vemos que se desprende energía a los alrededores o que se requiere administrar energía de alguna forma para que la reacción suceda. Un ejemplo claro son las reacciones de combustión de la gasolina, el gas LP, el carbón, etcétera, que son nuestra fuente principal de energía. ¿Se te ocurren otros ejemplos? ¿Conoces alguna reacción en la que en vez de obtener haya que administrar energía para que se lleve a cabo? Escribe tus respuestas:

EN

Entremos

Acción Actividad experimental

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.

I N D I C A D O R

Por lo general, cuando se lleva a cabo una reacción química observamos algún cambio: se desprende energía en forma de calor, se forma un precipitado, se desprende gas u observamos un cambio de color. A continuación realizarán, por equipos, tres reacciones químicas. Lean las instrucciones y, antes que nada, investiguen las precauciones que deben tener con cada una de las sustancias que van a emplear. Comenta con tus compañeros de equipo qué piensas que va a ocurrir en cada caso. Con estas ideas llenen la segunda columna de la siguiente tabla.

D E

Reacción

D es e m pe ño Explica las reacciones químicas que observa en su entorno, identificando cuáles generan productos nocivos.

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Lo que pensamos que va a ocurrir

Lo que observamos que ocurrió

La explicación que podemos dar al fenómeno

1a

5/28/10 9:38:38 AM

Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

159

2a

3a

4a

Para el experimento vas a requerir los siguientes materiales: • • • • • • • • • • • • • •

Cinta de magnesio (Mg). Mechero de Bunsen. Bicarbonato de sodio (NaHCO3). Pinzas para sostener la cinta de magnesio. Ácido acético (CH3COOH). Dos vasos de precipitados de 100 mL. Sulfato de cobre (CuSO4). Una espátula o cuchara metálica. Cloruro de sodio (NaCl) (sal de mesa). Mortero de porcelana con mano. Disolución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH) (sosa). Si es posible, unos lentes de soldador. Disolución de ácido clorhídrico diluido (HCl). Teléfono, videocámara, cámara fotográfica o algún medio para captar imágenes y realices con ellas las siguientes actividades de la sección “TIC, TIC, TIC”.

Procedimiento Antes de iniciar tengan listo el equipo para registrar las imágenes de las reacciones y al terminar cada una anoten sus observaciones en la tercera columna de la tabla anterior. 1. Primera reacción: • Prendan el mechero. • Corten un trozo de la cinta de magnesio (Mg) de aproximadamente 1 cm de largo. • Si consiguen los lentes de soldador pónganselos, de lo contrario, dirijan su vista sólo un instante hacia la reacción y retírenla cuanto antes. • Con ayuda de las pinzas calienten la cinta directamente sobre la flama del mechero. • Procuren no observar el fenómeno por mucho tiempo, pues no es conveniente exponer la vista a este tipo de luz por largo tiempo.

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5/28/10 9:38:39 AM

160

Química 1

2. Segunda reacción: • En uno de los vasos coloquen una cucharada de bicarbonato de sodio (NaHCO3). • Agreguen unos 30 mL del ácido acético (CH3COOH), observen y registren el cambio. 3. Tercera reacción: • En la cápsula de porcelana sirvan una cucharada de sulfato de cobre (CuSO4) y agreguen también una cucharada de cloruro de sodio (NaCl) (esta reacción se lleva a cabo con los reactivos en estado sólido, sin disolvente). • Con ayuda de la mano del mortero, machaquen y revuelvan vigorosamente los dos sólidos. 4. Cuarta reacción: • En el otro vaso viertan unos 30 mL de la disolución de hidróxido de sodio (NaOH) y añadan un volumen igual de la disolución de ácido clorhídrico (HCl). No olviden anotar en la tercera columna de la tabla anterior lo que sucede en cada caso. Una vez que hayan llevado a cabo todas las reacciones, relean lo que al principio pensaban que iba a ocurrir para cada una y comparen con los resultados. Pidan ayuda a su profesor, consulten la bibliografía o busquen en Internet la ecuación que corresponde a cada reacción, así como las propiedades de las sustancias formadas y traten de dar una explicación a cada uno de los cambios que observaron. Completen la tabla anterior y en la siguiente clase presenten sus conclusiones al resto del grupo.

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

TIC

TIC

TIC

M

ediante una cámara, teléfono celular o cámara fotográfica registren las imágenes de los cambios que suceden durante las reacciones de la actividad anterior. Investiguen en la bibliografía o en Internet las ecuaciones completas para cada una de las reacciones que llevaron a cabo. Empleando las imágenes y la información recabada, elaboren, por equipo, una presentación en PowerPoint en la que narren y expliquen lo que va ocurriendo en cada caso. Envíen la presentación por correo electrónico a sus compañeros y a su profesor y decidan entre todos cuál explica mejor los fenómenos observados.

Tipos de reacciones

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

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Identificar por qué y cuándo una sustancia reacciona con otra e incluso predecir cuáles sustancias se pueden formar a partir de una reacción dada, puede ser muy útil, pues podemos favorecer o impedir que una reacción suceda, según sean nuestras necesidades. El número de sustancias identificadas hasta la fecha es superior a 23 millones, así que la cantidad de reacciones que podrían suceder entre ellas es prácticamente infinita. Para estudiar un gran número de reacciones de una forma simple se hace lo mismo que cuando tenemos muchísimos objetos que queremos estudiar: se clasifican en unas cuantas categorías. Una forma común de clasificar a las reacciones es tomando en cuenta el tipo de reacomodo que presentan los átomos que reaccionan. Así, se denominan reacciones

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Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

161

de síntesis aquellas en las que todos los átomos de los reactivos se reacomodan para formar un solo producto. A 1B → C Son ejemplos: la síntesis del amoniaco que se obtiene a partir de nitrógeno e hidrógeno del aire para ser empleado como fertilizante en la mayoría de los cultivos. N2 1 3H2 → 2NH3 y la formación de óxido de hierro cuando una pieza de este metal se oxida. 4Fe 1 3O2 → 2Fe2O3 Por su parte, las reacciones de descomposición suceden cuando los átomos de una sola sustancia se separan y reacomodan para formar dos o más sustancias diferentes. A → C 1B Son ejemplos: la conocida electrólisis del agua, procedimiento que permite obtener hidrógeno y oxígeno gaseosos a partir de agua empleando electricidad. 2H2O → 2H2 1 O2 y la obtención de aluminio metálico a partir de la alúmina, principal componente del mineral conocido como bauxita. 2Al2O3 → 4Al 1 3O2 Además, encontramos reacciones llamadas de sustitución, en las cuales los átomos de una sustancia sustituyen a uno de los elementos que conforman otro de los reactivos, y así se producen dos sustancias diferentes a las originales. A1B →C1D La sustitución puede ser sencilla o doble, como se observa en los siguientes ejemplos: • La obtención de cobre metálico cuando se agregan trozos de zinc a una diso-

lución de la sal sulfato de cobre es una sustitución sencilla.

CuSO4 1 Zn → Cu 1 ZnSO4 Mientras que en la reacción de neutralización del ácido clorhídrico con hidróxido de sodio (sosa) se da una sustitución doble.

HCl 1 NaOH → NaCl 1 H2O

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Química 1

EN

Entra

Acción

I N D I C A D O R

En la primera columna de la siguiente tabla encontrarás una serie de reacciones, clasifícalas como de síntesis, descomposición o de sustitución sencilla o doble e indícalo en la segunda columna.

D E

D es e m pe ño Resuelve ejercicios de identificación del tipo de reacción: síntesis, descomposición, simple sustitución y doble sustitución.

Reacción entre un trozo de sodio metálico y agua:

2Na 1 2H2O → 2NaOH 1 H2

Reacción al quemarse un diamante:

C 1 O2 → CO2

Fermentación de la glucosa para formar etanol:

C6H12O6 → 2C2H5OH 1 2CO2

Reacción del agua oxigenada (peróxido de hidrógeno) cuando se expone a la luz:

H2O2 → H2O 1 O2

El benceno reacciona con bromo y se obtiene bromobenceno:

C6H6 1 Br2 → C6H5Br 1 HBr

Ley de la Conservación de la Materia C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.

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Otra característica de las reacciones es que, invariablemente, la masa se conserva, es decir, si sumamos la masa de todos y cada uno de los reactivos que participan en una reacción y la comparamos con la suma de las masas de los productos que se obtienen, veremos que los totales son idénticos, ni un gramo se gana ni se pierde. Lo anterior puede comprenderse al nivel de los átomos, ya que todos los que conformaban los reactivos permanecen cuando ocurre una reacción y sólo sufren un reacomodo. La enunciación de esta ley, conocida como Ley de la Conservación de la Materia, llevó al químico francés Antoine Lavoisier a ser reconocido, nada más ni nada menos, que como el padre de la química. El mérito principal de Lavoisier fue validar sus experimentos de forma cuantitativa mediante el uso metódico de la balanza, pues pesaba cuidadosamente cada uno de los instrumentos y las sustancias que empleaba. Lavoisier nació en París el 26 de agosto de 1743 y fue condenado a muerte en la guillotina en 1794.

5/28/10 9:38:41 AM

163

Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

DE

Cruce

C O M P E T E N C I A

Caminos

Disciplinar

Hay situaciones que nos pueden parecer extrañas, pero entender el momento histórico de los científicos con frecuencia resulta de gran utilidad para comprender sus contribuciones, así como su relevancia. Investiga cuál fue el momento histórico de Lavoisier y de su Ley de la Conservación de la Materia. Escribe un pequeño resumen de tu investigación:

Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

EN

Entremos

Acción

C O M P E T E N C I A S

Disciplinar es

Actividad experimental Realiza la siguiente actividad junto con un compañero de clase. Material • Una vela. • Cerillos. • Una balanza. Procedimiento 1. Con el propósito de comprobar la Ley de la Conservación de la Materia, pesa con cuidado la vela y anota el dato.

• Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. • Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas.

2. Ahora, préndela y deja que se lleve a cabo la reacción de combustión por un rato. 3. Apágala y vuelve a pesarla, anota el dato y compáralo con la masa original de la vela. ¿Se cumple la Ley de la Conservación de la Materia? crees que obtuviste este resultado?

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¿Por qué

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Química 1

Discute con tu compañero las modificaciones que habría que hacer para obtener mejores resultados. Coméntenlo con su profesor y reúnanse fuera del horario de clase para realizar la experiencia otra vez, haciendo las modificaciones adecuadas. Describe los cambios que realizaron al procedimiento y si es que hubo diferencia en los resultados.

Balanceo de ecuaciones Ejercicio preliminar C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar

Imagina que tienes dos bolsas, cada una llena de una sustancia diferente constituida por moléculas diatómicas (formadas por dos átomos unidos cada una).

Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

Figura 7.7 Modelo del experimento.

El problema consiste en tratar de formar moléculas triatómicas que incluyan dos átomos de la sustancia A y uno de la sustancia B sin dejar átomos sueltos, es decir, si se rompe el enlace entre dos átomos ambos tendrán que usarse para formar moléculas triatómicas, no se puede quedar ni uno solo, aunque sí pueden sobrar moléculas. ¿Cuántas moléculas triatómicas puedes formar con lo que tienes en las bolsas?

¿Cuántas moléculas de la sustancia A quedan sin usarse?

¿Cuántas moléculas de la sustancia B sobraron?

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Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

165

Comenten con su profesor los resultados que obtuvieron para que aclare sus dudas. Ahora imagina que en una de las bolsas tienes átomos sueltos y en la otra moléculas diatómicas, como se presenta en la figura 7.8.

Figura 7.8 Modelo del segundo experimento.

Construye moléculas diatómicas con los átomos representados en amarillo y tetraatómicas (con cuatro átomos) con uno azul y tres rojos, nuevamente sin que alguno de los átomos que estaban formando moléculas (rojos y amarillos) quede solo y aunque sobren moléculas en la bolsa.

Figura 7.9 Formación de moléculas tetra-atómicas.

¿Cuántas moléculas tetra-atómicas formaste?

¿Cuántas moléculas de la sustancia D sobraron?

¿Cuántos átomos representados en azul quedaron en la bolsa?

Hemos dicho que durante una reacción química se rompen algunos de los enlaces que mantienen unidos a los átomos de cada uno de los reactivos, también que se lleva a cabo un reacomodo de átomos y que se forman nuevos enlaces que dan lugar a las sustancias que llamamos productos. Además que, de acuerdo con la Ley de la Conservación de la Materia, sin importar el tipo de reacomodo que se dé, el total de átomos que se tenían al inicio en los reactivos se recupera en forma de productos. Una ecuación química balanceada, además de mostrar cuáles sustancias reaccionan y cuáles se forman, también indica la proporción en que se lleva a cabo la reacción, de acuerdo con la Ley de la Conservación de la Materia. Sin importar si reaccionan 10, 100 o 1000 millones de moléculas, la ecuación química balanceada indica de forma general la relación mínima. Así, suponiendo que las combinaciones que hiciste son reacciones, aunque pudiste formar hasta seis moléculas triatómicas (sobraron seis de la sustancia B y una de la A), en el primer ejemplo la proporción mínima indica que por cada molécula

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166

Química 1

de B que se tenga se necesitarán dos de A y se podrán formar dos moléculas diatómicas como producto.

Figura 7.10 Formación de moléculas biatómicas y triatómicas.

En el segundo ejemplo, la reacción mínima se lleva a cabo entre seis moléculas diatómicas y dos átomos solos para formar dos tetra-atómicas y tres diatómicas.

Figura 7.11 Formación de moléculas tetra-atómicas y diatómicas.

Por eso, de los 13 átomos de sustancia C que había en la bolsa, sólo reaccionaron cuatro con 12 moléculas de D, y quedaron sin reaccionar en la primera bolsa nueve átomos y en la segunda bolsa una molécula. Estas dos representaciones con esferas podrían corresponder, respectivamente, a las siguientes ecuaciones balanceadas: 2H2 1 O2 → 2H2O 2Al 1 6HCl → 2AlCl3 1 3H2 De forma general, balancear una ecuación significa colocar números, llamados coeficientes, antes de la fórmula de cada una de las sustancias, reactivos y productos, de tal forma que haya el mismo número de átomos de cada tipo antes y después de la reacción. Por ejemplo, la siguiente ecuación de la combustión de glucosa con oxígeno NO ha sido balanceada, por lo que al hacer el conteo parece que tras la reacción se han perdido varios átomos: C6O6H12 1 O2 → CO2 1 H2O Tabla 7.1 Qué sucede después de la combustión de la glucosa.

Para balancear la fórmula se añaden tres coeficientes: 6 para el oxígeno, 6 para el bióxido de carbono y también 6 para el agua, al hacer el conteo se observa que el número de átomos de cada tipo es el mismo en ambos lados de la ecuación, que ahora está balanceada: C6O6H12 1 6O2 → 6CO2 1 6H2O

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Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

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Tabla 7.2 Resultado de balancear la fórmula de glucosa.

Como los coeficientes indican la proporción mínima en que se lleva a cabo la reacción, la ecuación balanceada aplica ya sea que se esté suponiendo que reacciona una sola molécula de glucosa o un millón de ellas. Entonces, habría que hacer reaccionar seis millones de moléculas de oxígeno para obtener seis millones de moléculas de CO2 y seis millones de moléculas de agua. Es muy importante señalar que NO se pueden agregar o modificar subíndices a las fórmulas, pues se estaría cambiando la identidad de la sustancia. Debido al tamaño tan pequeño de los átomos y las moléculas, en química, en vez de hablar de millones de moléculas, la cantidad de sustancia se mide en moles, que es la unidad que incluye 6.02 3 1023 individuos, ya sean átomos, moléculas o iones. Así, la ecuación de la combustión de la glucosa también se puede interpretar a gran escala: un mol de glucosa reacciona con seis moles de oxígeno para formar seis moles de bióxido de carbono y seis moles de agua.

Balanceo por tanteo El método más sencillo y más común para balancear ecuaciones se llama por tanteo y precisamente consiste en ir colocando de forma intuitiva coeficientes y cuantificando átomos hasta lograr que haya el mismo número de cada lado de la ecuación. Para emplear este método es recomendable seguir los siguientes consejos: • Trata los iones poliatómicos, como NO32 y SO42, como unidades en vez de

balancear cada uno de sus átomos. • Si de algún modo participa en la reacción el agua, balancea al final el oxígeno

y el hidrógeno. • Una vez que hayas balanceado la ecuación, vuelve a revisar el conteo.

Como ejemplo balanceemos la siguiente ecuación: CH4 1 Cl2 → CHCl3 1 HCl Tabla 7.3 Resultado del balanceo de la fórmula.

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Química 1

Dado que el carbono está balanceado, entonces agregamos un coeficiente de 3 al HCl para balancear los hidrógenos: CH4 1 Cl2 → CHCl3 1 3HCl Así, los carbonos y los cloros están balanceados. Para concluir agregamos un coeficiente 3 al Cl2, con lo que la ecuación queda balanceada. CH4 1 3Cl2 → CHCl3 1 3HCl Revisa una vez más el conteo. Aunque en general resulta fácil, el balanceo por tanteo puede volverse confuso con algunas ecuaciones, todo es cuestión de paciencia, pero sobre todo de práctica. Además, existen otros métodos adecuados para cada tipo de reacción.

EN

Entra

Acción

Balancea las siguientes ecuaciones usando el método de tanteo e indica el tipo de reacción en cada caso:

PbS 1 O2 → PbO 1 SO2 Cr2O3 1 Si → Cr 1 SiO2 NH3 1 O2 → NO2 1 H2O

Actividad recortable Recorta los círculos de colores que se incluyen al final de este bloque, para representar a los átomos involucrados y reproduce en tu cuaderno cada una de las reacciones balanceadas anteriores.

Reacciones de óxido-reducción C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

Debido a que son mayoría y también a su relevancia, las reacciones de óxido-reducción o redox constituyen una categoría que generalmente se estudia aparte. La quema de combustibles, la respiración, la fotosíntesis, la oxidación y la obtención de los metales, la generación de energía eléctrica en una pila, así como la acción de los blanqueadores y la fotografía en película, involucran reacciones redox. Algunas reacciones redox nos resultan indispensables, como el uso de combustibles para obtener energía; sin embargo, otras nos causan problemas, tal es el caso de la corrosión de los metales. ¿Has observado cómo los aretes que son de plata poco a poco se oscurecen?

EN

Entremos

Acción Actividad experimental Un método para revertir el deterioro de la joyería de plata consiste en poner en contacto la plata aluminio en un medio básico. Antes de iniciar lee las instrucciones y escribe lo que crees que sucederá:

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Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

Consigue el material y haz una lista de las precauciones que piensas que deberán tomar al llevar a cabo la actividad para que tu profesor te autorice iniciar. Material • • • •

Joyas de plata ennegrecidas (es importante que te asegures que sean de plata). Un trozo de papel aluminio. Recipiente para calentar agua. Bicarbonato de sodio o polvo para hornear.

