Tema 9

GU Í A DI DÁC T IC A

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1 Programación de aula* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2 Sugerencias didácticas Presentación de la unidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trabajo en el laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pon a prueba tus competencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Incluye una Matriz de evaluación de competencias . . . . . . . . . .

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ESO

Los átomos y sus enlaces

4 CONTENIDO

3 Actividades de refuerzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4 Actividades de ampliación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 5 Propuestas de evaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 6 Solucionario de la unidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 * Esta programación y la concreción curricular de tu comunidad autónoma podrás encontrarlas en el CD Programación y en .

Programación de aula Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

La unidad reúne una descripción de la teoría atómica, la ordenación de los elementos y los modelos de enlace que justifican las propiedades de las sustancias. De la teoría atómica se analizan los modelos de Rutherford y Bohr, comenzando con la descripción del modelo nuclear del átomo y las características del núcleo. A continuación se introducen los niveles energéticos de la corteza atómica, sin llegar al concepto de “orbital”. Una vez resuelto el interrogante “¿cómo son los átomos?”, se pasa a la siguiente cuestión lógica, “¿cuántos átomos diferentes hay?”. Se hace una breve historia de la tabla periódica y se describen sus bloques, relacionándolos con los subniveles energéticos de la corteza de los átomos que los forman: la tabla periódica se analiza a la luz de los subniveles s, p, d y f. Finalmente se describen los modelos de enlace (metálico, iónico y covalente) y las propiedades de las sustancias interpretadas según dichos modelos. Los contenidos están relacionados con el bloque del currículo oficial, Estructura y propiedades de las sustancias. Las competencias que se trabajan especialmente en esta unidad son la competencia en comunicación lingüística, la competencia matemática, la competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico, el tratamiento de la información y competencia digital, y la competencia para aprender a aprender.

OBJETIVOS

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

1. Profundización en la teoría atómica, describiendo el núcleo y corteza de los átomos conforme a las teorías de Rutherford y Bohr.

1.1. Conocer el modelo de Rutherford y las principales propiedades de los núcleos. 1.2. Describir los niveles y subniveles energéticos de la corteza atómica conforme al modelo de Bohr.

2. Estudio de la ordenación periódica de los elementos, su historia y su relación con la teoría atómica.

2.1. Conocer y aplicar la relación entre el sistema periódico, los subniveles s, p, d, y f, y la distribución electrónica en los átomos. 2.2. Asociar los enlaces que forman los elementos del sistema periódico con su configuración electrónica y su posición en la tabla.

3. Interpretación de las propiedades observables en las sustancias y su relación con su constitución atómica y su tipo de enlace.

3.1. Interpretar la formación de sustancias mediante modelos de enlaces, como el enlace iónico, el enlace covalente y el enlace metálico. 3.2. Diferenciar, por sus propiedades, sustancias que presenten enlaces iónicos, covalentes o metálicos.

COMPETENCIAS BÁSICAS

• Competencia en comunicación lingüística. • Competencia matemática. • Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico. • Tratamiento de la información y competencia digital. • Competencia para aprender a aprender.

CONTENIDOS El modelo atómico nuclear. Número atómico y número másico. Isótopos. – Relacionar las partículas fundamentales con el número atómico, iones, isótopos, cargas, etc. La corteza atómica, niveles energéticos y modelo de Bohr. Subniveles electrónicos s, p, d y f. Sistema periódico y estructura electrónica. Agrupaciones de átomos: enlace químico. Regla del octeto. Configuración electrónica. – Utilización de modelos para explicar la estructura atómica y la formación de moléculas y cristales.

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Los átomos y sus enlaces

El enlace metálico. Propiedades de los metales. Aleaciones. – Identificación de sustancias metálicas y de sus propiedades. El enlace covalente. Diagramas de Lewis. Las sustancias covalentes y sus propiedades. – Identificación de sustancias covalentes y de sus propiedades. El enlace iónico. Compuestos y propiedades. – Identificación de sustancias iónicas y de sus propiedades.

Programación de aula

ORIENTACIONES METODOLÓGICAS 1. Conocimientos previos Los alumnos deben recordar que la materia es discontinua, y está formada por partículas, átomos o moléculas; que los átomos no son el componente último de la materia, sino que son, a su vez, partículas complejas formadas por protones, neutrones y electrones, y que el desarrollo de nuestro conocimiento sobre la naturaleza nos ha permitido elaborar modelos atómicos cada vez más precisos. Los alumnos deben saber que todas las sustancias que nos rodean son compuestos químicos formados por átomos, moléculas o cristales, y que los seres vivos también lo son. Y que el desarrollo de la humanidad va parejo al desarrollo de la química.

2. Previsión de dificultades El uso de modelos siempre encierra dificultades. Hay que procurar que el alumno comprenda que la representación de los átomos mediante esferas macizas en el modelo de Dalton o el modelo planetario como símil del modelo nuclear solo son aproximaciones a la realidad. Algunos alumnos podrían sacar la idea de que los colores de los átomos son los de las bolas que los representan. En relación con el modelo de Bohr y los niveles energéticos de la corteza, la búsqueda de modelos es todavía más complicada. También hay que adoptar las mismas precauciones con los modelos de bolas que representan a los sólidos iónicos, covalentes y metálicos.

3. Vinculación con otras áreas • Ciencias de la Naturaleza. El método científico se utiliza en todas las disciplinas de ciencias: química, física, biología, geología, etc.; por ello, la vinculación de esta unidad con las Ciencias de la Naturaleza es obvia. La vinculación con la Biología y la Geología se pone de manifiesto en que toda la materia, tanto la orgánica como la inorgánica, está formada por átomos unidos mediante enlaces. La estructura de la materia es el fundamento de todas las ciencias. • Lengua Castellana y Literatura. Empleo del contexto verbal y no verbal, y de las reglas de ortografía y puntuación. La lectura comprensiva del texto, así como de los enunciados de los problemas y ejercicios. • Matemáticas. Utilización de estrategias en la resolución de problemas y traducción de expresiones del lenguaje cotidiano, de los enunciados de los problemas, al lenguaje algebraico. Recogida de información, presentación y procesamiento de datos numéricos. • Tecnología. Manejo de las tecnologías de la información y la comunicación en diferentes contextos. Estudio de propiedades de materiales. • Lengua extranjera. Búsqueda de información en otro idioma.

4. Temporalización Para el desarrollo de esta unidad se recomienda la organización del trabajo en un mínimo de nueve sesiones distribuidas del siguiente modo: Páginas iniciales (una sesión). Lo que vas a aprender. Desarrolla tus competencias. Experimenta. Epígrafes 1 a 8 y Resumen (seis sesiones). Contenidos. Resolución de ejercicios propuestos. Resolución de actividades. Repasar contenidos. Trabajo en el laboratorio (una sesión). Explicación y desarrollo de la práctica. Pon a prueba tus competencias (una sesión). Aplica tus conocimientos. Lee y comprende. Utiliza las TIC.

5. Sugerencias de actividades Calcular la conductividad eléctrica de diversas sustancias en el laboratorio.

6. Refuerzo y ampliación Los distintos estilos de aprendizaje y las diferentes capacidades del alumnado pueden precisar de propuestas para afianzar y reforzar algunos contenidos. Se sugiere realizar las actividades de refuerzo que aparecen en este cuaderno. La necesidad de atender a alumnos que muestren una destreza especial para la consolidación de los conceptos de la unidad hace preciso el planteamiento de actividades de ampliación. Se sugiere realizar las actividades de ampliación que aparecen en este cuaderno.

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Programación de aula

CONTRIBUCIÓN DE LA UNIDAD A LA ADQUISICIÓN DE LAS COMPETENCIAS BÁSICAS Competencia en comunicación lingüística A través de los textos que se proponen al principio y al cierre de la unidad se trabaja la comunicación escrita. De este modo se permiten el conocimiento y la comprensión de diferentes tipos de textos, así como la adquisición del hábito de la lectura y el disfrute con ella. En la sección Lee y comprende se trabaja la posible incorporación de nuevas palabras en el lenguaje del alumno. Asimismo se trabaja la recopilación de información, la interpretación y comprensión de textos, y su escritura.

Competencia matemática A lo largo de la unidad, los alumnos trabajan con herramientas relacionadas con la medición, el cálculo de magnitudes y la interpretación de gráficas para la resolución de problemas basados en la aplicación de expresiones matemáticas. Muchas de ellas se encuentran en contextos de la vida real.

Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico En esta unidad se contribuye a la adquisición de la competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico mediante el conocimiento y comprensión de la estructura de la materia, y la interpretación de las propiedades de los materiales conforme a los tipos de enlace entre sus átomos. En la sección Pon a prueba tus competencias, la actividad “Los diamantes” describe las características de estos materiales tan singulares, y la actividad “Fibras de carbono y materiales compuestos” muestra cómo el conocimiento de la estructura de la materia ha permitido elaborar sofisticados materiales.

Tratamiento de la información y competencia digital A lo largo de toda la unidad, los alumnos encontrarán referencias a la página web librosvivos.net, en la que podrán hacer uso de las herramientas tecnológicas. La búsqueda de información en internet, tanto de forma individual como en grupo, también trabaja esta competencia.

Competencia para aprender a aprender La sección Trabajo en el laboratorio y otras experiencias propuestas en la unidad permite a los alumnos construir su propio conocimiento mediante la aplicación sistemática del método científico. También aprenderán a administrar el tiempo y el esfuerzo en su quehacer en el laboratorio, al igual que las diversas propuestas de búsqueda de información que existen en la unidad. Además, la unidad permite tomar conciencia y control de las propias capacidades, pues los alumnos disponen de una autoevaluación para aprender de sus propios errores y autorregularse con responsabilidad y compromiso personal.

Autonomía e iniciativa personal En la sección Trabajo en el laboratorio, los alumnos deberán ser capaces de planificar, gestionar tiempos y tareas, afrontar los problemas de forma creativa, aprender de los errores, reelaborar los planteamientos previos, elaborar nuevas ideas, buscar soluciones y llevarlas a la práctica.

Otras competencias de carácter transversal Competencia emocional En la sección Pon a prueba tus competencias (“Aplica tus conocimientos” y “Los diamantes”) se hace referencia a la película Diamante de sangre, sobre el tráfico ilegal de diamantes que ha causado crueles guerras en África. El visionado de la película, que refleja con gran crudeza la realidad, hará reflexionar a los alumnos, y los pondrá en contacto con sus propias emociones y con las de los demás.

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Programación de aula

TRATAMIENTO ESPECÍFICO DE LAS COMPETENCIAS BÁSICAS EN LA UNIDAD A lo largo de la unidad se trabajan diversas competencias. Sin embargo, sugerimos un itinerario en el que se han seleccionado cinco, con el objeto de llevar a cabo un trabajo metódico y un registro de ellas.

