COLEGIO DE BACHILLERES DEL ESTADO DE SONORA Director General Mtro. Jorge Luis Ibarra Mendívil Director Académico Profr. Julio Alfonso Martínez Romero Director de Administración y Finanzas C.P. Jesús Urbano Limón Tapia Director de Planeación Mtro. Pedro Hernández Peña

QUÍMICA 1 Módulo de Aprendizaje. Copyright ©, 2009 por Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora todos los derechos reservados. Segunda edición 2010. Impreso en México. DIRECCIÓN ACADÉMICA Departamento de Desarrollo Curricular Blvd. Agustín de Vildósola, Sector Sur Hermosillo, Sonora. México. C.P. 83280 Registro ISBN, en trámite.

COMISIÓN ELABORADORA: EQUIPO TÉCNICO Coordinación general: Luz María Grijalva Díaz Elaboradores disciplinares: Alma Lorenia Valenzuela Chávez Matemáticas 1 Nydia Gabriela Estrella Química 1 Luz María Grijalva Díaz Introducción a las Ciencias Sociales Diego Navarro Gil Taller de Lectura y Redacción 1 María del Socorro Salas Meneses Ética y Valores 1 María Enedina Duarte Camacho Informática 1 Moisés Galaz Duarte Lengua Adicional al Español 1 Gabriela Rivera Ramos Orientación Educativa 1

Revisión Disciplinaria: Ramón Marcos Peralta Barreras Corrección de Estilo: Alejandro Ernesto Rivas Santoyo Antonia Sánchez Primero Diseño: Joaquín Rivas Samaniego Grupo Editorial: Bernardino Huerta Valdez Cynthia Deyanira Meneses Avalos Francisco Peralta Varela Joaquín Rivas Samaniego Coordinación Técnica: Claudia Yolanda Lugo Peñúñuri Coordinación General: Profr. Julio Alfonso Martínez Romero

Esta publicación se terminó de imprimir durante el mes de junio de 2010. Diseñada en Dirección Académica del Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora Blvd. Agustín de Vildósola; Sector Sur. Hermosillo, Sonora, México La edición consta de 11,736 ejemplares.

2

PRELIMINARES

DATOS DEL ALUMNO Nombre: _______________________________________________________________ Plantel: __________________________________________________________________ Grupo: _________________ Turno: _____________ Teléfono:___________________ E-mail: _________________________________________________________________ Domicilio: ______________________________________________________________ _______________________________________________________________________

Ubicación Curricular

COMPONENTE:

HORAS SEMANALES:

FORMACIÓN BÁSICA

05

CAMPO DE CONOCIMIENTO:

CRÉDITOS:

CIENCIAS EXPERIMENTALES

10

PRELIMINARES

3

4

PRELIMINARES

Índice Presentación ....................................................................................................................................................................... 7 Mapa de asignatura............................................................................................................................................................ 8 BLOQUE 1. IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA ................................... 9 Secuencia didáctica 1. 1 Comprendiendo la importancia de la Química......................................................................... 10 Importancia de la Química en tu vida diaria y en el desarrollo de la humanidad .................................................... 10 Objeto de estudio de la Química.............................................................................................................................. 17 Química: una ciencia interdisciplinaria ..................................................................................................................... 20 Secuencia didáctica 2. 2 Conociendo como trabajan los químicos................................................................................. 23 Método de estudio de la Química ............................................................................................................................ 24 ¿Por qué es necesaria la Cuantificación? ................................................................................................................ 25 BLOQUE 2. COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA ....................................... 37 Secuencia didáctica 1. Características y manifestaciones de la materia ...................................................................... 38 Concepto de materia ................................................................................................................................................ 39 Propiedades de la materia ....................................................................................................................................... 43 Estados de agregación de la materia ...................................................................................................................... 47 Cambios de estado .................................................................................................................................................. 50 Cambios de la materia ............................................................................................................................................. 52 Secuencia didáctica 2. Características y manifestaciones de la energía ...................................................................... 55 Beneficios y riesgos en su consumo........................................................................................................................ 59 Energías limpias o no contaminantes ...................................................................................................................... 59 BLOQUE 3. EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES .......................................... 63 Secuencia didáctica 1. 1 Aportaciones históricas que contribuyeron al establecimiento del modelo atómico actual ...................................................................................................................................... 64 La conservación de la materia y el reciclaje............................................................................................................. 64 Leyes ponderales y teoría atómica de Dalton .......................................................................................................... 67 El electrón (primera partícula subatómica) y el modelo atómico de Thompson ..................................................... 68 El protón (segunda partícula subatómica) y los rayos canales ............................................................................... 69 El modelo de Rutherford y el núcleo atómico .......................................................................................................... 69 Los niveles de energía y el modelo atómico de Bohr .............................................................................................. 69 ¿Pero qué son los espectros de líneas? .................................................................................................................. 70 El neutrón (tercera partícula subatómica) y los experimentos de Chadwick ........................................................... 71 Secuencia didáctica 2. 2 Partículas subatómicas e isótopos ........................................................................................... 77 Isótopos y sus aplicaciones ..................................................................................................................................... 85 Secuencia didáctica 3. 3 Modelo atómico actual ............................................................................................................. 88 Números cuánticos................................................................................................................................................... 90 Configuración electrónica......................................................................................................................................... 96 BLOQUE 4. INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA ....................................................................................... 101 Secuencia didáctica 1. 1 Evolución de la clasificación de los elementos químicos ...................................................... 102 Las triadas de Döbereiner ...................................................................................................................................... 103 Las octavas de Newlands ...................................................................................................................................... 103 Ley periódica .......................................................................................................................................................... 103 La tabla periódica de Moseley ............................................................................................................................... 104 Ubicación y clasificación de los elementos en la tabla periódica.......................................................................... 105 Tabla periódica larga .............................................................................................................................................. 105 Grupos periodos y bloques .................................................................................................................................... 106 Grupos .................................................................................................................................................................... 106 Periodos.................................................................................................................................................................. 107 Bloques ................................................................................................................................................................... 108 Secuencia didáctica 2. 2 Principales familias de elementos .......................................................................................... 113 Los elementos en la tabla periódica....................................................................................................................... 114 Metales ................................................................................................................................................................... 114 No metales.............................................................................................................................................................. 115 Semimetales o metaloides ..................................................................................................................................... 115 Importancia socioecómica en México de los metales, no metales y metaloides .................................................. 118

PRELIMINARES

5

Índice

(continuación)

Secuencia didáctica 3. 3 Propiedades y tendencias periódicas ................................................................................... 120 Radio atómico......................................................................................................................................................... 121 Energía de ionización o potencial de ionización .................................................................................................... 122 Afinidad electrónica ................................................................................................................................................ 123 Electronegatividad .................................................................................................................................................. 124 BLOQUE 5. INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES ............................. 129 Secuencia didáctica 1. 1 ¿Cómo se unen los átomos? .................................................................................................. 130 Regla del octeto...................................................................................................................................................... 131 Configuración puntual o estructura de Lewis ......................................................................................................... 132 Tipos de enlace ...................................................................................................................................................... 132 Modelo de enlace iónico ........................................................................................................................................ 132 Porcentajes de electrovalencia............................................................................................................................... 132 Propiedades de los compuestos iónicos ............................................................................................................... 134 El Modelo de enlace covalente .............................................................................................................................. 136 Geometría molecular .............................................................................................................................................. 139 Propiedades de los compuestos covalentes ......................................................................................................... 141 Modelo del enlace metálico.................................................................................................................................... 141 Secuencia didáctica didáctica 2. 2 Atracción entre moléculas ...................................................................................................... 148 Dipolo-dipolo .......................................................................................................................................................... 150 Dipolo-dipolo inducido ........................................................................................................................................... 150 Fuerzas de dispersión o de London....................................................................................................................... 150 Puente de hidrógeno .............................................................................................................................................. 153 Los nuevos materiales ............................................................................................................................................ 157 BLOQUE 6. MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA INORGÁNICA ......................................................... 163 Secuencia didáctica 1. 1 Nomenclatura de compuestos inorgánicos ........................................................................... 164 Lenguaje químico ................................................................................................................................................... 166 Procedimiento para escribir fórmulas..................................................................................................................... 166 Nomenclatura de compuestos inorgánicos ........................................................................................................... 169 Nomenclatura de compuestos químicos ............................................................................................................... 171 Óxidos..................................................................................................................................................................... 171 Base o hidróxidos ................................................................................................................................................... 173 Hidruros .................................................................................................................................................................. 174 Ácidos ..................................................................................................................................................................... 176 Sales ....................................................................................................................................................................... 178 Secuencia didáctica 2. 2 Importancia del buen uso y manejo de los productos químicos en el hogar ........................ 184 BLOQUE 7. REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS................................................................. 191 Secuencia didáctica 1. 1 Clasificación de los cambios químicos .................................................................................. 192 Ecuación química ................................................................................................................................................... 194 Tipos de reacción ................................................................................................................................................... 197 Secuencia didáctica 2. 2 Balanceo de ecuaciones químicas......................................................................................... 201 Simbología .............................................................................................................................................................. 202 Método de balanceo por tanteo ............................................................................................................................. 202 Método de balanceo Redox o por oxidación-reducción........................................................................................ 205 BLOQUE 8. ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS............................................................................................................... 215 Secuencia didáctica 1. 1 Cambios energéticos en las reacciones químicas................................................................. 216 El calor en las reacciones químicas ....................................................................................................................... 218 Secuencia didáctica 2. 2 Velocidad de las reacciones químicas ................................................................................... 232 Factores que afectan la velocidad de reacción ..................................................................................................... 234 Consumismo e impacto ambiental......................................................................................................................... 241

Bibliografía ................................................................................................................................................... 246

6

PRELIMINARES

Presentación El presente Módulo de Aprendizaje de la asignatura de: Química 1, está diseñado considerando el modelo de competencias y el enfoque centrado en el Aprendizaje, respondiendo así a las nuevas disposiciones establecidas en la Reforma Integral de la Educación Media Superior implementada a nivel nacional. La estructura de este material didáctico integra competencias genéricas y disciplinares básicas que desarrollarás con aprendizajes múltiples, que permitirán apropiarte del conocimiento en forma crítica, analítica y propositiva.

Con la mediación del maestro(a), este módulo te guiará a una nueva experiencia, a un reto: construir tu propio conocimiento.

Es un documento guía que se verá enriquecido con las orientaciones y aportaciones se tu maestro (a), para cumplir con su cometido final, cuando como alumno profundices con autonomía, disciplina científica e interés intelectual, en tu propio conocimiento.

Tu institución, el Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora, ha trabajado fuerte y sin límite alguno, para entregarte un módulo perfectible y a la vez, de la calidad que lo requiere la Reforma, la Sociedad Mundial y sobre todo tú como alumno (a).

PRELIMINARES

7

Identifica a la Química como una herramienta para la vida

Comprendiendo la importancia de la Química.

Comprende la interrelación de la materia y la energía.

Características y manifestaciones de la materia. Características y manifestaciones de la energía.

Explica el modelo atómico actual.

Aportaciones históricas que contribuyeron al establecimiento del modelo atómico actual. Partículas subatómicas e isótopos. Modelo atómico actual.

Interpreta la tabla periodica.

Evolución de la clasificación de los elementos químicos. Principales familias de elementos. Propiedades y tendencias periódicas.

Química 1 Interpreta enlaces químicos e interacciones moleculares.

Maneja la nomenclatura química.

Representa y opera reacciones químicas.

Entiende los procesos asociados con el calor la velocidad de las reacciones químicas.

8

PRELIMINARES

¿Cómo se unen los átomos? Atracción entre moléculas.

Nomenclatura de compuestos inorgánicos. Importancia del buen uso y manejo de los productos químicos en el hogar.

Clasificación de los cambios químicos. Balanceo de ecuaciones químicas.

Cambios energéticos en las reacciones químicas. Velocidad de reacción.

Identifica a la Química como una herramienta para la vida

Unidad de competencia: Reconoce a la Química como parte de su vida cotidiana, tras conocer el progreso que ha tenido esta 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.

Atributos a desarrollar en el bloque:

3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y Diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 8 horas.

Secuencia Didáctica 1. Comprendiendo la importancia de estudiar Química. Inicio Es común escuchar que estudiar Química es difícil, que es como aprender un nuevo idioma y que sus conceptos son abstractos. Cierto es que en un principio deberás familiarizarte con el lenguaje de esta ciencia, pero la otra realidad es que convives diariamente con ella. Una gran cantidad de lo que nos rodea es fruto del trabajo constante de investigadores y científicos que han utilizado la Química para mejorar la calidad de vida del hombre. Sin las aportaciones de esta ciencia, no existiría un solo medicamento, no habría alimentos, ni agua potable para todos, y la informática, la aeronáutica o las telecomunicaciones serían sólo meras ilusiones. Todo es Química, porque en definitiva, átomos y moléculas son la única herramienta que tiene el hombre para crear. El objetivo de este curso es despertar el interés y reconocimiento hacia esta maravillosa ciencia, que garantiza la mejora constante de la esperanza y calidad de vida de la humanidad.

Importancia de la Química en tu vida diaria y en el desarrollo de la humanidad. Iniciamos las actividades de este curso invitándote a trabajar de la mejor forma, con la intención de alcanzar el mayor desempeño en este semestre y por supuesto durante el transcurso del Bachillerato; recordándote que el enfoque en Competencias demanda un nuevo comportamiento del estudiante y entre otras situaciones requiere que este aprenda por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida. Sobre todo una Ciencia como la Química que nos ofrece conocimientos y productos que facilitan las actividades diarias.

Inicia ¡ya! las actividades extraclase. Pregúntale a tu profesor por las instrucciones.

Actividad: 1 Lee la siguiente afirmación y contesta lo que se te solicita. Anota tu respuesta en el espacio disponible, esta información se comentará en el grupo. “La Química está presente en todas tus actividades diarias” ¿Su presencia es un riesgo o un beneficio? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ ____________________________________

10

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

Evaluación Actividad: 1

Producto: Conclusión.

Conceptual Identifica hechos cotidianos asociados a la química.

Actitudinal

Analiza el impacto de los conocimientos y aportaciones de la Química a la calidad de vida. C

Autoevaluación

Puntaje:

Saberes Procedimental

MC

NC

Aprecia el impacto de la Química en tu vida diaria.

Calificación otorgada por el docente

Desarrollo Se vive en una constante transformación, los alimentos que consumimos son producto de los cambios ocurridos en su cocción; los frutos se maduran, las plantas crecen, las sustancias que lanzamos al ambiente sufren transformaciones químicas y forman nuevas sustancias, algunas de las cuales son dañinas para los seres vivientes.

Lee este texto, para realizar la actividad 2

Se puede decir que el universo en que se vive está en constante cambio. Todo lo que se usa, está basado en los principios fundamentales de la química. Por ejemplo la crema dental para tu aseo, los bolígrafos contienen tinta que se ha elaborado por procesos químicos, la ropa tiene un color que obedece a la utilización de pigmentos, el agua que se consume además de ser una mezcla de hidrógeno y oxígeno debe ser tratada químicamente para ello, los lubricantes que utilizan los vehículos son producto del estudio del petróleo, tus zapatos deportivos son mezclas de polímeros y si son de piel ésta debe pasar por diversos procesos químicos para eliminarles olores y hacerlos más manejables, en fin la química esta a tu alrededor y ocupa todos y cada uno de los espacios de tu vida. En este momento que estás leyendo, debes saber que la tinta es un producto químico y que el papel de este módulo se obtuvo también mediante procedimientos químicos. Al mismo tiempo, en tus ojos al leer, se están desencadenando miles de reacciones químicas en tu cerebro. Cuando respiras, te mueves, comes, duermes, tu cuerpo funciona como una extraordinaria fábrica química. La Química es parte de la vida y está presente en todos los aspectos fundamentales de la cotidianidad. La calidad de vida que se puede alcanzar se debe a los avances y descubrimientos que el estudio de la Química aplicada nos ha dado. La variedad y calidad de productos de aseo personal, de alimentos enlatados, los circuitos de la computadora, la pantalla de la televisión, los colores de las casas, el frío del refrigerador y la belleza de un rostro existen y mejoran gracias al estudio de la Química. El modo de vida actual depende de la utilización de los procesos químicos que proporcionan muchos bienes y servicios, sin embargo, la mayoría de los seres vivos aprovechan la materia tal y como se encuentra en la naturaleza. El ser humano es diferente puesto que generalmente transforma la materia antes de usarla en productos terminados que utiliza en el hogar, la industria, la medicina, la agricultura; pero al mismo tiempo, produce desechos y residuos peligrosos que dañan el ambiente. Es importante señalar que como toda ciencia, la Química, es una herramienta, que en algunos casos es causa de la degradación del medio ambiente pero también aporta soluciones a esta problemática.

BLOQUE 1

11

¿Te has puesto a observar la cantidad de productos químicos que hay en tu hogar y los cambios que éstos sufren al ser utilizados?

Actividad: 2 En equipo, comenten la lectura e intercambien ideas sobre la aplicación de los conocimientos generados por la Química. Incluyan ejemplos de productos no mencionados en la lectura, pero que son de su conocimiento. Área de aplicación

Producto

Alimentación

Sopa deshidratada (Maruchan)

Evaluación Actividad: 2 Conceptual

Identifica la utilidad de la Química para la sociedad.

Autoevaluación

12

Producto: Tabla de datos. Saberes Procedimental Dialoga con los compañeros de clase y obtiene conclusiones en forma colaborativa.

Puntaje: Actitudinal Se comunica en forma correcta.

Aprecia las aplicaciones de la Relaciona y registra los ejemplos Química en su vida cotidiana. de productos con el área productiva a la que pertenece. C MC NC Calificación otorgada por el docente

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

Las cosas por su nombre Nos nutrimos exclusivamente con átomos y moléculas. Menú del día Primer plato Proteínas desnaturalizadas, polipéptidos, aminoácidos, polisacáridos, celulosa, colesterol y ácido oléico. Segundo plato Proteínas con triptófano, leucina, lisina, hierro, fósforo, magnesio, zinc, niacina y riboflavina Postre Lactosa, caseína, lactoalbúmina, calcio y fósforo.

Menú del día Primer plato Huevos revueltos con queso

Segundo plato Filete de ternera

Postre Vaso de leche

Sitios Web recomendados: http://www.aecq.es/esp/quimica_vida.pdf http://www.youtube.com/watch?v=eEi0O7aFyy0 http://www.chemistryandyou.org/base_span.htm

BLOQUE 1

13

Actividad: 3 Analiza el siguiente cuadro y responde los cuestionamientos que aparecen al final del mismo. Anota tus respuestas para discutir en clase. Principios fundamentales de Química que debería conocer un ciudadano medio. Contenido Tema global ¡Tú eres química! Química del cuerpo humano. ¡... y también lo es el resto del universo! La Química es una ciencia multidisciplinar que tiene que ver con todas las Ciencias que, de una u otra forma, tratan sobre la materia: Biología, Medicina, Paleontología, Astrofísica,... La Química fabrica nuevos materiales a la carta. No existen copias mejores o peores de las moléculas: ¡sólo existen ejemplares originales idénticos!

La Química permite preparar nuevos materiales con propiedades específicas. Erróneamente, se suele considerar "químico" como adjetivo opuesto a "natural". Las moléculas son idénticas, independientemente de su origen.

No existen sustancias tóxicas: ¡sólo existen dosis tóxicas!

Los químicos pueden detectar cantidades inimaginablemente pequeñas de muchos compuestos. Eso es tranquilizador, aunque gracias a ello se sabe que la contaminación ha alcanzado ya los lugares más remotos.

La Química provee soluciones a sus propios problemas. Beethoven, Da Vinci, Frida Kalo, García Márquez,... ¡Lavoisier!

La Química permite limpiar el entorno de sustancias contaminantes. Los grandes triunfos de la Química son totalmente comparables a los logros culturales más elevados de la humanidad. Los químicos son responsables tanto de los beneficios como de los riesgos asociados a los productos que preparan.

Ni siquiera los químicos son perfectos.

Reflexiona y responde: 

¿Qué es lo bueno o lo malo de los usos presentes o futuros de los conocimientos químicos?

__________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________

14

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

Actividad: 3 (continuación) 

¿A quién beneficia y a quién perjudica el desarrollo de la Química?

_____________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ 

¿Cuáles son los límites de la Química?

_________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 3

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Saberes Conceptual Confirma la presencia de la Química en su vida e identifica el beneficio o peligro del uso del conocimiento científico.

Autoevaluación

Procedimental

Organiza información y argumentar sus reflexiones

C

MC

NC

Actitudinal Se percata de la importancia de estudiar Química. Aprecia las aportaciones de la Química. Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 1

15

Actividad: 4 Elabora una línea del tiempo que incluya los principales momentos del desarrollo de la Química; relacionada a los destacados momentos del desarrollo de la humanidad.

Evaluación Actividad: 4

Producto: Línea del tiempo.

Puntaje:

Saberes Conceptual

Procedimental

Reconoce los grandes momentos del desarrollo de la Química.

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

Autoevaluación

C

MC

NC

Actitudinal Valora las aplicaciones de la Química en el desarrollo de la humanidad.

Calificación otorgada por el docente

Para conocer y comentar Recibe Premio Nacional de Investigación Ciudad de México, 3 de Febrero.- La investigadora Herminia Pasantes Ordóñez, del Instituto de Fisiología Celular de la UNAM, llamó a los jóvenes a interesarse por el estudio de la ciencia y a trabajar a favor de ella, en beneficio personal y del país. Luego de ser galardonada con el Premio Nacional a la Investigación Científica y Tecnológica de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP) por su desempeño y trayectoria, calificó a la ciencia como una actividad para exploradores y aventureros. Por ello, la investigadora emérita de la Universidad Nacional autónoma de México (UNAM) llamó a los jóvenes a integrarse a ella y destacó la importancia de la indagación científica para el desarrollo del país. “Es indispensable que los jóvenes sepan que esta labor también es gratificante, otorga viajes y premios que resaltan los logros alcanzados”, comentó. Pasantes Ordóñez consideró importante que en la investigación se trabaje, tenga intuición y suerte, pues son elementos que permiten “una carrera exitosa”, además de que a diario se debe tener un reto nuevo que motive a siempre buscar respuestas.

16

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

En 2000 la UASLP instituyó el Premio Universitario a la Investigación Científica y Tecnológica, pero este año se otorgó, por primera vez, a nivel nacional. La también secretaria académica del Instituto de Fisiología Celular inició su actividad científica hace 50 años, cuando cursaba el segundo año de la licenciatura en medicina. Actualmente trabaja con su equipo de investigación en el estudio del edema cerebral, uno de los grandes problemas clínicos que ocasiona la muerte de células del centro nervioso. Herminia Pasantes Ordóñez fue reconocida por su labor y trayectoria científica ante la comunidad universitaria de la UASLP, así como por el rector de esa institución, Mario García Valdez. NOTIMEX

Objeto de estudio de la Química. OBJETO DE ESTUDIO DE LA QUÍMICA

MATERIA

ENERGÍA

CAMBIOS

Lee con atención los siguientes párrafos, contienen información para resolver la actividad 5

El conjunto de todos los seres y hechos que nos rodean forman lo que llamamos naturaleza; estos hechos que observamos a nuestro alrededor no se dan aislados y constituyen el campo de estudio de ciencias que se relacionan entre sí. Estas ciencias reciben el nombre de Ciencias Naturales y son principalmente: Biología, Física, Química y Astronomía. La Química es pues una Ciencia Natural. Históricamente, las ciencias naturales han estado relacionadas con la observación de la naturaleza, es decir, del mundo físico y biológico que nos rodea. Los orígenes de la Química son muy antiguos y hoy es una ciencia que no se parece en nada a los procesos asociados con la magia y los demonios. Se ha desarrollado de tal forma que se ha convertido en una de las más valiosas herramientas que tenemos para enfrentar los retos del nuevo milenio. A pesar del importante papel que la Química ha desempeñado en el pasado, su protagonismo será aún más relevante para afrontar los retos a los que hoy en día, y en el futuro, deberá enfrentarse la Humanidad: ¿Cómo se alimentarán los más de 9,000 millones de habitantes que poblarán La Tierra en 2050? ¿Cómo erradicaremos las enfermedades actuales y aquéllas que aún no conocemos?, ¿Cómo podrá, cada uno de los hombres y mujeres que habitan este planeta, alcanzar un nivel y calidad de vida suficientemente dignos? Sin duda será la Química, a través de sus científicos, investigadores, formadores, educadores, empresarios y trabajadores, la que aportará respuestas a estos y otros interrogantes, respuestas que sólo serán factibles si se establecen los necesarios cauces de colaboración entre todos ellos, apoyados por la sociedad, sus autoridades y organismos competentes. Actualmente, la Química es una ciencia que estudia la materia, los cambios que ésta experimenta y la energía implicada en estos procesos. Aunque la Química es una ciencia ancestral, sus fundamentos modernos se establecieron en el siglo XIX, cuando los avances tecnológicos e intelectuales permitieron a los científicos separar las sustancias en los más pequeños componentes y, por consiguiente, explicar muchas de las características físicas y químicas. El rápido desarrollo de la tecnología a lo largo del presente siglo ha dado más herramientas para estudiar aquellos aspectos de la materia que no se pueden ver a simple vista. Con computadoras y microscopios electrónicos los químicos pueden analizar, por ejemplo, la estructura de los átomos y de las móleculas (unidades en las que se basa el estudio de la Química), así como diseñar nuevas sustancias con propiedades específicas, como fármacos y productos que hagan más agradable el ambiente del consumidor.

La ciencia tiende a la miniaturización de la tecnología. En la foto, un chip sobre la cabeza de un alfiler.

BLOQUE 1

17

El estudio de la Química comienza en el mundo macroscópico, lo que observamos cuando ponemos atención a nuestro entorno. Para conseguir una adecuada interpretación de cada uno de los conceptos químicos, es necesario trabajarlos a nivel macroscópico (sensorial, perceptivo), microscópico (átomos, moléculas, iones) y simbólico (ecuaciones, fórmulas). Ninguno es más importante que el otro, por lo que en su momento deben ser abordados todos ellos para explicar el fenómeno.

H2 O Mundo macroscópico

Mundo microscópico

Mundo simbólico

Macroscópico Mundo de los hechos (concreto)

Simbólico Mundo del lenguaje y símbolos (confuso)

Microscópico Mundo de los modelos y teorías (abstracto)

Como se señaló anteriormente, el campo de estudio de la Química es muy amplio, por lo tanto, resulta imposible que alguien posea todos los conocimientos que constituyen esta ciencia. Al ser tan amplio el espectro de fenómenos estudiados por la Química, esta ciencia se ha dividido en diferentes ramas: Química General: Trata de los principios básicos acerca de la constitución, las propiedades y transformaciones de las sustancias, además de estudiar las leyes generales de la Química. Química Inorgánica: Su campo de estudio se refiere a las sustancias que forman en el campo mineral. No estudia los componentes del carbono a excepción de los compuestos como carbonatos, cianuros y al monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2). Química Orgánica: Se encarga del estudio de los compuestos del carbono. Excepto los antes mencionados que corresponden a la Química inorgánica. Química Analítica: Comprende los métodos de reconocimiento y determinación La Química sanguínea, una de los constituyentes de los compuestos tanto en su calidad (análisis cualitativo) herramienta para prevenir y curar como en su cantidad (análisis cuantitativo). enfermedades. Fisicoquímica: Estudia los principios matemáticos y físicos que se aplican al estudio de la materia y la energía. Bioquímica: Su campo se refiere a los procesos químicos que ocurren en los seres vivos.

18

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

¿Cómo se sabe qué contienen los alimentos que se ingieren? ¿Cómo ayuda la química al esclarecimiento de los crímenes?

Actividad: 5 

Escribe una definición de Química, en la que demuestres comprender su objeto de estudio:___________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________ 

Con base en la división de la Química, indica la rama que se encarga del estudio de los siguientes procesos químicos:

Los enlaces y la estructura de los compuestos: _________________________________________________________ La composición de los componentes de una bebida gaseosa: ____________________________________________ La cantidad de glucosa en sangre de una persona: ______________________________________________________ Las reacciones digestivas que permiten la nutrición en un niño: ___________________________________________ La solubilidad de las sales de cobre: __________________________________________________________________ 

Clasifica los siguientes enunciados como cualitativos o cuantitativos.

El sol está a más o menos 150 000 millones de kilómetros de la Tierra: Alejandro Fernández es mejor cantante que Luis Miguel. El hielo es menos denso que el agua.

__________________________________

______________________________________________

______________________________________________________________

La mantequilla sabe mejor que la margarina.

__________________________________________________________

Evaluación Actividad: 5

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Conceptual

Saberes Procedimental

Distingue las ramas de la Química y contrasta las expresiones cualitativas y cuantitativas.

Relaciona fenómenos o procesos, con la rama de la Química que le corresponde su estudio.

Autoevaluación

C

MC

NC

Actitudinal Se interesa por el estudio de la Química.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 1

19

Química: una ciencia interdisciplinaria. Conforme vamos adquiriendo nuevos conocimientos sobre el mundo, nos damos cuenta que una sola ciencia no basta para explicar todos los fenómenos que se dan en el universo, debido a que cada una de ellas tiene una metodología y un objeto de estudio característicos. La Química no es la excepción, y para lograr comprender a fondo los fenómenos que estudia, se apoya en muchas otras ciencias. Así mismo, las aportaciones de la Química son necesarias para que otras ciencias avancen en la comprensión de los fenómenos que abarca su campo de estudio. Ésta es la razón por la que se afirma que la Química es una ciencia interdisciplinaria que se relaciona con otras de gran importancia dentro del desarrollo científico y tecnológico de las sociedades modernas. La Química es considerada una ciencia que se encarga del estudio de la naturaleza, de la composición de la materia, de la estructura y de los cambios que experimenta, además de la forma en que interacciona con la energía y los principios generales que rigen el comportamiento de la materia. Cualquier químico en su laboratorio utiliza conocimientos provenientes de otras ciencias. Con frecuencia tiene necesidad de efectuar cálculos que requieren conocimientos de Matemáticas o del campo de la Física. Igualmente, las disciplinas biológicas le aportan a la Química datos fundamentales sobre las sustancias que son necesarias para el funcionamiento de la vida, muchas de las cuales ya se han logrado sintetizar en el laboratorio. A la par, la Química ayuda a otras ciencias. No cabe duda que la medicina ha sido uno de los territorios que más se ha beneficiado con los descubrimientos de la Química. Se pueden señalar los medicamentos que se preparan siguiendo una fórmula, el tratamiento del cáncer mediante la aplicación de radiaciones, el diseño de nuevos métodos de diagnóstico para el tratamiento de enfermedades, etc. La industria de los alimentos es otro ejemplo de un área que se ha visto beneficiada por las aportaciones de la Química, ya que se han fabricado compuestos que se utilizan para conservar los alimentos en buen estado y con propiedades nutritivas mejoradas. La enseñanza de la Química se vincula definitivamente con la de la Biología y la Ecología, para dar a los estudiantes una visión global de cómo el buen o mal uso de los productos químicos determina las condiciones de vida en una comunidad. Las múltiples implicaciones de la Química con otras ciencias nos hacen entender la razón por la cual se le considera como la ciencia central.

“La educación del hombre será la causa de la destrucción o esperanza de la humanidad”.

20

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

Cierre Actividad: 6 Investiga el significado de los conceptos, consulta diccionarios o glosarios; una vez que hayas leído varias definiciones resuelve lo siguiente: 

Anota una breve pero clara explicación sobre cada término.

Química_____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________

Biología_____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________

Matemáticas_________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________

Tecnología__________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________

Física_______________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________

Método_____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________

BLOQUE 1

21

Actividad: Actividad:6 7(continuación) (continuación)   Con de lala Química Químicacon conotras otrasciencias, ciencias,y las y las Conbase baseenenlalainformación información sobre sobre la la relación de explicaciones anteriores, completa los siguientes enunciados: explicaciones anteriores, completa los siguientes enunciados: La Matemática es importante la Química _________________________________________________ La Matemática es importante a laaQuímica por:por: _________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ La Física _____________________________________________________________________________ La Física por:por: ______________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ La Informática _________________________________________________________________________ La Informática por:por: _________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ La Química le útil es útil la Biología _________________________________________________________ La Química le es a laaBiología por:por: ________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ La Química es importante para la sociedad ________________________________________________ La Química es importante para la sociedad por:por: ________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 6

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Saberes Conceptual

Procedimental

Actitudinal

Busca y selecciona información. Comprende la relación de la Química con otras ciencias.

Autoevaluación

22

Elabora y redacta conclusiones, una vez que ha consultado la información. C

MC

NC

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

Se expresa con exactitud.

Calificación otorgada por el docente

Secuencia Didáctica 2. Conociendo cómo trabajan los químicos. Inicio



Actividad: 1 Elabora un mapa mental, (en una hoja tamaño carta) en el cual expreses cómo realizan sus investigaciones los químicos. Comparte tu trabajo con el resto del grupo y comenten sobre el análisis de los diferentes mapas.

BLOQUE 1

23

Evaluación Actividad: 1

Producto: Mapa mental o collage. Saberes Procedimental

Conceptual Describe el método de trabajo de la Química. Autoevaluación

Actitudinal

Expresa gráficamente y por escrito su percepción sobre el método de la Química. C

MC

NC

Puntaje:

Comparte sus ideas y acepta la diversidad de expresiones.

Calificación otorgada por el docente

Desarrollo Método de estudio de la Química. El hombre, para transformar la realidad, necesita descubrir cómo funciona. No cabe duda que el investigador se ve obligado a elaborar y reelaborar su propio método de trabajo para llegar a desentrañar los secretos de la naturaleza. El método es el conjunto de procedimientos para la realización de un fin; éste se deriva de la experiencia misma, y son los resultados obtenidos los que indican si es o no el adecuado. El método particular de las ciencias naturales es el método experimental, el cual no es una “receta” que al seguirse paso a paso resolverá automáticamente los problemas.

Lee el siguiente texto, como apoyo para resolver la actividad 2.

Cuando se estudian los fenómenos naturales, sean éstos de cualquier tipo (físico, químico o nuclear), el primer paso para su estudio es la observación. Esta percepción de los fenómenos es nuestro único contacto con el mundo físico y son nuestros sentidos los que se encargan de comunicarnos la forma en que está sucediendo el fenómeno. Los datos experimentales que obtenemos provienen de sucesos observables y son mejores o peores en la medida que lo sean los métodos de detección. El hombre ha aprendido por medio de sus experiencias que sus sentidos están limitados para percibir los fenómenos y ha inventado una gran cantidad de instrumentos para facilitar sus observaciones, tales como el microscopio, el telescopio, la balanza, el potenciómetro y el espectrofotómetro, entre otros. La mayor parte de las veces la finalidad de la observación es obtener una medida cuantitativa de los fenómenos; es decir, una relación que indique la magnitud del suceso que se está observando. Generalmente dicha magnitud se expresa con un número y una unidad, que sirve para comparar con sucesos similares. Los científicos son personas curiosas que se hacen muchas preguntas sobre el mundo que les rodea y tratan de encontrar las respuestas. Los físicos, químicos, astrónomos, biólogos, etc., son científicos que investigan sobre distintos temas siguiendo un método propio que les ayuda a investigar sobre diferentes temas. Este proceso se llama " Método Científico" y consta de las siguientes etapas:

24

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

Obtención y registro de información.

Observación

Conocimiento acumulado

Pregunta Hipótesis

Conclusión

Experimento Obtención y registro de información. Análisis Recolección de datos

En alguna ocasión te habrás encontrado en una situación en donde solamente te dediques a ver y no a observar, como por ejemplo el arco iris. ¿Podrías describirlo? ¿En qué orden aparecen los colores? Al hablar de las características del estudio de la Química, se han mencionado como sus tres pilares el lenguaje, el uso de síntesis y análisis, y la cuantificación, o sea el uso de mediciones y cálculos.

¿Por qué es necesaria la cuantificación?

En el caso específico de la Química la cuantificación es fundamental y ha permitido elevar esta disciplina a la categoría de ciencia, además de posibilitar la predicción de fenómenos de importancia en diferentes niveles, desde el ámbito cotidiano hasta el industrial. Uno de los más destacados actualmente es la necesidad imperiosa de cuantificar los contaminantes del aire, ya que en pequeñas cantidades puede ser inofensivo, pero a elevadas concentraciones son altamente perjudiciales para la mayoría de los seres vivos. Actualmente en la Ciudad de México, y en muchas otras grandes ciudades del mundo, se lleva a cabo un registro cuantitativo de todos los contaminantes atmosféricos, con el fin de tomar las medidas necesarias de protección al ambiente y, por tanto, de los seres vivos. En cuanto a los medicamentos, es común que un médico recete a sus pacientes una determinada dosis. Esta dosis no es otra cosa que una medida de la cantidad que el paciente debe recibir de dicha medicina, ya que no es la misma que puede consumir un bebé a la que puede utilizar un adulto. Generalmente la dosis depende de la edad, peso corporal y capacidad del paciente para metabolizar el medicamento; de tal manera que cuantitativamente existe una dosis mínima, por debajo de la cual no tendría efecto el medicamento, y una dosis máxima, que al ser rebasada puede resultar tóxica o incluso letal para el organismo. Cuando una persona ingiere una bebida alcohólica, existe una diferencia cuantitativa entre mantenerse sobrio, estar “alegre”, o llegar hasta un estado evidente de embriaguez, donde sus sentidos y sus capacidades están totalmente limitados, de forma que cuantificando la concentración de alcohol en la sangre se puede predecir el comportamiento de un individuo dependiendo de su edad, sexo, peso corporal, costumbre a las bebidas alcohólicas y algunas otras variables.

BLOQUE 1

25

Muchas enfermedades pueden ser evitadas o controladas gracias a la cuantificación. La hemoglobina es una proteína que contiene hierro (Fe) que transporta el oxígeno de los pulmones a las células. Si la cantidad de hierro es deficiente, la hemoglobina no se forma, causando lo que se conoce como anemia. La diabetes es una enfermedad que se presenta por niveles altos de glucosa en la sangre. Mediante la cuantificación continua de dichos niveles y analizando las características del paciente, puede elegirse el tratamiento adecuado para controlar el padecimiento. En la industria metalúrgica se analizan y cuantifican las proporciones adecuadas de los componentes de una aleación, porque, de no hacerse rutinariamente, la calidad disminuye y pueden generarse productos que sean muy sensibles a la corrosión y que tengan muy poca resistencia. En conjunto, podemos decir que en cualquier tipo de industria es necesario cuantificar diferentes variables, mantener la calidad de los productos que llegan a los compradores, y esa cuantificación en la industria es lo que se conoce como control de calidad. Para terminar con este tema se puede decir que las aportaciones de Boyle, Lavoisier, Berzelius y muchos otros investigadores, anteriores y posteriores a ellos, hicieron de la Química una ciencia 100% cuantitativa y que gracias a ello tiene un lugar destacado en todos los países del mundo en el ámbito económico, social y político, porque esta posibilidad de cuantificar los fenómenos químicos permite su predictibilidad y facilita el control de las variables para mejorar la producción de bienes para la humanidad.

Actividad: 2 Una vez realizada la lectura del tema: método de estudio de la Química, formen equipos de 5 integrantes, comenten las temas propuestos y respondan brevemente lo que se indica en cada caso. Compartan sus conclusiones con el resto del grupo. Describan 3 temas de investigación que sólo se realizan si contamos con instrumentos que posibiliten su observación. Pueden ser ejemplos que no se hayan mencionado en la lectura. __________________________________________________________________________________________________ 

__________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Expliquen por qué el éxito y la exactitud de una investigación química, dependen en gran medida de los instrumentos de observación y medición utilizados. __________________________________________________________________________________________________ 

__________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________

26

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

Evaluación Actividad: 2

Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Conceptual Conoce la utilidad de los instrumentos de observación y medición en el trabajo químico. Coevaluación

Puntaje: Actitudinal Aprecia las ideas de los compañeros, en la construcción de nuevos conocimientos.

Dialoga y toma acuerdos con compañeros de grupo. C

MC

NC

Calificación otorgada por el docente

Actividad: 3 Investiga en internet, libros de metodología de la investigación o libros de texto de Química, la descripción de cada uno de los pasos del método científico señalados a continuación, y completa la siguiente tabla Pasos del método científico

Descripción

Observación

Delimitación del problema (pregunta científica)

Planteamiento de hipótesis

Obtención y registro de información

Experimentación

Contrastación de resultados (análisis )

Comunicación de conclusiones

BLOQUE 1

27

Evaluación Actividad: 3

Producto: Tabla. Saberes Procedimental

Conceptual Reconoce los pasos del método científico. Autoevaluación

Puntaje: Actitudinal

Completa una tabla de contenido, en la que describe los pasos del método científico. C

MC

NC

Se interesa por los pasos del método científico.

Calificación otorgada por el docente

Actividad: 4 Con base en el siguiente texto, conteste los reactivos, que aparecen al final del mismo, colocando la respuesta correcta dentro del paréntesis. MÉTODO CIENTÍFICO (1) Un científico observa que los líquidos, guardados en recipientes sin tapa, disminuyen su nivel a medida que pasa el tiempo, en tanto que en el ambiente se perciben los olores de las sustancias expuestas. Nota también que algunas sustancias requieren, para impregnar el aire, menos tiempo que otras. Se formula entonces, una cantidad de preguntas como: ¿Por qué desciende el nivel en los recipientes? ¿Por qué el aire se impregna de olores? ¿Por qué algunos líquidos tardan más que otros en impregnar el aire? (2) Basado en las preguntas formuladas y en su propia experiencia el investigador se plantea el siguiente problema ¿Se evaporan todos los líquidos a la misma velocidad y con el mismo sistema? (3) El investigador sospecha que los líquidos tienen diferentes regímenes de evaporación, entonces plantea lo siguiente “La velocidad de evaporación es diferente para cada caso y depende de la naturaleza y características del liquido de que se trate”. (4) El científico investiga, razona y predice “Si la velocidad de evaporación depende de la naturaleza del líquido entonces, iguales cantidades de líquidos diferentes colocados en recipientes iguales y en idénticas condiciones ambientales mostraran, al cabo de un tiempo, disminuciones de niveles diferentes en cada frasco, motivados por la evaporación diferente”. (5) El científico planea un experimento en todos sus detalles: Se expondrán durante 24 horas, en un ambiente ventilado 5 recipientes iguales, numerados del 1 al 5 en los que se verterán cantidades iguales de: agua, gasolina, éter, cloroformo y alcohol. Transcurrido el tiempo establecido, se medirá nuevamente, con el mismo procedimiento, la cantidad de líquido de cada frasco y se registraran los valores obtenidos. (6) Con los datos obtenidos a la vista, nos preguntaremos: ¿Todos los líquidos se evaporan de igual modo? Si así no fue: ¿Cuáles se evaporan más y cuales menos? ¿Coinciden los resultados con las previsiones? ¿Se confirma la hipótesis planteada? (7) Verificada la evaporación diferencial de los 5 líquidos analizados, podremos redactar la conclusión que será: “La velocidad de evaporación no es uniforme para todos los líquidos sino que depende de su naturaleza”.