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

Procedimiento 1. Corta un trozo de papel aluminio, arrúgalo y colócalo en la base del recipiente. 2. Coloca sobre el papel aluminio las piezas de joyería que deseas limpiar, asegurándote que hagan contacto con el aluminio. 3. Agrega una cucharada de bicarbonato o polvo para hornear y cubre todo con agua. 4. Pon el recipiente en la estufa hasta que el agua hierva unos minutos y retira el objeto que, como puedes observar, ya quedó limpio. ¿Dónde crees que quedó la cubierta negra que manchaba las piezas?

¿Crees que suceda lo mismo con cualquier metal? Haz la prueba y presenta tus resultados al profesor. La característica que distingue a las reacciones redox es que en todas ellas se lleva a cabo una transferencia de electrones de un átomo a otro, ya sea total o parcialmente, y para saber si se ha dado un cambio de este tipo es necesario determinar los números de oxidación de los átomos participantes de la reacción.

o El cloruro de hidrógen de ico tóx s ga HCl es un olor picante. Cuando se disuelve en agua sus moléculas se disoci1an formando iones H , es por eso que sólo en cuando está disuelto do áci ma agua se le lla clorhídrico.

Números de oxidación Cuando dos átomos se unen mediante un enlace podemos encontrar diferentes situaciones: Si los átomos son idénticos, como en el caso de una molécula de cloro gaseoso Cl2, el par de electrones del enlace se comparte de forma equitativa y decimos que el enlace es covalente no polar. Sin embargo, si los átomos que se unen tienen diferente electronegatividad, el par de electrones se va a encontrar más cerca del átomo que sea más electronegativo. Así, en el caso del cloruro de hidrógeno, hablamos de un enlace covalente polar. En el caso extremo en que las electronegatividades sean muy distintas, entonces hablamos de un átomo que arranca un electrón al otro para formar un par de iones (uno positivo y otro negativo), que se unen formando un enlace iónico, como en el cloruro de sodio.

Figura 7.12 Representación de un enlace iónico.

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Química 1

El número de oxidación (NOx) es el valor que se asigna a cada átomo enlazado para indicar el número de electrones de valencia que le han sido removidos, o bien, que ha ganado de otro átomo, ya sea parcial o totalmente. El signo que se agrega al NOx indica el tipo de carga eléctrica que le queda en exceso: positiva (1) si pierde electrones y negativa (2) si gana. Entonces, el NOx de ambos átomos de cloro en Cl2 es 0, pues los electrones se comparten equitativamente, nadie gana, nadie pierde. En el caso del ácido clorhídrico, al cloro le corresponde un NOx igual a 12, ya que ha ganado parcialmente un electrón del hidrógeno, el cual queda con un NOx de 11. Por su parte, al cloro y al sodio, en el cloruro de sodio, les corresponde 12 y 11, respectivamente. Sin embargo, no hay que perder de vista que en este caso, a diferencia del anterior, los átomos quedan efectivamente cargados formando iones. En este caso decimos que el NOx coincide con la carga eléctrica. A continuación encontrarás una serie de reglas que resultan útiles para determinar el número de oxidación de cada uno de los átomos en un compuesto: 1. Se asigna un número de oxidación igual a 0 a los átomos de todas las sustancias elementales, ya sea que se encuentren en forma atómica o formando moléculas poliatómicas. Son ejemplos: 0

0

0

0

0

Al, Cu, H2, N2 y O2 (El NOx se escribe sobre el símbolo o como superíndice de cada elemento). 2. La suma total de los NOx de todos los elementos en un compuesto neutro, como el agua, debe ser igual a 0. Si se trata de un ion poliatómico, como nitrato NO321, la suma debe coincidir con su carga (en este caso 21). Al hacer esta suma se toma en cuenta el número de átomos que hay de cada tipo: en el agua un hidrógeno y dos oxígenos y en el nitrato un nitrógeno y tres oxígenos. 21

suma

total

NOx

indiv 11

22 50

suma

total

22

NOx

indiv 51

H2O

51

62 521 22

NO3

3. A los elementos alcalinos y los alcalinotérreos (primer y segundo grupo de la tabla periódica) les corresponde un NOx de 11 y 21, respectivamente, en todos los compuestos que forman. 11 12

NaI

21 22

yoduro de sodio y

CaO

óxido de calcio

4. El NOx del hidrógeno en sus compuestos por lo regular es 11, excepto en los hidruros en que es 12. 11 51 62 50 11 51 22

HNO3

ácido nítrico, 11 12

excepción:

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NaH

hidruro de sodio

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Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

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5. El oxígeno generalmente presenta un NOx igual a 22, excepto en los peróxidos y superóxidos en donde presenta NOx igual a 12 y ½2, respectivamente. 21 61 82 50 11 51 22

ácido sulfúrico,

H2SO4

21 22 50 11 12

excepción:

H2O2

peróxido de hidrógeno

Aunque no se refieren a todos los átomos posibles, las reglas anteriores son suficientes para deducir el NOx de todos los elementos en un compuesto.

EN

Entra

Acción

Compuesto

Ahora determina el número de oxidación de los elementos que forman cada uno de los compuestos que aparecen en la siguiente tabla. Los dos primeros están resueltos como ejemplo. Elemento (NOx)

Na2SO3 Sulfito de sodio

Na (11)

S (41)

O (22)

HClO4 Ácido perclórico

H (11)

Cl (71)

O (22)

PO423 Ion fosfato K2Cr2O7 Dicromato de potasio HIO3 Ácido yódico

Agentes oxidantes y reductores Lo primero que se requiere hacer para saber si una reacción es del tipo de óxidoreducción es determinar los NOx de los elementos que aparecen en la ecuación química. Si sucede que este número cambia para un mismo elemento, cuando éste aparece en los reactivos y en los productos, entonces decimos que la reacción es redox. Por ejemplo, cuando se introduce un pedazo de zinc metálico en una disolución acuosa de sulfato de cobre, se obtiene cobre metálico, de acuerdo con la siguiente ecuación: 0

21 61 22

21 61 22

0

Zn 1 Cu S O4 → Zn S O4 1 Cu

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Química 1

Si se determina el número de oxidación para cada uno de los elementos, se puede ver que para el oxígeno y el azufre estos valores son los mismos antes y después de la reacción, no hay cambio. Por su parte, el zinc, que como reactivo tiene un valor igual a 0, en los productos presenta un NOx igual a 21. Mientras que el cobre, que en los reactivos tenía 21, en los productos tiene un valor de 0. Empleando la recta numérica, decimos que si durante una reacción el NOx de un elemento cambia desplazándose hacia la derecha, dicho elemento se ha oxidado. En cambio, si pasa a una posición hacia la izquierda, entonces ese elemento se habrá reducido. Así, en el ejemplo decimos que el zinc se oxida (NOx 0→21), mientras que el cobre se reduce (NOx 21→0).

Figura 7.13 Representación de la oxidación y reducción en la recta numérica.

La interpretación química de estos cambios es la siguiente: antes de la reacción, un átomo de zinc que forma parte de una muestra de este metal se encuentra rodeado de otros átomos de zinc, de tal modo que ni gana ni pierde electrones, sólo comparte de forma equitativa. Así, sus cargas están balanceadas y le corresponde un NOx de 0. Al entrar en contacto con uno de los iones de cobre Cu2+ de la disolución, el zinc reacciona cediendo dos de sus electrones de valencia y formando ahora iones Zn21; mientras que el cobre que los recibe balancea sus cargas y se reúne con otros átomos de cobre (0) para formar cobre metálico. Es importante mencionar que los electrones no pueden quedar sueltos en una reacción, por lo tanto, siempre que un átomo pierde electrones, algún otro los recibe. Es decir, en toda reacción redox siempre hay un elemento que se oxida y otro que se reduce. Ninguno de los dos procesos se puede llevar a cabo sin que suceda el otro. Cuando un elemento es capaz de quitar, total o parcialmente, uno o más electrones a otro, se le denomina agente oxidante, mientras que un elemento que cede sus electrones frente a otro es un agente reductor. En el ejemplo: el cobre es el agente oxidante y el zinc el agente reductor.

Mitos y realidades sobre el alcohol

Figura 7.14 Los átomos de Cu21 se convierten en átomos de Cu.

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Existen varios mitos en torno al consumo del alcohol. Algunas de estas creencias tienen fundamento científico; sin embargo, muchas otras no. El etanol tiende a mezclarse con el agua, por lo que se distribuye rápidamente en el organismo. A diferencia de otras sustancias, puede pasar sin metabolizarse del sistema gástrico a la sangre y de ahí directamente al cerebro, por lo que la persona que bebe siente sus efectos poco tiempo después de haberlo ingerido.

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Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

Cuando se bebe con el estómago vacío, la absorción del etanol a la sangre es muy rápida. Por ello se recomienda comer antes de iniciar una aventura etílica. Asimismo, las preparaciones que incluyen bebidas gaseosas, aunque disminuyen la cantidad de alcohol por cada vaso, favorecen su absorción, pues contienen mucha agua. La “cruda” es, sin duda, la desventaja más temida por los bebedores frecuentes y sobre la que más mitos pueden encontrarse. Esta etapa tiene su origen en el primer paso del metabolismo del etanol, proceso que se realiza en el hígado. Ahí, el etanol es transformado mediante reacciones redox, primero en acetaldehído, después en acetato de etilo y, finalmente, en dióxido de carbono y agua. Tanto el etanol como el acetaldehído pueden ser tóxicos. Ni la miel ni las bebidas isotónicas y menos la comida picante en realidad atenúan los efectos del envenenamiento ocasionado. Con el propósito de reducir el número de accidentes viales ocasionados por el consumo excesivo de alcohol, se instauró el uso del alcoholímetro. El nivel de alcohol que mide este aparato no es el que se tiene localmente en la boca, sino el que se libera en cada exhalación, por lo que ni tomar antiácidos, lavarse los dientes, usar enjuagues bucales, masticar granos de café o ponerse una moneda bajo la lengua pueden engañar al temido alcoholímetro, pues éste mide la cantidad de corriente que se genera cuando se lleva a cabo una reacción química específica del etanol, por lo que la presencia de otras sustancias con propiedades diferentes no altera en absoluto el veredicto.