COMPETENCIA

SUBCOMPETENCIA

Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico

Tratamiento de la información y competencia digital

Competencia para aprender a aprender

DESEMPEÑO

Comunicación escrita.

Adquirir el hábito de la lectura y aprender a disfrutar con ella, considerándola fuente de placer y conocimiento.

Lee y comprende la información contenida en el texto, y responde correctamente a las preguntas relativas a él. Además, aprende a disfrutar y adquiere hábitos de lectura. – Desarrolla tus competencias, página 185; Pon a prueba tus competencias: Aplica tus conocimientos, página 204; Lee y comprende, página 205; actividad 17.

Relación y aplicación del conocimiento matemático a la realidad.

Seleccionar las técnicas adecuadas para calcular resultados y representar e interpretar la realidad a partir de la información disponible.

Aplica las técnicas adecuadas para la resolución de problemas y cuestiones relacionados con la estructura de la materia. – Actividades 2, 3, 4, 5, 30, 32 y 33.

Conocimiento y valoración del desarrollo científicotecnológico

Aplicar soluciones técnicas a problemas científico-tecnológicos basados en criterios de respeto, de economía y eficacia, para satisfacer las necesidades de la vida cotidiana y del mundo laboral.

Relaciona las propiedades de los nuevos materiales usados en diversos campos de la actividad científica, económica y deportiva con la estructura de la materia que los forma. – Pon a prueba tus competencias: Lee y comprende, y Utiliza las TIC, página 205.

Aplicación del método científico en diferentes contextos.

Realizar predicciones con los datos que se poseen, obtener conclusiones basadas en pruebas y contrastar las soluciones obtenidas.

Utiliza los conocimientos teóricos de la unidad para explicar hechos y obtener conclusiones. – Experimenta, página 185; Pon a prueba tus competencias, página 204; actividades 1, 6, 15, 16, 18, 26, 34 y 35.

Obtención, transformación y comunicación de la información.

Comunicar la información y los conocimientos adquiridos empleando diferentes lenguajes y recursos tecnológicos.

Busca información relevante en la red y extrae de ella los conceptos necesarios para resolver cuestiones relacionadas con los contenidos de la unidad. – Pon a prueba tus competencias: Utiliza las TIC, página 205; actividades 7, 9, 23 y 48.

Construcción del conocimiento.

Obtener información, relacionarla e integrarla con los conocimientos previos y con la propia experiencia para generar nuevos conocimientos.

Trabaja en las prácticas de laboratorio relacionando la información obtenida de forma experimental con los conceptos sobre la estructura de la materia que ya posee, afianzando y ampliando sus conocimientos. – Trabajo en el laboratorio, página 199.

Competencia en comunicación lingüística

Competencia matemática

DESCRIPTOR

EDUCACIÓN EN VALORES Tanto los contenidos de la unidad como el trabajo específico por competencias permiten desarrollar otros aspectos que se recogen como educación en valores: – Se pueden abordar aspectos de la educación moral y cívica y de la educación medioambiental en el laboratorio mediante la promoción del trabajo en equipo y el respeto por las normas de seguridad, valorando el rigor científico en los experimentos o gestionando adecuadamente los residuos. – La educación moral y cívica puede abordarse analizando casos como el de Avogadro, cuyas teorías no fueron admitidas hasta 40 años después de su fallecimiento. – Dado que muchos descubrimientos de la denominada “era atómica” se desarrollaron en la primera mitad del siglo XX, y tuvieron gran repercusión en la Segunda Guerra Mundial y la posterior Guerra Fría, se puede abordar la educación para la paz. – Con ayuda de las experiencias que llevaron al modelo nuclear (radiactividad) se pueden tratar temas relacionados con la educación ambiental.

MATERIALES DIDÁCTICOS LABORATORIO Vasos de precipitados de 100 mililitros, vidrios de reloj, un conductímetro, azúcar, etanol, HCl 1 mol/L, azufre, NaCl, CuSO4, agua destilada, un mechero Bunsen, hilo de níquel, un espectroscopio y modelos moleculares.

INTERNET : recursos didácticos interactivos para profesores y alumnos. : propuestas didácticas. : plataforma educativa. : materiales para el profesor.

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Sugerencias didácticas Presentación de la unidad La importancia tanto de la teoría atómica como de la teoría cinética queda establecida comentando las palabras del premio Nobel Richard Feynman. La gran cantidad de información que contiene la frase propuesta en la introducción conviene pensarla con detenimiento. Podía haber elegido cualquier otra frase sobre leyes científicas u otros descubrimientos, pero el grado de conocimiento de la naturaleza que supone esta frase relacionada con la estructura de la materia solo se ha podido conseguir al cabo de veinte siglos de desarrollo científico.

La sección Experimenta propone una forma fácil de hacer ensayos a la llama con un pulverizador y una bombona de butano. Es preferible tener las disoluciones ya introducidas en distintos pulverizadores. Este procedimiento de hacer ensayos a la llama evita la limpieza constante del hilo de platino o que pequeñas cantidades de las distintas sales caigan en la boquilla del gas obstruyéndola, como sucede en el método tradicional.

1. El modelo nuclear Conviene destacar la importancia histórica del experimento de Rutherford y el ingenio de este científico para interpretar los resultados estableciendo la existencia del núcleo atómico. Esto cambió completamente la noción que se tenía hasta comienzos del siglo XX sobre los átomos. Es prácticamente imposible reproducir el experimento en un laboratorio escolar, por lo que puede resultar útil alguna simulación, como la que hay en http://www.youtube.com/watch?v=sft5xx3mltM.

El experimento también dio una idea sobre el tamaño del núcleo: “unas cien mil veces menor” que el tamaño del átomo entero. Hay que destacar que ninguna representación que se hace de los átomos tiene dibujado el núcleo atómico a escala, y que resultan útiles comparaciones como una pelota del golf en el centro de un estadio de fútbol, por ejemplo.

2. Número atómico, número másico y masa atómica Estos conceptos están relacionados con las partículas subatómicas, y resulta útil el empleo de los modelos de bolas. En relación con el número másico y los isótopos, se deben indicar sus aplicaciones en la industria y la medicina.

Asimismo, conviene aclarar bien que el uso de masas atómicas con decimales viene de considerar la abundancia relativa de los distintos isótopos en la naturaleza y establecer una masa ponderada de los mismos.

3. La corteza atómica: niveles energéticos La existencia de niveles de energía, discretos o cuantizados, en la corteza atómica es un concepto difícil, y su relación con los espectros de emisión discontinuos, todavía lo es más en este curso. Se puede comenzar mostrando espectros continuos y discontinuos, e interpretando las rayas desde el punto de vista energético. A continuación, mediante un gráfico, se deben asimilar las transiciones electrónicas entre niveles energéticos con las rayas de los espectros discontinuos, para poner en evidencia la relación.

Una vez relacionados los niveles energéticos con las rayas del espectro, conviene destacar que el espectro es la “huella dactilar” de un elemento químico, y que debido a ello se han podido identificar los distintos elementos que forman las estrellas. En este curso los alumnos han de saber distribuir los electrones en los subniveles de la corteza.

4. El sistema periódico de los elementos Es interesante empezar con una breve historia sobre el descubrimiento de varios elementos químicos y cómo se les fue agrupando con distintos criterios más o menos acertados hasta llegar a la ordenación actual. El siguiente paso es asociar los distintos bloques del sistema periódico con los subniveles electrónicos que se llenan.

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Así que habla de bloque s, bloque p, bloque d o bloque f. Es interesante destacar que todos los elementos de una misma fila o período tienen el mismo número de niveles electrónicos, y que todos los elementos de una columna o grupo tienen el mismo número de electrones en la última capa, y que esto último es de gran importancia a la hora de establecer sus propiedades químicas.

Sugerencias didácticas

5. Agrupaciones de átomos: enlace químico En este curso, el concepto de enlace químico se debe abordar desde el punto de vista energético, indicando que el sistema formado por los átomos unidos tiene menos energía que el sistema formado por los átomos separados. Aunque en el currículo oficial se habla de moléculas y cristales, en realidad se debe indicar que, además de cristales, existen otras estructuras denominadas amorfas, formadas por un número muy grande de átomos enlazados.

Por eso es interesante utilizar la denominación de “estructura gigante” para referirse tanto a cristales (estructuras gigantes con orden) como a amorfos (estructuras gigantes sin orden). El uso de modelos de bolas permitirá diferenciar moléculas y cristales de sustancias simples de moléculas y cristales de compuestos.

6. El enlace metálico y compuestos metálicos En este curso solo es posible describir someramente el enlace metálico mediante un modelo simple que permita interpretar las propiedades más importantes de los materiales metálicos. El modelo de la nube de electrones es el más versátil para explicar las propiedades de los metales: conductividad térmica y eléctrica, maleabilidad o ductilidad.

Además del hierro y otros metales clásicos como el oro o la plata, se pueden describir materiales metálicos de uso más moderno, como el magnesio o el titanio, e investigar sobre sus propiedades.

7. El enlace iónico y los compuestos iónicos El modelo de formación de iones y la posterior interacción electrostática entre ellos es el más simple entre los modelos de enlace. La fuerza entre cargas eléctricas se describe en los primeros cursos de ESO. Sin embargo, conviene destacar el carácter no dirigido de las fuerzas eléctricas, de modo que cada ion atrae a todos los del signo contrario que se puedan situar a su alrededor, y que debido a esta característica, el enlace iónico siempre origina estructuras gigantes, generalmente cristales, de mayor o menor tamaño.

Los alumnos deben experimentar con cristales iónicos; los más asequibles son los de sal común y los de sulfato de cobre(II), y pueden comprobar su conductividad eléctrica en estado sólido y disueltos. Resulta interesante destacar que dos sustancias tan peligrosas de manejar como el cloro (venenoso) y el sodio (corrosivo), al unirse para formar cloruro de sodio originan una sustancia tan importante y nada peligrosa ni tóxica como es la sal común.

8. El enlace covalente y los compuestos covalentes En este curso, la compartición de electrones debe abordarse mediante las estructuras de Lewis sencillas, donde se cumpla empírica la regla del octeto (elementos del primero y segundo períodos cortos). Se deben describir las estructuras de Lewis de las moléculas de hidrógeno o cloro, del oxígeno y del nitrógeno, para ejemplificar los enlaces simples, dobles y triples, respectivamente.

Asimismo se debe destacar la capacidad de este tipo de enlace para formar moléculas o cristales atómicos. No se debería profundizar más en la teoría del enlace, pero sí describir y poner ejemplos de las propiedades de los sólidos moleculares y de los cristales atómicos, utilizando en lo posible materiales cercanos al alumno. En LIBROSVIVOS.NET se propone visualizar una animación sobre los distintos tipos de enlaces.