28

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

Actividad: 4 (continuación) Reactivos: (

) En el párrafo 6 del texto hay una serie de preguntas, son estas preguntas ejemplo de: a) Observación b) Contrastación de resultados c) Delimitación del problema (pregunta científica) d) Conclusiones

(

) ¿Cual es la etapa del método científico que corresponde al párrafo 7? a) Observación b) Contrastación de resultados c) Delimitación del problema (pregunta científica) d) Conclusiones

(

) Para explicar el método científico el texto habla de líquidos que se evaporan ¿Cuál sería el párrafo que describe la hipótesis? a) 2 b) 3 c)4 d) 5

(

) Señale cuales de estas afirmaciones son correctas: 1) La observación es posterior al experimento 2) El experimento pone a prueba la validez de la hipótesis 3) La hipótesis es una respuesta tentativa al problema 4) La contrastación de resultados (análisis) se establece a partir de la conclusión a)1 y 2

b) 2 y 3

c) 3 y 4

d) 1 y 4

Evaluación Actividad: 4

Producto: Análisis de texto. Saberes Procedimental

Conceptual Identifica los pasos del método científico. Autoevaluación

Puntaje: Actitudinal

Distingue los pasos del método científico, a partir de un reporte. C

MC

NC

Resuelve con seguridad y exactitud sus tareas escolares.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 1

29

Actividad: 5 Investiga las principales medidas de seguridad y primeros auxilios recomendadas para el trabajo experimental (laboratorio). Escríbelas en un folder, cartulina o papel resistente, ya que debes conservarla como guía de consulta. (Considera reutilizar papel).

Evaluación Actividad: 5

Producto: Guía de consulta.

Conceptual

Reconoce las medidas de seguridad y primeros auxilios, del trabajo experimental.

Autoevaluación

30

Puntaje:

Saberes Procedimental

Actitudinal

Elabora una guía de seguridad y primeros auxilios.

C

MC

NC

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

Se da cuenta de la importancia de realizar los experimentos con medidas de seguridad. Valora el cuidado personal y de los compañeros al realizar actividades experimentales.

Calificación otorgada por el docente

Actividad: 6 Investiga los usos de cada uno de los instrumentos a utilizar en actividades experimentales, expuestas en el laboratorio de tu plantel, dibuja o recorta una imagen siguiendo el ejemplo. (Debes reutilizar papel). Ejemplo: Dibujo y nombre del instrumento

Usos Recipiente de vidrio de forma cilíndrica y fondo plano, usado en el laboratorio para contener líquidos que intervienen en procesos químicos, como la precipitación. También sirve para medir volumen de líquidos (no son precisos), para calentar y mezclar sustancias.

Evaluación Actividad: 6

Producto: Tabla. Saberes Procedimental

Conceptual Identifica y relaciona los instrumentos de medición y observación con sus usos. Autoevaluación

Puntaje: Actitudinal

Describe los instrumentos comunes del laboratorio escolar. C

MC

NC

Reconoce la necesidad de los instrumentos de observación y medición en el trabajo químico.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 1

31

Cierre Actividad: 7 Actividad experimental en casa: En equipo de máximo seis personas realicen las siguientes actividades experimentales, aplicando el método científico y presenten reporte escrito de sus observaciones. Los datos obtenidos se comentaran en el grupo. Con las medidas de seguridad pertinentes, si gustas comparte esta actividad con tu familia. El docente elegirá a tres equipos para que expliquen sus experimentos, el resto del grupo participará haciendo preguntas y dando apoyo al equipo expositor con las respuestas. Lee las etiquetas de los productos antes de trabajar con ellos. ¿Qué sucede al combinar los siguientes productos? Antes de realizar el experimento, lean las etiquetas de los productos y escriban su hipótesis sobre lo que ocurrirá en las siguientes combinaciones:  Clara de huevo con alcohol y clara de huevo con vinagre. Hipótesis: _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ Observación: _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________

32

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

Actividad: 7 (continuación) El limpiador de hornos, (easy off o grease off, en presentación líquida) con agua. NO CAMBIES EL PRODUCTO RECOMENDADO POR OTRA PRESENTACIÓN U OTRO PRODUCTO. Nota: utiliza recipiente de vidrio delgado. (Ejemplo una copa) Hipótesis: _________________________________________________________________________________________________ 

_________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ Observación: _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________

BLOQUE 1

33

Actividad: 7 (continuación) 

Bicarbonato de sodio con vinagre. Puedes utilizar vaso de plástico transparente. Con cuidado toca las paredes del recipiente, sin tocar el contenido.

Hipótesis: _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________ Observación: _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________

34

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

Actividad: 7 (continuación) ¿Se cumplieron las hipótesis formuladas? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ Conclusiones: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________

Actividad: 7 Conceptual Caracteriza a la Química como una ciencia experimental y reconoce el método científico, en el desarrollo de las actividades experimentales

Evaluación Producto: Reporte oral y escrito del experimento. Saberes Procedimental

Aplica el método científico a las actividades experimentales.

Actitudinal Muestra interés por participar en actividades experimentales. Promueve el trabajo metódico y organizado. Se interesa en demostrar lo aprendido.

C Coevaluación

Puntaje:

MC

NC

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 1

35

Actividad: 8 Con los términos contenidos en la siguiente elipse, escribe un texto donde expliques la relación entre ellos.

Sociedad Energía científico

Materia Química

Experimentación

Productos Método

Calidad de vida

Contaminación

Evaluación Actividad: 8

Producto: Texto.

Conceptual Integra los conceptos relativos a la Química.

Autoevaluación

36

Puntaje:

Saberes Procedimental Expresa por escrito la relación de los conceptos. C

MC

NC

IDENTIFICA A LA QUÍMICA COMO UNA HERRAMIENTA PARA LA VIDA

Actitudinal Se percata de la necesidad de integrar los conocimientos estudiados.

Evita errores en su redacción. Calificación otorgada por el docente

Comprende la interrelación de la materia y la energía.

Unidad de competencia: Establece la relación que existe entre las propiedades de la materia y los cambios que se dan en ella por efectos de la energía. Asimismo, valora los beneficios y riesgos que tiene utilizar la energía en su vida cotidiana y el medio ambiente.

Atributos a desarrollar en el bloque:

3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y Diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 5 horas.

Secuencia didáctica 1. Características y manifestaciones de la materia. Inicio Actividad: 1 A continuación te presentamos conceptos relacionados a la divisibilidad de la materia, ordénalos adecuadamente en la figura, siguiendo el orden propuesto. (De mayor a menor o de lo general a lo particular) Átomo, Partícula elemental, Materia, Sustancia, Cuerpo, Molécula, Divisibilidad de la materia

Cuerpo

____________

____________

_____________

_____________

Partícula elemental

Evaluación Actividad: 1

Producto: Completar diagrama. Saberes Procedimental

Conceptual Identifica los conceptos relacionados con la materia. Autoevaluación

38

Actitudinal

Ordena conceptos relativos a la divisibilidad de la materia. C

MC

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

NC

Puntaje:

Muestra seguridad al ordenar conceptos.

Calificación otorgada por el docente

Desarrollo Concepto de materia. Si se busca su definición, por ejemplo, en el Diccionario de la Real Academia Española, encontraremos: “Realidad primaria de la que están hechas las cosas”, “Realidad espacial y perceptible por los sentidos, que, con la energía, constituye el mundo físico”.

Necesitas leer este texto, para resolver la actividad 2

Gracias a los sentidos; el hombre está en contacto con la materia. Así, a través de la vista captamos sombras y colores; por el olfato, olores; por el gusto, sabores; por el oído, sonidos; y por el tacto, texturas. Cada una de estas cualidades que captamos con los sentidos son manifestaciones de la materia, de tal modo que es materia lo que se puede ver, tocar, oír, oler o saborear. Puedes pensar en toda la materia que te rodea, como plásticos, vidrios, sal, azúcar, metales, madera, gasolina, telas, agua, oxígeno, gas doméstico, etcétera. No obstante, es indudable que hay algunos tipos de materia que no pueden captarse fácilmente por medio de los sentidos, por lo que se ha necesitado de la ayuda de algún artefacto que los haga evidente. En la física clásica, los científicos consideraban a la materia y a la energía como entidades diferentes y relacionadas de manera externa. Actualmente, la física cuántica ha demostrado que es posible transformar la materia en energía y viceversa, lo cual ha en su momento originó una revolución en el pensamiento y en la forma de entender nuestro mundo. La famosa ecuación de Albert Einstein, E=mc2, nos habla de la interconversión de masa y energía asociadas con la velocidad de la luz al cuadrado. La naturaleza existe y se manifiesta de dos maneras; como materia o como energía. Todas las cosas y objetos que se encuentran en nuestro entorno están hechas de materia y cada una es diferente, por lo tanto la pregunta sería: ¿Qué criterios o aspectos emplea la Química para estudiar la materia? Los químicos distinguen varias clases de materia según su composición y propiedades. Algunos ejemplos de acuerdo a la composición son las mezclas, las sustancias puras, los elementos y los compuestos, así como los átomos y las moléculas. Todo el material del que están hechas las cosas se forma de sustancias, que se encuentran generalmente mezcladas entre sí, y en muy pocas ocasiones aparecen en forma pura. La materia se puede caracterizar a partir de sus propiedades y composición. Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la cual las sustancias conservan sus propiedades características. Algunos ejemplos son el aire, las bebidas gaseosas, la leche y el cemento. Las mezclas no tienen una composición constante, por lo tanto, las muestras de aire tomadas de varias ciudades probablemente tendrán una composición distinta debido a sus diferencias en altitud, contaminación, vegetación, etcétera.

BLOQUE 2

39

Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Cuando una cucharada de azúcar se disuelve en agua, obtenemos una mezcla homogénea, es decir, la composición de la mezcla es la misma en toda la disolución. Sin embargo, si se juntan arena y virutas de hierro permanecerán como tales, este tipo de mezcla se conoce como mezcla heterogénea debido a que su composición no es uniforme. Cualquier mezcla, ya sea homogénea o heterogénea, se puede formar y separar en sus componentes puros por medios físicos sin cambiar la identidad de dichos componentes. Así, el azúcar se puede separar de la mezcla de azúcar y agua calentando y evaporando el agua hasta la sequedad. Si se condensa el vapor de agua liberado, es posible obtener el componente agua. Para separar los componentes de la mezcla de hierro y arena, podemos utilizar un imán para recuperar las virutas de hierro, ya que el imán no atrae a la arena. Después de la separación, se recuperan los componentes tal como ingresaron a la mezcla. Una sustancia pura es una forma de materia que tiene una composición constante o definida y con propiedades distintivas. Algunos ejemplos son el agua, el amoniaco, el azúcar, el oro y el oxígeno. Difieren entre sí en su composición y pueden ser identificadas por su apariencia, olor, sabor y otras propiedades manifiestas. Las sustancias puras pueden ser elementos o compuestos. Un elemento es una sustancia que no se puede separar en sustancias más simples por medios químicos ordinarios. La tabla periódica reporta los elementos químicos conocidos. Hasta la fecha se han identificado 118 elementos, los químicos representan a los elementos con símbolos de una o dos letras, la primera letra siempre es una mayúscula la siguiente es siempre minúscula. Por ejemplo, Co es el símbolo del elemento cobalto, en tanto CO es la fórmula de la molécula del compuesto monóxido de carbono. La mayoría de los elementos pueden interactuar con uno o más elementos para formar compuestos. Por ejemplo, el agua se puede formar por combustión del gas hidrógeno en presencia del gas oxígeno. El agua tiene propiedades muy diferentes de aquellas de los elementos que le dieron origen; está formada por dos partes de hidrógeno y una parte de oxígeno. Esta composición no cambia, sin importar si proviene de un grifo de Estados Unidos, de un lago de Mongolia o de las capas de hielo de Marte. En consecuencia el agua es un compuesto, es decir, una sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en proporciones definidas. A diferencia de las mezclas, los compuestos sólo pueden separarse por medios químicos en sus componentes puros.

40

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

Actividad: 2 Resuelve la siguiente batería de reactivos.



Encierra en un círculo las opciones que constituyen un ejemplo de materia. (Pueden ser más de una) a) Oro

 ( a) b) c) (

b) Amor

c) Aire

d) Fuego

e) Gasolina

f) Belleza

g) Manzana h) Espíritu

Lee con atención los siguientes reactivos y anota dentro del paréntesis la letra que da la respuesta correcta. ) Las partículas que forman la materia están: Tan juntas las unas a otras que no dejan espacios vacíos. Forman un todo continuo. Separadas unas de las otras, por lo tanto, forman un todo discontinuo. Tan juntas que es imposible separarlas. ) Cuando un ser vivo se muere...

a) Todas las partículas que forman su materia dejan de moverse. b) Algunas de las partículas quedan en reposo. c) Las partículas que formaban la materia viva continúan en estado de agitación en el cuerpo muerto y en la materia en la que se transformará el cadáver. 

De la siguiente lista de materiales identifica si corresponde a un elemento, compuesto, mezcla homogénea o mezcla heterogénea; si desconoces algún concepto investígalo en un diccionario. Material

Tipo: Elemento/Compuesto/Mezcla

Ensalada de verduras Ácido acetilsalicílico Acetona

Compuesto

Bebida gaseosa Leche Carbono Acido clorhídrico Tableta de aspirina Puré de papas Vidrio Gas para cocinar Perfume Jabón en polvo

BLOQUE 2

41

Actividad: 2 (continuación) Discutan la validez de las siguientes afirmaciones. Anoten las conclusiones. Todo objeto es material. Cuerpos iguales están constituidos por igual clase de materia. Cuerpos diferentes están constituidos por diferente clase de materia.  La misma clase de materia puede constituir objetos iguales o diferentes. ___________________________________________________________________________________________________   

___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Escribe algunas frases que muestren tu comprensión sobre los conceptos (menciona ejemplos): Objeto:_____________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Sustancia:__________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 2

Producto: Batería de reactivos. Saberes Procedimental

Conceptual Comprende la clasificación de la materia. Autoevaluación

42

Aplica la clasificación de la materia a materiales cotidianos. C

MC

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

NC

Puntaje: Actitudinal Se percata de la importancia del conocimiento del lenguaje químico, para el desarrollo del curso.

Calificación otorgada por el docente

Propiedades de la materia Generales

Especificas Físicas

Químicas Extensiva Intensiva

Propiedades de la materia. La materia está formada por sustancias, cada una de las cuales tiene sus características propias que le dan su identidad y que las hacen diferentes una de otras. Toda sustancia presenta un conjunto de características que nos permiten reconocerla y distinguirla de las demás sustancias. Estas características reciben el nombre de propiedades y pueden clasificarse en propiedades físicas y propiedades químicas, intensivas o extensivas. La observación (determinación) de las propiedades permite distinguir los tipos de materia. Hay diferentes instrumentos que nos permiten medir las propiedades de una sustancia: con la cinta métrica se miden longitudes, en tanto que con la bureta, la pipeta, la probeta y el matraz volumétrico se miden volúmenes; con la balanza se mide la masa, y con el termómetro, la temperatura. Estos instrumentos permiten hacer mediciones de propiedades macroscópicas, es decir, que pueden ser determinadas directamente. Las propiedades microscópicas, a escala atómica o molecular, deben ser determinadas por un método indirecto, la mayoría de las propiedades se determinan indirectamente.

Cuerpos iguales pueden estar formados por sustancias distintas.

Las propiedades pueden emplearse para identificar una sustancia pura, para separar una sustancia de otras cuando se encuentra en una mezcla y determinar la cantidad de una de las sustancias en la mezcla. Las propiedades extensivas son aquellas características de la materia que dependen de la cantidad de masa que el cuerpo posee, los valores de una misma propiedad extensiva se pueden sumar. El espacio que ocupan dos bebidas de 600 ml será la suma de esta propiedad llamada volumen; algunos ejemplos son los siguientes: Masa: cantidad de materia contenida en los objetos. Inercia: propiedad de los cuerpos de mantener su estado de reposo o de movimiento hasta que una fuerza externa los obligue a cambiar. Peso: fuerza que ejerza la gravedad sobre el objeto. Impenetrabilidad: resistencia que opone un objeto a que otro ocupe simultáneamente su lugar, es decir, dos cuerpos no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo.

¿Cómo lo explicas? Una sonda espacial que en la Tierra tiene un peso de 800 kilos al estar en Marte su peso es de 303.2 kg y si se ubica en Júpiter su peso será 2026.4 kg.

Volumen o extensión: espacio que ocupa un objeto.

BLOQUE 2

43

Por su parte, el valor de las propiedades intensivas o específicas no dependen de la cantidad de masa que posee un objeto, sino que corresponden a una sustancia determinada y sirven para identificarla y distinguirla de las demás, por ejemplo, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, solubilidad, etc. La temperatura es también una propiedad intensiva. Supóngase que se tienen dos recipientes de agua a la misma temperatura; si se mezclan en un recipiente grande la temperatura de esta mayor cantidad de agua será la misma que la del agua de los recipientes separados. A diferencia de la masa, la longitud y el volumen, la temperatura y otras propiedades intensivas no se suman. Las propiedades físicas son aquellas que se manifiestan cuando no hay transformación en la estructura interna de la materia. Es decir, tienen que ver con el aspecto de las sustancias y con su comportamiento físico, una propiedad física se puede medir, observar y manifestar sin que cambie la composición o identidad de la sustancia. Dentro de las propiedades físicas se incluyen las organolépticas, que son las propiedades que se distinguen con los órganos de los sentidos, como son: olor, color, sabor, textura, brillo. Otras propiedades físicas de un cuerpo son: densidad, punto de fusión, temperatura de ebullición, masa, solubilidad, conductividad, etcétera. , otras se manifiestan en los cambios físicos, como son: ebullición, condensación, fundición, solidificación, cristalización, sublimación, etc.

Elasticidad muscular

Nuevos materiales. Nanotubos Semiconductores Biocompatibles Cristal líquido Superconductores Plasma Nanoesferas Supersólidos

Las propiedades químicas, en cambio, describen la capacidad que tiene una sustancia para transformarse, es decir, para formar otras mediante reacciones químicas, por ello sólo puede determinase alterando su estructura interna; en la mayoría de los casos, requiere de una segunda sustancia para que se lleve a cabo. En otras palabras, las propiedades químicas no pueden ser determinadas simplemente por ver o tocar la sustancia, la estructura interna debe ser afectada para que sus propiedades químicas sean manifiestas. Algunos cambios causados por la observación de las propiedades químicas no son tan radicales ni tan irreversibles como los provocados por la combustión. Por ejemplo, la hidratación es la reacción que ocurre cuando se determina, en una sustancia, la propiedad de incorporar moléculas de agua a su estructura para formar otra sustancia. Este proceso algunas veces puede revertirse: se restablece la sustancia original y se recuperan las moléculas de agua. Las propiedades químicas pueden ser usadas para crear clasificaciones de los químicos. Algunos ejemplos de estas propiedades son: electronegatividad, potencial de ionización, pH, reactividad, calor de combustión, entalpía de formación, inflamabilidad, estado de oxidación, reducción y oxidación.

Aerogel

44

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

Clasificación de algunas propiedades del Hidróxido de Sodio. Propiedad de la muestra de NaOH

Física o Química

Extensiva o Intensiva

Es sólida

Física

Intensiva

Es blanca

Física

Intensiva

Inolora

Física

Intensiva

Soluble en agua y en alcohol

Física

Intensiva

Se disuelve, con desprendimiento de calor en el HCl diluido

Química

Intensiva

La densidad es 2.13 gr/ml

Física

Intensiva

Su punto de fusión es 323°C

Física

Intensiva

No es combustible

Química

Intensiva

Hidróxido de sodio (escamas)

Lee con atención el siguiente texto: El benzoato de sodio polvo blanco, inodoro, cristalino o granular; con sabor astringente; soluble en agua y en alcohol. Se obtiene al neutralizar ácido benzóico con solución de bicarbonato sódico, la solución se filtra, se concentra y se deja cristalizar. También es combustible, poco tóxico. Punto de fusión: por encima de 300°C. Densidad relativa 1,44 gr/ml. Su uso en alimentos está limitado al 0.1 %. Su almacenamiento se debe hacer en lugares frescos lejos de fuentes de calor o chispas. Comercialmente algunos de sus usos son: conservación de alimentos, antiséptico, medicina, preparaciones farmacéuticas, intermedio para la fabricación de colorantes, inhibidor de la herrumbre y el moho.

Actividad: 3 Con base en la información leída, identifica las propiedades y completa la siguiente tabla; anotando las propiedades del benzoato de sodio mencionadas en el texto:

Propiedades Combustible

Benzoato de sodio Física o Química Química

Extensiva o Intensiva Intensiva

BLOQUE 2

45

Actividad: 3 (continuación) 

Anota en el cuadro una E si la propiedad es extensiva y una I si la propiedad es intensiva.

Porosidad Volumen Temperatura de fusión Longitud Energía cinética 

□ □ □ □ □

Punto de ebullición Densidad Energía potencial Sabor Combustibilidad

Observa atentamente los objetos/cuerpos que se encuentran en tu salón de clase/escuela/casa y anota cinco de ellos en la tabla, señala con una X las características que presenta cada uno. Una vez que hayas realizado lo anterior, tacha con marcatexto o colorea las características o propiedades comunes a todos los cuerpos/objetos.

Característica/propiedad

Cloralex

Ocupan un lugar en el espacio Son rugosos Son tóxicos Presentan brillo Emiten luz Color Solubles en agua Son inflamables Tienen masa Son resistentes (dureza)

46

□ □ □ □ □

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

Pintarrón

Objetos Corteza de un árbol

Lámpara

Gasolina

Evaluación Actividad: 3

Producto: Tabla.

Conceptual Reconoce las propiedades de la materia. Autoevaluación

Puntaje:

Saberes Procedimental

Actitudinal

Distingue las propiedades de la materia en objetos cotidianos. C

MC

NC

Se interesa por atender lo referente a las propiedades de los materiales.

Calificación otorgada por el docente

¿En cuántos estados se presenta la materia?

¿Cuáles son?

Estados de Agregación de la Materia. No obstante que a nuestros sentidos la materia se presenta como continua, en realidad es discontinua; es decir, está compuesta por pequeñísimas partículas. Cuando se habla de estados de agregación, nos referimos a la manera en que las partículas que constituyen a la materia se unen o se agregan unas a otras, así es como se forman los objetos que nos rodean. La unión entre las partículas se presenta de muy diversas maneras, ya que pueden estar: Muy unidas. A distancia media. Muy separadas unas de otras. Si observas a tu alrededor te darás cuenta de que existe materia en tres estados básicos, uno que es el estado sólido como el cuaderno donde escribes, el lápiz o pluma con qué lo haces, el estado líquido como el agua que bebes; y el estado gaseoso como el aire o el oxígeno que necesitas respirar. Cristal de cloruro de sodio.

BLOQUE 2

47

A fines del siglo XIX que se propuso la teoría cinético - molecular, la cual establece que la energía y el movimiento están relacionados con el comportamiento de las moléculas y explica las propiedades de los estados de la materia. Los postulados de la teoría cinética molecular son:   

La materia está constituida por pequeñas partículas. Las partículas se encuentran en constante movimiento el cual depende de la energía cinética y determina la temperatura del cuerpo. Las partículas interactúan ente sí, interviniendo fuerzas de atracción (cohesión) y separación (repulsión) entre ellas.

Cada uno de los estados de agregación de la materia, presenta características muy particulares que permiten diferenciar a uno de los otros, estas mismas características pueden servir para definirlos: Sólido: Es un estado en el cual la materia presenta forma y volumen definido y no se puede comprimir. Las partículas se encuentran en un ordenamiento cristalino y geométrico; cada una de ellas vibra en su lugar y las fuerzas de atracción son fuertes. Líquido: En este estado la materia adopta la forma del recipiente que la contiene y al igual que los sólidos no se puede comprimir, además de presentar volumen definido. Las partículas se encuentran relativamente separadas, pero conservan cierta cohesión o interacción. Gaseoso: En este estado la materia no tiene forma ni volumen definido ya que adopta la forma y el volumen del recipiente que la contiene, además de que en este estado la materia se puede comprimir. Presenta gran separación entre sus partículas, cada una de ellas se mueve a grandes velocidades y choca con las demás, de tal manera que no se pierde ni se gana energía (a esto se le conoce como choques perfectamente elásticos). Las fuerzas de atracción entre sus moléculas son prácticamente nulas. Plasma: Estado de la materia, generalmente gaseoso, en el que algunos o todos los átomos o moléculas están separadas en forma de iones. Este estado de la materia no se presenta bajo condiciones normales de presión y temperatura, se forma a temperatura muy elevada, cuando la materia absorbe energía y se separa formando iones positivos y electrones, o en algunas ocasiones núcleos atómicos y electrones libres; por lo que es un excelente conductor. Es la forma más común de la materia en el Universo, pero la menos común en la Tierra. En la Tierra, los plasmas naturales los encontramos en rayos durante una tormenta y en las capas superiores de la atmósfera, donde se produce el fenómeno denominado aurora. Los plasmas pueden crearse aplicando un campo eléctrico a un gas a baja presión, como en los tubos fluorescentes o de neón (lámparas). Estos plasmas producidos artificialmente, aún cuando se les llame así no tienen las características del plasma que se encuentra en el universo, pero sí son conductores; por ejemplo, el que encontramos en las pantallas planas de televisión (tv plasma).

48

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

Actividad: 4 

Anota en los renglones: si el objeto que se presenta corresponde a una mezcla o a una sustancia pura (elemento o compuesto) y en qué estado de agregación molecular se encuentra.

Objetos y sustancias

Elemento/Compuesto/mezcla

Estado de agregación

El CO2 que exhalamos Ensalada de frutas El nitrógeno atmosférico Una tableta de aspirina Cappuccino frappé Un anillo de graduación La materia del Sol Talco 

Una vez revisado el tema “estados de agregación”, resuelve lo siguiente:

Representa con un dibujo sobre cómo están organizadas las moléculas en: a) Un refresco formado por agua, azúcar y dióxido de carbono. b) El aire que existe en una habitación. c) En un terrón de azúcar Refresco

Aire

Azúcar

Evaluación Actividad: 4 Conceptual Caracteriza los estados de agregación de la materia. Autoevaluación

Producto: a) Dibujo, b) Tabla. Saberes Procedimental Representa gráficamente la organización de las partículas, de productos de uso cotidiano.

Puntaje: Actitudinal Se da cuenta del grado de comprensión, que al momento tiene sobre el tema.

Indica el estado de agregación de objetos o sustancias cotidianas. C MC NC Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 2

49

Cambios de estado. Al observar la naturaleza, es evidente que no todas las sustancias se presentan en el mismo estado de agregación: se pueden ver algunas en estado sólido, otras en estado líquido y otras en estado gaseoso. Algunas llegan a cambiar ante nuestros ojos de manera espontánea, como el agua que se evapora para formar nubes y, después de algunos cambios significativos en su temperatura, se condensa y regresa a su estado líquido. Si las condiciones climáticas lo permiten, se efectuará el cambio de líquido a sólido, en forma de hielo. La materia cambia de un estado a otro por efecto de la temperatura y presión. El aumento en la temperatura puede provocar que las moléculas se muevan con mayor velocidad, esto hace que se separen y cambien posiblemente a un estado líquido o gaseoso, el aumento en la presión produce el efecto contrario y provoca que se acerquen más las moléculas. El siguiente esquema presenta sintéticamente los cambios de estado.

ió n

Cambios de estado de la materia

ió n ac de ns Co n

Ev ap

or

ac

Su b

De po

lim ac

ió

s ic

ió

n

n

Gas

Solidificación

Fusión

Líquido

Sólido

Sitio Web recomendado:

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/ materiales/estados/cambios.htm

50

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

¿Qué se necesita para que la materia cambie de un estado de agregación a otro?

Actividad: 5 Identifica el cambio de estado de agregación de cada ejemplo y su causa. Registra tu respuesta en la siguiente tabla escribiendo el cambio de estado que se lleva a cabo y el factor que origina dicho cambio en los siguientes ejemplos:

Ejemplos

Cambio de estado

Factor que lo origina

El desgaste de una pastilla desodorante para sanitario. La cera de una vela que se enfría El espejo se empaña si respiramos sobre él La formación de escarcha Al sacar una botella del congelador esta se cubre de agua La ropa mojada se seca al sol La vaporización de cristales de iodo La formación de rocío durante la noche Anota cinco o más ejemplos:

Evaluación Actividad: 5

Producto: Tabla de datos.

Conceptual Reconoce los cambios de estado de la materia. Autoevaluación

Puntaje:

Saberes Procedimental

Actitudinal

Ejemplifica los cambios de estado, aplicados a las transformaciones ocurridas en su entorno. C

MC

NC

Practica la observación, en forma metódica.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 2

51

Cambios de la materia. La naturaleza nos proporciona día a día múltiples ejemplos de cambio; la descomposición de un alimento, la maduración de los frutos, el marchitamiento de las flores, la combustión de la madera, la fusión del hielo, la oxidación de los metales, el cambio de color de las hojas, etc. son cambios de la materia que nos demuestran que ésta se transforma continuamente. Siempre que una sustancia cambia, alguna forma de energía interviene; un cambio es una conversión de la materia, de una a otra forma distinta, debido a su interacción con la energía. A los cambios que se presentan en la materia también se les conoce como fenómenos y pueden ser de tres tipos: físicos, químicos y nucleares. Físicos. Se presentan cuando la materia cambia de forma, tamaño, estado de agregación etc. ejemplo: evaporación del agua, fusión del hielo, estiramiento de una liga, lijado de la madera, trituración de una piedra, es decir, todos aquellos cambios que no alteran la estructura interna de la materia y por lo tanto no se forman nuevas sustancias. Estas modificaciones o fenómenos físicos desaparecen al cesar la causa que los origina y en su mayoría son reversibles. Químicos. Se presentan cuando se forma una nueva sustancia con propiedades distintas por ejemplo: descomposición de la carne, maduración de los frutos, combustión de la madera; es decir aquellos cambios que alteran la estructura de la materia. Durante una reacción química se alteran la estructura y composición de la materia; a partir de sustancias iniciales se obtienen otras distintas. Generalmente se dice que son cambios irreversibles, pero en algunos casos se puede volver a las sustancias iniciales, es decir, es reversible. Nucleares. Se presentan cuando se modifica la constitución del núcleo atómico. Al proceso en el que cambió el núcleo se le llama reacción nuclear; el calor que producen es un millón de veces mayor que el de una reacción química. Estos cambios no son fácilmente observables y se presentan cuando en el sol, el hidrógeno se transforma en helio, en las plantas nucleares y en los elementos radiactivos, a través de procesos conocidos como fisión nuclear (división de núcleos) o fusión nuclear (unión de núcleos).

52

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

Cierre Actividad: 6 Escribe en el paréntesis la(s) letra(s) que correspondan de acuerdo a la clave mostrada a continuación, puedes emplear más de una respuesta para cada ejemplo.

Opciones: E C MH MHT CE L

Elemento Compuesto Mezcla homogénea Mezcla heterogénea Cambio de estado Líquido

PF PQ CF CQ S G CN

Propiedad física Propiedad química Cambio físico Cambio químico Sólido Gaseoso Cambio nuclear

Ejemplos: (

) Ensalada de frutas

(

) Cloruro de sodio

(

) Grafito es de color gris

(

) Reacción entre el H y el O

(

) Fotosíntesis

(

) Preparación de un pastel

(

) Explosión de una bomba atómica

(

) Coloración de una tela

(

) Oxidación de un metal

(

) Mercurio de un termómetro

(

) Elaboración de un yogurt

(

) Petróleo

(

) Densidad del agua

(

) Bronce

(

) Alambre de cobre

(

) Shampoo

(

) Una limonada

(

) Encender el motor de un auto

(

) Leche

(

) Transformación de H en He en el Sol

BLOQUE 2

53

Actividad: 6 (continuación) 

A continuación se presenta el análisis de agua de un manglar.

Análisis químico Agua de El Manglar Materiales presentes en un litro de agua: Salinidad: 28 gramos de sales disueltas en un litro de agua. Se detectaron: cloruro de sodio, cloruro de potasio y cloruro de magnesio, carbonato de calcio y sulfato de sodio. Gases disueltos: oxígeno y dióxido de carbono Residuos: mercurio y plomo.

Clasifica los diferentes materiales encontrados en elementos, compuestos y mezclas.

Evaluación Actividad: 6

Producto: Reactivos.

Conceptual

Reconoce las propiedades y cambios de la materia.

Autoevaluación

54

Puntaje:

Saberes Procedimental Distingue las propiedades y cambios de las sustancias, en materiales cotidianos. C

MC

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

NC

Actitudinal Se interesa por las manifestaciones y característica de los objetos y sustancias de su entorno. Asume el uso adecuado de los términos estudiados. Calificación otorgada por el docente

Secuencia didáctica 2. Características y manifestaciones de la energía. Inicio



Actividad: 1 Con base en lo ocurrido en la combinación de limpiador de horno con agua, explica la relación entre materia y energía. (Esta actividad se realizó en el bloque 1). ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Actividad: 1 Conceptual Relaciona a la energía involucrada en los cambios de las sustancias.

Autoevaluación

Evaluación Producto: Pregunta de respuesta estructurada. Saberes Procedimental

Puntaje: Actitudinal

Explica la relación de materia y energía en los cambios, en sustancias conocidas.

Se percata de la relación de los temas estudiados.

Practica la integración de los conceptos. C

MC

NC

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 2

55

¿Cuál es la opción más eficiente para producir energía?

¿Por qué se habla tan recurrentemente de utilizar energías limpias?

¿Es posible utilizar al viento para producir energía eléctrica?

Desarrollo Para contestar estas preguntas definiremos primeramente a la energía como: Todo aquello que tiene capacidad para realizar un trabajo. Otra de las definiciones sobre energía señala que es la propiedad por la cual todo cuerpo o sistema material puede transformarse, modificando su estado o posición, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación. La energía existe en varias formas, pero todas ellas pueden clasificarse en dos tipos: potencial y cinética. La energía potencial es la que tienen los objetos debido a su posición. Pertenecen a esta categoría la energía química y la nuclear. Otros ejemplos de energía potencial son: la que tiene el agua almacenada en una presa y la de un resorte comprimido o estirado. La energía cinética es la que tienen los cuerpos debido al movimiento. Pertenecen a esta categoría: la energía eléctrica (movimiento de electrones), la energía calorífica (movimiento de moléculas), la energía luminosa (movimiento de ondas electromagnéticas) y la energía mecánica (movimiento de las piezas de una máquina). En todos los cambios que tiene la materia se libera o se absorbe energía. Generalmente, los cambios físicos involucran cantidades de energía más pequeños, en tanto que en algunos cambios químicos fluyen grandes cantidades de energía. Así como la materia sufre cambios continuos, la energía en la naturaleza también se transforma de una forma a otra, como lo muestra el siguiente esquema.

56

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

Antes de 1905 se pensaba que la materia y la energía eran dos cosas totalmente distintas. Albert Einstein estableció, mediante su muy conocida ecuación E=mc2, que la materia y la energía son dos cosas que se pueden transformar una en la otra, es decir, que la energía se transforma en materia y viceversa, uniendo de esta manera las dos leyes existentes, una sobre la conservación de la materia y la otra que habla acerca de la conservación de la energía, en una sola ley cuyo enunciado establece que:

La materia y la energía no se crean ni se destruyen y pueden transformarse una en la otra, de tal forma que la cantidad de energía y materia existentes en el universo, en la actualidad es la misma que existía al inicio de éste.

En la actualidad demostrar esta ley resulta difícil, ya que se requieren aparatos de medición muy precisos y que puedan detectar estas transformaciones de materia en energía y de energía en materia. En la actualidad la materia se transforma la energía en los cambios nucleares.

BLOQUE 2

57

Actividad: 2 

Contesta al final del enunciado, si se refiere a la energía potencial o cinética.

La energía de una cucharada de miel: __________________________ La energía de un balón en movimiento: _________________________ Una resortera lista para disparar: ______________________________ El viento de un tornado: ______________________________________ Una pila de celular: __________________________________________ 

Después de discutir en equipo, indiquen las transformaciones que sufre la energía en cada uno de los siguientes casos

Ejemplo: Al encender una lámpara de baterías: Química, eléctrica, lumínica y calorífica De la energía hidráulica de una presa hasta la energía luminosa en una lámpara. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________ De la energía solar hasta la energía consumida por una persona al caminar. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________ De la energía química del petróleo hasta energía cinética de un auto en movimiento. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________ De la energía química del gas natural en una termoeléctrica hasta la energía calorífica de los alimentos calentados en un microondas. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

58

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

Evaluación Actividad: 2

Producto: Cuestionario.

Conceptual Reconoce los tipos de energía.

Puntaje:

Saberes Procedimental

Actitudinal

Distingue los tipos y transformaciones de la energía en procesos cotidianos.

Coevaluación

C

MC

NC

Este atento a la presencia de diversos tipos de energía en el entorno, sus características e interrelación.

Calificación otorgada por el docente

Beneficios y riesgos en su consumo La primera forma de energía que utilizó el hombre, aparte de la de su propio cuerpo, fue el calor del sol en forma directa para secar prendas de vestir para calentarse en las épocas de frío y desecar alimentos para su mayor conservación. Otra forma de energía que el hombre ha utilizado desde tiempos inmemorables fue el fuego, para darse calor, cocinar alimentos, pulir las puntas de sus lanzas. Posteriormente utilizó la energía del viento y las corrientes para mover barcos. Actualmente la energía que mueve al mundo principalmente son los combustibles fósiles, tales como el petróleo, carbón mineral o hulla y el gas natural, los cuales se prevé se extinguirán en los próximos años. El hombre ha tenido que pagar un alto costo por el consumo de combustibles fósiles, ya que la combustión de éstos libera gases contaminantes como el dióxido de carbono, el cual participa activamente en el calentamiento global del planeta (efecto invernadero) y óxido de nitrógeno y azufre los cuales son causantes de la lluvia ácida, del smog, etc. Otra fuente de energía que se utiliza actualmente es la energía por fisión nuclear, la cual a pesar de haber participado en accidentes de plantas termonucleares causando contaminación radioactiva, se sigue considerando como una alternativa para el futuro.

Energías limpias o no contaminantes. Ante la inminente desaparición de los combustibles fósiles, los graves problemas de contaminación y deterioro ambiental ocasionado por el uso de estos energéticos, y la cada vez mayor demanda de energía de nuestra época y del futuro, el hombre se ha visto en la necesidad de buscar y desarrollar nuevas formas o fuentes de energía, que le permitan obtener la energía eléctrica suficiente para las necesidades del hogar y de la industria sin afectar los ecosistemas. Entre las fuentes de energía que se encuentran alternando con los combustibles fósiles, están la energía solar, energía hidráulica, energía nuclear, las cuales presentan ventajas y desventajas. También se están desarrollando tecnologías para utilizar como combustibles del futuro al hidrógeno y al metano obtenido de la biomasa y al alcohol obtenido por fermentación; pronto, en nuestro medio, se estarán usando biocombustibles. Asimismo, se desarrolla la tecnología para que los automóviles utilicen la energía solar y la energía química de celdas o baterías.





BLOQUE 2

59

Cierre Actividad: 3 Después de investigar en diversas fuentes de información, selecciona la información más adecuada y lee sobre las diferentes fuentes de energía. Trabajando en equipo determinen las ventajas y desventajas en la aplicación de cada una de ellas y completen la siguiente tabla. Fuente energética

Origen

Ventajas

Combustibles fósiles

Energía solar

Energía eólica

Biomasa

Energía mareomotriz

Energía nuclear

Geotérmica

Hidrógeno

Biocombustibles

60

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

Desventajas

Evaluación Actividad: 3

Producto: Reporte escrito de investigación. Saberes Procedimental

Conceptual Distingue entre las fuentes de energías limpias y las contaminantes. Autoevaluación

Puntaje: Actitudinal

Reporta por escrito las fuentes, ventajas y desventajas del uso de los diferentes tipos de energías. C

MC

NC

Valora los beneficios y riesgos en el consumo de la energía.

Calificación otorgada por el docente

Actividad: 4 Lee atentamente los siguientes casos y escribe tu reflexión, indicando cuál de ellos considera una actitud positiva o negativa. Argumenta tu respuesta.

    

Una familia formada por mamá, papá y un hijo de 4 años, utiliza una Hummer para su transporte en la ciudad. En la compra de dos manzanas y tres peras, éstas son empacadas en bolsas de plástico por separado. En un kínder se trabajan todos los ejercicios de pintado en hojas de segundo uso. Las lámparas de jardín de la casa de tus abuelos permanecen encendidas toda la noche. En tu cuarto tienes adornos luminosos que constantemente están encendidos.

___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

BLOQUE 2

61

Actividad: 4 (continuación) ______________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 4

Producto: Texto.

Conceptual Contrasta los diferentes comportamientos ante el uso de la materia y la energía. Autoevaluación

62

Puntaje:

Saberes Procedimental

Actitudinal

Argumenta la importancia que tienen las energías limpias en el cuidado del ambiente. C

MC

COMPRENDE LA INTERRELACIÓN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA.

NC

Promueve el uso responsable de la materia y energía.

Calificación otorgada por el docente

Explica el modelo atómico actual y sus aplicaciones

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

Atributos a desarrollar en el bloque:

3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y Diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 10 horas.