EN

Entremos

Acción

C O M P E T E N C I A

Actividad en parejas • Junto con un compañero, comenta el contenido de la lectura anterior, determinen cuál es la idea principal y escríbanla en su cuaderno. • Además, anoten lo que ustedes hayan escuchado sobre el etanol y los efectos que provoca su consumo. • Investiguen en la bibliografía y en Internet si lo que escribieron son mitos o realidades. Con la información que obtengan, elaboren un cartel que lleve como título: “La química del alcohol: mitos y realidades”, y preséntenlo al resto del grupo. Es importante que empleen las palabras y conocimientos que hayan adquirido sobre química en este curso.

Disciplinar Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece.

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Argumenta los resultados de la experimentación sobre reacciones redox.

EN

Entra

Acción

A continuación se presentan las estructuras de Lewis correspondientes a los compuestos que se forman cuando se metaboliza el etanol:

Figura 7.15 Estructuras de Lewis resultantes de la metabolización del etanol.

Observa cada una cuidadosamente y, tomando en cuenta que para determinar el NOx los electrones de cada enlace se asignan al átomo más electronegativo, explica por

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Química 1

qué el carbono b tiene NOx igual a 11 en el etanol, 11 en el acetaldehído y 31 en el ácido acético. Escribe tu respuesta y preséntala a tu profesor para que aclare tus dudas.

Balanceo por redox Siempre que se balancea una ecuación química tiene que cumplirse la Ley de la Conservación de la Materia: el número de átomos de cada tipo debe ser el mismo de un lado y otro de la ecuación. En las reacciones redox debe cuidarse además que el número total de electrones (e) cedidos sea exactamente igual al de electrones aceptados, pues no pueden quedar electrones sueltos en ninguna reacción. Como ejemplo, balancearemos la ecuación que corresponde a la reacción redox que sucede cuando se agrega ácido clorhídrico a un trozo de zinc. 0

11 12

21 12

0

Zn 1 H Cl → Zn Cl2 1 H2 Tomando en cuenta que tanto el ácido clorhídrico como el cloruro de zinc son sustancias que en agua se encuentran disociadas formando iones, podemos escribir la reacción de la siguiente forma: 0

11

12

21

12

0

Zn 1 H 1 Cl → Zn 1 2Cl 1 H2 Ahora identificamos cuáles elementos presentan un cambio de NOx y escribimos de forma separada los procesos de oxidación y reducción en lo que se conoce como medias reacciones: 0

21

Zn 2 2e → Zn 11

media reacción de oxidación

0

H 1 1e → H2

media reacción de reducción

Así, en esta reacción un átomo de zinc perdió dos electrones, mientras que cada átomo de hidrógeno recibió uno. Para que tanto el número de átomos como el número de electrones ganados y perdidos queden balanceados, sólo falta agregar unos coeficientes en la reacción de reducción de la siguiente forma: 11

0

2H 1 2e → H2 Una vez que se han balanceado las dos medias reacciones, se suman para tener una sola y se eliminan de la ecuación los electrones ganados y perdidos que deben ser el mismo número. 0

21

Zn 2 2e → Zn 11

0

2H 1 2e → H2 Zn 1 2H 11 → Zn21 1 H2 Finalmente, se escribe la reacción completa usando los coeficientes determinados. Zn 1 2HCl → ZnCl2 1 H2

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Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

Otro ejemplo del balanceo por el método redox se presenta en la siguiente reacción, que se lleva a cabo en medio acuoso: NaI 1 HClO → NaIO3 1 HCl por lo que la ecuación puede escribirse tomando en cuenta que las sustancias iónicas están disociadas: 11

12

11

11

Na 1 I 1 H 1 (ClO)

12

11

→ Na 1 (IO3)

12

12

1 H 1 Cl

Es importante destacar que los aniones poliatómicos se mantienen unidos, tal como están escritos en la ecuación, y los NOx se calculan tomando en cuenta la carga del ion. Al determinar los NOx de los elementos participantes puede verse que ni el sodio ni el hidrógeno sufren cambios. Además que el cloro se reduce, mientras que el yodo se oxida: 11 22

12

(ClO)12 1 2e → Cl 12

reducción

51 22

I 2 6e → (I O3)12 oxidación Centrando nuestra atención sólo en el número de electrones y de átomos de las especies oxidada y reducida, para balancear la ecuación se multiplica la primera media reacción por tres y se hace la suma: 11 22

12

3[(ClO)12 1 2e → Cl ] 12

51 22

I 2 6e → (I O3)12 3ClO312 1 I 12 → 3Cl 12 1 IO312 Finalmente, se escribe la ecuación balanceada completa: NaI 1 3HClO → NaIO3 1 3HCl A veces te puede parecer que sería mucho más sencillo balancear la ecuación por el método de tanteo; sin embargo, muchas veces el método por óxido-reducción resulta más adecuado. No importa el método que emplees, lo relevante al balancear ecuaciones es verificar si se cumplió o no la Ley de la Conservación de la Materia.

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Resuelve ejercicios donde complete ecuaciones químicas, efectuando el balanceo.

EN

Entra

Acción

Las siguientes ecuaciones corresponden a algunas de las reacciones que se llevan a cabo en la atmósfera, complétalas, identifica cuáles son de óxido-reducción y balancéalas:

O3 1 NO SO3 1 H2O NO2 1 H2O N2 1 O2

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Química 1

DE

Pista

Aterrizaje

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

Es momento de llevar a cabo el proyecto de este bloque. Para ello, primero hagan una lista de los edificios, monumentos históricos o piezas arqueológicas que se encuentran en su comunidad o en algún lugar cercano. Formen equipos de cuatro personas y repártanse por sorteo los sitios de la lista. Realicen una visita al sitio que les tocó y pidan informes a las personas encargadas sobre el material del que está hecho y sobre el mantenimiento que se le da o debería dársele. Posteriormente, hagan una investigación en la bibliografía y por Internet para que puedan dar una explicación sobre las reacciones químicas que hay tras dicho tratamiento. Preparen un cartel y en una sesión plenaria presenten por equipo sus resultados.

Coevaluación Todos los alumnos del grupo deberán calificar de forma individual los carteles presentados, de acuerdo con la siguiente rúbrica. Es necesario que hagas una tabla para cada uno de los carteles y marques la calificación (1, 2, 3 o 4) que consideras para cada uno de los rubros (información, claridad y calidad). Modelo

Intentó 1

Aceptable 2

Admirable 3

Imponente 4

Información acorde con lo estudiado Claridad Calidad en el diseño

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Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

Caja de

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herramientas

Identificación de metales En el laboratorio de tu escuela seguramente encontrarás muestras de varios elementos metálicos: cobalto, zinc, magnesio, aluminio, hierro, plomo, cobre, plata, platino, sodio, magnesio y a veces oro, entre otros. Estos materiales por lo regular se encuentran etiquetados de forma adecuada; sin embargo, si tomaras una muestra de cada uno y por un descuido los revolvieras, ¿serías capaz de identificarlos? Piénsalo bien… pues no es tan sencillo. Aunque algunos tienen color característico, como el cobre o el oro, la mayoría son plateados y se parecen quizá más de lo que hubieses pensado.

Técnicas de identificación Coloración: con base en su coloración, sólo es posible identificar el cobre y el oro, TODOS los demás son plateados. Atracción magnética: los únicos metales que son atraídos por un imán son el hierro, el cobalto y el níquel (también sus aleaciones son atraídas). Coloración a la flama: cuando un metal o sus compuestos se ponen en contacto con la flama de un mechero, ésta adquiere una coloración característica. Tabla 7.4 Coloraciones de los elementos ante la combustión.

Finalmente, una característica también útil para distinguir a los metales es la densidad, la cual se determina al dividir el valor de la masa de una muestra entre el volumen que ocupa. Tabla 7.5 Densidad de algunos metales.

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Química 1

LO

Evalúa

o

Aprendid

Unidad de competencia desarrollada: Reconoce a los procesos químicos como fenómenos de su entorno y demuestra la validez de la Ley de la Conservación de la Materia al balancear ecuaciones químicas.

Evaluación del bloque 1. Clasifica las siguientes reacciones como de síntesis, descomposición o de sustitución sencilla o doble. Posteriormente, de las ocho indica cuáles son de óxido-reducción. CH4 1 Cl2 → CH3Cl 1 HCl 2H2O2 → 2H2O 1 O2 2HCl 1 Na2S → H2S↑ 1 2NaCl AgNO3 1 NaCl → AgCl↓ 1 NaNO3

SO2 1 H2O → H2SO3 2CaO(s) 1 2H2O(l) → 2Ca(OH)2(ac) CuSO4 1 Fe → FeSO4 1 Cu 2HgO (s) → 2Hg(l) 1 O2(g)

2. Escribe un ensayo de una cuartilla acerca de la importancia de conocer más sobre las reacciones químicas que suceden, para poder hacer cambios acertados en nuestros hábitos cotidianos y contribuir a mejorar el estado del medio ambiente.