Trabajo en el laboratorio El trabajo en el laboratorio propone una pequeña investigación sobre la conductividad de distintas sustancias, sólidos, líquidos y disoluciones. Se trata de asociar esta propiedad al tipo de enlace del material.

La estimación de la corriente eléctrica que circula por un material utilizando una bombilla que varía su brillo permite trabajar la competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico.

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Sugerencias didácticas

PON A PRUEBA TUS COMPETENCIAS APLICA TUS CONOCIMIENTOS

LEE Y COMPRENDE

Los diamantes

Fibras de carbono y materiales compuestos

La actividad permite trabajar la competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico a través del conocimiento y la valoración del desarrollo científico-tecnológico. Los alumnos pueden profundizar en el conocimiento de los cristales atómicos con el ejemplo más representativo: el diamante. Las propiedades excepcionales de este material lo hacen idóneo para distintos usos industriales y de investigación científica. Las repercusiones económicas de la industria de los diamantes, así como las implicaciones sociales de sus usos, permitirá plantear debates sobre distintos aspectos de esta industria. La visualización de la película Diamante de sangre, relativa al tráfico ilegal de diamantes, mostrará una terrible problemática en la que los alumnos podrán manifestar sus opiniones personales sobre la actuación de los países desarrollados en este tipo de conflictos.

La lectura ilustra sobre la fabricación de las modernas fibras de carbono, las propiedades que tienen y cómo se pueden cambiar estas, así como su uso en diversos campos. Muy interesantes resultan los materiales compuestos, combinación a su vez de dos o más materiales, que llegan a tener propiedades excepcionales. Se puede captar el interés de los alumnos con material audiovisual en el que se muestren productos ya terminados con este tipo de fibras (bicicletas, motocicletas, coches, etc.) para que sean conscientes de la profusión de nuevos materiales en la vida cotidiana. Por ejemplo, http://www.youtube.com/watch?v=h6v4V0ZHLwc Resulta útil que los alumnos vean alguna muestra de estos nuevos materiales compuestos (fibra de vidrio, fibra de carbono, etc.) y que comprueben algunas de sus propiedades.

UTILIZA LAS TIC Nuevos materiales Se propone a los alumnos una actividad de investigación en grupo sobre nuevos materiales y su aplicación en áreas punteras como el automovilismo, el material deportivo y la odontología, con direcciones web en las que se pueden documentar.

Notas

A continuación presentamos una matriz de evaluación que el profesor puede utilizar para evaluar el grado de consecución de las competencias básicas trabajadas a lo largo de esta unidad. Además, en puede descargar una aplicación informática que le facilitará esta tarea.

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Los átomos y sus enlaces

Competencia para aprender a aprender

Tratamiento de la información y competencia digital

Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico

Competencia matemática

Competencia en comunicación lingüística

Relaciona las propiedades de los nuevos materiales usados en diversos campos de la actividad científica, económica y deportiva con la estructura de la materia que los forma. Utiliza los conocimientos teóricos de la unidad para explicar hechos y obtener conclusiones.

Aplicar soluciones técnicas a problemas científicotecnológicos basados en criterios de respeto, de economía y eficacia, para satisfacer las necesidades de la vida cotidiana y del mundo laboral.

Realizar predicciones con los datos que se poseen, obtener conclusiones basadas en pruebas y contrastar las soluciones obtenidas.

Comunicar la información y los conocimientos adquiridos empleando diferentes lenguajes y recursos tecnológicos.

Obtener información, relacionarla e integrarla con los conocimientos previos y con la propia experiencia para generar nuevos conocimientos.

Conocimiento y valoración del desarrollo científicotecnológico

Aplicación del método científico en diferentes contextos.

Obtención, transformación y comunicación de la información.

Construcción del conocimiento.

Trabaja en las prácticas de laboratorio relacionando la información obtenida de forma experimental con los conceptos sobre la estructura de la materia que ya posee, afianzando y ampliando sus conocimientos.

Busca información relevante en la red y extrae de ella los conceptos necesarios para resolver cuestiones relacionadas con los contenidos de la unidad.

Aplica las técnicas adecuadas para la resolución de problemas y cuestiones relacionados con la estructura de la materia.

Seleccionar las técnicas adecuadas para calcular resultados y representar e interpretar la realidad a partir de la información disponible.

Relaciona los conceptos teóricos sobre la unidad con los resultados obtenidos en el laboratorio.

Resuelve cuestiones sobre la estructura de la materia con información de la red.

Siempre utiliza los conocimientos teóricos de la unidad para explicar hechos y obtener conclusiones.

Siempre relaciona las propiedades de los nuevos materiales con su estructura atómicomolecular.

Resuelve todos los problemas planteados sobre la estructura de la materia utilizando estrategias adecuadas.

Lee, comprende y responde a todas las preguntas; además, disfruta con la lectura.

Lee y comprende la información contenida en el texto, y responde correctamente a las preguntas relativas a él. Además, aprende a disfrutar y adquiere hábitos de lectura.

Relación y aplicación del conocimiento matemático a la realidad.

LO CONSIGUE (4 PUNTOS)

DESEMPEÑO 4.o nivel de concreción

Adquirir el hábito de la lectura y aprender a disfrutar con ella, considerándola fuente de placer y conocimiento.

DESCRIPTOR 3.er nivel de concreción

Comunicación escrita.

COMPETENCIA SUBCOMPETENCIA 1.er nivel de 2.o nivel de concreción concreción

A veces resuelve cuestiones sobre la estructura de la materia con información de la red. Solo a veces relaciona los conceptos teóricos de la unidad con resultados del laboratorio.

Casi siempre relaciona los conceptos teóricos sobre la unidad con los resultados del laboratorio.

Solo a veces utiliza la teoría de la unidad para explicar hechos y obtener conclusiones.

Solo a veces relaciona las propiedades de los nuevos materiales con su estructura.

Solo resuelve algunos de estos problemas con la estrategia adecuada.

No comprende parte del texto y contesta a pocas preguntas. Casi carece de hábitos de lectura.

CON DIFICULTAD (2 PUNTOS)

Casi siempre resuelve cuestiones sobre la estructura de la materia con información de la red.

Casi siempre utiliza la teoría de la unidad para explicar hechos y obtener conclusiones.

Casi siempre relaciona las propiedades de los nuevos materiales con su estructura.

Resuelve casi todos los problemas sobre la estructura de la materia con estrategias adecuadas.

Lee, comprende y responde a casi todas las preguntas, pero no parece que le guste leer.

NO TOTALMENTE (3 PUNTOS)

No es capaz de relacionar conceptos teóricos de la unidad con resultados experimentales.

No resuelve cuestiones sobre la estructura de la materia con información de la red.

No utiliza la teoría de la unidad para explicar hechos y obtener conclusiones.

No es capaz de relacionar las propiedades de los materiales con su estructura atómico-molecular.

No es capaz de resolver problemas sobre la estructura de la materia.

No comprende la información ni responde a las preguntas. Carece de hábitos de lectura.

NO LO CONSIGUE (1 PUNTO)

Sugerencias didácticas

MATRIZ DE EVALUACIÓN DE COMPETENCIAS BÁSICAS

Los átomos y sus enlaces

Unidad 9

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ACTIVIDADES de REFUERZO Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

1. Completa el esquema con los siguientes conceptos: períodos, nuclear (Rutherford), modelos, grupos, niveles de energía (Bohr), sistema periódico. ÁTOMOS se describen mediante

se ordenan en un

estructurado en

2. Rellena los espacios de las siguientes definiciones. a) El enlace ………………………… lo forman iones ………………………… (procedentes de un metal) e iones ………………………… (procedentes de un …………………………), que se atraen ……………………………………………… y se disponen formando una ……………………………… b) El número de ………………………… de un signo que rodea al ………………………… de signo ………………………… se llama …………………………………… de la red.

3. El gráfico puede ayudar a comprender el modelo atómico de Bohr. Supón que das una patada al balón y este sube hasta el quinto peldaño. ¿Qué ocurrirá a continuación? Relaciónalo con el tercero de sus postulados.

4. Corrige las afirmaciones erróneas referentes a las especies 168 O, 178 O y

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O.

Son isótopos de oxígeno y todos tienen ocho protones. Tienen igual número másico y distinto número atómico. El más pesado tiene ocho neutrones en su núcleo. En estado neutro, todos tienen ocho electrones en la corteza. La distribución de esos electrones es 1s2 2s2 2p6. Si su abundancia relativa es, respectivamente, 99,76 %; 0,04 %; 0,2 %, la masa atómica media que aparecerá en la tabla periódica estará más próxima a 17 que a 16.

Página fotocopiable

a) b) c) d) e) f)

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Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

5. Clasifica los siguientes sólidos en sustancias covalentes moleculares, en redes cristalinas iónicas, en redes cristalinas covalentes y en redes metálicas: cera, diamante, sal común, oro.

6. Relaciona las siguientes propiedades con el tipo de enlace (iónico, covalente o metálico) que presenta una sustancia. a) b) c) d) e) f) g)

Conducen la electricidad en estado sólido. Conducen la electricidad si están disueltos. Muchos son gases a temperatura ambiente. Presentan las más altas temperaturas de fusión. Son frágiles. Son maleables. En general, son blandos y tenaces.

7. El siguiente dibujo muestra la estructura de un cristal. a) ¿Corresponde a un cristal iónico o metálico? ¿Qué pruebas se podrían realizar para comprobarlo? b) La red del cloruro sódico dibujada en el libro de texto se dice que está “centrada en las caras” y, sin embargo, la del cloruro de cesio está centrada en los vértices. Explícalo. c) En el NaCl, el sodio tiene coordinación 6. ¿A qué se llama índice de coordinación? ¿Cuál es el índice de coordinación del cesio en la red de CsCl?

Cl Cs

8. La tabla recoge los símbolos de Lewis de algunos elementos de la tabla periódica.

. He. .. . O. ..

.. :F. ..

.. :Ne: ..

Página fotocopiable

. . .. a) ¿Cuál es el compuesto más probable que cada uno de . B. . C. . N. . . ellos formaría con el hidrógeno? b) Representa la estructura de Lewis para las moléculas BH3 y NH3. ¿A cuál de ellas le quedan electrones sin utilizar para el enlace? c) El NH3 es una sustancia molecular. ¿Qué propiedades pueden esperarse para ella?

Los átomos y sus enlaces

Unidad 9

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ACTIVIDADES de AMPLIACIÓN

Los átomos y sus enlaces

Unidad 9

1. Los gráficos se refieren a un proceso de disolución en agua. Ponles leyenda y escribe un texto explicativo que incluya estas palabras: polar, rodean, anión, catión, cristal iónico, energía de atracción, hidratación. +

+

+

+

+

+ +

+

+ + +

+

+

+

+

+ + +

+ +

+

+

+

+

+

+ +

+

2. Analiza los símbolos de Lewis.

A.