Secuencia didáctica 1. Aportaciones históricas que contribuyeron al establecimiento del modelo atómico actual. Inicio



La conservación de la materia y el reciclaje. ¿Te has preguntado alguna vez qué les pasa a los átomos de todas las cosas que desechas? ¿A dónde van los átomos cuando se incineran los desperdicios o se entierran en los campos? Como acabas de aprender, los átomos no se crean ni se destruyen en los procesos químicos cotidianos. De modo que, en cierta forma, no puedes deshacerte “del todo” de ninguna cosa. Cuando los desperdicios se queman o se entierran en los campos, los átomos del desperdicio se pueden combinar con oxígeno u otras sustancias para formar compuestos nuevos, pero no desaparecen, lo que sucede con ellos es que se transforman. En los procesos naturales los átomos no se destruyen, sino que se reciclan. Por ejemplo, el nitrógeno elemental de la atmósfera se convierte en compuestos que se usan en la tierra y luego regresan a la atmósfera. En años recientes, pequeñas poblaciones, grandes ciudades y estados enteros han descubierto los beneficios de reciclar el papel, el plástico, el aluminio y el vidrio. Las etiquetas de muchos empaques en los supermercados, cajas de cartón, tarjetas de felicitación y otros productos de papel dicen: “Hecho con papel reciclado”. El desperdicio de aluminio se recicla fácilmente y se convierte en nuevas latas de aluminio o en otros productos. ¿Has observado cómo brilla el nuevo pavimento de las carreteras? El brillo es el resultado de la adición de vidrio reciclado al material de pavimentación. Incluso se pueden incorporar llantas completas al asfalto para pavimentar. Al reutilizar los átomos en la manufactura de materiales, imitamos a la naturaleza y conservamos las fuentes naturales. Adaptado de: Mi contacto con la química, Smooth. Mc Graw Hill.

64 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

Actividad: 1 Utiliza el texto anterior de “La conservación de la materia y el reciclaje”, para contestar las siguientes preguntas: ¿Qué forma utiliza la naturaleza para deshacerse de los desperdicios? Señala la respuesta correcta. a) Reciclar e incinerar b) Transformar y enterrar c) Incinerar y enterrar d) Reciclar y transformar ¿Cuáles serán los beneficios de reciclar, a los que hace referencia el texto? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ “En los procesos naturales los átomos no se destruyen, sino que se reciclan. Por ejemplo, el nitrógeno elemental de la atmósfera se convierte en compuestos que se usan en la tierra y luego regresan a la atmósfera.” Estos enunciados del texto describen un proceso de reciclado natural. Explica otro ejemplo en las siguientes líneas. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 1

Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Conceptual Identifica a los átomos como la partícula básica de la materia. Autoevaluación

Puntaje: Actitudinal

Obtiene respuestas a partir de la lectura de comprensión. C

MC

NC

Practica con interés la lectura.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 3

65

Desarrollo La mayoría de los estudiantes de bachiller que comienzan un curso de química ya creen en los átomos. Sin embargo, dudan cuando se les pide explicar esa creencia. De acuerdo a la percepción sensorial los átomos no existen. El aire se siente como un fluido continuo, no se siente como choques de partículas individuales de aire. Como los sentidos hacen creer que la materia es continua, no debe de sorprender que el debate de la existencia de los átomos se remonte hasta los antiguos griegos y que continuara hasta muy avanzado el siglo XX. Sólo hasta hace pocos años se ha podido disponer de pruebas directas de la existencia de los átomos. Esto ha sido posible mediante el microscopio de barrido por tunelaje o de barrido y filtración cuántica, desarrollado en la década de 1980. Éste instrumento ha permitido, finalmente la observación y hasta la manipulación de átomos individuales. Este microscopio es la base de una variedad de nuevos microscopios como el de fuerza piezoeléctrica atómica.

El Microscopio de barrido por tunelaje (STM por sus siglas en inglés) fue desarrollado en 1981 por Gerd Benning y Heinrich Rohrer en los laboratorios de IBM de Zurich, Suiza. Ello les valió el Premio Nobel de Física, en 1996. Revista Digital Universitaria10 de julio de 2005 Vol.6, No.7 ISSN: 1607 6079Publicación mensual

¿Por qué es útil conocer la estructura del átomo? Simplemente porque las propiedades de las sustancias están determinadas por el arreglo de los átomos y, entendiendo su estructura, se puede conocer cómo se combinan en las reacciones químicas.

Emprendamos el estudio del átomo haciendo un viaje a través del tiempo, remontándonos a aquellas teorías y experimentos que le dieron forma. A la civilización griega se le debe el concepto filosófico de átomo. Hace más de 2000 años el filósofo griego Demócrito, al observar la división de la materia y pensando en que no era posible una infinita división, afirmó que al dividir la materia tendría que llegar a una última partícula, la cual ya no se podría dividir, a ésta le llamo átomo, palabra que significa indivisible. Los filósofos griegos Son los creadores de la teoría atomística de la materia; según esta:   

Demócrito

Los cuerpos se componen de materia (lleno) y de vació (poros) La materia o lo que conforma el lleno la constituyen partículas diminutas indivisibles llamadas por lo mismo átomos, las cuales son homogéneas. Los átomos son incorruptibles, es decir, eternos, impenetrables y existe en número infinito.

Las ideas de Demócrito, sin estar olvidadas completamente, cayeron en desuso durante más de dos mil años, ya que Aristóteles, filósofo más reconocido, defendía el pensamiento de que la materia es continua en lugar de pensar en que era discontinua. Mientras tanto, se desarrollaron los principios de la química, se descubrieron nuevos elementos y se descubrieron las leyes que gobiernan las transformaciones químicas, las leyes ponderales. El estudio de las cantidades en las que diferentes sustancias participan en una reacción química fue objeto de la atención de los primeros químicos Lavoisier, Proust(1754-1826), Dalton (1766-1844) y Richter (1824-1898) enunciaron diferentes leyes que en conjunto se conocen como leyes ponderales, que hacen referencia a las proporciones en masa, características de las combinaciones químicas. Estas leyes fueron enunciadas en su mayoría, antes de que se conociera un modelo atómico sobre la constitución de la materia.

Joseph Louis Proust

Antoine Laurent Lavoisier

66 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

Ley de la conservación de la masa o principio de Lavoisier. (1789). En toda reacción química considerada como sistema cerrado, la cantidad de sustancia que entra como reactivo es igual a la cantidad de sustancia que sale como producto. Ley de Richter o de las proporciones recíprocas. (1792). Las masas de los elementos diferentes que se combinan con una misma cantidad de un tercer elemento, guardan la misma relación que las masas de aquéllos elementos cuando se combinan entre sí. Ley de Proust o de las proporciones definidas o constantes. (1801). Cuando dos o más elementos se combinan para formar un compuesto lo hacen en una relación ponderal (o de masas) fija y definida. Cuando dos elementos se unen para formar más de un compuesto, la cantidad de un mismo elemento que se combina con una cantidad fija del otro guarda una relación que corresponde a números enteros sencillos. Ley de proporciones múltiples de Dalton. (1803). Las cantidades de un mismo elemento que se unen con una cantidad fija de otro elemento para formar en cada caso un compuesto distinto están en la relación de números enteros sencillos.

Leyes ponderales y la teoría atómica de Dalton. En los 1803-1808, John Dalton retoma lo antes dicho por Demócrito y propuso su teoría atómica para explicar estas leyes. Las ideas básicas de su teoría pueden resumirse en los siguientes puntos: La materia está formada de unas partículas indivisibles e inalterables, que se denominan átomos. (actualmente, se sabe que los átomos sí pueden dividirse y alterarse) Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí (presentan igual masa e iguales propiedades). En la actualidad, se cuenta con el concepto de isótopos: que se refiere John Dalton a los átomos de un mismo elemento, que tienen distinta masa, y ésa es justamente la característica que los diferencia entre sí. Los átomos de distintos elementos tienen distinta masa y distintas propiedades. Los compuestos se forman cuando los átomos se unen entre sí, en una relación constante y sencilla. Al suponer que la relación numérica entre los átomos era la más sencilla posible, Dalton asigno al agua la fórmula HO, al amoniaco la fórmula NH, etc. Los átomos no se pueden dividir, no existe una fracción de átomo. El arreglo o acomodo de los átomos en los elementos o compuestos es definido y cuando ocurre un cambio químico ese arreglo se hace de manera diferente. La imagen del átomo expuesta por Dalton en su teoría atómica para explicar estas leyes es la de minúsculas partículas esféricas, indivisibles e inmutables, iguales entre sí en cada elemento químico. En los últimos años del siglos XIX, los trabajos científicos relacionados con descargas eléctricas en gases contenidos en tubos de vidrio al vacío hicieron concluir que el átomo indivisible propuesto por Dalton estaba en realidad constituido por partículas subatómicas. Gracias al extenso desarrollo de la física de partículas subatómicas durante el siglo XX, en la actualidad, se conoce una diversidad de partículas que componen el átomo, de las cuales en este curso se abordarán: electrón, protón y neutrón. La electricidad desempeñó un papel importantísimo en la comprensión de la estructura del átomo. Alessandro Volta (1745-1827), físico italiano conocido por sus trabajos sobre la electricidad, inventó en 1800 lo que conocemos hoy como pila voltaica, dispositivo que producía un flujo estable de energía. Otros investigadores utilizaron este dispositivo en sus experimentos y lograron determinar el carácter eléctrico de la materia y, por consecuencia, del átomo. Pero no fue sino hasta pasado un tiempo que se pudo establecer con mayor precisión cuáles partículas intervenían en tales propiedades.

Símbolos y combinaciones de los átomos de John Dalton

BLOQUE 3

67

Después de John Dalton y principalmente a fines del siglo XIX, se realizaron descubrimientos muy importantes: Rayos catódicos. En 1875, Sir William Crookes, inventó el tubo de Crookes donde se visualizan los rayos catódicos, estos rayos salen del cátodo(-) y se dirigen al ánodo (+).

Sir William Crookes

Rayos X. En 1895, Wilhelm Conrad Röentgen, descubrió unas radiaciones electromagnéticas que se producían cuando los rayos catódicos chocaban con un metal. La longitud de onda de estas radiaciones es mil veces más pequeña que la luz visible, pueden atravesar sustancias y no son desviadas a campos eléctricos o magnéticos. Röetgen llamó a estas radiaciones rayos X. Radiactividad. En el año de 1896, el físico francés Henri Becquerel al observar que una placa fotográfica cubierta con una envoltura opaca se ennegrecía al colocar cerca de ella un material llamado “pechblenda” (un compuesto de uranio), descubre la radiactividad. Radiactividad es el nombre de la propiedad que tienen ciertas sustancias de emitir rayos alfa, rayos beta y rayos gamma. Rayos alfa ( ). Se manifiesta por la emisión de partícula alfa; hoy se sabe que la particula alfa está formada por dos protones y dos neutrones y su carga es positiva, su tamaño es equiparable al núcleo del helio. Rayos( ). Son partículas que tienen una gran velocidad y su carga es negativa, se descubrió que son electrones. Rayos ( ). No son partículas, es un tipo de energía radiante, son semejantes a los rayos X, pero con un mayor poder de penetración.

El electrón (primera partícula subatómica) y el modelo atómico de Thomson. En 1897, el físico inglés Joseph John Thomson descubrió que los rayos catódicos pueden ser desviados por un campo magnético, y los consideró como partículas eléctricamente negativas que existen en toda la materia y los llamó electrones; Thompson destacó la naturaleza eléctrica de la materia. Para 1910, su modelo era el más aceptado, y se representaba como una esfera de electricidad positiva cuyos electrones se encontraban dispersos como pasas en un pastel. Su modelo era estático, pues suponía que los electrones estaban en reposo dentro del átomo y que el conjunto era eléctricamente neutro. Modelo atómico de J. J. Thomson

Posteriormente, el descubrimiento de nuevas partículas y los experimentos llevados a cabo por Rutherford demostraron la parte equivocada de tales ideas.

68 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

Ernest Rutherford

El protón (segunda partícula subatómica) y los rayos canales.

-

-

-

-

-

-

-

En 1886, Eugen Golstein (1850-1931) llevó a cabo un experimento con el tubo de rayos catódicos donde colocó la placa del cátodo con perforaciones y se percató de que existían electrones desplazándose hacia el ánodo, sin embargo había otras partículas que salían disparadas hacia el lado contrario. A estos rayos que atravesaban los cátodos en sentido contrario se les llamó rayos canales. A las partículas detectadas en los rayos canales se les denominó protones. En 1907 se estudiaron las desviaciones de estas partículas en un campo magnético y se conoció que su masa era aproximadamente un promedio de 1836 veces mayor que la de un electrón.

Descubrimiento del núcleo atómico.

El modelo de Rutherford y el núcleo atómico. En 1911 Ernest Rutherford trabajando en equipo con Ernest Mardensen y Hans Geiger utilizó las partículas alfa (α) como proyectiles para sus investigaciones sobre la estructura de la materia. Bombardeó una delgada lámina de oro con partículas α procedentes de materiales radiactivos. Observó que, en su mayor parte, las partículas atravesaban la lámina sin sufrir desviaciones y sólo una pequeña fracción era fuertemente desviada. Estos resultados eran incompatibles con el modelo propuesto por Thomson.

Modelo atómico de Rutherford.

Este modelo atómico propone que toda la carga positiva y la mayor parte de la masa del átomo estaban situadas en el núcleo atómico y los electrones atraídos por fuerzas electrostáticas girarían en torno al núcleo describiendo órbitas circulares de un modo semejante a como lo hacen los planetas en torno al Sol. El modelo planetario de Rutherford, también llamado así por su semejanza con un diminuto sistema solar, consiguió explicar los resultados obtenidos en la dispersión de partículas α por la lámina de oro. Según el modelo, la mayor parte de las partículas α atraviesan los átomos metálicos sin chocar con el núcleo y la poca densidad de la envoltura electrónica es una barrera despreciable para este tipo de partículas. Sólo en el caso poco probable de que el proyectil encuentre un núcleo de oro en su camino retrocederá bruscamente debido a la mayor masa de éste. Sin embargo, según la física clásica cuando una carga eléctrica está en movimiento, emite energía en forma de radiación. Tal pérdida de energía haría que el átomo fuese inestable y los electrones acabarían precipitándose sobre el núcleo en poco más de una millonésima de segundo. De ser así la materia debería ser completamente efímera. Ésta es una de las fallas del modelo propuesto por Rutherford. Pero además su modelo no pudo explicar la existencia de los espectros discontinuos conocidos en esa época.

Los niveles de energía y el modelo atómico de Bohr. En 1923, basándose en algunas propiedades de la luz, Niels Bohr científico danés, propuso un nuevo modelo para el átomo. En dicho modelo, Bohr establecía que el átomo estaba formado por un núcleo atómico, tal y como había sido descubierto por Rutherford, pero a diferencia de éste, los electrones se localizaban en distintos niveles de energía concéntricos al núcleo, existiendo para cada electrón un nivel específico de energía. En este nivel el electrón no ganaba ni perdía energía.

Niels Bohr

Bohr propuso su modelo basándose en el espectro de líneas del átomo de hidrógeno. BLOQUE 3

69

¿Pero qué son los espectros de líneas? Desde el siglo XVII, cuando Isaac Newton demostró que la luz solar está formada por varios componentes de colores que se pueden combinar para producir luz blanca, los químicos y los físicos han estudiado las características de los espectros de emisión, es decir, espectros continuos o líneas espectrales de la radiación emitida por las sustancias. El espectro de emisión de una sustancia se obtiene al suministrar a una muestra del material energía térmica o alguna otra forma de energía (como una descarga eléctrica de alto voltaje si la sustancia es gaseosa). Una barra de metal al “rojo vivo” recién sacada de la fuente de alta temperatura produce un resplandor característico. Este resplandor visible es la parte de su espectro de emisión que es percibida por el ojo. El calor que emite la barra de metal representa otra parte de su espectro de emisión: la región del infrarrojo. Una característica común del espectro de emisión del Sol y de un sólido calentado es que ambos son continuos, es decir, todas las longitudes de onda de la luz visible están representadas en el espectro. Los espectros de emisión de los átomos en fase gaseosa no muestran una distribución continua de longitudes de onda desde el roja al violeta; en lugar de ello, los átomos producen líneas brillantes en diferentes partes del espectro visible. Estos espectros de líneas corresponden a las emisiones de luz sólo a longitudes de onda específicas. Cada elemento tiene un espectro de emisión único. Las líneas características de un espectro atómico se pueden usar en análisis químico para identificar átomos desconocidos, igual que las huellas digitales sirven para identificar a una persona. Si se separan las radiaciones con distinta longitud de onda emitidas por una sustancia obtenemos el espectro de emisión de esa sustancia. Así el arco iris representa el espectro de las distintas longitudes de onda de la luz emitida por el sol. En el caso de la luz solar el espectro es continuo, ya que comprende todas las longitudes de onda entre el rojo y el violeta.

Modelo de Borh

El espectro del hidrógeno está constituido por cuatro líneas que aparecen a cuatro longitudes de onda características.

En su modelo, Bohr especificaba que dentro del átomo existían siete niveles o capas de energía donde se localizan los electrones y que la energía de cada uno de ellos ésta en forma de cuantos o paquetes, es decir, “la energía de los electrones dentro del átomo está cuantizada” y que ésta aumenta del nivel más cercano al núcleo al más alejado de él.

70 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

Bohr designó una letra a cada nivel. Le llamó capa “K” al nivel que se encuentra más cerca al núcleo y a los siguientes: “L, M, N, O, P, Q”. Otra forma de nombrar estas capas es, utilizar el número cuántico principal (n), designando cada nivel con números; donde 1 es equivalente a la capa K, 2 a L y así sucesivamente. Bohr explicaba que cuando a un átomo se le aplica una cierta cantidad de energía, ésta es absorbida por los electrones en forma de cuantos, lo que los obliga a saltar y ocupar un nivel de energía mayor llamándole a éste estado del átomo: estado excitado y, estado basal, al estado del átomo en el cual los electrones se localizan en los niveles de energía más bajos. De acuerdo con Bohr, el estado excitado de un átomo, es un estado inestable por lo que los electrones tienden a regresar al nivel original de energía, por lo tanto la energía absorbida en el salto debe ser liberada en forma de cuantos, ya sea en forma de luz, calor, etc., a este proceso se le conoce como: “Salto cuántico”. El problema del átomo de Bohr es que no puede explicar la formación de los espectros de líneas de otros átomos distintos al hidrógeno. En 1916, Arnold Sommerfeld modifica el modelo de Bohr, en el cual los electrones sólo giraban en órbitas circulares, al decir que también podían girar en orbitas elípticas. Introduce el concepto de subnivel. Sommerfeld razonaba que si el átomo es homólogo al sistema solar, el electrón debe girar no sólo en círculos, como el modelo de Bohr, sino también en elipses, con la particularidad de que el núcleo debe hallarse en uno de los focos. El número de elipses posibles (subniveles) no supera el número del nivel propuesto por Bohr.

Arnold Sommerfeld

El neutrón (tercera partícula subatómica) y los experimentos de Chadwick. En 1930 dos físicos alemanes, Walter Bothe y Herbert Becker, informaron que habían liberado del núcleo una misteriosa radiación nueva de inusual poder penetrador. En 1932, el físico inglés James Chadwick sugirió que la radiación estaba formada de partículas, llega a la conclusión de que había descubierto una partícula que tenía aproximadamente la misma masa del protón, pero sin carga, en otras palabras, era eléctricamente neutra y se le denominó neutrón.

James Chadwick

BLOQUE 3

71

Actividad: 2 Con base en la información leída en este material y apoyado con otros datos que obtengas en libros o internet, elabora un cuadro comparativo de los modelos atómicos. Entrega tu trabajo en la fecha señalada por tu profesor. El cuadro debe contener los siguientes aspectos: Titulo del modelo, Autor, Año de aparición.

Esquema o ilustración del modelo atómico

Aportaciones

Evaluación Actividad: 2

Producto: Tabla de contenido. Saberes Procedimental

Conceptual Describe las aportaciones al modelo atómico actual. Coevaluación

Relata las aportaciones históricas que apoyaron el desarrollo del modelo atómico actual. C

MC

72 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

NC

Puntaje: Actitudinal Valora las aportaciones históricas de los modelos atómicos.

Muestra disposición al trabajo metódico y organizado. Calificación otorgada por el docente

Cierre Actividad: 3 En equipo resuelvan la siguiente actividad experimental.

Experimentar para comprender: Modelo de la caja negra Dividir el grupo en equipos, entregar a cada equipo una caja cerrada conteniendo algún material. Sin abrir la caja “descubran” con sus sentidos “algo” acerca de su contenido y contesten lo siguiente. 1. 2. 3.

Planteen hipótesis posibles sobre las características del contenido de la caja. ¿Qué propiedades del contenido de la caja quisieran saber y no pueden percibir? Discutan entre los grupos de trabajo los resultados de los cuestionamientos 1 y 2, e identifiquen similitudes y diferencias entre las repuestas por todos los grupos, respecto del contenido de cada caja.

Respuestas:

Comentarios:

BLOQUE 3

73

Actividad: 3 (continuación) Reflexionen lo estudiado en esta secuencia y respondan los siguientes cuestionamientos.

¿Qué es un modelo científico? ¿Para qué sirve un modelo científico? ¿Cuándo se debe cambiar un modelo? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Actividad: 3 Conceptual Infiere el concepto de modelo científico. Coevaluación

Evaluación Producto: Experimento. Saberes Procedimental Propone hipótesis. Experimenta la percepción sensorial. C

MC

74 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

NC

Puntaje: Actitudinal Participa asertivamente en el trabajo colaborativo. Calificación otorgada por el docente

Actividad: 4 Describan la contribución de cada uno de los siguientes científicos al conocimiento de la estructura atómica: Joseph John Thomson, Ernest Rutherford y James Chadwick. Anoten los datos en la siguiente tabla.

Científico

Contribución

Joseph John Thomson

Ernest Rutherford

BLOQUE 3

75

Actividad: 4 (continuación)

Científico

Contribución

Eugen Golstein

James Chadwick

Evaluación Actividad: 4

Producto: Tabla. Saberes Procedimental

Conceptual Describe las aportaciones al modelo atómico actual realizadas por Goldstein, Rutherford, Thomson y Chadwick. Coevaluación

Puntaje:

Registra las aportaciones históricas. C

MC

76 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

NC

Actitudinal Valora las aportaciones históricas.

Calificación otorgada por el docente

Secuencia didáctica 2. Partículas subatómicas e isótopos. Inicio Actividad: 1 En un esquema o modelo identifica la ubicación y carga eléctrica de las partículas subatómicas: electrón, protón y neutrón.

BLOQUE 3

77

Actividad: 1 (continuación) Completa el siguiente cuadro referido a las partículas subatómicas fundamentales.

Partícula

Localización

Masa (uma)

Carga eléctrica

Símbolo

Electrón

P+

1

neutra

Actividad: 1 Conceptual Identifica las características de las diversas partículas subatómicas. Autoevaluación

Evaluación Producto: a) Esquema o modelo, b) Tabla de datos. Saberes Procedimental Representa al átomo en un esquema.

Puntaje: Actitudinal Muestra disposición al trabajo metódico y organizado.

Registra las características de las partículas subatómicas. C MC NC Calificación otorgada por el docente

78 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

Desarrollo

Masa atómica

Una serie de investigaciones que empezaron en la década de 1850 y se extendieron hasta el siglo XX, demostraron que los átomos poseen estructura interna; es decir, están formados por partículas aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas. La investigación condujo al descubrimiento de tres de esas partículas: los electrones, los protones y los neutrones. Hay otras partículas subatómicas, pero son estas tres las importantes para la Química general. De ellas se obtiene información como: la cantidad de protones determina que átomo es analizado, los neutrones constituyen junto con los protones el peso (masa) atómico, las reacciones de los átomos son determinadas por los electrones, en especial los del nivel de valencia o capa más externa del átomo, que son compartidos, cedidos o adquiridos de otros átomos al momento de unirse para formar un compuesto.

A Símbolo del elemento Z Número atómico

Las partículas subatómicas se diferencian por sus masas (unidades de masa atómica o uma) y sus cargas eléctricas (coulomb), cuyas características se muestran en la tabla siguiente:

Partícula

Símbolo -

Electrón

e

Protón

P+

Neutrón

N

Carga eléctrica (Coulombs) -1.6 x 10

-19

(–1)

+1.6 x 10-19 (+1)

Masa gr

uma

Localización en el átomo

0.00055≈0

giran alrededor del núcleo

1.67 x 10-24

1.00727≈1

en el núcleo

1.68 x10-24

1.00866≈1

en el núcleo

9.1 x10

-28

*Debido a que la masa en gramos de estas partículas es muy pequeña, para simplificar la comparación entre las masas de diferentes átomos, los químicos han desarrollado una unidad de masa diferente denominada unidad de masa atómica (uma), actualmente se simboliza con la letra u.

El electrón por ser la carga eléctrica más pequeña, se toma como referencia comparativa y se la asigna carga (-1); asimismo, como su masa es la más pequeña de las tres partículas, se le asigna masa cero uma. Al conocerse el número y propiedades de cada una de las partículas que componen al átomo surgió la necesidad de representar y definir algunos conceptos relativos al átomo. Así surgieron los conceptos de: número atómico, número de masa y masa atómica. El número atómico de un elemento indica la cantidad de protones que existen en el núcleo del átomo de un elemento y dado que el átomo en estado natural es eléctricamente neutro, este número de protones es igual al número de electrones; se representa con la letra Z y cada elemento tiene un número atómico único. Por ejemplo, cada átomo cuyo número atómico sea 6 es de carbono, contiene 6 protones en su núcleo y 6 electrones girando a su alrededor. En la tabla periódica los elementos están organizados en orden creciente del número atómico, comenzando por el hidrógeno, con número atómico 1. Cada elemento sucesivo en la tabla periódica tiene átomos exactamente con un protón más que el elemento que le precede.

Z= número atómico = número de protones = número de electrones

BLOQUE 3

79

La suma del número de protones más el número de neutrones de un átomo, se conoce como número de masa o masa atómica de ese átomo en particular y se simboliza con la letra A. En otras palabras, A=N + Z, con lo cual se define totalmente de que núcleo se trata. Por ejemplo, un átomo de uranio (U), que tiene 92 protones (Z=92) y 146 neutrones (N) en su núcleo, tiene un número de masa (A) de 238, es decir, A= Z+N, por lo que, A= 92 +146= 238 A= número de masa= protones (P) + neutrones (N) A= P +N Con esta información, un átomo de composición conocida, como el de este ejemplo, se puede representar mediante la notación siguiente:

A finales del siglo XIX se creía que los átomos de un mismo elemento contenían el mismo número de protones y de neutrones. Sin embargo, en 1910, Joseph John Thomson descubrió que el neón tiene dos átomos con masas diferentes. Conociendo que los átomos son eléctricamente neutros, dedujo que esos dos átomos del neón deberían tener diferente número de neutrones. Estudios posteriores demostraron que así como el neón, existen otros elementos cuyos átomos varían en su número de neutrones. Por ejemplo, se encontraron átomos de hidrógeno con número de masa 1 (protio) y otros con número de masa 2 (deuterio) y masa 3 (tritio), también se encontraron átomos de carbono con número de masa 12 (Carbono 12), 13 y 14. (Carbono 14) Debido a estos descubrimientos, a los átomos de un mismo elemento que tienen igual número de protones y electrones (igual número atómico), pero diferente número de neutrones (difieren en su masa atómica), se les dio el nombre de isótopos. La existencia de isótopos de un mismo elemento trajo como consecuencia una diferencia en la masa atómica de ese elemento en particular. Para resolver este problema, los científicos calcularon la masa atómica promedio de un elemento a partir de la abundancia natural de sus isótopos. Por ejemplo, del cloro se conocen dos isótopos, uno con número de masa 35 (cloro 35) y con una abundancia de 75.4%, y otro con número de masa 37 (cloro 37) y 24.6% de abundancia, por lo que su masa atómica promedio es de 35.492 uma, es decir:

La masa atómica de un elemento es “un promedio ponderado de las masas de todos los isótopos naturales del elemento”. Generalmente, a la masa atómica se le conoce también como peso atómico.

80 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

Una de las diferencias importantes entre los átomos de diferentes elementos, es que tienen masas distintas. Se sabe que la masa de un átomo depende principalmente de la cantidad de neutrones y protones que contiene, y que la suma de protones y neutrones siempre es un número entero (no puede haber fracciones de protones ni neutrones); sin embargo, la tabla periódica reporta valores fraccionarios para las masas de la mayoría de los elementos. Por acuerdo internacional, se considera que un átomo del isótopo de carbono que tiene 6 protones y 6 neutrones (llamado “carbono 12”) presenta una masa exactamente de 12 unidades de masa atómica. Este átomo de carbono 12 sirve como patrón, de modo que una unidad de masa atómica, se define como una masa exactamente igual a 1/12 de la masa del átomo de carbono 12. 1 uma es aproximadamente la masa de un protón o de un neutrón. Las masas relativas de todos los demás átomos se determinaron por comparación con este patrón. Se ha demostrado experimentalmente que, en promedio, un átomo de hidrógeno tiene sólo el 8.4% de la masa del átomo de carbono 12. Si se acepta que la masa del átomo de carbono 12 es exactamente 12 uma, entonces la masa atómica del hidrógeno es 1.008 uma, este dato es el que aparece en la tabla periódica.

Número atómico

H1.008

1

Masa atómica

Espectrógrafo de Masas

Estos valores que se presentan de las masas atómicas son relativos y se calculan con base en la masa atómica del carbono 12 y son obtenidas a través del espectrógrafo de masas. De la tabla periódica podemos obtener estos valores, sin embargo para efectos de poder utilizarlos de una manera práctica, es necesario hacer un proceso de redondeo de las cifras decimales.

BLOQUE 3

81

Con ayuda de tu profesor interpreta y completa el siguiente cuadro:

17

Cl35.45

Número atómico

17

Número de masa

35.5

Masa atómica

35.45

Protones

17

Electrones

17

Neutrones

18

11

Na22.98

19

K39.09

8

O15.99

29

Cu63.54

20

Sitios Web recomendados: http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_m ateria/curso/materiales/atomo/modelos.htm

82 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

Ca40.07

25

Mn54.93

Actividad: 2 

Con la siguiente información completa el cuadro. Si es necesario utiliza la tabla periódica.

Elemento

Número atómico (Z)

Símbolo

Nitrógeno

Masa atómica (A) 14

Número de electrones

47

Número de neutrones

9

10

7

F Plata

Número de protones

108 28

Ca

30

40

20

O 26



30

Utilizando la tabla periódica, indica el número de protones, electrones y neutrones de los siguientes elementos: a) Yodo Elemento/Símbolo

b)

c) Anota el elemento con Z= 28 y A= 58.6 Protones

Neutrones

Electrones

a)Yodo (I)

b)Magnesio

c)

BLOQUE 3

83

Actividad: 2 (continuación) 

Calcula la masa atómica de los siguientes átomos a partir de los datos presentados.

Número de masa (uma)

Elemento

Oxígeno (O)

Azufre (S)

Carbono (C)

Abundancia isotópica

16

15.9949

99.76

17

16.9991

0.04

18

17.9992

0.2

32

31.972

95.06

33

32.971

0.74

34

33.968

4.18

36

35.967

0.02

12

12.000

13

13.0033

Masa atómica

Nombre

Oxígeno 16

Azufre 32

98.9 1.1

Carbono 12

Radioisótopo

14…..14.0032

inestable

Evaluación Actividad: 2

Producto: Ejercicios. Saberes Procedimental

Conceptual Reconoce las partículas subatómicas y sus características más relevantes. Autoevaluación

Resuelve cálculos sencillos relacionados con partículas subatómicas. C

MC

84 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

NC

Puntaje: Actitudinal Muestra disposición al trabajo metódico y organizado. Calificación otorgada por el docente

Isótopos y sus aplicaciones. A pesar de que todos los isótopos de un elemento tienen prácticamente las mismas propiedades químicas, no todos son igualmente estables, ni se presentan en la naturaleza en la misma proporción. Se han descubierto dos tipos de isótopos: radiactivos y no radiactivos; los primeros son inestables, mientras que los segundos son estables. La mayor parte de los elementos tienen varios isótopos. Así por ejemplo, el silicio que se emplea en los chips para computadoras, se presenta en la naturaleza como una mezcla natural de isótopos de silicio-28, silicio-29 y silicio-30. Los isótopos radiactivos, también conocidos como radioisótopos, buscan una forma de estabilizarse. Para lograrlo emiten algunas de los tres tipos de radiación conocidos y sufren cambios nucleares, convirtiéndose en otro tipo de átomos, que en general son isótopos estables, aunque también pueden dar origen a átomos de isótopos radiactivos. Por ejemplo, los isótopos del radio-226 se descomponen espontáneamente y emiten radiaciones alfa, que son partículas de helio y un isótopo de radón-222 de la siguiente manera:

Al tiempo requerido para que la mitad de la muestra de los isótopos radiactivos de un elemento se desintegre, se le denomina vida media. Los isótopos varían mucho en su vida media; algunos tardan años o milenios en perder la mitad de sus átomos por desintegración. Por ejemplo, la vida media del uranio-238 es de 4.5x109 años, y la del carbono-14 es de 5730 años. Otros pierden la mitad de sus átomos en fracciones de segundos; por ejemplo, el fósforo-28 tiene una vida media de 270 x 10-3 segundos. La Química nuclear es la parte de la Química que se encarga de estudiar los cambios en este tipo de isótopos su aplicación se realiza en diversas áreas; por ejemplo, en medicina las enfermedades que se consideraban incurables, pueden diagnosticarse y tratarse con eficacia empleando isótopos radiactivos. Las aplicaciones de la Química nuclear a la Biología, la industria y la agricultura han producido una mejoría significativa en la condición humana. Otras áreas donde tienen aplicación los radioisótopos son: Geología, Paleontología, Antropología y Arqueología. Actualmente, se desarrollan nuevas aplicaciones y nuevos radiofármacos con la finalidad de ampliar la gama de procedimientos, reducir las enfermedades adquiridas por los alimentos y prolongar el periodo de conservación mediante la utilización de radiaciones, y estudiar los medios para disminuir la contaminación originada por los plaguicidas y los productos agroquímicos. La radiactividad puede ser peligrosa y sus riesgos no deben tomarse a la ligera, la exposición a altos niveles es nociva e incluso fatal. Lamentablemente, las radiaciones que estos isótopos radiactivos generan, pueden dañar las células de los seres vivos y a partir de ciertas dosis, ocasionan tumores malignos y mutaciones genéticas.

BLOQUE 3

85

Cierre Actividad: 3 Investiga las aplicaciones, con sus posibles peligros, de cada uno de los siguientes isótopos:

Cobalto-60

Yodo-131

Carbono-14

Sodio-24

 Iridio -192

Evaluación Actividad: 3

Producto: Reporte escrito. Saberes Procedimental

Conceptual Describe las aplicaciones de algunos isótopos radiactivos.

Autoevaluación

Busca, selecciona y reporta información sobre el uso de isótopos radiactivos. C

MC

86 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

NC

Puntaje: Actitudinal Muestra disposición al trabajo metódico y organizado. Valora las aplicaciones de los isótopos en la vida cotidiana. Calificación otorgada por el docente

Evolución de los modelos atómicos Dalton

(1803) Thomson (1904) (cargas positivas y negativas)

Rutherford (1911) (el núcleo)

Bohr (1913) (niveles de energía)

Schrödinger (1926) (modelo de nube de electrones)

BLOQUE 3

87

Secuencia Didáctica 3. Modelo atómico actual. Inicio Actividad: 1 Investiga los siguientes conceptos sobre estructura atómica; reportarlos como glosario.

Átomo, protón, electrón, neutrón, partículas subatómicas, isótopo, número atómico, peso atómico, estado basal, estado excitado, valencia y radiactividad.

Evaluación Actividad: 1

Producto: Glosario. Saberes Procedimental

Conceptual Verifica conceptos sobre estructura atómica. Autoevaluación

Puntaje: Actitudinal

Obtiene información y redacta un glosario. C

MC

NC

Expresa con veracidad los conceptos solicitados.

Calificación otorgada por el docente

Desarrollo El modelo atómico actual se basa en el estudio de una rama de la Física conocida como la Mecánica Cuántica o Mecánica Ondulatoria fundada entre otros por Heisenberg y Schrödinger.

Debes leer atentamente el siguiente tema, para resolver la actividad 2

La mecánica cuántica (conocida también como mecánica ondulatoria) se encarga de estudiar el movimiento de partículas pequeñas como el electrón. A partir de los estudios realizados en esta ciencia, surge un nuevo modelo para el átomo llamado modelo de la mecánica cuántica o modelo mecánico cuántico. El modelo actual del átomo fue desarrollado principalmente por Erwin Shrödinger, y en él se describe el comportamiento del electrón en función de sus características ondulatorias. La teoría moderna supone que el núcleo del átomo está rodeado por una tenue nube de electrones, lo cual conserva el concepto de niveles estacionarios de energía, pero a diferencia del modelo de Bohr, no le atribuye al electrón trayectorias definidas (orbita), sino que describe su localización en términos de su probabilidad (orbital). 88 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

Niels Bohr

El nuevo modelo atómico se desarrolló con varias aportaciones siendo las principales: 

Concepto de estados estacionarios de energía del electrón propuesto por Bohr.

Normalmente los electrones se encuentran en el nivel de mínima energía (estado basal o fundamental), pero pueden absorber energía pasando a un nivel superior más alejado del núcleo (estaco excitado); este estado es inestable y al regresar el electrón a su nivel original emite la energía absorbida en forma de radiación electromagnética. 

Principio de incertidumbre de Werner Heisenberg.

Werner Heisemberg

Afirma que “no es posible conocer al mismo tiempo la posición y la velocidad de un electrón”. El electrón puede estar en cualquier sitio alrededor del núcleo, menos en el núcleo mismo: hay regiones de ese espacio donde es muy probable encontrarlo y otras donde es poco probable localizarlo. La representación de la probabilidad se llama nube de carga o nube electrónica y las regiones del espacio que rodean al núcleo y donde la probabilidad de encontrar el electrón es mayor, se llaman orbitales. 

Principio de la dualidad de la materia sugerido por Luis de Broglie.

Propuso que los electrones, al igual que los fotones (cuantos de energía luminosa) se comportan como partículas (masa) y ondas (energía). La hipótesis de De Broglie fue apoyada por hechos experimentales al demostrarse que un haz de electrones podía ser difractado haciéndolo pasar a través de un sólido cristalino, de la misma manera que un rayo de luz es difractado por una rejilla. Erwin Schrödinger tomó esto en cuenta para formular la ecuación ondulatoria. 

Luis de Broglie

Principio o ecuación de onda de Erwin Schrödinger.

En 1926, Erwin Schrödinger formula la llamada ecuación de onda de Schrödinger, que describe el comportamiento y la energía de las partículas submicroscópicas. Es una función que incorpora tanto el carácter de partícula (en función de la masa) como el carácter de onda en términos de una función de onda. La ecuación de onda, establece la relación entre la energía del un electrón y la distribución de éste en el espacio, de acuerdo con sus propiedades ondulatorias. En esta ecuación aparecen los números cuánticos n, l y m. 

Erwin Schrödinger

Principio de Dirac-Jordan.

Paul Adrian Dirac y Ernest Pascual Jordan, en la ecuación Dirac-Jordan aparece el cuarto número cuántico denominado de espín s. Actualmente esta ecuación es la que establece con mayor exactitud la distribución de los electrones, este cuarto número cuántico no es resultado de la ecuación de onda de Schrödinger, pero además representa un principio de exclusión presentado por Wolfgang Pauli el cual establece “dos electrones no podrán tener los mismos cuatro números cuánticos, es decir dos electrones no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo”

Paul Adrian Dirac

BLOQUE 3

89

Números cuánticos. La mecánica cuántica describe al átomo exclusivamente a través de interpretaciones matemáticas de los fenómenos observados. Puede decirse a grandes rasgos, que en la actualidad se considera que el átomo está formado por protones y neutrones, rodeado por una serie de niveles estacionarios de energía dentro de los cuales existen a su vez subniveles con un número determinado de orbitales en los que es posible localizar a los electrones, los cuales se mantienen girando sobre su propio eje. Los números cuánticos son el resultado de las ecuaciones de Schrödinger y DiracJordan, e indican la zona atómica donde es probable encontrar al electrón. Son cuatro llamados números cuánticos: principal, secundario, magnético y de espín se representan respectivamente con las letras n, l, m y s. Número cuántico principal (n) El número cuántico principal designa el nivel energético principal en el cual se localiza un electrón dado; este número también expresa la energía de los niveles dentro del átomo. El número cuántico “n” puede asumir teóricamente cualquier valor entero desde 1 hasta infinito, aunque con 7 valores (1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7) es posible satisfacer a todos los átomos conocidos actualmente.

Ernest Pascual Jordan

El número cuántico principal es una medida del tamaño del orbital, mientras más grande sea el valor de n, mayor será su órbita y los electrones estarán más alejados del núcleo.

Cada nivel energético puede contener un número limitado de electrones dado por la expresión 2n2. Número cuántico secundario (l) El número cuántico secundario determina la energía asociada con el movimiento del electrón alrededor del núcleo; por lo tanto, el valor de “l” indica el tipo de subnivel en el cual se localiza el electrón y se relaciona con la forma de la nube electrónica. Cada nivel electrónico se divide en subniveles que contienen electrones de la misma energía. Los valores de “l” están determinados por el valor de “n”; para cierto nivel, “l”, puede asumir cualquier valor entero, pero iniciando siempre con el valor de 0 (cero) hasta un último valor igual a “n-1”.