Autoevaluación En la siguiente evaluación del bloque encontrarás enlistados los aprendizajes que se espera que hayas adquirido después de estudiar este bloque. En la tercera columna de la tabla hay un espacio para que reflexiones sobre tu desempeño y escribas “Sí”, “No” o “Faltó trabajo”, según consideres en qué medida adquiriste o no ese aprendizaje.

Tipo de saberes

Conocimientos

Saberes requeridos para el logro de la competencia

Resultado de la evaluación

Reconoce el significado de los símbolos utilizados en la escritura de ecuaciones químicas. Distingue entre las reacciones de síntesis, descomposición, sustitución simple y sustitución doble. Conoce los métodos de balanceo de ecuaciones químicas por tanteo y por óxido-reducción. Explica los conceptos de oxidación y reducción, agente reductor, agente oxidante y número de oxidación.

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Bloque 7 • Representa y opera reacciones químicas

Habilidades

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Explica la transformación de las sustancias, empleando ecuaciones químicas. Predice los productos de diferentes reacciones químicas. Demuestra la Ley de la Conservación de la Materia a partir del balanceo de ecuaciones. Calcula el número de oxidación de los elementos que participan en una reacción química tipo redox, determinando cuáles elementos se oxidan y cuáles se reducen. Aplica el balanceo por el método de tanteo y óxido-reducción.

Actitudes y valores

Valora la observación e identificación experimental de los cambios químicos. Valora la Ley de la Conservación de la Materia como principio fundamental de la química moderna. Aprecia la importancia de las reacciones de óxido-reducción en su entorno y en su organismo. Valora las repercusiones positivas o negativas sobre el medio ambiente y la sociedad, provocadas por los procesos químicos.

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BLOQUE

8

Entiende los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas

Indicadores de desempeño

Tiempo asignado al bloque ✔ siete horas

El alumno:

✔ Describe el concepto de entalpía de

Unidad de competencia Reconoce la influencia de los factores que intervienen en la rapidez con que se llevan a cabo las reacciones químicas y la cantidad de calor que se intercambia cuando se desarrollan. Asimismo, valora la importancia del desarrollo sostenible y adopta una postura crítica y responsable ante el cuidado del medio ambiente.

✔

✔

✔ ✔ ✔

reacción, utilizándolo como criterio para distinguir entre reacciones endotérmicas y exotérmicas. Resuelve ejercicios relacionados con la variación de la entalpía de reacción, identificando aquellas reacciones que son exotérmicas o endotérmicas. Explica la forma en que algunos factores (naturaleza de los reactivos, tamaño de partícula, temperatura, presión, concentración, catalizadores) modifican la velocidad de reacción. Siguiendo el método científico, realiza una actividad experimental sobre velocidad de reacción y factores que la modifican. Explica la noción de desarrollo sustentable y las acciones necesarias para promoverlo. Participa en la discusión en equipo y plenaria sobre el consumismo e impacto ambiental, distando alternativas de solución.

En este bloque se presentan y analizan los factores que afectan la velocidad con la que ocurren las reacciones químicas y se realizan los cálculos para determinar la cantidad de calor que se desprende o se absorbe cuando éstas suceden. Además, se aborda un tema de actualidad sobre el cuidado del medio: el desarrollo sustentable.

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SABERES REQUERIDOS Conocimientos

Habilidades

Actitudes y valores

✔ Explica los conceptos de entalpía de

✔ Utilizando datos de tablas, calcula

✔ Muestra interés por comprender

reacción y entalpía de formación. ✔ Distingue entre reacciones químicas endotérmicas y reacciones químicas exotérmicas, partiendo de los datos de entalpía de reacción. ✔ Explica el concepto de velocidad de reacción. ✔ Describe la noción de desarrollo sustentable.

la entalpía de reacción a partir de la entalpía de formación. ✔ Identifica los factores que intervienen en la velocidad de una reacción química: naturaleza de los reactivos, tamaño de partícula, temperatura, presión, concentración y catalizadores. Asimismo, explica cómo afecta cada uno de ellos a la velocidad de reacción. ✔ Desarrolla actividades experimentales donde observa alguno(s) de los factores que modifican la velocidad de reacción. ✔ Argumenta los beneficios y riesgos relacionados al consumismo y su impacto en el medio ambiente.

los cambios energéticos en las reacciones químicas que se dan en su entorno. ✔ Valora la conveniencia de la lentitud o la rapidez de algunos procesos químicos que se presentan en su vida diaria. ✔ Considera el desarrollo sustentable como una medida para aminorar los problemas ambientales. ✔ Colabora con sus compañeros de equipo para apoyar el desarrollo sustentable.

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Proyecto

Desarrollo sustentable

C

omo proyecto de este bloque te proponemos que, en grupo, organicen y ofrezcan una conferencia informativa a estudiantes de secundaria o primaria sobre desarrollo sustentable. Primero, es necesario que recurran a la biblioteca, periódicos o revistas e Internet para que se informen ampliamente sobre el tema. Después, formen equipos y asignen tareas: los que organizarán su visita a otra escuela, quiénes realizarán la invitación de alumnos de secundaria o primaria; quiénes expondrán el tema y los encargados del material visual. Además, se designarán los responsables de la prensa, que seguirán y registrarán el desarrollo del evento. Como trabajo final, cada alumno escribirá un reporte sobre esta experiencia. El día de la conferencia inviten además a tres profesores de la escuela para que califiquen el desarrollo del evento.

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Bloque 8 • Entiende los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas

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El calentamiento global y el desarrollo sustentable En diciembre de 2009 se llevó a cabo la XV Conferencia Internacional sobre el Cambio Climático, organizada en Copenhague, Dinamarca, por la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático. Ahí se reunieron expertos en el ambiente, ministros o jefes de Estado y organizaciones no gubernamentales de 192 países. El objetivo central era que los países participantes se comprometieran a disminuir sus emisiones de dióxido de carbono (CO2), de tal modo que en conjunto se alcanzara una reducción mundial de las emisiones de al menos 50% en 2050, respecto a 1990. Los resultados de la reunión fueron más bien desalentadores para la mayoría: países desarrollados como Estados Unidos y los pertenecientes a la Unión Europea parecen no estar dispuestos a comprometerse a realizar disminuciones importantes, a menos que los países en desarrollo también lo hagan. Por otro lado, las naciones en pleno crecimiento económico, como China e India, no están dispuestas a detenerse en pro del ambiente, pues comprometerían la posibilidad de ofrecer mejores condiciones de vida a sus pobladores. Además, está la necesidad de ayudar a los países más pobres que comienzan a sufrir algunas de las consecuencias del cambio climático. Como puedes ver, detrás de todos estos desacuerdos se encuentra el siguiente dilema: ¿quién tiene la mayor responsabilidad sobre el problema? ¿Los países desarrollados que durante mucho tiempo explotaron los recursos y provocaron un grave deterioro o los que se encuentran en pleno desarrollo y lo provocan ahora? ¿Quién debe hacer el primer o el mayor esfuerzo? Alrededor de este dilema, a finales de la década de 1980 surgió un término que debería ser clave en la discusión de cualquier problema ambiental: desarrollo sustentable. El término fue acuñado por la doctora Gro Harlem Brundtland, comisionada de la Organización de las Naciones Unidas (ONU), quien lo definió así: El desarrollo sustentable es aquel que satisface las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las capacidades de las generaciones futuras para cumplir sus propias necesidades.

EN

Entremos

Acción

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Discute con un compañero sobre lo que entienden por desarrollo sustentable y comenten cómo se relaciona este término con la problemática enfrentada en la reunión de Copenhague. Escriban sus opiniones y compártanlas con el resto del grupo.

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Química 1

D i s c i p l i nar Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

TIC

TIC

C O M P E T E N C I A

TIC

R

ealiza una investigación en Internet sobre los logros y los problemas que se tuvieron en la reunión de Copenhague. Escribe un resumen de una cuartilla sobre lo que investigaste e incluye al menos cinco de las direcciones electrónicas que consultaste. Entrega el resumen a tu profesor. Este material puede serte útil para llevar a cabo el proyecto final.

Reacciones exotérmicas y endotérmicas C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

El problema del calentamiento global y la emisión de dióxido de carbono a la atmósfera son problemas relacionados con la necesidad que tenemos de obtener cada vez más energía, pues la causa principal es la quema de combustibles. Es importante comprender las relaciones que hay entre las reacciones químicas y la energía, pues con este conocimiento es posible saber cuánta energía se puede obtener de una reacción dada, así como la cantidad y el tipo de contaminantes que se generan. Siempre que se lleva a cabo una reacción química se presenta un intercambio de energía. Para cuantificarlo, llamamos sistema a la porción que estamos estudiando y entorno o alrededores a todo lo demás. En nuestra reacción química, por lo regular, las sustancias constituyen el sistema, mientras que el recipiente y todo lo que está fuera es el entorno. Entre el sistema y los alrededores existe un intercambio de energía, ya sea que la reacción desprenda energía hacia el medio o que requiera que se le administre energía del entorno para llevarse a cabo. Hay dos formas en las que un sistema puede intercambiar energía con el ambiente: en forma de trabajo o en forma de calor. Esto nos permite extender la definición de energía como la capacidad para realizar un trabajo o transferir calor. Los sistemas más fáciles de estudiar son los llamados sistemas cerrados, que son aquellos que sólo pueden intercambiar energía —pero no materia—, entre el sistema y el ambiente o entorno. Así, cuando estudiamos reacciones en las que solamente ocurre una transferencia de calor entre el sistema y el ambiente, podemos medir cambios en la temperatura, porque el calor eleva la temperatura de los objetos circundantes. En una reacción química, si la energía que se desprende o se administra se encuentra en forma de calor, tendremos una reacción exotérmica o una reacción endotérmica respectivamente. Los intercambios de energía en una reacción química se deben a la diferencia entre la energía química de los reactivos y la de los productos. Si los reactivos tienen más energía química “almacenada” que los productos, se desprenderá energía, mientras que si ocurre a la inversa, será necesario administrar energía para que ocurra la reacción.