.. :B:

a) ¿A qué grupo de la tabla periódica pertenecen? b) Describe los enlaces A–B y B–B. c) ¿Qué propiedades pueden esperarse para cada uno?

Página fotocopiable

3. Consulta la tabla periódica y di qué único elemento de los halógenos es líquido a temperatura ambiente. Describe el enlace de su molécula diatómica mediante símbolos de Lewis. a) ¿Qué propiedades pueden predecirse para él? b) En la naturaleza se encuentran dos isótopos de bromo, 79Br y 81Br, cuya abundancia relativa es de aproximadamente el 50% para cada uno. ¿Qué masa atómica media tendrá el bromo en la tabla periódica? Razona la respuesta.

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Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

4. Dadas las moléculas de NH3 y C2H2: a) Representa las estructuras de Lewis. b) ¿Alguna de ellas forma cristales covalentes?

0,30 CIENCIA QUIMICA España

5. El 2 de febrero de 2007 se pone en circulación el sello reproducido en el dibujo. a) ¿Qué representa? b) ¿Por qué esa fecha? c) ¿Qué simboliza cada color? d) ¿A qué obedecen los cuatro cuadros en blanco? En el acto de presentación, cierto político hizo una comparación del sello con el hemiciclo del Congreso de los Diputados diciendo: “A la izquierda se colocan los más reactivos; a la derecha, los más inertes; en el centro, los metales, brillantes y perdurables”. Haz una interpretación química de dicha frase.

ORREOS

TABLA PERIÓDICA DE ELEMENTO S DE MENDELÉIEV

DISEÑO: J.GARCÍA MARTÍNEZ

© RCM-FNMT 2007

Página fotocopiable

6. A continuación se muestra el número atómico y el número másico de seis elementos. (1) Z = 17, A = 34 (2) Z = 14, A = 29 (3) Z = 12, A = 26 (4) Z = 20, A = 43 (5) Z = 35, A = 71 (6) Z = 18, A = 36 Para todos ellos indica: a) Su símbolo y su nombre. b) El grupo y período del sistema periódico al que pertenecen. c) Un isótopo de cada elemento. d) El número de electrones de cada uno. e) El número de electrones que cada elemento tiene en su última capa.

Los átomos y sus enlaces

Unidad 9

13

Actividades de refuerzo Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

SOLUCIONARIO 1.

ÁTOMOS se describen mediante

se ordenan en un

SISTEMA PERIÓDICO

MODELOS

estructurado en

NUCLEAR (RUTHERFORD)

NIVELES DE ENERGÍA (BOHR)

GRUPOS

PERÍODOS

2. a) El enlace iónico lo forman iones positivos (procedentes de un metal) e iones negativos (procedentes de un no metal), que se atraen eléctricamente y se disponen formando una red cristalina. b) El número de iones de un signo que rodea al ion de signo contrario se llama índice de coordinación de la red.

3. Si le das una patada al balón, este tomará energía y ascenderá a niveles superiores. Luego descenderá de nuevo a su nivel de energía potencial más baja, e irá cayendo de escalón (nivel) en escalón. Cada vez que lo haga emitirá energía que podrá verse en forma de luz, como se aprecia en el dibujo. Ello hace referencia directa al tercer postulado de Bohr: “Cuando el electrón pasa de un nivel de energía superior a otro de energía inferior, la diferencia de energía se emite como luz”.

4. Las opciones a y d son correctas. b) Tienen igual número atómico y distinto número másico. c) El más pesado tiene diez neutrones en su núcleo. e) La distribución de esos electrones es 1s2 2s2 2p4. f) La masa atómica media estará más próxima a 16 que a 17.

5. Cera: sólido covalente molecular; diamante: red cristalina covalente; sal común: red cristalina iónica; oro: red cristalina metálica.

6. Iónicos: b y e; covalentes: c y d; metálicos: a, f y g.

7. a) Se trata de un cristal iónico, ya que en él aparecen dos tipos de “bolas”, que en este caso representan iones positivos de Cs+ y negativos de Cl−. Lo más sencillo sería comprobar si es conductor o no (en caso de serlo, no podría ser un cristal iónico, sino metálico). b) En el NaCl, los iones de Cl− ocupan los centros de las caras del cubo, y en el CsCl ocupan los vértices. c) Se llama índice de coordinación al número de iones de un signo que rodea al ion de signo contrario. El índice de coordinación del cesio es 8.

8. a) BH3, CH4, NH3, H2O, HF, ninguno para He y Ne. b) H . .. .H H . . .. H H×N×H H×B×H .× .× H H Quedan dos electrones libres en NH3. c) Sus propiedades quedan descritas en el texto.

14

Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

Actividades de ampliación Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

SOLUCIONARIO 1.

+

+

+

+

+

+ +

+

+ + +

+

+

+

+

+

+ +

+ +

+

+

+

+

+

Hidratación de catión

+

+

H2 O

Hidratación de anión +

Catión

Anión

La molécula de agua es polar, lo que le permite disolver un cristal iónico al disociarlo en aniones y cationes. Las zonas positivas de la molécula de agua atraen el anión, y la zona negativa, al catión. Cuando la energía de atracción es suficiente, se produce la rotura de la red, y los cationes y aniones se rodean de moléculas de agua. Este proceso se denomina hidratación.

2. a) A pertenece al grupo 1; B, al grupo 16. b) El enlace A–B es iónico, y el enlace B–B, covalente. c) El compuesto AB es iónico, del tipo de Na2O, y cabe que presente las propiedades típicas de estos compuestos. El compuesto BB es molecular, del tipo O2, con las propiedades generales de estos compuestos.

3. Se trata del bromo (Br2). Br

Br

Br

Br

a) Las propiedades son las de los compuestos covalentes moleculares. b) Su masa atómica media será de 80 unidades si el porcentaje de isótopos es exactamente de un 50.

H .. : H:N .. H

H:C

C:H

… …

4. a)

b) Ambos compuestos forman moléculas.

5. Se emitió con ocasión de la celebración en el 2007 del año de la ciencia (la fecha coincide con el centenario de la muerte de Mendeléiev). Cada bloque de color coincide con los grandes grupos de elementos y con los subniveles s, p, d y f. Los cuadros en blanco coinciden con los huecos que dejó Mendeléiev y de cuyos elementos predijo las propiedades.

6. a) (1) cloro: Cl; (2) silicio: Si; (3) magnesio: Mg; (4) calcio: Ca; (5) bromo: Br; (6) argón: Ar. b) Cloro: grupo 17, período 3; silicio: grupo 14, período 3; magnesio: grupo 2, período 3; calcio: grupo 2, período 4; bromo: grupo 17, período 4; argón: grupo 18, gases nobles, período 3. 36 24 40 70 37 Cl; silicio: 30 c) Cloro: 17 14Si; magnesio: 12Mg; calcio: 20Ca; bromo: 35Br; argón: 18Ar.

d) El correspondiente a su número atómico, que se indica como dato. e) El que corresponde a su grupo. Cloro: siete; silicio: cuatro; magnesio: dos; calcio: dos; bromo: siete; argón: ocho.

Los átomos y sus enlaces

Unidad 9

15

PROPUESTA de EVALUACIÓN Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

APELLIDOS:

NOMBRE:

FECHA:

CURSO:

GRUPO:

1. La figura adjunta representa el modelo atómico de un átomo. a) ¿A qué modelo atómico se refiere? b) Según él, ¿cómo se forma cada raya de un espectro atómico? c) ¿Sigue siendo válido este modelo actualmente?

2. Completa la siguiente tabla y a continuación responde a estas cuestiones.

Elemento

a) ¿Cuáles de las especies químicas son iones positivos o negativos?

Z

N.º Neutrones

38

49

7

b) ¿Cuáles son isótopos? 35 19

A

N.º e– 36

14

7

9

16

16

18 18

K

3. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es la verdadera? a) La ley de las octavas corresponde a Meyer. b) Aproximadamente, a la vez que la ordenación de Mendeléiev surge la de Newlands. c) La ordenación actual se hace conforme a Z y es debida a Moseley. d) La ordenación de Döbereiner es según la masa atómica creciente y es la ordenación definitiva.

4. Completa las estructuras electrónicas de la tabla. Nivel

1

Subnivel

1s

2 2s

Ne

Página fotocopiable

Na

16

Na+ Cl Cl−

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Los átomos y sus enlaces

3 2p

3s

3p

3d

5. La masa atómica del cloro es 35,45, y está constituido por dos isótopos de 35 y 37 de número de masa. Calcula su abundancia relativa.

6. Escribe la configuración electrónica de los siguientes elementos. a) ¿Qué harán para cumplir la regla del octeto? b) ¿Qué tipo de enlace formará A con A? ¿Y A con B?

A

B

7. Entre las siguientes sustancias, representadas por sus modelos o por fotografías, hay un cristal covalente, otro iónico y otro metálico; y también una sustancia molecular. Clasifícalos. a)

b)

NH3

c)

d)

H N H

H

8. Al hacer la siguiente lista se han cometido algunos errores. Corrígelos. a) CH4: sustancia molecular, propiedades idénticas al grafito. b) N2: enlace covalente, forma redes a temperatura ambiente. c) Mg: cristal metálico, dúctil, frágil y soluble en agua. Aislante. d) S8: forma cristales covalentes y es muy duro.

Página fotocopiable

e) NaBr: enlace iónico, sustancia frágil y maleable, conductor en estado sólido.

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17

Propuesta de evaluación SOLUCIONES A LA PROPUESTA DE EVALUACIÓN 1. a) Es el modelo de Bohr. El electrón gira en torno al núcleo en órbitas circulares. Solo están permitidas ciertas órbitas cuya energía tiene un valor fijo: se denominan niveles de energía. b) Cuando el electrón cae de un nivel de energía superior a otro de energía inferior se emite una radiación equivalente a la diferencia de energía, que forma una raya del espectro. c) No. El modelo necesitó rápidamente algunas correcciones que llevaron a introducir los subniveles energéticos. Criterio de evaluación 1.2

2.