90 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

Así para n=1 sólo hay un valor posible, el valor es 0. (1-1=0). Si n=2 hay dos valores de: l= 0 y l=1 Para n=3 hay tres valores posibles 0, 1 y 2. Con n=4 son cuatro valores posibles de l, son 0, 1, 2 y 3. Para el 5°, 6° y 7° nivel energético, teóricamente habría 5, 6 y 7 subniveles, respectivamente, sólo que, para los átomos conocidos, son suficientes 4 subniveles A los subniveles se les asignan las letras s, p, d y f. Cada nivel tiene un número específico de subniveles tal y como se muestra en la siguiente tabla: Nivel n

Valor de l 0 hasta n-1

Número de subniveles

1

0

1

s (sharp, agudo en español)

2

0,1

2

s, p (principal)

3

0,1,2

3

s, p, d (difuso)

4

0,1,2,3

4

s, p, d, f (fundamental)

5

0,1,2,3

4

s, p, d, f

6

0,1,2

3

s, p, d

7

0,1

2

s, p

Tipo de orbital 0=s, 1=p, 2=d y 3=f

Número cuántico magnético (m) Determina la orientación espacial del orbital. Se denomina magnético porque ésta orientación espacial se acostumbra definir con relación a un campo magnético externo. Puede tomar valores positivos y negativos, incluso el cero; y se calcula con la fórmula m=2 l +1, lo que quiere decir que depende del valor de l. Por ejemplo: Si l=0, entonces m=2(0)+1=1, por lo que m toma el valor de 0. Un solo valor, es decir, un solo orbital. Si l=1, entonces m=2(1)+1=3, por lo que m toma tres valores. -1, 0 y +1. Si l=2, entonces m=2(2)+1=5, por lo que m tiene 5 valores -2, -1, 0 +1 y +2 Si l=3, entonces m=2(3)+1=7, los valores de m son siete -3, -2, -1, 0 +1, +2 y +3. Formas y orientaciones de los orbitales atómicos Orbitales de tipo “s” y las tres orientaciones de orbitales de tipo “p”

BLOQUE 3

91

Las cinco orientaciones de los orbitales del tipo “d” y las siete orientaciones de los orbitales del tipo “f” Número cuántico de espín (s) Este número cuántico describe la orientación del giro del electrón. Expresa el campo eléctrico generado por el electrón al girar sobre su propio eje, el cual sólo puede tener dos direcciones, una en el sentido de las manecillas del reloj y la otra en sentido contrario; los valores numéricos permitidos para el número cuántico espín s son:+1/2 -1/2 ↓.

s= +1/2



y

s= -1/2

En cada orbital hay espacio para máximo 2 electrones, uno con giro positivo y el otro con giro negativo. Las dos orientaciones generalmente se designan con flechas ↑↓, las cuales representan el sentido del electrón. En resumen, “n” indica la capa o nivel en la cual se encuentra el electrón del átomo; “l” indica la subcapa o subnivel dentro de esa capa o nivel y el tipo de orbital;”m” especifica el número de orbitales dentro de esa subcapa o subnivel y “s” representa el giro que puede tener el electrón sobre su propio eje.

92 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

El siguiente cuadro concentra un resumen de los cuatro números cuánticos. Nivel de energía (n)

Subnivel de energía y orbitales (l)

n=1

l=0

s

0

2

l=0

s

0

2

l=1

p

-1, 0, +1 px, py, pz

6

l=0

s

0

2

l=1

p

-1, 0, +1

6

l=2

d

-2, -1, 0, +1, +2 d1, d2, d3, d4, d5

10

l=0

s

0

2

l=1

p

-1, 0, +1

6

l=2

d

-2, -1, 0, +1, +2

10

l=3

f

-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 f1, f2, f3, f4, f5, f6, f7

14

n=2

n=3

n=4

Orientación de orbitales (m)

Número de electrones por subnivel

Número de electrones por nivel 2

8

18

32

BLOQUE 3

93

Actividad: 2 Resuelve los siguientes cuestionamientos, sobre números cuánticos.

Escribe sobre la línea el símbolo n, l, m, s; según corresponda a la información que ofrece cada número cuántico. La distancia del electrón al núcleo

_______________

La orientación del giro del electrón

_______________

Sus posibles valores son 0, 1, 2 y 3

_______________

El número de orbitales de un subnivel

_______________

La orientación del orbital en el espacio

_______________

La energía de un electrón

_______________

El subnivel donde se localiza un electrón

_______________

Número cuántico con valores -2, -1, 0, +1, +2

_______________

Adquiere valores del 1 al 7

_______________

Determina la forma del orbital

_______________

Toma valores de +1/2 y -1/2

_______________

Describe los cuatro números cuánticos utilizados para caracterizar un electrón de un átomo:

94 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

Actividad: 2 (continuación) Responde brevemente lo solicitado en cada caso. ¿En qué difiere un orbital atómico de una órbita? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

De los siguientes orbitales 1p, 2s, 2d, 3p, 3d, 3f, 4g ¿Cuáles no existen? Explica por qué. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 2

Producto: Batería de reactivos. Saberes Procedimental

Conceptual Describe los valores y significados de los números cuánticos. Autoevaluación

Utiliza la información leída y resuelve cuestionamientos. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Muestra disposición al trabajo metódico y organizado.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 3

95

Configuración electrónica. La configuración electrónica es “la distribución de los electrones de un átomo en sus diferentes niveles, subniveles y orbitales energéticos, de forma que esa distribución sea la más estable, es decir, la de menor energía”. Para escribir correctamente una configuración electrónica se deben aplicar las siguientes reglas:  Principio de edificación progresiva o Principio de Aufbau: los electrones deben acomodarse primero en los orbitales de menor energía, o sea, aquéllos donde la suma de n+1 sea menor, es decir: “cada nuevo electrón añadido a un átomo entrará en el orbital disponible de menor energía”. Cuando los subniveles tienen el mismo valor de n+1 se llena primero la subcapa n más baja. Para entenderlo mejor se utiliza el siguiente diagrama (regla de diagonales). En general se sigue el orden de llenado que indican las flechas según la ilustración:

1s2

Cada orbital admite como máximo 2 electrones (e-)

2s2

2p6

3s2

3p6

3d10

4s2

4p6

4d10

2

5p

6

5d

10

2

6p

6

6d

10

2

7p6

5s 6s 7s

4f14 5f

14

 Principio de exclusión de Pauli: dos electrones de un mismo átomo no pueden tener el mismo conjunto de cuatro números cuánticos iguales. Esto conduce a entender que ningún orbital puede contener más de dos electrones y esos dos electrones no tienen los mismos valores de números cuánticos.

96 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

 Regla de Hund o Principio de la Máxima Multiplicidad: establece que el ordenamiento más estable de electrones es aquel donde está el número máximo de electrones desapareado (no están formando pareja); todos ellos tienen el spin en el mismo sentido.

Considerando las energías relativas de los orbitales de un átomo, el orden de ocupación será el siguiente: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.  Para escribir la configuración electrónica debe utilizarse la notación:

nlx Donde: n= Nivel de energía donde se localiza el electrón. l= El subnivel de energía donde se encuentra el electrón. x= El número de electrones de ese subnivel.

Ejemplo:

El flúor tiene 9 electrones su configuración electrónica, siguiendo las reglas señaladas es:

9

F 1s

2

2s2 2p5

A esta configuración electrónica se le conoce como configuración algebraica. Existe otra manera de representar la distribución de los electrones conocida como configuración gráfica. Utilizando la notación:

BLOQUE 3

97

Los símbolos n y l siguen significando nivel y subnivel respectivamente, el orbital con una línea, los electrones se representan con las flechas; indicando cada una un electrón y la orientación de su giro. La configuración gráfica del flúor entonces es:

Una tercera configuración recibe el nombre de configuración puntual o de Lewis. Para poder saber cómo se hace este tipo de configuración, es necesario primero entender dos conceptos: Nivel de Valencia: Es el nivel de mayor energía que contiene electrones en un átomo. Electrones de valencia: Se denomina así al número de electrones que un átomo tiene en el nivel de valencia.

En el caso del flúor el nivel de valencia es el nivel 2 y tiene 7 electrones de valencia.

A la configuración de Lewis también se le llama puntual, debido a que se utilizan puntos para representar, en torno al símbolo del elemento, los electrones de valencia que éste contiene de acuerdo con la siguiente notación general.

X

=

Símbolo del elemento.

s

= Representa los puntos que indican cuántos electrones de Valencia tiene el elemento en el orbital “s”.

px

= Representa los puntos que indican cuántos electrones de Valencia tiene el elemento en el orbital px.

py

= Representa los puntos que indican cuántos electrones de Valencia tiene el elemento en el orbital py.

pz

= Representa los puntos que indican cuántos electrones de Valencia tiene el elemento en el orbital pz.

Para el ejemplo del flúor entonces su configuración puntual es la siguiente:

98 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

Cierre Actividad: 3 

Realiza las configuraciones algebraica, gráfica y puntual para cada elemento.

Elemento 7

Algebraica

Configuración Gráfica

Puntual

N

13

18

Al

Ar

 Representa en un esquema (modelo) el átomo de los elementos N, Al y Ar.

BLOQUE 3

99

Actividad: 3 (continuación) 

Elemento Nombre y símbolo

Utilizando como apoyo la tabla periódica, completa la siguiente tabla con la información solicitada:

Número atómico Z

Configuración algebraica

No. de electrones de valencia

Masa atómica A

No. de protones

15

41

12

Berilio

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 52 4d10 5p3

Evaluación Actividad: 3 Conceptual Explica las reglas para elaborar configuraciones electrónicas.

Autoevaluación

Producto: a) Configuraciones, b) Modelos. Saberes Procedimental Desarrolla e interpreta configuraciones electrónicas.

Puntaje: Actitudinal Muestra disposición al trabajo metódico y organizado.

Representa modelos atómicos a Obedece las reglas de las partir de la configuración configuraciones electrónicas. electrónica. C MC NC Calificación otorgada por el

100 EXPLICA EL MODELO ATÓMICO ACTUAL Y SUS APLICACIONES

docente

No. de neutrones

Interpreta la Tabla Periódica.

Unidades 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.

Atributos:

Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas: 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y Diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 7 horas.

Secuencia didáctica 1. Evolución de la clasificación de los elementos químicos. Inicio



Actividad: 1 Con base en lo estudiado en el bloque anterior, y con el uso de la Tabla Periódica, reflexiona y responde los siguientes cuestionamientos: ¿Qué relación tiene el número atómico y la configuración electrónica de un elemento, con su posición en la Tabla Periódica? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿En qué se parece la configuración de los siguientes elementos? a) 3Li, 4Be y 7N______________________________________________________________________________________ b) 3Li y 19K _________________________________________________________________________________________

¿Por qué al reaccionar con el agua se observa un comportamiento similar de los elementos sodio (Na), rubidio (Rb), potasio (K) y cesio (Cs)? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 1

Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Conceptual Interpreta la información de la configuración electrónica.

Autoevaluación

102

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

Puntaje: Actitudinal

Relaciona la configuración electrónica de los elementos con su posición en la tabla periódica. C

MC

NC

Verifica la necesidad de los conocimientos previos para seguir aprendiendo.

Calificación otorgada por el docente

Desarrollo El siglo XIX, se caracterizó por un enorme desarrollo científico. Hacia el año de 1830 se habían identificado aproximadamente 55 elementos y se intentaban diferentes maneras de clasificarlos. El primer esquema de clasificación de los elementos lo realizó Jöns Jacob von Berzelius en 1813. Dividió los elementos naturales en dos grandes grupos: metales y no metales. Los elementos metálicos eran los que tenían cierto brillo característico, eran maleables y dúctiles, y conducían el calor y la electricidad. Los no metales eran los que tenían diversos aspectos físicos como frágiles, sin brillo y no conducían el calor ni la electricidad. Muchas más clasificaciones fueron adoptadas antes de llegar a la representación periódica actual. La tabla periódica de los elementos es uno de los instrumentos más importantes que ha inventado el hombre. En este documento se reúne la mayor parte del conocimiento de la Química. Este sistema periódico de clasificación de los elementos fue creado 200 años atrás, y a pesar de los grandes avances científicos que han ocurrido en los últimos 100 años, como la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, la estructura básica del mismo no ha sido modificada. Además los nuevos descubrimientos han podido ser incorporados rápidamente a la antigua estructura. El término periódico refleja el hecho de que los elementos presentan patrones de variación de sus propiedades tanto físicas como químicas en ciertos intervalos regulares. Esta presentación facilita el estudio de las características de los elementos, ya que no sería fácil aprender las propiedades de cada uno de ellos. Conociendo las características fundamentales de algunos elementos es posible deducir la de los demás separándolos en grupos o familias. A continuación se presentan algunas de las principales aportaciones a la construcción de la tabla periódica que se utiliza en la actualidad.

Las triadas de Döbereiner. En 1817 Johann Döbereiner, publicó artículos donde se mostraba una relación entre la masa atómica de ciertos elementos y sus propiedades. En su informe mencionaba la existencia de similitudes entre elementos agrupados en tríos que él denomino triadas. La tríada del cloro, del bromo y del yodo es un ejemplo que pone en evidencia que la masa atómica del elemento intermedio (en este caso el bromo) es el promedio de las masas atómicas de los otros dos integrantes.

Las octavas de Newlands. De 1863 a 1866 John Newlands propuso la “Ley de octavas” la cual establece que al agrupar los elementos en orden de menor a mayor peso atómico, el octavo elemento tiene propiedades semejantes al primero, el noveno al segundo y así sucesivamente, comparando esta relación con las octavas de las notas musicales, sin embargo no fue tomado en cuenta por otros científicos.

Ley periódica. En 1869 Dimitri Ivánovich Mendeleiev junto con Julius Lothar Meyer, trabajando cada uno en su país, pusieron fin a la clasificación de los elementos al realizar un ordenamiento decisivo y encontrar que los elementos colocados en un orden creciente de sus pesos atómicos tienen propiedades similares y que esto ocurre en forma continua o periódica. De ahí fue que se propuso una Ley periódica de los elementos, en la cual se consideraba a las propiedades de los elementos como una función periódica de sus masas atómicas y en ese mismo año se publicó un artículo, donde describían una “carta” periódica, dejando espacios vacíos que pertenecían a elementos que aún no se descubrían. Había un problema con la tabla; si los elementos se colocaban de acuerdo con sus masas atómicas ascendentes, por ejemplo, el telurio y el yodo parecían estar en las columnas equivocadas.

BLOQUE 4

103

La tabla periódica de Moseley. Entre 1913 y 1914 el físico inglés Henry Moseley, utilizando rayos X, descubrió que podía determinar el número de protones de un elemento (número atómico) y que al clasificar a los elementos con base a este dato se determinó una verdadera periodicidad, corrigiendo de esta manera las diferencias que había en la tabla periódica diseñada por Mendeleiev y Meyer. Como resultado del trabajo de Moseley se revisó la tabla periódica en la cual, hoy en día, se utiliza la clasificación con base en los números atómicos de los elementos, en lugar de sus masas atómicas. El enunciado actual de la Ley periódica es: “que las propiedades de los elementos y de los compuestos que forman son una función periódica de sus números atómicos”.

Actividad: 2 Lee los párrafos anteriores y responde las siguientes cuestiones.

a) ¿Cuál fue la primera clasificación de los elementos y en base a qué se dio la agrupación? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ b) ¿Cuál fue el criterio que utilizó Mendeleiev para clasificar a los elementos en su tabla periódica? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ c) ¿Cuál es la diferencia entre la Ley periódica enunciada por Mendeleiev y Meyer, con la Ley Periódica actual? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ d) ¿Cuál crees que fue el motivo de construir la tabla periódica? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

104

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

Evaluación Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Actividad: 2 Conceptual Describe los antecedentes históricos de la clasificación de los elementos químicos. Identifica las propuestas y personajes más relevantes con el desarrollo de la tabla periódica.

Puntaje: Actitudinal

Explica los criterios de clasificación de los elementos químicos. C

Autoevaluación

MC

NC

Se expresa con veracidad.

Calificación otorgada por el docente

Ubicación y clasificación de los elementos en la tabla periódica. Una representación de los elementos químicos en una forma fácil y sencilla de recordar fue ideada por Jons Jakob Berzelius (1814). Para ello empleó las letras del alfabeto, usando la inicial del nombre del elemento o la inicial y la letra representativa de dicho nombre. Los símbolos de los elementos químicos constan de una o dos letras máximo. Si es una letra, debe ser mayúscula, y si son dos, la primera es mayúscula y la segunda minúscula invariablemente. Se exceptúan, en el presente, los elementos del 104 en adelante, en 1976 se propuso un sistema para nombrarlos en forma provisional.

Tabla periódica larga. La clasificación actual recibe el nombre de tabla periódica larga. En esta tabla se distinguen columnas verticales llamadas grupos y renglones horizontales llamados periodos. La tabla periódica de los elementos organiza los elementos químicos. A los grupos se les asignan números romanos, el cero y las letras A y B. Pero, la numeración recomendada por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (UIQPA o IUPAC) recomendó designar el grupo con los números del 1 al 18, sin distinguir si son A o B. En tanto, los períodos se identifican con números del 1 al 7.

Grupo Período 1 2 3 4 5 6 7 6 7

1 1S1 2S1 3S1 4S1 5S1 6S1 7S1 4f1 5f1

2

3

2S2 3S2 4S2 5S2 6S2 7S2 4f2 5f2

3d1 4d1 5d1 6d1

4f3 5f3

4

3d2 4d2 5d2 6d2 4f4 5f4

5

6

3d3 4d3 5d3 6d3

7

3d4 4d4 5d4 6d4

4f5 5f5

3d5 4d5 5d5 6d5

4f6 5f6

8

3d6 4d6 5d6 6d6 4f7 5f7

9

10

3d7 4d7 5d7 6d7

11

3d8 4d8 5d8 6d8

4f8 5f8

3d9 4d9 5d9 6d9

12

3d10 4d10 5d10 6d10

4f9 4f10 5f9 5f10

13

2P1 3P1 4P1 5P1 6P1 7P1 4f11 5f11

14

2P2 3P2 4P2 5P2 6P2 7P2

15

2P3 3P3 4P3 5P3 6P3 7P3

16

17 18

2P4 3P4 4P4 5P4 6P4 7P4

1S2 2P6 3P6 4P6 5P6 6P6 7P6

2P5 3P5 4P5 5P5 6P5 7P5

4f12 4f13 4f14 5f12 5f13 5f14

BLOQUE 4

105

Grupos, periodos y bloques. Grupos. A los grupos tradicionalmente se les conoce también como familias debido a la similitud en las propiedades químicas que presentan los elementos que integran cada grupo. Si observas la tabla periódica, te darás cuenta que los elementos están colocados en forma vertical o columnas. Cada columna es un grupo o familia, de tal manera que la tabla periódica está formada por 18 grupos, de los cuales 8 pertenecen a la Serie A y 10 a la Serie B. Para identificarlos se les ha asignado un número romano, seguido de la letra que te indica a qué serie pertenece dicho grupo, de tal forma que para las dos series, los grupos quedarían numerados de la siguiente manera: SERIE A: IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA SERIE B: IB IIB IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB Observa el grupo VIIIB en la tabla periódica y te darás cuenta que está formada por tres columnas o grupos de elementos, por lo cual esta serie está constituida por un total de 10 grupos.

106

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

Cuando se descubrió la ordenación periódica de los elementos, ésta se realizó de forma tal que los elementos con propiedades químicas similares cayeran en la misma vertical, en el mismo grupo, de manera que algunas propiedades, que dependen más o menos directamente del tamaño del átomo, aumentaran o decrecieran regularmente al bajar en el grupo (afinidad electrónica, potencial de ionización, electronegatividad, radio atómico o volumen atómico). De esta forma el hecho de conocer la tabla periódica significa poder predecir las propiedades de los elementos y sus compuestos: valencia, óxidos que forman, propiedades de los óxidos, carácter metálico, etcétera. Lo anterior permite que algunos grupos de elementos reciban nombres específicos, por ejemplo: Grupo IA Metales alcalinos (cenizas) Grupo IIA Metales Alcalino-térreos. Grupo IIIA Familia del Boro. Grupo IVA Familia del Carbono. Grupo VA Familia del Nitrógeno. Grupo VIA Familia del Oxígeno. Grupo VIIA Familia de los Halógenos. Grupo VIIIA Gases Nobles, Gases Inertes o Grupo Cero (debido a la tendencia que presentan estos elementos a no reaccionar, en condiciones normales, o combinarse ni aun entre ellos). A las familias que integran el grupo A representado por las columnas IA, IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA y VIIIA, también se les conoce como elementos representativos. Dado que el número romano del grupo en el se encuentran localizados dentro de la tabla, es igual al número de electrones de valencia que cada elemento posee en su nivel de valencia o mayor energía. Así los elementos del grupo IA todos tienen un solo electrón de valencia y su configuración de Lewis es también igual y todos ellos (representativos) terminan su configuración en subnivel “s” o subnivel “p”. Por ejemplo, el y el son elementos representativos del grupo IA. De esta forma al conocer la configuración puntual de un elemento se determina su localización en la tabla periódica y, a la inversa conociendo su localización en la tabla se determina su configuración electrónica. Los elementos que forman parte de los grupos de la serie B, no cumplen con la característica de los grupos de la serie A, y su localización en la tabla se hace con base en el número de electrones que el elemento posee en el último subnivel de su configuración, el cual puede ser “d” o “f”. De tal manera que para los elementos del bloque “d”, los grupos que les corresponden son: IIIB d1

IVB d2

VB d3

VIB d4

VIIB d5

VIIIB d6 d7 d8

IB d9

IIB d10

Ejemplo: para el cromo (24Cr) su configuración es: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4, por lo tanto su ubicación en la tabla periódica es en el grupo VIB.

Periodos. Observa detenidamente tu tabla periódica y te darás cuenta que los elementos también se localizan en forma horizontal o renglones, a los cuales se les denomina períodos. En total la tabla periódica está dividida en siete renglones o períodos. Para todos los elementos de la tabla periódica, el número de período, contando de arriba hacia abajo, en el cual se encuentran localizados, es igual a su Nivel de Valencia o bien indica el total de niveles de energía del átomo.

BLOQUE 4

107

Por ello, el berilio y el flúor pertenecen al periodo 2, sus configuraciones así lo demuestran; ya que el nivel de valencia en ambos casos es el nivel 2. 4

Be 1s2 2s2

9

F

1s2 2s2 2p5

Bloques. La tabla periódica actual no solamente se ha organizado en función del número atómico, sino que considera para su construcción la configuración electrónica de cada uno de los elementos. Los bloques en la tabla periódica se han designado con base en el subnivel de energía en que termina la configuración electrónica de los elementos que los conforman, de tal manera que resultan cuatro bloques, uno para cada subnivel de energía llamados: bloque “s”, bloque “p”, bloque “d” y bloque “f”; de tal manera que cada serie está formada por dos bloques, la Serie A contiene a los bloques “s” y “p”, y la Serie B contiene los bloques “d” y “f”.

Estas divisiones se muestran en la siguiente representación: Empleando como criterio ordenador la configuración electrónica y observando las cuatro clases o bloques de elementos (s, p, d, f) se pueden reconocer cuatro tipos fundamentales de elementos:  Gases raros o gases nobles: Tienen la capa de valencia (n) llena, configuración ns2np6, excepto el helio cuya configuración es 1s2.  Elementos representativos: En su capa de valencia los electrones ocupan los orbitales s y p; la configuración respectiva de la capa de valencia es: ns 1, ns2, ns2np1, ns2np2, ns2np3, ns2np4, ns2np5, ns2np6; correspondientes del grupo IA al VIIIA.  Elementos de transición: En los cuales el orbital d está incompleto pudiendo tener de uno a diez electrones (d1 a d10). El orbital s del siguiente nivel energético tiene dos electrones.  Elementos de transición interna: tienen incompletos los niveles penúltimo y antepenúltimo. En el nivel antepenúltimo está incompleto el orbital f, que puede tener de uno a catorce electrones (f1 a f14). La ubicación de un elemento en la tabla periódica, a partir de su configuración electrónica se interpreta: el nivel de valencia nos indica el periodo dónde localizarlo, el último subnivel nos muestra el bloque con la correspondiente serie A o B, y el grupo se ubicará dependiendo si es representativo o no. Ubiquemos al potasio (19K) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1. Su nivel de valencia es el nivel cuatro, el último subnivel de la configuración es el “s” y el número de electrones de valencia es uno. A partir de esta información ubicamos, respectivamente, al potasio en el periodo 4, en el bloque “s”; por lo tanto le corresponde la serie A, es decir, es un elemento representativo, entonces su grupo es el IA. (Compruébalo buscándolo en la tabla periódica).

108

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

Cierre Actividad: 3 En equipo, desarrollen las siguientes actividades: Con base en la tabla periódica completen el siguiente cuadro. Periodos (nivel de energía)

Inicia en

Termina con

No.de elementos

2

Li

Ne

8

7

BLOQUE 4

109

Actividad: 3 (continuación) Utilizando la tabla periódica identifiquen: símbolo y número atómico de los elementos:

a) b) c) d)

Familia de los metales alcalinos Familia de los halógenos Grupo del carbono Familia del oxígeno IA

VIIA

IVA

VIA

Contesten las siguientes preguntas; si es necesario utilicen la tabla periódica. ¿Cuántos grupos o familias forman al bloque s? ¿Cómo se llaman? ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ¿Qué tipo de elementos conforman el bloque d? ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ¿Con qué relacionas s, p, d, f? ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________

110

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

Actividad: 3 (continuación) En el siguiente esquema de tabla periódica, tracen las divisiones de los grupos, periodos y bloques. Pueden utilizar diferentes colores para distinguir los bloques. Una vez que terminen los trazos contesten lo siguiente:

¿Cuáles bloques de la tabla periódica agrupan a los elementos metálicos? ¿Cuántos grupos se encuentran en ellos? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿En cuál periodo se encuentra el mayor número de elementos no metálicos? ________________________________ ¿Cuáles de los siguientes elementos Be, Cs, Ar, Sr, F, I; tienen propiedades químicas semejantes?________________________________________________________________________________________ Con base en su configuración clasifica a los siguientes elementos en metal o no metal. a) 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f8 _______________________________________________________ b) 1s22s22p5 ___________________________________________________________________________________ c) 1s22s22p63s23p64s2 ___________________________________________________________________________

BLOQUE 4

111

Actividad: 3 (continuación) A partir de la configuración electrónica de los siguientes elementos, determina su posición en la tabla periódica:

Elemento

22

Periodo

Bloque

Serie

Ti

16

10

Configuración

S

Ne

47

Ag

Evaluación Actividad: 3

Producto: Batería de reactivos.

Puntaje:

Saberes Conceptual Clasifica los elementos de la tabla periódica en grupos, periodos y bloques. Interpreta la información de la tabla periódica. Coevaluación

112

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

Procedimental

Actitudinal

Relaciona la interpretación de la configuración electrónica de los elementos con su posición en la tabla periódica. C

MC

NC

Actúa en forma disciplinada. Muestra actitud positiva en el trabajo colaborativo y en clase.

Calificación otorgada por el docente

Grupo

Secuencia Didáctica 2. Principales familias de elementos. Inicio



Actividad: 1 Observen en sus casas y entorno; de lo observado, enlisten 10 materiales que utilicen cotidianamente, regístrenlos en la siguiente tabla. Anoten sus principales propiedades y clasifíquenlos, a partir de éstas en metal, no metal o metaloide. Describan sus observaciones y lo que hayan realizado para decidir la clasificación. Objetivo: Observar las propiedades físicas de algunas sustancias para determinar si son metales o no metales. Si es necesario investiguen qué significa: maleable, dúctil, metaloide, tenaz, semiconductor, conductor, metal, no metal.

Ejemplo de material y su uso Carbón, utilizado para asar carne

Estado de agregación Sólido

Tenacidad Frágil/Tenaz Frágil

Es maleable Si / No

Es dúctil Si / No

Es brilloso Si/ No

No

No

No

Clasifícalo (metal, no metal, metaloide) No metal

Descripción de la actividad. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

BLOQUE 4

113

Actividad: 1 Conceptual Identifica materiales, metálicos, no metales y metaloides. Coevaluación

Evaluación Producto: Reporte de observaciones. Saberes Procedimental Clasifica algunos materiales de uso cotidiano.

Puntaje: Actitudinal Muestra disposición al trabajo metódico y organizado.

Diseña una actividad experimental y la relata por escrito. C MC NC Calificación otorgada por el docente

Desarrollo Los elementos en la tabla periódica. El orden en que se presentan los elementos en la tabla periódica no es mera casualidad, es más bien un orden natural ya que, en la naturaleza los elementos químicos se encuentran distribuidos de la misma forma como se observan en la tabla periódica, lo cual ha sido de gran utilidad en la búsqueda de yacimientos de elementos y sus compuestos. En los Montes Urales en Rusia, los geólogos han encontrado todos los elementos distribuidos tal y como están en la tabla periódica, los gases como el hidrógeno y el helio se encuentran en la superficie y los demás elementos le siguen en profundidad. Y en nuestro país, México, es muy conocido el hecho de que en Taxco se encuentran minas de plata y muy cerca en la ciudad Iguala algunas minas de oro. De igual forma que en la tabla periódica, el oro y la plata se localizan en el mismo grupo. Uno de los principios fundamentales en Química, es el uso de la tabla periódica para correlacionar las características generales de los elementos. De acuerdo con ciertas características comunes, los elementos se clasifican en metales, no metales, gases raros o nobles y semimetales o metaloides. De los elementos conocidos, sólo 25 son no metálicos; su química a diferencia de los metales, es muy diversa. A pesar de que representan un número muy reducido, la mayoría de ellos son esenciales para los sistemas biológicos (C, H, O, N, P y S principalmente) En el grupo de los no metales se incluye a los menos reactivos, los gases nobles. Propiamente, el hidrógeno no es metal, no metal, ni gas noble y se le coloca en el grupo IA, aunque no forma parte de los metales alcalinos. Las propiedades de los metales y no metales se pueden explicar en función de su distribución electrónica. Por ejemplo, el hecho de que los metales sean buenos conductores del calor y la electricidad, se debe a que tienen pocos electrones de valencia (1, 2 o 3) y a que el núcleo no los atrae firmemente, pasando con facilidad de un átomo a otro. En los no metales la situación es inversa, ya que tienen tendencia a atraer electrones.

Metales. Los metales se ubican en la tabla periódica dentro de los grupos marcados como IA y IIA, así como en los grupos “B” (elementos de transición). Los metales en su mayoría provienen de los minerales. Los metales más abundantes en la corteza terrestre que existen en forma mineral son: aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, titanio y manganeso. El agua de mar es una rica fuente de iones metálicos como Na +, Mg+ y Ca+. La obtención del elemento puro como el hierro, el aluminio, entre otros, se logra mediante procesos metalúrgicos.

114

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

En forma de sustancias puras, sus características más notables son las siguientes: Tienen lustre y brillo metálico. A temperatura ambiente son sólidos, por lo general, con algunas excepciones como el galio. Son maleables, es decir, se les puede golpear, prensar o martillar para obtener distintas formas de láminas sin que se rompan. Son dúctiles, lo que equivale a afirmar que pueden hacerse alambres delgados con ellos sin que se rompan. Conducen el calor y la electricidad. Cuando reaccionan químicamente con el oxígeno, forman óxidos con un carácter básico.

No metales. Los no metales se encuentran dentro de los grupos IVA al VIIA y presentan características opuestas a las de los metales. Algunos no metales se encuentran en todos los seres vivos: carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre en cantidades importantes; otros son oligoelementos como el flúor, silicio, arsénico, yodo y cloro. En forma de sustancias puras sus características más notables son las siguientes: Son opacos, no poseen brillo metálico. Pueden aparecer en cualquiera de los tres estados de la materia: sólido, líquido y gas. Aquellos que son sólidos a temperatura ambiente no son dúctiles ni maleables. Algunos de los no metales presentan el fenómeno de alotropía, el cual consiste en que un mismo elemento se presenta en diferentes formas y con el mismo estado de agregación. Es el caso del carbono, que puede presentarse en estado sólido como grafito o como diamante o como fullerenos. En reacción con el oxígeno, forman óxidos con carácter ácido, también conocidos como anhídridos. Varios no metales existen en condiciones ordinarias como moléculas diatómicas; en esta lista están incluidos gases (H2, N2, O2, F2, y Cl2), un líquido (Br2) y un sólido volátil (I2).

Semimetales o metaloides. A los elementos que tienen propiedades de los metales y no metales se les llama, metaloides. Pueden ser tanto brillantes como opacos, y su forma puede cambiar fácilmente. Generalmente, los metaloides son conductores de calor y de electricidad, de mejor manera que los no metales y no tan bien como los metales, por ello se les da el nombre de semiconductores. Para distinguir la ubicación de los metales, no metales y semimetales se acostumbra en algunas tablas periódicas trazar una línea que parte desde el boro y, en forma escalonada, va bajando hasta llegar al ástato. De esta manera, los elementos a la izquierda de esta línea son metales. Hacia arriba y hacia la derecha, tenemos a los no metales. Los semimetales se ubicarían inmediatamente por encima o por debajo de esta línea.

BLOQUE 4

115

Actividad: 2 Resuelve lo que se te pide a continuación: Relaciona, uniendo con una línea, las propiedades con el grupo que mejor las represente.

Son semiconductores y no suelen encontrarse en la naturaleza en forma elemental.

Metales

La mayoría tienen alto punto de fusión, conducen bien el calor y la electricidad, casi todos son sólidos a temperatura ambiente.

No metales

Son los elementos más estables y no suelen combinarse con otros elementos para formar compuestos.

Metaloides

Forman moléculas diatómicas, son malos conductores de la electricidad, casi todos son gases a temperatura ambiente.

Gases nobles

Con base en las propiedades de los metales, no metales y metaloides, mencionados en el texto anterior; completa la siguiente tabla periódica anotando el símbolo de cada elemento, de acuerdo con lo que se te solicita en los siguientes puntos. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

116

Elementos: opacos, con bajo punto de fusión y aparecen en los seres vivos en gran proporción. Elementos que se encuentran en estado líquido a temperatura ambiente. Elemento maleable, muy resistente a la corrosión, brilloso, se utiliza en la elaboración de bicicletas, ventanas así como ollas y otros utensilios de cocina; es el metal más abundante en la corteza terrestre. Metal de transición interna, posee 92 protones, es utilizado como combustible nuclear, es un elemento raro en la naturaleza. Grupo de no metales activos, llamados halógenos. Un ejemplo, el cloro aparece en muchos productos caseros que pueden generar cloro gaseoso si no se manipulan correctamente. Elemento importante biológicamente por intervenir en el metabolismo y formar parte de la hemoglobina, además de que industrialmente es el metal más usado. Elementos que presentan tanto característica de metal como de no metal. Grupo de elementos menos reactivos.

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

Actividad: 2 (continuación)

Los Isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen igual número de protones y electrones (igual número atómico) pero diferente número de neutrones (difieren en su masa atómica).

Evaluación Actividad: 2

Producto: Ejercicios de relación. Saberes Procedimental

Conceptual Interpreta la información de la tabla periódica e identifica las características de los metales, no metales y metaloides. Autoevaluación

Establece las diferencias entre los elementos. Utiliza la tabla periódica. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Muestra disposición al trabajo metódico y organizado. Resuelve con precisión sus labores escolares.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 4

117

Importancia socioeconómica en México de los metales, no metales y metaloides. Los metales son muy útiles en la fabricación de herramientas, materiales de construcción, automóviles, etc.; pero los no metales son igualmente útiles en nuestra vida diaria, como componentes principales de ropa, alimentos, combustibles, vidrio, plásticos y madera. Los metaloides se usan con frecuencia en la industria electrónica. Nuestro país sustenta buena parte de su economía en el uso de los metales, no metales y semimetales. En el México prehispánico ya se conocían y utilizaban varios metales como el oro, la plata, el cobre, el estaño, el mercurio y el plomo. Algunas de las joyas y objetos que datan de esa época dan cuenta de la pericia de los orfebres y artesanos. En la época de la Colonia se fueron desarrollando muchos centros de explotación de minerales. Algunas ciudades, como Pachuca, deben gran parte de su crecimiento a las minas de plata que existían en la región. La minería es un conjunto de actividades del sector industrial que incluye operaciones de exploración y beneficio de minerales. Es una actividad económica primaria, porque los minerales se toman directamente de la naturaleza. Existe una amplia variedad de minerales en la Tierra. La naturaleza los presenta en lugares donde se acumulan, conocidos como yacimientos, los cuales se encuentran al aire libre o en el subsuelo, a diferentes profundidades, o en el fondo del mar. Las 32 entidades federativas de la República Mexicana cuentan con yacimientos mineros. A nivel nacional destaca la producción de 10 minerales (oro, plata, plomo, zinc, fierro, coque, azufre, barita y fluorita) seleccionados por su importancia económica y su contribución a la producción nacional. Otros minerales que en México también destacan por su volumen de producción son: molibdeno, carbón mineral, manganeso, grafito, dolomita, caolín, arena sílica, yeso, wollastonita, feldespato, sal, diatomita, sulfato de sodio y sulfato de magnesio.

Los minerales se dividen en metálicos y no metálicos.

En la actualidad, México se ha consolidado como un importante productor de minerales como hierro, zinc, cobre, plomo, manganeso y plata. De hecho, aunque existen otros elementos del producto nacional que generan muchos recursos económicos, la minería y las industrias que procesan minerales se siguen constituyendo como un factor se singular importancia. Una de las tecnologías mexicanas más conocidas en el extranjero es el hierro esponja, que fue desarrollado por, Juan Celada Salmón, cuando trabajaba para la compañía Hojalata y Lámina de Monterrey (HYLSA); consiste en un proceso de reducción directa del mineral de hierro. El producto obtenido puede ser utilizado con gran ventaja en la producción de aceros y algunos otros materiales relacionados. Cabe decir que dentro de la producción mundial de hierro, que asciende a miles y miles de toneladas, la tecnología mexicana del hierro esponja sigue siendo líder. 118

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

 Cierre Actividad: 3 Investiguen en los datos de INEGI (internet o publicaciones), la producción nacional de metales y no metales; también la importancia económica de esta producción.

Actividad: 3 Conceptual Identifica la utilidad e importancia de los metales, no metales y metaloides. Coevaluación

Evaluación Producto: Reporte de investigación. Saberes Procedimental

Puntaje: Actitudinal Promueve el uso racional de los recursos.

Practica la investigación documental. Interpreta información gráfica. C

MC

NC

Cumple con las tareas y los plazos.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 4

119

Secuencia Didáctica 3. Propiedades y tendencias periódicas. Inicio



Actividad: 1 Relaciona los datos que ofrece la casilla de la tabla periódica Anota la letra de la respuesta correcta dentro del paréntesis. (

) Masa atómica

(

) Nombre del elemento

(

) Número atómico

(

) Símbolo

Localiza al carbono en la tabla periódica y responde lo siguiente:  Grupo en el que se localiza_______________________________  El carbono se localiza en el bloque: _______________________  ¿Es metal o no metal? ___________________________________  Periodo en que se encuentra: ____________________________  Menciona dos elementos que se espera presenten característica similares a la del carbono: ___________________________________________________________________________________________________ ¿Qué indica el color en que aparece el símbolo en la tabla periódica? ___________________________________________________________________________________________________ ¿Qué otros datos ofrece tu tabla periódica o la de tu libro sobre el carbono? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 1

Producto: Cuestionario.

Conceptual Identifica la información que ofrece la tabla periódica. Autoevaluación

120

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

Puntaje:

Saberes Procedimental

Actitudinal

Obtiene información de la tabla periódica. C

MC

NC

Utiliza con eficiencia la tabla periódica.

Calificación otorgada por el docente

Desarrollo La tabla periódica moderna generalmente muestra el número atómico junto al símbolo del elemento. La configuración electrónica de los elementos ayuda a explicar la repetición de las propiedades físicas y químicas. La importancia y utilidad de la tabla periódica radican en el hecho de que mediante el conocimiento de las propiedades generales y las tendencias dentro de un grupo o un periodo, se pueden predecir con bastante exactitud las propiedades de cualquier elemento, incluso cuando el elemento no sea común; además se puede sugerir la síntesis de nuevos productos.

Lee detenidamente este tema, lo requieres para contestar la actividad 2

La tabla periódica es una herramienta poderosa para el químico. Está organizada sobre la base de las estructuras atómicas de los elementos. De modo que los elementos que están en la misma columna (grupo) tienen configuraciones electrónicas externas similares. Los cambios en la estructura electrónica, de una columna a otra, al pasar de izquierda a derecha en la tabla varían en una forma predeterminada. Como las propiedades de los elementos se determinan por sus configuraciones electrónicas, se puede predecir las propiedades de la mayoría de los elementos basándose en el conocimiento del comportamiento de alguno de ellos. A medida que se recorre la tabla periódica de izquierda a derecha; se pasa de los metales a los metaloides y se llega a los no metales. Al bajar al próximo periodo (renglón), el mismo patrón se repite. En otras palabras, las propiedades son periódicas. Aparecen propiedades similares a ciertos intervalos de número atómico, como lo propone la Ley Periódica moderna. Estas propiedades deben estar en una estrecha relación con las posiciones de los elementos en la tabla periódica. Algunas de estas propiedades periódicas son el radio atómico, energía de ionización, afinidad electrónica y electronegatividad. El recorrido en la tabla periódica, que se utilizará durante este curso será; para los renglones o periodos siempre de izquierda a derecha y en los grupos o columnas de arriba hacia abajo. A continuación se describen brevemente estas propiedades periódicas.

Radio atómico. El radio atómico se define como la distancia comprendida entre el centro del núcleo y el nivel externo del átomo. El tamaño de un átomo depende del entorno inmediato en el que se encuentre y de su interacción con los átomos vecinos. El radio atómico de un elemento es la mitad de la distancia entre los centros de dos átomos vecinos. En los grupos de la tabla periódica, el tamaño o radio atómico aumenta de arriba hacia abajo, conforme aumenta el nivel de valencia, mientras que en los periodos disminuye de izquierda a derecha, debido a la contracción de la nube electrónica al ser atraída por el núcleo, ya que de izquierda a derecha aumenta la fuerza nuclear al aumentar el número de protones.

BLOQUE 4

121

De este modo se observa que en el periodo 3 el elemento de mayor tamaño es el sodio (Na) y el menor es el argón (Ar), al recorrer el periodo de izquierda a derecha. En el grupo II A encontramos que el de menor tamaño resulta ser el berilio (Be) y el de mayor radio atómico es el bario (Ba). No solo hay relación entre la configuración electrónica y las propiedades físicas, también hay una relación cercana entre la configuración electrónica (una propiedad microscópica) y el comportamiento químico (una propiedad macroscópica). Las propiedades químicas están determinadas por la configuración de los electrones de valencia de sus átomos.

Energía de ionización o Potencial de ionización. A esta propiedad también se le conoce como potencial de ionización y se define como la energía necesaria para arrancar un (1) electrón a un átomo neutro y formar iones positivos o cationes. Los átomos son eléctricamente neutros porque tienen igual número de protones (cargas positivas) y de electrones (cargas negativas). Sin embargo, cuando en una reacción química el átomo pierde o gana electrones, obtiene una carga eléctrica y se dice que se ha convertido en un ión. La carga del ión tendrá signo positivo cuando el átomo pierda electrones y adquirirá carga negativa cuando gane electrones. A los iones positivos se les conoce como cationes y a los iones negativos como aniones. Al perder el átomo un electrón se convierte en un ion con carga positiva (o catión) debido a que el número de protones es mayor al número de electrones es decir:

Na,

el número atómico indica que el sodio tiene 11 protones pero también 11 electrones es neutro, es decir la suma de 11 cargas positivas y 11 cargas negativas da cero (neutro). Al perder un electrón tiene ahora 10 cargas 11

negativas y conserva las 11 positivas, por lo que adquiere carga positiva (catión) y se representa como

Na+1.