Figura 8.1 Una reacción química puede ser exotérmica o endotérmica, dependiendo si desprende energía o la requiere para que suceda.

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Bloque 8 • Entiende los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas

Entremos

C O M P E T E N C I A S

EN

Acción

Disciplinar es

Determinación experimental del calor de reacción En equipos de tres personas lleven a cabo la siguiente actividad, que tiene como objetivo contestar a la pregunta: ¿cuánto calor se desprende cuando un ácido neutraliza a una base? Material • • • • • •

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2 vasos de unicel. 1 termómetro. 20 mL de disolución de hidróxido de sodio (NaOH) 1 M. 20 mL de disolución de ácido clorhídrico (HCl) 1 M. 1 agitador de vidrio. 2 vasos de precipitados de 100 mL.

• Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. • Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipos en la realización de actividades de su vida cotidiana.

PRECAUCIÓN: tanto la solución de hidróxido de sodio como el ácido clorhídrico pueden causarte irritación en la piel. Evita poner las soluciones en contacto directo con tu piel y, si esto sucede, lava con abundante agua de la llave. Procedimiento 1. En uno de los vasos de precipitados coloca 20 mL de la disolución de ácido clorhídrico y mételo dentro de los vasos de unicel que estarán uno dentro del otro. El unicel sólo servirá como aislante para que el calor desprendido por la reacción no se pierda rápidamente hacia el medio. 2. Sirve en el otro vaso de precipitados 20 mL de la disolución de hidróxido de sodio. 3. Mide y registra la temperatura de las dos disoluciones que debe ser la misma (no olvides enjuagar el termómetro entre una y otra medición). 4. Agrega el hidróxido en el vaso donde se encuentra el ácido y agita ligeramente con el mismo termómetro.

Figura 8.2 Modelo para realizar el experimento.

5. Registra la temperatura final después de que se ha llevado a cabo la reacción de neutralización y calcula el calor desprendido. 6. Para calcular el calor, supondremos que toda la energía desprendida se emplea en subir la temperatura del agua de la disolución. También usaremos el valor del calor específico del agua que es de 1 cal/gr°C y que indica que se requiere una caloría de energía para subir un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua. Entonces, para calcular el calor desprendido simplemente habrá que aplicar la siguiente ecuación:

Un calorímetro no es más que un recipiente or. bien aislado del exteri ón cci Cuando una rea se lleva a cabo dentro de un calorímetro se impide cualquier intercambio de calor , con el medio, entonces a itid em ía erg en la toda o absorbida se mide como el cambio de temperatura que presenta el sistema.

Cantidad de calor Q 5 calor específico del agua 3 masa de agua en gramos 3 la cantidad de grados que subió la temperatura 5 Cespm∆T

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Química 1

Registra tus resultados en la siguiente tabla.

Temperatura inicial

Temperatura final

ΔT

Masa total de agua (volumen total de la disolución ácido + base)

QⴝCespmΔT

El valor que obtuviste corresponde al calor desprendido cuando 20 mL de ácido clorhídrico se neutralizan con 20 mL de hidróxido de sodio, que es un valor particular para las cantidades de reactivos que utilizaste. Para tener un dato más general, sólo tienes que considerar que la cantidad de sustancia que pusiste a reaccionar fue de 0.02 moles, por lo que al dividir el calor calculado (Q) entre 0.02 moles obtendrás el calor que se desprende por cada mol de ácido que se neutralice, valor que es útil sin importar la cantidad de reactivos que se empleen.

Entalpía de reacción C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

Aunque no es posible determinar experimentalmente la energía que tiene una sustancia en un momento dado, porque necesitaríamos sumar todas las energías de los componentes de nuestro sistema, lo que sí se puede medir es el cambio en energía que experimenta el sistema, que en un caso simple significa la cantidad de calor que se emite o consume cuando se lleva a cabo una reacción, es decir, se puede medir la diferencia energética entre los reactivos y los productos. A la cantidad de calor producido o requerido para que ocurra una reacción a presión constante se le conoce como entalpía de reacción (∆Hreacc). Cuando una reacción emite calor hacia sus alrededores, entonces el valor de su ∆Hreacc es negativo (el sistema pierde y queda en un estado de menor energía). Mientras que a las reacciones endotérmicas les corresponden valores de ∆Hreacc positivos (el sistema gana y pasa a un estado de mayor energía). Por ejemplo, si se quema dentro de un calorímetro un mol de sacarosa o azúcar común (C12H22O11), de acuerdo con la siguiente reacción: C12 H22O11 1 12O2 → 12CO2 1 11H2O es posible determinar experimentalmente que se desprenden 1,349 kilocalorías. Esta cantidad de calor puede medirse calentando, con el calor desprendido de la combustión, una cierta cantidad de agua y tomando en cuenta que cada mililitro de agua requiere de una caloría para elevar su temperatura en un grado centígrado (calor específico 5 1 cal/gr°C). Es así que la entalpía de reacción ∆Hreacc de la combustión de la sacarosa tiene un valor de 21,349 kilocalorías; la reacción, como ya sabíamos, es exotérmica. C12 H22O11 1 12O2 → 12CO2 1 11H2O

ΔH 5 21349kcal

EN

Entra

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Acción

Con la información anterior, elabora un mapa conceptual que incluya las siguientes ideas: calor, reacción endotérmica, reacción exotérmica, sistema, alrededores y entalpía de reacción. Presenta tu mapa en el siguiente espacio.

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Bloque 8 • Entiende los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Describe el concepto de entalpía de reacción, utilizándolo como criterio para distinguir entre reacciones endotérmicas y exotérmicas.

Entalpía de formación Para calcular y, por lo tanto, predecir el ∆Hreacc de cualquier reacción, sin necesidad de hacerla y medir experimentalmente, se emplea el término de entalpía de formación estándar (∆H0f), que corresponde al calor que se requiere o desprende cuando una sustancia se forma a una atmósfera de presión y a 25 ºC. Para tener una referencia, se definió que la ∆H0f de cualquier elemento en su forma más estable es igual a 0. Así, el ∆H0f de cualquier elemento, como la plata, el grafito o el oxígeno gaseosos, entre otros, tienen un valor de 0 (∆H0f 5 0). De este modo, es posible determinar experimentalmente el ∆H0f de cualquier sustancia a partir del calor desprendido cuando la sustancia se obtiene a partir de los elementos que lo componen, cuando están en su estado más estable. Por ejemplo, cuando se hacen reaccionar un mol de carbono en forma de grafito (que es la forma más estable del carbono) y un mol de oxígeno gaseoso, de acuerdo con la siguiente reacción, se obtiene un mol de dióxido de carbono, además de 94.05 kcal. C( grafito) 1 O2( g) → CO2( g) 1 94.05kcal Tomando en cuenta que el ∆Hreacc corresponde a la diferencia energética entre los productos y los reactivos de acuerdo con la siguiente ecuación: 0 ΔHreacc 5 (cΔH f0 C 1 dΔH f0 D ) 2 (aΔH f0 A 1 bΔH f0 B )

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Química 1

para la reacción general: aA 1 bB → cC 1 dD y considerando que para la reacción de nuestro ejemplo, el ∆H0f de ambos reactivos, el carbono y el oxígeno, vale 0, entonces: 0 ΔHreacc 5 ΔH f0CO2 5 294.05kcal

Por lo que el ∆H0f del CO2 es justamente 294.05 kcal/mol. Una vez que se conocen los valores del ∆H0f de un gran número de compuestos, entonces es posible calcular el ∆H0reacc de cualquier reacción en la que éstos participen. En la tabla 8.1 se enlista el valor de ∆H0f para una serie de compuestos. Tabla 8.1 Valores de ∆H0f de algunos compuestos.

Ejemplo: A partir de los valores que aparecen en la tabla 8.1, se calculará la ∆H0reacc de la reacción de combustión del metano: CH4( g) 1 2O2( g) → CO2( g) 1 2H2O ( g) Procedimiento Tomando en cuenta los coeficientes de la ecuación balanceada y los valores de ∆H0f para productos y reactivos, la diferencia energética se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación: 0

0

0

0

0

ΔHreacc5 (ΔH f CO2 1 2ΔH f H2O ) 2 (ΔH f CH4 1 2ΔH f O2 ) 0

ΔHreacc5 (294.05 1 2(257.8)) 2 (217.84 1 2(0)) 5 2191.76 kcal/mol Es decir, teóricamente se puede predecir que la reacción de combustión del metano primero es exotérmica, y además, que la cantidad de calor desprendido será igual a 191.76 kilocalorías.

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Bloque 8 • Entiende los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas

En resumen: partiendo de la definición de que el contenido energético de todos los elementos en su estado más estable es 0, es posible igualar la cantidad de calor intercambiado cuando se forma un compuesto a partir de sus elementos con su ∆H0f. Teniendo este valor para diferentes compuestos se puede calcular el ∆H0reacc para cualquier reacción. Ejercicio: A partir de los valores reportados llena la siguiente tabla (se incluye la combustión del metano como ejemplo). Ecuación (sin balancear)

CH4( g) 1 2O2( g) → CO2( g) 1 2H2O( g)

Reacción exotérmica o endotérmica Exotérmica

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Resuelve ejercicios relacionados con la variación de la entalpía de reacción, identificando aquellas reacciones que son exotérmicas o endotérmicas.