Elemento

Z

N.º Neutrones

Sr

38

N

7

N S 35 19

K

A

N.º e–

49

87

36

7

14

7

7

9

16

7

16

16

32

18

19

16

35

18

a) Iones positivos: Sr, K; iones negativos: S b) N–14 y N–16 Criterio de evaluación 1.1

Nivel

1

Subnivel

1s

2s

2p

10Ne

2

2

6

11Na

2

2

6

+ 11Na

2

2

6

17Cl

2

2

6

2

5

2

2

6

2

6

17Cl

–

2

3 3s

3p

3d

1

Criterio de evaluación 1.2

5. Suponemos una abundancia del x % para el 35–Cl. x 100 − x ⋅ 35 + ⋅ 37 = 35,45 ⇒ x = 77,5 % 100 100 La abundancia relativa es de 77,5 y 22,5 %. Criterio de evaluación 1.1

18

Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

Nivel

1

2

3

Subnivel

1s

2s

2p

A

2

2

4

B

2

2

6

3s

3p

3d

2

a) Para completar el octeto, A captará dos electrones (2s2 2p6) y B perderá dos electrones (2s2 2p6). b) A–A: compartirán 2 electrones, luego será covalente. − A–B: A captará 2 electrones (A2− ) y B cederá 2 elec+ 2+ trones (B ), luego será iónico. Criterio de evaluación 3.1

7. a) Sustancia molecular b) Cristal metálico c) Cristal covalente d) Cristal iónico Criterio de evaluación 3.2

8. CH4, N2 y S8 son sustancias moleculares: bajo punto de fusión, insolubles en agua, no conductores, etc. Mg es cristal metálico: dúctil, maleable, conductor, etc. NaBr es enlace iónico: frágil, no conductor en estado sólido, pero sí disuelto o fundido, soluble en agua, etc. Criterio de evaluación 3.2

3. La verdadera es la opción c. Criterio de evaluación 2.1

4.

6.

SOLUCIONARIO

Los átomos y sus enlaces

Unidad 9

19

SOLUCIONARIO Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

DESARROLLA TUS COMPETENCIAS 1. ¿Se te ocurre alguna otra frase que pudiera transmitir un conocimiento esencial para las generaciones venideras? Respuesta libre. 2. ¿Por qué opina Feynman que sería el más importante legado? ¿Qué otros descubrimientos se derivan de esa afirmación? La clave está en situar la hipótesis atómica en la base de otras muchas “búsquedas” de la física y la química a lo largo de la historia, no tanto la idea en sí misma como el germen de nuevos descubrimientos que lleva implícita.

EJERCICIOS PROPUESTOS 1. Interpreta la frase de Rutherford en relación con el resultado del experimento de la lámina de oro: “Era como si al disparar un obús de 15 pulgadas sobre un papel, la bala le volviera a uno”. ¿Por qué su modelo permite explicar ese hecho? Por lógica, un proyectil de ese tamaño y energía debería atravesar por igual la materia si esta fuera uniforme en su distribución, tal como sugería el modelo de Thomson. La única posibilidad de que una partícula volviera era que encontrara en su camino un punto con una gran concentración de carga positiva, responsable de la repulsión. Ello ocurre con muy pocas partículas, prueba del pequeño tamaño de este núcleo casi puntual. 2. A partir del espesor dado de la lámina de oro, 0,0005 mm, y suponiendo que contenía unas 500 capas de átomos: a) ¿Cuál es el radio aproximado de un átomo? b) ¿Cuál el radio aproximado del núcleo? 5 ⋅ 10−7 a) Para un espesor de 0,0005 mm = 5 · 10−7 m, con 500 átomos, sale un diámetro de: = 10−9 m. Por tan500 −10 to, el radio será de 5 · 10 m, es decir, de 5 Å. b) El tamaño del núcleo es unas cien mil veces menor, es decir, 5 · 10−15 m = 5 fm. 3. Calcula la masa de un millón de átomos de 13C expresada en (u) y en kg. 13 (u) = 1,3 ⋅ 107 u . Cada átomo de carbono-13 son 13 u; por tanto, en (u): 106 (átomos) ⋅ 1 (átomo) En kilogramos: 1 u = 1,66 · 10−27 kg; por tanto, será 13 ⋅ 106 (u) ⋅

1,66 ⋅ 10−27 (kg) = 2,16 ⋅ 10−20 kg . 1 (u)

4. A partir de los datos de la tabla del margen, calcula la masa atómica media del neón. 89,97 0,30 9,73 Aplicamos los porcentajes a su abundancia relativa: ⋅ 20 + ⋅ 21 + ⋅ 22 = 20,19 u 100 100 100 5. Indica cuántos electrones tiene en la corteza el átomo 24 12Mg. ¿Cómo están distribuidos en niveles y subniveles? En estado neutro, el magnesio tiene 12 protones y 12 electrones, distribuidos así: Nivel (n)

1

2

3

Subniveles

1s

2s

2p

3s

Electrones por subnivel

2

2

6

2

3p

3d

También se escribe así: 1s2 2s2 2p6 3s2. 6. Indica si es verdadero o falso el siguiente enunciado: “El subnivel 3p tiene más energía que el 3s y por eso se llena antes”. Falso. La primera parte es correcta: el 3p tiene más energía que el 3s. Pero la conclusión es incorrecta: justamente por eso, el 3p se llena más tarde. 20

Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

SOLUCIONARIO 7. Busca información acerca de los espectros atómicos e indica por qué se dice que el espectro atómico de un elemento es “su huella dactilar”. ¿Qué diferencia hay entre un espectro de absorción y uno de emisión? Puedes ayudarte en la siguiente página web: www.e-sm.net/fq4esoc69. El espectro atómico de emisión de un elemento es el conjunto de radiaciones electromagnéticas que emite dicho elemento cuando se calienta a alta temperatura o se le somete, en estado gaseoso, a una descarga eléctrica. Cada elemento emite radiación con determinadas longitudes de onda, es decir, cada uno presenta un espectro característico, y no hay dos elementos que tengan el mismo espectro de emisión. El espectro de absorción se obtiene del análisis espectroscópico de la luz blanca que atraviesa el elemento gaseoso, y consiste en un espectro continuo con unas rayas negras (cada una se corresponde con una radiación) que coinciden con las del espectro de emisión del elemento. Es como si uno fuera el negativo del otro. El gas absorbe radiaciones de la misma longitud de onda que es capaz de emitir. 8. Completa en tu cuaderno la tabla con la estructura electrónica del átomo de azufre (Z = 16) y compáralo con su situación en el sistema periódico. Nivel (n)

1

2

3

Subniveles

1s

2s

2p

3s

3p

Electrones por subnivel

2

2

6

2

4

3d

También se escribe así: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4. En la tabla se sitúa en el grupo 16, correspondiente al cuarto (p4) de los grupos “p”. 9. En la dirección www.e-sm.net/fq4esoc70 puedes ver una descripción de todos los elementos de la tabla periódica. Selecciona varios elementos de cada bloque y comprueba sus semejanzas. Respuesta libre. 10. ¿Por qué los elementos Mg, Ca y Sr tienen parecidas propiedades químicas? Escribe la estructura electrónica de sus capas de valencia. Las propiedades químicas dependen de la disposición de los electrones en la corteza del átomo: dado que todos ellos tienen la misma estructura electrónica externa (ns2), todos presentan propiedades similares. 11. Clasifica las siguientes sustancias en moléculas o cristales: metano (CH4), nitrógeno (N2), magnesio, azufre (S8), bromuro de sodio (NaBr). Metano (CH4), molécula; nitrógeno (N2), molécula; magnesio, cristal; azufre (S8), molécula; bromuro de sodio (NaBr), cristal. 12. Señala la diferencia entre un átomo de oxígeno y una molécula de oxígeno. ¿Existen moléculas de oxígeno con distinto número de átomos? El átomo de oxígeno se considera de manera aislada, un solo O. La molécula es una agrupación de átomos, en este caso, dos (O2). Si fuera una agrupación de tres átomos (O3), lo llamaríamos ozono y no sería oxígeno. Así pues, una molécula es una agrupación con un número fijo de átomos. 13. ¿Qué tienen en común las estructuras electrónicas de 9F–, 10Ne, 11Na+? Extrae una conclusión. Estructuras electrónicas: 9F−: 1s2 2s2 2p6; 10Ne: 1s2 2s2 2p6; 11Na+: 1s2 2s2 2p6 Todos ellos tienen la misma estructura electrónica y se denominan isoelectrónicos. Ello es debido a la tendencia de los elementos (F y Na en este caso) a adquirir la configuración electrónica de los gases nobles (Ne) a base de ganar o perder electrones (o de compartir, como posteriormente se verá). 14. Indica qué estructura de gas noble tienen tendencia a adquirir los siguientes átomos. a) Cl (Z = 17) b) Ca (Z = 20) a) El cloro tiende a ganar un electrón para adquirir la estructura del argón. b) El calcio tiende a perder dos electrones para adquirir la misma estructura del argón. 15. Justifica el hecho de que, en general, la resistencia eléctrica de un conductor metálico aumente con la temperatura. La resistencia de un conductor depende de varios factores, entre ellos, el de la resistividad, que a su vez depende del tipo de material de que se trate. Y la resistividad de un material metálico aumenta, en general, al aumentar la temperatura. Esto se debe a que los iones del conductor vibran con mayor amplitud, lo cual hace más probable que un electrón en movimiento choque con un ion, lo que impide el arrastre de los electrones por el conductor. 16. Los átomos de los metales se disponen en el espacio de forma muy ordenada y compactada. ¿Qué puede predecirse de su densidad? En general, ello implica que la densidad del estado sólido será muy elevada.

Los átomos y sus enlaces

Unidad 9

21

SOLUCIONARIO 17. Define las palabras dúctil, maleable, duro, tenaz. Relaciona los términos anteriores con determinados metales y pon ejemplos de aplicaciones donde se requieran estas propiedades. Dúctil: capaz de ser convertido en hilos. Maleable: capaz de ser convertido en láminas. Duro: que ofrece resistencia a ser rayado. Tenaz: viene del latín tenax, “que tiene o aprieta”. En castellano sirve para cualificar lo resistente o fuerte. Todas ellas son propiedades que presentan los metales en distinta proporción, ya que depende de cada metal y algunas no son aplicables a todos (por ejemplo, no corresponden a un metal líquido como el mercurio). 18. Una sustancia se disuelve en agua, tiene un punto de fusión alto y no conduce la corriente en estado sólido ni disuelta en agua. ¿Se puede asegurar que es una sustancia iónica? Si al disolverla en agua no conduce la corriente, significa que no libera iones; por tanto, no es una sustancia iónica. 19. ¿Qué tipo de elementos del sistema periódico originan compuestos iónicos al unirse? Cuando se unen elementos metálicos (que tienden a ceder electrones) con elementos no metálicos (que tienden a captar electrones), se origina un enlace iónico. 20. Explica la frase: “La fórmula NaBr no expresa una unidad molecular, sino que la proporción de bromo a sodio en el compuesto es de 1:1”. En efecto, no existe la unidad molecular NaBr, sino la red cristalina formada por muchos iones de sodio y muchos iones de bromo, en la proporción de 1 a 1. 21. Describe las etapas de formación del compuesto iónico CaCl2. + + 2e−. Cada átomo de cloro toma a) Formación de los iones. El átomo de calcio pierde dos electrones: Ca → Ca2+ − − un electrón: 2Cl + 2e → 2Cl . b) Atracción eléctrica entre iones positivos y negativos formados. c) Formación de redes cristalinas. Los iones se colocan tan próximos como les sea posible, teniendo en cuenta su tamaño y la proporción en que se encuentran. 22. Dibuja y explica el diagrama de Lewis para las moléculas siguientes: a) CH4, b) Cl2. a) CH4 b) Cl2 H b) . . . . − − H ..  : Cl : Cl : ⇔  Cl − Cl  .. . . H : C. . : H ⇔ H − C − H − −  H H 23. La fórmula de la molécula de ozono es O3. Busca información en www.e-sm.net/fq4esoc71 sobre su importancia en la naturaleza. El ozono atmosférico actúa en la atmósfera como depurador del aire y sobre todo como filtro de los rayos ultravioletas procedentes del Sol. Sin ese filtro, la existencia de vida en la Tierra sería completamente imposible. 24. Corrige, si es necesario, estos símbolos de Lewis. . .. .. .Mg. . B. :O. :He: .. .. . .. .Mg. . B. . O. :He .. 25. Clasifica las siguientes sustancias en cristales covalentes o sustancias moleculares: rubí, nitrógeno, topacio, yodo, azúcar. Rubí y topacio: cristales covalentes; nitrógeno, yodo y azúcar: sustancias moleculares.