La energía de ionización es la energía mínima (en kJ/mol) que se requiere para quitar un electrón de un átomo en estado gaseoso, en su estado fundamental. En otras palabras la energía de ionización es la cantidad de energía en kilojoules que se necesita para quitar un mol de electrones a un mol de átomos en estado gaseoso.

122

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

En esta definición se especifica el estado gaseoso de los átomos porque un átomo en estado gaseoso no está influido por los átomos vecinos y, por lo tanto, no existen fuerzas intermoleculares (es decir, fuerzas entre las moléculas) que deban tomarse en cuenta al realizar la medición de la energía de ionización. La magnitud de la energía de ionización es una medida de que tan fuertemente esta unido el electrón al átomo. Cuanto mayor es la energía de ionización es más difícil quitar el electrón. Para los átomos polielectrónicos la cantidad de energía requerida para quitar el primer electrón del átomo en su estado fundamental, se denomina primera energía de ionización (I 1) y los subsecuentes electrones segunda energía, etc. Cuando se quita un electrón a un átomo neutro (con el mismo número de protones y electrones) disminuye la repulsión entre los electrones. Debido a que la carga nuclear (protones) permanece constante, se necesita más energía para quitar otro (el segundo) electrón del ion cargado positivamente (al perder un electrón se convierte en catión o ion positivo). Así las energías de ionización para un mismo átomo siempre aumentan en el siguiente orden: I1< I2 < I3.... Las energías de ionización de los elementos ubicados en la tabla periódica, aumentan de izquierda a derecha, a través de las filas o los periodos y disminuyen, de arriba hacia abajo, en las columnas o grupos.

Se observa que, salvo por algunas irregularidadades, la primera energía de ionización de los elementos de un periodo aumenta a medida que aumenta el número atómico. Esta tendencia se debe al incremento de la carga nuclear efectiva de izquierda a derecha (como en el caso de la variación de los radios atómicos). Una mayor carga nuclear efectiva significa que el electrón externo es atraído con más fuerza y por lo tanto la primera energía de ionización es mayor. Los máximos corresponden a los gases nobles, originada por su configuración electrónica estable en el estado fundamental (para que un átomo sea estable debe tener todos sus orbitales llenos), explica el hecho de que la mayoría de ellos son químicamente inertes. De hecho, el helio (1s 2) tiene la primera energía de ionización más elevada de todos los elementos.

BLOQUE 4

123

Afinidad electrónica. Si para arrancarle un electrón a un átomo se requiere energía (energía de ionización), entonces: ¿qué pasa cuando un átomo gana un electrón? Cuando un átomo en estado gaseoso gana un electrón, desprende una cierta cantidad de energía convirtiéndose en un átomo con carga negativa o anión. La cantidad de energía desprendida depende del tipo de átomo que gane ese electrón. La afinidad electrónica se define como: la cantidad de energía que se desprende cuando un átomo gaseoso gana un electrón, para convertirse en un ion negativo o anión. La ecuación es:

La tendencia a aceptar electrones aumenta al moverse de izquierda a derecha en un periodo. Las afinidades electrónicas de los metales por lo general son menores que las de los no metales. Dentro de un grupo la variación de los valores es pequeña. Los halógenos (grupo VII A) tienen los valores más altos de afinidad electrónica. Esto no sorprende si se observa que al aceptar un electrón, cada átomo de halógeno adquiere la configuración electrónica del gas noble que aparece de inmediato a su derecha. Los valores de afinidad electrónica de los gases nobles se cree que son cercanas a cero o son negativas.

Electronegatividad. Linus Pauling (1901-1994), químico y físico estadounidense, descubrió que al formarse los enlaces, los átomos atraen con mayor o menor fuerza hacia sí a los electrones enlazantes. A esta característica, Pauling la llamo electronegatividad. La electronegatividad es un número positivo que se asigna a cada elemento y muestra la capacidad o fuerza del átomo para atraer y retener electrones de enlace. En la tabla periódica el valor de estos números aumentan de izquierda a derecha, ya que los halógenos (grupo VII A) son los más electronegativos, y el más electronegativo de todos elementos es el flúor (F), al cual en la escala de la electronegatividad, se le asigna el número 4. Los menos electronegativos (más electropositivos) son el cesio (Cs) y el francio (Fr).

124

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

Linus Pauling

Actividad: 2 Contesta brevemente las siguientes preguntas. Define radio atómico. ¿Tiene un significado preciso el tamaño de un átomo? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Define energía de ionización. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Define afinidad electrónica. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Por qué la afinidad electrónica y la energía de ionización se miden en átomos en estado gaseoso? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Qué diferencia existe entre un ion positivo y un ion negativo? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Indica si tienden a aceptar, ceder o compartir electrones los elementos que tienen: Electronegatividad muy baja, como los metales.__________________________________________________________ Electronegatividad muy alta, como los no metales.________________________________________________________

Evaluación

    

Actividad: 2 Conceptual Caracteriza las propiedades periódicas. Autoevaluación

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Saberes Procedimental Actitudinal Redacta la definición de las Se expresa con exactitud. propiedades periódicas. C MC NC Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 4

125

 En la tabla periódica la electronegatividad varía de la misma forma que el potencial de ionización y la afinidad electrónica; las tres aumentan de izquierda a derecha en los periodos y disminuyen de arriba hacia abajo en los grupos. El tamaño atómico tiene comportamiento inverso, aumenta de arriba hacia abajo en los grupos y disminuye de izquierda a derecha en los periodos. Tabla de variación de las propiedades de los elementos en la tabla periódica. D = Disminuye

A = aumenta

Radio atómico Carácter metálico Carácter no metálico Electronegatividad Afinidad electrónica Energía de ionización

Radio atómico Carácter metálico Carácter no metálico Electronegatividad Afinidad electrónica Energía de ionización

126

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

(D) (D) (A) (A) (A) (A)

(A) (A) (D) (D) (D) (D)

Cierre Actividad: 3 Con base en la variación de las propiedades periódicas en la tabla periódica, contesta los siguientes cuestionamientos. Es el grupo de la tabla periódica en el que se encuentran los elementos de mayor electronegatividad: ___________________________________________________________________________________________________ 

De todos los elementos del cuarto periodo (K hasta Kr) indica:

¿Cuál tiene mayor electronegatividad?__________________________________________________________________ ¿Cuál tiene el menor radio atómico?____________________________________________________________________ ¿Cuál es el metal más activo?_________________________________________________________________________ ¿Cuál tiene la mayor energía de ionización?______________________________________________________________ ¿Cuál es el elemento de mayor afinidad electrónica?______________________________________________________ ¿Cuáles elementos son metaloides?____________________________________________________________________ 

De todos los elementos del grupo IV A o columna 14 (C hasta Pb) indica:

¿Cuál es el elemento más electronegativo?______________________________________________________________ ¿Qué elemento tiene el menor tamaño atómico?__________________________________________________________ ¿A cuál elemento resulta más difícil quitarle un electrón?___________________________________________________ Los elementos semiconductores:______________________________________________________________________ Elementos no metálicos:______________________________________________________________________________ Elementos metálicos:_________________________________________________________________________________ ¿Cuál de los siguientes átomos: oro (Au), cobre (Cu) o plata (Ag), tiene el mayor radio atómico? ___________________________________________________________________________________________________ ¿Cuáles de los siguientes elementos es el de menor afinidad electrónica: el magnesio (Mg), argón (Ar), aluminio (Al), fósforo (P) o sodio (Na)? _________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 3 Conceptual Describe las propiedades periódicas y su variación en la tabla periódica. Autoevaluación

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Saberes Procedimental Actitudinal Relaciona las propiedades periódicas con respecto a la Realiza con precisión sus labores ubicación de los elementos en la escolares. tabla. C MC NC Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 4

127

128

INTERPRETA LA TABLA PERIÓDICA

Interpreta enlaces químicos e interacciones moleculares. Unidades de competencia: Distingue los diferentes modelos de enlace interatómicos e intermoleculares, relacionando las propiedades macroscópicas de las sustancias con el tipo de enlace que presentan.

Atributos:

Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas: 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y Diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 10 horas.

Secuencia didáctica 1. ¿Cómo se unen los átomos? Inicio



Actividad: 1 Observa y analiza la configuración de los gases nobles. Contesta lo que se te solicita a continuación.

2

He 1s2

10

Ne 1s22s22p6

18

Ar 1s22s22p63s23p6

36

Kr 1s22s22p63s23p64s23d104p6

54

Xe 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6

86

Rn 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p6

A partir de la configuración algebraica de los gases nobles, escribe la configuración puntual o de Lewis para cada uno de ellos. ¿Qué presentan en común las configuraciones de los gases nobles? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Qué observas en la configuración del sodio si le quitamos el electrón de valencia? 11

Na 1s22s22p63s1

1s22s22p6

___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Con base en la observación de las configuraciones de los gases nobles, ¿a qué asocias el término octeto? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 1

Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Conceptual Identifica los electrones de valencia. Autoevaluación

130

Puntaje:

Elabora estructuras de Lewis. C

MC

NC

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

Actitudinal Valora la representación simbólica utilizada en Química.

Calificación otorgada por el docente

Desarrollo Los átomos se han considerado hasta ahora como partículas aisladas, pero realmente en su gran mayoría se encuentran unidos con otros átomos de la misma especie, formando las moléculas de las sustancias llamadas elementos o con otros de distinta especie, formando moléculas de las sustancias llamadas compuestos. Pero, ¿qué es aquello mantiene unidos a los átomos o a las moléculas? Para comprender y poder explicar cómo los átomos se unen para formar las sustancias sencillas o las sustancias compuestas. Los estudiosos de la química han establecido un modelo teórico que permite explicar lo que ocurre cuando se unen los átomos. A este modelo teórico se le ha llamado enlace químico, y se define como “la fuerza de atracción que mantiene unidos a los átomos o iones o a las moléculas en las sustancias”. Diversos estudios han determinado que los enlaces químicos se forman mediante las interacciones entre los electrones de valencia de los átomos que se unen. Y dichos estudios también han determinado que dependiendo del tipo de enlace que une a los átomos o a las moléculas, serán las propiedades de la sustancia que forman. Para el entendimiento del modelo teórico del enlace químico, la configuración electrónica del nivel más externo de los átomos, ya conocido como nivel de valencia, juega un papel decisivo. De esta configuración depende el tipo de enlace que se forme. Los gases nobles o inertes presentan una distribución electrónica con los orbitales “s” y “p” ocupados por completo (s2 p6), a esto se atribuye la razón de su máxima estabilidad. Los demás elementos poseen niveles de valencia con orbitales “s” o “p” incompletos y de allí su mayor o menor inestabilidad o reactividad. La formación espontánea de un enlace químico entre átomos, es una manifestación de la tendencia de cada átomo a alcanzar el ordenamiento electrónico más estable posible, simulando así a los gases nobles o inertes.

Regla del octeto. En 1916 Gilbert Lewis y Walther Kossel propusieron esquemas muy similares para explicar el enlace entre átomos; ambos establecieron que los átomos interaccionaban para modificar el número de electrones en sus niveles electrónicos externos, con la finalidad de lograr una estructura electrónica similar a la de un gas noble. A esta propuesta se le conoce como la teoría o regla del octeto o regla de las especies isoelectrónicas por el caso del Helio. La estructura de un gas noble consta de ocho electrones en el nivel más externo, con excepción del Helio, cuyo nivel completo consiste sólo de dos electrones. Con lo que se atiende a elementos como son el Hidrógeno, Litio, Berilio y Boro. En conclusión todos los elementos tienden a adquirir una configuración electrónica estable, similar a la estabilidad que presentan los elementos llamados gases nobles o inertes, por lo que los átomos de aquellos elementos distintos a los gases nobles lo logran interactuando mediante enlaces químicos con otros átomos y para ello lo hacen cediendo, aceptando o compartiendo uno o más electrones. El enlace químico entre los átomos se conoce como enlace atómico. Existen tres tipos importantes de enlace atómico que permiten formar a un compuesto; estos son: iónico, covalente y metálico. Las propiedades periódicas de los elementos; potencial de ionización, afinidad electrónica y electronegatividad, permiten hasta cierto punto definir el comportamiento de los átomos al momento de presentar un posible enlace; es así cómo aquellos átomos con bajo potencial de ionización, baja afinidad electrónica y baja electronegatividad, se comportan cediendo uno o más electrones. Los átomos con alto potencial de ionización, alta afinidad electrónica y alta electronegatividad, se comportan aceptando uno o más electrones, cuando estas propiedades entre los átomos a enlazarse, son muy similares, lo que sucede es que pueden compartir uno o más electrones.

BLOQUE 5

131

Configuración puntual o estructura de Lewis. Solo los electrones de valencia son los que participan en la formación de los enlaces químicos. En la estructura de Lewis (configuración puntual o de Lewis revisada en el bloque 3) los electrones de los orbitales externos se representan por medio de puntos alrededor del símbolo del átomo. Estas estructuras sirven para ilustrar enlaces químicos. Consiste en representar por medio de puntos a los electrones de valencia, donde el símbolo químico del elemento representa al núcleo del mismo. Para distinguir los electrones de valencia de un átomo se usan puntos de un color diferente a los puntos que representan a los electrones de valencia del otro átomo. La estructura de Lewis puede ser empleada para representar tanto los enlaces iónicos como los enlaces covalentes. En los enlaces electrovalentes se señala con una flecha la transferencia del electrón, del átomo menos electronegativo al de mayor electronegatividad. En el caso de los enlaces covalentes, los electrones que se comparten se colocan entre los símbolos de los átomos y pueden ser representados por un par de puntos, o un guión, cada guión representa un par de electrones compartido o un enlace covalente.

Tipos de enlace. Modelo de enlace iónico. El enlace iónico ocurre cuando hay transferencia completa de uno o más electrones de un átomo a otro. El átomo que pierde electrones deberá ser el de menor electronegatividad y se transforma en un ion positivo o catión, y el que acepta electrones deberá ser el de mayor electronegatividad y se convierte en un ion negativo o anión. El número de electrones perdidos o ganados dependerá de las necesidades del átomo para cumplir con la regla de las especies isoelectrónicas, a su vez esa tendencia determina la valencia o capacidad de combinación del elemento. Na

-

1e–

Na+1

Mg

-

2e–

Mg+2

F

+

1e–

F–1

O

+

2e–

O–2

En el momento en el que se forman los iones (+) y (-), se experimenta una fuerza de atracción de los iones de distinta carga con carácter electrostático y por eso el enlace iónico se llama también electrovalente. Se considera que el enlace es electrovalente cuando su porcentaje de electrovalencia es del 50% o mayor. El porcentaje de electrovalencia, en la unión de dos elementos, se puede calcular en forma aproximada con el uso de la siguiente tabla.

Porcentajes de electrovalencia. Dif. Electr. Porcentaje Dif. Electr. Porcentaje

132

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

0.5

1

2

4

6

9

12

15

19

22

26

30

34

39

43

47

1.7

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

3.0

3.1

3.2

51

55

59

63

67

70

74

76

79

82

84

86

88

89

91

92

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

Por ejemplo, la electronegatividad del sodio (Na) es 0.9 y la del cloro (Cl) 3.0, por tanto su diferencia es: 3.0–0.9=2.1 lo que da como resultado en la tabla un porcentaje de 67%; el compuesto NaCl se une por tanto por un enlace iónico o electrovalente, es decir, su porcentaje de electrovalencia es mayor de 50%. Otra forma de interpretar esta relación de electronegatividad sería: si la diferencia de electronegatividad es 1.7 o mayor, el enlace es iónico; si la diferencia es menor a 1.7, se tiene un enlace covalente con cierta polaridad o polar; si la diferencia es igual a cero, es un enlace 100% covalente y con cero de polaridad o no polar. Por ejemplo: Determinación del enlace a partir de la electronegatividad. Elementos Diferencia de electronegatividad Tipos de enlace Na y Cl 3.0 – 0.9 = 2.1 Iónico SyO 3.5 – 2.5 = 1.0 Covalente polar NyN 3.0 – 3.0 = 0 Covalente no polar En conclusión la formación de un compuesto iónico se debe a la reacción entre átomos de un metal con átomos de un no metal. El átomo del metal al transferir electrones queda con carga positiva (catión) y el átomo del elemento no metálico al aceptar electrones queda con carga negativa (anión); entonces, con la atracción de las fuerzas electrostáticas se forma el enlace entre iones o sea un enlace iónico, tal como se observa en la unión del sodio (metal) y el cloro (no metal); para formar el cloruro de sodio (NaCl):

Ejemplos de sustancias que presentan este tipo de enlace son: las sales, los óxidos metálicos y las bases que contienen un metal y un no metal, como NaCl, CaF2, K2O, BaS, NaOH, Ca(OH)2. Como se observa, los elementos de los grupos I y II se unen con elementos de los grupos VII y VI.

BLOQUE 5

133

Propiedades de los compuestos iónicos. Propiedades de los compuestos con este tipo de enlace:     

Las sustancias iónicas se encuentran en la naturaleza formando redes cristalinas de forma geométrica (cúbica, rómbica, hexagonal), por tanto son sólidas y se presentan en forma de cristales. La atracción entre iones es muy fuerte, lo que hace difícil separarlos, para lograrlo se requieren de grandes cantidades de energía por lo que las temperaturas de fusión y de ebullición son muy elevadas. Fundidos o en solución acuosa, son buenos conductores de la corriente eléctrica, por lo que se les considera electrolitos. Son solubles en disolventes polares como el agua. En solución son químicamente activos.

Actividad: 2 Resuelve lo siguiente. Utilizando la tabla periódica y los porcentajes de electronegatividad, determina del siguiente listado qué compuestos se formaron por enlace iónico.

Compuesto

Enlace iónico (compuesto iónico) Si/No

MgO

CaCl2

NO

KBr

CuF

HI

134

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

Actividad: 2 (continuación) Representa, con la estructura de Lewis, la formación del enlace de los compuestos iónicos del cuadro anterior.

Explica la aplicación de la regla del octeto en la formación de los compuestos: MgO y KBr. _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ Marca con una X las sustancias que en solución acuosa conducen la corriente eléctrica: NaCl

CO2

CaO

Ba

ClO

CaS

PtF

NO

LiCl

N2

Evaluación Actividad: 2

Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Conceptual Identifica si un compuesto presenta enlace iónico.

Autoevaluación

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

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Valora la utilidad de los modelos teóricos para explicar la estructura de la materia. Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 5

135

El modelo de enlace covalente. ¿Cómo se combinan los átomos de los elementos que tienen similar electronegatividad? Además de los compuestos iónicos, existe otro tipo de compuestos en los cuales los átomos están unidos por un enlace covalente. Los átomos que se unen por enlace covalente forman unidades de compuesto llamadas moléculas. Una molécula es “un conglomerado eléctricamente neutro de dos o más átomos unidos mediante enlaces covalentes, que se comporta como una sola partícula”. Los átomos que se unen mediante enlace covalente también deben cumplir con la regla del octeto, con excepción del hidrógeno, que sólo acepta dos electrones en su capa de valencia. A diferencia del enlace iónico, donde los átomos adquieren la configuración de gas noble mediante la pérdida o ganancia de electrones de valencia, en el enlace covalente los átomos logran lo anterior al compartir los electrones de valencia que forman el enlace, de ahí el nombre de enlace covalente. Se puede decir que el enlace covalente es “la fuerza de atracción entre dos átomos como resultado de compartir uno o más pares de electrones”. El enlace covalente es más común entre átomos de la misma especie o entre especies semejantes; esto es, los átomos con electronegatividades iguales (mismo elemento) o ligeramente diferentes, pueden formar moléculas compartiendo uno o más pares de electrones. Los compuestos son covalentes cuando su porcentaje de electrovalencia es menor del 50%. ¿Cuántos tipos de enlace covalente hay? En los enlaces covalentes entre átomos sólo participan los electrones de valencia. Por ejemplo: la molécula de flúor, 2 2 5 F2. La configuración electrónica del F es 1s 2s 2p , cada átomo de F tiene siete electrones de valencia y por lo tanto sólo hay un electrón desapareado, de tal manera que la formación de la molécula de F2, se representa

En la formación de la molécula de F2 sólo participan dos electrones de valencia. Los demás electrones no enlazantes son denominados pares libres, es decir, pares de electrones de valencia que no participan en la formación del enlace covalente, teniendo como consecuencia tres pares de electrones libres por cada átomo de flúor. Los átomos pueden formar distintos tipos de enlaces covalentes, y esto de acuerdo al número de pares de electrones que comparten, por lo que tenemos: covalente sencillo o simple si se comparte sólo un par de electrones; covalente doble al compartir dos pares de electrones y covalente triple si son tres los pares de electrones compartidos. En los ejemplos se señalan los electrones con punto y cruz para distinguir qué átomo los aporta:

En caso extremo de que los pares electrónicos de enlace fueran aportados por un solo átomo, como el caso del ion NH4+, en el cual el átomo de nitrógeno aporta el par de electrones al enlace con el ion H +, tal y como se muestra en la siguiente figura:

136

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

A este tipo de enlace covalente se le denomina coordinado o dativo. El átomo que aporta la pareja de electrones recibe el nombre de donante y el que los recibe, aceptor. Enlace covalente no polar Los electrones compartidos en una molécula formada por dos átomos iguales se encuentran atraídos con la misma fuerza por los dos núcleos, debido a que la diferencia de electronegatividad es cero. Esto implica que cada uno de los átomos ejerce la misma atracción sobre el par electrónico y el mismo estará, en promedio, a igual distancia entre ambos núcleos, es decir que se presenta una compartición electrónica simétrica. Esto sucede en moléculas como H 2, Cl2, O2, o N2. Los enlaces se denominan no polares, son covalentes 100% puros y se encuentran siempre en moléculas formadas por átomos idénticos.

Enlace covalente polar Se forma cuando dos átomos no metálicos de diferente electronegatividad comparten electrones y uno de ellos tienen una afinidad más fuerte por los electrones, que su pareja de enlace, lo que provoca que la nube electrónica se deforme y tenga una mayor densidad en el átomo más electronegativo, originando polos en las moléculas, uno con carga parcial positiva y otro con carga parcial negativa. Por ejemplo la molécula formada por hidrógeno y cloro (HCl), la electronegatividad del cloro es 3 y el valor de la electronegatividad del hidrógeno es 2.1. Por ello la carga parcial negativa es para el cloro y la densidad de la nube electrónica se carga al lado del cloro.

¿Cómo se representa el enlace covalente? Construye la estructura de Lewis, donde representes los enlaces covalentes con guiones (cada guión representa un par de electrones enlazantes) y los electrones libres (no enlazantes) con puntos, esta estructura también se conoce como geometría electrónica. Los pasos a seguir son los siguientes: 1. 2. 3. 4.

El primer paso para dibujar la estructura de Lewis es determinar el número de electrones necesarios para unir los átomos; esto se hace agregando los electrones de valencia de los átomos en la molécula. Conectar con uniones simples los otros átomos de la molécula al átomo central. Completar la capa de valencia del átomo más exterior de la molécula. Colocar los electrones remanentes en el átomo central: Si la capa de valencia del átomo central está completa, lograste dibujar una estructura aceptable de Lewis. Si la capa de valencia del átomo central no está completa, usa un par en uno de los átomos exteriores para formar un doble enlace entre el átomo exterior y el central. Continúa este proceso de hacer enlaces múltiples hasta que la capa de valencia del átomo central esté completa.

A continuación se representa la estructura de Lewis para: Cl2, O2, N2, H2SO4

BLOQUE 5

137

Actividad 3: Actividad: 3 Resuelve los siguientes ejercicios sobre enlaces covalentes.

 Indica si el enlace covalente de las siguientes moléculas es polar o no polar. Molécula

Enlace

Br2 H2S O3 CH4 PH3

 Representa la estructura de Lewis para las anteriores moléculas

138

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

Actividad: 3 (continuación) 

Dibuja la orbital molecular para las moléculas: HBr y N2

Actividad: 3 Conceptual Identifica las características de los distintos tipos de enlaces covalentes. Autoevaluación

Evaluación Producto: Ejercicios de representación de enlaces. Saberes Procedimental Realiza ejercicios en los que se demuestra la formación del enlace covalente utilizando estructuras de Lewis. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Valora la utilidad de los modelos teóricos para explicar la estructura de la materia.

Calificación otorgada por el docente

Geometría molecular. Las moléculas de distintas sustancias poseen diferentes formas, y éstas se deben a que los átomos, cuando se unen entre sí, adoptan muy diferentes distribuciones geométricas en el espacio. En general los ángulos y las longitudes de los enlaces se determinan experimentalmente, pero existe una teoría que permite predecir la geometría electrónica y molecular. La teoría que pronostica cómo se orientan en el espacio los pares de electrones compartidos y no compartidos que rodean al átomo central, en términos de repulsiones entre dichos pares, se denomina teoría de la repulsión de los pares de electrón de valencia (TRPEV) propuesta por el canadiense Ronald Gillespie. ¿De qué manera podemos determinar cuál puede ser la geometría molecular de un compuesto? Lo primero que se debe hacer es contar cuántos enlaces presenta la molécula y cuántos pares de electrones no enlazantes rodean al átomo central. Con esta información, utilizar el siguiente cuadro donde se encuentra la clase de geometría molecular que le corresponde:

Ronald Gillespie

BLOQUE 5

139

Para predecir entonces la geometría molecular de acuerdo al modelo TRPEV debemos de seguir las siguientes reglas: Dibujar la estructura de Lewis de la molécula. Contar los pares de electrones solitarios alrededor del átomo central. Contar los pares de electrones formando enlaces. Calcular los pares totales de electrones. Visualizar la geometría con la combinación de los pares compartidos y solitarios de acuerdo a la tabla anterior. (Descripción de la estructura molecular). Ejemplo: determinar la geometría molecular del CCl4 1. 2. 3.

140

Determinamos la estructura de Lewis Se cuentan los pares de electrones solitarios en el átomo central que en este caso es el Carbono, con 0 pares. Se cuentan los pares de electrones compartidos, cada enlace es un par, de manera que en este ejemplo son 4.

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

4.

Utilizando la tabla, se observa que la geometría molecular es tetraédrica, como se aprecia en la figura:

Propiedades de los compuestos covalentes. Al disolverse no forman iones y por ello no se comportan como electrolitos (no conducen la energía eléctrica) Pueden presentarse prácticamente en cualquier estado de agregación: sólido, líquido y gas. Los sólidos covalentes macromoleculares tienen altos puntos de fusión y ebullición, son duros, malos conductores y en general insolubles. Presentan variados puntos de ebullición, aunque generalmente son bajos. Se disuelven en solventes polares o no polares, dependiendo si el compuesto tiene enlace covalente polar o no polar, respectivamente. A continuación se presentan por separado las propiedades de compuestos polares y no polares: COVALENTES POLARES

COVALENTES NO POLARES

Existen en los tres estados de agregación.

Generalmente existen en forma gaseosa.

Tienen gran actividad química.

Presentan actividad química media.

Son solubles en agua.

Son prácticamente insolubles en agua.

Disueltos en agua permiten el paso de la corriente eléctrica pero no con la intensidad con la que lo hacen los compuestos iónicos por lo que a los compuestos covalentes polares también se les llama electrolitos débiles.

En estado líquido no permiten el paso de la corriente eléctrica.

Presentan puntos de fusión y ebullición bajos pero más altos que los no polares.

Sus puntos de fusión y ebullición son muy bajos.

Modelo del enlace metálico. Tres cuartas partes de los elementos del sistema periódico son metales, constituyendo así el grupo más extenso. El papel que estas sustancias han tenido en el desarrollo de la humanidad es tan importante que incluso se distingue entre la edad de piedra, la edad de bronce y la del hierro. Una de las cualidades de los metales es la de tener uno, dos o hasta tres electrones en su nivel de valencia. Generalmente los metales tienden a ceder sus electrones de valencia a otros átomos, como ya se revisó en el enlace iónico. Entonces surge la pregunta: ¿cómo es que pueden unirse entre átomos metálicos?

BLOQUE 5

141

Mar de electrones Los metales presentan un tipo de enlace característico que les permite exhibir propiedades como conductividad eléctrica, maleabilidad, dureza, entre otras. Para explicar el enlace metálico se han elaborado dos teorías: la teoría del mar de electrones y la teoría de bandas. De acuerdo con la teoría del mar de electrones, los electrones de valencia están localizados en todo el cristal, de tal manera que este enlace se considera como una serie de iones positivos (núcleos) rodeados por un “mar” de electrones móviles.

Modelo del mar de electrones

La alta conductividad eléctrica de los metales se explica fácilmente, considerando que sus electrones de valencia se encuentran libres para moverse cuando se les aplica un potencial eléctrico. La alta conductividad térmica de los metales es también una consecuencia de los electrones libres que pueden adquirir gran energía, moverse rápidamente a través del cristal y, por tanto, transportar el calor. Teoría de bandas Según la teoría de bandas, como los átomos metálicos poseen un pequeño número de electrones de valencia con los cuales pueden unirse a los átomos vecinos, se requiere un amplio reparto de la superposición de orbitales atómicos de energía equivalente con los átomos adyacentes, lo cual supone que, por ejemplo, si los electrones de un determinado átomo metálico ubicados en los orbitales 1s se mezclaran con los orbitales 1s de los átomos vecinos, en consecuencias se formará a lo largo del metal una banda de energía que ya no pertenece a un átomo en concreto, sino a todos los átomos participantes. Las bandas de energía se forman con orbitales de energía similar y por esa razón pueden llegar a establecerse varias bandas, cada una de ellas con un nivel de energía distinto. Los orbitales así formados poseen dos electrones cada uno y se van llenando, en orden de menor a mayor energía, hasta agotar el número de electrones disponibles. Cada una de las bandas tiene un margen de valores de energía y para que un electrón forme parte de una banda debe poseer una cantidad de energía adecuada. A veces, dependiendo del metal, se dan interrupciones de energía entre las bandas porque algunos electrones no tienen acceso a ese nivel. Partiendo de lo anterior se entiende que las bandas con mayor energía no están llenas de electrones. Cuando un átomo absorbe energía térmica, algunos electrones se desplazan a las bandas de mayor energía; este fenómeno es el que explica la elevada conductividad térmica y eléctrica de los metales.

142

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

Actividad: 4 Realiza los siguientes ejercicios, sobre estructura de Lewis y geometría molecular.

Con base en la estructura de Lewis que se te proporciona del BF 3, encuentra su geometría molecular, con apoyo de la tabla: “Descripción de la estructura molecular”. Su geometría molecular es:

Utilizando la estructura de Lewis, desarrolla la representación del enlace entre los átomos que forman las moléculas de: agua (H2O), metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2); una vez que hayas realizado el enlace, dibuja la geometría de esta molécula. Agua H2O

Actividad: 4 Conceptual

Identifica la geometría molecular a partir de la estructura de Lewis.

Autoevaluación

Metano CH4

Dióxido de carbono CO2

Evaluación Producto: Representaciones moleculares. Saberes Procedimental Desarrolla ejercicios en los que muestra la estructura de Lewis y la geometría molecular de compuestos covalentes.

Puntaje: Actitudinal

Valora la utilidad de los modelos teóricos.

Dibuja la geometría molecular de compuestos sencillos. C MC NC Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 5

143

Actividad: 5 Elabora un mapa conceptual sobre el enlace metálico. Entrégalo a tu profesor para su retroalimentación.

144

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

Evaluación Actividad: 5

Producto: Mapa conceptual. Saberes Procedimental

Conceptual Compara las teorías que explican el enlace metálico.

Autoevaluación

Explica el enlace metálico. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Valora la utilidad de los modelos teóricos. Calificación otorgada por el docente

Sitios Web recomendados:

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/ curso/materiales/enlaces/activfinal.htm

Cierre Actividad: 6 En equipo. Resuelva los siguientes ejercicios. Clasifiquen los siguientes compuestos por tipo de enlace y representen la formación del enlace químico correspondiente, utilizando la estructura de Lewis: Al2O3, CCl4, O3, LiCl, NaBr, N2, SnBr4, CrO, TeO2 y NO2. Iónicos

Covalentes polar

Covalente no polar

BLOQUE 5

145

Actividad: 6 (continuación) Registren los datos solicitados en la tabla, sobre enlaces atómicos. Consulta diversas fuentes de información. Tipo de enlace

Características

Iónico

Covalente

Metálico

146

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

Ejemplos

Evaluación Actividad: 6

Producto: Tabla de contenido. Saberes Procedimental

Conceptual

Distingue los tipos de enlaces atómicos.

Coevaluación

Puntaje: Actitudinal

Clasifica compuestos por el tipo de enlace.

Participa propositivamente en el trabajo de grupo.

Representa los enlaces, por medio, de la estructura de Lewis.

Realiza las labores escolares en forma ordenada.

C

MC

NC

Calificación otorgada por el docente

Actividad: 7 Para cada una de las siguientes propiedades, escribe si describen a un compuesto iónico, covalente (polar o no polar) o metálico. 1) Conduce la electricidad en estado sólido. ____________________________________________________________ 2) Es un aislante____________________________________________________________________________________ 3) Tiene punto de fusión muy alto______________________________________________________________________ 4) Es un semiconductor _____________________________________________________________________________ 5) Los electrones entre los átomos del compuesto están compartidos en forma desigual ________________________________________________________________________________________________ 6) Tiene un punto de fusión bajo_______________________________________________________________________ 7) Se disuelve en solvente no polar ____________________________________________________________________ 8) En solución conduce la electricidad__________________________________________________________________ 9) Se presenta como cristal geométrico ________________________________________________________________ 10) La nube electrónica se comparte por igual entre sus átomos ____________________________________________

Evaluación Actividad: 7

Producto: Completar relación.

Puntaje sugerido:

Saberes Conceptual Identifica las propiedades de los compuestos iónicos y covalentes. Autoevaluación

Procedimental

Actitudinal

Establece la relación entre el tipo de enlace y las propiedades de los compuestos. C

MC

NC

Participa propositivamente en el trabajo de grupo. Realiza las labores escolares en forma ordenada.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 5

147

Secuencia didáctica 2. Atracción entre moléculas. Inicio



Actividad: 1 Resuelve el siguiente cuestionario. Para resolverlo puedes investigar en libros de química general o química inorgánica o en diccionarios especializados. ¿Qué es una molécula? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Cómo se forman las moléculas? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Qué tipos de moléculas existen? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Cómo se representan las moléculas? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Qué es una fórmula? Describe sus componentes. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Qué formas pueden presentar las diferentes moléculas? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

148

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

Evaluación Actividad: 1

Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Conceptual Caracteriza las moléculas. Autoevaluación

Puntaje: Actitudinal Responde con exactitud. Se expresa por escrito, con propiedad.

Resuelve cuestionario. C

MC

NC

Calificación otorgada por el docente

Desarrollo Los átomos, al unirse mediante enlaces covalentes, forman unidades moleculares. Así, por ejemplo, se sabe que cuando el hidrógeno reacciona con el oxígeno se obtiene agua y que cada molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos mediante enlaces covalentes. Sin embargo, el agua es una sustancia que además de encontrarse en estado gaseoso puede ser líquida o sólida, de modo que se plantea la incógnita de cuál es el mecanismo mediante el cual las moléculas de agua se unen entre sí, ya que si no existiera ninguna fuerza de enlace entre ellas el agua siempre se encontraría en estado gaseoso. El mismo tipo de razonamiento puede hacerse para el caso de otras sustancias covalentes. Por otra parte, muchas sustancias covalentes que a temperatura y presión ambientales se hallan en estado gaseoso, cuando se baja la temperatura lo suficiente pueden licuarse o solidificarse. ¿Cómo se unen entonces las moléculas? Para entender los enlaces moleculares, es necesario conocer qué es una molécula y además distinguir que existen moléculas polares y no polares. Como consecuencia de la estructura que presentan las moléculas, se producen entre ellas diferentes fuerzas de atracción. Estas fuerzas son de distinta intensidad y mantienen más o menos unidas a las moléculas entre sí, determinando las propiedades de las sustancias. Una medida cuantitativa de la polaridad es un momento dipolo. El momento dipolo de una molécula formada por tres o más elementos está determinado tanto por la polaridad de sus enlaces como por su geometría. Las moléculas diatómicas que contienen átomos de elementos diferentes (por ejemplo, HCl, CO y NO) tienen momento dipolo y se dice que son moléculas polares. Las moléculas diatómicas que contienen átomos del mismo elemento (por ejemplo, H2, O2 y F2) son moléculas no polares porque no presentan momento dipolo. Las fuerzas intramoleculares mantienen juntos a los átomos de una molécula, estabilizan a las moléculas individuales en tanto que las fuerzas intermoleculares son las principales responsables de las propiedades macroscópicas de la materia. La polaridad química es una propiedad de las moléculas que representa la desigualdad de las cargas eléctricas en la misma. Esta propiedad se relaciona con otras propiedades como la solubilidad, punto de fusión, punto de ebullición, etc. La polaridad influye en el estado de agregación. Las moléculas polares se disuelven fácilmente en disolventes polares y no lo hacen en disolventes no polares. El disolvente polar por excelencia es el agua, así que las sustancias polares son hidrosolubles o hidrófilas, mientras las no polares son hidrófobas.

BLOQUE 5

149

Las fuerzas de atracción intermoleculares se denominan fuerzas de Van Der Waals, en honor de Johannes Diderik Van Der Waals, quien desarrolló la ecuación para predecir la desviación de los gases del comportamiento ideal; se destacan tres tipos, que son:   

Dipolo-Dipolo. Dipolo-Dipolo inducido. Fuerzas de dispersión o fuerzas de London.

Las fuerzas dipolo-dipolo existen entre moléculas polares. Las moléculas polares se atraen unas a otras cuando el extremo positivo de una molécula está cerca del extremo negativo de otra. Cuando esto ocurre, hay una atracción electrostática entre los dos dipolos. Por varias razones, ésta es una atracción mucho más débil que la existente entre iones con cargas opuestas. Primero, sólo hay cargas parciales sobre los extremos de los dipolos; segundo, los átomos y las moléculas están en constante movimiento; los choques impiden a los dipolos estar perfectamente alineados; y, tercero, hay una fuerza de repulsión entre los extremos de los dipolos que transportan cargas similares. En los líquidos, las moléculas dipolares están libres para moverse unas respecto a otras. Algunas veces tendrán una orientación en que se atraen y otras en que se repelen. Dos moléculas que se atraen pasan más tiempo cerca una de la otra que dos partículas que se repelen entre sí. De esta forma, el efecto general es una atracción neta. Al examinar varios líquidos se observa que para las moléculas de masa y tamaño semejante, las energías de las atracciones intermoleculares aumentan cuando la polaridad aumenta. Los puntos de ebullición crecen cuando el momento dipolar se incrementa. En ciertas ocasiones, una molécula polar (dipolo), al estar próxima a otra no polar, induce en ésta un dipolo transitorio, produciendo una fuerza de atracción intermolecular llamada dipolo-dipolo inducido. ¿Qué clase de fuerzas intermoleculares puede haber entre moléculas no polares? Puesto que los gases no polares se pueden licuar, ello indica que debe haber alguna clase de fuerzas de atracción entre ellas. El origen de esta atracción fue propuesta por primera vez en 1930 por Fritz London, físico germanoestadounidense. London reconoció que el movimiento de los electrones en una molécula puede crear un momento dipolar instantáneo. Estas fuerzas de dispersión o de London. Generalmente se presentan en moléculas no polares. La atracción en este tipo de moléculas se presenta a través de la formación de dipolos inducidos en moléculas adyacentes. En la molécula no polar del hidrógeno (H2). La distribución de la nube electrónica del enlace es homogénea. Sin embargo, esta homogeneidad es temporal, ya que los electrones no están quietos en un determinado-lugar y, además, los núcleos tienen movimiento vibratorio.

150

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

Estos movimientos generan en un momento dado la aparición de zonas con un exceso de carga negativa y otras con carga positiva, es decir, la aparición de un dipolo instantáneo. Este dipolo instantáneo provoca que en una molécula vecina se forme temporalmente un dipolo inducido. Esto da como resultado una fuerza de atracción entre el extremo rico en electrones de una molécula y el extremo pobre de la siguiente. Los átomos de gases nobles, las moléculas de gases diatómicas como el O 2, N2, y el Cl2, y las moléculas de hidrocarburos no polares como el metano (CH4) y el etano (C2H4) tienen dipolos instantáneos.

Actividad: 2 Con base en la información del tema de interacciones moleculares, resuelve los siguientes cuestionamientos. Menciona los tipos de fuerzas intermoleculares que hay entre las moléculas en cada uno de los siguientes ejemplos: C6H6 __________________________________ PF3 ____________________________________________________________ O3 _____________________________________________________________ CS2 ____________________________________________________________ I2 _______________________________________________________________

Escribe tres ejemplos para cada tipo de fuerzas intermoleculares: Interacción dipolo-dipolo _________________________________________________________________________ Interacción dipolo inducido-dipolo inducido__________________________________________________________ Fuerzas de dispersión ___________________________________________________________________________

BLOQUE 5

151

Actividad: 2 (continuación) Con base en la información del tema de interacciones moleculares, resuelve los siguientes cuestionamientos. ¿En cuál estado de agregación se presentan interacciones moleculares más fuertes? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

¿Qué tipo de cristal tiene mayor punto de fusión? Un cristal iónico como la sal (NaCl) o un cristal molecular por ejemplo la sacarosa (azúcar, C12H22O11) Explica tu respuesta. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Qué propiedades físicas se pueden considerar al comparar la intensidad de las fuerzas intermoleculares en los sólidos y los líquidos? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 2

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Saberes Conceptual Identifica las interacciones moleculares. Autoevaluación

152

Procedimental

Actitudinal

Relaciona las propiedades de las sustancias con la atracción molecular que presentan.

Valora la utilidad de los modelos teóricos.

C

MC

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

NC

Calificación otorgada por el docente

Puente de hidrógeno. Cuando el átomo de hidrógeno está enlazado de manera covalente a un elemento muy electronegativo como el flúor, el oxígeno o el nitrógeno, se produce una fuerte atracción dipolo-dipolo. En estos casos, se forman moléculas muy polares en las que el pequeñísimo átomo de hidrógeno conduce una carga positiva importante. Ya que el extremo positivo de este dipolo puede aproximarse de una manera importante al extremo negativo de un dipolo vecino, la fuerza de atracción entre los dos es muy grande. A esta clase de interacción dipolar se le llama enlace o puente de hidrógeno.