ΔH0reacc (kcal/mol) 2191.76

HCl 1 NH3 → NH4Cl HNO3 1 NaOH → NaNO3 1 H2O CH3OH 1 O2 → CO2 1 H2O

DE

Cruce

Caminos

A principios del siglo XIX, en plena Revolución Industrial, surgió la necesidad de optimizar el rendimiento mecánico de las máquinas térmicas que quemaban carbón. Para ello, primero se debió resolver el problema de comprender la naturaleza del calor. Para solucionarlo intervinieron algunos ingenieros industriales, como James Prescott Joule, Julius Robert Mayer y Sadi Carnot, este último es considerado el padre de la termodinámica. Investiga sobre las vidas de Sadi Carnot y los otros ingenieros que iniciaron la ciencia llamada termodinámica. Describe la historia del surgimiento de la termodinámica e ilustra tu narración con las imágenes recortables que encontrarás al final del libro.

Velocidad de reacción A lo largo de todo el libro se ha hecho referencia a los problemas de contaminación ambiental a los que estamos expuestos todos, o casi todos, los habitantes del planeta. Sin embargo, te preguntarás cómo es que con tantas sustancias tóxicas en el ambiente, la mayoría andamos felices y contentos sin que cotidianamente tengamos problemas de salud. Bueno, pues entre otros factores, lo que nos permite seguir con nuestras vidas cotidianas es que muchas de las reacciones que este tipo de sustancias llevan a cabo en nuestro organismo suceden lentamente. Por esta razón, conocer y estudiar la velocidad a la que ocurren las reacciones es un tema importante en el área de la química. El valor de cambio de entalpía de una reacción nos indica la cantidad de energía que se desprende o se requiere cuando se lleva a cabo una reacción. Esta información resulta del mayor interés, pues nos permite predecir, por ejemplo, cuál combustible

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas.

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Química 1

generará mayor cantidad de energía al quemarse. Sin embargo, los valores de las entalpías se refieren a la diferencia entre una situación inicial y una final y no nos informan acerca del tiempo transcurrido durante una reacción. ¿Sabes cómo queda la orilla de las hojas de un libro cuando ha pasado años o incluso siglos guardado en un estante y en contacto con el aire? Efectivamente, la orilla de las hojas literalmente se hace polvo. Este desgaste ocurre debido a que la celulosa de la que está hecho el papel reacciona con el oxígeno llevando a cabo una combustión equivalente a la que realizamos cuando quemamos un tronco en una fogata… sólo que mucho más lenta. CH4 1 O2 → CO2 1 2H2O C6H10O5 1 6O2 → 6CO2 1 5H2O Hay reacciones que pueden tomar años para que sucedan, mientras que otras ocurren en sólo unos instantes. La cinética es el área de la química que se dedica a estudiar la velocidad con la que ocurren las reacciones. Esto es de suma importancia, pues, por ejemplo, sirve para determinar y adecuar el tiempo en que actúa un medicamento, estalla un explosivo o se descompone un alimento. La velocidad de una reacción se puede medir como la forma en que varía la concentración de una de las sustancias que participan en la reacción conforme transcurre el tiempo. Aunque su valor siempre es positivo, pues la reacción avanza, se puede considerar como la disminución de la concentración de uno de los reactivos, o bien, como el aumento de la concentración de alguno de los productos, de acuerdo con las siguientes expresiones: D[R] Dt

• respecto a uno de los reactivos v52_____ (dado que D[R] siempre es negativo,

en este caso se agrega el signo menos [2] para que la velocidad sea positiva). D[P ] Dt

• respecto a uno de los productos v52_____ .

La velocidad de reacción se determina experimentalmente midiendo la concentración de uno de los reactivos o uno de los productos para cada instante conforme transcurre la reacción, como se muestra en la figura 8.3.

Figura 8.3 Al medir la concentración de los reactivos o productos se determina la velocidad de reacción.

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Bloque 8 • Entiende los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas

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El valor de la pendiente en cada punto de la curva corresponde a la velocidad de la reacción en cada instante dado. En la gráfica se observa que conforme la reacción avanza la velocidad disminuye (la inclinación de las rectas cada vez es menor). La velocidad de una reacción, en cualquier momento, depende de la concentración de todos o de alguno de los reactivos.

Reacciones veloces que salvan vidas Las bolsas de aire que se utilizan en los automóviles modernos han salvado la vida de muchas personas, pues previenen lesiones graves cuando sucede un accidente automovilístico. Cuando un sensor en el vehículo percibe un impacto, de manera instantánea dentro de la bolsa se inicia una reacción química. La descomposición de la azida de sodio (NaN3), que se encuentra en el interior de la bolsa, genera una gran cantidad de gas nitrógeno (N2) que la infla. El mecanismo es efectivo gracias a que la reacción se lleva a cabo en sólo 50 milisegundos.

Figura 8.4 Una reacción química que incrementa la seguridad en los automóviles.

TU

Amplía

e

Horizont

Junto con un compañero realiza una visita a una agencia de automóviles. Pide a uno de los vendedores o de los mecánicos que te explique las ventajas que tienen las bolsas de aire de los vehículos más modernos. Además, consúltale sobre los costos del equipo y su mantenimiento. Escribe un breve resumen a continuación.

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Química 1

EN

Entremos

Acción

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.

I N D I C A D O R

En la siguiente investigación experimental, formen equipos de tres personas para contestar las siguientes preguntas: • ¿Cuáles factores afectan la velocidad con la que se disuelve una pastilla efervescente en el agua? • ¿En qué condiciones puede disolverse la pastilla más rápido? • ¿Cómo se puede determinar la velocidad de la reacción que sucede cuando se disuelve la pastilla? Primero, en conjunto discutan y escriban lo que han observado sobre la disolución de pastillas efervescentes en agua.

D E

D es e m pe ño Siguiendo el método científico, realiza una actividad experimental sobre velocidad de reacción y factores que la modifican.

Ahora propongan al menos dos hipótesis para cada una de las preguntas.

Para llevar a cabo la investigación deberán conseguir el siguiente material: I N D I C A D O R

D E

D es e m pe ño Explica la forma en que algunos factores modifican la velocidad de reacción.

• • • •

Pastillas efervescentes. Vasos transparentes. Agua limpia. Un reloj.

Además, tomando en cuenta los ingredientes que se enlistan en la etiqueta de la pastilla, consulten en la bibliografía cuál reacción o reacciones se llevan a cabo. Procedimiento 1. Escriban en orden cada una de las tareas que van a realizar y comiencen con el experimento. Los resultados numéricos deberán registrarse en orden y deben ser confiables, por lo que es conveniente que cada experimento sea repetido al menos tres veces por una misma persona. Escriban los resultados en la siguiente V de Gowin. Recuerden incluir representaciones como gráficas o mapas conceptuales. 2. Al final de la sesión, usando su “V”, cada equipo explicará al grupo lo siguiente: • La suposición (hipótesis) que decidieron probar. • Las actividades experimentales que realizaron para dar respuesta a su interrogante. • Los problemas que enfrentaron para ejecutar el experimento. • Si lograron probar o no su hipótesis. • Otras dudas que hayan surgido durante el experimento. Durante las exposiciones deberán preguntar cualquier duda que tengan y cuestionar aquellos datos que parezcan sospechosos. Elaboren conclusiones grupales en las que expliquen los factores que sus experimentos señalan como los responsables de que una pastilla efervescente se disuelva más rápido, de preferencia con argumentos numéricos y apoyados en una gráfica.

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Bloque 8 • Entiende los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas

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Figura 8.5 Diagrama de V de Gowin.

Factores que afectan la velocidad de reacción Al nivel de los átomos y las moléculas, las observaciones que hiciste pueden explicarse de la siguiente forma: para que los átomos o las moléculas reaccionen es indispensable que interaccionen unas con otras, es decir, necesitan chocar entre sí. Al aumentar la probabilidad de que sucedan dichos choques aumentará la facilidad con la que se lleva a cabo la reacción. Observa la figura 8.6 e imagina que cada una de las partículas, sean átomos o moléculas, se mueven intensa y constantemente. Ahora

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C O M P E T E N C I A

Disciplinar Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.

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Química 1

imagina que los círculos azules son las partículas de un reactivo y las rojas de otro y que están a punto de reaccionar. ¿En cuál de los dos recipientes es más probable que choquen las partículas?

Figura 8.6 ¿En cuál recipiente hay más probabilidad que ocurran choques entre partículas?

Aunque la velocidad con la que ocurre una reacción depende de su naturaleza particular, con frecuencia los factores que afectan la velocidad con la que se lleva a cabo una reacción son: 1. La concentración de las sustancias (cantidad de sustancia/volumen). Al aumentar la concentración de los reactivos aumenta la velocidad de la reacción. 2. La temperatura. La mayoría de las reacciones procede con mayor rapidez cuando se eleva la temperatura. 3. La presión. La velocidad de las reacciones en estado gaseoso es mucho más susceptible a los cambios de presión. En estos casos, un aumento en la presión que se aplica sobre las sustancias implica una disminución del volumen que ocupan y, por lo tanto, produce un aumento en la concentración. 4. El tamaño de la partícula. En el caso de las sustancias sólidas, cuanto más pulverizadas se encuentren, la velocidad con la que reaccionan es mayor.

EN

Entra

Acción

En el siguiente espacio dibuja un modelo que ilustre cómo afectan la temperatura, la presión y el tamaño de partícula a la velocidad de las reacciones. Puedes tomar como base la figura 8.6 que muestra el efecto de la concentración de los reactivos.