TRABAJO EN EL LABORATORIO 1. ¿Por qué conducen la corriente eléctrica los electrolitos? ¿Y los metales? Los electrolitos conducen la corriente eléctrica debido a la presencia de cargas libres o iones. En los metales es por la movilidad de sus electrones. Se llaman conductores de segunda y de primera especie, respectivamente. 2. ¿En qué grupo se incluirían los que hemos estudiado como sólidos moleculares? ¿Qué ocurriría con azúcar fundido y con sal fundida? Los sólidos moleculares son no electrolitos, no dan lugar a cargas libres, ni sólidas, ni fundidas, ni en estado gaseoso. El azúcar fundido no sería conductor, y la sal fundida, sí.

22

Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

SOLUCIONARIO 3. ¿Por qué la bombilla se ilumina fuertemente en el sistema agua con HCl y débilmente en etanol con HCl? Describe lo que ocurre en cada uno de los vasos de precipitados con sólidos disueltos. La bombilla se ilumina fuertemente en aquellos sistemas muy fuertemente ionizados (electrolito fuerte), algo que ocurre más fácilmente en la disolución acuosa. Finalmente, las sustancias quedarían clasificadas del siguiente modo: Metales

Sólidos iónicos

Cobre

Sal común Sulfato de cobre(II)

Sólidos moleculares Azúcar Azufre

Electrolitos Sal común Sulfato de cobre(II) HCl

No electrolitos Azúcar Azufre Etanol Agua destilada

ACTIVIDADES 23. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y por qué. a) Cuando un átomo desprende electrones se transforma en un ion positivo. b) Cuando un átomo desprende protones se transforma en un ion negativo. c) El número másico es siempre igual o menor que el número atómico. c) A – Z es el número de neutrones. a) Verdadera. El número de protones (carga positiva) será mayor que el número de electrones (carga negativa). b) Falsa. Si un átomo pierde protones (fisión nuclear) ,también perderá neutrones originando otros elementos químicos. c) Falsa. Generalmente siempre es mayor, porque el número atómico es el número de protones, y el número másico, la suma de protones y neutrones. d) Verdadera. A = número másico, Z = número atómico. 27. El boro tiene dos isótopos cuya abundancia relativa es: 19,9 % de 105B y 80,1 % de 115B. a) ¿Cuántos neutrones tiene cada uno? b) Halla su masa atómica media. a) El primero tiene 10 − 5 = 5 neutrones. El segundo tiene 6 neutrones. b) Masa atómica media:

19,9 80,1 10 + 11 = 10,8 100 100

28. Completa en tu cuaderno la tabla siguiente (si es necesario, consulta la tabla periódica). Elemento

Z

N.º de neutrones

A

N.º de electrones

Ca

20

21

41

20

Cl

17

18

35

18

Si

14

14

28

14

Sn

50

69

119

50

82

127

209

80

−

Pb

+ 2+

29. Demócrito dijo: “Aparte de átomos y espacio vacío, nada existe; lo demás es opinión”. a) ¿Qué modelo atómico ha demostrado la veracidad de esa cita? ¿Dónde se halla ese espacio vacío? b) Si el núcleo tuviera el tamaño de un balón de fútbol (20 cm de diámetro) y pusiéramos dos átomos juntos, corteza con corteza, ¿qué distancia habría entre sus núcleos? Datos: radio atómico: 1 Å = 10–10 m; radio de un núcleo = 10 fm = 10–14 m a) El modelo nuclear de Rutherford. Más allá del núcleo, que ocupa una diminuta parte del espacio atómico, hay un amplio espacio que decimos vacío, ya que los electrones que lo ocupan apenas representan nada en cuanto a la masa del átomo. b) Comparando las dimensiones de núcleo y átomo se ve que el radio de este es diez mil veces el del núcleo. Por tanto, llevando dicha comparación al balón de fútbol, saldría para el átomo un radio de 10 (cm) · 10 000 = 100 000 cm, es decir, 1 km. La distancia entre sus núcleos sería aproximadamente de 2 km. 30. El diámetro de un átomo de carbono es de 1,54 Å. a) Expresa este diámetro en m y en nm. b) ¿Cuántos átomos de carbono podrían alinearse en el ancho de una raya de lápiz de 0,2 mm de espesor? a) 1,54 Å = 1,54 · 10−10 m = 0,154 nm b) El diámetro de un átomo es de 1,54 · 10−10 m, luego hacen falta

0,2 ⋅ 10−3 (m) = 1,3 ⋅ 106 átomos. 1,54 ⋅ 10−10 (m/átomo) Los átomos y sus enlaces

Unidad 9

23

SOLUCIONARIO

Número de isótopos naturales

Z 32. La primera gráfica representa los isótopos de los elementos Z = 1 a Z = 8. Los que están rodeados por un 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Oxígeno 8 círculo son naturales. Los demás son muy inestables 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Nitrógeno 7 o radiactivos (en general, producidos artificialmente). 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Carbono 6 a) ¿Es posible encontrar en la naturaleza un isótopo de 8 9 10 11 12 13 14 15 Boro 5 berilio con 6 neutrones? 6 7 8 9 10 11 12 Berilio 4 b) ¿Cuántos isótopos de oxígeno son producidos arti5 6 7 8 9 Litio 3 ficialmente en aceleradores o reactores nucleares? 3 4 5 6 8 Helio 2 Hidrógeno 1 1 2 3 c) ¿Qué representa la siguiente gráfica? 1 0 d) ¿Qué significa que un elemento tiene valor cero en el eje 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Y? Neutrones e) Compara ambas gráficas. ¿Cuántos isótopos naturales tiene el hidrógeno según cada una? ¿Encuentras 10 alguna otra contradicción? 9 f) Consulta la tabla periódica para saber cuáles son los 8 elementos (según la segunda gráfica) que tienen mayor 7 número de isótopos naturales. 16 6 g) La composición del oxígeno natural es la siguiente: O: 99,76 %; 17O: 0,040 %; 18O: 0,20 %. ¿Coincide con las pre5 dicciones de las gráficas? Calcula su masa atómica 4 media. 3 a) El berilio tiene Z = 4, por tanto, un isótopo con 6 neu2 trones daría lugar al berilio-10, que es un isótopo artificial y no se puede encontrar en la naturaleza. 1 b) Según la gráfica, los isótopos artificiales de oxígeno 0 21 31 41 51 61 71 81 91 101 Z 1 11 son 9. c) La segunda gráfica representa el número de isótopos naturales de un elemento frente a su número atómico. A cada valor de Z (en el eje X) le corresponde un número determinado de isótopos naturales. d) El valor cero en el eje Y representa aquellos elementos que se han obtenido de manera artificial y que no existen en la naturaleza. e) Según la primera, el hidrógeno tiene tres isótopos naturales, y según la segunda, solo dos. Hay otra contradicción en Z = 6 (carbono): según la primera, son tres isótopos naturales, y según la segunda, solo dos. El 14C merece una mención especial; es natural, pero a la vez decae. Lo que sucede es que está en constante producción a causa de la radiación cósmica que nos llega; pero también decae, de manera que se equilibran su creación y su desaparición, manteniéndose siempre en la Tierra una pequeñísima cantidad. Lo mismo sucede con el tritio, que es el isótopo pesado del hidrógeno, el 3H. f) Son los elementos Z = 50 y Z = 54. Se trata del estaño y el xenón. g) En efecto, ambas gráficas le dan tres isótopos naturales. Su masa atómica media es la siguiente:

99,76 0,040 0,20 16 + 17 + 18 = 16,0044 u 100 100 100

33. Un átomo de carbono-12 tiene una masa de 12 u. a) ¿Cuál es su masa atómica en gramos? b) ¿Cuántos átomos de carbono tenemos que juntar para completar 12 g? Dato: 1 u = 1,66 · 10–24 g a) 12 u = 12 · 1,66 · 10−24 g = 1,99 · 10−23 g 1 (átomo) = 6,02 ⋅ 1023 átomos 1,99 ⋅ 10−23 (g) Dicho número tiene un profundo significado químico y es lo que conocemos como 1 mol de átomos.

b) 1 átomo son 1,99 · 10−23 g: 12 (g) ⋅

34. Indica si las siguientes afirmaciones son verdadera o falsas y por qué. a) Aproximadamente, a la vez que la ordenación de Meyer surge la de Newlands. b) Hasta que aparece el modelo nuclear de átomo no se hace la que hoy consideramos ordenación definitiva de los elementos. c) La ordenación de Mendeléiev es según la masa atómica creciente y es la ordenación definitiva. d) Mendeléiev no aceptó la existencia del electrón ni, en consecuencia, la ordenación según Z.