Puente de Hidrógeno

En los sistemas vivos, los enlaces o puentes de hidrógeno mantienen unidos a: las moléculas que se reestructuran periódicamente, por ejemplo ADN, los diferentes segmentos de moléculas muy grandes como algunas proteínas y a las moléculas de agua. Los puentes de hidrógeno hacen que el agua sea un líquido a temperatura ambiente, en vez de ser un gas. También son responsables de controlar la orientación de las moléculas en el hielo, lo que da lugar a una estructura de tipo cristalino muy abierta. Por eso se observa en algunos lugares del planeta que el agua puede romper las tuberías al congelarse, ya que sus moléculas se organizan en una estructura tridimensional que aumenta el volumen. Sin los enlaces de hidrógeno no podría existir la vida, ya que a ese enlace se debe la propiedad excepcional del agua de tener menor densidad en estado sólido que en estado líquido. Como el hielo es menos denso que el agua, flota. Así, al formarse una capa de hielo en los lagos, actúa como aislante y protege la capa interior de agua de la congelación. Cualquier molécula que tenga enlaces O-H, tiene la capacidad de formar puentes de hidrógeno. Las moléculas biológicas como las proteínas, los ácidos nucleicos y los carbohidratos, tienen capacidad de formar puentes de hidrógeno debido a la presencia en su estructura de enlaces O-H. Este enlace es la fuerza que mantiene unidas a las dos tiras que constituyen la espiral doble del ADN, que se encuentra en el núcleo de la célula y es el principal depósito de la información genética.

BLOQUE 5

153

Actividad: 3 Resuelve las actividades solicitadas. ¿Cuáles de las siguientes moléculas son capaces de unirse entre sí por puente de hidrógeno? C2H6, HI, BeH2, NaH, H2O, CaH2 y NH3. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Representa el puente de hidrógeno en las moléculas: HCl, H2S. HCl

H2S

Evaluación Producto: Representación de interacciones moleculares.

Actividad: 3

Saberes Procedimental

Conceptual Identifica las características de la interacción: puente de hidrógeno. Autoevaluación

154

Actitudinal

Selecciona las moléculas que presentan puente de hidrógeno y simboliza la formación del enlace. C

MC

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

NC

Puntaje:

Realiza sus labores escolares en forma ordenada.

Calificación otorgada por el docente

Actividad: 4 Busca información, selecciona la más adecuada y reporta por escrito lo solicitado. Investiga la presencia y función en los seres vivos del HCl, ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Investiga las propiedades físicas y químicas del agua. Anótalas a continuación. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ BLOQUE 5

155

Actividad: 4 (continuación) ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Qué relación guardan algunas características del agua con el enlace de puente de hidrógeno? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 4

Producto: Reporte de investigación. Saberes Procedimental

Conceptual Identifica la presencia de la interacción puente de hidrógeno, en moléculas que forman parte de los seres vivos. Autoevaluación

156

Puntaje: Actitudinal

Analiza las estructuras químicas y características de moléculas de importancia biológica. C

MC

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

NC

Selecciona información con seguridad. Reporta información con veracidad.

Calificación otorgada por el docente

Los nuevos materiales. Conocer las diferentes formas de interactuar que tienen los elementos entre sí ha permitido, en años recientes, tener un notable desarrollo en la llamada ciencia de los materiales, como una rama de la ciencia que nos dará grandes descubrimientos en los próximos años En la actualidad contamos con nuevos materiales, como por ejemplo: sartenes que no se pegan, ropa impermeable que deja transpirar, medios de transporte más ligeros y resistentes, pantallas planas y delgadas como un libro o skis más estables, se piensa en que próximamente podamos tener fármacos ultra-precisos diseñados a medida, músculos artificiales o metales que se auto-reparan. O sea los nuevos materiales que están descubriéndose o estructurándose se aplican en muchos ámbitos: alimentación, textiles, colorantes, agricultura, medicina, comunicaciones, vehículos, deportes, construcción, aeronáutica, entre otros, proporcionando mayor confort, y nuevos avances científicos y tecnológicos en apoyo de las actividades humanas. Los notables avances en áreas tan sensibles como la medicina y la alimentación, es algo sumamente interesante y motivador para seguir buscando nuevos materiales. Los nuevos descubrimientos se difunden rápidamente y permiten avanzar de manera más eficaz, sin descuidar aspectos fundamentales como la preservación del medio ambiente en todos los sentidos. Los nuevos materiales también impactan en el desarrollo económico y sustentable de las naciones. Los científicos e investigadores de esta ciencia de los nuevos materiales están trabajado con las propiedades de cada uno de los elementos de la tabla periódica, haciendo múltiples combinaciones con ellos, de tal manera que a través de simuladores y ordenadores pueden simular la posible estructura, enlace, forma molecular, así como sus respectivas propiedades y si el proceso es viable pasar al respectivo prototipo para el diseño final del nuevo material. Esta actividad ha provocado que los productos obtenidos se salgan de las clasificaciones tradicionales, haciendo de éstas cada vez algo ya obsoleto. Según los investigadores de esta ciencia los nuevos materiales con que conviviremos en nuestra vida diaria durante el siglo XXI se desarrollarán a la medida, con el fin de obtener un material con unas propiedades adecuadas para una aplicación determinada y serán "nano", inteligentes y biomiméticos, así como energéticamente más eficientes, reciclables y menos tóxicos a favor del medio ambiente y el desarrollo sostenible. La nanotecnología es la ciencia de fabricar y controlar estructuras y máquinas a nivel y tamaño molecular, capaz de construir nuevos materiales átomo a átomo. Su unidad de medida, el nanómetro, es la milmillonésima parte de un metro, 10 -9 metros. Algunos de estos dispositivos se utilizan en la actualidad, como por ejemplo los nanotubos, pequeñas tuberías conformadas con átomos de carbono puro capaces de resolver problemas arteriales, así como las formas alotrópicas del carbono conocidas como fullerenos en donde es posible diseñar estructuras moleculares que puedan transportar sustancias con cierto principio activo a un tipo específico de células, o sea el diseño de fármacos ultra precisos, o bien servir como lubricante de superficies, etc. También se habla de los metamateriales, compuestos cuyas propiedades físicas son distintas a la de sus constituyentes. Algunos de ellos se fabrican con técnicas de nanotecnología. Una ventaja de estos metamateriales es que con ellos se podrían fabricar lentes planas que permitirían enfocar la luz en áreas más pequeñas que la longitud de onda de la luz, con lo que podrían conseguirse aplicaciones en el terreno de la óptica o de las comunicaciones totalmente inéditas. Una de estas posibles aplicaciones serían los ordenadores ópticos, muchísimo más potentes y rápidos que los actuales, aunque su desarrollo se encuentra todavía en una fase muy preliminar.

BLOQUE 5

157

En otro ámbito están los materiales inteligentes los cuales revolucionarán la forma de concebir la síntesis de materiales, puesto que serán diseñados para responder a estímulos externos, extender su vida útil, ahorrar energía o simplemente ajustarse para ser más confortables al ser humano. Los materiales inteligentes podrán replicarse y repararse a si mismos, e incluso, si fuera necesario, autodestruirse, reduciéndose con ello los residuos y aumentando su eficiencia. Entre los materiales inteligentes que se están investigando se encuentran los músculos artificiales o los materiales que "sienten" sus propias fracturas. Por su parte, los materiales biomiméticos buscan replicar o mimetizar los procesos y materiales biológicos, tanto orgánicos como inorgánicos. Los investigadores que trabajan en este tipo de materiales persiguen un mejor conocimiento de los procesos utilizados por los organismos vivos para sintetizar minerales y materiales compuestos, de manera que puedan desarrollarse, por ejemplo, materiales ultraduros y, a la vez, ultraligeros.

La llamada biomedicina, así como otras nuevas disciplinas, como la biotecnología, la genómica o la proteinómica, persiguen también la creación de nuevos materiales que puedan dar lugar al desarrollo, por ejemplo, de tejidos y órganos artificiales biocompatibles, células madre, contenedores de tamaño molecular e inteligentes para la dosificación controlada de fármacos, proteínas bioactivas y genes, chips de ADN, dispositivos de bombeo, válvulas altamente miniaturizadas, una especie de plásticos, los polímeros, altamente biodegradables y medioambientalmente limpios a partir de microorganismos para evitar la utilización de derivados del petróleo como materia prima, y un sinfín de posibilidades que hoy por hoy se encuentran en la mente de los científicos.

158

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

Chips de ADN

Se habla también de “materiales invisibles”: los cuales son especies y subespecies de materiales que no están a la vista, pero que constituyen la esencia de multitud de dispositivos y productos que cada vez nos parecen más indispensables. Su utilidad reside no tanto en sus propiedades mecánicas como en sus propiedades químicas, magnéticas, ópticas o electrónicas. Aunque representen una pequeña parte de los dispositivos en los que actúan, cumplen en ellos un papel estelar. Entre estos materiales invisibles se habla de los empleados en las baterías, en las pantallas planas de ordenadores, teléfonos móviles, paneles electrónicos y otros dispositivos, o en las películas sensibles a los rayos-X.

Materiales Invisibles En el terreno de la electrónica, los científicos buscan nuevas aplicaciones basadas en circuitos y dispositivos electrónicos hechos de materiales plásticos, baratos, flexibles y resistentes. Uno de los retos pasa por jubilar al silicio, el material esencial de los chips, aunque sigue siendo caro y delicado. Desde los años 80 se conocen las peculiares propiedades de toda una familia de polímeros orgánicos capaces de conducir la corriente eléctrica en determinadas condiciones e impedir su paso en otras, aunque no de forma tan eficiente como lo hace el silicio. Sin embargo, se han desarrollado recientemente materiales orgánicos de segunda generación, así como otros materiales inorgánicos e incluso híbridos orgánico-inorgánicos que se van acercando en eficacia al silicio, por lo que parece sólo cuestión de tiempo que algunos de ellos lleguen a alcanzar un nivel práctico de aplicación y se empiecen a ver, por ejemplo, pantallas de televisión de gran tamaño similares a un póster de papel. El descubrimiento de las cerámicas superconductoras de alta temperatura, capaces de transmitir la energía eléctrica sin resistencia, ha producido ya los primeros sensores superconductores, aunque todavía se encuentran en una fase de desarrollo muy básica. Asimismo, también se investiga en la consecución de herramientas nanotecnológicas y de materiales magnéticos especiales para discos duros y otros soportes de almacenamiento de datos, más fiables, pequeños y de mayor capacidad. Tomado del artículo de ALEX FERNÁNDEZ MUERZA PARA CONSUMER.ES Fecha de publicación: 13 de enero de 2005 “Son múltiples los campos de acción de la ciencia de los nuevos materiales, que prácticamente podemos concluir que en el presente y en el futuro próximo el ser humano tendrá la posibilidad de un mayor control de sus acciones, lo que determina la gran posibilidad de autocontrolarse en el gran daño que como humanidad le estamos ocasionado a nuestra casa…el planeta Tierra.”





BLOQUE 5

159

Cierre Actividad: 5 Investiguen 10 ejemplos de nuevos materiales que se empleen en nuestro País, en áreas como: salud, comunicaciones, construcción, agricultura, industria, entre otras, mencionando la aplicación específica y las principales características de dichos materiales.

Actividad: 5 Conceptual Enuncia la presencia de nuevos materiales.

Autoevaluación

160

Evaluación Producto: Reporte de investigación. Saberes Procedimental

Puntaje: Actitudinal

Expresa las características de nuevos materiales y su importancia social. C

MC

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

NC

Valora la importancia de los enlaces químicos en la formación de nuevos materiales y su impacto en la sociedad.

Calificación otorgada por el docente

Actividad: 6 Como repaso de bloque elabora un esquema, utilizando las palabras que aparecen en el recuadro. Si tienes dudas puedes consultar libros, internet o tus notas.

Esquema

BLOQUE 5

161

Actividad: 6 (continuación)

Evaluación Actividad: 6

Producto: Esquema.

Puntaje:

Saberes Conceptual Reconoce los diferentes modelos de enlaces atómicos e intermoleculares. Autoevaluación

162

Procedimental

Organiza conceptos. C

MC

INTERPRETA ENLACES QUÍMICOS E INTERACCIONES MOLECULARES

NC

Actitudinal Valora la importancia de los enlaces químicos en la formación de nuevos materiales y su impacto en la sociedad. Calificación otorgada por el docente

Maneja la nomenclatura química inorgánica

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

Atributos: Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas: 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y Diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 14 horas.

BLOQUE 6

163

Secuencia didáctica 1. Nomenclatura de compuestos inorgánicos. Inicio



Actividad: Resuelve los siguientes ejercicios:

I. Nombra los elementos representados por los siguientes símbolos. Puedes consultar la tabla periódica. Símbolo Co

Nombre

Se Fe Sr Mo Ga Au Ne K P Hg II. Escribe el símbolo de los siguientes elementos y anota su número de oxidación. Consulta la tabla periódica. Nombre Zinc Silicio Argón Cobre Fósforo Cloro Hidrógeno Estaño Boro Samario

164

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

Símbolo+ Número de oxidación

Actividad: 1 (continuación) III. Escribe la fórmula que resulta de la unión de los siguientes iones. Si no recuerdas cómo se realiza, revisa el tema “lenguaje químico”.

Iones

OH–1

SO4-2

Ca+2

Cl–1

NO3-1

O-2

MnO4-1

PO4-3

CO3-2

S-2

Cr2O7-2

CaCl2

NH4+1

NH4NO3

Fe+2 Al+3 Fe+3

Al2S3 Fe(OH)3

K+1

K2SO4

Cu+2 PH4+1

(PH4)2O

Evaluación Actividad: 1

Producto: Ejercicios. Conceptual

Identifica los nombres, símbolos y números de oxidación de los elementos y escribe fórmulas químicas. Autoevaluación

Saberes Procedimental Obtiene información de la tabla periódica.

Puntaje: Actitudinal

Valora la utilidad del manejo del lenguaje químico. Practica la construcción de fórmulas químicas inorgánicas. C MC NC Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 6

165

Lenguaje químico. Cuando el hombre encuentra vestigios de una antigua civilización, es importante descifrar su lenguaje. El modo de comunicarse de un pueblo sugiere lo que hacían, lo que pensaban. Se dice que conocer el nombre de las cosas es conocer las cosas mismas. Para comunicarnos hacemos uso del lenguaje. Entender lo que dicen las demás personas es posible sólo si tenemos un lenguaje común. Al presenciar un partido de futbol necesitamos conocer el significado de términos como: fuera de lugar, amonestación, falta dentro del área chica, tiro de esquina, portero, etcétera, que si bien pueden tener cierto significado en el lenguaje cotidiano, adquieren uno nuevo dentro del contexto ¨futbolístico¨. Todo lenguaje está lleno de nombres que denominan objetos, procesos, fenómenos, teorías, postulados, etcétera. La química tiene también un lenguaje propio. Para comprender y manejar el lenguaje de la química se debe distinguir claramente entre símbolos químicos y fórmulas químicas. El símbolo químico sirve para representar los elementos incluidos en la tabla periódica. Una vez asignado el nombre, se utiliza una o dos letras en el símbolo. Si el símbolo consta de una sola letra, ésta se escribe con mayúscula, y en el caso de tener dos letras, la primera se escribe con mayúscula seguida de minúscula. La mayoría de los símbolos químicos se derivan del nombre del elemento, algunos del español, otros del inglés, alemán, francés, latín o ruso. Por ejemplo, el cobre (cuprum, Cu), el estaño (stannum, Sn), el hierro (ferrum, Fe). Existen otros casos en los que se utilizó el nombre de una ciudad: californio (Cf), de California. También encontramos algunos elementos cuyo nombre y símbolo se han tomado del nombre de algunos científicos eminentes como Einstein (einstenio, Es) y Rutherford (rutherfordio, Rf). Los compuestos químicos se representan por una fórmula química en la que se expresa la clase de elementos químicos que lo forman y la relación numérica en la que participan. La fórmula del H 2O, expresa que está constituida por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Por su parte, la fórmula del sulfato de potasio, K2SO4, indica que existen dos átomos de potasio, uno de azufre y cuatro de oxígeno. Hay diversos tipos de fórmulas: entre ellas están: La fórmula empírica expresa la relación más simple de números enteros entre los átomos en un compuesto, en tanto la fórmula molecular expresa el número real de átomos de una molécula, esto es, en la unidad más pequeña del compuesto. La fórmula de un compuesto permite calcular muchos datos cuantitativos tales como la masa molecular, la masa molar y la composición porcentual, pero ese tema lo revisaremos más adelante.

Procedimiento para escribir fórmulas. Para escribir correctamente una fórmula química, es necesario considerar conceptos importantes, como son la valencia y el número de oxidación.

Símbolos químicos modernos H

Hidrógeno

O

Oxígeno

C

Carbono

N

Nitrógeno

S

Azufre

Pb

Plomo

Au

Oro

A la capacidad que tienen los elementos para ganar o perder electrones se le llama valencia, que en algunos elementos coincide con el grupo al que pertenece. Las valencias pueden ser positivas y significa que el átomo cede o pierde uno o más electrones al combinarse si es un metal, pero si es un no metal significa que pierde o comparte electrones. Pueden ser negativas y eso significa que el átomo gana o comparte uno o más electrones.

166

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

GRUPO

NÚMERO DE VALENCIA U OXIDACIÓN

IA

+1 (Deben perder un electrón).

II A

+2 (Deben perder dos electrones).

III A

+3 (Deben perder tres electrones).

IV A

±4

VA

– 3 (Deben ganar o compartir tres electrones).

VI A

– 2 (Deben ganar o compartir dos electrones).

VII A

– 1 (Deben ganar o compartir un electrón)

(Deben perder, ganar o compartir cuatro electrones).

Sin embargo, tanto los elementos de grupos A como B llegan a tener más de una valencia. Para estos casos es conveniente hablar de número de oxidación, determinado por el compuesto donde se encuentra el elemento químico, que puede tomar un valor positivo o negativo, según el otro elemento con que se combine. Para determinar el número de oxidación se consideran las siguientes reglas: 0

0

0

El número de oxidación de un elemento libre es cero. ( Zn, H2 , N2 ). El número de oxidación de los metales en los compuestos es igual a su valencia iónica. Por ejemplo, alcalinos +1, alcalino térreos +2, y siempre es positiva; algunos metales tienen valencia única como los que pertenecen a los grupos IA, IIA y IIIA, pero otros tienen valencia variable y esos los encontramos en el bloque de los metales de transición.

Glosario:

Valencia Capacidad de combinación de un átomo haciendo uso de sus electrones periféricos. También se le llama estado de oxidación.

El número de oxidación de un ión es igual a su carga. El número de oxidación del hidrógeno en la mayoría de los compuestos qué forma se combina con +1 (H+1), excepto en los hidruros metálicos, que son compuestos en donde el hidrógeno se une al metal y como el metal siempre debe de ser positivo, es donde el hidrógeno debe de ser –1 (NaH–1). El número de oxidación del oxígeno en la mayoría de los compuestos que forma es –2 ( peróxidos que es –1

1 ( H2 O 2

), excepto en los

). 1 1

La suma algebraica de los números de oxidación de todos los átomos de un compuesto es igual a cero ( H Cl ). En los casos en que los números de oxidación no son iguales, se calcula multiplicando primero la cantidad de átomos de cada elemento por su respectivo número de oxidación y sumando ambos resultados, dicha suma debe ser igual a cero. Ejemplo: 4 2

C O2

= 1 x (+4) + 2 x (–2) = +4 + (–4)= 0

Este principio permite poder hacer combinaciones entre cationes y aniones para construir fórmulas químicas.

BLOQUE 6

167

Por ejemplo usando cationes y aniones monoatómicos o sea formados por un solo átomo Na+1 + Cl-1  NaCl  (+1) + (-1) = 0 Ca+2 + Br-1  CaBr2  (+2) + 2(-1) = (+2) + (-2) = 0 Mg+2 + O-2  MgO  (+2) + (-2) = 0 Al+3 + O-2  Al2O3  2(+3) + 3(-2) = (+6) + (-6) = 0 Fe+3 + Cl-1  FeCl3  (+3) + 3(-1) = (+3) + (-3) = 0 Existen especies químicas en las cuales los átomos están agrupados, presentan carga y actúan como unidad. Éstas reciben el nombre de iones poliatómicos y tienen un estado de oxidación propio igual a su carga, por ejemplo (SO4)-2. Para construir fórmulas químicas usando iones poliatómicos será necesario familiarizarse, con los nombres y símbolos de los cationes y aniones más comunes.

NH4+1

+1 Amonio

H3O+1 Hidronio PH4+1…Fosfonio

Nombre y valencia de los principales iones poliatómicos. –1 –2 –3 OH-1 Hidróxido SO4-2 Sulfato PO3-3 Fosfito NO3-1 NO2-1

Nitrato Nitrito

SO3-2 Sulfito CO3-2 Carbonato

MnO4-1 Permanganato

CrO4-2 Cromato

ClO-1

Hipoclorito

Cr2O7-2 Dicromato

ClO2-1

Clorito

ClO3-1

Clorato

-1 4

ClO

-1 3

HCO -1 3 -1

IO CN

PO4-3 Fosfato

Perclorato Bicarbonato Iodato Cianuro

Por ejemplo usando cationes y aniones monoatómicos y poliatómicos K+1 + (OH)-1  KOH  (+1) + (-1) = 0 Ba+2 + (OH)-1  Ba(OH)2  (+2) + 2(-1) = (+2) + (-2) = 0 como cada ion OH es una carga negativa, se requiere de dos iones OH para tener las dos cargas negativas que neutralicen las dos cargas positivas. El ion poliatómico se considera como una unidad con valencia propia por lo que cuando se requiere de representar más de un ion poliatómico será necesario hacerlo usando un paréntesis y colocando un subíndice fuera del paréntesis para indicar el número de iones a expresar. Cuando se requiere expresar un solo ion, no es necesario usar paréntesis. Mg+2 + (SO4)-2  MgSO4  (+2) + (-2) = 0 Al+3 + (SO4)-2  Al2(SO4)3  2(+3) + 3(-2) = (+6) + (-6) = 0 Fe+3 + (NO3)-1  Fe(NO3)3  (+3) + 3(-1) = (+3) + (-3) = 0 (NH4)+1 + (NO3)-1  NH4NO3  (+1) + (-1) = 0

168

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

Desarrollo Nomenclatura de compuestos inorgánicos. En el lenguaje de la Química, toda sustancia pura conocida, ya sea un elemento o un compuesto, tiene su nombre y su fórmula individual. Debido al gran desarrollo de la Química, día con día se sintetizan nuevas sustancias y, por tanto, una preocupación constante, además de investigar sus propiedades, es otorgarles el nombre adecuado que permita identificarlas y distinguirlas de otras. Durante muchos años los estudiosos de la química daban a los compuestos un nombre a voluntad, o bien por aspectos circunstanciales es decir, sin considerar alguna norma. Si dos químicos preparaban el mismo compuesto le daban nombres diferentes, provocando confusión en la divulgación del conocimiento científico. Así fue que surgieron los nombres triviales para algunos compuestos y que hoy en día se continúan usando; por ejemplo; agua (H 2O), amoniaco (NH3), fosfina (PH3). Fue en 1921 cuando un grupo de científicos a nivel internacional se reunieron y formaron la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas en inglés o UIQPA en español) estableció las reglas que rigen la nomenclatura química moderna, para nombrar de manera sistemática a los compuestos químicos y representarlos mediante fórmulas químicas, empleando los símbolos de los elementos que lo constituyen, de tal forma que tanto el nombre como la fórmula sean lo más general y descriptivas posibles para identificar su estructura y propiedades químicas. Los compuestos químicos se han clasificado, para su estudio, en dos categorías: orgánicos e inorgánicos. Los inorgánicos, que son los que se abordarán en este bloque, a su vez se clasifican para su nomenclatura por función química. Se ha dado el nombre de función química inorgánica al grupo de compuestos similares que presentan un conjunto de propiedades comunes.

Principales funciones químicas inorgánicas. Nombre de la función química

Ácidos Sales

Estructura molecular Catión

Anión

Óxidos metálicos

Metal + oxígeno

Óxidos no metálicos

No metal + oxígeno

Hidruros metálicos

Metal + hidrógeno

Hidróxidos

Metal + ión OH– Hidrácidos

Hidrógeno + no metal

Oxiácidos

Hidrógeno + no metal + oxígeno

Binarias

Metal + no metal

Oxisales

Metal + no metal + oxígeno

BLOQUE 6

169

Ejemplos de las principales funciones químicas inorgánicas Nombre de la función química Óxidos metálicos Óxidos no metálicos Hidruros metálicos Hidróxidos Ácidos Sales

Ejemplos MgO, Fe2O3, Na2O, MnO CO2, NO, P2O3, SO3 NaH, FeH3, BeH2 NaOH, Al(OH)3, Mg(OH)2 HCl, H2SO4, HNO3, HI NaCl, CaCO3, KNO2, NH4Cl

Actividad: 2 Con base en la observación de las tablas anteriores sobre funciones químicas. Responde las siguientes preguntas.

¿Qué tienen en común las fórmulas de cada grupo de compuestos inorgánicos (función inorgánica)? Ácidos: ____________________________________________________________________________________________ Hidróxidos: _________________________________________________________________________________________ Óxidos metálicos: ___________________________________________________________________________________ Sales: _____________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Hidruros metálicos: __________________________________________________________________________________ Óxidos no metálicos: ________________________________________________________________________________ ¿A cuál familia de compuestos o función química pertenece cada uno de los siguientes ejemplos?

Ejemplos H2S KCl CaH2 KOH HClO2 ZnO N2O HBr K2Cr2O7 Ba(OH)2 CuCl2 Li2O

170

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

Familia

Evaluación Actividad: 2

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Saberes Conceptual Identifica las familias de compuestos químicos inorgánicos. Autoevaluación

Procedimental

Actitudinal

Clasifica compuestos químicos inorgánicos. C

MC

NC

Muestra su habilidad en el reconocimiento de compuestos inorgánicos.

Calificación otorgada por el docente

Nomenclatura de compuestos químicos. De acuerdo con la IUPAC, los nombres de los compuestos químicos inorgánicos se deben construir de tal forma que a cada compuesto se le pueda asignar un nombre a partir de su fórmula y que para cada fórmula haya un nombre específico. Es decir, a cada compuesto le corresponde un nombre y fórmula únicos. No puede haber dos compuestos con el mismo nombre y fórmula química diferente. Una fórmula química se compone de dos partes, una positiva y otra negativa. Ambas se neutralizan, por lo que la fórmula es eléctricamente neutra; este aspecto ya lo revisamos en la secuencia anterior. Para escribir la fórmula de un compuesto, se registra primero la parte positiva que puede ser un metal, un ion poliatómico positivo, el ion hidrógeno o los no metales menos electronegativos. Cuando se le da nombre al compuesto, el nombre de esta parte positiva se escribe al final. La parte negativa, que puede ser el no metal más electronegativo o el ion poliatómico negativo se escribe al final. Cuando se nombra al compuesto, el nombre de la parte negativa va al inicio. Por ejemplo, en el caso del NaCl, el sodio (Na) es la parte positiva y el cloro (Cl) la negativa. Al asignar el nombre, resulta ser: cloruro de sodio, asociado respectivamente al anión la primera parte (cloro) y al catión (sodio) la parte final. Los compuestos químicos se nombran dependiendo de su función química, la cual permite ubicarlos como miembros de una familia a la que pertenecen. La notación es la forma de representar las sustancias (fórmulas), y nomenclatura, los nombres de tales sustancias. Las familias para los compuestos inorgánicos a revisar en este curso son: óxidos, bases o hidróxidos, ácidos, sales, e hidruros metálicos.

Óxidos. Son compuestos que resultan de la reacción en donde se da la combinación del oxígeno con otro elemento. Son compuestos que están conformados por dos elementos por lo que se les considera como compuestos binarios. Uno de los elementos es el oxígeno (O), el cual siempre se combina con una valencia de -2 (O–2), y el otro elemento puede ser un metal o un no metal, los cuales se deben de combinar con valencias positivas.

BLOQUE 6

171

Los óxidos de los metales más electropositivos al combinarse con el agua, forman compuestos llamados bases (hidróxidos), es por esto que también se les llama óxidos básicos. Óxidos metálicos Metal + oxígeno  óxido metálico Para nombrar estos compuestos, en primer lugar se indica la frase “óxido de” como nombre genérico y en seguida se escribe el nombre del metal correspondiente como nombre específico: Sodio + oxígeno  óxido de sodio Na+1 Mg

+2

+ O2

 Na2O

+ O2  MgO óxido de magnesio

Al+3 + O2  Al2O3 óxido de aluminio Cuando el oxígeno se une a un metal que tiene valencia variable forma varios óxidos, en primer lugar se identifica el nombre tal como se indico en los anteriores (valencia fija) y al final de éste se escribe la valencia del metal usando número romano y se escribe dentro de un paréntesis. Ejemplos: Fe+2 + O2  FeO

óxido de hierro (II)

Fe+3 + O2  Fe2O3 óxido de hierro (III) Cu+1 + O2  Cu2O óxido de cobre (I) Cu+2 + O2  CuO óxido de cobre (II)

Óxidos no metálicos El oxígeno al combinarse con los no metales, forma compuestos llamados óxidos no metálicos. No metal + oxígeno

óxidos de metálicos

N + O2

NO

C + O2

CO2

Los óxidos no metálicos al reaccionar con el agua producen compuestos terciarios, llamados ácidos, de ahí que se les llame óxidos ácidos (oxiácidos); otro nombre que han recibido estos compuestos es el de anhídridos.

172

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

Para su nomenclatura se tiene en cuenta el número de átomos de oxígeno y del no-metal que haya en la molécula, usando los siguientes prefijos griegos numéricos: Prefijo Mono Di Tri Tetra Penta Hexa Hepta

Número de átomos 1 2 3 4 5 6 7

El nombre del óxido no metálico, se construye de la siguiente forma: anteponer a la frase “óxido de” un prefijo que indique el número de oxígenos enseguida se nombra al no metal con un prefijo que indique el número de átomos de ese no metal.

Prefijo +óxido de + prefijo+ nombre del no metal Cl2O3

Tri

+ oxido de + di

+ cloro (trióxido de dicloro)

*Cuando en la fórmula del óxido hay un (1) átomo del no metal, no se utiliza el prefijo mono. Ejemplos: CO Monóxido de carbono CO2 Dióxido de carbono SO3 Trióxido de azufre NO Monóxido de nitrógeno N2O5

Pentaóxido de dinitrógeno Glosario:

Bases o Hidróxidos. Compuestos ternarios que resultan de la combinación de un óxido metálico con agua. También reciben el nombre de bases o álcalis, que significa cenizas. Óxido metálico + Agua

 Hidróxido de metal

Óxido de sodio + agua

 hidróxido de sodio

Hidróxidos Compuestos que se caracterizan por contener en su molécula el grupo oxidrilo o hidroxilo (OH) unido a un metal.

Na2O + H2O  NaOH Las bases como sustancias químicas se caracterizan porque manifiestan las siguientes propiedades: Son de un sabor amargo. Son jabonosas al tacto. Neutralizan a los ácidos al reaccionar con ellos produciendo sal y agua. Cambian el papel tornasol de color rojo a color azul.

BLOQUE 6

173

Están formados por un metal y tantos iones OH –, como la valencia que en cada caso presenta el metal. Se puede decir también que son la unión de un catión (metal) con el anión hidróxido OH–1. Ejemplos: KOH

Hidróxido de potasio

Ca(OH)2

Hidróxido de calcio

Al(OH)3

Hidróxido de aluminio

Cuando el metal tiene valencia variable, ésta se escribe con número romano al final del nombre entre paréntesis. Por ejemplo: CuOH

Hidróxido de cobre (I)

Cu(OH)2

Hidróxido de cobre (II)

Características: - Tecnología NiMH (Hidruro de Metal y Niquel) 1,2V, 1300mah - Formato AA - Cargador USB incorporado con indicador LED - Se puede también cargar en un cargador estandar para pilas NiMH - Tiempo de carga en USB: 5h

Hidruros. El hidrógeno, además de combinarse con elementos no metálicos, también se combina con algunos de los metales más activos; estos compuestos binarios, reciben el nombre de hidruros. En la notación de se escribe primero el símbolo del metal seguida del símbolo del hidrógeno. En este caso el hidrógeno actúa con valencia negativa. Para la nomenclatura de los hidruros, se inicia con “hidruro de” y al final se añade el nombre del metal. Si el metal tiene más de una valencia, la utilizada, al igual que en otros casos, se anota al final con un número romano entre paréntesis. Metal + hidrógeno  Hidruro de metal

Glosario: Hidruros no metálicos. Se forman cuando el hidrógeno se combina con un no metal. En éstos compuestos el HIDRÓGENO actúa con estado de oxidación: +1. (NH3, PH3)

Na+1 + H–1  NaH Fe+2 + H–1  FeH2 Fe+3 + H–1  FeH3 Ejemplos: NaH

Hidruro de sodio

FeH2

Hidruro de hierro (II)

FeH3

Hidruro de hierro (III)

CaH2

Hidruro de calcio

PbH4

Hidruro de plomo (IV)

Como sustancias químicas se caracterizan por presentar las siguientes propiedades: Son compuestos iónicos, no volátiles, no conductores en estado sólido y son cristalinos, se utilizan como desecantes y reductores, como bases fuertes y algunos como fuentes de H2 puro.

174

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

Actividad: 3 Completa la siguiente tabla, escribiendo el nombre o la fórmula correspondiente a cada compuesto.

Fórmula

Nomenclatura

CoH3 Ni(OH)3 Trióxido de dicloro Br2O CdO SeO2 Pentaóxido de difósforo Hidruro de galio Óxido de paladio (IV) Heptaóxido de dibromo Hidróxido de berilio AuH3 Ca(OH)2 ZnH2 Hidróxido de estaño (IV)

Actividad: 3 Conceptual Distingue la fórmula y nombre de las funciones químicas inorgánicas: óxidos, hidróxidos e hidruros. Autoevaluación

Evaluación Producto: Ejercicios de nomenclatura inorgánica. Saberes Procedimental

Puntaje: Actitudinal

Aplica las reglas de nomenclatura química inorgánica. C

MC

NC

Valora la utilidad del manejo del lenguaje químico.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 6

175

Ácidos. Un ácido se define como una sustancia que produce iones hidrógeno (H+) cuando se encuentra disuelto en agua, es decir, cuando está en forma de solución acuosa. Los ácidos inorgánicos se clasifican en Hidrácidos o Ácidos Binarios y Oxiácidos o Ácidos Ternarios. Las principales características de los ácidos: Sabor agrio o ácido En solución acuosa son capaces de disolver algunos metales como zinc y magnesio liberando hidrógeno gaseoso. Cambian el papel tornasol -un colorante vegetal-de color azul a rojo. Reaccionan (neutralizan) a las bases o hidróxidos, para producir una sal y agua. Reaccionan con carbonatos para producir el gas dióxido de carbono. Hidrácidos o ácidos binarios. Se obtienen de la reacción del hidrógeno con un no metal. Hidrógeno + No metal  Hidrácido H2 +

Cl2

El pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7, y básicas las que tienen pH mayores a 7. El pH = 7 indica la neutralidad de la disolución (siendo el disolvente agua).

 HCl

En su notación se escribe primero el hidrógeno, que participa siempre con valencia +1, después se registra el no metal con su valencia correspondiente. En su nomenclatura, primeramente se escribe el nombre genérico “ácido”, después la raíz del nombre del no metal con la terminación hídrico. Ácido + raíz del no metal + hídrico HCl = ácido + clor +hídrico = acido clorhídrico Para nombrar a los ácidos primeramente se debe saber que los nombres de algunos elementos químicos tienen su origen en raíces griegas o latinas. Analiza la siguiente tabla: ELEMENTO CLORO BROMO IODO FLÚOR AZUFRE NITRÓGENO FÓSFORO Ejemplos: HCl H2S HBr HI HF

Ácido clorhídrico Ácido sulfhídrico Ácido bromhídrico Ácido Iodhídrico Ácido Fluorhídrico

176

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

SÍMBOLO Cl Br I F S N P

RAÍZ CLOR BROM IOD FLÚOR SULFUR O SULF NITR FOSFOR O FOSF

Oxiácidos o ácidos ternarios Se forman cuando reacciona un óxido no metálico con agua. Son ternarios: hidrógeno + no metal + oxígeno. Hx Ey Oz Óxido No Metálico + Agua  Oxiácidos SO2

+ H2O



H2SO3

Ejemplos: H2CO3

Ácido carbónico

H2SO3

Ácido sulfuroso

HClO

Ácido hipocloroso

H2SO4

Ácido sulfúrico

Reglas para nombrar a los oxiácidos Para su nomenclatura primero se indica el nombre genérico de “ácido”, posteriormente el nombre del no metal que contiene, con los prefijos y sufijos que se indican en la siguiente tabla, de acuerdo con la valencia del no metal. Valencia

Prefijo

Sufijo

Fija

------

ico

+1 o +2

Hipo

oso

+3 o +4

----------

oso

+5 o +6

----------

ico

+7

per

ico

Para conocer la valencia del no metal, se procede como se indica a continuación. H2SO4 +2

-8 +1 +6 -2

H2 SO4

(4 x -2)

+2 +6 -8= 0

H2 SO4

La valencia del azufre es +6

De acuerdo con la tabla, corresponde al nombre del no metal la terminación ico, (raíz sulfur + ico, por valencia +6) Por lo tanto el nombre es: H2SO4 Ácido sulfúrico Otra forma de dar con el nombre de los oxiácidos es utilizando la tabla de iones poliatómicos. De acuerdo a las instrucciones. 1. 2. 3.

En primer lugar se menciona el nombre genérico de “acido”. Se determina el nombre del ión poliatómico (carbonato, hipoclorito, sulfato, sulfito, etc.) que se encuentra unido al hidrógeno formando el ácido. Se cambia la terminación del nombre del ion poliatómico de acuerdo con la siguiente regla:

Si la terminación del nombre del ion es “ato”, ésta se cambia por la terminación “ico”. Ejemplo: Carbonato cambia por carbónico.

BLOQUE 6

177

Si la terminación del nombre del ion poliatómico es “ito”, ésta se cambia por la terminación “oso”. Ejemplo: hipoclorito cambia por hipocloroso.

NH4+1

+1 Amonio

H3O+1 Hidronio

OH-1 NO3-1 NO2-1 MnO4-1 ClO-1 ClO2-1 ClO3-1 ClO4-1 HCO3-1 IO3-1 CN-1 CNO-1

Nombre y valencia de los principales iones poliatómicos. –1 –2 –3 Hidróxido SO4-2 Sulfato PO3-3 Fosfito Nitrato SO3-2 Sulfito PO4-3 Fosfato -2 Nitrito CO3 Carbonato As-3 Arsenuro -2 Permanganato CrO3 Cromito AsO4-3 Arsenato Hipoclorito CrO4-2 Cromato BO3-3 Borato -2 Clorito Cr2O7 Dicromato Clorato C2O4−2 Oxalato Perclorato Bicarbonato Iodato Cianuro Cianato

–4 C-4 Carburo

Nota: en algunos casos especiales no se toma el nombre del ión poliatómico como referencia, sino la raíz del nombre del no metal que forma al ión poliatómico: Ejemplos: El ión SO4 se denomina sulfato, pero cuando éste forma un ácido se toma la raíz del nombre del azufre (sulfur) para formar el nombre del ácido y se utilizan las mismas reglas para la terminación por lo que, para los siguientes ácidos el nombre correcto es: H2SO4

Ácido Sulfúrico

H2SO3

Ácido Sulfuroso

H3PO4

Ácido Fosfórico

HClO

Ácido hipocloroso

H3PO4

Ácido fosfórico

Sales. Son producto de la reacción de neutralización entre un ácido y una base (hidróxido). Los productos de esta reacción son sal y agua. Las sales se dividen en sales binarias y sales ternarias u oxisales (sales que poseen oxígeno). Las sales son muy abundantes en la naturaleza. La mayor parte de las rocas y minerales del manto terrestre son sales de un tipo u otro. También se encuentran gigantescas cantidades de sales en los océanos.

178

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

Generalmente las sales son cristalinas y tienen altos puntos de fusión y de ebullición. Las sales son siempre compuestos iónicos que se disocian al encontrarse en solución acuosa, aumentando la conductividad eléctrica del solvente. Sales binarias Se derivan de la unión de un hidrácido con una base. En su nombre se indica en primer lugar el nombre genérico el cual se forma con la raíz del elemento no metálico seguido de la terminación uro, en lugar de hídrico. Como nombre específico se escribe la frase “de nombre del metal” la cual puede acompañarse de un paréntesis con número romano para los casos de metales de valencia variable. Hidrácido + Base  Sal Binaria + Agua Ácido clorhídrico + hidróxido de sodio  Cloruro de sodio + agua HCl + NaOH

 NaCl + H2O

Ejemplos: FeS

Sulfuro de hierro (II)

Fe2S3

Sulfuro de hierro (III)

MgCl2

Cloruro de magnesio

KF

Fluoruro de potasio

CaBr2

Bromuro de calcio.

Para las sales que se producen con los ácidos que son dipróticos como el acido sulfhídrico, H2S se forman las llamadas sales ácidas las cuales se nombran agregando la palabra “ácido” antes de la frase “de nombre de metal” o también añadiendo el prefijo “di o bi”. NaHS

Agua dura. La dureza de un agua es debida al contenido en ciertas sales de calcio y magnesio, que pueden estar presentes en concentraciones anormalmente altas. Los problemas del agua dura se verifican en el hogar cuando se dificulta la cocción de algunos alimentos (como las verduras) ya que los mismos quedan duros y en ocasiones amargos. El agua dura mancha los artefactos del baño (inodoros, bañeras) y los de la cocina, un agua dura dificulta la formación de espuma cuando al bañarse o cuando se lava la ropa. El agua dura se puede tratar “ablandándolo” por procesos químicos, que pueden realizarse tanto en una planta de tratamiento de agua como en el hogar.

Sulfuro ácido de sodio o disulfuro de sodio

Oxisales En el caso de las Oxisales o sales ternarias se obtienen de la reacción de un oxiácido con una base, también en esta neutralización se producen sal y agua. Oxiácido + base  Oxisal o sal ternaria + agua Ácido fosfórico + hidróxido de potasio  fosfato de potasio + agua H3PO4 + KOH

 K3PO4

+ 3H2O

Nomenclatura de oxisales Se menciona primero el nombre del anión poliatómico que está formando a la sal seguida de la preposición de y enseguida se indica el nombre del metal o catión que forma parte de la estructura química de la sal, si el metal es de valencia variable, recuerda que debes indicarla con número romano, al final del nombre. Anión poliatómico+ “de” + nombre del catión Mg(NO3)2, el anión NO3 -1 recibe el nombre de “nitrato”, por lo que la sal es: nitrato de magnesio.