C O M P E T E N C I A

D i s c i p l i nar Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

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Bloque 8 • Entiende los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas

EN

Entremos

Acción

C O M P E T E N C I A

Disciplinar Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.

Figura 8.7 En un basurero también participa la velocidad de las reacciones.

Observa detenidamente la fotografía y discute con dos compañeros qué tiene que ver lo que observan con el tema de la velocidad de las reacciones. Escribe las conclusiones a las que llegaron.

I N D I C A D O R

D E

Dese mpeño Participa en la discusión en equipo y plenaria sobre el consumismo e impacto ambiental distando alternativas de solución.

De acuerdo con lo que escribiste, propón una solución al problema con base en tus conocimientos sobre velocidad de reacción.

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Química 1

DE

Pista

Aterrizaje

Proyecto El curso ha concluido, por lo que es importante que en este último proyecto utilices la mayoría de los conocimientos que adquiriste a lo largo del ciclo.

I N D I C A D O R

D E

D es e m pe ño Explica la noción de desarrollo sustentable y las acciones necesarias para promoverlo.

1. Para organizar la conferencia informativa a estudiantes de secundaria o primaria sobre desarrollo sustentable consulten a las autoridades de su escuela y definan: • • • •

Cuántos alumnos asistirán a la conferencia. De qué grado serán. Dónde se llevará a cabo la conferencia. Con cuánto tiempo contarán.

2. Posteriormente definan los temas que sobre Desarrollo sustentable quieren abordar y realicen una búsqueda de información en la biblioteca, periódicos o revistas y en Internet. 3. Formen equipos y asignen tareas para realizar las siguientes actividades: • Elaboración del texto que presentarán los expositores. • Diseño del material gráfico que se presentará, puede ser una presentación en PowerPoint, carteles o acetatos. • Elaboración de las invitaciones para los alumnos visitantes. 4. Elijan a cinco personas para que sean los expositores y a otros cinco para que se encarguen de registrar, como si fueran reporteros, el desarrollo del evento. Pueden sacar video o fotografías y hacer una reseña. El día de la conferencia inviten a tres profesores de la escuela para que califiquen el desarrollo del evento. Pide a los profesores que, según su criterio, asignen una calificación entre 1 y 8, de acuerdo con la siguiente rúbrica, para cada uno de los tres rubros marcados: detalles, claridad y calidad, y que hagan una suma total de las tres calificaciones. Conferencia sobre desarrollo sustentable Detalles y profundización

Escasos detalles (1 a 2)

Algunos detalles (3 a 4)

Buena cantidad de detalles (5 a 6)

Descripción abundante de la información (7 a 8)

Claridad del documento

Vago y poco claro (1 a 2)

No suficientente organizado (3 a 4)

Bien organizado (5 a 6)

Altamente organizado y fácil de seguir (7 a 8)

Calidad del diseño

Poco diseño (1 a 2)

Diseño simple (3 a 4)

Atractivo, invita a verlo (5 a 6)

Diseño excepcional (7 a 8)

Como trabajo final, cada uno entregará a su profesor un informe del evento.

Coevaluación Empleando la misma rúbrica, y una vez que haya pasado la conferencia, en una discusión grupal realicen una evaluación del evento. Es importante que cuando cada uno participe proponiendo una calificación ofrezca argumentos para convencer a los demás de que ésta es justa.

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Bloque 8 • Entiende los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas

Caja de

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herramientas

Conversión de unidades El manejo de las unidades de medida es fundamental en las ciencias y muy útil en muchas actividades de nuestra vida. Con frecuencia, en la resolución de problemas requerimos cambiar las unidades de alguno de los datos, para lo cual utilizamos un cierto tipo de razones básicas, llamadas razones unitarias o factores de conversión. En estas razones el numerador y el denominador corresponden a magnitudes equivalentes expresadas en diferentes unidades. Por ejemplo, si queremos expresar 35 años en meses, necesitamos elaborar un 12meses factor de conversión que involucre estas unidades, en este caso , el nume1año rador y el denominador son equivalentes, de tal modo que el valor del cociente es uno. Es importante notar que en el numerador se usaron meses y en el denominador años, pues el factor de conversión va a multiplicarse por la magnitud a la que queremos cambiar las unidades, en este caso 35 años, y lo que buscamos es eliminar las unidades de la magnitud original y dejar las del numerador. Así: 35años

12meses



1año



420meses

Es posible utilizar varios factores de conversión a la vez, cuando no conocemos la equivalencia directa entre las unidades que tenemos y las que queremos obtener. Los factores se elaboran con las equivalencias que conocemos o sacamos de las tablas. Por ejemplo, si queremos pasar los 35 años a segundos, no tenemos un solo factor que relacione años y segundos, pero podemos usar las equivalencias que sí conocemos. Así: 35años

12meses

30días

1año

1mes







24horas 1día



60minutos

60segundos

1hora

1minuto





Cada factor se acomodó de tal forma que se eliminaran las unidades de la cantidad anterior y quedaran las del numerador en el factor. Al eliminar unidades y resolver la multiplicación tenemos que: 35años

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Química 1

LO

Evalúa

o

Aprendid

Evaluación del bloque A continuación se muestran tres gráficas, cada una representa la energía de las sustancias conforme avanza una reacción. Indica ¿cuál es endotérmica?, ¿cuál es exotérmica?, y ¿cuál es la más rápida?

C O M P E T E N C I A S

D i s c i pl i nare s • Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. • Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece.

Figura 8.8 Cantidad de energía conforme avanza una reacción.

Autoevaluación En la siguiente evaluación encontrarás enlistados los aprendizajes que se espera hayas adquirido después de estudiar este bloque. En la tercera columna de la tabla hay un espacio para que reflexiones sobre tu desempeño y escribas “Sí”, “No” o “Faltó trabajo”, según consideres en qué medida adquiriste o no ese aprendizaje.

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Bloque 8 • Entiende los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas

Tipo de saberes

Saberes requeridos para el logro de la competencia

Conocimientos

Explico los conceptos de entalpía de reacción y entalpía de formación.

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Resultado de la evaluación

Distingo entre reacciones químicas endotérmicas y reacciones químicas exotérmicas, partiendo de los datos de entalpía de reacción. Explico el concepto de velocidad de reacción. Describo la noción de desarrollo sustentable. Habilidades

Utilizando datos de tablas, calculo la entalpía de reacción a partir de la entalpía de formación. Identifico los factores que intervienen en la velocidad de una reacción química: naturaleza de los reactivos, tamaño de partícula, temperatura, presión, concentración y catalizadores. Asimismo, explico cómo afecta cada uno de ellos a la velocidad de reacción. Desarrollo actividades experimentales donde observo alguno(s) de los factores que modifican la velocidad de reacción. Argumento los beneficios y riesgos relacionados al consumismo y su impacto en el medio ambiente.

Actitudes y valores

Muestro interés por comprender los cambios energéticos en las reacciones químicas que se dan en su entorno. Valoro la conveniencia de la lentitud o la rapidez de algunos procesos químicos que se presentan en mi vida diaria. Considero el desarrollo sustentable como una medida para aminorar los problemas ambientales. Colaboro con mis compañeros de equipo para apoyar el desarrollo sustentable.

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Bibliografía American Chemical Association, QuimCom, Química en la comunidad, 1ª ed., Pearson Educación, México, 1998. American Chemical Society, QuimCom, Química en la comunidad, 2ª ed., Addison Wesley Iberoamericana, México, 1998. Andoni Garritz Ruiz, Laura Gasque Silva, Ana Martínez Vázquez, Química universitaria, 1ª ed., Pearson Educación, México, 2005. Bernal, Margarita y Gertrudis Uruchurtu, “La extravagancia del agua”, ¿Cómo ves?, Revista de divulgación de la ciencia de la UNAM. Año 6, No. 72, pp. 29-33, México. Brown, Theodore L., Julia R. Burdge, Bruce E. Bursten y H. Eugene Lemay, Química. La ciencia central, 9ª ed., Pearson Educación, México, 2004. Castillejos, S.A., et al., La tabla periódica de los elementos, Centro Nacional de Educación Química, Fundación Roberto Medellín, S.C., México, 2003. Córdova Frunz, José Luis, La química y la cocina, 3ª ed., FCE, México, 2002. Chamizo, José Antonio y Andoni Garritz, Química terrestre, 3ª ed., FCE, México, 2002. Chang, Raymond, Química, 4ª ed., McGraw Hill, México, 1992. Sosa Reyes, Ana María, “Los plásticos: materiales a la medida”, ¿Cómo ves?, Revista de divulgación de la ciencia de la UNAM. Año 4, No. 43, pp. 22-25, México.

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Proyecto Bloque 5

El agua en nuestro entorno

AUTOEVALUACIÓN (pág. 120) Nombre: Grupo:

Fecha:

¿Qué aprendí en este bloque sobre las propiedades de las sustancias y los modelos de enlace?

¿En qué parte del bloque tuve alguna dificultad?

¿Para qué me podría ser útil saber cómo se construyen las estructuras de Lewis?

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Proyecto Bloque 7

Conservación de monumentos históricos

ACTIVIDAD RECORTABLE (pág. 168) Nombre: Grupo:

Fecha:

Recorta los círculos para representar a los átomos involucrados y reproduce en tu cuaderno cada una de las reacciones balanceadas.

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Proyecto Bloque 8

Desarrollo sustentable

Cruce de caminos (pág. 189) Nombre: Grupo:

Fecha:

Máquina de vapor

James Prescott

Sadi Carnot

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