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Unidad 9

Los átomos y sus enlaces

SOLUCIONARIO a) Falsa. La ordenación propuesta por Newlands es anterior a la de Meyer. b) Verdadera. El número de electrones en la corteza del átomo es igual al número de protones Z en el núcleo. El criterio de clasificación en la ordenación definitiva es el orden creciente de número atómico Z. c) Falsa. No es la ordenación definitiva. d) Verdadera. No aceptó la existencia del electrón y, por tanto, la interpretación de la tabla periódica en función de la estructura atómica (del número atómico de cada elemento y no en función de su peso atómico). 35. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y por qué. a) El modelo nuclear es la contribución más importante de Rutherford a la idea de átomo. b) La constitución del núcleo determina el color de la llama cuando se hace el espectro de un elemento. c) El tercer postulado de Bohr dice que cuando el electrón se mueve en su órbita, emite una radiación equivalente a su energía. d) Las letras s, p, d y f designan los subniveles electrónicos en la corteza atómica, de modo que cada nivel tiene esos cuatro subniveles. a) Verdadera. Esa es la contribución de Rutherford. b) Falsa. El color de la llama viene determinado por los movimientos de los electrones en la corteza. c) Falsa. El electrón solo emite energía cuando pasa de un nivel energético a otro, no cuando se mueve en su órbita. d) Falsa. Cada nivel tiene tantos subniveles como indica su número: uno para n = 1, dos para n = 2, tres para n = 3… 36. Realiza una tabla con la estructura electrónica de los elementos Z = 5, 11, 12, 13, 31, 32. ¿Cuáles de ellos presentarán propiedades análogas y por qué? Z

1

5

2

1s

2

11

1s

2

12

3

4

2s

2

2p

2s

2

2p6

3s1

1s2

2s2

2p6

3s2

13

1s2

2s2

2p6

3s2

3p1

31

1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

3d10

4s2

4p1

32

1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

3d10

4s2

4p2

1

Presentan análogas propiedades los que tienen la misma estructura electrónica externa, es decir, 5, 13, 31. 37. Completa en tu cuaderno la tabla con la estructura electrónica del átomo de P. Nivel (n)

1

2

3

Subniveles Electrones por subnivel a) Realiza una tabla similar con la estructura electrónica del dibujo. ¿De qué átomo se trata? b) ¿A qué átomo se refiere la estructura electrónica 1s2 2s2 2p6 3s2? ¿Cuántos electrones de valencia tiene? Estructura electrónica del P: Nivel (n)

1

2

3

Subniveles

s

s

p

s

p

Electrones por subnivel

2

2

6

2

3

d

Le corresponde estar en el grupo “p3 ”, es decir, el de los nitrogenoideos. a)

Nivel (n)

1

2

3

Subniveles

s

s

p

Electrones por subnivel

2

2

5

s

p

d

Según vemos, la estructura es la de un átomo de la fila 2 y del grupo “p5 ”; se trata, por tanto, del flúor. b) Observamos la tabla periódica, fila 3, columna de los alcalinotérreos (s2); tiene 2 electrones de valencia y corresponde al magnesio (Mg).

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Unidad 9

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SOLUCIONARIO 38. Analiza las estructuras electrónicas dadas en la tabla siguiente y responde. n= 7 3

1

2

3

1s2

A

16 8

B

1s2

2s2

2p6

40 18

C

1s2

2s2

2p6

18 8

D

1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

a) b) c) d)

¿Cuál de ellos es un ion negativo o positivo? ¿Cuál es un gas noble? ¿En cuál es más alta la relación entre neutrones y protones en el núcleo? ¿Cuáles son isótopos entre sí? Si su abundancia relativa es del 99,8 % para el más ligero y del 0,2 % para el más pesado, halla su masa atómica media. e) Consulta la tabla periódica y di cuáles son los elementos A, B, C y D. a) A es un ion monopositivo. B y D son iones dinegativos. b) C es un gas noble. N.º de neutrones 4 8 22 10 : A = = 1,3; B = = 1; C = = 1,2; D = = 1,25 N.º de protones 3 8 18 8 d) Son isótopos el B y el D. Calculamos su masa atómica media: 0,998 · 16 + 0,002 · 18 = 16,004 u. e) A es litio, C es argón, B y D son oxígeno.

c) En el A.

40. La siguiente estructura se corresponde con un elemento de los alcalinotérreos. n

1

X

1s2

2 2s2

3 2p6

3s2

a) ¿De qué elemento se trata? b) ¿Cumplirá la regla del octeto, ganando o perdiendo electrones? ¿A qué iones daría lugar? c) ¿Cuál es la configuración electrónica del elemento que le precede en la tabla periódica? ¿Y del que tiene justamente encima? a) Un elemento de los alcalinotérreos que tiene sus electrones de valencia en el nivel 3 se corresponde con el magnesio. + b) Para adquirir una estructura s2p6, pierde los dos electrones del nivel 3. Daría lugar a Mg2+ . c) El que le precede en la tabla periódica tendrá un electrón menos, cuando es neutro. El que tiene justamente encima tendrá una capa menos. Por tanto, sus configuraciones electrónicas serán: n

1

2

Elemento que le precede

1s2

2s2

Elemento que se encuentra encima

1s2

2s2

3 2p6

3s1

41. La imagen representa una propiedad de las redes cristalinas. ¿De qué tipo de red se trata y de qué propiedad? ¿Dicha estructura será frágil?

Se trata de una red metálica en la que los nudos están ocupados por los cationes del metal. Describe las propiedades de la ductilidad y la maleabilidad. Evidentemente, es lo contrario de la fragilidad, propiedad propia de las redes iónicas. 42. Representa las estructuras de Lewis de PH3, SiO2, SiH4, C2H4.

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Los átomos y sus enlaces

C::C

H

H

:

H

:

H .. H : Si : H .. H

H

:

26

.. .. : O : : Si : : O :

:

H .. H:P:H .. H

SOLUCIONARIO 43. Completa en tu cuaderno, señalando SÍ o NO, las propiedades que cabe esperar de las siguientes sustancias. Sustancia

Sólido a temperatura ambiente

Soluble en agua

Conductor en estado sólido

Hg

NO

NO

SÍ

KCl

SÍ

SÍ

NO

SiO2

SÍ

NO

NO

O2

NO

NO (poco)

NO

45. Clasifica las siguientes sustancias en sólidos covalentes moleculares, redes cristalinas iónicas, redes cristalinas covalentes o redes metálicas. Hielo

Cera

Diamante

Sal común

Cobre

Grafito

Completa en tu cuaderno las siguientes afirmaciones sobre las propiedades previsibles para dichas sustancias. a) La estructura más dura es el _________________ b) Conduce la corriente en estado sólido la red _________________ c) La fragilidad es una propiedad de la red _________________ d) Las redes _________________ tienen bajo punto de fusión. e) La red de la sal común es conductora, pero solo _________________ Sólidos covalentes moleculares: hielo, cera. Redes cristalinas iónicas: sal común. Redes cristalinas covalentes: diamante, grafito. Redes metálicas: cobre. a) La estructura más dura es el diamante. b) Conduce la corriente en estado sólido la red metálica. c) La fragilidad es una propiedad de la red iónica. d) Las redes covalentes moleculares tienen bajo punto de fusión. e) La red de la sal común es conductora, pero solo cuando está fundida o disuelta. 46. Las temperaturas de fusión de estos sólidos aparecen desordenadas en la siguiente tabla. Fructosa

Sal común

Grafito

Oro

801 ºC

95 ºC

1064 ºC

3500 ºC

a) Ordénalas y explica los criterios seguidos para hacerlo. b) ¿Qué tipo de sustancia y de enlace es característico de cada uno? c) ¿Cuáles de ellos conducen la electricidad en estado sólido? a) y b)

Fructosa

Sal común

Grafito

Oro

95 ºC

801 ºC

3500 ºC

1064 ºC

Los extremos son los más fáciles de reconocer: el grafito es un sólido covalente enormemente estable, y la fructosa, un sólido molecular de bajo punto de fusión. Al grafito le siguen el metal y la sal iónica. c) Conducen la electricidad en estado sólido el oro (como todos los metales) y el grafito (como excepción entre los sólidos covalentes).

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SOLUCIONARIO 47. Analiza los siguientes símbolos de Lewis sabiendo que A no es hidrógeno.

A

B

a) ¿A qué grupo de la tabla periódica pertenecen? b) ¿De qué elementos posibles se trata? c) Describe los enlaces A–B y B–B. a) A tiene un solo electrón de valencia y pertenece a los alcalinos (grupo 1). B tiene seis electrones de valencia y pertenece a los anfígenos (grupo 16). b) A podría ser uno de estos elementos: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. B podría ser: O, S, Se, Te, Po. c) A y B formarían un enlace iónico, descrito en las siguientes etapas: − 1.ª etapa: formación de los iones 2A → 2A+ + 2e−; B + 2e− → B2− .

2.ª etapa: atracción electrostática entre los iones. 3.ª etapa: formación de la red iónica de A2B. El elemento B daría lugar a un enlace covalente en el que se comparten dos electrones. . . .. − − :B::B:⇔B=B

48. El resultado de quemar cinta de magnesio en presencia de aire es un compuesto iónico. ¿De qué compuesto se trata? Describe la formación del enlace y las propiedades que pueden esperarse para él. a) A veces, dicho compuesto se prescribe como medicamento. Investiga con qué fin en la página web www.esm.net/fq4esoc72. b) También se utilizan muchas aleaciones de magnesio en la industria moderna. ¿Por qué? Infórmate en www.esm.net/fq4esoc73. c) Para obtenerlo se utiliza como materia prima la magnesita. Investiga de qué compuesto se trata y describe brevemente cómo se hace. Se forma un óxido de magnesio (MgO). Formación del enlace: + + − 1.ª etapa: formación de los iones Mg → Mg2+ 2e−; O + 2e− → O2−

2.ª etapa: atracción electrostática entre los iones. 3.ª etapa: formación de la red iónica de MgO. Las propiedades esperables son las de cualquier cristal iónico. (Consultar el texto). a) Se utiliza como antiácido estomacal. b) Debido a su baja densidad y su excelente relación resistencia-peso, las aleaciones de magnesio se utilizan en las industrias del automóvil y en la aeroespacial. c) La magnesita o giobertita es un carbonato de magnesio (MgCO3). Si se calienta, el carbonato se descompone emitiendo CO2 y formando MgO. Este óxido se reduce con carbono a alta temperatura, obteniéndose magnesio en estado vapor, que posteriormente se enfría y solidifica.

49. La utilidad de algunos metales, y también su peligrosidad, se ha descubierto recientemente. Es el caso, por ejemplo, del cadmio. a) Investiga su presencia en la naturaleza, sus propiedades y sus efectos sobre la salud en www.e-sm.net/fq4esoc74. b) El cadmio participa en una curiosa aleación denominada “metal de Wood”, con un punto de fusión de 70 ºC. ¿Qué usos puede tener una aleación de estas características? a) El cadmio, cuando se respira, puede dañar seriamente los pulmones e incluso causar la muerte. El cadmio, primero es transportado hacia el hígado por la sangre. Allí se une a proteínas para formar complejos que son transportados hacia los riñones, donde se acumula y daña el mecanismo de filtración. b) La aleación conocida como “metal de Wood” tiene la siguiente composición: bismuto (50 %), plomo (25 %), estaño (12,5 %), cadmio (12,5 %). Al tener tan bajo punto de fusión, es muy útil para fabricar fusibles, rociadores automáticos para incendios, etc.