BLOQUE 6

179

Ejemplos: Na2SO4

Sulfato de sodio

Ca(ClO)2

Hipoclorito de calcio

KMnO4

Permanganato de potasio

(NH4)2SO4

Sulfato de amonio

Cu2SO4

Sulfato de cobre (I)

CuSO4

Sulfato de cobre (II)

Para los casos de los ácidos polipróticos se forman las oxisales acidas, las cuales como ya se indicó se añade la palabra “ácido” o se antepone el prefijo “di o bi” NaHSO4

Sulfato ácido de sodio o bisulfato de sodio.

NaHCO3

Carbonato ácido de sodio o bicarbonato de sodio.

Cu(HSO3)2

Sulfito ácido de cobre (II) o bisulfito de cobre (II)

Actividad: 4 Completa la siguiente tabla, escribiendo el nombre o la fórmula correspondiente a cada compuesto. Fórmula

Nomenclatura Ácido nítrico Nitrato de rubidio

Li2CrO4 HgF Ácido perclórico PbSO3

Permanganato de potasio Ácido borhidríco

MnCl4

Fosfito de amonio

H2Se CuSO4 Mg3(PO4)2

Ácido sulfhídrico

H2CO3

Actividad: 4 Conceptual Distingue la fórmula y nombre de las funciones químicas inorgánicas: ácidos y sales. Autoevaluación

180

Evaluación Producto: Ejercicios de nomenclatura química inorgánica. Saberes Procedimental Aplica las reglas de nomenclatura química inorgánica. C

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

MC

NC

Puntaje: Actitudinal

Muestra su habilidad en el reconocimiento de compuestos inorgánicos.

Calificación otorgada por el docente

Actividad: 5 En equipo. En casa, realicen el experimento siguiendo las instrucciones.

¿Cómo funcionan los antiácidos? Cuando se consumen grasas o irritantes se experimenta un malestar conocido como indigestión, causado por el exceso de acidez en el estómago o en el esófago. Emplea tu conocimiento de la química de los ácidos para evaluar los efectos de los antiácidos que se usan, en general para el tratamiento de problemas de acidez estomacal. Material: Tabletas de antiácidos de tu preferencia. 4 bolsas de plástico. Vinagre. Agua. Papel pH (indicador). Existe en el laboratorio escolar. Procedimiento: 1.

Toma lectura del grado de acidez del vinagre, con el papel pH, interpreta el valor con las indicaciones de la caja; relaciona el color con el valor de pH.

2. 3.

Marca cada bolsa con el nombre del antiácido que quieras probar. Agrega 5 mililitros de vinagre a cada una de las cuatro bolsas, 10 mililitros de agua. Agita y mide el pH. Anota el valor obtenido. Agrega una tableta del antiácido distinta a cada bolsa, elimina el exceso de aire y ciérrala. Asegurarte que la tableta del antiácido esté sumergida en la solución de vinagre. Oprime las tabletas del antiácido para que se rompan en trozos pequeños. Observa las reacciones y descríbelas. Al final de la reacción mide el valor de pH, compara con el registrado al inicio de la actividad. Registra estos datos en la siguiente tabla.

4. 5. 6. 7.

BLOQUE 6

181

Actividad: 5 (continuación)

pH inicial: Bolsa 1 Descripción:

Bolsa 2 Descripción:

Bolsa 3 Descripción:

Bolsa 4 Descripción:

pH final__________

pH final__________

pH final__________

pH final__________

8. ¿Qué antiácido es mejor? Explica. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ 9. Explica cómo se realiza esta reducción de acidez. Menciona los compuestos que intervienen en la reacción. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Sólo para saber y actuar en consecuencia. Limpien una moneda o llave muy sucia con la salsa que utilizan con mayor frecuencia. (Por ejemplo, Valentina, Sonora, cátsup). Midan el pH de este producto.

182

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

Actividad: 5 Conceptual Caracteriza propiedades de ácidos y bases. Coevaluación

Evaluación Producto: Registro de observaciones. Saberes Procedimental

Puntaje: Actitudinal

Realiza práctica experimental siguiendo una guía. C

MC

NC

Muestra disposición al trabajo metódico y organizado.

Calificación otorgada por el docente

Cierre Actividad: 6 Escribe en las columnas correspondientes, la fórmula, nombre y familia de compuestos (función química) a la que pertenece cada ejemplo.

Fórmula

Nombre

Función química.

MgO

Óxido de magnesio Ácido carbónico

Óxido metálico

Mn(ClO2)4 HF HClO3 Cromato de amonio Hidruro de berilio Rb2S Ácido bromhídrico Óxido de vanadio (II) AuOH Ga(IO)3 Carbonato ácido de cesio Hidróxido de estroncio Cl2O5

Actividad: 6 Conceptual Distingue la fórmula y nombre de las funciones químicas inorgánicas: óxidos, hidruros, hidróxidos, ácidos y sales. Autoevaluación

Evaluación Producto: Ejercicios de nomenclatura. Saberes Procedimental

Puntaje: Actitudinal

Aplica las reglas de nomenclatura química inorgánica. C

MC

NC

Muestra su habilidad en el reconocimiento de compuestos inorgánicos.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 6

183

Secuencia Didáctica 2. Importancia del buen uso y manejo de los productos químicos en el hogar. Inicio



Actividad: 1 En equipo. Respondan el siguiente cuestionario.

¿Cuáles son las funciones más comunes para las que se utilizan productos químicos en sus hogares? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ¿Qué tipos de los diversos productos químicos se almacenan en sus hogares? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ¿Cómo se almacenan estos productos? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ¿Los productos almacenados o utilizados en sus hogares representan algún peligro? Expliquen. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

184

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

Actividad: 1 (continuación) De los productos químicos que se utilizan en sus hogares, elijan 5 (deben representar a los diversos usos). Revisen sus etiquetas, registren las indicaciones sobre el producto y anoten los compuestos químicos que reconozcan, una vez que tengan el listado, indiquen a qué familia pertenece cada compuesto.

Etiqueta (tipo de producto)

Lista de compuestos

Función química

Evaluación Actividad: 1 Conceptual Reconoce los compuestos inorgánicos presentes en los productos de uso cotidiano. Coevaluación

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Saberes Procedimental

Actitudinal

Clasifica las sustancias utilizadas en el hogar. C

MC

NC

Valora la utilidad del manejo del lenguaje químico.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 6

185

Desarrollo Actividad: 2 Busca en internet la “hoja de seguridad” para dos de los productos que utilizan en tu casa y que los tengas considerados como peligrosos. Revísala, localiza las principales características de los productos, su clasificación por su peligrosidad y anótalas en el siguiente cuadro. Comprueba si se está cometiendo algún error en el manejo o almacenaje de dicho producto. Comparte la información obtenida con el resto del grupo.

Producto

186

Características/Clasificación

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

Manejo correcto

Errores

Evaluación Actividad: 2

Producto: Hoja de seguridad.

Puntaje:

Saberes Conceptual Conoce la estructura de una hoja de seguridad de productos químicos cotidianos.

Autoevaluación

Procedimental

Actitudinal

Clasifica productos con base a la información de sus hojas de Asume la importancia de utilizar seguridad. con cuidado las sustancias Propone acciones de seguridad a químicas. partir del uso de las hojas de seguridad. C MC NC Calificación otorgada por el docente

Son múltiples los productos químicos que se tienen en los hogares para innumerables usos, muchos de ellos con riesgos potenciales de producir accidentes e intoxicaciones, si es que no se tiene un debido cuidado en su uso, y se mantienen alejados del alcance de los niños, los cuales son los más propensos a envenenamientos con este tipo de productos. Muchas industrias manufactureras de estos productos, como una solución a este problema, han tomado medidas como el cambio de envases, la aplicación de un seguro y complicado sistema de cerrado, reducir la concentración de ciertos productos o cambios en el etiquetado; estas medidas sin duda han incidido en una disminución de los problemas con estos productos. Se busca vivir en un hogar limpio y sano, para lograrlo se utilizan en las casas productos de limpieza y desinfectantes que ayudan a cumplir estos objetivos, pero si no se toman las medidas pertinentes de seguridad, éstos se convierten en posibles fuentes de intoxicaciones y daños al ambiente. Son los artículos que se usan para la limpieza del hogar, lavatrastes o la ropa, junto con los insecticidas, los que presentan mayor riesgo; esto por su composición química, frecuencia de uso y por su fácil disponibilidad si no se tiene cuidado de guardarlos en lugares seguros; entre éstos se destacan: blanqueadores, limpiadores domésticos desinfectantes, detergentes para ropa y para máquinas lavadoras trastes, los cáusticos o corrosivos (capaces de producir lesiones, por acción directa en piel y mucosas), que son probablemente los más peligrosos, se utilizan como limpiadores, destapa caños, los insecticidas domésticos. Los productos anteriores cuando causan intoxicaciones lo que se mide en que pueden generar: náuseas, vómitos, dolor de cabeza, irritación o quemadura dérmica, en la boca, nariz, garganta; pueden traer problemas en el sistema respiratorio, sistema digestivo, a nivel neurológico, daños hepáticos o renales, asma y hasta cáncer. Existe otra infinidad de productos hogareños, muchos de los cuales no son tóxicos, o pocos tóxicos, obviamente depende su toxicidad de factores como: naturaleza de la sustancia, cantidad, concentración, tiempo de exposición, edad del intoxicado, peso, fundamentalmente.

BLOQUE 6

187

Los productos químicos utilizados en el hogar son de gran ayuda en la vida diaria, permiten rodear a las familias de una serie de comodidades en relación con la limpieza, alimentación y principalmente salud. No obstante, el mal uso e incorrecto almacenaje que se hace de ellos ha propiciado que se produzcan accidentes y que se escuche con frecuencia que su uso está contribuyendo al deterioro del ambiente que nos rodea, como lo es de productos que han ocasionado el deterioro de la capa de ozono de la estratosfera, la cual nos protege de las radiaciones UV; que los detergentes han terminado con la vida de peces en los ríos cercanos a las zonas urbanas; y así, se podrían continuar citando casos cuya problemática es real y seriamente preocupante. Si bien son ciertos estos problemas, también es verdad que los insecticidas han colaborado a la erradicación de enfermedades y a elevar la calidad de productos agrícolas; que los tetrafluorocarbonos marcaron pautas en el área de la industria de la refrigeración, que la constante investigación en la producción de cada uno de estos compuestos ha permitido encontrar estructuras químicas de insecticidas menos agresivos y que actualmente se fabrican detergentes biodegradables. Ahora bien, enterarse del costo de un producto químico de uso cotidiano, en relación con la cantidad y la calidad que se está adquiriendo, es importante para la economía del hogar, pero no es de menor importancia el hacer la diferencia entre un producto orgánico o inorgánico, el conocer si es biodegradable o no, o si su envase es reciclable; conceptos cuyo conocimiento permitirá hacer una correcta clasificación cuando se eliminen sus desechos y contribuir de esa forma a evitar la contaminación de nuestro entorno. La enseñanza de la Química a Nivel Superior debe tener como un relevante objetivo y formar futuros científicos que colaboren a la previsión de problemas, a encontrar vías para prolongar y mejorar la vida del ser humano y dar solución a los problemas ya creados; pero cada estudiante, de cualquier grado, así como tú, debe, a partir de sus conocimientos, colaborar en la prevención de problemas mediante el desarrollo consciente de buenos hábitos, como el uso correcto del agua, de la energía, de los productos químicos de uso cotidiano y procurando que estos conocimientos trasciendan a sus respectivas familias. Educando a las nuevas generaciones con costumbres y actitudes que les permitan prever la creación de problemas como accidentes en el hogar, contaminación ambiental, etc., y evitar tener que remediarlos una vez generados, lo cual resulta complicado y costoso en diferentes aspectos. En este punto, no se puede eludir la importancia de la intervención de las autoridades encargadas de supervisar la producción y comercialización de compuestos de uso cotidiano, exigiendo a los productores que cumplan con las normas de control de calidad y especificación en el etiquetado, tanto de las bondades del producto como los cuidados que se debe de tener al utilizarlos, así como las precauciones que deben observarse al eliminar residuos o envases.

Impacto ambiental. En nuestro país, la evaluación al impacto ambiental surge con la promulgación de la Ley Federal de Protección al Ambiente en 1982. Pero fue hasta 1988 cuando la evaluación del impacto ambiental se fortaleció con la expedición de la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al ambiente. (LGEEPA).

188

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

Cierre Actividad: 3 Una vez realizadas las actividades anteriores y leída la introducción al tema del uso adecuado de los productos químicos caseros. Revisa en internet, entre otras, la siguiente página: http://www.cristinacortinas.net/ Revisa el documento: Bases para integrar planes de manejo de microgeneradores de residuos peligrosos.

Analiza con base en la información revisada, la condición que presenta tu casa en cuanto al uso adecuado de los productos químicos, y entrega un reporte de lo que se encontró; qué debe cambiar para mejorar la seguridad. Entrega en tiempo tu reporte para su revisión. (Debes escribir, aproximadamente, una cuartilla).

BLOQUE 6

189

Actividad: 3 (continuación)

Evaluación Actividad: 3

Producto: Reporte. Saberes Procedimental

Conceptual Reconoce los compuestos inorgánicos presentes en los productos de uso cotidiano. Autoevaluación

190

Puntaje: Actitudinal

Propone medidas de seguridad para el uso de sustancias químicas. C

MANEJA LA NOMENCLATURA QUÍMICA ORGÁNICA

MC

NC

Previene riesgos al utilizar con cuidado las sustancias químicas presentes en el hogar.

Calificación otorgada por el docente

Representa y opera reacciones químicas.

Unidades 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.

Atributos: Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas: 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y Diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 14 horas.

Secuencia Didáctica 1. Clasificación de los cambios químicos. Inicio



Actividad: 1 En equipo, resuelvan los siguientes cuestionamientos.

Expliquen qué es una reacción química: ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Mencionen cinco reacciones que sucedan en tu entorno. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Cuál es la importancia de las reacciones químicas? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Realicen la siguiente actividad experimental. Propósito: Obtener un compuesto en estado gaseoso a partir de un sólido y un líquido. Material.   

Un vaso Cáscara de huevo Vinagre

Procedimiento: 1. 2.

192

Coloquen vinagre hasta la mitad de un vaso. Desmenucen una cáscara de huevo y coloquen los trozos dentro del vaso con vinagre.

REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS

Actividad: 1 (continuación) Observaciones: ¿Qué ocurre? Hipótesis ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Qué compuesto gaseoso se formó? Expliquen lo sucedido, para su formación. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 1 Conceptual Identifica a la reacción química como factor de transformación en los materiales cotidianos. Coevaluación

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Saberes Procedimental Elige ejemplos de reacciones químicas cotidianas.

Actitudinal Valora la observación e identificación experimental de los cambios químicos.

Experimenta la formación de compuestos. C MC NC Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 7

193

Desarrollo Ecuación química. La naturaleza es dinámica, y tanto la materia viva como la inerte sufren continuamente procesos de transformación, de los cuales los más importantes son los que afectan su constitución. La formación de las rocas, el crecimiento de un animal, la descomposición de los alimentos, la combustión, son procesos observables que manifiestan la transformación de unas sustancias en otras. Los elementos químicos forman compuestos por medio de enlaces que unen entre sí a sus átomos. La expresión “reacciones químicas” es lo que utilizamos para hacer mención de los procesos que son la transformación de unas sustancias a otras y se explican como el resultado de un reagrupamiento de átomos y de enlaces para dar nuevas moléculas. Para que se produzca un cambio químico, es decir, una reacción química, debe existir una interacción entre dos o más sustancias, o bien que la sustancia sea afectada por un cambio en su energía. El rompimiento de los enlaces químicos se produce de forma espontánea o provocada. En ocasiones no es fácil detectar cuándo se ha llevado a cabo una reacción química. Algunos signos que pueden indicar que se ha realizado el cambio son:

   

La producción de un gas. La aparición de un sólido (precipitado). Cambio de color. El aumento o disminución de la temperatura.

La reacción química es la observación del proceso de cambio químico, pero todo ese proceso hay que representarlo de alguna forma. En el lenguaje químico, una reacción se representa mediante una ecuación, que es una forma abreviada para describir una reacción química por medio de símbolos y fórmulas. Las sustancias iniciales se llaman reactivos; y las finales, productos; se separan por una flecha que apunta hacia las sustancias formadas. Por ejemplo: H2(g) + O2(g)  H2O(g) Esta ecuación nos dice que el hidrógeno molecular gaseoso reacciona con el oxígeno molecular gaseoso para obtener agua gaseosa. Los reactivos son H2 y O2, el producto H2O. En una ecuación química, además de los símbolos de los elementos, fórmulas y la  (se lee “produce”), existen otros términos. El signo (+) que se utiliza como un separador de los reactivos o productos. Los números de menor tamaño que aparecen en el extremo inferior derecho de un símbolo se llaman subíndices e indican el número de átomos del elemento. En las ecuaciones es conveniente expresar el estado de agregación de las sustancias participantes, con los símbolos, (s) sólido, (l) líquido, (g) gaseoso y (ac) solución acuosa. En ocasiones, sobre la flecha se coloca información adicional como la temperatura o presión en que se lleva a cabo la reacción, la presencia de catalizadores, etc. Es importante saber si en una reacción química los productos pueden volver a reaccionar para formar los reactivos originales. Cuando esto sucede, se colocan en la ecuación dos flechas con sentido contrario. En ese caso se dice que la reacción es reversible.

194

REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS

Símbolos utilizados con frecuencia en las ecuaciones químicas. Símbolo

Significado Produce (n); apunta hacia los productos Reacción reversible Gas que se desprende; se escribe después de la fórmula Sólido que se forma o precipitado; se anota después de la fórmula

(s)

Estado sólido

(l)

Estado líquido

(g)

Estado gaseoso

(ac) (aq)

Solución acuosa

∆

Calor

+

Más o reacciona con; se escribe entre las fórmulas de las sustancias

Actividad: 2 Pon en práctica lo estudiado en el tema “ecuación química” y responde lo siguiente. Puedes consultar la tabla periódica. Utiliza la ecuación que se presenta a continuación para contestar las siguientes preguntas.

2Sr(s) + O2 (g)  2SrO(s) a)

¿Cuál es el estado físico del estroncio?_____________________________________________________________

b)

¿Cuál es el subíndice del oxígeno? _______________________________________________________________

c)

¿Cuántos reactivos participan en esta reacción?______________________________________________________

d)

¿Cuántos productos se obtienen en esta reacción?___________________________________________________ Escribe los símbolos o fórmulas de las sustancias que se combinan en las siguientes reacciones. Cobre sólido+ nitrato de plata acuoso  plata sólido + nitrato de cobre acuoso.

BLOQUE 7

195

Actividad: 2 (continuación) Nombra las sustancias que participan e interpreta la simbología de las siguientes ecuaciones químicas. Mg(s) + 2HCl(ac)  MgCl2 (ac) + H2(g)↑ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ 2NaOH(s) + H2SO4(l)  Na2SO4(ac) + 2H2O(l) ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Escribe las siguientes reacciones. El monóxido de carbono gaseoso reacciona con el oxígeno gaseoso produciendo dióxido de carbono gaseoso. ___________________________________________________________________________________________________ El bromo líquido oxida al hierro metálico sólido, produciendo bromuro de hierro (III) sólido. ___________________________________________________________________________________________________

Actividad: 2 Conceptual Interpreta el significado del lenguaje químico. Autoevaluación

196

Evaluación Producto: Ejercicios “uso del lenguaje químico”. Saberes Procedimental

Puntaje: Actitudinal

Utiliza el lenguaje químico en la representación de reacciones químicas. C

REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS

MC

NC

Aplica en forma correcta la simbología química.

Calificación otorgada por el docente

Tipos de reacción. Las reacciones químicas son los procesos por los que unas sustancias se transforman en otras, en este cambio no solo hay transformación de materia, también hay cambios energéticos. La Química estudia las sustancias o especies químicas, existentes en la naturaleza o que puedan obtenerse en el laboratorio. En el campo de acción de la Química se incluye, como un aspecto relevante, el estudio de las transformaciones o reacciones. Por medio de los avances obtenidos en el conocimiento de las reacciones de las sustancias, la Química participa en la producción de nuevos materiales, en la preparación y conservación de los alimentos, la creación de nuevos medicamentos y contribuye al conocimiento del metabolismo, que es el conjunto de los cambios de sustancias y transformaciones de energía que tiene lugar en los seres vivos. Lo anterior da muestra de la importancia del estudio de las reacciones químicas. Un ejemplo de ellas en los organismos es la que encargada del balance de la acidez en el estomago. Un adulto produce diariamente entre dos y tres litros de jugo gástrico, que es un ácido secretado por las glándulas de la membrana mucosa que envuelve al estómago, que entre otras cosas contiene HCl con una concentración tan alta que podría disolver al zinc metálico. El propósito de este medio tan ácido en el estómago es para digerir los alimentos y activar ciertas. Proteínas digestivas. Sin embargo si el contenido de ácido es más alto de lo requerido puede causar contracción muscular, dolor, inflamación y hasta sangrado. Con un antiácido se contrarresta y se reduce temporalmente la molestia en el estómago. La función principal del antiácido es neutralizar el HCl del jugo gástrico. Algunos antiácidos comerciales son: leche de magnesia Mg(OH)2 y carbonato de calcio CaCO3, por ejemplo, la leche de magnesia actúa de acuerdo a la siguiente reacción de neutralización de ácido-base: 2HCl + Mg(OH)2  MgCl2 + 2H2O En la naturaleza se manifiestan constantemente cambios químicos o reacciones. Para estudiar esas reacciones de manera sencilla los químicos las han clasificado en varios tipos: síntesis descomposición sustitución simple sustitución doble. Reacciones de síntesis A este tipo de reacciones también se les conoce como reacciones de combinación o reacciones de adición. Se producen cuando dos o más sustancias (elementos o compuestos) sencillas reaccionan para producir una sola sustancia (siempre un compuesto), pero más compleja. Se les puede representar de manera general como: A + B  AB

BLOQUE 7

197

En este caso A y B son elementos o compuestos y AB es un compuesto más complejo. El oxígeno y los halógenos son elementos muy reactivos que pueden sufrir reacciones de combinación con casi cualquier otro elemento. Entre los diferentes tipos de reacción de combinación o síntesis se encuentran los siguientes: 1.

metal + oxígeno  óxido metálico 2Mg + O2  2MgO

2.

no metal + oxígeno  óxido no metálico C + O2  CO2

3.

metal + no metal  sal 2Na + Cl2  2NaCl

4.

agua + óxido metálico  base o hidróxido 2H2O + MgO  Mg(OH)2

5.

agua + óxido no metálico  oxiácido H2O + SO3  H2SO4

Reacciones de descomposición En estas reacciones una sola sustancia participa como reactivo y le sucede que se descompone para formar dos o más sustancias. La sustancia que se rompe siempre es un compuesto más complejo y los productos pueden ser elementos o compuestos, pero más sencillos. Este tipo de reacciones se llevan a cabo, generalmente, en presencia de calor o por adición de energía de algún tipo. La forma general de representarlas es AB  A + B Es frecuente que al calentar compuestos oxigenados, se descompongan. No siempre es fácil predecir los productos de una reacción de descomposición. Algunos ejemplos son: 1.

Carbonatos metálicos y bicarbonatos se descomponen para producir dióxido de carbono gaseoso. 2NaHCO3  Na2CO3 + CO2 + H2O Esta reacción describe el funcionamiento del polvo de hornear. CaCO3  CaO + CO2

2.

Algunos compuestos se descomponen para producir oxígeno gaseoso. 2KClO3  KCl + 3O2 HgO  Hg + O2

Reacciones de sustitución simple En estas reacciones un elemento reacciona reemplazando a otro en un compuesto. Las reacciones de sustitución simple también se llaman reacciones de reemplazo, de sustitución o desplazamiento. La forma general es: A + BC  B + AC ó A + BC  C + BA

198

REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS

Dos tipos generales de reacciones de sustitución simple. 1. Un metal o catión (A) sustituye a un ion metálico en su sal o ácido, B puede ser un ion metálico o ion hidrógeno. A + BC  AC + B Zn + CuSO4  ZnSO4 + Cu 2. Un no metal o anión (A) sustituye a un ion no metálico en su sal o ácido, B puede ser un ion metálico o un ion hidrógeno. A + BC  BA + C Cl2 + 2NaBr  2NaCl + Br2

Reacciones de sustitución doble o metátesis En este tipo de reacciones las sustancias reaccionantes son dos compuestos, y las sustancias producidas son otros dos compuestos diferentes de los anteriores; de tal manera que hay un intercambio de iones y elementos entre ellos. El intercambio se lleva a cabo entre grupos positivos y negativos. Para escribir las fórmulas, se deben considerar las cargas en función de las reglas de escritura de las fórmulas químicas que ya revisamos en el bloque anterior.

Un tipo de reacción de doble sustitución de gran importancia tanto en los seres vivos como a nivel industrial y ambiental, es la reacción de un ácido con una base o hidróxido que produce sal y agua, tales reacciones se denominan reacciones de neutralización.

Otras reacciones de sustitución doble: 1.

Óxido metálico + ácido ZnO + 2HCl

 sal + agua  ZnCl2 + H2O

2.

Óxido no metálico + base  sal + agua CO2 + 2LiOH  Li2CO3 + H2O

BLOQUE 7

199

Cierre Actividad: 3 Resuelve los siguientes ejercicios de reacciones:  Escribe sobre la línea el tipo de reacción al que pertenece cada uno de los siguientes ejemplos. Ejemplo

Tipo de reacción

2Pt + F2 → 2PtF 2NaNO3 → 2NaNO2 + O2 N2 + 3H2 → 2NH3 3H2SO4 + 2Al → Al2(SO4)3 + 3H2 NaCl + AgNO3 → AgCl + NaNO3 2SO2 + O2 → 2SO3 Cl2 + 2HI → I2 + 2HCl 2H2O → 2H2 + O2 2Al(OH)3 + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 6H2O 3AgNO3 + Al → Al(NO3)3 + 3Ag (NH4)2Cr2O7 → Cr2O3 + N2 + 4H2O 

Completa las siguientes reacciones y anota el tipo de reacción.

Reactivos

Productos

Tipo de reacción

Na + H2 → NaH

Síntesis o combinación

K + H2SO4 → CaCO3 → MgSO4 + Ba(NO3)2 → H2 + Cl2 → Al(OH)3 + HCl →

Actividad: 3 Conceptual Identifica los tipos de reacciones químicas: síntesis, descomposición, sustitución simple y doble sustitución. Autoevaluación

200

Evaluación Producto: Ejercicios de ecuaciones químicas. Saberes Procedimental

Puntaje: Actitudinal

Distingue los tipos de reacciones químicas. Completa reacciones químicas. C

REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS

MC

NC

Utiliza con propiedad el lenguaje químico.

Calificación otorgada por el docente

Secuencia didáctica 2. Balanceo de ecuaciones químicas. Inicio Actividad: 1 Resuelve el siguiente cuestionario. ¿Explica con tus palabras la Ley de Conservación de la materia aplicada a una reacción química? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ Escribe tres ejemplos de reacciones químicas que suceden en tu organismo. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ Define oxidación. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Escribe tres ejemplos de reacciones de oxidación, comunes en tu entorno. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ _

BLOQUE 7

201

Evaluación Actividad: 1

Producto: Cuestionario.

Conceptual Ubica la presencia de reacciones en su entorno y organismo.

Puntaje:

Saberes Procedimental

Actitudinal Se percata del conocimiento que tiene sobre el tema.

Expresa por escrito sus conocimientos.

Autoevaluación

C

MC

NC

Calificación otorgada por el docente

Desarrollo Simbología. Desde el origen del universo, se formó lo que conocemos como materia y energía, las cuales en todos los miles de millones de años de existencia han permanecido presentes sufriendo transformaciones entre sus respectivas formas de presentarse. Esto se entiende a través de las leyes de la conservación de la materia y de la energía. En lo que respecta a la materia queda claro que ésta no se puede crear, no se puede destruir, tan solo es posible poderla transformar. En todas las reacciones químicas se observa un proceso de transformación de la materia, es por eso que en todo momento debe de cumplirse con la ley universal de la conservación de la materia, publicada desde 1783 por Antoine Lavoisier. De acuerdo a lo anterior, es necesario que las ecuaciones químicas cumplan con este principio, para ello será necesario expresar un balanceo entre la materia que se expresa en forma de reactivos con la materia que se expresa en forma de productos. De seguro que en la secuencia anterior, observaste que en algunas de las ecuaciones químicas mostradas, se indican ciertos números enteros positivos que se escriben antes del símbolo o de la fórmula química de la especie química participante. Esos números son llamados, coeficientes, y representan las veces que la especie química participa en la reacción. Cuando no hay un coeficiente escrito se sobreentiende que se refiere al número 1. Pero entonces para contar con esos coeficientes será necesario aprender a hacer el balanceo de las ecuaciones químicas. Existen varios métodos para balancear ecuaciones químicas como son: El método de balanceo por tanteo, el método redox o de oxidación – reducción, el método del ión electrón. En esta secuencias o se abordarán los métodos de tanteo y de redox, el método del ión electrón se revisa en las secuencias de las asignaturas de Temas Selectos de Química.

Método de balanceo por tanteo. Tal como se entiende por la palabra tanteo, este método basa su proceso en un conteo a prueba y error hasta tener el mismo número de átomos en reactivos y en productos. Este método tiene efectividad con ecuaciones que sean sencillas, las cuales se caracterizan por tener de una a dos especies químicas en reactivos o en productos. Si la ecuación tiene tres o más especies químicas en cualquiera de sus apartados, se considera que ya es compleja y no se aconseja el balanceo por tanteo. Por ejemplo en la siguiente ecuación química: NaOH + HCl

202



NaCl + H2O

REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS

Reactantes Na = 1 O=1 H=2 Cl = 1

Productos Na = 1 O=1 H=2 Cl = 1

sodio balanceado oxígeno balanceado hidrógeno balanceado cloro balanceado

Es evidente que esta ecuación química está balanceada sin necesidad de escribir los coeficientes ya que en todos los casos es de 1, ahora ve el siguiente ejemplo: KClO3

 KCl +

Reactivos K=1 Cl = 1 O=3

O2

Productos K=1 Cl = 1 O=2

potasio balanceado cloro balanceado oxígeno no balanceado

Es necesario empezar el balanceo con los átomos de oxígeno. Para esto se hace la siguiente sugerencia: si en el conteo de un mismo átomo se tiene número impar y número par, se sugiere que el número impar se haga par y para eso el número impar se multiplica por dos 3 x 2 = 6. Se supone que las fórmulas químicas están escritas correctamente y por lo tanto no se pueden cambiar ninguno de los subíndices presentes en las fórmulas, así que sólo se acepta agregar números que sean multiplicadores de la fórmula o símbolo O = (3)2 =6 O = (2)3 = 6 desequilibra el potasio y el cloro. 2KClO3

 KCl +

oxígeno balanceado, pero al multiplicar las fórmulas en la ecuación se

3O2

Reactivos

Productos

K = (1)2 =2

K=1

potasio no balanceado

Cl = (1)2 =2

Cl = 1

cloro no balanceado

O = (3)2 =6

O = (2) = 6

oxígeno balanceado

Pero al igual se procede con el potasio y con el cloro en productos K = (1)2 =2

K = (1)2 = 2

potasio balanceado

Cl = (1)2 =2

Cl = (1) = 2

cloro balanceado

O = (3)2 =6

O = (2) = 6

oxígeno balanceado

2KClO3

 2KCl +

3O2

ecuación química balanceada.

Observa un ejemplo más: O2 + Sb2S3

 SbO2 + SO2

BLOQUE 7

203

Sugerencia: si en las especies químicas participantes existe un átomo que aparece muchas veces, se sugiere balancearlo al final. En este ejemplo está el caso del oxígeno. Reactivos Sb = 2 S=3 O=2

Productos Sb = 1 S=1 O=2+2=4

no balanceado no balanceado no balanceado

Se balancea el antimonio y el azufre y el efecto multiplicador se aplica al oxígeno donde corresponda, y queda: Reactivos Sb = 2 S=3 O=2 O2 + Sb2S3

Productos Sb = (1)2 = 2 S = (1)3 = 3 O = (2)2 + (2)3 = 10  2SbO2 + 3SO2

Reactivos O = (2)5 = 10 5O2 + Sb2S3



balanceado balanceado no balanceado falta balancear el oxigeno

Productos O = (2)2 + (2)3 = 10

balanceado

2SbO2 + 3SO2

ecuación química balanceada

Actividad: 2 Balancea por el método del tanteo las siguientes ecuaciones químicas:

Ecuación Al(OH)3 + H2SO4  Al2(SO4)3 + H2O

Fe + HCl  FeCl3 + H2 CO2 + H2O  C6H12O6 + O2 C3H8 + O2  CO2 + H2O H2SO4 + Ca3(PO4)2  CaSO4 + H3PO4 CaCO3  CaO + CO2

204

REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS

Ecuación balanceada

Actividad: 2 Conceptual Reconoce el método de tanteo para el balanceo de ecuaciones químicas. Autoevaluación

Evaluación Producto: Balanceo de ecuaciones por el método de tanteo. Saberes Procedimental Aplica el método de tanteo para balancear ecuaciones químicas. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Valora la ley de conservación de la materia, como principio fundamental de la Química.

Calificación otorgada por el docente

Método de balanceo Redox o por oxidación – reducción. Este método es un poco más elaborado, pero no por eso significa que no se pueda hacer. Antes de empezar con los pasos del mismo, es necesario definir y aclarar dos términos: el de oxidación y el de reducción. La oxidación es un evento que se presenta en un átomo, cuando éste pierde o cede electrones, provocando que su número de oxidación aumente en su carácter de positivo. La reducción es un evento simultáneo a la oxidación, ya que ante la pérdida de electrones por un átomo es necesario que otro átomo gane esos electrones, provocando la reducción; o sea, al ganar electrones un átomo hace que su número de oxidación disminuya, o bien se haga más negativo. En pocas palabras, la pérdida de electrones es la oxidación, la ganancia de electrones es reducción.

El átomo A pierde electrones, por lo que sufre la oxidación, o sea se oxida, pero, al perder, provoca que otro los gane; hace que se provoque la reducción, así que se le considera como el agente reductor. El átomo B gana electrones, por lo que sufre la reducción, o sea se reduce; pero, al ganar, provoca que otro los pierda; hace que se provoque la oxidación, por lo que se le considera como el agente oxidante. Algo importante en este proceso es que si se pierde un número de electrones, se debe de ganar ese mismo número de electrones, es decir # electrones perdidos = # electrones ganados. Para que este método de balanceo sea exitoso es necesario que se escriban correctamente las fórmulas y símbolos químicos de las especies participantes en la ecuación. Los pasos a seguir para balancear por oxidación - reducción son los siguientes: Primer paso. Determinar los números de oxidación de todos y cada uno de los átomos presentes en la ecuación química.

BLOQUE 7

205

Para esta determinación es necesario retomar lo ya visto en el bloque anterior con relación a las reglas 1. 2.

El número de oxidación de un elemento libre es cero. (Zn0, Al0, Cu0 N20, H20, O20, Cl20, P40 ) El número de oxidación de los metales en los compuestos es igual a su valencia iónica. Por ejemplo, alcalinos +1, alcalino térreos +2, y siempre es positiva, algunos metales tienen valencia única como los que pertenecen a los grupos IA, IIA y IIIA, pero otros tienen valencia variable y ésos los encontramos en el bloque de los metales de transición. Sugerencia: se sugiere que consultes la tabla periódica y hagas una lista de metales de valencia única, escribiendo el símbolo y su valencia, así como una lista de metales de valencia variable.

3.

El número de oxidación de un ion es igual a su carga.

4.

El número de oxidación del hidrógeno en la mayoría de los compuestos que forma se combina con +1 ( H+1Cl), excepto en los hidruros metálicos, que son compuestos en donde el hidrógeno se une al metal y como el metal siempre debe de ser positivo, es donde el hidrógeno debe de ser –1 (NaH–1).

5.

El número de oxidación del oxígeno en la mayoría de los compuestos que forma es –2 (CO2-2) excepto en los -1 peróxidos que es –1 (H2O2 ).

6.

La suma algebraica de los números de oxidación de todos los átomos de un compuesto es igual a cero ( H Cl ). En los casos en que los números de oxidación no son iguales, se calcula multiplicando primero la cantidad de átomos de cada elemento por su respectivo número de oxidación y sumando ambos resultados, dicha suma debe ser igual a cero.

1 1

4 2

Ejemplo: C O2

= (+4) + 2(–2) = +4 + (–4)= 0

Esto permite que si en una fórmula química hay dos clases de elementos y se conoce el número de oxidación de uno de ellos, el otro se determina por diferencia, de igual forma si la fórmula química es de tres clases de elementos y se conoce el número de oxidación de dos de ellos, el tercero se obtiene por diferencia. H2+1 S O4-2 = 2(+1) + (X) + 4(-2) = 0 = (+2) + (-8) + (X) = 0 entonces X = +6 H2+1 S+6 O4-2 7.

Existen especies químicas que reciben el nombre de iones poliatómicos y tienen un estado de oxidación propio igual a su carga, por ejemplo (SO4)-2 en las cuales los átomos están agrupados y así presentan una carga y actúan como unidad. En estos casos la suma del total de carga positiva más el total de carga negativa deberá de ser igual a la carga neta del ión, por ejemplo (SO4)-2, S = (+6) y O = (-2), entonces (+6) + 4(-2) = (+6) + (-8) = 2. Este tipo de consideraciones son muy útiles cuando tiene un metal de valencia variable unido a un ión poliatómico, ya que en esos casos se tiene tres clases de elementos y se conoce el número de oxidación de uno de ellos, por lo que hay que acudir a la constitución del ion poliatómico para obtener el segundo número de oxidación y poder aplicar la regla 6. Por ejemplo en la fórmula Fe2(SO4)3 por regla 5 el oxígeno es -2, pero el hierro por regla 2 es positivo pero de valencia variable, puede ser +2 y +3, así que tenemos que considerar que el azufre es +6 por regla 7 y así por regla 6 determinar que el hierro es +3.

Fe2+3 (S+6 O4-2)3 = 2(+3) + 3(+6) + 12(-2) = (+6) + (+18) + (-24) = 0 Aplica este primer paso a la siguiente ecuación química: KMnO4 + HCl  KCl + MnCl2 + H2O + Cl2

206

REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS

Para cada especie química, se determinan los números de oxidación de lo más sencillo a lo más complicado. Especie Cl2 H2O

Reglas aplicadas Regla 1 Regla 4 y 5 confirma regla 6

Resultado Cl = 0 H= +1, O = -2

MnCl2

Regla 2 y regla 6

Mn = +2

KCl

Regla 2 y regla 6

K = +1

Cl = -1

HCl

Regla 4 y regla 6

H = +1

Cl = -1

KMnO4

Regla 2, regla 7 y regla 6

K = +1 Mn = +7 O = -2

K+1 Mn+7 O4-2 + H+1 Cl-1  K+1 Cl-1 + Mn+2 Cl2-1 +

H2+1 O-2

Cl = -1

+ Cl20

Segundo paso. Ya con los números de oxidación determinados en forma correcta se puede decir que ya tenemos un 80% del problema resuelto, ahora hay que determinar cuál se oxida y cuántos electrones pierde por átomo, cuál se reduce y cuántos electrones gana por átomo. Para ello es necesario auxiliarse de la siguiente gráfica: Para determinar qué elemento se oxida o se reduce, se hace una comparación del número de oxidación del elemento en el apartado de reactivos con respecto a su número de oxidación en el apartado de productos. Elemento

Reactivos +1

Productos

K

K

K+1

Mn

Mn+7

Mn+2

O

O-2

O-2

H

H+1

H+1

Cl

Cl-1

Cl-1 + Cl-1 + Cl0

Se observa que el potasio, el hidrógeno y el oxígeno no presentan cambio en sus números de oxidación, por lo que en ellos no hay oxidación ni reducción, en este paso se pasan por alto, no así con el manganeso y el cloro. Para expresar lo que pide este paso se recomienda usar semi ecuaciones con los átomos que sufren cambios. Mn+7 + 5e-  Mn+2 se reduce, gana 5 electrones por átomo, es el agente oxidante. Cl-1 - 1e-  Cl0 se oxida, pierde 1 electrón por átomo, es el agente reductor. Sugerencia: se sugiere que si estos átomos que cambian de número de oxidación tienen subíndice en la ecuación, haz la semi ecuación con el subíndice en donde corresponda y balancea con coeficiente el otro lado. Y considera el número de electrones de acuerdo al número de átomos. 2Cl-1 - 2e-  Cl20

BLOQUE 7

207

Tercer paso. Como la cantidad de electrones ganados depende de la cantidad de electrones perdidos, es importante considerar que el número de electrones ganados, sea igual al número de electrones perdidos. Para eso en las semi ecuaciones resultantes del paso anterior, se determina el siguiente número que sea común múltiplo entre los números de electrones ganados y perdidos. Para lograr ese común múltiplo como electrones totales, se multiplica la semi ecuación con el número que corresponda. Mn+7 + 5e-  Mn+2 2Cl-1

-2e-  Cl20

El siguiente número común múltiplo entre el 5 y el 2 es el 10, por lo que para tener 10 electrones ganados se multiplica la semi ecuación por 2. Y para tener 10 electrones perdidos se multiplica la semi ecuación por 5 (Mn+7 + 5e-  Mn+2)2

=

2Mn+7 + 10e-  2Mn+2

(2Cl-1

=

10Cl-1

-2e-  Cl20)5

-10e-  5Cl20

Cuarto paso. Los enteros que multiplican a los elementos en las semi ecuaciones obtenidas en el paso anterior, se traducen en el total de átomos de esa clase y ese número de oxidación en la ecuación general. Así se obtienen los primeros coeficientes del balanceo, los demás se obtienen siguiendo un balanceo por tanteo, tomando como base lo obtenido y siguiendo las sugerencias dadas en el método de tanteo. 2K+1 Mn+7 O4-2 + 10 H+1 Cl-1

 K+1 Cl-1 + 2Mn+2 Cl2-1 + H2+1 O-2 + 5Cl20

El elemento cloro no queda balanceado, ya que hay especies en donde no sufre cambio, además es el elemento que más se repite, por lo que se sugiere balancearlo al final. Se balancea el potasio, el oxígeno y el hidrógeno, en ese orden y así queda balanceado el cloro. 2K+1 Mn+7 O4-2 + 16 H+1 Cl-1

 2K+1 Cl-1 + 2Mn+2 Cl2-1 + 8H2+1 O-2 + 5Cl20

Reactivos

Productos

K = 2(1) = 2

K = 2(1) = 2

Mn = 2(1) = 2

Mn = 2(1) = 2

O = 2(4) = 8

O = 8(1) = 8

H = 16(1) = 16

H = 8(2) = 16

Cl = 16(1) = 16

Cl = 2(1) + 2(2) + 5(2) = 2 +4 +10 = 16

208

REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS

Actividad: 3 Realiza el balanceo por oxidación – reducción de las siguientes ecuaciones químicas.