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SOLUCIONARIO 50. La tabla recoge características de las sustancias A, B y C. Sustancia

T.F. (ºC)

Densidad (kg/m3)

Solubilidad en agua (g/L)

Conduce la electricidad Sólido

Líquido

A

650

1740

Nula

Sí

Sí

B

−101

3,2

7,2

No

No

C

714

2320

542

No

Sí

a) b) c) d) e) a) b) c)

Describe las propiedades de A, B y C e identifica el tipo de enlace de cada una. Las sustancias MgCl2, Mg y Cl2 cumplen las condiciones estipuladas para A, B y C. ¿Cuál es cada una? Haz el diagrama de Lewis de Cl2. Describe las etapas de formación del enlace del MgCl2. ¿Qué volumen ocupará un sacapuntas de magnesio de 12 g de masa? A es un metal. B es una sustancia molecular gaseosa a temperatura ambiente. C es un cristal iónico. A: magnesio; B: cloro; C: cloruro de magnesio. .. . . − − : Cl : Cl : ⇔  Cl − Cl  .. . . − − + + d) 1.ª etapa: formación de los iones Mg → Mg2+ 2e−; 2Cl + 2e− → 2Cl− 2.ª etapa: atracción electrostática entre los iones. 3.ª etapa: formación de la red iónica de MgCl2. e) Tomamos el dato de la densidad del magnesio: 1740 kg/m3 = 1,74 g/cm3. Y resulta V = m/d = 12/1,74 = 6,9 cm3. 51. El único isótopo estable de fósforo es 31P. Consulta la tabla periódica y responde. a) ¿Cuál es su número atómico y su configuración electrónica? b) ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tiene el ion P3–? c) El fósforo forma estructuras tetraédricas como la de la figura. ¿Se cumple en ellas la regla del octeto? a) El número atómico del fósforo es Z = 15. Así pues, su configuración electrónica es: n=

1

P

1s2

2 2s2

3 2p6

3s2

3p3

b) Como Z = 15: número de protones = 15; de neutrones = 31 − 15 = 16, y de electrones = 15 + 3 = 18. c) En efecto, se cumple, dado que cada fósforo se rodea de otros tres, cada uno de los cuales comparte con él un electrón; de este modo adquiere los ocho. 52. Cierto elemento X tiene esta estructura electrónica. X → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 a) ¿Cuál es su número atómico? ¿Qué estructura electrónica tendrán los iones X+ y X−? ¿Cuál será más estable? b) ¿Qué tipo de enlace formará con el elemento 17Y? ¿Cuál es la estructura electrónica de Y? ¿Qué tipo de iones forma? c) Describe el tipo de sustancia que formarán X e Y y predice sus propiedades. d) Describe el tipo de sustancia que formará X con X y predice sus propiedades. e) Describe el tipo de sustancia que formará Y con Y y predice sus propiedades. a) En estado neutro, Z coincide con el número de electrones, de modo que es 19. Corresponde al potasio. La estructura electrónica de los iones será X+: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6; X−: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2. Será más estable el ion positivo, dado que adquiere la estructura electrónica de gas noble. b) El elemento Z = 17 tendrá la siguiente configuración: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5, que se corresponde con el cloro. Formará iones negativos para adquirir la estructura de gas noble: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6. Así pues, formará un enlace iónico con el elemento X. c) El ion X+ se unirá al Y− formando un compuesto iónico (XY) cuyas propiedades son las previsibles para los cristales iónicos. (Consultar texto). d) El elemento X es un metal, por tanto, al unirse consigo mismo formará redes cristalinas. Sus propiedades serán las características de los cristales metálicos. e) El elemento Y formará moléculas covalentes Y2, en las cuales cada átomo comparte un electrón con su vecino. Sus propiedades serán las de las sustancias moleculares, puesto que se trata del cloro (Cl2).

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SOLUCIONARIO PON A PRUEBA TUS COMPETENCIAS APLICA TUS CONOCIMIENTOS Los diamantes 1. ¿Qué quiere decir que el grafito y el diamante son alótropos del carbono? Alótropo es cada uno de los estados o estructuras químicas en que puede presentarse un elemento químico. El diamante y el grafito son dos sustancias simples diferentes; sólidas, constituidas ambas por átomos de carbono dispuestos en el espacio de diferente manera: reciben la denominación de variedades alotrópicas del elemento carbono.

2. Sabemos que el grafito se puede convertir en diamante a partir de determinadas condiciones de presión y temperatura. ¿Crees que el proceso inverso también será posible? ¿Pueden estar tranquilos los joyeros? Investígalo consultando la energía de activación de dicho proceso en esta página en inglés: www.e-sm.net/fq4esoc75. En el año 1955, en el volumen 176 de la prestigiosa revista Nature, la compañía General Electric anunció la conversión de grafito en diamante a una temperatura cercana a los 2500 ºC y una presión de 100 000 atm mediante un proceso denominado de “alta presión y alta temperatura” o HPHT (High Pressure High Temperature). Siete años más tarde, en 1962, lo consiguieron de nuevo, esta vez sin la ayuda de un catalizador. Los procesos de conversión de grafito en diamante y viceversa tienen una altísima energía de activación, lo que los hace extremadamente lentos, de modo que los joyeros no tienen motivos de preocupación.

3. La figura refleja las estructuras del diamante y del grafito. A partir de ella explica las diferencias de sus propiedades (dureza, conductividad eléctrica). Puedes ayudarte de la página web www.e-sm.net/fq4esoc76.

Diamante

Grafito

La razón está en su estructura electrónica. Mientras el diamante tiene sus átomos fuertemente compactos, con todos sus electrones ocupados íntegramente en sus respectivos enlaces (lo que lo hace duro y no conductor), el grafito tiene una estructura en capas, donde cada carbono cuenta con un electrón disponible y móvil que le confiere la propiedad de la conductividad. Las capas deslizan entre sí, lo que no lo hace precisamente duro y sí lo convierte incluso en lubricante.

4. El diamante ya no es el material más duro que existe en la naturaleza. Escribe una síntesis del artículo que aparece en New Scientist el día 18 de febrero de 2009: www.e-sm.net/fq4esoc77. Estas son algunas sustancias que pueden rayar el diamante: – Otros diamantes: algunos diamantes son más duros que otros. – Los agregados nanocristalinos de diamantes producidos por tratamiento de presión alta y temperatura alta del grafito o fullerenos (C60). – Nitruro de boro cúbico (borazón). – Una forma hexagonal del diamante denominada lonsdaleíta, que se ha predicho teóricamente ser un 58 % más fuerte que el diamante. – Ver también el diboruro de renio: http://www.educared.net/primerasnoticias/hemero/2007/mayo/cien/mater/print.pdf.

5. Hay algunos diamantes de color azul que actúan como semiconductores naturales. Averigua a qué es debido. Algunos diamantes, un 0,1% del total, son de color azul acerado o gris, y deben sus propiedades a la presencia de boro intersticial. Son diamantes semiconductores, mientras que el resto son aislantes. El estar dopados con boro es lo que los convierte en semiconductores de tipo “p”.

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SOLUCIONARIO 6. El Cullinan, conocido como Estrella del Sur, es el mayor diamante del que se tiene conocimiento. Procedía de una mina sudafricana y pesaba en bruto más de 600 gramos. Fue hallado por Frederick Wells en el pueblo de Cullinan, al este de Pretoria (Sudáfrica), el 25 de enero de 1905. La unidad de medida de masa es el quilate métrico (qt), que corresponde a la quinta parte de un gramo, es decir, 2 decigramos. ¿Cuántos gramos tiene un quilate? ¿Cuántos quilates pesaba la Estrella del Sur? Un quilate son 0,2 g. Así pues, la Estrella del Sur pesaba 600 (g)/0,2 (g/qt) = 3000 qt. 7. Preparar por grupos una presentación sobre la historia, países productores, centros tradicionales de corte y distribución de los diamantes. Para ello, podéis consultar las siguientes páginas web: www.e-sm.net/fq4esoc78 y www.e-sm.net/fq4esoc79 Respuesta libre. 8. Diamante de sangre es una película que tiene como telón de fondo el caos y la guerra civil que vivió Sierra Leona en la década de los noventa del siglo pasado. Su temática es el tráfico ilegal de diamantes. Después de ver la película, realizad un debate sobre los abusos de Occidente respecto a los bienes de los países del Sur. Respuesta libre.

LEE Y COMPRENDE Fibras de carbono y materiales compuestos 1. ¿Qué significa que las propiedades del grafito son anisotrópicas? Que difieren en distintas direcciones en todo el sólido. 2. ¿Cómo se forman las fibras de carbono? Pirolizando fibras orgánicas a temperaturas de 1200 a 1400 ºC. 3. ¿Qué aplicaciones tienen las fibras de carbono? Tienen muchas aplicaciones; por ejemplo, usos aeroespaciales, equipamiento deportivo: raquetas, palos de golf, etc. 4. ¿A qué propiedades se debe la utilidad de estas fibras? Sobre todo a la combinación de alta resistencia con baja densidad. 5. En los materiales compuestos de carbono, ¿qué operación se realiza con las fibras? Las fibras suelen tejerse para formar una tela que después se integra en una matriz que aglutina las fibras para crear una estructura sólida. 6. Para algunas aplicaciones aeroespaciales no son útiles los materiales compuestos de carbono. ¿Por qué? Porque no tienen la suficiente resistencia al calor. 7. En el grafito, ¿en qué dirección son más fuertes los enlace de carbono? En la dirección de los propios planos de carbono. 8. ¿Cómo se orientan las fibras de carbono? Los planos de grafito se orientan paralelamente al eje de la fibra. 9. ¿Qué son los “composites”? Son materiales compuestos (de dos o más materiales) que aprovechan la resistencia, estabilidad y baja densidad de las fibras de carbono. 10. Resalta las ideas principales del texto en menos de ocho líneas. Respuesta libre.

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Autoría: Jesús A. Viguera, Mariano Remacha • Edición: Nicolás Romo, Natividad España • Corrección: José Luis Guzmán • Ilustración: Ariel Gómez, Pablo Jurado, Félix Moreno, Drop Ilustración • Fotografía: Javier Calbet, Sergio Cuesta/Archivo SM; Evgeny Terentyev/ ISTOCKPHOTO.COM; DREAMSTIME: PHOTODISC • Diseño: Pablo Canelas, Alfonso Ruano • Maquetación: Grafilia S.L. • Coordinación de diseño: José Luis Rodríguez • Coordinación editorial: Nuria Corredera • Dirección editorial: Aída Moya

Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra. © Ediciones SM Impreso en España / Printed in Spain