Ecuación

 Cu(NO3)2 + NO + H2O

Cu + HNO3

NaClO3 + K2SnO2

Fe2S3 + O2

Ecuación balanceada

 NaCl + K2SnO3

 Fe2O3 + SO2

Zn + HNO3  NO + Zn(NO3)2 + H2O

MnO2 + HCl

 Cl2 + MnCl2 + H2O

HNO3 + H2S

 NO + S + H2O

KCl + KMnO4 + H2SO4  MnSO4 + K2SO4 + H2O + Cl2

Actividad: 3 Conceptual Reconoce el método de oxidación-reducción o redox para el balanceo de ecuaciones químicas. Autoevaluación

Evaluación Producto: Balanceo de ecuaciones por el método de oxidación-reducción. Saberes Procedimental Aplica el método de oxidaciónreducción o redox para balancear ecuaciones químicas. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal

Valora la ley de conservación de la materia, como principio fundamental de la Química.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 7

209

Importancia de las reacciones de reducción-oxidación Los procesos oxidación-reducción tienen una gran importancia en biología molecular, porque son empleados en la fotosíntesis y en la respiración a nivel molecular, dos procesos fundamentales para la vida de los organismos. También son de mucha utilidad en las industrias por su uso productivo. Por ejemplo, la reducción de minerales para la obtención del aluminio o del hierro. A veces se emplean las reacciones de reducción-oxidación como prevención. Por ejemplo, en la corrosión. Las reacciones de oxidación-reducción tienen un papel importante en el quehacer cotidiano, los antisépticos que protegen de enfermedades y los procedimientos que revelan los rollos fotográficos son reacciones de óxidoreducción. El funcionamiento de la batería de un automóvil, las de una linterna, el blanqueador para ropa, son ejemplos de dispositivos y sustancias que implican reacciones de óxido-reducción. Los agentes oxidantes y la salud Un antiséptico es una sustancia que evita el crecimiento de los microorganismos, y un desinfectante es la sustancia que destruye las bacterias y microorganismos patógenos. Los antisépticos se aplican en tejidos vivos y los desinfectantes en materiales inanimados. Los antisépticos y desinfectantes actúan generalmente como agentes oxidantes de algunas sustancias fundamentales para la vida de las bacterias y microorganismos. Por su alto poder oxidante, atacan y llegan a destruir también las células de la piel, por lo que su aplicación debe ser controlada. Con frecuencia, se utilizan como antisépticos las soluciones de yodo o los compuestos que liberan este elemento, también se utiliza el peróxido de hidrógeno en solución acuosa al 3% (agua oxigenada).

Limpieza y desinfección. La desinfección química debe estar precedida siempre por una limpieza, ya que la acción mecánica por sí solo elimina gran cantidad de micoorganismos y materia orgánica que puede inactivar al desinfectante.

El hipoclorito de sodio disponible en solución acuosa, además de ser utilizado como blanqueador para ropa, se utiliza también para desinfectar el agua de albercas y, en algunos casos, para potabilizar el agua. El ozono es otra sustancia oxidante empleada para desinfectar el agua potable.

Factores que afectan la potencia de un desinfectante.     

210

REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS

Concentración del agente y tiempo de actuación. Ph. Temperatura. Naturaleza del microorganismo y otros factores asociados a la población microbiana. Presencia de materiales extraños.

Cierre Actividad: 4 En equipo. Completen las siguientes ecuaciones; una vez que lo hayan hecho, ahora balancéenlas y por último escriban el tipo de reacción al que pertenece cada una de ellas. Presten atención a la identificación de las sustancias reaccionantes para facilitar la predicción del los productos.

Completa la ecuación No metal + hidrógeno I2 + H2→

Balancea la ecuación

Tipo de reacción.

Óxido no metálico + agua SO3 + H2O → Metal + agua Na + H2O → Metal + no metal Fe+2 + S →

Actividad: 4 Conceptual Relaciona los conocimientos sobre tipo de reacción, Ley de conservación de la materia y balanceo de ecuaciones. Coevaluación

Evaluación Producto: Ejercicios con ecuaciones químicas. Saberes Procedimental Integra conocimientos. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Participa activamente en el trabajo en equipo. Aprecia las aportaciones de los compañeros. Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 7

211

Actividad: 5 Lee con atención el siguiente texto y responde las preguntas que se te piden.

Lectura ¿Envejecemos por oxidación? ¿Por qué envejecemos? La verdad nadie la sabe. Pero es una realidad que el cuerpo se va desgastando con los años, sobre todo, después de los 70 u 80 años. Por la complejidad del cuerpo humano es muy difícil señalar la causa o las causas del envejecimiento. Muchos científicos creen que que la oxidación desempeña un papel importante en el envejecimiento de las personas. El oxígeno es esencial para la vida, eso lo sabemos todos, pero también en exceso ocasiona efectos nocivos. Las moléculas de oxígeno y otras sustancias oxidantes del cuerpo humano extraen electrones únicos de moléculas de gran tamaño que constituyen las membranas celulares (paredes), ocasionando así que éstas se hagan muy reactivas. De hecho, estas moléculas activadas pueden reaccionar unas con otras modificando las propiedades de la membrana celular. Si se acumulan suficientes cambios de este tipo el sistema inmune del cuerpo llega a considerar las células modificadas como “extrañas” y las destruye. Esta acción es particularmente dañina para el organismo cuando las células afectadas son irremplazables, como ocurre con las células nerviosas. Científicos estadounidenses han examinado el envejecimiento de la mosca casera común. Sus investigaciones indican que los daños acumulados por oxidación se relacionan tanto con la vitalidad de la mosca como con su expectativa de vida. Un estudio demostró que las moscas a las que se obligó a llevar una vida sedentaria (no se les permitía volar), presentaron

212

REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS

una cantidad mucho menor de daños por oxidación (debido a su consumo más bajo de oxígeno) y vivieron el doble que aquellas moscas con actividad normal. Los conocimientos acumulados de varios estudios indican que la oxidación tal vez constituya una de las principales causas del envejecimiento. Para protegernos de tal proceso el mejor método sería estudiar las defensas naturales del organismo contra la oxidación. Un estudio reciente ha demostrado que la melatonina (producto químico secretado por la glándula pineal en el cerebro, pero sólo por la noche) protege contra la oxidación. Además, desde hace mucho tiempo se sabe que la vitamina E es un antioxidante. Los estudios han demostrado que los eritrocitos deficientes en vitamina E envejecen mucho más rápido que las células que tienen niveles normales de esta vitamina. Con base en este tipo de evidencia muchas personas toman dosis cotidianas de vitamina E para luchar contra los efectos del envejecimiento. La oxidación es sólo una posible causa del envejecimiento. Aún continúan las investigaciones en muchos campos para determinar por qué “envejecemos” a medida que el tiempo trascurre. Adaptado de Steven S. Zumdahl, Fundamentos de química, 5ª. Ed., México, McGraw-Hill Interamericana Editores, 2007

Actividad: 5 (continuación) A partir del texto explica el concepto de moléculas activadas. _____________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ¿Qué evidencias hacen pensar que el consumo de antioxidantes puede ayudar a retrasar el envejecimiento? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Cuál es la propuesta de protección contra el proceso de envejecimiento que propone el texto? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 5

Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Conceptual Identifica la presencia de reacciones de oxidaciónreducción en los seres vivos. Autoevaluación

MC

Actitudinal Aprecia la importancia de las reacciones de oxidaciónreducción en los organismos.

Práctica la lectura de comprensión. C

Puntaje:

NC

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 7

213

Actividad: 6 En equipo. Investiguen tres ejemplos de reacciones o procesos químicos que se utilizan para solucionar problemas y procesos químicos en los cuales se generan residuos tóxicos o perjudiciales en algún grado, tanto para los organismos como para el ambiente. Escriban lo encontrado en el siguiente espacio. Procesos químicos que producen residuos peligrosos

Procesos químicos para solucionar problemas.

Evaluación Actividad: 6 Conceptual Reconoce las repercusiones positivas o negativas sobre el medio ambiente y la sociedad provocadas por los procesos químicos. Coevaluación

214

REPRESENTA Y OPERA REACCIONES QUÍMICAS

Producto: Investigación.

Puntaje:

Saberes Procedimental

Actitudinal

Selecciona ejemplos de procesos químicos cotidianos. C

MC

NC

Evalúa las repercusiones de los procesos químicos.

Calificación otorgada por el docente

Entiende los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas.

Unidades 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.

Atributos:

Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas: 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y Diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 7 horas.

Secuencia Didáctica 1. Cambios energéticos en las reacciones químicas. Inicio Actividad: 1 En equipo, respondan las siguientes preguntas.

Menciona tres ejemplos de cambios químicos en los que se aprecie un cambio de energía. (Calor, luz, etc.) ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Describe la reacción de combustión de un trozo de madera. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Cómo obtienen su energía los seres vivos? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

216

ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Actividad: 1 (continuación) Describe las siguientes ecuaciones, menciona dónde se llevan a cabo. C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6H2O + Energía ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ _ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ 6 CO2 + 6H2O + Energía → C6H12O6 + 6 O2 ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 1

Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Conceptual Reconoce los cambios de energía que tienen lugar en las reacciones químicas. Coevaluación

Puntaje:

Integra el concepto de energía a las reacciones químicas. C

MC

NC

Actitudinal Muestra interés por comprender los cambios energéticos. Colabora entusiastamente en el trabajo grupal.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 8

217

Desarrollo El calor en las reacciones químicas. Todas las reacciones químicas obedecen a dos leyes fundamentales: la ley de conservación de la materia y la ley de conservación de la energía, que en forma interdisciplinaria hoy se consideran como si fueran una sola, la ley de la conservación de la materia y la energía. Energía es un término muy utilizado aun cuando representa un concepto muy abstracto; en el bloque 2 se consideró como una de las dos formas que tiene la naturaleza para manifestarse. En general, la energía se define como la capacidad para efectuar un trabajo. Todas las formas de energía son capaces de efectuar un trabajo (es decir, ejercer una fuerza en una distancia) pero no todas tienen la misma importancia para la Química. Por ejemplo, la energía contenida entre las mareas y la Química es mínima. Los químicos definen trabajo como el cambio de energía producida por un proceso. La energía cinética es una de las formas de energía que interesa mucho a los químicos. Otros tipos son energía radiante, energía térmica, energía química y energía potencial. La energía térmica es la energía asociada al movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas. En general, la energía térmica se puede calcular a partir de mediciones de temperatura. Cuanto más vigoroso sea el movimiento de los átomos y de las moléculas en una muestra de materia, estará más caliente y su energía térmica será mayor. Sin embargo, es necesario distinguir con claridad entre energía térmica y temperatura. Una taza de café a 70°C tiene más alta temperatura que una tina llena con agua a 40°C, pero en la tina se almacena mucha más energía térmica porque tiene un volumen y una masa mucho mayor que la taza de café y, por lo tanto, hay más moléculas de agua y mayor movimiento molecular. Es frecuente que durante una reacción química se libere o se absorba una cierta cantidad de energía. El cambio de energía que se presenta durante una reacción química es el resultado de la ruptura y formación de enlaces químicos, cuando los reactivos se convierten en productos. El cambio de energía permite explicar por qué ocurren las reacciones químicas; éstas tienden a avanzar hacia productos que se encuentren en un estado de menor energía. La transferencia de energía (reactivos a productos) tiene importantes aplicaciones en los sistemas vivos, en los procesos industriales, en la calefacción o enfriamiento de los hogares y en muchas otras situaciones. Casi todas las reacciones químicas absorben o liberan energía, generalmente en forma de calor. Es importante entender la diferencia entre energía térmica y calor. El calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas. Con frecuencia se habla del “flujo de calor” desde un objeto caliente hacia uno frío. A pesar de que el término calor por sí mismo implica transferencia de energía, generalmente se habla de calor absorbido o calor liberado para describir los cambios energéticos que ocurren durante un proceso. La termoquímica es el estudio de los cambios de calor en las reacciones químicas. Para analizar los cambios de energía asociados a las reacciones químicas, primero es necesario definir el sistema o la parte específica del universo que interesa; lo que no sea parte del sistema será considerado como medio ambiente o sus alrededores. Hay tres tipos de sistemas. Un sistema abierto puede intercambiar masa y energía, por lo general en forma de calor, con sus alrededores. Un ejemplo de sistema abierto puede ser el formado por una cantidad de agua en un recipiente abierto. Si se cierra el recipiente, de manera que el vapor de agua no pueda escaparse para condensarse en el recipiente se tiene un sistema cerrado, el cual permite la transferencia de energía (calor) pero no de masa. Al colocar el agua en un recipiente totalmente aislado, se construye un sistema aislado, el cual no permite la transferencia ni de masa ni de energía.

218

ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Para explicar los cambios que se producen en un sistema, es necesario definir con precisión sus propiedades, antes y después de que se produzca el cambio. Por lo regular, esto se hace al especificar el estado del sistema (reacción), es decir, al reunir un grupo específico de condiciones de presión, temperatura, número de moles de cada componente y su forma física (por ejemplo gas, líquido o forma cristalina). Al especificar estas variables, se han fijado todas las propiedades del sistema. Por lo tanto, el conocimiento de estas características permite definir sin ambigüedad las propiedades del sistema. Para los químicos, los sistemas incluyen las sustancias que están implicadas en los cambios químicos y físicos. Por ejemplo, en un experimento de neutralización ácidobase, el sistema puede ser el recipiente que contiene 50 mililitros de HCl al cual se agregan 50 mililitros de NaOH. Los alrededores son el resto del universo externo al sistema, o sea, el medio ambiente.

Glosario: Calor de formación. Cambio de energía cuando un mol de una sustancia se forma a partir de sus elementos

La combinación de hidrógeno gaseoso con oxígeno gaseoso es una de las muchas reacciones químicas que liberan una gran energía.

2H2(g)+ O2(g) → 2H2O(l) + energía En este caso, se puede considerar la mezcla de reacción (moléculas de hidrógeno, de oxígeno y de agua) como el sistema, y al resto del universo, como los alrededores del sistema. Debido a que la energía no se puede crear ni destruir, cualquier pérdida de energía por el sistema la deben ganar los alrededores. Así, el calor generado por el proceso de combustión se transfiere del sistema a sus alrededores. Esta reacción es un ejemplo de una reacción exotérmica, que es cualquier proceso que cede calor, es decir, que transfiere energía térmica hacia los alrededores. Considérese ahora otra reacción, la descomposición del óxido de mercurio (II) (HgO) a altas temperaturas: Energía + 2HgO(s) → 2Hg(l) + O2(g)

BLOQUE 8

219

Este proceso es un ejemplo de una reacción endotérmica, en el cual los alrededores deben suministrar el calor al sistema (es decir, al HgO) si no se hace, el HgO no se descompone. Se observa que en las reacciones exotérmicas la energía total de los productos es menor que la energía total de los reactivos. La diferencia es el calor suministrado por el sistema a los alrededores. En las reacciones endotérmicas ocurre exactamente lo contrario. En este caso, la diferencia entre la energía de los productos y la energía de los reactivos es igual al calor suministrado por los alrededores al sistema. La mayoria de los cambios físicos y químicos, incluidos los que tienen lugar en los sistemas vivos, ocurren en condiciones de presión constante de la atmósfera. En el laboratorio, por ejemplo, con frecuencia las reacciones se realizan en vasos de precipitados, matraces o tubos de ensayo, que permanecen abiertos a los alrededores y, por tanto, su presión aproximada es de una atmósfera (1 atm). Para medir el calor absorbido o liberado por un sistema (reacción) durante un proceso a presión constante, los químicos utilizan una propiedad denominada entalpía, que se representa por el símbolo H. La entalpía es una propiedad extensiva, su magnitud depende de la cantidad de materia presente. Es imposible determinar la entalpía de una sustancia, por lo tanto lo que se mide realmente es el cambio de entalpía, ∆H. (La letra griega delta, ∆, significa cambio). El calor de reacción, es decir, el cambio de energía en una reacción química, se llama entalpía, palabra que deriva del griego enthalpein que significa calentar, y se representa con la letra H.

Reacción exotérmica.

Reacción endotérmica.

La entalpía de reacción, ∆Hr, es la diferencia entre las entalpías de los poductos y las entalpías de los reactivos:

∆Hr = H(productos) – H(reactivos) En otras palabras, ∆Hr representa el calor absorbido o liberado durante una reacción. La entalpía de reacción puede ser positiva o negativa, según el proceso. Para una reacción endotérmica (el sistema absorbe calor), ∆Hr es positivo (es decir ∆Hr>0). Para una reacción exotérmica (el sistema libera calor hacia los alrededores), ∆Hr es negativo (es decir ∆Hr CO2(g) + 2 H2O(l) DATOS.

ΔHfo[CH4(g)] = -74,8 KJ/mol ΔHfo[CO2(g)] = -393,5KJ/mol ΔHf[H2O(l)] = -285,8 KJ/mol

Reacción de respiración celular. C6H12O6(s) + 6O2 → 6CO2 (g) + 6H2O (l)

BLOQUE 8

227

Actividad: 3 (continuación)

Descomposición del carbonato de calcio. CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)

Reacción de fotosíntesis. 6CO2 (g) + 6H2O (l) → C6H12O6(s) + 6O2

Evaluación Actividad: 3

Producto: Ejercicios.

Conceptual Distingue entre reacción endotérmica y exotérmica, a partir del cálculo de la entalpía de reacción. Autoevaluación

228

Puntaje:

Saberes Procedimental

Actitudinal

Interpreta los resultados de ∆H°r. C

MC

NC

Se interesa por comprender los cambios energéticos en las reacciones

Calificación otorgada por el docente

ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Cierre Actividad: 4 Investiga sobre el tema de reacciones termoquímicas. Elige 5 ejemplos de reacciones endotérmicas y 5 de reacciones exotérmicas que se llevan a cabo en tu entorno y en los seres vivos. Describe las reacciones y su utilidad. Reacción (entorno)

Descripción

Utilidad

BLOQUE 8

229

Actividad: 4 (continuación)

Reacción en seres vivos

230

Descripción

Utilidad

ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Actividad: 4 (continuación)

Reacción (entorno)

Actividad: 4 Conceptual Reconoce la presencia e importancia de reacciones endotérmicas y exotérmicas en los seres vivos y en su entorno. Autoevaluación

Descripción

Evaluación Producto: Reporte de investigación. Saberes Procedimental Ejemplifica la presencia de reacciones termoquímicas. C

MC

NC

Utilidad

Puntaje: Actitudinal Discrimina los ejemplos de reacciones termoquímicas. Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 8

231

Secuencia Didáctica 2. Velocidad de las reacciones químicas. Inicio Actividad: 1 Resuelve los siguientes cuestionamientos.

¿Por qué duran más tiempo sin descomponerse los alimentos perecederos en el refrigerador? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ¿Por qué la masa para preparar pan de levadura (regional) se deja reposar en un lugar caliente antes de cocinarse? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ ¿Qué sustancia aparece, generalmente, como conservador en los productos alimenticios enlatados? __________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ ¿Por qué la celulosa (fibra) no puede ser digerida en el tracto digestivo humano? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 1

Producto: Cuestionario.

Conceptual Reconoce que hay factores que afectan la velocidad de reacción. Autoevaluación

232

Puntaje sugerido:

Saberes Procedimental

Actitudinal

Contextualiza la presencia de reacciones químicas en su entorno. C

MC

NC

Valora la utilidad de conocer y manipular la velocidad de reacciones químicas.

Calificación otorgada por el docente

ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Desarrollo Así como se habla de medir la velocidad de una motocicleta, de una fruta que cae, etc., se puede hablar de determinar la velocidad de una reacción, y para ello existe una rama de la Química que estudia este aspecto: la Cinética Química. ¿Cómo se mide la velocidad de reacción? Ésta se puede calcular midiendo el tiempo en el que aparece cierta cantidad de un producto o desaparece un reactivo.

Ciertas reacciones, como la combustión de la gasolina, tienen una rapidez explosiva. Otras, como la oxidación del hierro, son lentas. El estudio del cambio de la materia a partir de las reacciones químicas es importante, ya que mediante ellas se pueden fabricar materiales con propiedades diferentes. A los químicos les interesa conocer nuevas sustancias que se forman a partir de un determinado conjunto de reactivos; pero también les interesa conocer la rapidez con la que se realizan las reacciones químicas y comprender los factores que regulan su velocidad, ya que si la reacción es rápida, habrá necesidad de hacerla lenta o si es lenta, hacerla rápida o bien detenerla en el momento requerido; en otras palabras, tener la capacidad de manipular la rapidez de las reacciones. Conocer la velocidad de una reacción química, permite al químico diseñar un proceso para obtener un alto rendimiento de producto. Mientras mayor sea la velocidad, mayor cantidad de producto se formará por unidad de tiempo. La velocidad de reacción también es importante en el procesamiento de alimentos, donde es indispensable retardar las reacciones que ocasionan la descomposición o detener aquellas reacciones que elevan la temperatura corporal en una fiebre. Al poner en contacto los reactivos, se podrá esperar que la reacción se lleve a cabo, esto no siempre sucede así en todos los casos. En algunas se requiere de un suministro de calor constante para que se puedan desarrollar. En los organismos se producen muchas reacciones que solamente pueden realizarse en presencia de catalizadores naturales, llamados enzimas, sin la presencia de estas sustancias no se puede dar la reacción o sucede lentamente. Para poder entender las transformaciones que sufre la materia (reacciones químicas) es necesario considerar y admitir que tales procesos son el resultado del choque entre las moléculas de las sustancias reaccionantes debido a que las moléculas no están quietas, sino en movimiento: esta cantidad de movimiento lo podemos establecer midiendo la temperatura. Sólo cuando dicho choque es suficientemente fuerte se romperán los enlaces de las moléculas y se producirá la reordenación entre los átomos resultantes. El desarrollo riguroso de estas ideas constituye la llamada teoría de colisiones. Dicha teoría ayuda a explicar cómo ocurren las reacciones químicas; en primer lugar debe existir contacto o choque, de lo contrario no ocurriría nada.

BLOQUE 8

233

La energía de activación suele utilizarse para denominar la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química dada. Si las moléculas tienen poca energía, se mueven a baja velocidad; chocan, pero los enlaces de los reactivos no se rompen; en cambio, a una velocidad mayor a la de activación, ocurre la ruptura de enlaces y por consiguiente ocurre un intercambio o reordenamiento de partículas y posteriormente se forman y se separan los nuevos productos. Resulta evidente que mientras mayor sea el número de colisiones, mayor será la reacción; o si hay menor número de colisiones, menor será la reacción y así se permite entender por qué razón las reacciones químicas se llevan a cabo en diferentes velocidades y siguiendo, además, mecanismos de reacción particulares.

Factores que afectan la velocidad de reacción. Experimentalmente se ha demostrado que existen ciertos factores que afectan o alteran la velocidad de una reacción. Entre éstos, se pueden mencionar los siguientes: a) b) c) d) e) f)

Naturaleza química de los reactivos. Concentración de las especies reaccionantes. Temperatura. Presión. Catalizadores. Tamaño de la partícula.

Naturaleza de los reactivos. La naturaleza de las sustancias es un factor determinante en la velocidad de reacción, porque los enlaces pueden ser de diversos tipos y la energía asociada a ellos también es de distinta magnitud. En consecuencia, se requerirá de diferente fuerza para romper los enlaces. Si se comparan las velocidades de reacción en las mismas condiciones de presión, temperatura y concentración, se observan diferencias que se deben a la naturaleza diversa de los enlaces que deben romperse. Por ejemplo al referirse a la reacción de combustión, es evidente determinar que no es lo mismo la combustión de gasolina, papel y madera; estos tres materiales son combustibles, pero su combustión se da a diferente rapidez; la principal razón de ese hecho es la naturaleza química de los materiales. Esto es de utilidad para el ser humano, ya que si quiere encender una hoguera y sabe que la madera se enciende con dificultad, podemos alterar ese detalle agregando gasolina a la madera y acelerar el proceso de encendido. O bien el caso de los cerillos, los cuales están formados por un pabilo de papel impregnado con cera, aquí la cera hace que la combustión del papel se haga a menor velocidad. Concentración de las especies reaccionantes Por la misma razón que son más frecuentes los accidentes de tráfico en las “horas pico”, cuanto mayor sea el número de moléculas de los reactivos presentes en un mismo volumen más fácilmente podrán colisionar. Asimismo, cuanto mayor sea el número de colisiones que se producen en la unidad de tiempo, tanto más probable será la realización de un choque eficaz, esto es, de un choque que dé lugar a la transformación de las moléculas. De esta forma se explica el hecho experimentalmente esperado de que al aumentar la concentración de los reactivos aumenta la velocidad de la reacción química y viceversa. Este factor es de uso común, por ejemplo, si se quiere apagar una hoguera, se retiran los leños o maderos; así se disminuye la concentración de uno de los reactivos, o bien si se quiere aumentar la actividad de la hoguera se agrega más leña.

234

ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Efecto de la temperatura De acuerdo con la teoría cinético-molecular de la materia, las moléculas constituyentes de cualquier tipo de sustancia se hallan en continua agitación vibrando o desplazándose con una energía cinética o movimiento. Considerando conjuntamente la teoría cinética y la teoría de colisiones es posible explicar tal comportamiento. Al aumentar la temperatura, la energía cinética de las moléculas de los reactivos aumenta, con lo que los choques son más efectivos poniéndose en juego en un mayor número de ellos la energía suficiente como para superar esa barrera que constituye la energía de activación; un aumento de temperatura, aumenta la velocidad de reacción y viceversa. Este factor es el que se aplica cuando se colocan alimentos perecederos en el refrigerador o en el congelador.

EJEMPLOS DE CATALIZADORES REACCIÓN

CATALIZADOR

Descomposición del peróxido de hidrógeno.

Óxido de manganeso(VI)

Fermentación del azúcar en alcohol Síntesis del amoniaco La oxidación del SO2 a SO3

Enzimas de levaduras Hierro Óxido de vanadio (V)

Presión Los cambios de presión sólo afectan las velocidades de aquellas reacciones en donde participan sustancias gaseosas. Estos cambios de presión se acompañan de cambios de volumen. Generalmente, las sustancias gaseosas tienden a ocupar la totalidad del volumen del recipiente que los contiene. Un aumento en la presión de un sistema gaseoso se traduce en una disminución de su volumen. Al disminuir el volumen, las moléculas se aproximan más por lo que incrementa la frecuencia de choques o colisiones. Esto trae como consecuencia una mayor velocidad de reacción, un aumento de la presión, genera un aumento en la velocidad de la reacción que tenga al menos una sustancia gaseosa y viceversa. Una disminución en la presión separa a las moléculas de reactivos, ocasionando una disminución en la velocidad de reacción.

Los cambios de presión se utilizan en reacciones gaseosas donde se quiere forzar la formación de un producto determinado, como por ejemplo en la producción de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno gaseosos. N2 (g) + 3H2 (g)

2NH3 (g)

BLOQUE 8

235

Efecto del catalizador Un catalizador es una sustancia que acelera o retarda la velocidad de una reacción química, pero que al final de ésta se recupera sin que haya sufrido un cambio apreciable. En una reacción se rompen y se forman enlaces químicos, para lo cual se requiere energía. En términos generales, un catalizador actúa reduciendo o aumentando la energía de activación necesaria para romper los enlaces. Si la energía de activación baja, entonces un mayor número de partículas de lento movimiento posee la energía suficiente para tener colisiones eficaces. En un principio se creyó que los catalizadores no intervenían en la reacción química y actuaban por su simple presencia. En la actualidad se ha comprobado que toman parte activa en la reacción, formando compuestos intermedios inestables que se descomponen enseguida regenerando al catalizador, por lo que éste no se consume. De esta forma, el catalizador cambia el curso ordinario de la reacción, lo cual reduce la energía de activación. Se distinguen dos tipos de catalizadores: los que aceleran la velocidad de las reacciones, conocidos como catalizadores positivos o activadores y los catalizadores negativos, que retardan la velocidad de la reacción o la inhiben. Por lo general, los catalizadores son comunes en la mayor parte de las reacciones que se efectúan en el cuerpo humano. A estos catalizadores biológicos se les conoce como enzimas, que son proteínas que actúan para catalizar reacciones bioquímicas específicas.

El cinc en polvo reacciona mucho más rápido que el cinc en virutas, como se pone de manifiesto en la velocidad de formación de hidrógeno gaseoso.

Los catalizadores tienen gran importancia en la industria química y en los convertidores catalíticos del escape de los automóviles. Una reacción que por sí misma sería tan lenta que no resultaría práctica, con un catalizador apropiado se puede hacer que proceda a una velocidad razonable, o bien en otros campos como lo es el producto que acelera el endurecimiento del concreto, el que acelera el secado de las pinturas para automóviles, el conservador benzoato de sodio que reduce la descomposición de los alimentos enlatados, etc. Tamaño de la partícula Si añadimos azúcar al café en forma de terrón o azúcar finamente granulada ¿Cuál de ellas se disuelve a más rápido? ¿Qué material arde a mayor velocidad un trozo de madera o una porción de aserrín? La respuesta a estas interrogantes da idea de que a menor tamaño de la misma sustancia su reacción es más rápida. La explicación es que aumenta el área superficial de contacto de las sustancias al presentarse en tamaño menor, haciendo que se incremente la posibilidad de las colisiones y sean más efectivas. Catalizadores utilizados en algunos procesos químicos. Proceso

Catalizadores

Descomposición del agua oxigenada

Óxido de manganeso (IV)

Fermentación del azúcar en alcohol

Zimasa (enzima de levadura)

Síntesis del amoniaco

Óxido férrico (Fe2O3)

Descomposición del clorato de potasio

Dióxido de manganeso (MnO2)

Oxidación de SO2 a SO3

Pentóxido de vanadio (V2O5)

Hidrogenación catalítica de alquenos

Metales como él: Ni, Pt, Pd o Alúmina (Al2O3)

Ácido ascórbico

Conservar frutas y bebidas Preservación de mermeladas, bebidas de fruta y papas fritas Conservar embutidos, quesos y cecina.

Ácido benzoico Nitritos de sodio

236

ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Actividad: 2 Con base en la información leída sobre el tema y los comentarios sobre la actividad 1, responde las preguntas sobre velocidad de reacción y los factores que la afectan.

Describe la velocidad de reacción según la teoría de colisiones. Menciona los factores que alteran la velocidad de reacción. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ En áreas como la industria de los alimentos, la conservación de los alimentos en casa, transporte de alimentos, la cosmética entre otras. ¿Qué aplicaciones tiene el conocer y manipular la velocidad de las reacciones? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ Para un alivio más rápido del malestar estomacal ¿Qué presentación del mismo medicamento elegirías: tabletas, líquido o polvo? Por qué. ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ Elige la respuesta correcta rellenando totalmente el círculo que corresponda. La teoría de colisiones nos explica la velocidad de una reacción, a través del siguiente postulado: La velocidad de una reacción es directamente proporcional a la energía de activación de los reactantes. La velocidad de una reacción es inversamente proporcional a la energía de activación de los reactantes. La velocidad de una reacción es directamente proporcional al número de choques efectivos entre las moléculas de reactantes. La velocidad de una reacción es inversamente proporcional al número de choques efectivos entre las moléculas de reactantes.

BLOQUE 8

237

Actividad: 2 (continuación) Cuando incrementamos la temperatura de una reacción química, generalmente aumenta la velocidad de reacción; esto sucede debido a: Una disminución de la energía cinética de las moléculas que participan en la reacción. Una disminución en el número de choques efectivos entre las partículas reaccionantes. Un aumento de la energía cinética de las moléculas que participan en la reacción. Un aumento en la energía de activación de las partículas que participan en la reacción.

Califica cada una de las siguientes afirmaciones como falsa (F) o verdadera (V). Anota la letra correspondiente en el cuadro

□ □ □ □ □

Los catalizadores son un producto de la reacción. Al aumentar la concentración de los reactivos, disminuyen las colisiones. La naturaleza de los reactivos no influye en la velocidad de reacción. Al añadir un catalizador disminuye la energía de activación. Un trozo de carbón arde con mayor rapidez que el polvo de carbón.

Evaluación Actividad: 2 Conceptual Describe el concepto de velocidad de reacción. Autoevaluación

238

Producto: Batería de reactivos.

Puntaje:

Saberes Procedimental Actitudinal Traslada el conocimiento de Valora la conveniencia de la velocidad de reacción a la lentitud o rapidez de algunos explicación de procesos procesos químicos cotidianos. cotidianos. C MC NC Calificación otorgada por el docente

ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Actividad: 3 En equipo. Realicen las siguientes actividades experimentales.

“A EXCESO DE VELOCIDAD” Material: 2 vasos de vidrio 100 ml de agua caliente 100 ml de agua fría 2 tabletas de Alka-Seltzer 1 termómetro 1 cronometro. Procedimiento: Llene un tercio de vaso con agua recién hervida, y el tercio del otro vaso con agua muy fría; si estás en el laboratorio del plantel mide la temperatura del agua en cada caso. Añada a cada vaso una tableta de Alka-Seltzer. Observen en cuál de los vasos el burbujeo es más intenso, o sea, en cual desaparece antes la tableta, mide el tiempo de reacción total. ¿Podrían dar una explicación de lo observado? ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ “CUIDADO, CHOCAS” Material: 4 vasos de vidrio o plástico transparente Vinagre Agua Bicarbonato de sodio 1 cuchara 1 reloj con cronómetro Procedimiento: En uno de los vasos (A) coloque una copa de vinagre sin diluir y en otro (B) ½ copa de vinagre y ½ copa de agua es decir, vinagre diluido 1:1. Agreguen simultáneamente a cada vaso, media cucharadita de bicarbonato de sodio. Es muy importante que ambos vasos tengan la misma cantidad de bicarbonato por lo que conviene que sea previamente medido.

BLOQUE 8

239

Actividad: 3 (continuación) Observen y midan el tiempo en que se dejó de producir CO2 en cada uno de los vasos.

Anoten los tiempos de reacción de cada vaso: ______________________________________________________________ ¿Qué diferencia hay en los vasos? ________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ Anoten sus conclusiones: ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________ “SUPER CONTACTO” Material: 1 tableta efervescente de antiácido (Alka-Seltzer) 1 sobre de sal de uvas 2 vasos de vidrio o plástico transparente Agua potable Reloj con cronómetro Procedimiento: Coloquen en un vaso seco(A) la tableta efervescente entera y en otro vaso seco (B) el contenido del sobre de sal de uvas. Añada a cada uno de los vasos medio vaso de agua, midan el tiempo en que deja de producirse bióxido de carbono para cada vaso y anótelo. ____________________________________________________________________ ¿Qué diferencia hubo en un vaso con respecto a otro? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ¿Qué condiciones fueron iguales en los dos vasos? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

240

ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Evaluación Actividad: 3

Producto: Experimentos.

Conceptual Compara la velocidad de reacciones en procesos cotidianos. Coevaluación

Puntaje:

Saberes Procedimental Realiza actividades experimentales. C

MC

Actitudinal Participa en las actividades experimentales en forma ordenada y segura.

NC

Calificación otorgada por el docente

Cierre Consumismo e impacto ambiental. El crecimiento de la población lleva inevitablemente a un mayor consumo. Desde luego, las sociedades ricas y desarrolladas, pese a tener un menor crecimiento poblacional son, por mucho, los consumidores principales. Además, la mercadotecnia en esos países ha desarrollado un hábito exagerado de consumo, que se conoce como consumismo. Esto es, que no sólo se adquiere lo necesario, sino también lo superfluo. Dentro de la mercadotecnia existe un aspecto muy importante: el empaque, que por lo general es de cartón, cartoncillo, papel, plásticos y vidrios desechables. En una sociedad desarrollada y consumista, los tres primeros productos constituyen cerca del 40% de la basura. Prácticamente todo ese empaque va a la basura con otros desechos; en los países desarrollados se llegan a desechar hasta dos kilogramos diarios por persona. Esta cantidad de desperdicios lleva a un problema de mayores dimensiones, sobre todo en poblaciones y ciudades con cientos de miles o millones de habitantes: como disponer de esa basura en forma más eficiente y efectiva, protegiendo al mismo tiempo la salud humana y el ambiente. La velocidad a la que se generan esos productos de consumo es en mucho mayor a la velocidad en la que ya convertidos en basura se descomponen o se integran a la naturaleza, por lo que se debe de entender la necesidad de implementar acciones para disminuir el excesivo consumo de productos; aunque la mercadotecnia constantemente invite a consumir, sin importar si el producto es realmente necesario. De igual forma, implementar el aumento de las actividades de reciclado, integración o descomposición de productos de consumo que ya están como basura (residuos). En México, cada año se producen ocho millones de toneladas de residuos peligrosos; en el Distrito Federal se generan entre dos y tres millones de toneladas. Sólo 12% se controla adecuadamente y el problema es agravado por el hecho de que cerca de 90% de estos residuos se encuentra en estado líquido, acuoso o semilíquido, lo que facilita su disposición clandestina. Muchos de los productos que se usan diariamente en los hogares están catalogados como productos nocivos para nuestra salud y el medio ambiente. Esto implica que se debe tener cuidado con su consumo, manejo y desecho. Un material peligroso es cualquiera que tenga una o varias de las siguientes categorías: corrosivo, tóxico, reactivo, explosivo, inflamable o infeccioso. Si bien en la mayoría de las etiquetas de productos las sustancias peligrosas se mencionan si es tóxico, explosivo o inflamable y las precauciones que se deben tener en su uso, manejo y almacenamiento, también es cierto que en algunas no se informa que el desecho de sus residuos puede ser peligroso.

BLOQUE 8

241

A nivel doméstico e industrial no existe una cultura del manejo de estos residuos peligrosos y cómo manejarlos, por lo que generalmente terminan irresponsablemente en los desagües, ríos, barrancas y tiraderos. Como pequeños consumidores de residuos peligrosos podemos empezar por el hogar, ya que una buena parte de los productos de limpieza, como desinfectantes, limpiahornos, desengrasantes, detergentes, cloro, blanqueadores, destapa caños y demás productos que se utilizan diariamente, contienen materiales tóxicos y algunos están registrados como pesticidas. La siguiente gráfica presenta algunos de los pictogramas de seguridad.

De igual forma hay pictogramas para representar el reciclaje

242

ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Actividad: 4 Con base en la lectura del material sugerido: Desarrollo sustentable: pasado, presente y futuro/Mario Díaz López, incluido en el material de apoyo, presenta un mapa mental como control de lectura. Puedes descargar el documento en la dirección: ingenierias.uanl.mx/25/25_desarrollo.pdf

BLOQUE 8

243

Evaluación Actividad: 4

Producto: Mapa mental. Saberes Procedimental

Conceptual Describe la noción de desarrollo sustentable. Autoevaluación

Sustenta la comprensión del concepto. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Considera el desarrollo sustentable como una medida para aminorar los problemas ambientales. Calificación otorgada por el docente

Actividad: 5 En equipo. Elaboren un díptico con información sobre consumismo e impacto ambiental, desarrollo sustentable y medidas de solución a los problemas ecológicos de tu comunidad. Los mejores dípticos se publicarán en tu plantel.

244

ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Actividad: 5 (continuación)

Evaluación Actividad: 5

Producto: Díptico.

Conceptual Identifica problemáticas ecológicas de su localidad, asociadas al consumismo. Autoevaluación

Puntaje:

Saberes Procedimental Explica la noción de desarrollo sustentable y las acciones necesarias para promoverlo. C

MC

NC

Actitudinal Colabora con sus compañeros de equipo para promover el desarrollo sustentable. Se responsabiliza de sus acciones.

Calificación otorgada por el docente

BLOQUE 8

245

Bibliografía Abraham, José Miguel. Didáctica de la Química y Vida Cotidiana. Ed. Sección de Publicaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Universidad Politécnica de Madrid.2003. Argudín, Yolanda. Educación basada en competencias. Nociones y antecedentes. Ed. Trillas. México.2006. Catalano, Ana María. Diseño curricular basado en normas de competencia laboral: conceptos y orientaciones metodológicas. 1º. ed. - Buenos Aires: Banco Interamericano de Desarrollo, 2004. Chang Raymond. Química. Editorial McGrawHill. Sexta edición. 1999. Dirección General de Educación Tecnológica Industrial (DGETI).Compendio de secuencias didácticas. Primera edición, México. 2005. Lambrino Pérez Imelda Luz Peralta Alatriste J. Sergio. Química 1. Ed. CENGAGE Learnig.2005. Landa Barrera Manuel. Beristain Bonilla Bladimir. Editorial Nueva Imagen. México.2005. Miguel Díaz, Mario de. Modalidades de enseñanza centradas en el desarrollo de competencias. Orientaciones para promover el cambio metodológico en el espacio europeo de educación superior. Ediciones Universidad de Oviedo. 2006. Mora González Víctor Manuel. Química 1 Bachillerato. ST Editorial. México. 2005. Pérez Aguirre, Gabriela. Garduño Sánchez G. Rodríguez Torres C.D. Química 1. Un enfoque constructivista. Ed. Pearson Educación. México.2007. Ramírez Regalado Víctor Manuel. Química 1 para bachillerato general. Publicaciones Cultural.México.2005. Recio Francisco. Química inorgánica. McGraw-Hill. 2008. Smooth C. Robert. Mi contacto con la química. McGrawHill.México.2001. Spencer James N. Química: Estructura y Dinámica. Ed. CECSA. México. 2000. Villarmet Framery, Cristine. Química 1, con enfoques en competencias. Mart Book. México.2008.

246

ENTIENDE LOS PROCESOS ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS