eBook 2007 Colegio de Bachilleres Quimica

COLEGIO DE BACHILLERES

QUÍMICA I

Colaboradores Rosa Martha Chávez Maldonado. Amalia España Zamudio. Sara María Teresa Reyes Arana. Asesoría Pedagógica Alejandro González Villeda.

Revisión de ContenidoGabriel Roca Niño. Genaro Cisneros Vargas. Javier Zaldivar González. M. Sergio Ríos Carbajal. Diseño Editorial Leonel Bello Cuevas. Javier Darío Cruz Ortiz.

COLEGIO DEBACHILLERES

QUÍMICA I

FASCÍCULO 1. LA QUÍMICA COMO CIENCIA

Autores: Víctor Corvera Pillado José A. de León Fong

Jaime Hoyo Rodríguez Carlos Hurtado Pizano Olga Orozco Hernández Noé Ponce Alcántara Armando Rangel Álvarez Miguel A. Rosas Lezama

2

Colaboradores Rosa Martha Chávez Maldonado. Amalia España Zamudio. Sara María Teresa Reyes Arana.

Asesoría Pedagógica Alejandro González Villeda.

Revisión de Contenido Gabriel Roca Niño. Genaro Cisneros Vargas. Javier Zaldivar González. M. Sergio Ríos Carbajal.

Diseño Editorial Leonel Bello Cuevas. Javier Darío Cruz Ortiz.

C O L E G IO D EB A C H IL L E R E S

3

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA QUÍMICA PROPÓSITO

1.1 QUÍMICA Y VIDA COTIDIANA 1.1.1 La química a través de la historia 1.1.2 El uso de la química y los productos cotidianos

1.2 EL LENGUAJE QUÍMICO 1.2.1 Conceptos químicos empleados en el lenguaje común

a) Conceptos químicos nuevos b) Los símbolos de los elementos

1.3 EL MÉTODO DE LA QUÍMICA 1.3.1 El método científico en la química

a) La importancia de la observación cuidadosa b) Análisis y síntesis en la metodología

1.4 CARÁCTER CUANTITATIVO DE LA QUÍMICA 1.4.1 ¿Por qué es necesaria la cuantificación?

a) La medición y los grandes químicos

RECAPITULACIÓN ACTIVIDADES INTEGRALES AUTOEVALUACIÓN

5

79

111115

20222222

28283132

353537

394049

Í N D I C E

4

CAPÍTULO 2. OBJETO DE ESTUDIO DE LA QUÍMICA PROPÓSITO

2.1 MATERIA 2.1.1 Estados de agregación molecular de la materia

2.1.2 Composición 2.1.3 Propiedades

2.2 ENERGÍA 2.2.1 Otras formas de energía

2.3 CAMBIOS DE LA MATERIA 2.3.1 Cambios físicos 2.3.2 Cambios químicos 2.3.3 Cambios nucleares


CAPÍTULO 3. PROPIEDADES DE LA MATERIA Y SU MEDICIÓN PROPÓSITO

3.1 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES 3.1.1 Unidades derivadas para las cantidades físicas

comunes.

3.2 EL MOL 3.2.1 Lo enorme del número de Avogadro.

a) El mol expresado en gramos.

3.3 CUANTIFICACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LAMATERIA


RECAPITULACIÓN GENERALACTIVIDADES DE CONSOLIDACIÓNAUTOEVALUACIÓNACTIVIDADES DE GENERALIZACIÓNGLOSARIOBIBLIOGRAFÍA CONSULTADA

5153

55565859

6266

71717374

929395

9799

101104

115117120

128

148150152

154155159163

164168

5

La Química es una ciencia muy antigua, ya que desde sus orígenes el ser humano hatenido contacto con fenómenos químicos tales como la descomposición de alimentos(carne o frutas). A partir de esta época, el ser humano se ha visto, constantemente, enla necesidad de querer comprender y explicar cada uno de los fenómenos que sepresentan a través de su historia.

Por tal motivo, este fascículo tiene como objetivo que identifiques las características dela Química y su objeto de estudio; esto a partir del uso de un lenguaje químico, elempleo de carácter cuantitativo y la aplicación de diversos experimentos; lo cual teposibilitará contar con una visión más amplia sobre la Química y, así, poder contar conantecedentes que te permitan iniciar el estudio de los diferentes estados de agregaciónde la materia.

En este sentido, el fascículo estará conformado por tres capítulos:

En el capítulo uno, que tiene como nombre “CARACTERÍSTICAS DE LA QUÍMICA”, sehace un recorrido general sobre la historia de la Química en el mundo y en México,posteriormente, abordaremos los aspectos más importantes para entender la Química,tales como el lenguaje químico (en donde se contemplan conceptos, símbolos de loselementos, nombres y fórmulas de algunos compuestos, etcétera); el método científicoaplicado en la Química (con cada uno de sus elementos); y la importancia que tiene eluso de la medición o cuantificación para la Química.

El capítulo dos, titulado “OBJETO DE ESTUDIO DE LA QUÍMICA”, se refiere a lostemas de: la materia y sus estados de agregación molecular (sólido, líquido ygaseoso), así como a sus propiedades físicas y químicas; la energía, la cual se define yexplica de manera sencilla, además de que se describen las diferentes formas degenerar energía y sus principales aplicaciones. Por último mencionaremos sobre loscambios que se efectúan al interaccionar la energía con la materia.

Dentro del capítulo tres, cuyo nombre es “PROPIEDADES DE LA MATERIA Y SUMEDICIÓN”, se contemplan las unidades de medición que existen en el SistemaInternacional de Unidades, tales como: longitud, masa, cantidad de sustancia,temperatura, entre otros. El segundo tema estará enfocado al empleo del mol, que es launidad de medida fundamental para la química. En tanto que en el último tema sellevará a cabo la cuantificación de algunas propiedades de la materia, para lo cual seretomarán algunas unidades del Sistema Internacional.

I N T R O D U C C I Ó N

7

CARACTERÍSTICAS DE LA QUÍMICA

1.1 QUÍMICA Y VIDA COTIDIANA

1.1.1 La química a través de la historia

1.1.2 El uso de la química y los productos cotidianos

1.2 EL LENGUAJE QUÍMICO

1.2.1 Conceptos químicos empleados en el lenguaje común

1.3 EL MÉTODO DE LA QUÍMICA

1.3.1 El método científico en la química

1.4 CARÁCTER CUANTITATIVO DE LA QUÍMICA

1.4.1 ¿Por qué es necesaria la cuantificación?

C A P Í T U L O 1

9

La mayoría de las cosas que nos rodean tienen que ver con algún proceso químico. Sinembargo, en pocas ocasiones nos ponemos a observar qué cosas son y qué procesosiguieron para su producción, por tal motivo en este capítulo:

APRENDERÁS ¿CÓMO LOLOGRARÁS?

¿PARA QUÉ TE VA ASERVIR?

• La relación que tiene laQuímica con la vidacotidiana.

• La evolución histórica de

la Química hasta suconformación actual.

• Las características

básicas de la Química:Lenguaje, Método yCarácter Cuantitativo

• Relacionando los

materiales que nosrodean con los procesosquímicos.

• Identificando y aplicando

conceptos y símbolos dela Química.

• Retomando ejemplos de

la construcción delMétodo Científico.

• A través de ejemplos en

donde se aplique laimportancia de lamedición en casosrelacionados con la vidacotidiana.

• Conocer la importancia

de la cuantificación enla predicción defenómenos.

P R O P Ó S I T O

11

CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA QUÍMICA

1.1 QUÍMICA Y VIDA COTIDIANA

Es probable que los estudios que has tenido hasta ahora de Química te hagan pensarque se trata de una ciencia difícil y aburrida. Ciertamente que los conocimientos que laforman son el resultado de las aportaciones de muchos científicos prominentes, y paracomprenderlos a profundidad se requiere de gran preparación. En este capítulo vamos ainiciar su estudio empezando con los conceptos básicos, tomando en cuenta tu propiaexperiencia, de tal manera que te resulte fácil y divertido.

En la Química se encuentran los conocimientos que permiten al hombre obtenerdecenas de miles de productos nuevos, a partir de las materias primas que existen en lanaturaleza.

1.1.1 LA QUÍMICA A TRAVÉS DE LA HISTORIA

Como ves, el hombre ha adquirido un gran poder con el desarrollo de la ciencia, en laque se incluye la Química, que es producto de siglos de estudio sobre la composición yla transformación de las sustancias y sobre su posible utilización para mejorar nuestracalidad de vida.

La Química y la Prehistoria.

Los primeros hombres que poblaron la Tierra tomaron los objetos de la naturaleza talcomo los encontraban: la rama de un árbol como un garrote, una piedra como unproyectil, los frutos de los árboles para mitigar su hambre, etcétera.

Con el paso del tiempo, los hombres empezaron a transformar la naturaleza Primeroaprendieron a tallar las piedras, dándoles un borde cortante y una forma que permitierasujetarlas fácilmente. El siguiente paso consistió en unir la piedra a un trozo de madera.Pero la piedra seguía siendo piedra y la madera seguía siendo madera.

12

En ocasiones en la naturaleza ocurrían cambios muy rápidos. Un rayo podía incendiarun bosque y reducirlo a cenizas, la carne se descomponía y olía mal, y el jugo de lasfrutas podía agriarse con el tiempo, o convertirse en una bebida estimulante; estoscambios que sufría la materia alteraban su estructura fundamental; dicho en otraspalabras, ocurría un cambio químico.

Una de las primeras reacciones químicas llevadas a cabo voluntariamente por el hombreocurrió probablemente cuando fue capaz de producir y mantener el fuego, esto implicóque tuviera que secar la madera, reducir una parte a pequeñas porciones para facilitarsu encendido y emplear algún método como el frotamiento para alcanzar el punto deignición.

Posteriormente descubrió que el calor generado por el fuego producía alteracionesen los alimentos cambiando su color, textura y sabor; lo que hoy se conoce comococción de los alimentos. Avanzando a tientas, el hombre fue adquiriendopaulatinamente conocimiento químicos. En ocasiones era gracias a la casualidad, peroprincipalmente fue la necesidad de elaborar los materiales y alimentos para satisfacersus necesidades la que lo guió en este largo aprendizaje.

La Química en la época de los Egipcios.

Algunos milenios antes de nuestra era, los egipcios dominaban técnicas de metalurgiapara producir bronce, así como de fermentación para el vino, cerveza y pan. Disponíande empresas prósperas que fabricaban diversos productos como: tintes, medicamentos,jabones, perfumes, vidrio, etcétera. Todas estas actividades involucraban procesosquímicos, aunque, hablando con propiedad, la Química aún no había nacido.

Según algunos autores, la palabra Khemeia deriva del nombre que los egipcios daban asu país Kham, por lo que se puede traducir como “el arte egipcio”. Otros señalan queKhemeia proviene del griego Khumos, que significa “el jugo de una planta” de tal maneraque se podría traducir como “el arte de extraer jugos”. Pero sea el origen que fuere, lapalabra Khemeia es el antecedente del vocablo químico.

La Química en la época de los Griegos.

Hacia el año 600 a. de C., los griegos sintieron la necesidad de comprender y explicarlos fenómenos que les revelaba la práctica de las artes químicas. Fueron los filósofos yno los artesanos quienes elaboraron las primeras teorías sobre la materia. Por esaépoca, los griegos creían que todos los cuerpos derivaban de las propiedades de“cuatro elementos” aire, tierra, agua y fuego. A éstos se añadía, según algunos, unelemento inmaterial, que al unirse a uno de los cuatro elementos anteriores lotransformaba en otro.

Hasta este momento ¿qué importancia ha tenido la Química para el ser humano?.

13

La Química en la Edad Media.

La Edad Media heredó estos conocimientos e hipótesis de la antigüedad y algunoshombres buscaron en vano dos sustancias de propiedades maravillosas: la panacea,o elixir de larga vida, y la piedra filosofal; esta misteriosa materia, al fundirla con unmetal como hierro o plomo, debía transformarlo en oro. El estudio de estastransformaciones fue llamada por los árabes al-Kemiya. Esta palabra se adoptó enEuropa como alquimia y los que trabajaban este campo eran llamados alquimistas.

La práctica de las transformaciones condujo a muchos fracasos, pero las innumerablesexperiencias de los alquimistas permitieron el descubrimiento de algunas sustancias ymezclas ácidas, como el agua regia. Asimismo, tales experiencias permitieron ensayarun conjunto de aparatos y técnicas experimentales que en tiempos posteriores serían degran valor en las investigaciones.

La Química en la Edad Moderna.

En la Edad Moderna las concepciones tradicionales adquirieron un nuevo enfoque bajoel método experimental, y las investigaciones de los químicos ampliaron la gama desustancias conocidas.

El químico irlandés Robert Boyle asesta en el siglo XVII el primer golpe a la teoríagriega sobre los cuatro elementos, ya que señalan al elemento como una sustancia queno es posible descomponer en otra más simple y que éstos son mucho más de cuatro.

En aquella época, uno de los grandes enigmas de la química provenía del fenómeno dela combustión. Lavoisier, un científico francés, propuso una explicación simple de lacombustión, señalando que todo cuerpo al arder fija oxígeno tomándolo del aire.Además al emplear sistemáticamente la balanza, estableció que, en una reacciónquímica que ocurre en un sistema cerrado, la masa total de los cuerpos que intervienenen la reacción es idéntica a la masa de los cuerpos formados1. Con Lavoisier, laQuímica entra en una nueva era: la de la medida y de la precisión, por lo que se leconsidera como el “padre de la Química”.

La Química en México antes de la Conquista.

En México la Química ha tenido su propio desarrollo, aunque de una forma más lenta.Los pobladores del Valle de México sabían aprovechar las sales alcalinas, lascuales se formaban como costras en la tierra en tiempo de sequías. Estas salesrecibieron el nombre de tequixquitl o tequesquite. La tierra de Texcoco contenía unagran cantidad de sales, principalmente carbonato de sodio (Na2CO3) y cloruro de sodio(NaCl). El tequesquite se empleaba para facilitar la cocción de los alimentos, ademásde servir como condimento. También se utilizó como detergente alcalinizante.

1 Actualmente a este enunciado de Lavoisier se le conoce como “ley de la conservación de la masa”.

14

La sal común (cloruro de sodio) era muy apreciada por los antiguos mexicanos. Entreotras sales, conocieron también el alumbre, la mica, el yeso y la calcita, con la quefabricaron colorantes. Trabajaron piedras preciosas como turquesa, jade, azabache, ojode gato, rubí y ámbar. Los dignatarios utilizaron adornos de fluorita (floruro de calcio),un mineral del que México sigue siendo el primer productor mundial. Otro materialutilizado fue el cuarzo (cristal de roca).

La cerámica era comparable con la que había en España. Utilizaban minerales para lafabricación de colores para pintura, especialmente los óxidos de hierro, el negro dehumo y las arcillas mineralizadas; obtenían el color rojo de un insecto llamado“cochinilla” (nocheztli) o sangre de tunas, el cual fue exportado a todo el mundo por losespañoles.

El barro y el adobe se emplearon en las edificaciones. Los aztecas obtenían unaespecie de “cemento” al mezclar la cal con una arcilla negra; también producían variostipos de tejidos, entre los que se encuentran el de hequen (henequén), fabricado confibras de magueyes, agaves y el algodón blanco. Hacían papel con la corteza de amatl(amate). Utilizaban azúcar al evaporar el aguamiel y fabricaban pulque por medio de lafermentación.

Los aztecas conocían los metales: oro, plata, cobre, estaño, mercurio, plomo, yprobablemente el hierro. Desarrollaron la herbolaria para tratar sus males.

¿Sabías que la herbolaria o medicina tradicional está resurgiendo?.¿Cuáles consideras que sean las causas?.

La Química en México después de la Conquista.

Después de la conquista se originó la primera industria en Pachuca, en 1555, para laextracción de plata por amalgamación con mercurio, un proceso descubierto en Méxicopor Bartolomé de Medina y que ahorraba gran cantidad de energía respecto a otrosprocesos empleados en todo el mundo en esa época.

En 1782 Fausto de Elhúyar, luego fundador del Real Seminario de Minería en México,descubrió en España un nuevo elemento, el wolframio, al que se denominó tugsteno,y en 1802, Andrés Manuel del Río descubrió en México otro nuevo elemento al quellamó eritronio, el cual fue posteriormente redescubierto y llamado vanadio.

La Química en México dentro del siglo XX.

En 1916 se creó en México la Escuela Nacional de Química Industrial y se incorporó alaño siguiente a la UNAM. Veinte años después se fundó el Instituto PolitécnicoNacional y en ambas escuelas se ha formado a la mayoría de los profesionalesquímicos que hacen posible el desarrollo industrial de país.

15

En 1938, con la nacionalización del petróleo, las compañías extranjeras se negaron avender tetraetilo de plomo (antidetonante de la gasolina) a México, cuestión quesuperaron los químicos mexicanos produciendo esta sustancia en una planta ubicadadonde actualmente se encuentra el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP).

En los años cuarentas se inicio la industria química en México con el establecimiento defábricas como Sosa Texcoco y Celanese Mexicana. En 1941 se fundaron loslaboratorios Syntex para la producción de hormonas esteroidales como la progesterona(y posteriormente la cortisona, un potente antiinflamatorio), cuyo costo en el mercadointernacional era de 200 dólares el gramo y, gracias a los trabajos desarrollados enMéxico, se redujo a sólo 2 dólares. Este trabajo desarrollado en México desembocó enel hallazgo de la píldora anticonceptiva, utilizada hoy por millones de mujeres en elmundo para controlar y planear la natalidad.

De 1950 a la fecha el número de industrias ha crecido, en especial la de productosquímicos básicos y la petroquímica. Se producen también las materias primas paraotras industrias, incrementándose la producción de sustancias químicas intermedias yde consumo final, lo que ha ocasionado que, en la actualidad, la industria química seauna de las más importantes para la economía del país.

1.1.2 EL USO DE LA QUÍMICA Y LOS PRODUCTOS COTIDIANOS

Así, la Química se dirigió durante mucho tiempo al quehacer de una minoría deinvestigadores, los cuales tenían como objetivo final analizar las sustancias y estudiarsus propiedades. Pero desde que la investigación se ha orientado a la creación denuevos productos, a menudo irremplazables, la Química ha adquirido una dimensióncompletamente distinta, pues interviene en todas las fases de nuestra vida cotidiana: enlos ámbitos de higiene, alimentación, sanidad, vestido, entre otros.

Anota en los renglones 10 productos que usas a diario y los consideres como resultadode procesos químicos de transformación.

1. ______________________________ 6. _____________________________

2. ______________________________ 7. _____________________________

3. ______________________________ 8. _____________________________

4. ______________________________ 9. _____________________________

5. ______________________________ 10. ____________________________

ACTIVIDAD DE REGULACIÓN

16

En este esquema te mostraremos el proceso por el cual pasan diferentes productos ydonde interviene la industria química.

PRODUCTOSAGRICOLAS

CARBÓNALQUITRANES

MINERALESMETÁLICOS

PETRÓLEOGAS NATURAL

AIRE

MINERALESNO METÁLICOS MATERIAS

PRIMAS

GASESNATURALES

PRODUCTOSORGÁNICOS

PRODUCTOSINORGÁNICOS

PRODUCTOSQUÍMICOSBÁSICOS E

INTERMEDIOS

PRODUCTOS QUÍMICOSFUNCIONALES

• POLÍMEROS• FERTILIZANTES• MEDICINAS• LIMPIADORES• EXPLOSIVOS• ADHESIVOS• PRODUCTOS PARA

AUTOMOTORES• ACEITES• CATALIZADORES• ETCÉTERA

ADITIVOS QUÍMICOS

• COLORANTES• SURFACTANTES• SABORIZANTES Y FRAGANCIAS• CARBÓN ACTIVADO• BIOCIDAS• ADELGAZANTES• RETARDADORES DE FLAMAS• ADITIVOS PARA LA COMIDA• ESTABILIZADORES• ETCÉTERA

PROCESO

♦ METALES♦ REFINACIÓN PETRÓLEO♦ PULPA Y PAPEL♦ TEXTILES♦ PROCESAMIENTO DE

ALIMENTOS♦ VIDRIO Y CERÁMICA

MANUFACTURA

♦ PRODUCTOS DE MADERA♦ PRODUCTOS TEXTILES♦ MAQUINARIA Y EQUIPO♦ PRODUCTOS METÁLICOS♦ PRODUCTOS DE PAPEL♦ PRODUCTOS DE

PLÁSTICO

COMIDA PRODUCTOSCASEROS

VESTIDO CUIDADOMEDICO

VIVIENDA RECREACIÓN EDUCACIÓN

NECESIDADES DEL CONSUMIDOR

PRODUCTOSTERMINADOS

LA INDUSTRIA QUÍMICA, MATERIALESY FLUJO DE PRODUCTOS

17

¿Te has puesto a observar la cantidad de productos químicos que hay en tuhogar y los cambios que éstos sufren al ser usados?.

Por ejemplo, en el caso de una caja de cerillos. ¿Qué implica que frotes elcerillo con el revestimiento de la caja para iniciar el fuego?.

¿Te imaginas lo que debían de hacer nuestros antepasados para obtenerfuego?.

Alguna vez, a una persona se le ocurrió que debía de haber otra forma de producirfuego; después, con la aplicación de conocimientos y el trabajo de otras mentes, seoriginaron los cerillos, los cuales se producen actualmente en tal cantidad y con uncosto tan bajo que no tomamos en cuenta lo que esto ha significado en la historia de lahumanidad.

Como este caso de los cerillos, existen otros productos que por su fácil obtencióndejamos de lado el esfuerzo, los conocimientos y los procesos que han significado, paraque, finalmente, formen parte de nuestra vida.

Seguramente por la mañana, al levantarte, de las primeras cosas que hiciste fueasearte, para lo cual utilizaste un jabón. La fecha exacta de cuándo se fabricó jabónpor primera vez no se conoce; pero una leyenda señala que alrededor del año 1000 a.de C. en una colina cercana a Roma, llamada Sapo, la gente ofrecía animalesincinerados como sacrificio a sus dioses. La grasa de estos animales caía a través delas cenizas de la madera y esto era arrastrado al Río Tiber, contaminándolo; algunapersona observadora notó que está ¨agua contaminada¨ tenía un poder limpiadornotable. Posteriormente se descubrió que el producto de la reacción de la grasa de losanimales con el álcali de las cenizas llamado saponificación era el causante de estefenómeno. Éste fue el origen de este producto, insustituible en nuestros hogares.

Además de jabón, usas a diario en tu aseo otros productos como son: “shampoo”,desodorante, loción, aerosol fijador para el cabello, cremas, pintura de labios, espumade afeitar, etcétera.

Hay muchos otros artículos de limpieza en el hogar, además de los que usas parabañarte y aquéllos para lavar ropa, en los cuales se utilizan productos especiales. Loslimpiadores de cocina y vidrios, desmanchadores, destapacaños, blanqueadores deropa, y suavizantes de tela son algunos ejemplos. Todos estos productos sonelaborados por procesos químicos y la acción de lavar, desmanchar, suavizar, disolver,etcétera, son reacciones químicas.

¿Qué podremos decir de los alimentos?. Las galletas tienen como ingredientes: harinade trigo, azúcar, manteca vegetal comestible, huevo, leche descremada en polvo, salyodatada, lecitina de soya, saborizantes y colorantes artificiales y 0.01% deantioxidante. Probablemente algunos de estos ingredientes te sean familiares. Variassustancias de las que se enlistan son aditivos alimenticios, compuestos químicos que seañaden a los alimentos para evitar o retrasar la descomposición, o bien para mejorar oaumentar el sabor, la textura, la calidad nutritiva que se incorporan a los alimentoscomo resultado de algún aspecto de la producción, procesamiento, empaque oalmacenamiento.

18

Identifica en las etiquetas de diversos productos, cuál de ellos emplean o utilizansaborizantes y/o conservadores, anótalos en los renglones que a continuación tepresentamos.

1) ________________ 2)__________________ 3) _________________

4) ________________ 5) _________________ 6) _________________

No cabe duda que podrías tener una mejor nutrición si sólo ingirieras comida fresca,pero si vives en una ciudad, esto puede ser muy difícil, es por eso que has tenido queconsumir alimentos procesados.

Es cierto que existen algunos riesgos asociados al uso de algunos aditivos alimenticios,pero sería difícil dejar de usarlos, ya que la descomposición de los alimentos traeríacomo consecuencia una disminución drástica en su oferta en el mundo, acrecentando elya grave problema del hambre ocasionada por deficiencias de vitamina y minerales. Espor esto que los aditivos alimenticios son una parte necesaria de nuestra sociedadmoderna, pero deben ser usados con moderación y, sobre todo, informarnos sobreestos problemas tan vitales para nuestra salud y bienestar.

Con la idea de obtener cada día mejores maneras de satisfacer las necesidades con elmenor esfuerzo, el ser humano ha creado una serie de industrias y productos que, a lalarga, han producido algo nocivo para él mismo: la contaminación.

El caso de la contaminación del aire, por ejemplo se debe a la gran cantidad decontaminantes que el hombre ha arrojado como producto de la tecnología. Losprincipales contaminantes del aire son: dióxido de azufre (SO2), que provienenprincipalmente de la quema de combustibles sin refinar (diesel) y de la fabricación deácido sulfúrico (H2SO4), entre otros; óxidos de nitrógeno (NO2), producto de losmotores de vehículos; óxidos de carbono (CO) emitidos por los motores no afinados yque al ser respirado afectan directamente a la conducción de oxígeno en la sangre; loshidrocarburos (formados por carbono e hidrógeno) en su mayoría provienen de laevaporación de las gasolinas y son cancerígenos; el plomo (Pb), cuya existencia sedebe a un aditivo para elevar el octanaje de las gasolinas y puede entrar directamenteen la piel afectando el sistema nervioso; el ozono (O3) proviene de motores eléctricos;además, partículas de polvo que se introducen en las fosas nasales y causanenfermedades respiratorias.

Como ves, la contaminación es un proceso químico que está presente en la vidacotidiana y que afecta a todos los que la respiramos. La Química nos ayudará aeliminarla y controlarla.


19

en la ysus

Por ejemplo

Describe la relación de la Química en tu vida cotidiana con respecto a la medicina y lapreparación de alimentos.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

En este esquema podrás identificar los diferentes periodos o épocas por las que laQuímica ha venido desarrollándose, así como las aplicaciones y posiblesconsecuencias de la misma.


LA QUÍMICA EN TU VIDA COTIDIANA

se divide en

LA QUÍMICA A TRAVÉSDE LA HISTORIA

EL USO DE LA QUÍMICA YLOS PRODUCTOS

COTIDIANOS

LAPREHISTORIA

LA ÉPOCADE LOS

EGIPCIOS

LA ÉPOCADE LOS

GRIEGOS

LAEDADMEDIA

LAEDAD

MODERNA

CONQUISTA CONQUISTA SIGLO XX

HIGIENE ALIMENTACIÓN CONSECUENCIAS

CONTAMINACIÓNDEL AIRE

EXPLICACIÓN INTEGRADORA

en

antes de la después de la

durante el

MÉXICO

20

1.2 LENGUAJE QUÍMICO

Cuando el hombre encuentra vestigios de una antigua civilización, es importantedescifrar su lenguaje. El modo de comunicarse de un pueblo nos advierte de suesencia, lo que hacían, lo que pensaban. Se dice que conocer el nombre de las cosas,es conocer las cosas mismas.

Todos conocemos la importancia del lenguaje para comunicarnos. Entender lo quedicen las demás personas es posible sólo si tenemos un lenguaje común. Si asistimosa un partido de futbol necesitamos conocer el significado de términos como: fuera delugar, amonestación, falta dentro del área chica, tiro de esquina, portero, etcétera, que sibien pueden tener cierto significado en el lenguaje cotidiano, adquieren uno nuevodentro del contexto ¨futbolístico¨

Todo lenguaje está lleno de nombres que denominan objetos, procesos, fenómenos,teorías, postulados, etcétera. La química tiene también un lenguaje propio.

En estudios anteriores tuviste un primer acercamiento con el lenguaje de nuestradisciplina, y, así, nuevamente entraremos en él, ya que aprendiendo a usarlo estaremosen posibilidad de comprender la complejidad de las modernas explicaciones de laestructura de la materia, de los modelos atómicos y sus aplicaciones en los diversoscampos de la ciencia y la tecnología. Entendemos como lenguaje químico todosaquellos términos que nos permiten acercarnos a la explicación de la estructura ycambios de la materia. Fundamentalmente se incluyen: conceptos, nombres y símbolosde los elementos, nombres, fórmulas de los compuestos, reacciones químicas y susecuaciones.

21

A continuación te presentamos una “sopa de letras”, en donde debes localizar lassiguientes palabras o conceptos2 : Mezcla, Fórmula, Modelo Cinético, TensiónSuperficial, Agua, Sal, Óxido, Sustancia, Gas y Materia.

Algunas de estas palabras te serán familiares por lo que te pedimos anotes en losrenglones una pequeña explicación de lo que significan.

M T M C D P R E S W Z E X A L S A L AJ O U S U S T A N C I A L D B G S I LB A D K R L M T C A N C S D E L Z J UA O Z E F J W I F Q X Y T H V I O A MG A S D L H Z T O X I D O K U N I C RT Z G E I O D F Q M V A T B Z M B O OI E O S F H C K V A R A T Q S F I E FT E N S I O N I S U P E R F I C I A LA I R E T A M N N T Z K B Y H O S R VF I B A G O Q F V E D G K Q I W S I IA R S Z E I J M A K T T F M E Z C L AV X I O T M S W C D V I T F H F B B UO G A U G A H R P O R F C I Z J S B VD P Y A R F H U K L I L G O X I G E N

Anota aquí la(s) palabra(s) y el significado de cada una de ellas.

1) _________________________________________________________________

2) _________________________________________________________________

3) _________________________________________________________________

4) _________________________________________________________________

5) _________________________________________________________________

6) _________________________________________________________________

7) _________________________________________________________________

8) _________________________________________________________________

9) _________________________________________________________________

10) _________________________________________________________________

2 Recuerda que las palabras pueden estar acomodadas en forma diagonal, de arriba hacia abajo y de izquierda a derecha oviceversa.


22

1.2.1 CONCEPTOS QUÍMICOS EMPLEADOS EN EL LENGUAJE COMÚN

Hablaremos primero de los conceptos. En Química empleamos algunas palabras queson de uso común, pero que adquieren un nuevo significado en nuestro contexto. Lapalabra materia, por ejemplo, se asocia comúnmente al estado sólido de la misma,mientras que en Química incluye los estados sólido, líquido y gaseoso, se define comoaquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Otro ejemplo es la sal, quecomúnmente es un condimento en los alimentos y en nuestro contexto es la sustanciaproducida en la reacción entre ácido y una base, y qué decir del significado de mezcla ygas, o todo lo que químicamente encierra el término metal, y lo inusual de utilizar otrotérmino igualmente importante: no metal. Aun adentrándonos en el mundo de laestructura de la materia, muchos términos se han filtrado al lenguaje común: átomo,elemento, órbita y otros más que nos ayudan a entender nuestro mundo. Sin embargo,lo que más le interesa a la Química es entender el significado que tiene cada uno deellos.

a) Conceptos químicos nuevos

Existen también algunos términos que serán nuevos para ti, ya que no se utilizan en ellenguaje común. Habrá que familiarizarse con ellos e incluirlos en ejemplos cotidianospara aprender a utilizarlos. Así, por ejemplo, llamaremos tensión superficial a lapropiedad que tiene el agua por la cual los mosquitos no se hunden al posarse sobreella y presión de vapor a otra propiedad por la que se evapora antes de la ebullición.

Por último, hay una serie de conceptos abstractos (leyes, teorías, modelos, etcétera)que rebasan la experiencia cotidiana. Éstos son una nueva manera de conocer losfenómenos, complementando la explicación del sentido común. Para entender, porejemplo, las diferencias entre un gas, un líquido y un sólido, recurriremos al modelocinético molecular, que explica el comportamiento de las partículas en cada estado deagregación. (sólido, líquido y gaseoso).

b) Los símbolos de los elementos

Nos referiremos ahora a los nombres de los elementos, ya que el nombre que laQuímica da a las diversas sustancias se basa en los elementos.

Actualmente existen más de 100 elementos, algunos de ellos fabricados por el hombre.La manera en que se ha llegado a dar nombre a cada uno de esos elementos está llenade historias interesantes.

En el siglo XV los elementos ya descubiertos se reducían a trece: oro (Au), plata(Ag), cobre (Cu), hierro (Fe), estaño (Sn), plomo (Pb), mercurio (Hg), carbono (C),azufre (S), arsénico (As), antimonio (Sb), bismuto (Bi) y zinc (Zn), y en los últimos cincosiglos se han descubierto los restantes.

23

En algunos casos, el nombre de los elementos fue modificado en diferentes etapasantes de quedar el que ahora tiene; por ejemplo, el oxígeno primero fue llamado aire defuego y el cloro, que debe su nombre a su color, fue llamado ácido marinodesflogistizado por su descubridor. El químico Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) fuequien estableció el sistema para simbolizar los elementos como los conocemosactualmente. Los nombres de los elementos más importantes, sus símboloscorrespondientes y sus características hay que aprenderlos, pues son las vocales denuestro alfabeto químico y nos sirven para identificar a todas las sustancias.

Busca en la tabla periódica de los elementos químicos los símbolos de los siguienteselementos y anótalos en los renglones correspondientes.

Hidrógeno ___________ Magnesio ________________ Sodio _______________

Cloro _______________ Nitrógeno ________________ Calcio ______________

Los objetos que nos rodean están formados por sustancias, las cuales se componen,por lo general, de más de un elemento. Muchas de éstas, como ya habíamosmencionado, tienen nombres comunes. Si tuviéramos que aprendernos tanto nombrescomunes como compuestos existen, estaríamos hablando de cientos de miles depalabras; por esta razón, los químicos han establecido un sistema para nombrar loscompuestos, como se muestra en el siguiente cuadro.


Algunos símbolos alquimistas y sus nombres

Sol Luna Marte Saturno Urano Mercurio

Oro Plata Hierro Plomo Cobre Mercurio

24

Nombre Común Fórmula Nombre Químico

Cal viva CaO óxido de calcioAgua H2O aguaPolvo de hornear NaHCO3 hidrogenocarbonato de sodioSal de uvas MgSO4 7 H20 sulfato de magnesio heptahidratadoGas de la risa N2O2 óxido de nitrógeno (IV)Leche de magnesia Mg(OH)2 hidróxido de magnesioÁcido muriático HCI cloruro de hidrógenoPirita (oro de tontos) FeS disulfuro de hierro (II)Sal NaCl cloruro de sodioSal de amoniaco NH4CI cloruro de amonio

Lavoisier estableció una manera de sustituir el fantasioso lenguaje de los alquimistas, alllamar cloruro de sodio a un compuesto de cloro y sodio (sal común, NaCl); al gasformado por hidrógeno y azufre lo llamó sulfuro de hidrógeno (H2S). Cuando varioscompuestos se formaban por los mismos elementos, pero en distinta proporción, les dionombres relacionados, por ejemplo, los cuatro ácidos compuestos de hidrógeno, cloro yoxígeno los llamó: ácido hipocloroso, ácido cloroso, ácido clórico y ácido perclórico, deacuerdo con su creciente contenido de oxígeno, y cuando se sustituía el hidrógeno porsodio los llamó hipoclorito sódico, clorito sódico, clorato sódico y perclorato sódico.

Fórmula Nombre Fórmula Nombre

HCIO ácido hipocloroso NaClO hipoclorito sódicoHCIO2 ácido cloroso NaCIO2 clorito sódicoHCIO3 ácido clórico NaCIO3 clorato sódicoHCIO4 ácido perclórico NaCIO4 perclorato sódico

Como ves, el nombre de cada compuesto se forma por los nombres de los diferenteselementos que lo constituyen, y sus terminaciones varían de acuerdo a la cantidad oproporción de cada elemento que contienen.

De este modo Lavoisier uniformó la caótica nomenclatura química de la época,transformándola en otra perfectamente lógica. Sin embargo, esta nomenclatura no es laque actualmente se considera como oficial y que estudiarás más adelante en estecurso.

El sistema para nombrar los compuestos se estableció en el Congreso de la UniónInternacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) en 1940 y la última publicación deeste sistema fue en 1989. Aunque existen otros sistemas de nomenclatura, éste es el

25

reconocido oficialmente y el que usaremos en nuestros cursos. Sólo la prácticagenerará el dominio de este lenguaje; por ello, nos referiremos a los nombres químicosy fórmulas de los compuestos constantemente en el desarrollo de todos los contenidos.La composición de las sustancias es un concepto importante en Química; pero conocersus componentes no es suficiente para producirlas. En cada caso, la clave de suproducción está en la cuantificación de sus ingredientes (por ello las empresas guardanen secreto esta composición). Pequeñas desviaciones en las dosis de ingredientes dapor resultado productos con características diferentes. La fórmula de un compuestoindica la cantidad exacta de partículas de cada elemento que intervienen. Así H2O, lafórmula del agua, nos indica que está formada por 2 partículas de hidrogeno y 1 deoxígeno, H2O2, el agua oxigenada, está formada por 2 partículas de hidrógeno y 2 deoxígeno. Diferentes fórmulas o diferentes combinaciones de elementos dan porresultado diferentes productos. Más que aprenderse las fórmulas, lo que tenemos quehacer es aprender a interpretarlas.

Completa el cuadro escribiendo el número de partículas que tiene cada elemento deacuerdo a su fórmula.

NOMBRE QUÍMICO FÓRMULA NÚMERO DE PARTÍCULAS

Cloruro de Amonio NH4ClPerclorato Sódico NaClO4Carbonato de Sodio Na2CO3Ácido Sulfúrico H2SO4

Finalmente, vamos a hablar de otros aspectos importantes del lenguaje: lasecuaciones químicas. Una ecuación es la representación simbólica de una reacción ocambio químico. Hoy en día se realiza mucho esfuerzo en expresar la información enforma concisa y útil. En Química se usan ecuaciones como expresiones cortas oabreviadas de todo lo que implica un cambio observado ya sea en laboratorio o en lavida cotidiana. Una ecuación nos da información sobre las sustancias que intervienenen una reacción y puede predecir los productos que se van a obtener.

Así, por ejemplo, la reacción que ocurre entre el magnesio y el oxígeno del aire, alencenderse el “flash” en una fotografía, se representa con la siguiente ecuación:

Magnesio + Oxígeno = óxido de magnesio


26

2 Mg + O2 2MgO

Otro ejemplo es la reacción efectuada al gasificar un refresco embotellado que serepresenta con la siguiente ecuación:

Ácido carbónico = agua + dióxido de carbono

H2CO3 H2O + CO2

¿Podrías ahora identificar cuál es la función del lenguaje químico?.

Elabora una pequeña síntesis al respecto.

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________


27

Con la revisión del esquema podrás notar que dentro del lenguaje empleado en laQuímica se utilizan, básicamente, conceptos y símbolos.

LENGUAJE QUÍMICO

CONCEPTOSQUÍMICOS

TENSIÓNSUPERFICIAL

PRESIÓNDE VAPOR

MODELOCINÉTICO

MOLECULAR

SÍMBOLOS DELOS ELEMENTOS

H Li K Rb

que incluye

como

se refiere a

tales como

CONCEPTOS QUÍMICOSEMPLEADOS EN EL LENGUAJE

COMÚN


28

1.3 EL MÉTODO DE LA QUÍMICA

El hombre, para poder transformar la realidad, necesita descubrir cómo funciona. Nocabe duda que el investigador se ve obligado a elaborar y reelaborar su propio métodode trabajo para llegar a desentrañar los secretos de la naturaleza. El método es elconjunto de procedimientos para realización de un fin; éste se deriva de la experienciamisma, y son los resultados obtenidos los que indican si es o no el adecuado. Elmétodo particular de las ciencias naturales es el método experimental, el cual no esuna “receta” que al seguirse paso a paso resolverá automáticamente los problemas.

1.3.1 EL MÉTODO CIENTÍFICO EN LA QUÍMICA

Para entender lo que es el método experimental, recordemos un pasaje de la vida deLouis Pasteur (1822-1895). Para que sea más claro lo iremos explicando por pasos:

Primer Paso

Monsieur Bigo, destilador de alcohol, se encontraba en apuros, por lo que decidió visitar aLouis Pasteur en su laboratorio y pedirle ayuda.

Louis Pasteur aceptó y lo acompañó a la destilería, olfateó las cubas que no daban alcohol,tomó muestras de la sustancia gris y viscosa para llevarla a examinar a su laboratorio, sinolvidar de recoger muestras de pulpa de remolacha sana en fermentación. Volvió allaboratorio, se rascó la cabeza y decidió examinar las sustancias llevadas. Puso una gota delproducto bajo el microscopio y vio que estaba llena de diminutos glóbulos mucho máspequeños que cualquier cristal conocido, de un color amarillento, y en cuyo interior habíaenjambres de curiosos puntos en continuo movimiento. Intrigado se preguntó: “¿Qué tendránlas cubas enfermas?. ¿Qué será esto?. ¡Pero si aquí no hay fermentos!. ¿Dónde podríanestar?. Aquí no hay más que una masa confusa. ¿Qué querrá decir esto?”.

Como ves, en primer lugar tenemos que detectar un problema, para lo cual se debenhacer preguntas significativas sobre un fenómeno; pero no es posible hacerlo si secarece de la información más elemental sobre el fenómeno en estudio. En el momentoen que un hecho es conocido, toma el nombre de fenómeno.

¿Cuál era el fenómeno que estudiaría Pasteur?

La información sobre un fenómeno puede ser captada por medio de la observacióndirecta, como en el caso de Louis Pasteur (sentido de la vista), e indirectamente a travésde los antecedentes legados por los estudios anteriores, es decir, mediante una revisiónbibliográfica.

Segundo Paso

En las paredes de este frasco hay motitas grises y otras flotando en la superficie del líquido.Veamos... No, no aparecen en el líquido donde hay fermentos y alcohol. ¿Qué podrá ser?.

Con cierta dificultad logró separar una de aquellas motitas, y colocarla en una gota de aguapura, para examinirla bajo el microscopio. En lugar de glóbulos de fermentos encontró algocompletamente diferente, algo extraño y nunca visto: “grandes masas danzantes y enredadasde pequeños bastoncitos, sueltos unos, a la deriva otros, como cadenas de botecillos, agitadospor una vibración incesante y extraña. ¿Qué podrá ser esto?”.

29

Observar todos aquellos aspectos que pueden ser causa de los fenómenos es un pasoimportante en todo método.

¿Qué observarías tú en el caso anterior para investigar por qué el contenido delas cubas no se comportaba de la misma manera?

El siguiente punto es la delimitación del problema, para lo cual se requiere de un arduotrabajo intelectual apoyado en la información lograda para elegir la pregunta másadecuada y trabajar sobre ella.

Pasteur, al estudiar el problema de la fermentación, se planteó varias preguntas y poco apoco enfocó su atención a una de ellas. Esto significa que cuando surge una serie depreguntas sobre un problema, es necesario jerarquizarlas para resolverlas una por una yal final integrarlas y poder resolver un problema mas general.

Tercer Paso

Tal vez estos bastoncitos del líquido de las cubas enfermas están vivos, tal vez compitan conlos fermentos, venciéndolos. ¡Los bastoncitos son los que impiden la formación del alcohol,produciendo ácido láctico, del mismo modo que las levaduras son el fermento del alcohol! Erauna conjetura, pero, en su interior, algo le decía a Louis Pasteur que tenía razón. En la cabezale zumbaban proyectos para comprobar su conjetura.

Una vez que se tiene perfectamente claro el problema, se plantean las alternativas quetentativamente lo pueden solucionar. Toda posible respuesta o explicación encaminadaa solucionar tentativamente un problema (hasta que se demuestre lo contrario) recibe elnombre de hipótesis, la cual representa una anticipación a la propia experimentación.

La hipótesis generalmente se establece al observar con precisión las semejanzas entrediversos fenómenos: conociendo la causa de uno de ellos, se emite la hipótesis, a fin deexplicar los otros fenómenos, por la misma causa. También la hipótesis surge comoconclusión de razonamientos inductivos o deductivos.

En este sentido, ¿qué importancia tiene establecer una hipótesis?

Cuarto Paso

En esta mezcolanza del líquido de las cubas de fermentación me es imposible estudiar losbastoncitos que considero como seres vivos -reflexionaba Pasteur-. Tengo que inventar unaespecie de caldo trasparente para poder ver lo que sucede: tendré que idear un medio nutritivoespecial para ver si se reproducen, para ver si aparecen miles donde sólo existía uno.

Lo que procede a continuación es probar la hipótesis, para lo cual se diseña unexperimento que proporcione los datos que ratifiquen o refuten la hipótesis.

La experimentación es la reproducción, y por ende a voluntad de un fenómeno paraestudiarlo en su desarrollo, estableciendo y controlando deliberadamente los parámetroso variable así como las condiciones más adecuadas para observar y medir todo lo quegenera el fenómeno estudiado.

30

Si es difícil detectar todas y cada una de las variables, al menos se deben encontrar lasque influyen directa y determinantemente en el problema estudiado, para evitarlamentaciones como: “¡se me olvidó considerar la temperatura!”; “¡no consideré laconcentración!”; “¡no pensé que la espátula se disolviera en el ácido!”, etcétera. No setrata de “manejar” a la vez todas las variables, porque sería complicado; entre menorsea el número de variables que se trabajen, mayor seguridad se tendrá en el desarrollodel experimento. Para seleccionar las variables pertinentes de un experimento, sedividirán en dos grandes grupos:

Las variables dependientes, que son las principales en un experimento, y, obviamente,las que se determinen experimentalmente y, de hecho, están enunciadas en elproblema. Y las variables independientes, cuya influencia puede modificar a lasvariables dependientes, por lo que se deben mantener bajo control, permaneciendoconstantes a través de todo el experimento.

Quinto Paso

Tal vez no haya ningún caldo transparente que me permita ver crecer estos bastoncitos, perome asomaré por si acaso. Alzó el frasco hacia la luz de gas y murmuró: Hay hileras deburbujas que brotan de las motitas grises que deposité ayer; hay muchas motitas nuevas y detodas ellas brotan burbujas. ¡Había llegado el momento de despejar la incógnita!. Puso unagota en una placa y la observó a través del microscopio. ¡Por fin! El líquido estaba plagado demillones de bastoncitos. ¡Se han multiplicado! ¿están vivos? exclamó.

Del experimento se desprenden los resultados, estos pueden ser de dos tipos:numéricos y de información ocular como cambios de color, formación de precipitadoso cristales, producción de gases, etcétera. Es por eso que el experimentador no se debedistraer para captar con todo rigor lo que el experimento le pueda ofrecer o le muestre.

¿Qué tipo de resultados obtuvo Pasteur?.

¿Consideras que a partir de los resultados se puede aceptar o rechazar unahipótesis?.

Sexto Paso

Finalmente, los resultados deben ser sometidos a discusión para que se emitan lasconclusiones. Discutir significa examinar cuidadosamente los resultados.

En las conclusiones a que se puede llegar con el experimento realizado se debe tomaren cuenta la hipótesis y el problema planteado para contestar si la hipótesis fue cierta ono y si el problema se resolvió o no. Además se pueden incluir sugerencias quepermitan mejorar el experimento, reproducirlo o realizar cualquier situación que ayude acomprenderlo mejor.

31

a) La importancia de la observación cuidadosa

Como has notado, a lo largo del método experimental se presenta una y otra vez laobservación; este proceso es muy importante, y para que lo entiendas recurriremos auna obra de Sir Arthur Conan Doyle, creador de Sherlock Holmes, en la que manifiestaque Holmes debía su éxito a su habilidad para realizar observaciones críticas, adiferencia del doctor Watson, quien no sabe observar, suscitándose el siguiente diálogoentre ellos:

-De acuerdo, usted ve pero no observa. La diferencia es clara. Por ejemplo; usted ha visto con muchafrecuencia los escalones que conducen desde el vestíbulo a esta habitación.

-Frecuentemente

-¿Con qué frecuencia?

-¡Bien, centenares de veces!

-Entonces, ¿cuántos escalones hay?

-¿Cuántos? No lo sé

-Perfectamente, usted no ha observado, aunque haya visto. Ésta es precisamente la diferencia, pues yo séque existen 17 escalones, porque he visto y he observado al mismo tiempo.3

Aunque el número de escalones no era importante, Holmes mantenía siempre activo supoder de observación.

Te invitamos a que tú también desarrolles y practiques esta habilidad.

Es posible comparar al científico con el detective, ya que para obtener respuestas a suspreguntas emplean métodos muy parecidos; de igual forma, el éxito en el trabajo deambos consiste en la observación que ha de ser escrupulosamente honesta.

En alguna ocasión te habrás encontrado en una situación en donde solamente tedediques a ver y no a observar, como por ejemplo el arco iris.

¿Podrías describirlo? _____________________________________________________

_______________________________________________________________________

¿En qué orden aparecen los colores? ________________________________________

______________________________________________________________________


32

b) Análisis y síntesis en la metodología

Los químicos pasan gran parte de su tiempo en el laboratorio, separando e identificandolos constituyentes de las sustancias. “Divide y vencerás”, tal puede ser el lema de lasprimeras generaciones de químicos que fueron esencialmente analistas,“desmenuzadores” de la materia. Por medio del análisis químico descubrieron muchosde los elementos que existen en la Tierra y también pudieron entender qué partesintegran los compuestos químicos, simples o complejos, desde la sal común hasta lasproteínas. Gracias al análisis, los químicos descifraron la composición de las rocas yminerales y ayudaron a los geoquímicos a establecer la proporción de los elementos enla Tierra.

La finalidad de los análisis realizados diariamente en el laboratorio químico es de índolediversa. Puede tratarse del control de un producto acabado o que se encuentra en unafase intermedia de elaboración, sea cual fuere su naturaleza: medicamento, cemento,metal, etcétera. Puede utilizarse también para establecer presuntos actos delictivos,mediante el análisis de las trazas de pólvora de un disparo, o en la determinación de unasustancia tóxica. Los especialistas y consejeros en agronomía se ocupan del análisisdel suelo, permitiendo fijar el tipo de cultivo al cual se presta mejor y el abono que másconviene utilizar.

Otra actividad cotidiana de los químicos es la síntesis de sustancias, que en muchasocasiones ni siquiera existen en la naturaleza. Muchos de los productos químicos quenos rodean como los medicamentos, plásticos, colorantes, detergentes, etcétera, sonproductos complejos que el químico construye partiendo de productos de base simple,como si estuviera jugando con un rompecabezas, alternando las etapas de síntesis y lasde purificación. A veces se encuentra con productos nuevos, que resultan ser unmedicamento eficaz, un abono revolucionario o un nuevo material a la vez ligero y muyresistente.

Si revisáramos las guías farmacéuticas modernas veríamos que el 25% de las medicinasson preparados naturales. Las demás son sustancias medicinales sintetizadas por elpoder de la Química y desconocidas en la naturaleza. En la actualidad, durante un solodía, los químicos sintetizan variedad de nuevos medicamentos, desde analgésicos hastapreparados para curar enfermedades psíquicas.

A continuación te presentamos un ejemplo de síntesis de sustancia.

La primera síntesis de una sustancia medicinal se realizó hace unos cien años. Hacíaya tiempo se conocía la propiedad curativa del ácido salicílico sobre el reumatismo,pero era muy difícil y caro obtenerlo a partir de la materia prima vegetal. Sólo en 1874se logró elaborar un procedimiento simple para preparar el ácido salicílico a partir delfenol.

El dolor siempre ha sido compañero de por vida de los seres animados, ya que es unmecanismo de alerta cuando algo no va bien en el organismo; empero, el hombre hapodido controlarlo por medio de ciertas sustancias llamadas analgésicos; uno de ellos esel ácido salicílico, y, sin embargo, causa daños a la mucosa estomacal, por los que los 3 CANON Doyle, A: Un escándalo en Bohemia.

33

químicos se preguntaron: ¿Cómo disminuir el daño estomacal que produce el uso delácido salicílico como analgésico?.

Mediante un proceso de síntesis los químicos lograron solucionar este problema al unir ala molécula del ácido salicílico un radical acetilo, convirtiéndolo en ácido acetil salicílico.Esta sustancia sirve de base para muchos preparados medicinales, entre ellos laaspirina común, pero existen diversos productos farmacéuticos que la incluyen.¿Recuerdas alguno? Si observas en la caja la composición de algunos medicamentosde tu casa verás cuáles contienen ácido acetil salicílico.

Restaurar la salud de las personas es una tarea noble para los químicos, pero, al mismotiempo, la más difícil. Largo es el camino de un medicamento cualquiera desde elmatraz de laboratorio hasta el mostrador de una farmacia, ya que no basta con saberque puede curar con éxito una enfermedad determinada, también se necesita analizardetalladamente de qué modo actúa y cuál es su mecanismo químico de lucha contradicha enfermedad.

Como vez, el análisis y la síntesis son dos procesos que los químicos empleancotidianamente en su trabajo, de la misma manera que contribuir a la experiencia de laenseñanza-aprendizaje es la tarea de un docente.

34

Una vez que hayas revisado el esquema podrás distinguir los pasos que se deben seguiren el método científico.


MÉTODO CIENTÍFICO

IDENTIFICAREL

PROBLEMAHIPÓTESIS

DISEÑO YAPLICACIÓN

DELEXPERIMENTO

RESULTADOS CONCLUSIONESDELIMITAREL

PROBLEMA

OBSERVACIÓNDIRECTA

OBSERVACIÓNINDIRECTA

JERARQUÍA

POSIBLESCAUSAS Y/O

EFECTOS

RAZONAMIENTOINDUCTIVO

RAZONAMIENTODEDUCTIVO

REPRODUCCIÓNARTIFICIAL

MANIPULAN LASVARIABLES

INDEPENDIENTES

REGISTRANLAS VARIABLESDEPENDIENTES

ANÁLISIS SÍNTESIS

CUANTITATIVO CUALITATIVO

DISCUSIÓN

según lapropone

empleando

consiste

dondese

intervienen

permitenla

de tipo

acepta orechaza

consta de

dondese

la

donde se

mediante

35

1.4 CARÁCTER CUANTITATIVO DE LA QUÍMICA

Al hablar de las características del estudio de la Química, hemos mencionado como sustres pilares el lenguaje, el uso de síntesis y análisis, y la cuantificación, o sea el uso demediciones y cálculos.

En esta sección, con la que terminamos el tema introductorio, vas a aprender acerca delpapel de las cuantificaciones que se hacen en la Química, pero además trataremos deconjuntar los conocimientos que se han planteado hasta aquí para que logres unaprendizaje integrado.

Cuando se estudian los fenómenos naturales, sean éstos de cualquier tipo (físicos,químicos o nucleares). El primer paso para su estudio es la observación. Estapercepción de los fenómenos es nuestro único contacto con el mundo físico y sonnuestros sentidos los que se encargan de comunicarnos la forma en que estásucediendo el fenómeno. Los datos experimentales que obtenemos provienen desucesos observables y son mejores o peores en la medida que lo sean los métodos dedetección. El hombre ha aprendido por medio de sus experiencias que sus sentidosestán limitados para percibir los fenómenos y ha inventado una gran cantidad deinstrumentos para facilitar sus observaciones, tales como el microscopio, el telescopio, labalanza, el potenciómetro y el espectrofotómetro, entre otros.

Sin embargo, no existe una distinción especial entre las observaciones obtenidas por lossentidos y las alcanzadas por medio de instrumentos, salvo en la precisiónproporcionada por los equipos ya que, en principio, la utilización de éstos no afecta larealidad de la observación.

La mayor parte de las veces la finalidad de la observación es obtener una medidacuantitativa de los fenómenos; es decir, una relación que indique la magnitud delsuceso que se está observando. Generalmente dicha magnitud se expresa con unnúmero y una unidad, que sirve para comparar con sucesos similares.

De acuerdo con lo anterior, surge una pregunta capital que resulta ser la parte medularde este apartado.

1.4.1 ¿POR QUÉ ES NECESARIA LA CUANTIFICACIÓN?

En la vida diaria la cuantificación es esencial para muchas de las situaciones cotidianas;cuando nos transportamos en un vehículo público, pagamos una cantidad específica.No sólo es importante el acto de pagar (cualitativo), sino cubrir el precio adecuado(cuantitativo) del viaje. Al ingerir nuestros alimentos, no es lo mismo, nutricionalmentehablando, el comer una tortilla de un plato adecuadamente preparado acompañado portortillas, de tal manera que se cubran los requerimientos necesarios para el organismo(cuantitativo). La cuantificación es algo inherente y necesario para la vida humana.

¿Consideras que las calificaciones de un examen son de carácter cualitativo?

36

En el caso específico de la Química la cuantificación es fundamental y ha permitidoelevar esta disciplina a la categoría de ciencia, además de posibilitar la predicción de losfenómenos de importancia en diferentes niveles, desde el ámbito cotidiano hasta elindustrial.

Existe un sinnúmero de ejemplos de los que un químico puede cuantificar, los cualesson comunes en nuestra vida. Para que lo entiendas, y referida nuevamente a lacontaminación del aire, existe la necesidad imperiosa de cuantificar dichoscontaminantes, ya que en pequeñas cantidades puede ser inofensivo, pero a elevadasconcentraciones son altamente perjudiciales para la mayoría de los seres vivos;actualmente en la Ciudad de México, y en muchas otras ciudades del mundo, se lleva acabo un registro cuantitativo de todos los contaminantes (IMECA, en nuestro caso)4 conel fin de tomar las medidas necesarias de protección al ambiente y, por tanto, de losseres vivos.

En cuanto a los medicamentos, es común que un médico recete a sus pacientes unadeterminada dosis. Esta dosis no es otra cosa que una medida de la cantidad que elpaciente debe recibir de dicha medicina, ya que no es la misma cantidad que puedeconsumir un bebé a la que puede utilizar un adulto. Generalmente la dosis depende dela edad, peso corporal y capacidad del paciente para metabolizar el medicamento, de talmanera que cuantitativamente existe una dosis mínima, por debajo de la cual no tendríaefecto el medicamento, y una dosis máxima, que al ser rebasada puede resultar tóxica oincluso letal para el organismo.

Cuando una persona ingiere una bebida alcohólica, existe una diferencia cuantitativaentre mantenerse sobrio, estar “alegre”, o llegar hasta un estado evidente deembriaguez, donde sus sentidos y sus capacidades están totalmente limitados, de formaque cuantificando la concentración de alcohol en la sangre se puede predecir elcomportamiento de un individuo dependiendo de su edad, sexo, peso corporal,costumbre a las bebidas alcohólicas y algunas otras variables.

Muchas enfermedades pueden ser evitadas o controladas gracias a la cuantificación. Lahemoglobina es una proteína que contiene hierro (Fe) que transporta el oxígeno de lospulmones a las células. Si la cantidad de hierro es deficiente, la hemoglobina no seforma, causando lo que se conoce como anemia.

La diabetes es una enfermedad que se presenta por niveles altos de glucosa en lasangre. Mediante la cuantificación continua de dichos niveles y analizando lascaracterísticas del paciente, puede elegirse el tratamiento adecuado para controlar elpadecimiento.

En la industria metalúrgica se analizan y cuantifican las proporciones adecuadas de loscomponentes de una aleación, porque, de no hacerse rutinariamente, la calidaddisminuye y pueden generarse productos que sean muy sensibles a la corrosión y quetengan muy poca resistencia.

4 IMECA: Índice Metropolitano de la Calidad del Aire.

37

En conjunto, podemos decir que en cualquier tipo de industria es necesario cuantificardiferentes 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.

a) La medición y los grandes químicos

En la historia de la Química se han realizado intentos para lograr la cuantificación de losfenómenos, pero durante mucho tiempo se emplearon métodos que, lejos de aclarar laforma en que se llevaban a cabo los fenómenos químicos, aumentaban la confusión alrespecto.

Robert Boyle, en su obra El químico escéptico, recomendaba tener más cuidado en elregistro de las observaciones en los experimentos con el fin de obtener resultadosadecuados. En el siglo XVII, Lavoisier, tomando en cuenta muchas de lasaseveraciones que existían en su tiempo, comenzó por rehacer algunos de losexperimentos de su época, con el cuidado de cuantificar cuidadosamente los resultadosobtenidos en cada uno de los suyos. Fue tan grande y fuerte la influencia de losexperimentos de Lavoisier, que a partir de ellos desechó la teoría del flogisto, queproponía que las sustancias capaces de arder lo eran por contener un supuesto“principio de combustión” al que se le denominó flogisto, concepto erróneo que se habíamantenido durante más de un siglo.

Con la aparición de Tratado elemental de Química en 1789, Lavoisier, como semencionó anteriormente, convierte a la Química en una ciencia cuantitativa y,además, establece los primeros listados de las sustancias elementales o elementos.

En otro curso de Química, veremos el tema de Estequiometría que nos ayuda a definircómo están compuestas las moléculas, qué proporción contienen de cada elemento ycuantitativamente cómo se van a formar los productos de una reacción. Asimismo,trataremos de entender cómo son los cambios energéticos producidos en una reacciónquímica y cuáles son sus aplicaciones, todo esto también en una forma cuantitativa. Enambos casos, para realizar los cálculos, usaremos las ecuaciones químicas.

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 dela Química una ciencia 100% cuantitativa y que gracias a ello tiene un lugar destacadoen todos los países del mundo en el ámbito económico, social y político, porque estaposibilidad de cuantificar los fenómenos químicos permite su predictibilidad y facilita elcontrol de las variables para mejorar la producción de bienes para la humanidad.

38

Investiga sobre los siguientes aspectos:

¿A partir de que niveles de glucosa se considera a un paciente con diabetes?._______________________________________________________________________

¿Cuáles son los niveles de contaminación ambiental para declarar la fase 2 decontingencia ambiental en la Ciudad de México?._______________________________________________________________________

Conforme revises el esquema observarás la importancia de cuantificar, así como larelación que tiene con varios fenómenos o aspectos de tu vida cotidiana.

CARACTER CUANTITATIVODE LA QUÍMICA

mediante la


OBTENER UNA MEDIDACUANTITATIVA DE LOS

FENÓMENOS.

OBSERVACIÓN DEFENÓMENOSNATURALES

ESTABLECER DOSISDE MEDICAMENTOS

DETECTARCONCENTRACIONESDE ALCOHOL EN LA

SANGRE

DETERMINAR LACALIDAD DEL

PRODUCTO EN UNAEMPRESA

PRECURSORES

BOYLE LAVOISIER BERZELIUS

su objetivo es

que sirven para

sus


son

39

El propósito de este capítulo fue presentarte un panorama general de las característicasprincipales de la Química y su relación con la vida cotidiana.

De esa manera, se ha mostrado cómo esta ciencia se ha desarrollado a partir de lasolución de problemas que se presentan en la cotidianeidad, como el descubrimiento delfuego, las formas de producirlo, el manejo de los metales, el uso farmacéutico dealgunas sustancias naturales, la industrialización de productos y la posibilidad de contarcon alimentos en buenas condiciones en cualquier época del año y lugar. En otraspalabras, gracias a la Química nuestra vida es distinta a la de nuestros antepasados.

También hemos visto que para estudiar Química es necesario considerar suscaracterísticas, esto es, adquirir su lenguaje, usar su método y realizar cuantificaciones ycálculos. No puede aprenderse de memoria, sino “haciéndola”, es decir, requiere detodos tus sentidos, tu curiosidad y de tu imaginación.

El aprendizaje del lenguaje químico te abrirá las puertas del mundo del comportamientode la materia y de la explicación de los fenómenos. El método, como se mencionó, teposibilitará acercarte con procedimientos específicos a los conocimientos científicos, teproporcionará las herramientas para poder entender el problema, proponer soluciones ycomprobarlas. Conocerlo te permitirá recrear, en ocasiones, el camino que siguieron loscientíficos para descubrir los conceptos, establecer leyes o explicar los fenómenos. Lacuantificación tiene la función de precisar el conocimiento de los fenómenos, para que,con base en ello, se pueda predecir el comportamiento de la materia o, en su caso,saber cómo los científicos pueden hacerlo.

RECAPITULACIÓN

40

Las siguientes prácticas de laboratorio te servirán para consolidar e integrar losconocimientos que adquiriste con el estudio de este capítulo. Contesta las preguntas queaquí se te plantean y verifica tu respuesta en el siguiente apartado.

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 1

PRÁCTICA DE LABORATORIO5 (OBLIGATORIA).

Completa el siguiente cuadro

CONCEPTOS PROPIEDADES

Analgésico Es una sustancia que ____________________sustancia con baja solubilidad

Antiácido Es una sustancia con características básicaspara __________________________________.

DosisCantidad necesaria ___________________un medicamento.

Para la realización de esta práctica debes investigar sobre lo siguiente:

1) ¿Cuál es la fórmula del hidrógenocarbonato de sodio?.

2) ¿Cuál es la fórmula del ácido acetil salicílico?.

¿Qué necesitas?

☞ Alka Seltzer☞ Agua☞ Termómetro☞ Balanza granataria☞ Espátula de acero☞ Tripié☞ Cronómetro

☞ Tabcin☞ Sal de uvas☞ Probeta graduada☞ 3 vasos para precipitados☞ Mechero de Bunsen☞ Tela de alambre con asbesto☞ Mortero con pistilo

5 A partir de este momento se te dará a conocer cuáles son las prácticas que deberás de realizar (en el laboratorio) para tenerderecho al exámen de acreditación. Las prácticas estarán indicadas por la palabra OBLIGATORIA.

ACTIVIDADES INTEGRALES

41

¿Cómo hacerlo?

Observa detenidamente cada uno de los vasos para precipitados (3) que se encuentranen cada inciso e identifica cuál(es) es(son) la(s) variable(s) independiente(s) que se estámanejando. Te sugerimos que las resaltes con un color diferente.

Figura 1

a)

Agua y Alka Seltzeren polvo (1 g)

Agua y Alka Seltzeren trocitos (1 g)

Agua y Alka Seltzertrozos grandes (1 g)

b)

Agua y 0.5 g de Alka Seltzer(polvo)

Agua y 1g de Alka Seltzer(polvo)


Agua fría y 1g de Alka Seltzer(polvo)

Agua a temperatura ambientey 1g de Alka Seltzer (polvo)

Agua caliente y 1g de Alka Seltzer(polvo)

Agua con sal de uvas 1g Agua con 1g de Alka Seltzer(polvo)

Agua con 1g de Tabcin(polvo)

c)

d)

42

Una vez que has analizado el procedimiento, elabora una hipótesis para cadainciso, tomando en cuenta las variables que identificaste.

a) ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

b) _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

d) ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Desarrollo del experimento y registro de observaciones.

En cada caso, toma el tiempo que tarda en efervescer el producto en el agua.

Experimento Vaso 1 Vaso 2 Vaso 3 Observaciones

a

b

c

d

43

Eliminación de desechos.

Cualquier residuo de los medicamentos debe desecharse de inmediato, arrojándolo albote de basura para evitar accidentes. Los productos del experimento elimínalos por latarja.

Cuestionario de reflexión.

Experimento

a)

b)

c)

d)

• ¿Por qué tardó menos tiempo en reacción el Alka Seltzer en polvoque en tableta?

• Establece una relación entre la masa del Alka Seltzer y el tiempo dereacción

• ¿Qué pasaría si el agua estuviera hirviendo? • Explica qué efecto tiene la temperatura sobre las reacciones • ¿Depende el tiempo, de la marca comercial? • ¿Existe una relación entre el tiempo de reacción y la marca comercial

del producto?

Conclusiones: Escribe tus conclusiones generales sobre los experimentos y emite tusconclusiones específicas tomando en cuenta la hipótesis que elaboraste en cada inciso._______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

44

“QUÍMICA Y PRODUCTOS DE USO COTIDIANO”

Objetivo

Determinar algunos parámetros que intervienen en la reacción del Alka Seltzer conagua, para establecer la relación entre la Química y la vida cotidiana.

Cuestionario de conceptos antecedentes.

1) ¿Qué es un analgésico? ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿Qué es un antiácido?________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Cuál es la fórmula del hidrógeno carbonato de sodio?_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) ¿Qué es una dosis terapéutica?_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) ¿Cuál es la fórmula del ácido acetil-salicílico?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6) ¿Qué sucede si ingieres una dosis mayor de la terapéutica?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

7) ¿Cómo se sintetizó por primera vez la Aspirina?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


45

Hipótesis

Elabora la hipótesis a partir del siguiente cuestionamiento:

¿En qué vaso será más rápida la reacción y por qué?.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Materiales

☞ Termómetro ☞ 1 Balanza granataria ☞ 1 Espátula ☞ 1 Tripié ☞ 1 Cronómetro ☞ 1 Pinzas para vaso ☞ 1 Probeta ☞ 3 Vasos de precipitado ☞ 1 Mechero Bunsen ☞ 1 Tela de alambre ☞ 1 Mortero con pistilo.

Sustancias

☞ 11 g Alka Seltzer

☞ 1 g Sal de uvas

☞ 1 gTabcín

☞ Agua

Prevención y seguridad

La requerida en el laboratorio para el uso del mechero y del material de vidrio caliente.

46

¿Cómo hacerlo?

Figura 2

En tres vasos coloca 1 g de Alka Seltzer de la siguiente manera:

En el primero, colócalo en polvo; en el segundo, en trocitos y en el tercero en trozocompleto. Agrega agua y mide el tiempo que tarda en reaccionar.

a)

Agua y Alka Seltzeren polvo (1 g)

Agua y Alka Seltzeren trocitos (1 g)

Agua y Alka Seltzertrozos grandes (1 g)

b)

Agua y 0.5 g de Alka Seltzer(polvo)



Agua fría y 1g de Alka Seltzer(polvo)

Agua a temperatura ambientey 1g de Alka Seltzer (polvo)

Agua caliente y 1g de Alka Seltzer(polvo)

Agua con sal de uvas 1g Agua con 1g de Alka Seltzer(polvo)

Agua con 1g de Tabcin(polvo)

c)

d)

47

Coloca después en tres vasos con la misma cantidad de agua las siguientes cantidadesde alka seltzer: 0.5 g, 1g y 2g. Anota el tiempo de la reacción.

En otros tres vasos, coloca 1g de alka seltzer en la misma cantidad de agua a trestemperaturas diferentes. Observa el tiempo de la reacción en cada uno.

En otros tres vasos con igual cantidad de agua, agrega 1g de alka seltzer, al primero; 1gde sal de uvas, al segundo y 1g de tabcín al tercero. Observa el tiempo de la reacción decada vaso.

Registro de observaciones

Registra en cada caso el tiempo que tarda la reacción.

Tiempo dereacción

Vaso 1 Vaso 2 Vaso 3 Observaciones

Tamaño departícula

Cantidad deAlka Seltzer

Temperatura deagua

Diferentessustancias

Eliminación de desechos

Cualquier residuo de los medicamentos debe desecharse de inmediato, arrojándolo albote de basura para evitar accidentes. Los productos del experimento elimínalos por latarja.

48

Cuestionario de reflexión

1.- ¿Por qué tardó menos tiempo en reaccionar el Alka Seltzer en polvo que en trozocompleto?.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- Establece una relación entre la masa del Alka Seltzer y el tiempo de la reacción.______________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.- Explica qué efecto tiene la temperatura sobre las reacciones. __________________________________________________________________________________________

4.- ¿Depende el tiempo de reacción de la marca comercial?. ¿Por qué?. ____________________________________________________________________________________

Conclusiones

Considerando el cuestionario de reflexión y contrastando los resultados con tu hipótesis,elabora tus conclusiones.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

49

Recuerda que en este apartado se te proporcionan los criterios que debiste habercontemplado en las Actividades Experimentales.

Para el caso del cuadro debiste tener presente que:

* Un Analgésico es una sustancia que permite aliviar el dolor

* El Antiácido es una sustancia con características básicas para disminuir la acidez.

* La Dosis es una cantidad necesaria de administración (cuantitativa) de unmedicamento.

Respecto a las fórmulas del hidrogénocarbonato de sodio y del ácido acetil salicílicotenemos que:

1) El hidrógenocarbonato de sodio es el nombre con el cual se le conoce dentro de laquímica, pero también se le conoce como “polvo de hornear”. Sin embargo, encualquiera de los casos su fórmula es NaHCO3.

2) Comercialmente se conoce como aspirina, y químicamente se le llama ácido acetil

salicílico, cuya fórmula es C9H8O4 y se representa:

O C CH3

O

COOH

Aspirina (Ácido acetil-salicílico)

AUTOEVALUACIÓN

50

Para el caso del desarrollo del experimento:

1) Mientras más homogéneo sea el producto (más granulado), menor será el tiempo dedisolución.

2) Al disminuir la cantidad del producto (concentración), el tiempo de disolucióndisminuye

3) Al incrementar la temperatura, la disolución será más rápida.

4) El tiempo de disolución de la sustancia, dependerá del producto y su presentaciónque se ha utilizado.

51

OBJETO DE ESTUDIO DE LA QUÍMICA

2.1 MATERIA

2.1.1 Estados de agregación molecular de la materia

2.1.2 Composición

2.1.3 Propiedades

2.2 ENERGÍA

2.2.1 Otras formas de energía

2.3 CAMBIOS

2.3.1 Cambios físicos

2.3.2 Cambios químicos

2.3.3 Cambios nucleares

C A P Í T U L O 2

53

En este capítulo estudiarás el:

Conocerás: Lo lograrás: Te va a servir para:

El objeto de estudio dela Química.

Identificando:

Las características ypropiedades de los 3estados de agregaciónde la materia y lasmanifestaciones de lassustancias.

Los diferentes tipos deenergía y sutransformación.

Los cambios que sufre lamateria al interactuarcon la energía.

Entender la forma encómo se manifiestanlos fenómenos queocurren en lanaturaleza y en tuvida cotidiana.

OBJETO DE ESTUDIODE LA QUÍMICA

MATERIA CAMBIOSENERGÍA

P R O P Ó S I T O

55

CAPÍTULO 2. OBJETO DE ESTUDIO DE LA QUÍMICA

2.1 MATERIA

Gracias a los sentidos; el hombre está en contacto con la materia. Así, a través de lavista captamos sombras y colores; por el olfato, olores; por el gusto, sabores; por eloído, sonidos; y por el tacto, texturas. Cada una de estas cualidades sonmanifestaciones 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 captarsefácilmente por medio de los sentidos, por lo que hemos necesitado de la ayuda de algúnartefacto que los haga manifiesto.

Antes de observar el siguiente ejemplo reflexiona mediante los siguientescuestionamientos:

¿El aire es materia?, ¿puede captarse mediante los sentidos?

Al sumergir un tubo de vidrio invertido en un vaso con agua, ésta no penetra en el tubo¿Por qué?, ¿qué necesitas hacer para que penetre el agua en el tubo? ¿qué diferenciahay entre decir tubo vacío y tubo al vacío?. Investiga y anótalo en tu cuaderno:

56

Figura 3. Representación del aire como materia.

Como has observado, dos porciones de materia (agua y aire) no pueden ocupar un sitioigual al mismo tiempo ya que para llenar el vaso con agua, antes tuviste que eliminar elaire, tal como sucede con una jeringa, primero le sacamos el aire para poderla llenardespués con alguna otra sustancia.

2.1.1 ESTADOS DE AGREGACIÓN MOLECULAR DE LA MATERIA

En el experimento anterior has tenido contacto con la materia en tres estados físicos:sólido (vaso, recipiente), líquido (agua) y gaseoso (aire).

Ahora bien, aunque a nuestros sentidos la materia se presenta como continua, enrealidad es discontinua; es decir, está compuesta por pequeñísimas partículas; enalguna materia están muy juntas y en otra muy separadas. En parte, esto se debe a laexistencia de diferentes estados físicos de la materia.

Los sólidos, por ejemplo, tienen las partículas muy cerca unas de otras, de ahí su rigidezy su dificultad para comprimirlos; en los líquidos las partículas también están cerca, perono tanto, por ello no tienen forma rígida o definida y se acomodan en el recipiente quelos contiene (el agua en un vaso o cuando ésta se derrame en el suelo). El gas seencuentra en un estado de agregación molecular de la materia en donde las partículasestán mas alejadas, y por ello, éstas no se acomodan en ningún espacio, sino queocupan todo el que pueden. Por eso cuando hay una fuga de gas doméstico, laspartículas se esparcen y podemos detectarlo con el olfato, aunque estemos lejos de lafuga.

57

Figura 4. Estados físicos de la materi

En el momento que se abre un recipiente con gas, éste escapa hacia el espacio que sele ofrece; lo alejado de sus partículas hace que el gas sea el único de los tres estados deagregación molecular que puede comprimirse.

La distancia que se presenta entre las partículas, depende de las fuerzas de atracciónentre ellas, las cuales cambian de acuerdo con la presión o la temperatura, es por elloque los estados de agregación molecular de la materia cambian, al variar estos dosfactores; como por ejemplo basta observar lo que sucede al calentar o enfriar el agua.

Tabla 1. Propiedades de los distintos estados de agregación molecular de la materia.

Estado Forma Volumen Partículas Ejemplos

Sólido Definida Definido Muy juntas, conmovimiento casi nulo.

Aluminio, oro, sal,acero, etcétera,

Líquido Del recipienteque lacontiene

Definido Cercanas y conmayor movimiento.

Alcohol, gasolina,miel, agua, etcétera.

Gas Indefinida Indefinido Separadas eindependientes ymuy móviles.

Aire, dióxido decarbono, helioetcétera.

Sólido Líquido Gaseoso

58

2.1.2 COMPOSICIÓN

Antes habíamos mencionado que la materia aparecía en nuestros sentidos comocontinua, aunque, en realidad está formada de partículas; de igual modo, debemosseñalar que no toda materia es homogénea, sino que la hay también heterogénea.Decimos que algo es homogéneo cuando cada una de sus proporciones tiene lasmismas características y algo heterogéneo cuando sus partes tienen distintascualidades. Si tomamos azúcar y la disolvemos en agua, al examinar cada una de susporciones todas tienen las mismas características de olor, sabor, temperatura, densidad,etcétera. En cambio, si tomamos porciones distintas de una sopa de verduras cada unade ellas tendrá distinto sabor según la verdura que esté sobre la cuchara. En el primercaso nos referimos a una materia homogénea, en el segundo a una heterogénea.

Todo el material del que están hechas las cosas se forma de sustancias, que seencuentran generalmente mezcladas entre sí, y en muy pocas ocasiones aparecen enforma pura.

La materia puede presentar dos aspectos de acuerdo con su composición:mezclas y sustancias puras.¿Cómo podemos distinguir cuando se trata de una u otra?

En las mezclas siempre hay más de un componente y éstos pueden separarse pormedios físicos o mecánicos (calentando o filtrando, por ejemplo) sin que laspropiedades de sus componentes se alteren.

Las sustancias puras, a su vez, pueden ser elementales o compuestas, ya sea queestén formadas por un solo tipo de partículas como el oro (Au), el hidrógeno (H2) y elcarbono (C), llamados elementos o por varias sustancias esenciales como en el caso delagua (H2O), la sal (NaCI) y el azúcar común (C12H22O11), entre otros. Al descomponeruna sustancia pura -compuesto- se altera su estructura y en consecuencia cambian suspropiedades. Por ejemplo, el agua se descompone en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) alpasar a través de ella una corriente eléctrica, a este proceso se le conoce comoelectrólisis.

59

Anota en los renglones: si el objeto que se presenta corresponde a una mezcla o a unasustancia pura y en que estado de agregación molecular se encuentra.

1) Aire

2) Anillo de bodas6

3) Perfume

4) Cuarzo

_________________________

_________________________

_________________________

_________________________

_________________________

_________________________

_________________________

_________________________

2.1.3 PROPIEDADES

La materia, por tanto, está formada por sustancias, cada una de las cuales tiene suscaracterísticas propias que le dan su identidad y que las hacen diferentes una de otras.De este modo la materia se puede clasificar de acuerdo a las propiedades que presenta.Las cuales son:

Propiedades físicas son las características de las sustancias que pueden determinarsesin que se altere su estructura interna: las más comunes son color, sabor, olor, estadode agregación molecular, densidad, masa, punto de ebullición y volumen.

Propiedades químicas, en cambio, describen la capacidad que tiene una sustancia paracombinarse, es decir, para formar otras mediante reacciones químicas, por ello sólopuede determinase alterando su estructura interna.

Tomemos como ejemplo el cloro: físicamente es un gas 2.4 veces más pesado que elaire, es amarillo-verdoso y de olor desagradable; químicamente el cloro reacciona con elsodio para producir una sal (cloruro de sodio), en condiciones comunes al combinarsecon el oxígeno no es flamable, se usa como un desinfectante de agua al alterar elmetabolismo de las bacterias, las destruye.

6 Las joyas de “oro” normalmente cuentan con un tanto por ciento de cobre para poder ser manipulada. Por tanto es unamezcla.


MEZCLA/SUSTANCIA ESTADO DE AGREGACIÓN

60

Tabla 2. Algunas sustancias y sus propiedades físicas.

Sustancia Color Olor Sabor Estado Físicoa 25ºC y 1atm

Punto deEbullición

Punto deCongelación

Cloro amarillo-verdoso

sofocantey picante

picanteácido

gas -34.6 ºC -101.6 ºC

Agua incolora inodora insípida líquido 100.0 ºC 0.0 ºC

Azúcar blanca inodora dulce sólido descomponea 170-186ºC

_______

Ácido acético incoloro comovinagre

agrio líquido 118.0 ºC 5 ºC

Tomando en cuenta la información anterior y tus conocimientos anota en los rengloneslos datos que faltan.

Aluminio: El aluminio es un metal muy ligero que se funde a 660 ºC y esconsiderado como un buen conductor de electricidad, normalmente seencuentra en un estado de agregación molecular _______________,color ______________ y su densidad de alrededor de 2.6 g/mL.Este metal reacciona con el ácido sulfúrico diluido, logrando desprenderhidrógeno (H2).

AguaOxigenada:

Es una mezcla con un estado de agregaciónmolecular,__________________, la cual tiene una densidad 1.46 g/mL,mayor al agua normal. Su nombre se debe a que cuenta con unacantidad mayor de _____________________.

Cobre: Metal de color __________________, en su mayoría se conoce bajo elestado de agregación molecular _____________, además de que sepueden hacer aleaciones con metales como: ______________________y ________________.


61

En este momento ya conoces que:

Materia es todo aquello que se puede ver, oír, tocar, oler o saborear. Por tanto, existemateria en todo lo que te rodea (plásticos, vidrios, sal, azúcar, metales, etcétera) y estácompuesta por pequeñísimas partículas que se encuentran unas muy cerca de otrasdependiendo de las fuerzas de atracción entre ellas, las cuales cambian, de acuerdo,con la presión o temperatura y por ello los estados de agregación molecular de lamateria (sólido, líquido, gas) cambian al variar estos dos factores.

La materia está formada por partículas, cuando cada una de sus porciones tiene lasmismas características se dice que es homogénea, y heterogénea cuando sus partestienen distintas cualidades.

El material del que están hechas las cosas se forma de sustancias, que generalmente seencuentran mezcladas entre sí y en pocas ocasiones aparecen en forma pura. Por ellola materia puede presentarse en dos aspectos de acuerdo a su composición: mezcla ysustancias puras.

La materia se pude clasificar de acuerdo con las propiedades que presenta, éstas sonpropiedades físicas y propiedades químicas.

De esta manera, hoy podemos afirmar que la materia puede mezclarse, reaccionar ocambiar de estado, pero siempre seguirá conservando su masa; esto es parte delprincipio de conservación de la materia enunciado por Antoine L. Lavoisier (1743-1794).

La materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma

Este principio nos indica que en cualquier transformación, la materia está cambiando deforma o de estado, pero no puede desaparecer o surgir de la nada, ya que la materia eseterna e indestructible. Para que la materia cambie se requiere de la participación dealgún tipo de energía.


62

2.2 ENERGÍA

En el lenguaje que empleas a diario con frecuencia utilizas palabras que tienen unsignificado más profundo del que comúnmente le das; por ejemplo, a la luz la asociascon la energía eléctrica; la fuerza se relaciona con el esfuerzo físico, energía, velocidado potencia; otros ejemplos son la confusión entre velocidad y rapidez y el uso cotidianode términos como trabajo y energía. Pero hay que tener cuidado, ya que el vocabulariocientífico es mucho más riguroso.

El concepto de energía tiene una buena dosis de abstracción, y para que lo entiendashabrá que hacer generalizaciones que van más allá de las actividades de la vidacotidiana. La palabra energía se usa comúnmente en expresiones como: “se me acabóla energía”, “come, para que tengas energía”, “se detuvo porque se le acabó la energía”,en estos casos el concepto se utiliza como si existiera “algo” que mantiene enmovimiento a las cosas.

La energía está presente en todo lo que ocurre, desde el proceso de pensar y leer estaslíneas, lo que ocurre en los seres vivos; los cambios físicos y hasta los procesosestelares, se deben a la intervención de la energía.

El nivel de utilización de la energía por el hombre a través de su historia tiene relacióncon la civilización, ya que en el desarrollo de la industria, la agricultura y las actividadescomerciales interviene una gran cantidad de ella; por ejemplo, los hombres primitivos,cuya actividad principal era la recolección de frutos, gastaban aproximadamente 1000kilocalorías diarias y en la actualidad el gasto de energía de cada persona en unasociedad de consumo rebasa las 2 500 kilocalorías diarias; en la actividad comercial, eldescubrimiento de diversas formas de energía ha evolucionado desde el empleo deanimales, como una manera de desplazar mercancías, hasta el de combustiblesespeciales para el transporte aéreo.

No es posible encerrar en una sola frase el significado del término energía, por lo queiniciaremos por conocer sus diferentes manifestaciones, refiriéndolas siempre a suutilización.

Si queremos cambiar de posición algún objeto, necesitamos jalarlo o empujarlo ya seapor medio de nuestros músculos o de un artefacto como una grúa o remolque. Estosjalones o empujones son manifestaciones de energía llamadas fuerzas.

Figura 5. La fuerza como manifestación de energía.

63

Si aplicas una fuerza sobre un cuerpo que está en reposo, éste se desplaza una ciertadistancia, en la misma dirección y sentido que la fuerza aplicada, es decir, el cuerpo semueve desde el reposo con una velocidad y el movimiento que se produce hace que elcuerpo gane energía a la que se le conoce como energía cinética o de movimiento.

Figura 6. Aplicaciones de la energía cinética y potencial

Como puedes observar en el dibujo, la grúa levanta una pesa sobre el pilote, para luegosoltarlo y hacer que éste se entierre. Es evidente que mientras más altura adquiera lapesa caerá con mayor fuerza sobre el pilote. La energía que se genera al soltar la pesaes la energía cinética de la que habíamos hablado, mientras que la energía que adquierela pesa al ser levantada a una cierta altura (h) se llama energía potencial, y se definecomo la energía almacenada en un cuerpo por la posición que tiene respecto a otro quese toma como referencia. En nuestro ejemplo nos remitimos a la pesa y a la tierra; así,mientras más altura alcance la pesa mayor energía potencial almacenará.

Ya conociste los diferentes tipos de energía, después de observar eldibujo puedes contestar lo siguiente: ¿Qué clases de energíaintervienen para enterrar los pilotes de una construcción.

Antes de continuar debemos tener presente que en el Universo existe una ciertacantidad de energía, la cual se manifiesta de diferentes formas y siempre es constante.Esta energía al participar en los cambios de la materia, se transforma de un tipo a otro,pero la suma total de todas ellas no cambia. A ésto se le conoce como la ley de laconservación de la energía que establece que al igual que la materia:

La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma

Ahora bien, cuando describimos la materia, se explicó que está formada por partículasen continuo movimiento. Este movimiento de partículas produce en los cuerpos unaenergía interna que es la suma de las energías cinética (de movimiento) y potencial (deposición) de sus partículas y que se conoce como energía térmica. Esta energíaaumenta al calentar la materia y disminuye al enfriarla.

64

Cuando dos objetos de diferente energía térmica se ponen en contacto, se transfiereenergía de uno a otro; por ejemplo, supongamos que se vacía una cubeta de carbóncaliente en un recipiente con agua, el carbón transferirá energía térmica al agua hastaque los materiales tengan la misma temperatura; a ésto se llama equilibrio térmico.Después de un tiempo cuando se toca el carbón y el agua, ambos producen la mismasensación de caliente o de frío y ya no hay más transferencia de energía térmica entreellos.

Este intercambio de energía térmica se denomina temperatura, la cual indica que dosobjetos están en equilibrio térmico. La energía térmica está asociada a la cantidad departículas y a su movimiento; debido a que este movimiento es muy difícil de determinar,no es posible medir dicha energía directamente; sin embargo, si podemos establecer elequilibrio térmico que alcanzan dos cuerpos. Así, cuando ponemos en contacto untermómetro con otro cuerpo y permitimos que alcancen el equilibrio térmico, latemperatura del termómetro corresponde a la temperatura del objeto, de esta formamedimos indirectamente la energía térmica.

La diferencia entre los conceptos de energía térmica y temperatura se pueden ilustrarcon el siguiente ejemplo: si mezclas el agua de una jarra a 85 grados centígrados con elagua de un vaso a la misma temperatura, no habrá transferencia de energía, a pesar deque la energía térmica es mucho mayor en la jarra ya que contiene más partículas.Recuerda que la energía térmica representa la suma de las energías cinéticas ypotencial de todas las partículas.

Otro ejemplo, en el que puedes identificar la diferencia entre energía térmica ytemperatura, son las siguientes ilustraciones.

¿Qué ocurriría si se vacía el agua de cada uno de los recipientes sobre cantidadesiguales de hielo por separado?.

Figura 7. Diferenciación entre temperatura y energía térmica.

Observarás que el agua de la jarra funde mayor cantidad de hielo que el agua del vaso,lo cual indica que el agua de la jarra tenía mayor energía térmica.

HieloHielo HieloLa mayor masa contiene mayor energía térmica

Agua

Misma temperatura inicial

85°C 85°C

65

La energía que transita de un cuerpo de alta temperatura a otro de baja temperatura sedefine como calor, es decir, el calor es el intercambio de energía térmica entre uncuerpo que la pierde y otro que la gana. Las unidades utilizadas para medirlo son lacaloría (cal) y la kilocaloría (kcal).

¿Qué es una caloría?. Para establecer esta unidad se tomó como referencia el agua, detal modo que una caloría (1 cal = 4.184 joules) es la cantidad de energía térmicanecesaria para elevar en un grado centígrado (de 14.5 ºC a 15.5 ºC) la temperatura deun gramo de agua. En ocasiones se usa el múltiplo kilocaloría que equivale a 1000calorías.

Si quemamos un papel o un trozo de madera obtenemos energía en forma de calor; estaenergía estaba, de alguna manera, almacenada en los materiales; este ejemplo nosmuestra otra forma de energía; la energía química que es la que se encuentraalmacenada en las sustancias y que determina la facilidad con la que éstas efectúan uncambio químico.

La energía química almacenada puede liberarse mediante una reacción o cambioquímico. En esta forma, muchas sustancias actúan como fuentes o almacenamiento deenergía que se emplea cuando se requiere, por ejemplo, la energía almacenada en lasplantas es utilizada por los animales y el hombre al alimentarse para obtener la energíanecesaria y sus actividades.

En las modificaciones que experimenta la materia se puede absorber o liberar energíaque se presenta en diversas formas, ya sea eléctrica, luminosa o calor. Toda la energíaque necesitamos para los procesos vitales se produce por los cambios ocurridos en lamateria; en sentido inverso, la energía causa cambios en la materia. En nuestra vidaalgunos de los aparatos que usamos funcionan mediante la interconversión entre laenergía eléctrica y la química. Por ejemplo, la energía química se transforma eneléctrica en las diferentes pilas o acumuladores al reaccionar las sustancias quecontienen, provocando una corriente eléctrica que se aprovecha en aparatoselectrodomésticos y en los automóviles.

En otros casos, la energía eléctrica se transforma en energía química, como porejemplo en la electrólisis, que es un proceso en el cual una sustancia se descomponepor la acción de la energía eléctrica.

La electrólisis desempeña un papel importante en la industria química; muchos metalescomo sodio (Na), magnesio (Mg) o el aluminio (Al) se obtiene de esta manera, de igualmanera se producen el cloro (Cl2) o el agua oxigenada (H2O2). También se emplea esteprocedimiento para recubrir objetos sólidos de una capa delgada de metal con finesdecorativos o de protección, como el chapeado de oro, el cromado, el niquelado,etcétera.

66

2.2.1 OTRAS FORMAS DE ENERGÍA

Desde el inicio de la civilización, el hombre ha utilizado la energía para su beneficio.Inicialmente, su única fuente de energía era el Sol. Posteriormente se usó la maderapara la calefacción y los animales (que se alimentaban de vegetales) para el transporte;es decir, se aprovechaba de cierta manera la energía solar absorbida por las plantas enla fotosíntesis.

Los chinos empleaban el carbón hace 2000 años, los griegos lo utilizaban especialmenteen la fundición del bronce y en Europa desde el siglo XII se conoce el carbón mineral(coque) aplicado en la herrería y la fundición. Con este combustible se hizo funcionar laprimera máquina de vapor y antes se usaron el molino de viento y la rueda de agua.

Los primeros usos que se dieron al petróleo fueron para el alumbrado, el asfalto y losmateriales de construcción; se sabe que los mayas utilizaban el chapopote para estosfines, y en la India se empleaba gas natural como combustible.

El petróleo, como energético, cobró importancia en 1859, y con ello el desarrollo de losmotores de combustión interna que son la base del automóvil y del aeroplano. Por otraparte, la primera estación de energía eléctrica se construyó en 1882, y el desarrollo de laenergía nuclear y sus impresionantes aplicaciones se inició en 1938.

Así, desde el fuego hasta la energía nuclear, la humanidad ha ido haciendo suyas lasfuentes de energía y esto ha permitido su extraordinario desarrollo tecnológico; sinembargo, el empleo desordenado de estas fuentes ha traído como consecuenciagrandes problemas socioeconómicos, políticos y ecológicos. En la crisis de energéticos(1972-1974) se tomó conciencia por primera vez que el petróleo sería escaso y costosoa fines del siglo XX y esto obligó a buscar otras opciones de energéticos, entre ellas, lafuente original: la Energía Solar.

Energía Solar

El Sol es nuestra principal fuente de energía, el cual llega a la Tierra en forma de luz ycalor. La cantidad de energía que recibimos del astro es tal que con una sola parte deella podríamos satisfacer todas las necesidades energéticas de nuestro planeta.Entonces ¿cuál es la razón por la que se ha tenido que recurrir a otras fuentes deenergía?

El Sol es una fuente continua de energía, pero la luz que llega a la tierra depende de lascondiciones climatológicas, además de que se interrumpe durante la noche, por lo quees necesario resolver el problema de cómo captarla y poder convertirla en otras formasde energía a utilizarse o almacenarse.

En la actualidad ya se obtiene energía eléctrica a partir del Sol. Existe un método en elcual se emplean varios kilómetros cuadrados de terreno cubiertos de celdas quealmacenan la energía solar y la convierten en electricidad. A estas celdas se lesdenomina celdas fotovoltaicas.

67

Otra alternativa para concentrar la luz solar es la utilización de espejos o lentes. Para eluso doméstico, se puede acondicionar un sistema de recolección de energía solar en lostechos de las casas, para utilizarla en la calefacción.

Como se mencionó, otro de los problemas que el hombre está tratando de resolver es elalmacenamiento de la energía solar. Esto se ha podido hacer transformándola enenergía química, como es el caso del hidrógeno, cuyo proceso se muestra en elsiguiente esquema:

electrólisis

En primer lugar, la energía solar se transforma en energía eléctrica, y ésta se emplea enla electrólisis del agua, obteniéndose oxígeno e hidrógeno, el cual se puede almacenar ytransportar para ser utilizado como combustible.

Energía de hidrógeno

Quién haya leído La Isla Misteriosa de Julio Verne, recordará las palabras del capitánNemo, el personaje principal: “Si amigos, creo que el agua será un día empleada comocombustible, que sus constituyentes, hidrógeno y oxígeno, utilizados aislada osimultáneamente, proporcionarán una fuente inagotable de luz y calor”.

Lo que no era más que un sueño está en camino de convertirse en realidad, ya que elhidrógeno, obtenido del agua, constituirá en el siglo XXI una de las principales fuentesde energía.

A temperatura ambiente, el hidrógeno no reacciona con el oxígeno, pero a 600 ºCaproximadamente, la reacción es muy violenta y libera gran cantidad de energíaproduciendo agua, de acuerdo a la siguiente reacción 2H2 + O2 H2O. Esta energía sepuede utilizar como sustituto de gasolina u otros combustibles. El hidrógeno, entonces,es considerado como el combustible ideal, ofreciendo ventajas sobre otros con la únicadesventaja de necesitar de enormes depósitos para su almacenamiento.

Energíasolar

Energíaeléctrica

Almacenamiento dehidrógeno (H2)

2H2O O2 + 2H2

Transporte de hidrógeno

Combustibleindustrial

Combustiblecomercial

CombustibledomésticoCombustible paraautomóviles

2H2 + O2combustión

2H2O

Energía

68

Energía eólica

Calentadas por rayos solares (energía solar) las masas de aire se ponen en movimiento(más adelante, en este curso, conocerás la explicación del fenómeno) y producen lo queconocemos como vientos a partir de los cuales se obtiene la energía eólica. Nuestrosantepasados explotaron durante miles de años esta fuente de energía, por ejemplo, losegipcios, 3000 años antes de nuestra era, ya navegaban por el Nilo gracias a la acciónde los vientos y en el siglo VII existían molinos de vientos para moler grano.

Actualmente existen máquinas eólicas que captan energía del viento (como los molinosholandeses), independientemente de la dirección del mismo, y son utilizadas parabombear agua y producir electricidad.

Energía de las mareas

Otra forma de energía, que comienza a impactar en importantes proyectos, es la que seobtiene a partir de la fuerza de las mareas. En las llamadas centrales mareo-motrices,el desnivel de las mareas se utiliza de forma semejante al de las centrales hidroeléctrica,que generan electricidad a partir de la energía de una caída de agua.

Para captar la energía de las mareas debe construirse una presa en una bahía. Con lamarea (ascendente o descendente), el agua circula de la presa a la bahía y viceversa.La energía marítima se transforma en corriente eléctrica por medio de conjuntos turbina-alternador, capaces de funcionar en los dos sentidos de flujo. La potencia desarrolladadepende del volumen útil de la presa y el desnivel máximo entre ésta y la bahía.

Energía geotérmica

A medida que se penetra en el interior del planeta, la temperatura aumenta. Enpromedio aumenta 1ºC cada 33 metros. Esto varía de unas regiones a otras,dependiendo de numerosos factores, entre lo que sobresalen: la conductividad térmicade las rocas, el tipo de reacciones químicas que hay en la zona, la presencia y cantidadde sustancias radioactivas, y la proximidad de rocas eruptivas que pueden proveer calor.Este aumento en la temperatura es la manifestación de la energía geotérmica.

Las centrales geotérmicas, llamadas de alta energía explotan sistemáticamente lasfuentes de agua caliente y en ocasiones de agua hierviendo que expulsan chorros devapor a 240 °C. El vapor es recogido por canales y después es conducido bajo presión alas turbinas generadoras de electricidad.

69

Biogas

Hay una fuente de energía todavía más sorprendente: el estiércol, que está formado porrestos orgánicos vegetales y excrementos de animales, el cual se utiliza como abono ypuede tener aplicaciones insospechadas.

La fermentación del estiércol proporciona biogas (gas producido por procesosbiológicos), que es semejante al gas natural y tiene principalmente metano (CH4) ydióxido de carbono (CO2) el biogas es un combustible de buena calidad y de fácilobtención. Los excrementos de una vaca en un año permiten obtener aproximadamente500 m3 de gas, o sea el equivalente a 300 litros de gasolina.

Después de la producción de este gas, los residuos de la fermentación siguen siendoutilizables como fertilizantes. Desde el punto de vista de la ecología, el biogasrepresenta una fuente de energía especialmente interesante, ya que no es perjudicialpara el ambiente.

Identifica a que tipo de energía hacen referencia las siguientes afirmaciones:

En esta actividad deberás de anotar, en los renglones, a qué típo de energía hacenreferencia las siguientes afirmaciones:

La energía que se obtiene esa través de la luz y/o de calor: ____________________

Esta forma de energía seobtiene cuando alcanza los600ºC de temperatura, surelación es tal que puedesustituir diferentescombustibles: ____________________

Se produce a partir de ladescomposición de materiaorgánica: ____________________

Es un tipo de energía que seha aprovechado desde añosmuy remotos, ya que seobtiene a partir delmovimiento de las masas deaire:

____________________

Energía de los mares.Energía Eólica.Energía Geotérmica.Energía del Hidrógeno.Energía a partir de gas(Biogas).Energía Solar.

Tipos de Energía


70

Bien, ahora ya sabes que...

La energía está presente en todo lo que ocurre en los seres vivos; los cambios físicos yhasta los procesos estelares.

Así como la fuerza es una manifestación de energía, por tanto cuando un cuerpo semueve desde su estado de reposo con una velocidad, el movimiento que se producehace que el cuerpo gane energía cinética o de movimiento.

La energía térmica es el movimiento de partículas que produce en los cuerpos unaenergía interna que es la suma de las energías cinética (de movimiento) y potencial (deposición) de sus partículas.

La temperatura es un intercambio de energía térmica; la cual indica que dos objetosestán en equilibrio térmico. Y bien, el calor es el intercambio de energía térmica entre uncuerpo que la pierde y otra que la gana.


71

2.3 CAMBIOS DE LA MATERIA

Con anterioridad se expusieron diversas manifestaciones de la materia y de la energía,la forma en que están interrelacionadas, de tal manera que ahora es posiblecuestionarnos ¿cómo puede la energía provocar cambios sobre la materia? Paraexplicar esto utilizaremos como ejemplos fenómenos que ocurren a tu alrededor.

Siempre que una sustancia cambia, alguna forma de energía interviene. Así, decimosque un cambio es una conversión de la materia, de una a otra forma distinta, debido asu interacción con la energía.

Reflexiona sobre las siguientes preguntas:

¿Qué sucede con la gasolina para que se pueda poner en marcha unautomóvil?. ¿Por qué se oxidan los metales?. ¿Sucede algún cambiocuando se seca la pintura de alguna superficie?. ¿Por qué un chocolate sederrite en tus manos?. ¿A qué se debe el brillo del sol?. ¿Cómo enfría unrefrigerador?. ¿Por qué la carne cambia de color cuando la cocinamos?. ¿Aqué se debe que tu organismo se encuentre normalmente a 37ºC?. ¿Porqué el hielo funde en el agua?. ¿Por qué al hervir agua desprende vapor?.¿Cómo se produce energía eléctrica en una pila?. ¿De dónde obtienen lasplantas su energía?. ¿Por qué el aroma de un perfume se volatilizarápidamente?.

Las preguntas anteriores corresponden a algunos ejemplos de cambios que observamosmuy a menudo y que pocas veces analizamos; la lista puede parecer larga y, sinembargo éstos son ejemplos de que existe una interacción entre materia y energía paraproducir un cambio.

Las respuestas a estas preguntas las conocerás más adelante, pero es necesarioaclarar que un cambio puede manifestarse en diferentes formas, es decir, existendistintos tipos de cambios sobre la materia, a saber: FÍSICOS, QUÍMICOS YNUCLEARES.

2.3.1 CAMBIOS FÍSICOS

Un cambio físico no implica cambio en la composición de una sustancia sino solamenteen su estado de agregación o en su forma. Existe una buena cantidad de ejemplos enlos que se involucra solamente el cambio en el estado físico debido a la interacciónmateria-energía, algunos de los fenómenos que se incluyen en las preguntas anteriores,son ejemplos de cambios físicos, veamos por qué:

El chocolate se derrite en la mano, ya que el calor transmitido por ella es suficiente parasuperar la temperatura de fusión de muchos de sus componentes sólidos pasando alestado líquido, es decir, existe un cambio en el estado de agregación molecular, pero elchocolate sigue siendo chocolate.

72

El refrigerador tiene un motor (compresor), el cual convierte la energía eléctrica enenergía mecánica para comprimir al freón (gas) y que éste pase al estado líquido,posteriormente se expande y regresa al estado gaseoso; este ciclo de gas a líquido ylíquido a gas, se repite constantemente. Cuando se produce la expansión, el freónabsorbe la energía calorífica de los alimentos e incluso del aire que se encuentra en elinterior del refrigerador, registrándose un descenso en la temperatura. En este ejemplose observan dos cambios físicos: un cambio de estado de agregación -cuando el freónpasa de líquido a gas- y un cambio de temperatura -la transferencia de calor de losalimentos al freón-, pero ni la naturaleza del freón ni la de los alimentos cambió.

Si se aplica calor al hielo, éste se funde cambiando al estado líquido. Esto es lo queocurre cuando la temperatura ambiente es igual o superior a su temperatura de fusión.Algo similar sucede cuando aplicamos energía en forma de calor al agua, al llegaralrededor de los 100ºC se alcanza su temperatura de ebullición (hierve) pasando delestado líquido al gaseoso.

Al destapar un frasco de perfume, las sustancias aromáticas que contiene se esparcenpasando del estado líquido al gaseoso (evaporación); esto se debe a que absorbenenergía térmica del ambiente.

En los ejemplos citados se hizo alusión a cambios en la materia y, en todos los casos,alguna forma de energía fue la causante de los mismos.

Todos los cambios de estado son ejemplos de cambios físicos, ya que en ellos lamateria pasa de un estado de agregación a otro debido a una transferencia de energía,sin alterar su composición. En un mismo estado de agregación, también puede habercambios físicos, por ejemplo, el grafito y el diamante, son formas distintas de la mismasustancia sólida (Carbono, C) y que sólo difieren en la distribución y acomodo de suspartículas, por lo que se les llama formas alotrópicas. En este caso, el grafito podríaconvertirse en diamante si se somete a presiones muy grandes, para lo cual, serequeriría tal cantidad de energía que resulta más barato extraerlo de las minas, quetratar de producirlo de esta forma.

Cuando preparas una mezcla, como por ejemplo, una limonada o pasta para pastel,estás realizando un cambio físico, ya que la estructura de las sustancias que combinasno cambia aunque las propiedades de la mezcla son diferentes a las que tenían cadauna de las sustancias originalmente.

73

Describe con tus palabras en qué consiste un cambio físico._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.3.2 CAMBIOS QUÍMICOS

En un cambio químico, las sustancias se transforman en otras distintas debido a que sealtera su estructura interna al interactuar con la energía; esto es lo que se conoce comoreacción química. Por ejemplo un automóvil funciona porque en su motor estásucediendo una reacción de combustión de la gasolina y debido a ello se liberanproductos como monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua(H2O), transformándose así la energía química del combustible en energía mecánica, lacual provoca el desplazamiento del automóvil. Sin embargo, no podemos introducir losproductos de la combustión al motor para producir gasolina a partir de éstos. Este es uncambio químico irreversible ya que ocurre en una sola dirección.

Existen otros cambios que pueden ocurrir en dos direcciones; por ejemplo, el hierro (Fe)se oxida normalmente con el oxígeno (O2) del aire, produciéndose un óxido yliberándose energía (la cual es imperceptible, ya que la reacción es muy lenta), pero sise controlan adecuadamente las condiciones del cambio, se puede obtener el metal apartir de sus óxidos. A este tipo de cambios químicos se le conoce como reversible.

Otro ejemplo de cambio químico tiene lugar cuando cocinamos carne; el cambio de colorobedece a una serie de complejas reacciones químicas de oxidación que, además,producen el color, aroma y sabor tan característicos de la carne. Los cambios químicosrelacionados con el cocimiento de los alimentos son irreversibles.

En los seres vivos, cada proceso está relacionado con cambios químicos, de los cualesse obtiene la energía; por ejemplo, la respiración es un proceso en el cual los alimentosse utilizan de manera similar a la gasolina en un motor. En ella, a partir de la combustiónde los alimentos se obtiene dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y energía, la cual seutiliza para realizar sus funciones como construir nuevas moléculas, mantener latemperatura del cuerpo, desplazarse, etc. Las plantas además realizan el procesoinverso a la respiración tomando la energía solar para llevar a cabo la fotosíntesis, lacual consiste en la formación de carbohidratos (CH2O)n a partir del dióxido de carbonoy agua.

En una pila eléctrica o en un acumulador se encuentran sustancias que reaccionantransformando la energía química en energía eléctrica. Debido a esto, la estructura delas sustancias originales cambia cuando estas se acaban (se han convertido en otrassustancias), la pila o el acumulador dejan de suministrar energía eléctrica.


74

Explica como interactúan la materia y la energía en algún otro cambio químico quesucede a tu alrededor, mencionando si son reversibles o irreversibles:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

______________________________________________________________________.

Explica la diferencia que existe entre un cambio físico y un cambio químico:

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

2.3.3 CAMBIOS NUCLEARES

Un cambio nuclear consiste en la modificación del número de partículas (protones yneutrones) de los núcleos que forman los átomos de los elementos químicos. Cuandose presenta un cambio de este tipo, existen grandes cantidades de energía asociadas aél, debido a que son muy grandes las fuerzas que mantienen unidas las partículas en losnúcleos.

La radiactividad es el resultado de un cambio nuclear. Todos los núcleos de loselementos químicos tienen una estructura específica y generalmente estable cuando esigual el número de protones (partículas con carga positiva) y neutrones (partículas sincarga), pero a medida que se incrementa el tamaño y peso del núcleo, se provoca unainestabilidad en él, debido a las fuerzas de repulsión de los protones, lo que da origen ala radiactividad. Ésta se presenta de tres maneras, como emisión de partículas alfa ( ),beta ( ) y emisión de radiaciones gama ( ).

La radiactividad puede utilizarse para establecer la edad de fósiles o restosarqueológicos, ya que existen detectores sumamente sensibles que pueden medir loscambios nucleares presentados en la estructura original de los objetos. La medicinanuclear utiliza compuestos radiactivos como marcadores con propósitos de diagnóstico opara el tratamiento de enfermedades.


75

Además de la radiactividad, existen otros tipos de cambios nucleares: la fisión y la fusiónnuclear. La fisión consiste en la separación o rompimiento de un núcleo pesado paraformar dos núcleos más ligeros. La fusión nuclear es el proceso inverso ya queconsiste en obtener un núcleo más pesado a partir de la unión de dos ligeros. En amboscasos, para iniciar el proceso se requiere gran cantidad de energía, pero la cantidad deenergía que se libera es mucho mayor.

En los reactores nucleares se aprovecha la fisión para producir energía eléctrica en granescala. Las bombas atómicas como las que se hicieron estallar en 1945 en Japón, sonejemplos en los que la fisión nuclear se utilizó con fines destructivos.

Un ejemplo de fusión nuclear que ocurre continuamente a nuestro alrededor es el queproduce la energía solar.

Muchos de los grandes sabios, sobre todo del siglo pasado, murieron con la frustraciónde no poder explicarse qué pasa en el Sol.

Es fácil entender que la cantidad de energía que la Tierra recibe del Sol en forma de luzy calor es inmensa, capaz de conservar la temperatura suficiente para la vida. Sinembargo, la energía que sale de la esfera solar se dispersa hacia todos lados, de modoque la Tierra capta una mínima parte respecto de la cantidad total producida.

Si bien el Sol es mucho más grande que la Tierra, este gasto de energía lo hubieraconsumido por completo si su combustible fuera del tipo que usamos en nuestro planeta.Durante un tiempo se pensó que estaría formado simplemente por un combustibledesconocido en la Tierra; sin embargo, la espectroscopía mostró que el Sol estáformado preferentemente por hidrógeno, un elemento muy abundante en el planeta.

¿Qué clase de cambio ocurre en el hidrógeno para que se genere tanta energía?

La respuesta está en un cambio que sucede a nivel nuclear: Aun cuando las reaccionesen el Sol son muy complejas, la más importante de ellas se debe a la fusión nuclear.

En las condiciones generadas por la inmensa fuerza gravitacional debida a la masa delSol. Y la altísima temperatura en su interior, los núcleos de hidrógeno se juntan paraformar núcleos de helio (He); parte de la masa de los núcleos de hidrógeno se convierteen energía, siendo ésta la fuente de la energía que emite el Sol. El hidrógeno que aúntiene el astro, a pesar de que ha brillado por cinco mil millones de años, le serásuficiente para seguir emitiendo energía al menos por otro periodo semejante.

Los cambios nucleares ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo de manera natural,sin que nos percatemos, y son hasta cierto punto inofensivos. La ciencia ha aprendido aproducir estos cambios artificialmente, creando plantas nucleares, con la finalidad deresolver el problema de los energéticos; sin embargo, se requiere establecer numerosasmedidas de seguridad ya que un accidente en su funcionamiento puede traerconsecuencias desastrosas para la humanidad, como ha ocurrido en algunos países.

Algo importante que debes observar es que en el caso de los cambios nucleares, lasleyes de conservación, tanto de la materia como de la energía, se reúnen por laposibilidad de transformar una en otra.

76

En 1905 Albert Einstein (1879-1955), uno de los científicos más sobresalientes de lahistoria de la humanidad, expresó una teoría sorprendente para su época, la cual afirmaque en realidad la materia y la energía son dos formas diferentes de lo mismo y sepueden transformar entre sí. Lo anterior se representa en la siguiente fórmula, cuyabelleza consiste en su sencillez y profundidad:

Para determinar la cantidad de energía que se produce en una reacción nuclear, seaplica la ecuación anterior, que significa que la energía (E) producida a partir de unaporción de materia es igual a su masa (m), multiplicada por el cuadrado de la velocidadde la luz (c). Así por ejemplo, 1 g de uranio produce tanta energía como las queproduciría 2,600,000 kg de carbón al quemarse. Una pequeñísima cantidad de materiase convierte en cantidades enormes de energía; esto es lo que ocurre en el Sol. Así esexplicable que se diga que la materia es energía concentrada.

Traduciendo lo anterior a lo que se conoce como la Ley de la Conservación de laMateria y la Energía se llega al siguiente enunciado: “La cantidad total de materia yenergía del universo no aumenta ni disminuye (no se crea ni se destruye); no obstante,la materia y la energía pueden transformarse entre sí”.

1. A continuación te presentamos un cuadro en el cual deberás indicar a qué tipo decambio (Físico, Químico o Nuclear) corresponden los fenómenos y/o actividades queestán en la primer columna, para ello puedes emplear una “X”.

Fenómeno y/o Actividad Cambio Físico CambioQuímico

CambioNuclear

1. La explosión en Hiroshima2. La fusión del hielo3. La energía del sol4. La corrosión de un clavo5. Freír huevos6. Hervir agua7. Pila eléctrica8. Hornear un pastel9. Prender un fósforo10.Combinación de agua

con azúcar

E = mc2


77

Desde que el hombre comenzó a notar que a su alrededor ocurrían cambios, intentó dealguna manera controlarlos. Así, al dominar el fuego se anotó el primer acierto respectoal control de los cambios. Más adelante aprendió a fabricar herramientas rudimentarias ycon el tiempo a extraer metales. En la Edad Media los alquimistas intentaban fabricarfórmulas mágicas para obtener juventud eterna o pretendían transformar tierra o carbónen metales o piedras preciosas. En realidad todos estos intentos no fueron otra cosamás que tratar de controlar los cambios.

Fue hasta finales del siglo XVIII cuando Antoine L. Lavoisier y algunos de suscontemporáneos comenzaron a realizar estudios sistemáticos sobre la forma en que severificaban los cambios, dando a la Química un carácter de ciencia experimental alintroducir en ella la cuantificación.

La Química tiene como propósito controlar y cuantificar los cambios. La aplicación delos conocimientos químicos impulsa el desarrollo de la tecnología y constituye gran partedel poder económico de un país. Para darte cuenta de la importancia de la química enla vida cotidiana, no hay más que dar un vistazo a todos los procesos donde esta cienciatiene un papel importante a nivel económico, político y social, por ejemplo:

La industria del petróleo es fundamentalmente química, ya que después de la extracciónse lleva a cabo los procesos de refinación y transformación en una gran cantidad desubproductos útiles para la vida cotidiana como son los plásticos, los aceites, lagasolina, el gas, etcétera.

La industria química produce reactivos y una gran cantidad de productos necesariospara el desarrollo de otras industrias, tales como: ácidos, bases, sales, fertilizantes,detergentes, etcétera.

La industria alimentaria utiliza aditivos, colorantes, saborizantes, etc., en elprocesamiento de los alimentos.

La industria farmaceútica produce medicamentos y otros muchos productos necesariospara el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.

La industria metalúrgica produce metales y aleaciones de alta pureza, gracias altratamiento químico de los minerales extraídos de las minas.

Los anteriores son sólo algunos ejemplos de la importancia de los cambios químicos yéstos de alguna manera representan el índice de desarrollo de un país, ya queactualmente nuestra forma de vida depende en gran parte de la fabricación de estosproductos y muchos más.


78

”CAMBIOS FÍSICOS Y QUÍMICOS” (OBLIGATORIA)

Objetivo

Identificar el objeto de estudio de la Química, mediante problemas que resalten lasmanifestaciones de la materia, la energía y su interacción en los cambios, para quepuedas organizar los conocimientos que adquirirás sobre la disciplina y las relacionescon tu entorno.


1. ¿Qué le sucede al agua cuando se calienta?

2. Describe las principales características de un sólido, de un líquido y de un gas.

3. ¿Cuál es la diferencia básica entre calor y temperatura?

4. Escribe cinco ejemplos de cambios físicos y cinco de cambios químicos.

5. Escribe tres ejemplos de mezclas homogéneas y tres de mezclas heterogéneas.

Experimento I

En este experimento podrás observar la interacción de la materia con la energía en laproducción de energía calorífica a partir de la energía química.

¿Qué necesitas?

☞ 1 tela de alambre con asbesto☞ 1 vaso de precipitados de 100 mL☞ Papel de estraza☞ 1 tripié☞ 1 vidrio de reloj☞ 1 agitador de vidrio de 90 mm de diámetro☞ Acido sulfúrico (H2SO4)☞ Etanol u otras sustancias inflamables (CH3-CH2OH)☞ Permanganato de potasio (KMnO4)


79

Procedimiento:

Agregar 2 gotas de Etanol sobre el papel de estraza, el permanganato de potasiodepositado en vidrio de reloj y el Ácido Sulfúrico en el vaso de precipitados, moja elagitador de vidrio en el Ácido Sulfúrico y después imprégnalo con el Permanganato dePotasio y colócalo sobre el papel de estraza que está mojado con el Etanol. Por últimoobserva lo que ocurre, si es necesario repite varias veces esta acción, tal y comomuestra la figura siguiente.

Figura 8. Interacción de la materia con la energía en la producción de energía calorífica.

Nota: Hay que tener mucho cuidado con este experimento, ya que al realizarlo seproducen sustancias tóxicas y peligrosas.

¿Qué pasará al poner en contacto las diferentes sustancias?.

¿Qué pasará al poner en contacto del ácido sulfúrico y el permanganato de potasio conel papel impregnado de etanol?.

Hipótesis:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

Registro de observaciones:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

80

Experimento II

En este experimento podrás observar los cambios de la materia al interactuar con laenergía calorífica.

¿Qué necesitas?

☞ Una lámina de cobre (Cu)☞ 0.5 g de yodo (cristales) (l2)☞ 0.5 sulfato de cobre (ll) pentahidratado

(CuSO4 5H20)☞ 0.5 cloruro de cobalto (II) hidratado

(CoCl2 H2O)☞ 5 cm magnesio (cinta) (Mg)☞ 0.5 g azufre (polvo) (S)☞ 0.5 g óxido de zinc (ZnO)☞ 0.5 cloruro de potasio (K Cl)

☞ 2 mL etanol (CH3CH2OH)☞ 2 mL agua (H2O)☞ 0.5 g azúcar☞ 0.5 g hojas secas (árbol)☞ Espátula de acero inoxidable o de

porcelana☞ 10 tubos de ensaye de 16 x 15 mm.☞ Pinzas para tubo de ensaye☞ Mechero Bunsen☞ Pinzas para crisol

Procedimiento

Numera nueve tubos colocando en cada uno la sustancia que se indica en tablasiguiente y calienta tal y como se muestra en la figura.

Figura. 9 Interacción de la materia con la energía calorífi

¿Qué crees que pase si calientas cada una de las sustancias?.

81

Hipótesis:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

Registro de observaciones.

TUBO SUSTANCIA FÓRMULA OBSERVACIONES CAMBIO

1 Yodo

2 Sulfato de cobre

3 Cloruro de cobalto

4 Azufre

5 Óxido de Zinc

6 Cloruro de Potasio

7 Etanol

8 Agua

9 Azúcar

Las sustancias que se calientan a fuego directo o en la flama son:

SUSTANCIA FÓRMULA OBSERVACIONES CAMBIO

Lámina de cobre

Cinta de Magnesio

Hojas secas (árbol)

82

Experimento III

En este experimento podrás observar la acción de algunas sustancias en la cocción deverduras.

¿Qué necesitas?

☞ 3 vasos de precipitados de 100 mL☞ 1 tripié☞ 1 mechero Bunsen☞ 1 tela de alambre con asbesto☞ 1 espátula de acero☞ 1 probeta graduada de 25 mL

☞ 1 probeta graduada de 100 mL☞ 1 calabacita mediana cruda☞ 5 mL vinagre de alcohol☞ 1.0 g bicarbonato de sodio (Na HCO3)☞ Agua (H2O)

Procedimiento

Numerar tres vasos de precipitados colocando en cada uno 50 mL de agua, al vaso No.2 añadir 5 mL de vinagre, al vaso No. 3 1.0 g de bicarbonato de sodio, agregando acada uno un trozo de calabacita del mismo tamaño, calentar hasta cocción (cuando seablande la calabacita).

Figura 10. Sustancias en la cocción de verduras.

Si colocas tres pedazos iguales de calabacita en tres vasos de precipitado diferentes conel mismo volumen de líquido y calientas, ¿qué crees que pase?.

83

Hipótesis:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

Registro de observaciones:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

84

"MATERIA, ENERGÍA Y CAMBIOS"

Objetivo

Identificar el objeto de estudio de la Química, mediante experimentos donde se vean; lamateria, la energía y sus cambios, para que puedas establecer su interacción.

Cuestionario de conceptos antecedentes

1. ¿Qué le sucede al agua cuando se calienta? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Describe las principales características de un sólido, de un líquido y de un gas._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. ¿Cuál es la diferencia básica entre calor y temperatura?_____________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Escribe cinco ejemplos de cambios físicos y cinco de cambios químicos._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Escribe tres ejemplos de mezclas homogéneas_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


85

Experimento l

Objetivo

Observar la interacción de la materia con la energía en la producción de energíacalorífica a partir de la energía química.

Hipótesis

Considera la siguiente pregunta para elaborar tu hipótesis.

¿Qué supones que pase al contacto de la glicerina y el permanganato de potasio con elpapel?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Materiales

☞ 1Tela de alambre con asbesto

☞ 1 Vaso de precipitados de 100 mL

☞ Papel de estraza

☞ 1 Tripié

☞ 1 Vidrio de reloj

Sustancias

☞ 5 gr de permanganato de potasio

☞ Glicerina

Prevención y seguridad.

Trabajar en área bien ventilada y teniendo la mayor distancia posible con la mesa detrabajo.

Permanganato de potasio: Sustancia muy oxidante que reacciona violentamente conglicerina causando combustión y gases tóxicos, evita el contacto con la piel y suinhalación. Si te cae en la piel o en los ojos lava inmediatamente al chorro de agua lazona afectada por 15 minutos para retirar la mayor cantidad posible y llama alresponsable del laboratorio.

Glicerina: Sustancia que reacciona violentamente con el permanganato de potasio.

86

¿Cómo hacerlo?

Coloca sobre el tripié, la tela de alambre con asbesto y encima de ésta, un papel deestraza.

Espolvorea 0.5 g de permanganato de potasio sobre el papel y con muchocuidado agrega 2 gotas de glicerina.

Espera 20 segundos y observa.

Precaución

Hay que tener mucho cuidado con este experimento manteniéndose a distancia de lamesa de trabajo, ya que al realizarlo se producen sustancias tóxicas y peligrosas con lasque no debes tener contacto.


¿Qué pasó al agregar la glicerina al permanganato de potasio?._______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________


Los residuos de la reacción colócalos en el bote de la basura para evitar lacontaminación del ambiente.

87

Experimento II

Objetivo

Observar los cambios de la materia al interactuar con la energía calorífica.

Hipótesis


¿Qué crees que pase si calientas cada una de las sustancias?.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Materiales

☞ 1 Espátula de acero inoxidable o deporcelana.

☞ 9 Tubos de ensayo de 16 x 15 mm☞ 1 Pinzas para tubo de ensayo☞ 1 Pipeta de 5 mL☞ 1 Mechero Bunsen☞ 1 Pinzas para crisol

Sustancias

☞ Una lámina de cobre (Cu)☞ 0.5 g de iodo☞ 0.5 g de sulfato de cobre☞ 0.5 g de cloruro de cobalto☞ 5 cm de cinta de magnesio☞ 0.5 g de azufre☞ 0.5 g óxido de zinc☞ 2 mL etanol☞ 2 mL de agua☞ 0.5 g de azúcar☞ 0.5 g de hojas secas


La indicada para el calentamiento con mechero y la que se requiere para calentar tubosde ensayo. Las reacciones se deben realizar en un lugar bien ventilado.

Iodo.- Sustancia tóxica, reacciona violentamente con etanol; sus vapores irritan los ojosy el sistema respiratorio y su ingestión causa graves daños.

Magnesio.- Sustancia inflamable, reacciona con ácidos fuertes generando hidrógeno quees inflamable.

Azufre.- Sustancia tóxica, al reaccionar con oxígeno produce gases tóxicos.

Etanol.- Líquido muy volátil e inflamable.

88

¿Cómo hacerlo?

Coloca por separado en los tubos de ensayo, cada una de las siguientes sustancias:iodo, sulfato de cobre, etanol, cloruro de cobalto, agua, óxido de zinc y las hojas secas.Calienta con cuidado en el mechero de Bunsen.

El azufre y el azúcar colócalos cada uno en una cucharilla de combustión y caliéntaloscon cuidado.

El cobre y el magnesio tómalos con las pinzas y caliéntalos directamente en el mechero.

Precaución

Al calentar el iodo, el magnesio y el azufre se producen gases tóxicos; no los inhales. Sisufres de algún accidente comunícalo al responsable del laboratorio.


Anota lo que observaste en cada muestra.

Muestra Observaciones1

2

3

4

5

6

7

8

9


Arroja los residuos de las reacciones al bote de la basura para evitar la contaminacióndel ambiente.

89

Experimento III

Objetivo

Observar la acción de algunas sustancias en la cocción de verduras.

Hipótesis

Considera la siguiente pregunta para tu hipótesis.

¿Qué crees que pase cuando calientes los vasos?.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Materiales

☞ 1 Espátula de acero inoxidable☞ 3 Vasos de precipitados☞ 1 Mechero Bunsen☞ 1 Tripié☞ 1 Tela de alambre con asbesto☞ 1 Probeta de 25 mL☞ 1 Probeta de 100 mL☞ 1 Pinzas para vaso

Sustancias

☞ 5 mL de vinagre☞ 1g Bicarbonato de sodio☞ Agua☞ 1 Calabacita mediana


La indicada para el calentamiento con mechero.

¿Cómo hacerlo?

Coloca en tres vasos de precipitados, un pedazo de calabacita. Al primero, agrégaleagua; al segundo, agua con vinagre y al tercero agua con bicarbonato de sodio.

Calienta los vasos durante 5 minutos y observa.

90

Agua con Agua y vinagre Agua y bicarbonato calabacitas con calabacitas con calabacitas

Figura 11


Anota lo que observaste en cada vaso, tomando en cuenta el color y el grado decocción.

Vaso 1 Vaso 2 Vaso 3


Al terminar el experimento, coloca todos los residuos de calabacita en el bote de labasura para evitar el taponamiento de las tarjas y la contaminación del ambiente.

91


1.- En el experimento I ¿cuál es la sustancia que provoca la combustión?. Explica turespuesta.____________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- Clasifica los cambios observados en las diferentes sustancias de acuerdo con elefecto del calentamiento (experimento 2)___________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.- ¿Qué acción tiene el bicarbonato de sodio en las calabacitas? y ¿Qué efecto tiene elvinagre?_____________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.- ¿Qué sucedería si los trozos de calabacita hubieran sido de diferente tamaño.?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

De acuerdo al cuestionario de reflexión y contrastando tus hipótesis con los resultados,elabora tus conclusiones.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

92

Ahora ya sabes que todo cambio es el resultado de la interacción entre la materia y laenergía, que ninguna materia puede cambiar, por sí misma, si no interviene la energía.

Conoces las diferentes manifestaciones de la materia, sus estados de agregación, cómose compone y cómo se caracteriza; por ello puedes explicarte que la materia cambie deestado o de propiedades, pero no desaparece ni se crea. A partir de la acción de lamateria se obtiene energía; ahora conoces los tipos de energía, cómo se obtiene ésta ycómo se utiliza en provecho del hombre.

Identificas que los cambios, tanto en la materia como en la misma energía, son productode la interacción entre ambas. Y que existen cambios que sólo ocurren en unadirección, es decir, que son irreversibles, mientras que hay otros que pueden hacerse enambas direcciones. Ahora sabes que el conocimiento de los cambios nos permiteaplicarlos en beneficio del hombre.

RECAPITULACIÓN

Objeto deestudio de la

Química

Manifestacionesde la materia

Estados deagregación

SólidoLíquidoGas

Composición

MezclasHomogéneas

Heterogéneas

Sustancias purasElementos

Compuestos

PropiedadesFísicas

Químicas

Manifestacionesde la energía

MecánicaTérmicaQuímicaEólicaMareomotrizGeotérmicaDel biogásSolarDel hidrógenoCinéticaPotencialEléctrica

Cambios

Físicos

Químicos

Nucleares

93

Con la intención de que incorpores lo aprendido en este capítulo y puedas relacionarlocon los fenómenos que están presentes en tu vida cotidiana, realiza lo siguiente:

1. Ahora que sabes que la materia existe en casi todo lo que te rodea, explica ¿porqué el aire es materia?.___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

2. Explica con tus propias palabras ¿qué es el calor?.___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

3. Describe el proceso por medio del cual se forman las nubes.___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

4. Explica lo que ocurre cuando dejas un vaso con hielo fuera del refrigerador.___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

5. Depende del estado de agregación que moje el agua. Fundamenta tu respuesta.___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________


94

6. Completa en el cuadro siguiente la información que se te pide.

TIPO DE ENERGÍA DESCRIPCIÓN

SOLAR

EÓLICA

GEOTÉRMICA

BIOGAS

7. Explica las semejanzas o diferencias entre energía cinética y energía potencial.

ENERGÍA SEMEJANZAS DIFERENCIAS

CINÉTICA

POTENCIAL

8. ¿Existen diferencias entre fisión y fusión nuclear?.

Sí________ No_________

Fundamenta tu respuesta.___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

9. Describe el proceso de cambio que sucede en la oxidación de un clavo.___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

95

Verifica tus respuestas a las Actividades Integrales que acabas de realizar:

1. El aire sí es materia, pues posee características tales como temperatura, masa,volumen; no tiene olor, ni en ocasiones color que puedan captar por los sentidos;sin embargo, su movimiento sí puede detectarse sensiblemente y es lo quellamamos viento.

2. El calor es la energía que transita de un cuerpo de alta temperatura a otro de bajatemperatura, es decir, es el intercambio térmico entre un cuerpo que pierde energíay otro que la gana.

3. La formación de las nubes está asociada al fenómeno de la evaporación, esdecir, cuando el agua se calienta, el vapor generado asciende a la atmósfera,donde, debido a las condiciones de presión y temperatura, se empieza a condensar.En este cambio físico interviene la energía en forma de calor.

4. Al calentar el hielo éste se funde, es decir, pasa de sólido a líquido; esto sucedeporque al aplicarle energía en forma de calor sus partículas se mueven provocandoel cambio de estado. Éste es un cambio físico.

5. Puede decirse que no. Si colocas un poco de hielo en tu mano notarás que pocotiempo después está mojada; esto debido a que la superficie del hielo estáderritiéndose por el calor de tu mano. Por otro lado, si colocas un trapo sobre elchorro de vapor que sale de una jarra, verás que tiempo después el trapo estáhúmedo; esto es porque el vapor de agua se enfría y se transforma en líquido. Portanto, el agua sólo moja en estado líquido, ya que es una de las propiedades deeste estado.

6. Para esta respuesta puedes considerar los ejemplos mencionados en el texto comotérmica, química, eléctrica, eólica, etcétera.

7. Se dice que la energía cinética es aquella que se genera cuando los cuerpos estánen movimiento y que la energía potencial está presente en toda la materia aun sinmovimiento (reposo). Recuerda que la energía potencial depende de su posición.

8. En la fisión, el núcleo de un átomo se separa formando dos, mientras que en lafusión dos núcleos se unen formando uno.

9. Es un cambio químico, ya que el oxígeno del ambiente reacciona con el hierro delclavo, alterándose tanto la estructura del hierro como la del oxígeno al formarse elóxido de hierro II (FeO).

AUTOEVALUACIÓN

97

PROPIEDADES DE LA MATERIAY SU MEDICIÓN

3.1 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

3.1.1 Unidades derivadas para las cantidades físicas comunes

3.2 EL MOL

3.2.1 Lo enorme del número de Avogadro

3.3 CUANTIFICACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LA MATERIA

C A P Í T U L O 3

99

Al analizar la materia y profundizar en ella, nos damos cuenta que tiene característicasmuy particulares, las cuales han sido clasificadas de manera cuantitativa y cualitativa. Apartir de estas propiedades podemos describir, con precisión, lo que consideramos comomateria, así que con el estudio de este capítulo:

APRENDERÁS ¿CÓMO LO LOGRARÁS? ¿PARA QUÉ TE VA ASERVIR?

1) Qué es el SistemaInternacional, así como susunidades fundamentales yderivados de éstas.

2) A utilizar las Unidades delSistema Internacional deUnidades.

1) Aplicando el SistemaInternacional deUnidades en diferentesproblemas.

2) Aplicando el número deAvogadro en cuanto alcálculo de moles y masaatómica o masamolecular.

Para clasificar y cuantificarlas propiedades de lamateria.De esta manera podrásrealizar comparacionesentre las características deuna materia y otra

P R O P Ó S I T O

101

CAPÍTULO 3. PROPIEDADES DE LA MATERIA Y SU MEDICIÓN

3.1 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

En nuestra vida cotidiana nos encontramos muchas veces ante la necesidad decuantificar magnitudes, metros de tela, litros de leche, kilogramos de tortilla, watts en unfoco, metros cuadrados de alfombra, etcétera. En cada caso se ha establecido unaunidad diferente para medir.

Desde siempre, el hombre ha establecido distintas formas de medir. Por ejemplo, en laantigua Escocia se determinó como unidad de medida la pulgada, que correspondía alancho de un dedo pulgar e incluso un rey llegó a definirla como el promedio del anchode tres pulgares: un gordo, uno mediano y uno delgado. Hoy una pulgada equivale a2.54 cm. Por otra parte, en Inglaterra la pulgada se definió en algunas ocasiones comola longitud de cuatro granos de cebada y como tres en otra. La unidad de longitudllamada pie estaba relacionada con el tamaño del pie de un hombre, pero en lugaresdiferentes esta unidad de medida equivalía a 10, 12, 13 e inclusive a 17 pulgadasmodernas. Luego se acordó su equivalencia con 30.5 cm.

Esta imprecisión y variedad de unidades generó la necesidad de unificar las medidas,ya que cada lugar tenía su propia forma de hacerlo.

¿Qué sucedía cuando había intercambios comerciales entre lugarescon diferentes unidades de medida?.

¿Cuál unidad era la que debería usarse?.

102

Bajo estas circunstancias fue necesario acordar un sistema único e internacional quepudiera unificar y agrupar unidades diferentes para magnitudes tales como: longitud,masa, tiempo, entre otras.

En Francia se originó el Sistema Métrico Decimal hacia 1780 y se extendió por Europa ylos demás continentes. En 1796 la Asamblea Nacional nombró una comisión con elpropósito de estudiar el problema de las unidades de medida, y se constituyó el primermetro patrón como unidad de longitud, mismo que actualmente se utiliza en todas lasnaciones.

El primer tratado internacional, la Convención del Metro, fue firmado por 17 países el 20de mayo de 1875. En nuestro país se estableció el Sistema Métrico Decimal comoobligatorio desde enero de 1886, época en que se llevó a cabo la Primera ConferenciaGeneral de Pesas y Medidas. Fue a partir de la decimocuarta reunión, en 1971, cuandose hizo oficial definitivamente el Sistema Internacional de Unidades, que define conprecisión las diferentes unidades de medida en todo el mundo.

Ahora bien, para que diferentes cantidades de una misma especie se distingan entre sí,es necesario “medirlas”, lo cual requiere definir primeramente un patrón preciso yreproducible que sirva de base, el cual se denomina unidad.

Para definir el concepto de “unidad” diremos que es una medida aceptadaconvencionalmente, misma que, por comparación, sirva para conocer el tamaño de otrasmagnitudes. Medir una magnitud es encontrar cuántas veces ésta contiene a la unidad.

El sistema MKS absoluto (Metro, Kilogramo, Segundo) se considera como la base delllamado Sistema Internacional de Unidades, conocido comúnmente por las siglas SIU oSI.

Dentro del SI existen dos tipos de unidades:

Unidades fundamentales, que son siete: Metro para longitud; kilogramo para masa;Segundo para tiempo; Ampere para intensidad eléctrica; Kelvin para temperatura;Candela para intensidad luminosa y; Mol para la cantidad de sustancia.

Unidades derivadas que se obtienen a partir de las fundamentales, como por ejemplo;metro cuadrado para área; metro cúbico para volumen; pascal para presión, entre otras.En los cuadros 1 y 2 se consideran dichas unidades.

103

Cuadro 1

Unidades Básicas del Sistema Internacional de Unidades

Magnitud Unidades básicas Símbolo

Longitud

Masa

Tiempo

Energía eléctrica

Temperatura

Intensidad luminosa

Cantidad de sustancia

metro

Kilogramo

segundo

ampere

Kelvin

candela

mol

m

Kg

s

A

°K

cd

mol

Magnitud Unidades Complementarias Símbolo

Ángulo plano

Ángulo sólido

radián

esterradián

rad

sr

A continuación se definen las unidades que emplearás en tu curso de Química.

Unidad de longitud: metro (m). Originalmente se estableció como la diezmillonésimaparte de la distancia del Polo Norte al Ecuador, la cual se grabó en una barra de platinoe iridio que se encuentra depositada en la Oficina de Pesas y Medidas de París.Actualmente se define como la distancia que recorre la luz en:

1

2. 997 925 x 109 seg

Unidad de masa: Kilogramo (Kg). Se puede definir como la masa de 1 dm3 (1L) deagua a 40C. El kilogramo patrón es una pieza metálica que se conserva en Francia.

Unidad de tiempo: segundo (s). Se considera como una ochenta y seis milcuatrocientosava parte (1/86400) del día solar medio y actualmente se mide con laduración de la radiación emitida por los átomos de cesio 133.

Unidad de temperatura: Kelvin (K); Corresponde a una doscientos setenta y tresavaparte (1/273) de la temperatura del punto en el que ocurren los tres estados físicos delagua (temperatura a la que el agua coexiste en estado sólido, líquido y gaseoso).

104

Unidad de cantidad de sustancia mol (mol). Se estableció de acuerdo con el númerode partículas contenidas en 12 gramos de carbono (6.023 x 1023). Este número seconoce como el número de Avogadro.

3.1.1 UNIDADES DERIVADAS PARA LAS CANTIDADES FÍSICAS COMUNES

Se pueden medir muchas cantidades como volumen, presión y velocidad, que soncombinaciones de dos o más unidades fundamentales. A éstas se les llamaderivadas y se expresan en unidades derivadas como se ejemplifica a continuación.

Cuadro 2

Unidades derivadas para las cantidades físicas comunes

Cantidad Unidad derivada Símbolo

Área

Volumen

Densidad de masa

Velocidad

Aceleración

Presión

metro cuadrado

metro cúbico

kilogramo por metro cúbico

metro por segundo

metro por segundo al cuadrado

pascal

m2

m3

Kg/m3

m/s

m/s2

Pa

Como podrás observar, a tu alrededor existen cuerpos cuyas magnitudes no esconveniente medirlas con las unidades fundamentales del SI, ya sea por ser muygrandes o muy pequeñas, como la longitud de una hormiga o la masa de la Tierra. Paraefectuar la medición de estas dimensiones es conveniente utilizar múltiplos ysubmúltiplos de las unidades fundamentales y derivadas:

105

Cuadro 3

MÚLTIPLOS SUBMÚLTIPLOS

1012 tera T

109 giga G

106 mega M

103 kilo K

102 hecto h

10 decada

1 unidad

10-1 deci d

10-2 centi c

10-3 mili m

10-6 micro

10-9 nano n

10-12 pico p

10-15 fempto f

10-18 atto a

A continuación se aplican los prefijos a las unidades de SI que se utilizan en Química.

a) Unidades de longitud. La unidad es el metro (m)

Múltiplos

1 Km = 1 000 m

1 hm = 100 m

1 dam = 10 m

Submúltiplos

1 m = 10 dm

1 m = 100 cm

1 m = 1 000 mm

Cualquiera de estas igualdades presentadas en forma de cociente recibe el nombre derazón unitaria. La cual puede ser expresada de cualquiera de las siguientes formas,dependiendo de lo que se quiera determinar una u otra de las unidades

1 K m1 000 m

ó 1 000 m1 Km

106

La anterior es una razón unitaria, pues su numerador y denominador son exactamenteiguales.

Ello nos permite realizar transformaciones de unidades. Por ejemplo, la altura h a laque se encuentra la Ciudad de México es de 2 240 metros sobre el nivel del mar. ¿Acuántos kilómetros corresponde?

h = 2 240 m 1 Km1000 m

= 2.24 Km

Al multiplicar por la Razón Unitaria se elimina la unidad del dato (metro = m) y aparece larespuesta con la unidad de la incógnita (kilómetro = Km).

b) Unidades de masa. La unidad es el kilogramo (Kg), y es el único en el que elnombre de la unidad fundamental del SI incluye un prefijo: kilo

El gramo se define como su milésima parte

1 g = 0.001 Kg. = 1 x 10-3 Kg.

Del gramo se derivan normalmente los múltiplos y submúltiplos usuales:

Unidad : 1 g

Múltiplos del gramo

1 Kg = 1 000 g

1 hg = 100 g

1 dag = 10 g

Submúltiplos del gramo

1 g = 10 dg

1 g = 100 cg

1 g = 1000 mg

Ejemplos de razones unitarias construidas a partir de estas igualdades son:

1000 g1 kg

1 000 mg1 g

107

Utilizando razones unitarias, se realizan las siguientes transformaciones:

-Para saber cuántos gramos hay en 12 kg de azúcar.

1000 g1 Kg

12 Kg = 12,000 g

-Podemos determinar cuántos gramos hay en una aspirina de 500 mg.

1 g1 000 mg

500 mg = 0.5 g

c) Unidades de tiempo. La unidad es el segundo (s)

Múltiplos

1 minuto = 60 segundos

1 hora = 60 minutos

1 día = 24 horas

Ejemplos de razón unitaria:

60 min1 h

Utilicemos razones unitarias y transformemos:

24 h en min.

60 min1 h

24 h = 1 440 min.

d) Unidades de temperatura. La unidad es el kelvin (°K). Cotidianamente latemperatura se expresa en grados centígrados o celsius. El grado celsius se establecióde acuerdo con la temperatura del agua:

0 0C = temperatura de congelación del agua100 0C = temperatura de ebullición del agua7

La temperatura más fría alcanzable es de -273 0C . De acuerdo con esto se establecióel cero absoluto kelvin, (-273 0C) para que todas las temperaturas se expresen ennúmeros positivos.

7 La temperatura de ebullición y congelación varían según la presión atmosférica. Respecto a las temperaturas de 0°C y 100°Ccorresponde al nivel del mar y/o a 1 atmósfera de presión, en tanto que a nivel de la ciudad de México (2,240m) el agua tieneuna temperatura de ebullición de 90°C.

108

Para transformar grados celsius a kelvin se aplica la siguiente fórmula:

T = t + 273 (T = temperatura en kelvin, t = temperatura en grados centígrados).

De este modo para convertir los grados centígrados a kelvin se suma al número degrados 273 y, a la inversa, para convertir kelvin a centígrados se resta 273. Latemperatura del cuerpo humano, por ejemplo, es de 37 0C, que equivale a 310 °K(37 + 273), y el punto de ebullición del agua sobre el nivel del mar es de 373 K, queequivale a 100 0C (373 - 273). En esta unidad del SI no se usan múltiplos nisubmúltiplos.

e) Unidades de superficie. La unidad es el metro cuadrado (m2). Para ilustrar cómo seestablece esta unidad examina el siguiente cuadro:

Cuadro 4

¿Cuántos cuadrados de 1 cm de lado puedes contar en este cuadro que mide 1 dm porlado? Recuerda que 1 dm = 10 cm .

Respuesta: ¡100!.

1 dm

1cm

1 cm

1 dm

109

Por ello 1 dm2 = 100 cm2. Podrías llegar a lo mismo si elevas al cuadrado la expresión1 dm = 10 cm.

¡Observa!

(1 dm)2 = (10 cm)2

12 dm2 = 102 cm2

Para elevar al cuadrado un producto se eleva cada uno de sus factores y como 12 = 1 y102 = 100, tenemos

1 dm2 = 100 cm2

Múltiplos

1 dam2 = 100 m2 = (10 m)2

1 hm2 = 10 000 m2 = (100 m)2

1 km2 = 1 000 000 m2 = ( 1000 m)2

Submúltiplos

1 dm2 = 0.01 m2 = (0.1 m)2

1 cm2 = 0.0001 m2 = (0.01 m)2

1 mm2 = 0.000 001 m2 = (0.001 m)2

Ejemplos de razones unitarias: 1 00 cm1 dm

2

2 ; 1 hm10 000 m

2

2

Utilizando razones unitarias, transformemos:

a) 250 dm2 en cm2

100 cm

1 dm

2

2 250 dm2 = 25 000 cm2

b) 63 500 m2 en hm2

1 hm10 000 m

2

2 63 500 m2 = 6.35 hm2

110

f) Unidades de volumen. La unidad es el metro cúbico (m3). Sin embargo, se usa máscomúnmente el dm3, también llamado litro.

1 dm3 = 1 L

Para ilustrar cómo se establece esta unidad examina el siguiente cubo:

Cuadro 5

¿Cuántos cubitos de 1 cm de lado hay en cada una de las 10 capas del cubo grande,que tiene 1 dm de lado? ¡100!, ¿verdad?.

¿Cuántos cubitos de 1 cm3 hay en total si el cubo grande tiene 10 capas? ¡1 000!. Deacuerdo con lo cual 1 dm3 = 1 000cm3. En efecto, el mismo resultado se obtiene alelevar al cubo la siguiente igualdad: 1 dm = 10 cm:

( 1 dm)3 = (10 cm)3

13 dm3 = 103 m3

13 dm3 = 1000 cm3

sea

1 L = 1000 cm3

Donde la L se usa como símbolo de litro

10 cm10 cm

10cm

111

¿Puedes demostrar que en un cubo de 1 m de lado caben 1 000 litros?. Es decir, que 1m3 = 1 000 dm3

Múltiplos

1 dam3 = 1000 m3

1 hm3 = 1 000 000 m3

1 km3 = 1 000 000 000 m3

Submúltiplos

1 m3 = 1 000 dm3 , que es la unidad que usamos cotidianamente. Sin embargo, en el SIse prefiere no utilizarla por ser idéntica al dm3.

1 m3 = 1 000 000 cm3

1 m3= 1 000 000 000 mm3

Ejemplos de razones unitarias:

1 dm1 000 cm

3

3 ; 1 m1 000 dm

3

3

Utilicemos razones unitarias y transformemos:

A) 250 cm3 en dm3

1 dm1 000 cm

3

3 250 cm3 = 0.25 dm3 (un cuarto de litro).

B) 47 000 cm3 en m3

1 m1 000 000 cm

3

3 47 000 cm3 = 0.047m3


112

Ejercicios con razones unitarias:

A continuación buscaremos la razón unitaria que transforma las unidades. El numeradortendrá la unidad que deseamos obtener y el denominador tendrá la unidad quequeremos transformar.

A) 30 dm en m

1 m10 dm

30 dm =

B) 756 g en kg

1 kg1 000 g

756 /g=

C) 3 600 s en min.

1 min60 s

3 600 s =

D) 300 m2 en km2

1 km1 000 000 m

2

2 300 m2 =

E) 425 m3 en km3

1 km1 000 000 000 m

3

3 425 m3 =

F) 250 0C en K, donde T = t + 273

T = 250 0C + 273

G) 750 cm3 en L

1 L1000 cm3 750 cm3 =

0.0003 km2

60 min

0.756 kg

3 m

0.000 000 425 km3

T = 523 °K

0.750 L

113

De los ejemplos anteriores observamos que algunos resultados expresan cantidadesmuy pequeñas o contienen demasiados ceros. Por ello debemos buscar una forma máscómoda para expresarlo y esto nos permite la notación científica.

El número 10 elevado a un exponente (102, 103, 104, etcétera) es igual al número 1seguido de tantos ceros como se indica el exponente.

Así, 102 = 100; 103 = 1 000; 104 = 10 000

100 = 1 x 102; 1 000 = 1 x 103; 10 000 = 1 x 104

Ejemplos:

Radio aproximado de la tierra = 6 000,000 = 6 x 106

Distancia de la Tierra al Sol = 150 000 000 km = 1.5 x 100 000 000 = 1.5 x 108 km.

Si queremos expresar una cantidad muy pequeña como el grueso del papel de chinaque es 0.0001 m lo podemos hacer:

0.0001 = 1 m10 000

ó también 0.000 1 = 1 x 10-4

Cuando el número 10 está elevado a un exponente negativo, éste nos indica el lugar queocupa el número 1 a la derecha del punto.

0.01 = 10-2 = 1 x 10-2 = 1 x 1102

= 1 x 1100

; 0.001 = 10-3 = 1 x 110 3 = 1 x 1

1 000, etc.

Para expresar cualquier otra cantidad que no sea 1, ésta debe multiplicarse por el 10elevado a la potencia negativa que representan los lugares a la derecha del punto queocupa la cantidad, por ejemplo:

0.000 062 = 62 x 10-6 = 62 x 1108 = 62 x 1

1 000 000

0.000 042 5 = 425 x 10-7 = 425 x 1

107425 1

10 000 000 x

Ejemplos:

El diámetro aproximado de un globo = 0.000 01 m = 1 x 10-5 m

El diámetro promedio de una molécula de aceite = 0.000 000 001 m = 1 x 10-9 m

El radio del átomo del cloro es 0.000 000 0099 = 99 x 10-10 m

114

En este esquema encontrarás las principales unidades de medida que son utilizadas porla Química.


SISTEMA INTERNACIONALDE UNIDADES

UNIDADES

FUNDAMENTAL DERIVADAS

LONGITUD(metro)

TEMPERATURA(°K)

MASA(kilogramo)

INTENSIDADLUMINOSA(candela)

TIEMPO(segundo)

INTENSIDADELÉCTRICA

(ampere)

CANTIDAD DESUSTANCIA

(mol)

ÁREA

VOLUMEN

DENSIDAD DEMASA

PRESIÓN

VELOCIDAD

ACELERACIÓN

COMBINAR DOS OMÁS UNIDADES

FUNDAMENTALES

MÚLTIPLOS SUBMÚLTIPLOS

MEDIR CANTIDADESMUY GRANDES

MEDIR CANTIDADESMUY PEQUEÑAS

como son tales como

que requierencontar con

para para

de tipo de tipo

son

se originanal

115

3.2 EL MOL

En el Universo, como en la vida cotidiana, observamos que existen relaciones decantidad entre elementos que integran un conjunto. Por ejemplo:

El famoso cuarteto de Liverpool, Los Beatles, constituían un conjunto de cuatroelementos

Cada equipo de fútbol soccer cuenta con 11 personas en el terreno de juego.

Para jugar un partido de dobles en tenis se requieren dos parejas de jugadores

Tres docenas de huevos constan de 36 unidades.

Así, en tu vida cotidiana empleas ciertas unidades para medir cantidades de objetos.Por ejemplo, cuando compras un par de zapatos, adquieres dos unidades; en unacajetilla de cigarrillos tienes dos decenas, es decir 20 cigarrillos; una docena decalcetines equivale a 12 pares (24 calcetines); si compras una gruesa de naranja,deberás contar 144 naranjas, un millar de hojas de papel contiene 1000 hojas.

De la misma manera, al efectuarse una reacción o cambio químico intervienencantidades definidas de sustancias que reaccionan entre sí para obtener un producto.

La unidad de medida que se utiliza para determinar las cantidades de sustancias es elmol, una unidad del SI que se define como la cantidad de sustancia que contiene tantaspartículas como átomos hay en exactamente 12 gramos de isótopo de carbono 12 (queson los átomos de carbono más abundantes en la Naturaleza).

Pero, ¿cuántos átomos están contenidos en 12 gramos de esos átomos de carbono?.

Figura 12. Átomos contenidos, en 12 g de carbono.

Átomo de Carbono

12g de carbono

116

La respuesta es verdaderamente asombrosa: existen 6.023 x 1023 átomos, o sea¡602 000 000 000 000 000 000 000! átomos, es decir, ¡seiscientos dos mil trillones deátomos! . De esta manera se dice que la cantidad de una sustancia que contiene8

6.023 x 1023 partículas (átomos, moléculas, iones, electrones, etc.) es un mol de dichasustancia. Este número es conocido como Número de Avogadro en honor al científicoitaliano Amadeo Avogadro (1776-1856). NA = 6.023 x 1023.

De esta manera, un mol de aluminio estará formado por 6.023 x 1023 átomos dealuminio; en tanto que un mol de agua lo forman 6.023 x 1023 moléculas de agua.Igualmente podemos referirnos a un mol de arroz que contendrá 6.023 x 1023 granos dearroz, como un mol de melones (que es imposible contar y observar) sería igual a 6.023x 1023 melones.

A partir de esta lógica ¿podremos afirmar que la masa de un mol demelones es igual a la masa de un mol de sandías?

Tal como ya te percataste, el número de Avogadro (NA) es muy grande, pero es comocualquier otro número de los muchos que existen en la Naturaleza y que tienenmagnitudes mayores, semejantes o menores, por ejemplo:

El radio del Universo se ha calculado en 1.22 x 1023 km, cuyo valor en metros es de1.22 x 1026 m y 1.22 x 1028 cm.

La última cantidad se escribe y nombra así:

12 200 000 000 000 000 000 000 000 000, o sean doce mil doscientos cuatrillones decentímetros. Su valor en kilómetros es parecido en magnitud al número de Avogadro(NA).

La masa del Sol es de 2 x 1027 toneladas, que equivalen a 2 x 1030 kilogramos o2 x 1033 gramos. Al comparar el número de Avogadro con cualesquiera de esas tresmagnitudes observarás que dichas cifras son mucho mayores que el número deAvogadro.

La masa de la estrella Betelgeuse, situada en la constelación de Orión, es 50 vecesmayor que la masa solar, es decir tiene 1 x 1035 gramos que se escribe y lee así:

100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000, cien mil quintillones de gramos.

Para mantener encendido un foco de 100 watts durante una hora se requiere quepasen por el filamento 1.8 x 1022 electrones, valor cuya magnitud es menor a la delnúmero de Avogadro.

Betelgeuse se encuentra a 650 años luz de distancia, lo que corresponde a unamagnitud de 9.4 608 x 1012 m.

8 Este valor se puede emplear tanto para átomos como para moléculas.

117

La edad del Universo se ha calculado en 20 000 000 000 de años, es decir 2 x 1010

años.

La aparición de vida en nuestro planeta se remonta a 3 100 000 000 de años o sea3.1 x 109 años.

Se calculó que anualmente se gastan un billón de dólares en el mundo para producirarmamentos de todo tipo. dicha magnitud se puede escribir así: 1 x 109 dólares.

5 x 106 años después de la gran explosión que creó el Universo ocurre la formaciónde átomos.

El radio de nuestro planeta se remonta a 3 100 000 000 de años o sea 3.1 x 109

años.

Algunos ejemplos de magnitudes muy pequeñas que emplearás en tus cursos deQuímica son:

Cuadro 6

Partícula Masa (g) Radio (m) Volumen (m3)

Electrón 9.109 x 10-28 2.817 x 10-14 4.2 x 10-42

Protón 1.672 x 10-24 8 x 10-16 2.1 x 10-45

3.2.1 LO ENORME DEL NÚMERO DE AVOGADRO

El número de Avogadro es tan grande que hace volar la imaginación, así:

La estrella más cercana a nuestro Sol es Alfa Centauro, la cual se encuentra a 40billones de kilómetros de la Tierra ( 4 x 1016 m). A partir de un mol de H2 (dos gramos),¿cuántas moléculas de hidrógeno, H2, tendrá que colocar en cada metro uniformementeespaciadas de tal manera que cubriéramos toda esa distancia?.

Relacionando el número de Avogadro con la distancia en metros, obtenemos:

6.023 x 1023 moléculas = 1.5 x 107 moléculas/m. 4 x 1016m

118

Esto es, en cada metro podríamos colocar... ¡15 millones de moléculas de hidrógeno!.

En el laboratorio no existen instrumentos para cuantificar directamente moles desustancia (no podemos contar una a una tantas partículas); pero sí para medir la masa.Debido a esto, lo que se cuantifica es la masa de uno o varios moles.

La masa de un mol de átomos de un cierto elemento se puede consultar en la tablaperiódica química. Por ejemplo, en la casilla del cobre aparecen siempre dos números,el número atómico (que es el número de protones existentes en su núcleo) y la masaatómica.

¿Cuántos gramos pesa 1 mol de cobre?

Así, un mol de átomos de cobre tiene una masa de 63.55 g.

MCu = 63.55 g/mol

Tanto la masa atómica como el número de Avogadro (NA) son razones unitarias, porlo que pueden expresarse de la manera siguiente:

N á t o m

1 mol de sustanciasA o s

= 6.023 x 10 á t o m o s 1 á t o m o

23 de cobrede cobre

M gramos de sustancia1 mol de sustancia

= 63.55 g de cobre1 mol de cobre

Observa que -en ambos casos- numerador y denominador son la misma cosa. Igual atener 1 mol de cobre que 63.55g de cobre o que 6.023 x 1023 átomos de cobre.Obtendremos lo mismo.

Estas dos razones unitarias nos permiten:

-Transformar moles en números de partículas.-Transformar moles en gramos.

En este caso puedes emplear la relación n mPM

, donde:

n = número de molesm = masa de la sustancia en gramosPM10 = masa atómica o molecular en g/mol

9 La masa de un átomo es la que aparece en la tabla periódica.

29

Cu

963.55

Z = número atómico

M = masa atómica en gramos

119

Ejemplos:

¿Cuántos átomos de hidrógeno hay en 2.5 moles de dicho elemento?.

Sea N el número de átomos buscados. Basta multiplicar el dato por la razón unitariadel número de Avogradro para encontrar el resultado.

N = 2.5 mol H 6.023 x 10 á t o m o s H1 mol H

y N = 1. 505 x 10 á t o m o s de H23

24 .

Así, el factor NA permite transformar moles (n) en número de átomos (N);

Como ves, la masa atómica (PM) te permite transformar el número de moles (n) en masaPM

n m

Para lograr la transformación inversa y determinar cuántos moles (n) corresponden auna cierta cantidad de masa (P Mcu), se emplea la misma razón unitaria, peroinvertida:

1 mol de sustanciaPM gramos de sustancia

y mcu n n mPM

Ejemplo:

¿Cuántos moles de cobre hay en 25 gramos de cobre?.

Respuesta:

Coloca el dato de masa y multiplícalo por la inversa de la razón unitaria:

cu = 25 g cu1 mol Cu

63. 55 g Cu= 0.39 moles de cu

10 PM puede ser masa atómica o molecular, debido a que la masa de la sustancia, en algunos casos se requiere a unelemento (atómico) o a un compuesto (molecular).

1/m

120

a) Mol expresado en gramos

El mol (n) es la masa de cualquier elemento o compuesto que puede expresarse engramos y es numéricamente igual a la masa atómica o molecular. Matemáticamente loanterior se representa con la fórmula:

mol n = masa en gramosmasa a t

o mol n = masa en gramosmasa molecular

o n = mPMó m i c a

Ejemplos:

Calcula la cantidad de mol que existe en 15 g de aluminio.

En la tabla periódica podemos localizar la masa atómica del aluminio (26.98 g/mol); lamasa en gramos (m) es de 15, por tanto, aplicando la fórmula obtenemos:

n = mPM

= 15 g26. 98 g / mol

= 0. 556 mol

¿Cuántos moles de átomos de plata tenemos en un anillo que contiene 6.02 x 1022

átomos?.

n = 6.02 x 1022 átomos de Ag 1 mol de Ag

6.023 x 10 á t o m Ag23 o s de = 0. 1 mol de Ag.

En este caso se empleó la relación contraria al del ejemplo anterior, esto es:

1N AN n

¿Qué cantidad de moléculas existen en un gramo de hexano en el compuestoC6H14?.

Se determina la masa molecular11 del hexano:

C: 12.01 x 6 = 72.06

H: 1.00 x 14 = 14.0086.06 g

11 Masa molecular es igual a la suma de las masas atómicas de los átomos que integran una molécula.

121

Empleando la razón unitaria multiplicado por el número de gramos de hexano yeliminando unidades, tenemos que:

Número de gramos de Hexano:

N m o l é c

masa de sust. en g.A u l a s

=1g C8H146.023 x 10 m o l é c

86. 06 g C H

23

6 14

u l a s =6.99 x 1021

moléculas.

¿Cuántos átomos de vanadio existen en 100 g de ese elemento, el cual tiene unamasa atómica de 50.95 g?.

Para encontrar el resultado, primero debes multiplicar el dato (100 g) por la razónunitaria, y eliminando unidades se obtiene el número de átomos buscado, es decir:

Número de gramos de vanadio:

NAmasa de sust. en g.

m o l é c u l a s= 100 g de V

6.023 x 1023

50.95 g de V

m o l é c u l a s

1. 18 x 10 24 átomos

Calcula la masa de una molécula de ácido clorhídrico (HCl), la cual tiene una masamolecular de 36.45 g.

Multiplicando el dato (1 molécula) por la razón unitaria y eliminando las unidadescorrespondientes obtenemos:

Número de moléculas:

masa molecular g

NA

m o l é c u l a s= 1 molécula

36.45 g HCl

6.023 x 1023 m o l é c u l a s = 6. 05 x 10-23 g

Determina la masa de un átomo de cobalto ( masa atómica = 58.94g)

Apoyándonos de los pasos que se dieron en el ejemplo anterior tenemos que: á t o m o s

Número de átomos:

122

Masa g

NA

a t ó m i c aá t o m o s

= 1 átomo 58.94 g Co

6.023 x 1023 á t o m o s = 9.79 x 10-23 gramos

Obtén el número de moles de hierro que hay en una tonelada de este elemento.

1 ton Fe 1000 kg1 ton Fe

1000 g1 kg

1 mol Fe55.85 g

10 mol Fe55.85

17 905.1 mol Fe6

Nota: la relación que usaste es: 1 mol de sustanciamasa molecular

masa en g que es equivalente a la

fórmula n mPM

, que más adelante conocerás.

Ejemplo: De la tabla periódica, en la casilla correspondiente al cobre (Cu) localizamosla masa atómica PMCu = 63.55 g/mol. ¿Cuántos gramos de cobre tenemos en 2.5 molesde cobre?.

Empleando la relación PM = PM gramos de sustancia1 mol de sustancia

PM cu = 2.5 moles cu63.55 g Cu

1 mol C= 158.9g cu

Determina la masa en gramos de dos moles de aluminio con masa atómica de 26.98g/mol.

Ordenando los datos y de acuerdo con la fórmula dada: n = mPM

n = 2 molPM = 26.98 g/mol, despejando masa en gramos (m) tenemos: m = (n) (PM)m= ?

Sustituyendo la fórmula:

m = (2 mol)(26.98 g / mol) = 53.96 g de aluminio

123

Calcula el mol contenido en 20 gramos de carbonato de sodio (Na2CO3)

Se realiza el cálculo para obtener la masa molecular (PM) consultando en la tablaperiódica los valores de las masas atómicas de los elementos: Na, C y O. Dichosvalores se multiplican por los subíndices correspondientes a cada elemento químicosegún la fórmula del carbonato de sodio, esto es:

Na : 22.98 x 2 = 45.96

C : 12.01 x 1 = 12.01

O : 15.96 x 3 = 47.97

= 105.94 g/mol Na2CO3

Aplicando la fórmula y sustituyendo:

n = mPM

20 g105.94g / mol

0.188 mol de Na Co2 3

Obtener la cantidad de gramos que hay en 2 mol de Na2 CO3 (PM = 105.94 g/mol).

Datos Fórmula y Despejar m

PM = 105.94 g/mol n mPM

, m n PM

n = 2 mol

m = ?

Sustituyendo

m = (2 mol) (105.94 g/mol) = 211.88 g de Na2CO3

Masas molares de moléculas

Ordenamos los datos:

m = 20 G

PM = 105.94 g/mol Na CO3

n = ?

124

Ejemplo: Para determinar la expresión en gramos de la masa de un mol de agua setoman de la tabla periódica los valores correspondientes del hidrógeno y oxígeno.

Así, tenemos que H = 1.00 y O = 15.99: como hay dos hidrógenos y un oxígeno en lafórmula del agua (H2O), el valor del hidrógeno se multiplica por dos (debido al subíndice)y el del oxígeno por uno; finalmente se suman los valores obtenidos y de esta formahabrás determinado la masa molecular del agua. Esto se escribe de la siguientemanera: agua = H2O

H : 1.00 x 2 = 2.00 gO : 15.99 x 1 15.99 g

= 17.99 g

Ejemplo: La cafeína es un alcaloide identificado como el principio activo del café y tienepor fórmula:

CaN4H13O2

Determina cuántas moléculas existen en dos moles de cafeína.

Usa la razón unitaria:

2 mol 6.023 x 10 m o l é c1 mol

23 u l a s = 12.04 x 1023 moléculas = 1.204 x 1024 moléculas

Habrás notado que para conocer las moléculas que existen en dos moles de cafeína norequerías la fórmula dada.

Ejemplo: ¿Cuántos gramos de vitamina A (C20H30O) se tiene en 9.78 x 1021 moléculasde vitamina?.

Se determina la masa molar de la vitamina A:

C : 12.01 x 20 = 240.20H : 1.00 x 30 = 30.00O : 15.99 x 1 = 15.99

= 286.19 g

125

Emplea razones unitarias.

m 9.78 x 1021 moléculas 286.19 g de Vit.A

6.023 x 10 m o l é c

2798.94 x 10

6.023 x 1023

21

23 u l a s

4.65 g de Vit. A = 103 miligramos1 gramo

= .465 mg

Ejemplo: Dentro de la serie de vitaminas B (cuya deficiencia en nuestro país es muysevera) se tiene la B5 (C9H17NO5), a la cual se le denomina también ácido pantoténico yse emplea en el tratamiento de enfermedades tales como neuritis periférica y lupuseritermatoso. Encuentra la cantidad de moléculas existentes en 1,800 g. de vitamina.

Se determina la masa molar de vitamina B5

C : 12.021 x 9 = 108.09 gH : 1.00 x 17 = 17.00 gN : 14.00 x 1 = 14.00 gO : 15.99 x 5 = 79.95 g

= 219.04 g

Al utilizar razones unitarias:

1800 g 6.023 x 10 m o l é c219.04 g

23 u l a s = 4.94 x 1024 moléculas.

En los problemas prácticos resulta mucho más conveniente trabajar con moles quehacer el cálculo del número de partículas que hay en una sustancia.

Más ejemplos: deseamos calcular cuántos moles de azúcar C12H22O11 se encuentrancontenidos en 1 197 gramos de dicha sustancia.

Respuesta:

Obtener la masa molar del azúcar

C : 12.01 x 12 = 144.12H : 1.00 x 22 = 22.00O : 15.99 x 11 = 175.89

= 342.01 g

126

Empleando razones unitarias:

1197 g C12H22O111 mol

342 g C H O12 22 11

= 3.5 mol

Es decir, en 1 197 gramos de azúcar hay 3.5 moles de dicha moléculas. Además, sideseamos conocer cuántas moléculas se encuentran en dicha cantidad, utilizaríamos larazón unitaria siguiente:

3.5 mol de azúcar6.023 x 10 m o l é c u l a s

1 mol de a z ú c a r

23=2.1x1024 moléculas en 3.5 mol de

sacarosa.

Ejemplos: Calcular cuántos gramos se encuentran en 1 000 moléculas de azúcar(C12H22O11) .

1000 moléculas 342 g6.023 x 10 m o l é c u l a s23 = 5.68x10-19 g de azúcar.

a) ¿Cuántos moles se tienen en un gramo de agua?.

1 g H2O1 mol H O

17.99 g H O2

2= 5.56 x 10-2 mol H2O.

b) ¿Cuántos gramos existen en 3 moles de agua?

3 mol H2O17.99 g H O1 mol H O

2

2= 53.97 g de H2O.

c) Determina los moles de níquel que se encuentran en 8.5 x 1030 átomos de Ni.

8.5 x 1030 át Ni 1 mol Ni6.023 x 10 at Ni23 = 1.4 x 107 mol de Ni.

d) ¿Qué cantidad de átomos de platino (Pt) se tiene en 0.23 moles de Pt?.

0.23 mol Pt 6.023 x 10 á t o m t1 mol Pt

23 o s de P = 1.38 x 1023 átomos de Pt.

127

En este momento sabes que…

En lo que respecta al ser humano siempre estamos regidos por aspectos cuantitativos,como por ejemplo: tenemos que pagar una cantidad de dinero en el microbús paratransladarnos a nuestro destino o dirigir un proyectil “X” grados para poder acertar en elobjetivo, como habrás notado en cada uno de los casos recurrimos a algún tipo deunidad de medida.

Dentro de la Química contamos con una unidad de medida del Si llamada MOL, la cualse define como la cantidad de sustancia contenida en partículas o átomos que existenen 12 gramos de isótopo de carbono 12. Dicha medida tiene como valor 6.023 x 1023

partículas (ya sean de átomos, moléculas, entre otros) y recibe el nombre de Número deAvogadro (NA). Cabe hacer notar que dentro de este valor se pueden presentarmagnitudes mayores, similares o menores.

Tomando en cuenta lo anterior, encontramos que con el Número de Avogadro podemos:transformar moles en números de partículas, o transformar moles en gramos, para locual debemos partir de las razones unitarias siguientes: á t o m o s

N á t o m 1 mol de sustancia

; m gramos de sustancia1 mol de sustancia

A o s

Bajo este orden de ideas se emplea la fórmula siguiente n mPM

con la cual podemos

llevar a cabo las transformaciones correspondientes.


128

3.3 CUANTIFICACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LA MATERIA

Antes de proceder experimentalmente a cuantificar algunas propiedades de los cuerposy su relación con la masa de los mismos, es conveniente que recuerdes lo siguiente:

La densidad (d) es una propiedad específica de las sustancias, puesto que sustanciasdiferentes tienen diferentes valores de densidad. Esta propiedad relaciona la masa deuna sustancia con el volumen que ocupa y matemáticamente dicha relación seexpresa como:

d mV

en donde d representa el valor de la densidad de la sustancia considerada; m representasu masa, y V el volumen que ocupa. ¿En qué unidades del SI se expresan los valoresde la densidad?. Como recordarás, la masa se expresa en kg y el volumen en m3, por loque:

d mV

Kgm3

por tanto

d Kgm3

la notación (d) indica que nos estamos refiriendo a las unidades en que se expresa d.

En la práctica la unidad Kg/m3 es poco empleada, y comúnmente encontrarás expresadala densidad de las sustancias en g/cm3 o g/mL que, como observas, son submúltiplos dela unidad en el SI.

Por otra parte, la densidad de una sustancia depende de la temperatura a la que ésta seencuentre; así, aunque el hielo y el agua son químicamente iguales su estado físicodepende de la temperatura a la que se hallen, y si se comparan los valores de densidadse tiene:

densidad del hielo (agua a 0 0C) = 0.92 g/cm3

densidad del agua (agua a 20 0C) = 1.0 g/cm3

Algo similar sucede con otras sustancias, por lo que, al expresar el valor de su densidad,debe indicarse la temperatura a la cual se hizo la medición; si no es así debesobreentenderse que la medición se hizo a 25 0C.

129

Algunos otros ejemplos de valores de densidad son:

Cuadro 7

Sustancia Densidad a 20oC eng/mL

alcohol etílico 0.8mercurio 13.6sal de mesa 2.2oro 19.3aluminio 2.7plomo 11.3

Regresando a la expresión matemática de la densidad.

d mV

…(1)

Podemos encontrar dos relaciones más que nos serán útiles más adelante en laresolución de problemas. Así:

m = dV …(2)

nos indica que podemos calcular la masa (m) de la sustancia, si conocemos la densidady el volumen que ocupa; o bien

V md

…(3)

que nos indica que podemos calcular el volumen (V) ocupado por la sustancia siconocemos su masa y su densidad.

Con estas relaciones podemos resolver problemas como los siguientes:

Ejemplo 1. ¿Cuál será la masa de una placa de oro que ocupa un volumen de 18 mL a20 ºC?. Aplicando la relación ...(2) m = dV y conociendo que la densidad de oro a 20 ºCes de 19.3 g/mL se tiene:

m = dV m (19.3 g/mL) (18 mL) = 347.4 g

( significa “por tanto”)

130

Ejemplo 2. Encuentra la densidad de una sustancia líquida, de la cual 86 g ocupan unvolumen de 125 mL.

Aplicando la relación ...(1)

d mV

se tiene d 86 g125 mL

0.6889 g / mL

Ejemplo 3. ¿Qué volumen ocupará un cubo de hielo que pesa 500 Kg?.

Primero habrá que transformar 500 Kg en g usando la razón unitaria , de lasiguiente manera:

500 Kg x 1 000 g1 Kg

500 000 g ó 5 x 105 g

Ahora aplicando la relación ... (3) se tiene:

Ejemplo 4. La densidad de una sustancia de 0.28 g/cm3 exprésala en Kg/m3 .

Recordando que las relaciones son:

1 Kg1 000g

y 1 m1 x 10 cm

3

6 3 se tiene

028 gcm

1 Kg1 000 g

1 x 10 cm1m

280 Kgcm3

6 3

3 3

Hasta este momento has aprendido los conceptos teóricos necesarios para poder hacermediciones de las propiedades más comunes de la materia; pero, ¿cómo se determinanexperimentalmente estas propiedades?, ¿con base en qué característica se puedenclasificar las propiedades de la materia?. Parte de las respuestas las encontrarás alrealizar correctamente la siguiente actividad experimental.

1000 g 1 Kg

353 cm10 x 5.4347826

g/cm0.92g000500

dmV

131

PROPIEDADES INTENSIVAS Y EXTENSIVAS DE LA MATERIA (OBLIGATORIA)

Objetivo

El objetivo de esta actividad experimental es que cuantifiques algunas propiedades de lamateria y, además, que utilices las unidades del Sistema Internacional para expresarestas mediciones; así también a través del análisis de los resultados obtenidosestablecerás el concepto de propiedad intensiva y de propiedad extensiva de la materiay clasificarás de esta manera aquellas propiedades que has cuantificado.


Antes de realizar el trabajo experimental, es necesario que contestes correctamente elsiguiente cuestionario:

¿A qué se le llama propiedad intensiva y a qué propiedad extensiva de la materia?(Consulta el glosario)._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué es una propiedad de la materia?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Cómo se define la masa?.¿En qué unidad del SI se expresa?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué instrumento de laboratorio se emplea para determinar la masa de una sustancia?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


132

¿Cuál es la razón unitaria que relaciona al gramo con el kilogramo?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿En qué unidad del SI se expresa el volumen?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Para el caso específico del agua, ¿qué relaciones existen entre m3, cm3 y mL?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué sucede con el volumen si a una cierta cantidad de agua se le adiciona a un balínmetálico?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué fórmula matemática permite determinar la densidad de una sustancia?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿A qué se le llama punto de ebullición?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿En qué unidades se expresa?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Cuál es el punto de ebullición del agua? (consulta el glosario).__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

133

Experimento I

Cuantificación de la masa, el volumen y la densidad de la arena

Objetivo

En este experimento utilizarás las unidades del SI para expresar la medición de la masa,el volumen y la densidad para diferentes muestras de arena y, además, encontrarás larelación que existe entre ellas para clasificarlas como propiedades intensivas oextensivas.

¿Qué necesitas?

Materiales

1 balanza granataria con precisiónhasta centésimas de gramo

4 probetas de 100 mL con graduaciónen mililitros

4 vidrios de reloj 1 espátula 1 vaso de precipitados de 250 mL

(para el agua) 1 vaso de precipitados de 100 mL

(para arena)

Sustancias

55 g de arena de mar tamizada 250 mL de agua destilada


La indicada para el trabajo con material de vidrio.

Procedimiento

1. Numera las probetas y coloca 50 mL de agua en cada una de ellas. Recuerda que 1litro = 1 dm3 y, por tanto, 1 mL = 1 cm3. El volumen en cada probeta será entoncesde 50 cm3.

2. Sobre los vidrios de reloj pesa muestras de 5, 10, 15 y 20 g de arena,respectivamente.

3. Con cuidado transfiere las muestras de arena en la forma siguiente: a la probetanúm. 1 adiciona 5 g de arena, a la probeta núm. 2, 10 g de arena; a la probeta núm.3, 15 g de arena, y a la probeta núm. 4, 20 g de arena.

4. Determina el volumen correspondiente a cada muestra de arena (en cada probeta, elvolumen de la arena corresponde a los mL finales leídos en la probeta menos50 mL).

134

Figura 13

Hipótesis

Escribe una hipótesis que involucre a la masa, el volumen y la densidad de unasustancia.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


Registra tus resultados en la siguiente tabla y realiza las transformaciones de unidadesnecesarias.

Utiliza la notación científica.

Númerode probeta

Masaarena (g)

Masaarena (Kg)

Volumenarena (mL)

Volumenarena (m3)

Densidad(g/mL)

Densidad(g/m3)

1

2

3

4

5 gr 10 gr 15 gr 20 gr

Probeta 1 Probeta 2 Probeta 4Probeta 3

Agua50 ml

Agua50 ml

Agua50 ml

Agua50 ml

135

En una hoja de papel milimétrico construye las siguientes gráficas: a) masa (kg) contravolumen cm3, y b) masa (g) contra densidad g/cm3 para el experimento. A partir de estasgráficas contesta las siguientes preguntas:

¿Qué tipo de gráfica se obtuvo en a)?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué sucede con el volumen, si la masa aumenta?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué tipo de proporcionalidad existe entre la masa y el volumen?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Cómo se expresa matemáticamente esta relación?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué otro líquido puedes usar en este experimento en lugar de agua?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Podrías emplear este método para medir el volumen de cualquier sólido?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué tipo de gráfica obtuviste en b)?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

136

¿Qué sucede con la densidad si la masa aumenta?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué relación existe entre la masa y la densidad de una sustancia?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Cómo se expresa matemáticamente esta relación?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿El volumen depende de la masa de arena empleada?. ¿Qué tipo de propiedad es elvolumen: intensiva o extensiva?.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿La densidad depende de la masa de arena empleada?. ¿Qué tipo de propiedad es ladensidad?.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

137

Experimento II

Determinación del punto de ebullición del agua

Objetivo

En este experimento apreciarás la relación existente entre el punto de ebullición y lamasa en diferentes cantidades de agua.

¿Qué necesitas?

Materiales

1 soporte universal 1 mechero de Bunsen 1 anillo metálico 1 rejilla de alambre con asbesto 1 pinza para bureta 1 termómetro de 0-150 ºC 4 matraces Erlenmeyer de 125 mL 3 tubos de ensayo de desprendimiento 1 probeta de 50 mL 1 vaso de precipitados de 100 mL Cuerpos para controlar la ebullición

del agua (pueden utilizarse piedritasporosas).

Sustancias

☞ 90 mL de agua destilada



Procedimiento

Coloca en los matraces 15, 30 y 45 mL de agua, respectivamente, y agrega a cada unocuerpos de ebullición suficientes.

Sitúa cada tubo como se muestra en la siguiente figura.

138

Figura 14

Calienta lentamente hasta que el agua se mantenga en franca ebullición.

Observa la lectura del termómetro, y cuando la temperatura ya no varíe, anota el valorque corresponda a cada matraz (este valor corresponde al punto de ebullición de lamuestra de agua en el matraz).

Hipótesis

Escribe una hipótesis que relacione la masa del agua en los matraces con el punto deebullición medido.______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Completa los valores para la siguiente tabla; en caso necesario realiza lastransformaciones de unidades correspondientes, y emplea la notación científica.

Recuerda que la densidad del agua se considera como: 1 g/cm3 y K = ºC + 273

númerode

matraz

vol. deagua (mL)

Vol. deagua (m3)

molde agua

masa de

agua(g)

punto deebullición

(K)

masa deagua (Kg)

Termómetro

Agua

Cuerpos de ebullición

139


Construye en tu cuaderno la gráfica de punto de ebullición en K contra masa en g para elexperimento.

¿Qué tipo de gráfica obtuviste?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿El punto de ebullición depende de la masa de agua empleada?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué tipo de propiedad es el punto de ebullición?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué resultados esperarías si en lugar de agua empleas algún otro líquido en elexperimento?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

A partir de la hipótesis que planteaste en cada experimento y del análisis de resultadoscorrespondiente, escribe brevemente tus conclusiones de la actividad experimental conbase en lo siguiente:

¿Qué propiedades de las que cuantificaste dependen de la cantidad de masaempleada?.

¿Qué tipo de gráfica se obtiene experimentalmente al cuantificar esas propiedades?.

¿A las propiedades de la materia cuyo valor depende de la masa se les llamanpropiedades?.

¿Qué tipo de gráfica se obtiene experimentalmente al cuantificar esas propiedades?.

¿A las propiedades de la materia, cuyo valor no depende de la masa, se les llamanpropiedades?.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

140

"PROPIEDADES INTENSIVAS Y EXTENSIVAS DE LA MATERIA"

Objetivo

Cuantificar algunas propiedades de la materia, utilizando las unidades del SistemaInternacional para clasificarlas en propiedades intensivas y extensivas.


1) ¿Qué es una propiedad de la materia?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿A qué se le llama propiedad intensiva y a qué propiedad extensiva de lamateria?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Cómo se define la masa y en qué unidad del SI se mide? ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) ¿Qué instrumento de laboratorio se emplea para determinar la masa de unasustancia?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) ¿Cuál es la razón unitaria que relaciona al gramo con el kilogramo?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


141

6) ¿En qué unidad del Sl se expresa el volumen? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

7) Para el caso específico del agua, ¿qué relaciones existen entre m3, cm3 ymL?._________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

8) ¿Qué sucede con el volumen si a una cierta cantidad de agua se le adiciona un balínmetálico?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

9) ¿Cómo se determina la densidad de una sustancia? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

10) ¿A qué se llama punto de ebullición? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

11) ¿En qué unidades se expresa? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

12) ¿Cuál es el punto de ebullición del agua? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

142

Experimento l

Objetivo

Medir la masa y el volumen de diferentes muestras de arena para determinar sudensidad.

Hipótesis

Escribe una hipótesis que involucre a la masa, volumen y densidad de una sustancia.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿ Qué necesitas ?

Materiales. Sustancias

☞ 1 Balanza granataria de 311 g☞ 4 Probetas de 100 mL☞ 4 Vidrios de reloj☞ 1 Espátula☞ 1 Vaso de precipitados de 250 mL☞ 1 Vaso de precipitados de 100 mL

☞ 55 g de arena tamizada☞ 250 mL de agua



¿Cómo hacerlo?

Numera las probetas del 1 al 4 y coloca 50 mL de agua en cada una de ellas. Recuerdaque 1 litro = 1 dm3 y, por tanto, 1 mL= 1cm3. El volumen en cada probeta será entoncesde 50 cm3.

Sobre los vidrios de reloj pesa muestras de 5, 10, 15 y 20 g de arena, respectivamente.

Con cuidado transfiere las muestras de arena en la forma siguiente: a la probeta núm. 1adiciona 5 g de arena, a la probeta núm. 2, 10 g de arena; a la probeta número 3,15 g dearena, y a la probeta núm. 4, 20 g de arena.

143

Figura 15

Determina el volumen correspondiente a cada muestra de arena (en cada probeta, elvolumen de la arena corresponde a los mL finales leídos en la probeta menos 50 mL).


Registra tus resultados en la siguiente tabla y realiza las transformaciones de unidadesnecesarias. Utiliza la notación científica.

NÚMERO DEPROBETA

MASA ARENA(g)

MASA ARENA(kg)

VOLUMEN

ARENA (cm3)

VOLUMENARENA (m3)

DENSIDAD

(g/cm3)DENSIDAD

(g/m3)


La arena que utilizaste en tu experimento, colócala en el recipiente que te indique elprofesor para que se utilice posteriormente. No la deseches por la tarja.

5 gr 10 gr 15 gr 20 gr

Probeta 1 Probeta 2 Probeta 4Probeta 3

Agua50 ml

Agua50 ml

Agua50 ml

Agua50 ml

144

Experimento II

Objetivo

Determinar el punto de ebullición a diferentes cantidades de agua para establecer larelación entre éste y la masa de cada muestra.

Hipótesis

Escribe una hipótesis que relacione la masa de agua con el punto de ebullición_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Materiales

☞ 1 Soporte universal☞ 1 Mechero de Bunsen☞ 1 Anillo metálico☞ 1 Tela de alambre con asbesto☞ 1 Pinzas para bureta☞ 1 Termómetro de 0-150°C☞ 3 Matraces Erlenmeyer de 125 mL☞ 1 Probeta de 50 mL☞ 1 Vaso de precipitados de 100 mL☞ 1 Pinzas para termómetro☞ Cuerpos de ebullición

Sustancias

☞ 90 mL de agua



145

¿Comó hacerlo?

Numera los matraces y coloca en ellos 15,30 y 45 mL de agua, respectivamente, yagrega a cada uno, cuerpos de ebullición suficientes.

Instala un sistema como se muestra en la siguiente figura.

Figura 16

Calienta suavemente hasta que el agua se mantenga en franca ebullición. Esta debe seruniforme si observas que es violenta, ten cuidado pues pueden haber proyecciones.

Observa la lectura del termómetro y cuando la temperatura ya no varíe, anótala (estevalor corresponde al punto de ebullición de la muestra de agua).

Repite el procedimiento con los otros matraces.


Completa los valores para la siguiente tabla, en caso necesario realiza lastransformaciones de unidades correspondientes, y emplea la notación científica.

Recuerda que la densidad del agua es: 1 g/cm3 y K= °C + 273

Número dematraz

Vol. de agua(cm3)

Vol. de agua(m3)

Mol de agua Masa deagua (g)

Punto deebullición (k)

Masa deagua (kg).

Termómetro

90 ml de aguaCuerpos de ebullición

146


En una hoja de papel milimétrico construye las siguientes gráficas: a) masa en kg contravolumen en cm3 y b) masa en g contra densidad en g/cm para el experimento I. A partirde estas gráficas, contesta las siguientes preguntas:

1) ¿Qué tipo de gráfica se obtuvo en a)?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿Qué sucede con el volumen, si la masa aumenta? _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Qué tipo de proporcionalidad existe entre la masa y el volumen? ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) ¿Qué tipo de gráfica obtuviste en b)? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) ¿Qué sucede con la densidad si la masa aumenta?__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6) ¿Qué relación existe entre la masa y la densidad de una sustancia? ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

7) ¿El volumen depende de la masa de arena?_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

8) ¿Qué tipo de propiedad es el volumen, intensiva o extensiva? _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

9) ¿La densidad depende de la masa de arena empleada? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

10) ¿Qué tipo de propiedad es la densidad? _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

147

Construye la gráfica de punto de ebullición en K contra la masa en g para elexperimento II. A partir de la gráfica contesta las siguientes preguntas.

11) ¿Qué tipo de gráfica obtuviste?_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

12) ¿El punto de ebullición depende de la masa de agua empleada?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

13) ¿Qué tipo de propiedad es el punto de ebullición?__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

A partir de la hipótesis que planteaste en cada experimento y del análisis de resultadosguiado por el cuestionario de reflexión, escribe brevemente tus conclusiones de laactividad experimental.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

148

Con base en los diferentes criterios utilizados desde la antigüedad para poder medirmagnitudes y tomando en cuenta el desarrollo de la humanidad, fue necesario crear unsistema que pudiera unificar todas las formas de cuantificar las cosas, siendo estoposible gracias al establecimiento del Sistema Internacional de Unidades (SI), el cualincluye a todas las unidades requeridas para realizar mediciones.

Así, el SI se conforma de las siguientes magnitudes fundamentales: longitud, masa,tiempo, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, intensidad luminosa y cantidad desustancia. A partir de estas magnitudes es posible determinar algunas otras comodensidad y volumen, las cuales se consideran como derivadas. Ahora bien, en lapráctica, cuando nuestros resultados son demasiado grandes o pequeños, esto lopodemos simplificar o expresar con la notación científica o con el uso de prefijos de SI.

El mol es la unidad de medida de cantidad de sustancia que se incluye en el SI para suuso en Química.

Para determinar el número de átomos o moléculas que intervienen en cualquier cambioquímico, se requiere conocer las fórmulas y emplear la tabla periódica (masa molar). Asípodemos determinar las cantidades correspondientes y establecemos la relación: 1 molcontiene 6.023 x 1023 átomos, moléculas o partículas.

Debido a que las partículas que reaccionan en los cambios químicos no pueden serobservadas directamente, se utilizan en la práctica cantidades aproximadas al númerode Avogadro (6.023 x 1023 partículas, que corresponden a un mol de sustancia), que seobtienen mediante su masa colocada en la balanza.

A lo largo del estudio de la materia de Química, esto nos permitirá medir las cantidadesde sustancia, para llevar a cabo cálculos sobre los cambios químicos que se efectúan yaplican en la vida cotidiana.

La cuantificación de las propiedades de la materia es de gran utilidad en la Química.Los métodos de análisis químico, desarrollados a la fecha, están basados directamenteen la cuantificación de algunas propiedades de las sustancias. El estudio ydeterminación de estas propiedades son esenciales para clasificar las sustancias yconocer sus estados de agregación, así como distinguir las mezclas de las sustanciaspuras.

RECAPITULACIÓN

149

Experimentalmente es posible cuantificar las propiedades de cualquier sustancia, sinimportar el estado de agregación en que ésta se encuentre, si utilizas el instrumento ymétodo de cuantificación adecuado. En la actividad experimental que realizaste,determinaste la masa con la balanza gramataria y el volumen a través del método dedesplazamiento. El punto de ebullición lo determinaste con la lectura efectuada en eltermómetro y la densidad de la arena la calculaste con la relación d = m / V. Otraspropiedades de las sustancias, como el color, el sabor, la dureza, la solubilidad, laporosidad, etcétera, pueden ser cuantificadas por métodos experimentales.

Por otra parte, pudiste observar que existen propiedades de la materia cuyos valoresdependen directamente de la masa empleada, a dichas propiedades se les conoce comopropiedades extensivas de la materia. También existen propiedades cuyos valores nodependen de la masa empleada; a dichas propiedades se les llama propiedadesintensivas de la materia.

150

1. Realiza las siguientes transformaciones de unidades con el empleo de razonesunitarias:

a) 13 km en m

b) 2.300 mg en Kg

c) 24 h en s

d) 73 ºC en K

e) 20 dm2 en m2

f) 756 mm3 en m3

g) 205 L en mL

2. Resuelve los siguientes problemas:

a) Calcula el número de moles que se tienen en un gramo de agua (H2O).

b) Calcula la masa en gramos que tiene un átomo de oro (Au).


151

c) Calcula el número de partículas que se encuentran en 25 gramos de sosa caústica ohidróxido de sodio (NaOH).

d) Calcula el número de moléculas que se encuentran en 4.6 moles de ácido acético(CH3 COOH).

e) Calcula el volumen en cm3 de un cubo de aluminio que pesa 3 Kg.

f) El punto de ebullición de 80 g de agua es de 92 ºC ¿Cuál será el punto de ebulliciónde 800 g de agua?, ¿por qué?.

g) La densidad de una sustancia es de 0.37 g/cm3. Exprésala en Kg/ m3 .

152

En este apartado podrás verificar si tus respuestas fueron correctas o no.

1)

Equivalencias

a) 13 Km en m

13 000 m = 1.3 x 104 m

b) 2.300 mg en Kg

0.0023 Kg = 2.3 x 10-3 g

c) 24 h en s

86 400 s

d) 73 ºC en °K

346 °K

e) 20 dm2 en m2

0.20 m2

f) 756 mm3 en m3

0.000 000 756 m3 = 7.56 x 10-7 m3

g) 205 L en mL

205 000 mL = 2.05 x 105 mL

AUTOEVALUACIÓN

153

2)

a) Número de moles que se tienen en gramos de agua (H2O) son 0.055 mol de H2O.

b) Masa en gramos que tiene un átomo de oro (Au) son 32.7 x 10-23 g de Au.

c) Número de partículas que se encuentran en 25 g de sosa caústica (NaOH)3.764x1023 moléculas de NaOH.

d) Número de moléculas que se encuentran en 4,6 moles de ácido acético (CH3COOH)27.692 X 1023 moléculas CH3COOH.

e) 1111.111 cm3

f) La misma porque la temperatura es una propiedad intensiva que no depende de lacantidad de masa.

g) 370 000 Kg/m3 ó 3.7 x 105 Kg/m3

154

En este fascículo viste que para considerar a …

RECAPITULACIÓN GENERAL

LA QUÍMICA COMOCIENCIA

CARACTERÍSTICAS PROPIEDADES DE LAMATERIA Y SU MEDICIÓN

ANTECEDENTES EMPLEO DELMÉTODO

CIENTÍFICO

LENGUAJECARÁCTER

CUANTITATIVO

SISTEMAINTERNACIONAL

DE UNIDADES

MOL

OBJETO DEESTUDIO

MATERIA ENERGÍA

INTERACCIÓN

como son

y su

como

mediante elestudio del

contempla

155

En este apartado podrás poner en práctica los conocimientos que has aprendido a lolargo del fascículo, por lo que deberás realizar todo lo que se te pide en cada caso.

I. Lee con atención las preguntas y contesta en los renglones la respuestacorrecta.

a) ¿Qué es materia?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

b) Menciona y describe cuáles son los estados de agregación de la materia ._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) ¿Qué es la fusión?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

d) ¿Qué es ebullición?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

e) ¿Qué es la densidad?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Menciona qué es la cuantificación y su importancia dentro de la Química.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ACTIVIDADES DE CONSOLIDACIÓN

156

f) ¿Qué es una Mol?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

g) ¿Cuál es el número de Avogadro?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

i) Calcula el Peso Molecular (PM) de los siguientes compuestos:

Hidróxido de Sodio (Na OH) _________________________

Bióxido de Carbono (CO2) _________________________

Agua (H2O) _________________________

j) Menciona cuáles son los pasos que se deben seguir en el método científico aplicado ala química.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Anota en los renglones la respuesta correcta:

a) 3.5 litros equivalen a ______________________ cm3

b) 260 º C equivalen a ______________________ °K

c) 100 °K equivalen a ______________________ º C

d) 480 cm3 es igual a ______________________ mL

e) 270 g equivalen a ______________________ Kg

f) 28 Kg son igual a ______________________ g

g) 300 cm3 equivalen a ______________________ L

157

3. En este apartado te presentamos el planteamiento de un problema enlaboratorio, por tal motivo deberás poner mucha atención en lo que se te pide.

Planteamiento del Problema

En un laboratorio de química se llevó a cabo un experimento en el cual se deseabaconocer la variación de temperatura de una mezcla de hidróxido de sodio (NaOH) y agua(H2O), o mejor conocida como sosa, para tal efecto se emplearon las siguientescantidades:

Figura 17

Una vez que se realizaron las mezclas correspondientes se obtuvieron los siguientesresultados:

Sosa (NaOH) Temperatura

.5 gr1.0 gr2.0 gr4.0 gr

19 ºC19 ºC20 ºC22 ºC

Para complementar este experimento debes realizar lo siguiente:

a) Observa con cuidado la tabla y la gráfica en donde se presentan los resultados ycontesta la siguiente pregunta, ¿existe un desprendimiento de energía al realizar lamezcla?

Sí ______________ No. ___________________

.5 gr 1 gr 2 gr 4 gr 100 ml

Agua H 0Temperatura inicial de 18°C

2Sosa (NaOH)

158

b) Si la respuesta a la pregunta anterior es afirmativa ¿qué relación existe entre lacantidad de materia y el desprendimiento de energía?.____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

c) Por lo tanto, en este experimento, ¿cómo se puede cuantificar la energía?.

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

___________________________________________________________________

d) Dentro del experimento, ¿cuál es la variable independiente, (VI) variabledependiente (VD) y constante (K)?, menciónalas.

VI _________________ VD ____________________ K __________________

e) Anota, en el siguiente cuadro, cuál es el número de moles y de moléculas conforme alas cantidades empleadas en el experimento, recuerda que el cálculo de la masamolecular de la sosa ya la realizaste.

SOSA (gr) Número de Moles Átomos

0.5 gr1.0 gr2.0 gr4.0 gr

f) A partir de los datos anteriores, qué puedes concluir en cuanto a la transformación dela energía, su medición como tal, y la relación que existe entre masa y energía._____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

159

En este apartado podrás verificar e identificar cuáles fueron los aciertos y/o errores quetuviste en la Actividad de Consolidación de este fascículo.

1.

a) Materia, es todo lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa.

b) Los sólidos son cuerpos o sustancias que no se pueden comprimir, no se difunden ytienen un volumen definido. En tanto que las fuerzas de atracción tienden a sermayores que las de repulsión.

Los líquidos se difunden fácilmente , no se pueden comprimir y no tienen volumenpropio.A diferencia de los sólidos y gases, tanto las fuerzas de atracción como de repulsión,de las moléculas, son iguales.

Los gases no cuentan con una forma y volumen definido, además de que seexpanden fácilmente.En tanto que las fuerzas de repulsión son mayores, a las fuerzas de atracción.

c) Fusión, es la temperatura a la cual un sólido se funde o pasa al estado líquido.

d) Ebullición, es la temperatura a la cual un líquido comienza a hervir.

e) Densidad, es una unidad de medida que expresa la cantidad en gramos por unidadde volumen.

f) La cuantificación es una forma de registrar los cambios que se presentan durante unfenómeno. Por tanto, es una expresión numérica sobre dicho fenómeno, la cual lepermite al químico realizar un análisis más preciso y detallado.

g) Una mol es la unidad de medida de las moléculas, la cual está en función de su pesomolecular.

AUTOEVALUACIÓN

160

h) El número de Avogadro es de 6.023 x 1023

i) El Peso Molecular (PM) del:

Na OH CO2 H2O

Masa atómica Masa atómica Masa atómica

Na : 1 x 23 = 23O : 1 x 16 = 16H : 1 x 1 = 1

PM = 40 g/mol

C : 1 x 12 = 12O : 2 x 16 = 32

PM = 44 g/mol

H : 2 x 1 = 2 O : 1 x 16 = 16

PM = 18 g/mol

j) Los pasos que se deben realizar durante la fase experimental en química son:

1) Observación

2) Cuestionamiento o Planteamiento del Problema

3) Hipótesis

4) Experimentación

5) Registro de datos

6) Análisis

7) Síntesis

8) Conclusión

2.

3.5 litros = 3 500 cm3

3.5 L 1 000 mL1 L

1 cm1 mL

3.5 1 000 cm

1 cm3 500 cm

3 3

33

260 ºC = 533 °K

260 ºC + 273 = 533 °K

100 K = 173 ºC

100 °K – 273= 173 °C

161

480 cm2 = 480 mL

480 cm3 1 mL

1 cm3480 1 mL

1480 mL

270g = 0.270 Kg

270 g 1 Kg1 000 g

270 1 Kg1000

0.270 Kg

28 Kg = 2800 g

28 Kg 100 g1 Kg

28 1000 g1

2800 g

300 cm3 = 0.3 L

300 cm3 1 mL1 cm

1 L1000 mL

300 1 1 L1000

0.3 L3

3. Planteamiento del Problema

a) Sí

b) La energía que se desprende es directamente proporcional a la cantidad de materiaque reacciona.

c) Por medio de las diferencias de las temperaturas.

d) VI La cantidad de materia, VD La cantidad de energía desprendida K el agua

162

e)

0.5 g 1 mol NaOH40 g

= 0.0125 moles de NaOH moléculas

0.5 g 1 mol NaOH40 g

6.023 x 10 m o l é c u l a s1 mol

23= 7.52875 x 1021 moléculas

1 g 1 mol NaOH40 g

= 0.025 moles átomos

1g 1 mol NaOH40 g

6.023 x 101 mol

23 á t o m o s = 1.50575 x 1022 átomos

2 g 1 mol NaOH40 g

= 0.05 moles

2g 1 mol NaOH40 g

6.023 x 101 mol

23 á t o m o s = 3.0115 x 1022 átomos

4g 1 mol NaOH40 g

=0.1 mol

4g 1mol NaOH40g

6.023 x 10 á tomos1mol

6.023 x 1023

22 átomos

f) Conclusiones

La materia al transformarse (de hidróxido de sodio puro a hidróxido de sodio acuoso)mediante una reacción química se puede observar un desprendimiento de energía quese manifiesta en forma de calor, el cual se puede cuantificar mediante la variación detemperaturas, de ahí la importancia de realizar la medición de dicha temperatura. Alregistrar ésta, podemos identificar que la variación de la misma está en función de lacantidad de la materia. Es decir, que a mayor cantidad de materia (SOSA), mayor es lacantidad de energía en forma de calor que se desprende en la reacción, esto sefundamenta a la cantidad de átomos que participan en la mezcla.

163

El hierro se ha usado para construir puentes desde hace ya mucho tiempo, pero debehacerse un proceso de mantenimiento que incluye darle una mano de pintura, porque sino, después de un cierto tiempo, pierde sus características estructurales. ¿Cómopodríamos saber qué es lo que pasa cuando el hierro se oxida?. Una forma deexplicarlo es pensar que el hierro reacciona si se le agrega algo y se forma (sintetiza) uncompuesto. Veamos qué tan cierto es esto.

En tres vasos de precipitados de 100mL coloca agua (H2O) 50 mL en c/u de ellos. A unode ellos agrégale una cucharada de carbonato de sodio (Na CO2 3 ) y a otro ácidoclorhídrico, llamado comercialmente ácido muriático (HCI). En cada uno coloca un clavonuevo previamente pesado, el cual es de hierro (Fe). Deja pasar tres o cuatro días yanota las observaciones en tu cuaderno. En seguida saca los clavos de los vasos ypésalos nuevamente.

Las discusiones pueden ser muy variadas. Si observas bien, verás que el clavo en lasolución de ácido clorhídrico se ha cubierto de una sustancia semejante a la que seforma en el hierro de los puentes o en la lámina de los coches viejos. En estaexperiencia has reproducido, en el laboratorio, lo que sucede en la realidad y has usadola síntesis controlada para aumentar tu conocimiento de un fenómeno natural, en estecaso la oxidación de hierro. ¿A qué se deben los diferentes pesos registrados antes ydespués del experimento?.

Algunas sustancias son producidas por procesos de síntesis de una forma natural.Estas síntesis han llegado a ser tan importantes que ahora se efectúan en loslaboratorios y también se producen sustancias que antes no existían, y con ello sesupera la propia naturaleza.

Aquí queremos aprovechar este momento para que reflexiones sobre la importancia quetiene la posibilidad de crear nuevos materiales.

Indudablemente hay materiales cuyas características de duración son muy benéficas,pero un uso indiscriminado, sin cuidado y responsabilidad, puede ser dañino a la propianaturaleza. Un ejemplo es el plástico que se usa para bolsas, o para envasar diferentesproductos. Resulta tan “durable” que una vez usado y arrojado al basurero simplementeno se descompone, porque no es degradable en condiciones naturales, sea pordesgaste o porque se descomponga por la acción de organismos vivos (biodegradable).

La industria ya está buscando materiales con estas características, porque losmateriales no degradables están cubriendo la superficie terrestre. ¿Qué sería delhombre y los demás seres vivos si cubrimos la Tierra con envases plásticos desechablesy prácticamente eternos?.

ACTIVIDADES DE GENERALIZACIÓN

164

Ácido. Sustancia capaz de ceder protones. Suele tener sabor agrio y enrojecer el papeltornasol.

Ácido láctico. Líquido incoloro algo viscoso que se extrae de la leche agria, donde seproduce por fermentación microbiana a expensas de los azúcares de diferentesprocedencias.

Acidulante. Agente que incrementa la acidez de una sustancia.

Aditivo. Sustancia que se agrega a otra para mejorar sus cualidades.

Agua destilada. Agua sometida al proceso de destilación para eliminar sólidos quelleve disueltos o en suspensión.

Agua regia. Combinación del ácido nítrico con el clorhídrico; disuelve el oro.

Alcalino. De álcali; base. Sustancia que al combinarse con un ácido forma sales desabor amargo y que tiñe de azul el papel tornasol.

Aleación. Mezcla sólida homogénea de un metal con otras sustancias.

Amalgación. Acto de formar amalgamas ( aleaciones de mercurio con cualquier metal)

Antioxidante. Agente que retarda la oxidación de las sustancias.

Átomo. Es la unidad estructural de un elemento químico.

Base. Sustancia que al combinarse con ácidos forma sales. Es de sabor amargo y tiñede azul el pepel tornasol.

Balanza granataria. Instrumento utilizado en el laboratorio para cuantificar las masasde las sustancias.

Caloría (cal). Cantidad de energía térmica para elevar la temperatura de un gramo deagua de 14.5 a 15.5 ºC.

Cambio químico. Es aquel proceso en el que los reactivos son transformados enproductos con diferente estructura interna y propiedades.

Carbono C 12. Es un isótopo del carbono que tiene seis protones y seis neutrones ensu núcleo.

GLOSARIO

165

Celda fotovoltaica. Dispositivo que se diseñó, para convertir la energía solar eneléctrica.

Combustión. La rápida reacción química de una sustancia con oxígeno, que liberacalor y luz.

Comprimir. Reducir a menor volumen

Condensación. Cambio de estado de gas a líquido.

Contaminante. Agente que altera la pureza de algunas cosas, como los alimentos, elagua y el aire, así como el desarrollo de un ecosistema.

Corrosión. Acción de desgaste de una sustancia sobre otra; degradación de losmetales.

Cuba. Recipiente de madera que sirve para contener agua, vino, aceite u otros líquidos

Destilación. Proceso de separación de los componentes de una solución, mediantevaporización seguida de condensación del componente que evaporó primero.

Dosis. Cantidad determinada de una sustancia cualquiera.

Edulcorante. Agente que endulza las sustancias.

Electroquímica. Parte de la Química que estudia la interconversión entre energíaquímica y eléctrica.

Emulsificante. Agente que posibilita la mezcla homogénea de dos sustancias que encondiciones normales no se mezclarían.

Enlace. Es la fuerza que mantiene unidos a los átomos o moléculas en una sustancia.

Espectrofotómetro. Aparato que sirve para medir la capacidad de las sustancias paraabsorber la luz

Expansión. Acción y efecto de extenderse o dilatarse ocupando mayor volumen.

Fermento. Cualquiera de las sustancias coloidales solubles en agua y elaboradas porlas células que intervienen en el desarrollo de muchos procesos bioquímicos, actuandocomo catalizador.

Flogisto. Nombre de la sustancia hipotética que se trasladaba de una sustancia a otradurante una combustión.

Forma alotrópica. Fenómeno por el cual una sustancia existe en dos o más formassólidas cristalinas.

166

Freón. Gas compuesto de carbono, cloro y flúor que tiene la propiedad de absorberenergía cuando se expande, luego se condensa a baja presión y temperatura ambiente,por lo que se utiliza para enfriar.Glóbulo. Pequeño cuerpo esférico.

Inflamar. Encender una cosa levantando llama.

Innocuo. Que no produce daño, inofensivo.

Isótopo de un elemento. Son aquellos átomos de un elemento que difieren en susmasas nucleares; por ejemplo, en el carbono existen tres isótopos llamados carbono 12,carbono 13 y carbono 14. Los tres tienen seis protones en el núcleo pero cada unocuenta con seis, siete y ocho neutrones, respectivamente.

Joule. Unidad de energía mecánica: 1 J = 1 Kg m2/s2, 4.184 J = 1 cal.

Kilocaloría. (Kcal) un millar de calorías

Masa. Cantidad de materia que contiene un cuerpo.

Materia. Todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio.

Megawatt. Un millón de watts, siendo el watt la unidad que mide la potencia: 1W = 1J/s.

Metabolizar. De metabolismo; conjunto de transformaciones que se efectúan en unorganismo.

Metalurgia. Arte de beneficiar a los minerales y de extraer los metales que contienenpara ponerlos a disposición de ser elaborados.

Método de desplazamiento. Método usado para determinar el volumen de sólidos deforma irregular. Se basa en el principio de Arquímedes.

Neutralizador. Agente que disminuye o aumenta la acidez o la alcalinidad de unasustancia con el fin de alcanzar la neutralidad.

Notación científica. También conocida como potencias de base 10, usada paraabreviar la escritura de cantidades muy grandes o muy pequeñas.

Oxidación. Ganancia de oxígeno o pérdida de electrones; transformar un cuerpo poracción del oxígeno.

Partículas. Se refiere a las unidades que conforman a una sustancia, que pueden serátomos, moléculas, iones, electrones, etcétera.

Partículas . Partículas con carga positiva y emitidas por una sustancia radiactiva; sonnúcleos de helio.

167

Partículas . partículas con carga negativa y emitidas por una sustancia radiactiva, sonelectrones.

Polialcohol. Compuesto con muchos grupos OH (oxidrilos), como la glucosa o laglicerina.

Potenciómetro. Aparato para medir diferencias de potencial.

Productos. Son sustancias distintas a los reaccionantes; es el resultado que se lleva acabo en un cambio químico.

Propiedad de la materia. Toda característica que exhiben las sustancias ya quepueden ser cualitativa o cuantitativa (cuantificable).

Propiedad extensiva. Propiedad cuyo valor depende de la masa o del tamaño de lamuestra de sustancia considerada; ejemplo: masa. volumen, longitud, área, etcétera.

Propiedad intensiva. Propiedad cuyo valor es independiente de la masa de lasustancia considerada; ejemplo: color, densidad, sabor, dureza, punto de fusión,etcétera.

Punto de ebullición. Temperatura a la que debe calentarse un líquido para que pase alestado gaseoso.

Reactivos. Son aquellas sustancias que reaccionan en un cambio químico y queforman los productos.

Sustancia. Es una porción de materia

Tamizar. Hacer pasar un sólido a través de una malla de poro determinado parauniformar el tamaño del grano.

Temperatura de ignición. Temperatura a la cual una sustancia se inflama

168

ANDER, P. y A.J.Sonnessa. Principios de Química, Introducción a los conceptosteóricos. Limusa, México, 1975.

ASIMOV, I. La búsqueda de los elementos. Plaza y Janés, España, 1979.

ASIMOV, I. Breve historia de la Química. Alianza Editorial Mexicana, México, 1989.

ÁVILA, J. y J. Genescá: Más allá de la herrumbre. FCE. México, 1986.

CÓRDOVA, J.L. La Química y la cocina. FCE, México, 1990.

DICKSON, T.R. Química. Enfoque ecológico. Limusa, México, 1980.

DUCOING, Ch. A. La energía. Ediciones Enlace, México, 1982.

DUHNE, et. al. Química general y orgánica. McGraw-Hill, México, 1983.

ENCICLOPEDIA SALVAT DEL ESTUDIANTE. Editorial Salvat. España, 1980.

FLORES de Labardini, T. et. al. Química. PCSA, México, 1979.

GARCÍA, H. El investigador del fuego. Antoine Laurent Lavoisier. Pangea Editores,México, 1991.

GARRITZ, A., y J.A. Chamizo. Del tequesquita al ADN, Algunas facetas de la Químicaen México. FCE, México, 1989.

GARRITZ, A., y J. A. Chamizo: Química. Antologías. Editorial Consejo del SistemaNacional de Educación Tecnológica (COSNET), México, 1988.

GARRITZ, A. Et al . 33 prácticas de Química. COSNET. México, 1991.

HABER, S. U. Et. al. Curso de introducción a las ciencias físicas. Reverté, México, 1979.

HEIN, M. Foundations of College Chemistry. Brooks/Cole Publishing Company, USA.1990.

KRUIF, P. de. Los cazadores de microbios. Diana. México, 1979.

BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA

169

MALONE, L. V. Introducción a la Química. Limusa, México, 1988.

MORTIMER, CH. E. Química. Grupo Editorial Iberoamérica, México, 1983.

PÉREZ, M. H. Física 1. PCSA, México, 1991.

PIETRZYK, D. J. et. al. Química analítica. Interamericana, México, 1983.

RIUS DE RIEPEN M. y C. M. Castro-Acuña.La química hacia la conquista del Sol. FCE.México, 1986.

ROSENBERG, J. L. Química general. McGraw-Hill, México, 1989.

THE NUFFIELD FUNDATION. Química, Colección de experimentos. Reverté, España1971.

TIPPENS, P. E. Física Conceptos y aplicaciones. McGraw-Hill, México, 1987.

VLASOV, I y D. Trifonov. Química recreativa. Ediciones de Cultura Popular, México,1985.


QUÍMICA I

FASCÍCULO 2. ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LAMATERIA Y EL PETRÓLEO

Autores: José Luis Calvo Mendoza.María de Lourdes Castro Buendía.Imelda Fajardo Salgado.María Elena Fernández Rangel.María Luisa Martínez Elizondo.

David Nahón Vázquez. Graciela Tapia Rivera.

2

ColaboradoresRosa Martha Chávez Maldonado.Amalia España Zamudio.Sara María Teresa Reyes Arana.

Asesoría PedagógicaAlejandro González Villeda.

Revisión de ContenidoGabriel Roca Niño.Genaro Cisneros Vargas.Javier Zaldivar González.M. Sergio Ríos Carbajal.

Diseño EditorialLeonel Bello Cuevas.Javier Darío Cruz Ortíz.


3

INTRODUCCIÓN 5

CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA 7

PROPÓSITO 9

1.1 PROPIEDADES DE LOS GASES

1.1.1 Volumen.1.1.2 Presión.1.1.3 Efectos de la temperatura sobre los gases.

a) Escala de temperatura absoluta.1.1.4 Ley de Charles.1.1.5 Ley de Boyle.1.1.6 Ley de Gay-Lussac.1.1.7 Ley General del Estado Gaseoso o Ley General de los Gases.1.1.8 Hipótesis de Avogadro.1.1.9 Ecuación de los gases ideales.

1.2 ESTADO LÍQUIDO

1.3 ESTADO SÓLIDO

1.4 INTEGRACIÓN DE LOS TRES ESTADOS DE LA MATERIA

1.4.1 Diagrama de Fases.1.4.2 Hacia el Modelo Cinético Molecular.1.4.3 Modelo Cinético Molecular.1.4.4 Aplicación del Modelo.

11

12121416161820

222425

42

52

54

54555758

Í N D I C E

4

RECAPITULACIÓNACTIVIDADES INTEGRALESAUTOEVALUACIÓN

606164

CAPÍTULO 2. PETRÓLEO 67

PROPÓSITO 69

2.1 PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN DE LOS HIDROCARBUROS

2.1.1 Estructura de los hidrocarburos.2.1.2 Alcanos o parafinas.2.1.3 Alquenos u olefinas.2.1.4 Alquinos o acetilénicos.2.1.5 Compuestos cíclicos.

a) Saturados.b) No saturados.

2.1.6 Isómeros.

2.2 EL PETRÓLEO Y SUS DERIVADOS

2.2.1 El petróleo y su importancia socioeconómica enMéxico.

a) Consecuencias del uso irracional del petróleo.


71

7273767879798184

87

9293

9596

103

RECAPITULACIÓN GENERAL 104

ACTIVIDADES DE CONSOLIDACIÓN 105

AUTOEVALUACIÓN 108

ACTIVIDADES DE GENERALIZACIÓN 111

GLOSARIO 112

BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA 115

5

Si definimos a la materia como “todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tienemasa”, entonces podemos darnos cuenta que lo que se encuentra a nuestro alrededores materia.

En este fascículo tenemos como objetivo que identifiques los diferentes estados deagregación de la materia; mediante la aplicación de problemas, prácticas de laboratorio yla utilización del modelo cinético molecular; ésto te servirá para poder comprender elconcepto de molécula y aplicar los conocimientos adquiridos en los recursos naturales,tales como el petróleo.

Por lo tanto, este fascículo estará conformado por dos capítulos:

Dentro del primer capítulo, titulado “Características de los Estados de Agregación dela Materia” conocerás las características y propiedades de los tres estados deagregación de la materia (gas, líquido y sólido), así como la integración que se puededar entre estos tres estados, mediante el Modelo Cinético Molecular.

El segundo capítulo, tiene como nombre “Petróleo”, dentro de éste conocerás cuálesson las propiedades, clasificación y estructura de los hidrocarburos. Posteriormente, semencionará la importancia que tiene el petróleo, así como las ventajas y desventajas desu uso.


7

CARACTERÍSTICAS DE LOS ESTADOS DEAGREGACIÓN DE LA MATERIA


1.1.1 Volumen.1.1.2 Presión.1.1.3 Efectos de la temperatura sobre los gases.

a) Escala de temperatura absoluta1.1.4 Ley de Charles.1.1.5 Ley de Boyle.1.1.6 Ley de Gay-Lussac.1.1.7 Ley General del Estado Gaseoso o Ley General de los Gases.1.1.8 Hipótesis de Avogadro.1.1.9 Ecuación de los gases ideales.

1.2 ESTADO LÍQUIDO

1.3 ESTADO SÓLIDO


1.4.1 Diagrama de fases.1.4.2 Hacia el Modelo Cinético Molecular.1.4.3 Modelo Cinético Molecular.1.4.4 Aplicación del modelo.

C A P Í T U L O 1

9

Con la lectura de este fascículo conocerás cuáles son las características y diferenciasmás importantes de los tres estados de agregación de la materia.

Todo esto lo podrás lograr llevando a cabo actividades y prácticas de laboratoriorelacionadas con los estados de agregación.

Esto te servirá para comprender el comportamiento de la materia, ya sea que sepresente como sólido, líquido o gas.

P R O P Ó S I T O

11

CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LOS ESTADOS DEAGREGACIÓN DE LA MATERIA


Históricamente los gases ocupan un lugar especial, debido a que su estudio llevó adesarrollar una gran cantidad de conocimientos, de ahí la importancia de lascaracterísticas que distinguen al estado gaseoso. La cantidad de un gas se determinamidiendo sus propiedades; volumen, presión y temperatura, por lo que es importantehablar de estas tres variables.

Cuando el viento roza nuestro cuerpo o percibimos el olor de un perfume estamosinteractuando con el estado gaseoso de la materia. En el desarrollo histórico de laQuímica, el estudio de los gases ha proporcionado claves para comprender tantofenómenos físicos como químicos.

Para llevar a cabo lo siguiente; deberás reflexionar sobre el proceso que ocurre cuandoalguien infla un globo y explica ¿por qué se expande el globo?.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


12

1.1.1 VOLUMEN

Un gas se expande espontáneamente hasta llenar completamente el recipiente que locontiene, por eso el volumen ocupado por un gas es la capacidad completa delrecipiente. La unidad SI básica de volumen es el metro cúbico (m3). Una unidadconveniente para nuestros cálculos es el decímetro cúbico (dm3), el cual recibe elnombre de litro (L). Para volúmenes más pequeños se ocupa el centímetro cúbico (cm3),al que se le llama también mililitro (mL).

Una de las propiedades características de los gases es su carencia de forma y suexpansión ilimitada debido a su estructura interna.

Sabemos que todos los gases se expanden indefinidamente hasta llenar el espaciodentro del cual están contenidos; por eso una determinada muestra de gas no tiene niforma ni volumen definido. El estado gaseoso también se caracteriza por su alto gradode compresibilidad. Para producir una disminución mínima en el volumen de un líquido oun sólido se requiere aplicar una presión enorme, mientras que un gas fácilmente puedeser reducido a una pequeña fracción de su volumen original. También cuando dos o másgases se ponen en contacto se mezclan total y uniformemente en todas susproporciones, y por eso cualquier mezcla de gases es homogénea1.

Tal vez hayas leído en una lata de aerosol el mensaje que apareceen su etiqueta “no se queme ni perfore el envase, ni se exponga alcalor”.

Dentro de la lata hay un gas a alta presión, lo cual quiere decir queejerce fuerza sobre cada cm3 de la superficie interna de la lata.

Te has preguntado ¿por qué nos indican que no la perforemos?,¿qué puede pasar si la calentamos en el fuego al incinerar basura?

1.1.2 PRESIÓN

Los científicos han convenido en definir la presión como la cantidad de fuerza o “empuje”ejercida sobre la unidad de área.

P FA

= fuerza que actúa perpendicularmente a una superficie, por unidad de área.

A = área en la que está distribuida la fuerza.

La presión poseída no depende sólo de la fuerza que se ejerce, sino de la superficiesobre la cual se distribuye esta fuerza. Por ejemplo, si un objeto que pesa 1000 kgdescansa sobre una superficie plana de 10 m2 ejercerá una presión de 100 kilogramospor metro cuadrado. En tanto un objeto que pesa 1 000 kg, y descansa sobre unasuperficie de 100 m2, ejerce una presión de 10 kilogramos por metro cuadrado.

1 Fue Anton van Helmont (1577-1644) quien propuso utilizar la palabra “gas” (del griego: caos) para designar a este estado deagregación.

13

La unidad del SI de fuerza es el newton (Nw)2, la cual se define como la fuerza queposee un cuerpo con una masa de un kilogramo y una aceleración de un metro porsegundo cuadrado.

La unidad del SI de presión (newton por metro cuadrado) se llama Pascal3 y se abrevia(Pa). Desafortunadamente, con frecuencia todavía se emplean otras unidades más paramedir presiones tales como la atmósfera (atm) y el milímetro de mercurio (mmHg) oTorricelli (Torr)4.

Las relaciones existentes entre las tres unidades son:

1 atm = 760 mmHg (al nivel del mar).

1 atm = 101.325 kPa (presión de los gases de la atmósfera al nivel del mar).

La presión atmosférica se mide con el barómetro, aparato inventado en 1644 porEvangelista Torricelli.

Ejemplo:

1. La presión del gas de un neumático es de 2 atm, ¿cuál será su presión expresada enkPa?

La presión que relaciona kilopascales con atmósferas es:

1 atm = 101.325 kPa.

Con esa expresión puede construirse la razón unitaria:

101.325 kPa1 atm

Para la resolución del problema es necesario multiplicar el dato por la razón unitaria, esdecir:

P = 2 atm 101.325 kPa1 atm

= 202.65 kPa

Como la Ciudad de México está a 2 240 m sobre el nivel del mar, el espesor de laatmósfera encima de ella es menor y la presión que ejerce también. En milímetros demercurio, la presión atmosférica en la ciudad es de 585 mmHg. Transforma este dato aatm y a Pa.

2 En honor de Isaac Newton (1642-1727).3 En honor de Blaise Pascal (1623-1662).4 En honor de Evangelista Torricelli (1608-1647).

14

1.1.3 EFECTOS DE LA TEMPERATURA SOBRE LOS GASES

Hacia 1787 Jacques Alexandre César Charles (1746-1823) analizó los cambios en losvolúmenes del oxígeno, hidrógeno, dióxido de carbono y aire se producían por lasvariaciones de temperatura. En el periodo comprendido entre 1802-1808, Joseph LouisGay-Lussac (1778-1850) estudió este mismo fenómeno. Los datos de ambos científicosindicaban que el volumen de un gas crece linealmente con su temperatura en gradoscentígrados.

En la figura 1, la línea recta indica que el volumen y la temperatura del gas varíanlinealmente. Sin embargo, el volumen del gas no se duplica cuando se dobla latemperatura (en grados centígrados). Por lo tanto, no son directamente proporcionales.

Figura 1. Relación de temperatura y volumen para los gases.

Figura 2. Un barómetro simple.

200

100 60

0-273 -200 -100 0 100 200

el volumen disminuye repentinamente a unafracción de milímetro cuando el gas setransforma en líquido.

la línea punteada deextrapolación muestracómo se comportaría elgas si se pudiera enfriarsin que se licuara

volumen, ml

temperatura, °C

Vacío

La altura de la columna indicala presión atmosféricaPresión

atmosférica

15

Otros aparatos para medir la presión son el manómetro de extremo abierto y elmanómetro de extremo cerrado.

Figura 3. Un manómetro de extremo abierto.En el nivel de la línea de trazos inferior, lapresión del gas ejercida hacia abajo en el tuboderecho es Patm + PHg, donde PHg es lalongitud de la columna de mercurio (mmHg)entre las líneas de trazos. En el tubo izquierdodel gas ejerce la misma presión hacia abajo,suministrando la base para la igualdadestablecida.

Figura 4. Un manómetro de extremo cerrado.La presión del gas, Pgas, es igual a lapresión PHg ejercida hacia abajo por elmercurio en la columna derecha entre laslíneas de trazos. Esta presión se expresacomo la altura de esta columna, esto es enmilímetros de mercurio.

Realiza lo siguiente: Inserta un globo en la boca de un envase de refresco y colócalosdentro de un recipiente con agua caliente, observarás que el globo se infla; siposteriormente haces lo mismo pero en un recipiente con agua fría observarás que elglobo se desinfla. Explica ¿por qué?. Apóyate en la figura 5.

Figura 5. Efecto de la temperatura sobre el volumen. Cuando aumenta la temperatura, el volumen del globo se incrementa.


16

a) Escala de temperatura absoluta

Si imaginariamente el gas se continuara enfriando tendría que llegar un momento enque su volumen fuera cero. Aunque es increíble la idea de que la materia tenga unvolumen cero, la temperatura a la cual sucedería es importante científicamente. Estatemperatura se ha calculado, y es de 273.15 grados centígrados bajo cero y se le llamacero absoluto. Ésta es la temperatura más fría alcanzable. A partir de este hecho puedeconstruirse una nueva escala llamada de temperaturas absolutas, en la que todas sonpositivas.

En 1848 William Thomson, también llamado Lord Kelvin (1824-1907), fue quiendemostró la validez de la escala de temperaturas absolutas.

Con posterioridad, el SI sugirió el uso de esta escala para la medición de lastemperaturas. Para convertir grados centígrados (ºC) a Kelvin (K), la relación es:

T = t + 273.Donde T = temperatura en K

t = temperatura en ºC.

Ejemplo:

¿Cuántos K corresponden a 25 ºC?

T = 25 ºC + 273

T = 298 K

Es importante que tomes en cuenta lo siguiente:

1.1.4 LEY DE CHARLES

Efecto de la temperatura sobre el volumen

La línea recta en la figura 4 muestra que las variaciones de temperatura y volumen sonlineales entre si. Sin embargo, si las temperaturas se miden en grados centígrados, noexiste una relación proporcional directa de la temperatura con el volumen. En cambio, silos datos de temperatura se transforman a grados Kelvin, la relación entre temperatura yvolumen es proporcional. La expresión de esta relación se conoce como la Ley deCharles, la cual expresa que:

“Si la presión se mantiene constante, el volumen de una determinada cantidad de gas esdirectamente proporcional a su temperatura absoluta.”

Es práctica general usar una T mayúscula cuando se trata de temperaturasabsolutas y una t minúscula cuando se trata de temperaturas en gradoscentígrados o celsius.

17

Su expresión matemática es:

V T (a presión y masa constante)o lo que es lo mismo:

VT

= constante ( a presión y masa constante).

Es decir, la relación entre volúmenes y temperaturas iniciales y finales durante unproceso es:

ViTi

VfTf

donde

Vi, Ti = volumen y temperatura inicial, y

Vf, Tf = volumen y temperatura final.

Tomando en consideración que los gases se comprimen y se expanden, debemos tomaren cuenta las condiciones iniciales y finales que se indican con los subíndices “ i, y, f”(inicial y final).

Ejemplo:

Si se llena un recipiente con 16 L de oxígeno gaseoso a 20 ºC, ¿cuál será el volumen(Vf) en litros cuando la temperatura aumente a 27 ºC, manteniendo constante lapresión?.

Datos Fórmula

Vi = 16 LV

iTi

VfTf

,

Ti = 20 ºC + 273 = 293 K

Vf = ?

Tf = 27 ºC + 273 = 300 K

Despeje Sustitución

ViTf = TiVf Vf =16 L 300 K

293 K= 16.38 L.

VfViTf

Ti

De la ecuación de la Ley de Charles hayque despejar Vf.

18

Como ves, el volumen final es mayor debido a que la temperatura final es mayor que lainicial.1.1.5 LEY DE BOYLE

Efecto de la presión sobre el volumen

Si tomas una jeringa, le sacas el émbolo hasta la marca de su capacidad y obstruyes lasalida del aire por su pivote, ya sea colocándole un tapón o clavándola en un tapón dehule, y posteriormente la sujetas fuertemente en posición vertical y le vas colocandoencima cuerpos de peso semejante, ¿qué observas?.

Figura 6. La presión del aire encerrado en la jeringa es igual a la suma de los pesos del émbolo, de la plataforma y del libro,dividida entre la superficie del extremo del émbolo más la presión de la atmósfera.

Este fenómeno fue estudiado independientemente por Robert Boyle (1627-1691) y porEdmond Mariotte (1620-1684), quienes emplearon un aparato similar al que se muestraen la figura 7.

Figura 7. Aparato de Boyle. La presión sobre el gas atrapado en el extremo cerrado del tubo puede cambiarse añadiendo másmercurio a través del extremo abierto. En la medida en que aumenta la presión sobre el gas, disminuye su volumen.

19

En la tabla 1 se resumen los resultados de las medidas de presión y volumen realizadascon el hidrógeno a temperatura ambiente. En la cual observarás cómo el producto de lapresión por volumen es constante.

Tabla 1. Compresión del hidrógeno gaseoso a 25 ºC

Medición Presión (mmHg) Volumen mL P x V mL mmHg

1 700 25.0 1.75 x 104

2 830 21.1 1.75 x 104

3 890 19.7 1.75 x 104

4 1060 16.5 1.75 x 104

5 1240 14.1 1.75 x 104

Como conclusión de estas observaciones se estableció la llamada Ley deBoyle-Mariotte, la cual expresa que:

“El volumen de una masa constante de gas varía inversamente con la presión ejercidasobre el mismo, si la temperatura se mantiene constante.”


v 1P

(a masa y temperatura constante).

Es decir:

PV = constante, o lo que es lo mismo, para un proceso con condiciones iniciales yfinales:

Pi Vi = Pf Vf (a masa y temperatura constante).

Donde:

Pi, Vi = presión y volumen iniciales.Pf, Vf = presión y volumen finales.

20

Ejemplo:

Una muestra de nitrógeno (N2) ocupa un volumen de dos litros y se encuentra a unapresión de 0.76 atm. ¿Cuál será el volumen que ocupará en litros si la presión aumentaal doble, manteniendo constante la temperatura?.

Datos Fórmula Despeje

Vi = 2L PiVi = PfVf Vf =PiViPf

Pi = 0.76 atm

Vf = ?

Pf = 2 (0.76 atm) = 1.52 atm

Sustitución

Vf = 0.76 atm x 2 L1.52 atm

Vf = 1.0 L.

Si observas el resultado, el volumen disminuye a la mitad al aumentar la presión aldoble, cumpliéndose el enunciado de la ley.

1.1.6 LEY DE GAY-LUSSAC

Relación entre presión y temperatura

Si mides la presión de un neumático en las primeras horas de un día caluroso, despuésde varias horas de rodar a las altas temperaturas del mediodía, notarás que la presiónaumenta. Este fenómeno no va acompañado de un aumento apreciable del volumen delneumático, pues el hule vulcanizado es bastante rígido.

La relación existente entre los cambios de temperatura y la presión a volumen constantese le atribuye a Joseph Louis Gay-Lussac y a Guillaume Amontons (1663-1705).

21

Sus observaciones se resumen en la ley de Gay-Lussac, la cual establece que...

La presión de una cierta masa de gas es directamente proporcional a la temperaturaabsoluta cuando el volumen no varía.


P T

PT

constante (masa y volumen constante).

Es decir:

PiTi

=PfTf

(a volumen y peso constante).

donde:

Pi, Ti = presión y temperatura iniciales.

Pf, Tf = presión y temperatura finales.

Ejemplo:

En un tanque se almacenan 30 litros de nitrógeno a presión de 3 atm y a unatemperatura de -15 ºC en Ciudad Juárez, Chihuahua; al llevar este tanque hasta SalinaCruz, Oaxaca, en donde la temperatura es de 33 ºC, ¿qué presión en kilopascales (kPa)se ejerce sobre la pared del tanque?.


Vi = 30 LPiTi

=PfTf

Pi Tf = Ti Pf

Pi = 3 atm Pf =PiTf

TiTi = -15 ºC + 273 = 258 K

Tf = 33 ºC + 273 = 306 K

Pf = ?

22

Sustitución

Pf = 3 atm x 306 K258 K

= 3.56 atm.

Por medio de la razón unitaria que transforma kPa en atm finalmente obtenemos:

Pf = 3.56 atm 101.325 kPa1 atm

= 360. 7 kPa

1.1.7 LEY GENERAL DEL ESTADO GASEOSO O LEY GENERAL DE LOS GASES

Como ya hemos indicado, existen tres variables que describen una determinadacantidad de gas: P, V y T; así, pues, se ha estudiado qué dependencia hay entre dospropiedades de los gases cuando todas las demás se conservan constantes. Porejemplo, se ha considerado V como una función de P cuando la masa (m), y la T sonconstantes (Ley de Boyle); en la práctica es más probable que la presión y latemperatura de una masa constante de gas cambien simultáneamente. ¿Cómodeterminamos la dependencia del volumen bajo estas condiciones? Una solución serácombinar las leyes estudiadas (Boyle, Charles y Gay-Lussac) en un solo enunciado parala llamada Ley general del estado gaseoso.


PVT

constante, o bien,

en la expresión PVT

constante se encuentran contenidas o agrupadas las leyes de

Boyle, Charles y Gay-Lussac, pues PiViTi

=Pf Vf

Tf siempre que la cantidad de gas, o sea

su masa, sea constante.

Pi, Vi, Ti = datos iniciales. Pf, Vf, Tf = datos finales.

23

Realiza lo que se pide a continuación y completa el siguiente ejercicio:

Un balón de fútbol, con un volumen de 6 litros, presión de 80 kPa y temperatura de 25 ºCen la Ciudad de México es llevado a Acapulco, donde la presión es de 101 kPa ytemperatura de 30ºC. ¿Cuál es su nuevo volumen?. ¿Se podrá jugar bien al fútbol?Argumenta tus respuestas.


Vi = 6 L PVT

= P VT

i i

i

f f

fV = VPT

P Tfi i f

f i

Pi = 80 kPa

Ti = 25 ºC + 273 = 298 K

Vf = ?

Pf = 101 kPa

Tf = 30 ºC + 273 = 303 K

Sustitución

Vf = 6 L x 80 kPa101 kPa

x 303 K298 K

= 145 44030 098

= 4. 83 L

El volumen se redujo de 6L a menos de 5 L, al balón le falta aire, por lo tanto no sepuede jugar bien al fútbol.

Ahora despeja cada una de las variables de la fórmula de la Ley General del EstadoGaseoso.


24

1.1.8 HIPÓTESIS DE AVOGADRO

Cuando el hidrógeno y el oxígeno reaccionan para formar agua gaseosa, la relaciónexistente entre los volúmenes de los reactivos y el producto, si se miden a la mismapresión y temperatura, es:

Dos volumenes de hidrógeno + un volumen de oxígeno = dos volúmenes de agua gaseosa

Al observar el fenómeno anterior, Joseph Louis Gay-Lussac propuso su Ley de losVolúmenes de Combinación, la cual establece que cuando se miden bajo las mismascondiciones de temperatura y presión los volúmenes de los reactivos y productosgaseosos de una reacción, éstos están en relación de números enteros pequeños. ¿Porqué sucede esto?. La explicación de la ley de volúmenes de combinación surgió en1811 en Italia: Amadeo Avogadro conocía la teoría del inglés John Dalton sobre laexistencia de átomos y “átomos compuestos” (hoy conocidos como “moléculas”) en todala materia.

Avogadro propuso que tanto el gas hidrógeno como el gas oxígeno estaban formadospor infinidad de pequeñísimas moléculas con dos átomos cada una y que la ley devolúmenes de combinación sugería que en el agua existían moléculas con dos átomosde hidrógeno y uno de oxígeno. La figura 8 muestra la explicación de Avogadro entérminos de moléculas. Por simplicidad, supongamos que en cada “volumen” caben sólotres moléculas.

Figura 8. Representación de la Hipótesis de Avogadro.

Por si no te habías dado cuenta, existe una suposición adicional que es clave paraaceptar la propuesta de Avogadro, conocida como hipótesis de Avogadro5.

“Volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de moléculascuando están a la misma presión y temperatura”.

5 También es llamado ley o hipótesis de avogadro. No se acepta el término ley, ya que la propuesta de avogadro no fue elresumen de hechos observados, sino más bien una explicación de la ley de los volúmenes de combinación de Gay-Lussac.

25

Así pues, a presión y temperatura constante, el volumen de una muestra de gas esproporcional al número de moléculas de la muestra. Ya que las moléculas son contadaspor moles, se puede decir que a presión y temperatura constantes el volumen de unamuestra de gas es proporcional al número de moles presentes, es decir:

V n ( Cuando la Temperatura y Presión son constantes)

es decir: Vn

= una constante.

A condiciones normales de presión y temperatura (P = 1 atm T = 273 K), el valor deVn

= 22. 412 L / mol . A este volumen de un mol de gas a temperatura y presión

normales se le llama volumen molar del gas.

1.1.9 ECUACIÓN DE LOS GASES IDEALES

En la ley de Avogadro existen cuatro variables que describen completamente cualquiercantidad de gas: n, V, T y P. Estas variables no son independientes una de otras; enrealidad si tres de ellas están fijas, la otra también lo está.

El volumen de un gas es directamente proporcional al número de moles presentes (n) ya la temperatura absoluta (T), es inversamente proporcional a la presión (P). Lacombinación de las leyes de Boyle, Charles, Gay-Lussac y Avogadro en un soloenunciado recibe el nombre de Ley del gas ideal, la cual se expresa matemáticamentede la siguiente manera:

V nTP

Si esta proporcionalidad se plantea con una igualdad, se escribirá:

V RnTP

donde R es una constante de proporcionalidad. Esta igualdad se escribe generalmenteasí:

PV = nRT

se conoce como la Ley del gas ideal6.

6 También se conoce como ecuación de estado para un gas ideal. Una ecuación de estado es la que relaciona variables quepueden definir el estado de un sistema, es decir, la condición exacta del sistema.

26

Para saber el valor de la constante R, es necesario conocer cuatro variables de unadeterminada muestra de gas. Así, pues, para un mol de gas a presión y temperaturaestándar tenemos que:

n (número de moles) = 1 molV (Volumen) = 22.4 LT (Temperatura) = 273 KP (Presión) = 1 atm.

Sustituyendo en la ecuación general de los gases, tenemos que:

R = V PT n

=2 2 .4 L 1 a tm2 7 3 K 1 m o l

= 0 .0 8 2 a tm Lm o l K

En este caso es importante hacer notar que el valor de R es posible calcular paradiferentes unidades. Como por ejemplo si la presión se mide en kPa.

R 0.082 atm Lmol K

101.33 kPa1 atm

8.31 kPa Lmol K

Otra variable de la ley general de los gases es el siguiente ejemplo:

Un volumen de 1.64 L de un gas medido a una temperatura de 27 ºC y a una presión de890 mmHg pesa 2.273 g. Calcula la masa molar del gas.

En este sentido, lo primero que debemos hacer es ordenar los datos e identificar laincógnita:

Datos Fórmula

V = 1.64 L PV = nRT

T= 27 ºCP= 890 mm Hgm = 2.273 gPM = ?

R = 0.082 atm Lmol K

Si sustituimos los valores conforme a la fórmula general observarás que existen dosvariables o literales que no corresponden con ésta.

27

Como recordarás, en el fascículo anterior se mencionó que:

Número de moles (n) = masa en gramos m Peso Molecular PM

o n = mPM

A partir de esta igualdad podemos sustituir el valor de “n” en la fórmula General de losgases de la siguiente manera:

PV = mPM

RT

Una vez que contamos con las variables correctas en la fórmula, tendremos que llevar acabo el siguiente despeje para encontrar el valor del peso molecular (PM):

PM PV = mRTPor lo tanto:

PM = mRTPV

Por último sustituimos los valores y obtenemos como resultado:

PM = 2. 273 g 0. 082 atm L

K mol*300 K

*1.17 atm 1. 64 L

PM 55 915 mol1919

2914 mol= . g /.

= . g /

Nota: Los valores marcados con * se obtienen a partir de que se hacen las conversiones de unidades:

P = 850 mm Hg 1 atm

760 mm Hg1. 17 atm

T = 27 ºC + 273 = 300 K

Calcula la presión de un cilindro de gas que contiene 40 L de gas a 45 ºC y tiene unapresión de 650 mm Hg. Si la temperatura cambia a 100 ºC.

No olvides que en algunos casos deberás hacer despejes de la fórmula general yconversiones de las unidades.


28

Experimento I

Tema: Leyes de los gases.

Objetivo: el estudiante demostrará en el laboratorio la Ley de Boyle-Mariotte.

Para llevar a cabo este experimento debes tener claros conceptos antecedentes como;lo que son los gases, principales leyes que los rigen, propiedades que los caracterizan,la definición de presión, instrumentos que se utilizan para medir la presión de los gases,a qué escala de temperatura debe trabajarse con gases, la relación entre presión ytemperatura en la ley de Gay-Lussac. Así como la variación de la temperatura y volumende un gas con presión constante, según la ley de Charles.

Experimentación (Ley de Boyle-Mariotte).

Objetivo del experimento: el estudiante demostrará la relación entre el volumen de unacantidad constante de gas y la presión, manteniendo constante la temperatura.

Material:

☞ Un tubo en forma de U cerrado por un extremo.

☞ Una regla graduada de 50 cm.

☞ Sustancia, mercurio o agua.

Procedimiento, esquema o diagrama.

A. Aire encerrado.

B. Mercurio.

C. Regla graduada.


29

Figura 9. Representación gráfica del aparato diseñado por Boyle-Mariotte para comprobar el efecto que tiene la presiónsobre el volumen de una masa.

Coloca el mercurio tal como se indica en la figura7.

Realiza tus mediciones y, al mismo tiempo, aumenta el volumen de mercurio y registralos datos de tal forma que llenes el cuadro del punto 3.5.

Hipótesis.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Guía de observación y registros de datos. Con los datos obtenidos realiza la gráfica.

Análisis y discusión de resultados (cuestionamiento o reflexión).

a) ¿Qué sucede con el volumen de un gas que se encuentra a temperatura constante, siaumentamos la presión?.

____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

b) ¿Cuál fue la presión del aire encerrado al iniciar tu experimento?. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

7 Debes tener cuidado al manejar el mercurio, puede provocar transtornos en tu organismo ya que es altamente tóxico.

30

c) ¿Qué ocurrirá con el volumen de un gas al momento que disminuyas la presión, si latemperatura es constante?.

____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

d) ¿A qué temperatura trabajaste en el laboratorio?. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

e) ¿Qué sucedió con los niveles de las ramas del tubo cuando empezaste a agregar elmercurio?.

____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

Conclusión.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Bibliografía.

METCALFE, H. C. et al. : Química moderna. Interamericana, México, 1988.

31

Experimento II

Tema: Presión de vapor.

Objetivo: medir la presión de vapor de líquidos: agua y tetracloruro de carbono CCI4.

Para llevar a cabo este experimento debes conocer los siguientes conceptos previos:presión de vapor, factores que determinan el valor de la presión de vapor de un líquido,la manera en que varía el punto de congelación de un líquido cuando su presión devapor es menor, lo que ocurre cuando la presión de vapor de un líquido aumenta sutemperatura.

Experimentación: Medir la presión de vapor de los líquidos mencionados en elpunto 1.

Objetivo del experimento: comportamiento de los líquidos para medir su presión devapor.

Materiales, sustancias y equipo:

☞ Tubos capilares.

☞ Mercurio.

☞ Agua.

☞ Tetracloruro de carbono.

☞ Tres cristalizadores.

☞ Un metro.

Procedimiento, esquema o diagrama de flujo: Coloca con cuidado el mercurio en cadacristalizador; procura hacerlo como se indica en la siguiente figura:

Figura 10. Medición de la presión de vapor, del agua y el tetracloruro de carbono.

X Y

32

Medir X y Y para saber cuál es la presión de vapor del agua y del tetracloruro decarbono.Hipótesis: La presión de vapor de los líquidos no varía. Se mantiene igual.

Guía de observaciones y registro de datos: Determinar la presión de vapor del agua ydel tetracloruro de carbono, y registrar los datos en la siguiente tabla:

Tabla 2

Núm. De lectura Volumen de mL Desnivel del Hg(cm)

Presión(cm Hg)

Productode Pxv = K

Análisis y discusión de resultados (cuestionamiento y reflexión).

a) ¿Cuál de los dos líquidos es más volátil?.

b) ¿Cómo varía la presión de vapor de un líquido con respecto de su volatilidad?.

c) ¿Qué sustancia tiene mayor velocidad de evaporación a la misma temperatura?.

d) ¿Qué pasaría con la presión de vapor de algunas de las sustancias que estásutilizando si aumentas la temperatura de tu experimento?.

Conclusiones.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Bibliografía:

FLORES de Labardini, T., García, G. M., et al.; Química. Publicaciones Cultural,México,1990.

33

“LEYES DE LOS GASES” (OBLIGATORIA).

Objetivo

Establecer la relación de las variables que determinan el estado gaseoso de la materia,a partir de experimentos donde se manipulen la presión, la temperatura y el volumen delaire para deducir las leyes de los gases.


1) ¿Cuáles son las propiedades que caracterizan a los gases?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________2) ¿De qué manera se define la presión?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿En qué consisten la expansión y la compresión?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) ¿Con qué aparato se mide la presión?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) ¿Cuál es la diferencia entre gas y vapor?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6) ¿Con qué unidad se mide la temperatura?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


34

Experimento I

Objetivo

Establecer la relación entre la presión y el volumen de un gas.

Hipótesis

A partir de la siguiente pregunta elabora tu hipótesis.

¿Qué sucedería con el volumen de un gas que se encuentra a temperatura constante, siaumentamos su presión?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias

☞ 1 Manómetro ☞ Agua (cantidad suficiente)☞ 1 Perilla de hule☞ 1 Pinzas de Mohr


La requerida en el laboratorio.

¿Cómo hacerlo?

Figura 11

Vi

35

Antes de iniciar tu experimento mide y anota la temperatura ambiente. Coloca agua en elmanómetro, hasta que los niveles estén a la misma altura, en estas condiciones, lapresión inicial es igual a la presión atmosférica.

Mide la altura del aire que se encuentra en el extremo cerrado del manómetro y eldiámetro del tubo, para calcular el volumen inicial del aire.Coloca en el extremo abierto una perilla de hule; comprime un poco la perilla y manténlaoprimida hasta hacer la lectura, midiendo la diferencia de alturas en los niveles del agua.Medir la altura del aire encerrado y calcular el volumen correspondiente.

Repite esta operación tres veces más, comprimiendo un poco más la perilla cada vez ycalculando las presiones y volúmenes correspondientes para llenar el cuadro y construirla gráfica.


Tabla 3

No VOLUMEN PRESIÓN

1

2

3

4

Elabora la gráfica correspondiente.

36

Experimento II

Objetivo

Observar el comportamiento de un gas a volumen constante.

Hipótesis

¿Qué tipo de relación existe entre la temperatura del gas y la presión que ejerce éstasobre las paredes de la jeringa?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

☞ 1 Soporte Universal ☞ 1 Jeringa☞ 1 Anillo de hierro ☞ 1 Mechero Bunsen☞ 1 Tela de alambre con asbesto ☞ 1 Termómetro☞ 1 Vaso de precipitados ☞ 1 Tapón de hule☞ 1 Marco de pesas ☞ 1 Pinzas para bureta☞ Agua la necesaria.


La indicada para el caso de calentar con mechero y para el uso del material de vidrio.

¿Cómo hacerlo?

En un vaso de precipitados de 500 mL colocar una jeringa con un volumen determinadode aire y un termómetro como se muestra en la figura:

Figura 12

Jeringa

Pesas

Tapón

Agua

37

Empezar a calentar tratando de mantener el volumen de aire constante, colocandopesas sobre el émbolo de la jeringa a medida que aumenta la temperatura. Tabular losdatos de presión y temperatura obtenidos.

Debes ir midiendo la temperatura (K) y presiones (g/cm2) del gas, tanto la inicial como alo largo del experimento.

Registro de observaciones.

Tabla 4.

No. T (K) P (g/cm2) px 1T

K K


38

Experimento III

Objetivo

Observar el comportamiento de un gas a presión constante.

Hipótesis


¿Cuál es la relación que existe entre el volumen y la temperatura de un gas?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?


☞ 1 Baño María ☞ Agua suficiente.☞ 1 Matraz Erlenmeyer 250 mL☞ 1 Termómetro☞ 1 Tapón de hule No. 5.5☞ 1 Tubo de vidrio con punta capilar☞ 1 Cuba hidroneumática☞ 1 Pinzas para matraz Erlenmeyer

Prevención y seguridad.

La indicada para el caso de calentar con mechero y para el uso del material de vidrio.

¿Cómo hacerlo?

En un baño María se pone a hervir agua y se introduce el matraz con aire y después detres minutos se mide la temperatura del aire dentro del matraz.

Se coloca al matraz un tapón monohoradado con un tubo de vidrio terminado en unapunta capilar y se invierte en la cuba que contenga agua muy fría (mide la temperaturadel agua, que será la misma que la del aire); cuando deje de entrar el agua saca elmatraz, de la cuba mide el agua que entró al matraz y calcula el volumen del aire pordiferencia con el volumen total del matraz. Recuerda anotar los datos en el cuadro yconstruir la gráfica.

39

Figura 13


Tabla 5.

No. V (mL) T (K) V x 1/T = K K

1

2


40

Cuestionario de reflexión.

1.- Explica la relación entre la presión y el volumen de un gas:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- Explica la relación entre la presión y la temperatura.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.- Explica la relación entre la temperatura y el volumen.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones.

Considerando el cuestionario de reflexión y contrastando los resultados con tu hipótesis,elabora tus conclusiones.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

41

propiedad

A continuación te presentamos un mapa conceptual con los conceptos más importantestratados en este tema.


GASES

VOLUMEN PRESIÓN TEMPERATURA

EFECTOS

LEY DECHARLES

LEY DEBOYLE

LEY DEGAY LUSSAC

LEY GENERAL DE LOSGASES

HIPÓTESIS DEAVOGADRO

ECUACIÓN DE LOSGASES REALES

ESCALA ABSOLUTA

provocansemide

estudia

se explica

a través

42

1.2 ESTADO LÍQUIDO

Las propiedades del estado de agregación líquido de la materia son:

a) Mantiene su volumen característico. Es decir, aunque un líquido adopta la forma delrecipiente que lo contiene, éste no se expande para ocupar todo el volumen.

b) Se difunde más lentamente que los gases. Una disolución acuosa con un colorantepuesta en contacto con agua pura se difunde muy lentamente en el agua. Por elcontrario, un perfume vaporizado puede olerse en toda la habitación pocos segundosdespués de que se abre la botella.

c) Es mucho menos compresible que el gaseoso. Se requieren enormes presiones parareducir el volumen de un líquido.

d) Tiene tensión superficial. Esta propiedad es la que permite que una aguja, una hojade afeitar o un insecto flote en el agua, ya que la cohesión que se da entre lasmoléculas impide el paso de sólidos.

e) Presenta evaporación y presión de vapor. Una de las propiedades importantes de unlíquido es su tendencia a evaporarse. El agua se escapa de un recipiente porevaporación sólo cuando dicho recipiente está abierto; si el recipiente está cerrado, elproceso de evaporación continúa hasta que llega a establecerse un equilibrio entre lapresión ejercida por el gas de dicha sustancia y la fase líquida del mismo. Estapresión se llama presión de vapor.

Por ejemplo, si colocas acetona en un recipiente abierto, después de un tiempodeterminado se evapora. Si el recipiente permanece herméticamente cerrado elvolumen del líquido disminuye poco, siendo que la cantidad faltante se encuentra enforma de vapor. Esta acetona en forma de gas ejercerá una presión sobre la acetonalíquida; a esta presión se le denomina presión del vapor de la acetona.

f) Presenta un punto de ebullición, congelación y fusión característico.

Se denomina punto de ebullición de un líquido al fenómeno en el cual el mismoempieza a ebullir (hervir) debido al aumento de temperatura. Durante esta fase el líquidotiende a evaporarse. Este fenómeno se producirá cuando la presión de vapor del líquidosea igual a la presión de la atmósfera.

43

“PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS” (OBLIGATORIA)

Objetivo

Determinar algunas propiedades de los líquidos experimentalmente para caracterizareste estado de agregación de la materia.


1) ¿Qué es el punto de ebullición?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿Qué es la presión de vapor de un líquido?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Qué factores determinan la presión de vapor?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) ¿Qué es la tensión superficial?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) ¿Qué relación hay entre la capilaridad y la tensión superficial de un líquido?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


44

Experimento I

Objetivo

Observar la presión de vapor del agua a diferentes temperaturas, para determinar larelación entre éstas.

Hipótesis

Elabora tu hipótesis a partir de la siguiente pregunta.

¿Cuál es la influencia de la temperatura en la presión de vapor?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Calienta el agua a fuego moderado hasta la ebullición. Las pinzas de Mohr debenobstruir la manguera del matraz al manómetro.

Después de unos 30 segundos de ebullición, retira el mechero y tapa perfectamente y deinmediato el matraz con el tapón que tiene el termómetro.

Retira las pinzas de Mohr de la manguera y observa que pasa en el manómetro, anótaloy también registra la temperatura.

Acerca la cuba hidroneumática con agua al matraz para enfriarlo, con la mano baña todoel matraz y observa si hay variaciones en el termómetro y en el manómetro. Registrapor lo menos tres datos diferentes del nivel del agua coloreada y su temperaturacorrespondiente.

Figura 14

45

Evita que el agua coloreada pase por la manguera al matraz, colocando las pinzas a lamanguera si es necesario.


Anota los registros de temperatura y presión de vapor en la siguiente tabla.

Tabla 6

TEMPERATURA NIVEL DEL AGUA

46

Experimento II

Objetivo

Realizar la ebullición del agua a temperatura ambiente para establecer la relación entreel punto de ebullición y la presión de vapor.

Hipótesis


¿Es posible lograr la ebullición del agua sin calentar?.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?


☞ 1 Soporte Universal ☞ 4 L de agua

☞ 1 Matraz redondo de 0.5L

☞ 1 Mechero Bunsen

☞ 1 Pinzas para bureta

☞ 1 Tapón monohoradado

☞ 1 Termómetro de 0 a 150 ºC

☞ 1 Cuerpos de ebullición

☞ 1 Cuba hidroneumática

☞ 1 Franela de 30 x 30 cm

☞ 1 Probeta de 100 ml


La indicada para trabajar con material de vidrio y mechero de gas.

47

¿Cómo hacerlo?

Instala un sistema como el que se muestra a continuación.

Figura 15

Calienta el agua a fuego moderado hasta ebullición. Registra la temperatura deebullición.

Después de unos 30 segundos de ebullición, retira el mechero y tapa perfectamente elmatraz con el tapón que tiene el termómetro.

Acerca la cuba hidroneumática con agua fría al matraz y báñalo con agua fría. Observaque pasa en el matraz.

Continua enfriando hasta que el matraz marque 25 ºC aproximadamente.


Temperatura de ebullición del agua.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué ocurre en el matraz al bañarlo con el agua fría?.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

48

Experimento III

Objetivo

Medir la capilaridad en diferentes líquidos para determinar cuál presenta mayor tensiónsuperficial.

Hipótesis

Relaciona la capilaridad de una sustancia con la tensión superficial y elabora tuhipótesis.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias8

☞ 1 Gradilla ☞ 3 mL de agua caliente☞ 4 Tubos de ensayo 10 x 100 mm ☞ 3 mL de agua fría☞ 12 Tubos capilares largos ☞ 3 mL de aceite lubricante☞ 1 Regla ☞ 3 mL de etanol


La indicada para trabajar con material de vidrio y líquidos inflamables cuando se tieneuna flama.

Etanol- líquido incoloro, muy volátil, inflamable, de olor agradable y poco tóxico poringestión.

¿Cómo hacerlo?

Numera los tubos del 1 al 4 y coloca en ellos los líquidos. Utiliza un tubo para cadalíquido.

8 Las cantidades pueden ser aproximadas.

49

Figura 16

Precaución: Recuerda que le alcohol es inflamable no lo acerques al mecheroencendido.

Introduce un tubo capilar en cada tubo y después de unos 2 minutos tapa con el dedoíndice el capilar del tubo 1, sácalo y mide la altura del etanol, registra el dato y repite elprocedimiento dos veces más con nuevos capilares.

Repite el procedimiento con los tubos 2 al 4.


Tabla 7.

Altura del líquido (cm)

Líquido Primera Segunda Tercera Promedio

Etanol

Aceite lubricante

Agua fría

Agua caliente

50


El aceite lubricante lo debes colocar en el recipiente que te indique tu asesor o elresponsable del laboratorio para que se use posteriormente, el etanol debes desecharlopor la tarja con suficiente agua.


1.- ¿A qué se debe la variación en el nivel del agua coloreada en el experimento 1?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- A partir de la definición de punto de ebullición, explica lo que observaste en elexperimento II al enfriar el matraz.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.- Considerando la relación entre la capilaridad y la tensión superficial, ordena loslíquidos de mayor a menor tensión superficial en el experimento III.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

Contrasta tus hipótesis con los resultados obtenidos y elabora las conclusiones;considerando el cuestionario de reflexión.________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

51

A manera de resumen, te presentamos el siguiente cuadro sinóptico.

a) Mantiene un volumen

b) Presenta difusión lenta

c) Menos compresible que el gas

d) Tensión superficial

e) Evaporación, presión de vapor

f) Ebullición, congelación y fusión.


LAS PROPIEDADES DELESTADO LÍQUIDO SON:

52

1.3 ESTADO SÓLIDO

Las características principales de los sólidos son:

a) Presentan forma y volumen definidos. Cuando un sólido se calienta para al estadolíquido, es decir, se funde. Presenta una presión de vapor menor que la de loslíquidos.

b) Al examinarlos presentan dos formas: unos tienen forma geométrica definida, llamadacristal, por lo que se les llama sólidos cristalinos, y otros, que no tienen formadefinida, se conocen como sólidos amorfos (vidrio, ópalo, caucho, plastilina,obsidiana, concreto, papel, etc).

Si observas cuidadosamente un poco de azúcar o de “sal de mesa” notarás que sonpequeños cristales de forma cúbica. Por eso se dice que esas sustancias soncristalinas. Contrariamente, si observas un vidrio o plastilina verás que no presentanninguna forma definida, por lo que se les llama sólidos amorfos.

Todos los cristales estudiados pertenecen a alguno de los seis tipos de los arreglosgeométricos encontrados; estos arreglos se muestran en la figura 17.

Figura 17. Arreglos fundamentales de los ejes en los seis sistemas cristalográficos comunes.

A) Cúbicos.3 ejes iguales en ángulosrectos entre sí. B) Tetragonal

2 ejes iguales y 1 ejede diferente longitud, todos en ángulos rectos entre sí.

C) Ortorrómbico.3 ejes desiguales, todosen ángulos rectos entre sí.

D) Hexagonal. 3 ejes iguales y un 4° dediferente longitud; 3 a 60°Centre sí y el 4° en ángulo rectoen relación con los otros tres .

E) Monoclínico.3 ejes desiguales, 2 en ángulos rectos entre sí; el 3° estáen ángulo recto conrespecto de uno perono el otro.

F) Triclínico.3 ejes desiguales,ninguno en ángulorecto con respectode los otros.

53

Los cristales, a su vez, pueden estar formados por diferentes tipos de partículas(átomos, iones y moléculas), por lo cual poseen diferentes propiedades físicas.

Tabla 8. Relación entre los tipos de sólidos y algunas de las características quepresentan

Tipos Covalente Iónico Molecular Metálico

Los puntos de lared los ocupanpartículas

Átomos Iones positivos ynegativos

Moléculas Iones positivos

Fuerzas deenlace entrepartículas

Electronescompartidos

Atracciónelectrostática

Fuerzas deVander Waalsdipolo-dipolointermoleculares

Atraccióneléctrica entreiones positivos ynegativos

Intensidad de lafuerza de unión

muy fuerte Algo fuerte Débil Depende delnúmero deelectrones enmovimiento

Propiedades Duro, alto puntode fusión, noconductores.

Duro,quebradizo,punto de fusiónintermedio, noconductores.

Suave, bajopunto de fusión,no conductores.

Rango de durezay de punto defusión amplias,buenosconductores

Ejemplos Diamante, Ccuarzo, SiO2carborundum ocarburo de silicio,SiC.

Cloruro de sodio,NaCl; nitrato depotasio, KNO3

Yodo, I2; hielo,H20, hielo seco,CO2 bióxido decarbono (sólido).

Sodio (Na),aluminio (Al),hierro(Fe).

Representacióngráfica

Resumiendo este tema te presentamos la siguiente tabla.

CARACTERÍSTICAS DE LOS SÓLIDOS Presentan forma y volumen definidos

Se dividen en dos formas paraexaminarlos: sólidos cristalinos ysólidos amorfos.


54


1.4.1. DIAGRAMA DE FASES

Cuando destapas un refresco a temperaturaambiente has notado que dentro del envase seforman condensaciones. ¿ A qué se debeésto? ¿Por qué al dejar escapar el gas de unencendedor, sin prenderlo, aquél sale frío?.La explicación a dichos fenómenos seencuentra en el diagrama de fases de unasustancia.

Las relaciones entre los estados de agregación o fases de una sustancia puedenresumirse en un diagrama de temperatura y presión que muestra el estado deagregación que está presente a diferentes temperaturas y presiones; en la figura 18 semuestra el diagrama de fases para el agua.

Figura 18. Diagrama de fases del H2O. (Este diagrama no está a escala),

Con base en la figura anterior se pueden hacer las siguientes observaciones.

Podemos generalizar que, para una temperatura y una presión correspondientes acualquier punto dentro de una de las tres regiones, sólo habrá una fase presente. Porejemplo, a la temperatura y presión del punto x, únicamente existe H2O sólida.

Punto decongelaciónnormal

Punto deebulliciónnormal

sólidaH2O

líquidaH2O

0 °C - 0.00 °C100 °C

gaseosaH2O

punto tripleB

WX,

C

Q

PR

D

temperatura

1atm

presión de vapor

55

1. El agua (H2O) gaseosa está en equilibrio con el H2O líquida en la línea A-C (ebullición-condensación).

2. Considera el punto P en la línea A-C. Si sube la temperaturas vaporiza el H2O; sí bajatemperatura se condensa y sólo habrá presente agua líquida; si la presión se disminuyea, por ejemplo, R, todo el líquido se evapora y sólo estará presente agua gaseosa.

3. La línea A-D es la línea de equilibrio para las fases líquida y sólida (licuefacción-solidificación). La línea es casi vertical, pero se inclina hacia la izquierda, exagerándoseun poco en la figura, para hacer resaltar que el punto de congelación normal del agua, 0ºC, no es idéntica a la temperatura del punto A.

4. A lo largo de la línea A-B, el H2O gaseosa está en equilibrio con H2O sólida, porejemplo, en el punto W (sublimación).

5. Al punto A se le llama punto triple, condición de presión y temperatura en la cual lastres fases están en equilibrio. Como ocurre a muy baja presión, tu no has tenidooportunidad de observarla. En estas condiciones el hielo está en equilibrio con el agualíquida y ésta con el vapor. La temperatura del punto triple, como recordarás en elfascículo I, ayuda a definir la escala Kelvin de temperatura para el Sistema Internacionalde Unidades.

1.4.2 HACIA EL MODELO CINÉTICO MOLECULAR

La observación y la experimentación son nuestra fuente de conocimiento del mundo quenos rodea. Mediante la acumulación de datos y su análisis se buscan regularidades decomportamiento, como en el caso de las leyes de los gases.

Encontrar una ley no nos explica por qué ocurre esa regularidad en la Naturaleza.Simplemente nos indica que existe, pero no por qué ocurre; la ciencia va más allá y sepregunta entonces cuál es la razón de que se cumpla esa ley. Para responder, loscientíficos construyen modelos y teorías.

Un modelo es una representación de la realidad. Es una hipótesis que se plantea paraver si el objeto modelo se comporta similarmente al objeto real. Si así ocurre, decimosque el fenómeno real se comporta como si fuera similar al objeto modelo y entoncescontamos con una explicación más aceptable y profunda del comportamiento de larealidad.

En el caso que nos ocupa, imaginar (plantear la hipótesis) que toda la materia estácompuesta de pequeñas partículas que interactúan (o no), y que se muevencontinuamente, nos permite entender las propiedades de los gases, líquidos y sólidos.Entonces, tenemos una explicación más profunda de la realidad. Sabemos que las leyesno suceden, porque “así tienen que suceder”, sino porque las partículas de la materia secomportan de cierta manera que lo explica.

56

Si se considera el proceso de inflar un globo, en el cual se está introduciendo más gas almismo, ¿por qué se agranda el globo? Una forma de tratar de obtener respuestas esexaminar cuidadosamente el proceso, anotar nuestras observaciones y buscarregularidades. Otra manera es buscar un comportamiento semejante el cual podamoscomprender mejor, es decir, tratar de hallar un modelo que nos ayude a encontrar unaexplicación a nuestro problema que representa el comportamiento del gas dentro delglobo.

Cuadro 1

Observación 1 Explicación 1

Una muestra de gas que llenauniformemente un recipiente cerrado.Si el recipiente es poroso el gas seescapa a través de poros que nopueden verse sino por medio delmicroscopio.

Los gases están constituidos porpartículas submicroscópicas llamadasmoléculas, las cuales tienen unmovimiento rápido y desordenado. Unamolécula se mueve en línea recta hastaque choca con otra o con las paredes delrecipiente. Debido a su tamaño, si elrecipiente es poroso puede atravesar susparedes.

Todos conocemos esas pelotas de goma elástica muy dura que al caer al suelo saltan,alcanzando casi la altura desde la cual cayeron; si se arroja una contra una pared enuna habitación pequeña, rebotará de pared a pared, perdiendo gradualmente su impulsohasta detenerse. Un conjunto de estas pelotitas puede resultar un buen modelo para elgas del globo.

Se puede suponer que el aire o cualquier otro gas está formado por pequeñísimaspelotitas moviéndose en todas direcciones y rebotando en las paredes del recipiente.Cuando la “pelota” choca contra la pared aquélla lo empuja a ésta, pero la pared empujaa la pelota con una fuerza igual, de manera que la pelota sale de la pared rebotando enla otra dirección.

Cuadro 2.


Una muestra de una sustancia ocupamayor volumen como gas que comolíquido.

Las moléculas de un gas casi nointeractúan unas con otras y están muyseparadas entre sí a temperatura ypresión ordinarias. En cambio en loslíquidos sí existe una interacciónevidente y se agrupan unas muy cercade otras.

57

Al igual que el aumento de volumen de un globo que se infla, y a partir de la suposiciónde que los gases están constituidos por pequeñas partículas, pueden explicarse las“llamadas leyes de los gases”. Los científicos que los investigaron desarrollaron unmodelo bastante razonable de la estructura fundamental de los gases.

Cuadro 3


Un gas ejerce una presión uniformesobre todas las paredes de un recipientecerrado.

Las moléculas móviles chocan contra lasparedes del recipiente en formadesordenada. La presión del gas es lasuma de los millones de choquesproducidos por las moléculas sobre launidad del área.

1.4.3 MODELO CINÉTICO MOLECULAR

Éstas y otras observaciones experimentales condujeron a los científicos a proponer unmodelo para explicar el comportamiento de los gases, el llamado modelo cinéticomolecular (algunos autores lo llaman teoría cinética molecular), el cual fue emergiendogradualmente por los trabajos de Daniel Bernoulli (1700-1782) y posteriormente de losde James Clark Maxwell (1831-1879) y Ludwing Boltzmann (1844-1906).

El modelo cinético molecular apoya en los siguientes postulados.

1. Un gas está compuesto de un gran número de partículas llamadas moléculas (enlatín, pequeñas masas) tan minúsculas que su tamaño es despreciable comparado conla distancia entre ellas y el tamaño del recipiente.

2. Las moléculas de un gas presentan un movimiento rectilíneo rápido constante y alazar. A causa de su movimiento de traslación, las moléculas chocan entre sífrecuentemente y contra las paredes del recipiente.

Todos los choques son elásticos, es decir, no hay pérdida ni ganancia neta de energíacinética molecular en cada choque. Aunque una molécula puede perder energíarespecto de otra durante el choque, la energía total del par que choca permanece igual.

3. A excepción del modelo de los choques, las moléculas de un gas son completamenteindependientes entre sí, no hay fuerza de atracción o repulsión entre ellas.

4. Las partículas de cualquier muestra de gas tienen diferente energía promedio, esdecir, algunas se estarán moviendo muy rápidamente y otras serán más lentas oinclusive estarán quietas, pero la energía cinética promedio es proporcional a latemperatura absoluta.

58

Las leyes de los gases pueden explicarse con dichos postulados. Por ejemplo, según laLey de Boyle, de acuerdo con la teoría cinética molecular, la presión del gas es causadapor los choques moleculares contra las paredes del recipiente; si se disminuye elvolumen aumenta el número de moléculas por unidad de volumen y resulta una presiónmayor, debido a la gran cantidad de choques por unidad de tiempo y de área.

La ley de Charles relaciona las propiedades con los cambios de temperatura. A muy bajatemperatura, el promedio de la energía cinética de las moléculas es prácticamente cero.A medida que aumenta la temperatura las moléculas se mueven más rápidamente alhacerse más frecuentes los choques contra las paredes del recipiente, si el volumen semantiene constante. Por otro lado, si el volumen y la temperatura aumentan, la presiónse mantendrá constante, debido a que la disminución de la frecuencia de los choquescomo consecuencia del aumento del volumen se compensa con el aumento en lavelocidad de las moléculas, resultado del aumento de temperatura.

1.4.4 APLICACIÓN DEL MODELO

El modelo del estado líquido es una ampliación del modelo del estado gaseoso. Ladiferencia consiste en que en el estado líquido las moléculas que lo componen estánmucho más juntas y unidas por fuerzas de atracción.

Estas fuerzas no son lo suficientemente intensas para mantener a las moléculasformando una red rígida, pero sí hay un cierto grado de agregación , como lo muestra elhecho de que un líquido no llena el recipiente que lo contiene. Las moléculas de unlíquido tienen movimiento desordenado, aunque éste es más restringido que un gas. Altener menos espacio entre ellas, están en contacto más estrecho y los choques son másfrecuentes que en un gas.

Lo mismo que en los gases, las moléculas de los líquidos tienen energía cinéticarelacionada con la temperatura. Si una molécula tiene alta energía cinética y está cercade la superficie del líquido, puede escapar de éste e integrarse en la atmósfera que larodea, lo que explica la presión de vapor de los líquidos. El proceso mediante el cual lasmoléculas de un líquido se incorporan al estado gaseoso se llama evaporación.

Algunas moléculas de la superficie de un líquido tienen mayor energía cinética(velocidad) que otras y su elevada energía cinética les permite separarse de ellas yevaporarse. Si la evaporación tiene lugar en un recipiente cerrado, las moléculas quepermanecen cerca de la superficie son captadas por el líquido y se condensan, por loque rápidamente se establece un equilibrio.

La rapidez de salida de las moléculas del líquido es igual a la velocidad de entrada; lapresión ejercida por las moléculas del vapor sobre la superficie del líquido se llamapresión de vapor, la cual es una característica de cada líquido y varía con latemperatura. Así, pues, la presión de vapor de un líquido es un indicador de la facilidadde volatilización, es decir, a mayor presión de vapor que tenga un líquido más fácilmenteformará vapores.

59

Si a un líquido se le aplica calor, la energía cinética promedio aumenta y, por lo tanto, latemperatura y la velocidad de evaporación. Cuando se calienta un vaso con líquido, secomienzan a formar pequeñas burbujas de vapor, el cual se eleva y sale del líquido.Dicho proceso se llama ebullición; éste, aunque parecido a la evaporación, no debeconfundirse.

Cuando las moléculas se evaporan de un líquido se difunden en la atmósfera que lesrodea y, por lo tanto, la presión de la atmósfera no afecta al proceso de evaporación. Porotro lado, si el líquido hierve, el vapor escapa del líquido con presión suficiente paradesplazar la atmósfera que rodea al líquido. De tal modo, la temperatura que por lapresión de vapor del líquido es igual a la presión de la atmósfera que la rodea se llamapunto de ebullición.

La tensión superficial se debe a las fuerzas de atracción intermoleculares. Unamolécula que esté en el centro del líquido es atraída en todas direcciones por lasmoléculas vecinas, mientras que las que están en la superficie sólo son atraídas alinterior del líquido, por lo que el área de la superficie libre tiende a reducirse y una fuerzaresultante hacia el interior tiene la tendencia a disminuir su volumen. Es el caso de laforma esférica de las gotas de un líquido. La tensión superficial disminuye al aumentar latemperatura, puesto que el mayor movimiento molecular disminuye el efecto de lasfuerzas de atracción intermolecular.

Para poder explicar los tres estados de agregación se debe partir de un diagrama defases por medio del cual se puedan explicar los fenómenos que ocurren en tu entorno yasí comprender el proceso que se lleva a cabo entre cada evento, para ello podemosrecurrir al Modelo Cinético Molecular el cual nos va a dar una explicación delcomportamiento de los fenómenos y las variables que participan ante cada evento.


60

Esta síntesis te presenta los conceptos más importantes que se trataron en estecapítulo.

La resistencia a fluir de los líquidos se debe principalmente a la atracción entre susmoléculas. Al subir la temperatura, las fuerzas de atracción intermoleculares disminuyenante el aumento del movimiento molecular, y, como consecuencia, la viscosidad esmenor. Sin embargo, al aumentar la presión las moléculas del líquido tienden a juntarse,originando un aumento de dicha propiedad.

En el estado sólido de la materia las moléculas están muy compactas y ocupanposiciones relativamente fijas, lo cual hace que los sólidos tengan una forma definida.Aunque las partículas de un sólido no se mueven libremente, por las fuerzas deatracción que existen entre ellas están vibrando alrededor de las posiciones que ocupan.

Cuando un sólido se calienta lo suficiente, las vibraciones de sus partículas (átomos,moléculas o iones) se vuelven lo suficientemente grandes como para romper las fuerzasque las mantienen unidas, y el sólido se funde.

Aun sin fundirse, las moléculas de alta energía de la superficie de un sólido puedenpasar a la fase gaseosa (este fenómeno se llama presión de vapor del sólido).

La rigidez del estado sólido sugiere que la energía cinética de las partículasconstituyentes del sólido es tan pequeña que las fuerzas de atracción puedenmantenerlas en su lugar. La estructura de los sólidos se ha investigadoexhaustivamente, y se ha demostrado que éstos pueden estar formados por un conjuntode partículas dispuestas en forma irregular y desordenada por lo que se les denominaamorfos (del griego, sin forma). También pueden estar formados por partículas quetienen un arreglo interno y regular, y se les llama cristalinos (del griego, hielo, claro).

Al arreglo regular, geométrico y ordenado de las partículas en los sólidos se le llama redcristalina o retículo cristalino. Una red cristalina es un conjunto tridimensional deátomos, moléculas o iones que forman modelos geométricos ordenados.

Dichos modelos son una representación de la realidad, en este caso nos permitenentender las propiedades de los sólidos, líquidos y gases.

RECAPITULACIÓN

61

Con la finalidad de ayudarte a reafirmar los conocimientos adquiridos en este capítulo ydestacar la importancia que tienen, realiza lo que se te pide a continuación.

I. Ejercicios

1. Ley de Charles

a) ¿Cuál será el volumen de una muestra de gas a 30 ºC, si inicialmente teníamos400 mL a 0 ºC, permaneciendo constante la presión?.

b) Un gas cuyo volumen es de 60 litros está contenido en un cilindro a unatemperatura de 27 ºC, determinar el nuevo volumen cuando su temperatura aumentaa 35 ºC a presión constante.

2. Ley de Gay-Lussac

a) Un neumático de automóvil se infla a 92 kPa a 21 ºC. Si después de recorrer 600km la presión aumenta a 120 kPa, ¿cuál será la temperatura final en ºC?.

3. Ley de Boyle

a) Una muestra de oxígeno fue recibida dentro de un recipiente de 250 ml a unapresión de 760 mm Hg. ¿Qué volumen ocupará la muestra de gas a 790 mm Hg y lamisma temperatura?.

b) Se tiene una porción de gas argón a 76 cm Hg de presión, si ésta aumenta a 90cm Hg, ¿su volumen aumentará o disminuirá?.

c) ¿A qué presión se debe comprimir un gas para introducirlo en un tanque de 1.25m3 si ocupa 3.25 m3 a la presión atmosférica?.

4. Ley General del Estado Gaseoso.

a) Un volumen de 150 mL de un gas en condiciones estándar de presión ytemperatura (1 atmósfera y 0 ºC) se expande de tal forma que su nuevo volumen esde un litro a 600 mm Hg, ¿Cuál será su temperatura bajo estas últimas condiciones?.

b) El volumen de un gas es de 2 litros a 27 ºC y 600 atmósferas. Si las condicionescambian a 227 ºC y 400 atmósferas, ¿Cuál será su volumen final?.

c) Se colocaron en un cilindro 80 litros de gas butano sometidos a una presión de 69kPa y una temperatura de 62 ºC; al tratar de comprimirlo en otro cilindro de 39 litrosde capacidad la presión aumentó a 87 kPa. ¿Cuál fue la temperatura que alcanzó elgas comprimido?.


62

II. Problemas

1. Ley de Boyle

a) Si el volumen de un gas es de 4 320 mL y se encuentra sometido a una presión de62 kPa, ¿cuál será la presión final si el gas se expande a 8.75 litros? La temperaturadurante el proceso es constante.

2. Ley de Charles.

a) Un globo tiene un volumen de 1.55 litros a 25 ºC. ¿Cuál será el volumen despuésde que el globo se calienta a 100 ºC? (Supóngase que la presión es constante).


a) Una muestra de gas tiene un volumen de 3 560 mL a una temperatura de 55 ºC y auna presión de 85 kPa. ¿Cuál será la temperatura si el volumen permanececonstante, pero la presión disminuye a 0.652 atmósferas?.

b) Una lata de fijador de pelo en aerosol contiene gas a una presión de 36 200pascales y 25 ºC, la lata estalla cuando la presión alcanza 56 939 pascales. ¿A quétemperatura sucederá esto?. (¡Nunca arrojes estas latas al fuego!).

III. Realiza las siguientes conversiones

a) 1650 mm Hg a atmósferas.

b) 190 mm Hg a pascales.

c) 185 KPa a atmósferas.

IV. Preguntas

1.Describe las observaciones de Charles sobre la relación del volumen de un gas con latemperatura.

2. Escribe los postulados del modelo cinético molecular de los gases.

3. ¿Cómo defines cero absoluto?.

4. ¿Por qué no vemos al aire que nos rodea?.

63

5. Utilizando el modelo cinético molecular explica las siguientes observaciones:

a) Una gota de agua se evapora más rápidamente cuando hay brisa quecuando no la hay.

b) Un trozo de hielo se funde más rápidamente si se fracciona que si se dejaen bloque.

c) El agua tibia se evapora más rápidamente que la fría.

d) Si se tiende ropa húmeda a secarse cuando está helando, finalmente sesecará del todo, a pesar de que primero se congelará.

e) Una rebanada de pan se secará en menor tiempo en el desierto de Sonoraque en el puerto de Veracruz, cuando se calienta a 30 ºC, ¿por qué?.

6. ¿A qué se le llama viscosidad de un líquido?.

7. Del agua y del tetracloruro de carbono, ¿cuál tiene mayor velocidad deevaporación a la misma temperatura? ¿Por qué? Explica.

8. Cuando se aumenta la presión al agua sólida en su punto normal de fusión atemperatura constante, ¿qué fase se produce?.

9. ¿A qué se debe que los sólidos sean prácticamente incompresibles?.

10. ¿Por qué razón los sólidos presentan forma definida?.

11. ¿Por qué los líquidos carecen de forma propia?.

12. ¿Cuál es la razón de que un huevo se cueza en menor tiempo en un lugar queestá sobre el nivel del mar que en la cima de una montaña?.

13. ¿A qué se debe que se cocine más rápidamente en “olla de presión” que enuna normal?.

14. ¿Por qué se puede patinar sobre el hielo con patines de cuchilla, pero nosobre la madera?.

15. Investiga un experimento en el cual obtengas datos que te permitan trazar unacurva de calentamiento para la evaporación de un líquido.

64

En respuesta a las actividades integrales, verifica tus aciertos y si tienes dudas acudecon tu asesor de contenido.

Respuestas a los ejercicios I

1. Ley de Charles

a) 443.956 mL

b) 61.6 litros


a) 27.39 ºC

3. Ley de Boyle

a) 240.506 mL

b) Disminuye

c) 2.6 atmósferas

4. Ley General del Estado Gaseoso

a) 1164 ºC

b) 5 litros

c) 205.91 K

Respuestas a los problemas II

1. Ley de Boyle

a) 30.61 KPa

AUTOEVALUACIÓN

65

2. Ley de Charles.

a) 1.23 L


a) 254.6 K

b) 468 K

Respuestas a las conversiones III

a) 2.17 atmósferas

b) 25 331.25 Pa

c) 1.8 atmósferas.

Respuestas a las preguntas IV

1. Hay una relación lineal y directa entre el volumen de un gas y su temperatura, ya queal aumentar un parámetro, también aumenta el otro, o bien al disminuir uno tambiéndisminuye el otro, manteniendo la presión del proceso constante.

2. Los postulados del Modelo Cinético Molecular son:

a) Los gases están formados por partículas pequeñas llamadas moléculas.

b) Las moléculas se mueven desordenadamente, pero siguiendo línea recta entresus colisiones.

c) Las moléculas chocan elásticamente, ya que no ganan ni pierden energíadespués de los choques.

d) La moléculas ejercen fuerzas sobre las paredes del recipiente que las contiene.

e) El volumen de las moléculas es despreciable comparado con la distancia quelas separa.

3. Es la temperatura a la cual se considera teóricamente que el volumen de un gas esigual a cero.

4. Debido a que es una mezcla homogénea transparente, y los gases que la constituyenpermiten el paso de la luz.

66

5. Según el Modelo Cinético Molecular:

a) La brisa rompe el equilibrio líquido-vapor; al llevarse el vapor sobre lasuperficie, puede evaporarse más líquido.

b) Se funde más rápidamente estando fraccionado porque el calor se difundemás eficientemente cuando el área de contacto es mayor.

c) Esto ocurre debido a que las moléculas del agua tibia tienen mayor energíacinética promedio.

d) Porque aun los sólidos tienen presión de vapor.

e) Porque el desierto tiene un clima seco, sin humedad en el aire, y enVeracruz, la humedad ambiente es casi del 100% (el aire está saturado deagua).

6. A una unidad de la resistencia que presentan los gases y líquidos a fluir.

7. Debido a que el tetracloruro de carbono es más volátil.

8. Se produce la fase líquida.

9. A causa de que sus espacios intermoleculares son muy pequeños.

10. Debido a que las fuerzas de atracción intermoleculares son mayores que las de loslíquidos y gases.

11. Porque las fuerzas de atracción intermolecular son menores que las de los sólidos.

12. Porque hay mayor presión atmosférica al nivel del mar y el agua hierve a 100 ºC. Enuna montaña hierve a menor temperatura y la proteína del huevo tarda más endesnaturalizarse.

13. Debido a que el agua hierve a mayor temperatura ya que la presión dentro de la “ollade presión” es mayor. Esta alta temperatura ayuda a que los alimentos se cuezan enmenor tiempo.

14. Porque el hielo se funde por la presión que ejerce la cuchilla, ya que es menor lapresión y permite el desplazamiento; en cambio, en la madera esto no es posible.

15. Comenta los resultados con tus compañeros y con tu asesor.

67

PETRÓLEO


2.1.1 Estructura de los hidrocarburos2.1.2 Alcanos o parafinas2.1.3 Alquenos u olefinas2.1.4 Alquinos o acetilénicos2.1.5 Compuestos cíclicos

a) Saturadob) No saturado

2.1.6 Isómeros


2.2.1 El petróleo y su importancia socioeconómica en Méxicoa) Consecuencias del uso irracional del petróleo

C A P Í T U L O 2

69

Sin lugar a duda el petróleo tiene gran importancia a nivel social y económico, sólo bastacon que mires a tu alrededor y trates de separar aquello que no tiene ninguna relacióncon dicho producto, en este capítulo podrás:

APRENDER ¿CÓMO LOAPRENDERÁS?

¿PARA QUÉ TESIRVE?

La estructura de loshidrocarburos

El petróleo y suinfluencia para eldesarrollo del país.

Identificando loselementos que integranlos hidrocarburos(alcanos, alquenos yalquinos)

Reconociendo lasmaterias primas delpetróleo y los métodosde extracción.

Analizando losnecesidadeseconómicas y socialesque se cubren con losderivados del petróleoy sus ingresos.

Para identificar larelación entre laspropiedades y laestructura del petróleo,así como suimportancia en eldesarrollo industrial.

P R O P Ó S I T O

71

CAPÍTULO 2. PETRÓLEO


Conocer los componentes esenciales del petróleo, que básicamente son hidrocarburos,te permitirá comprender fácilmente la estructura natural del petróleo, así como la granvariedad de sus derivados.

Reciben el nombre genérico de hidrocarburos las sustancias químicas compuestassolamente por dos tipos de átomos: carbono e hidrógeno. A pesar de esta limitante, elnúmero de hidrocarburos existente es enorme. Son los compuestos orgánicos mássencillos.

Hidrógeno :H

Carbono : C

Estas sustancias son combustibles debido a que cuando se unen con el oxígeno delaire desprenden gran cantidad de energía y producen una llama más o menos brillante,además de que forman bióxido de carbono y agua.

Estado de agregación de los Hidrocarburos

Algunos hidrocarburos son sólidos, como la parafina y el naftaleno; otros son líquidos,como el benceno y la gasolina, y otros más son gases, como el metano (gas de lospantanos), el acetileno, etcétera.

72

2.1.1 ESTRUCTURA DE LOS HIDROCARBUROS

Para entender la estructura de los hidrocarburos reconoceremos que el átomo decarbono es tetravalente y el átomo de hidrógeno univalente, de tal manera quepodemos representarlos:

H C H : Metano

También se debe considerar que para estructurar las fórmulas de los hidrocarburos tantolas valencias del carbono como del hidrógeno deben quedar saturadas; es decir, tienenque emplearse todas.

El carbono es un elemento que tiene la facilidad de enlazarse con átomos de su mismaespecie formando cadenas. Estos enlaces pueden ser.

Simples Dobles Triples

Alcanos Alquenos Alquinos

Se entiende por compuestos saturados a aquellos que presentan enlaces sencillosentre carbono y carbono. Los no saturados presentan enlaces sencillos y dobles otriples entre sus átomos de carbono.

H

H

H C C H

H H

H C H C=

H

HH

H

H

C C H

73

Clasificación de los hidrocarburos.

2.1.2 ALCANOS O PARAFINAS

Son compuestos de cadena abierta, los carbonos están unidos por enlaces simples,por lo que son compuestos saturados.

Las cadenas de carbono de estos compuestos pueden ser:

1) Lineal. Cuando sólo existe una cadena de carbonos, como por ejemplo el Butano(C4H10).

2) Arborescente o ramificación. Cuando la cadena principal presenta ramificaciones.

HIDROCARBUROS

Acíclicos

(no forman ciclos oanillos)

Cíclicos

(forman ciclos oanillos)

Saturados(con enlace

sencillo)

No saturados(con doble y triple

enlace)

Alcanos oparafinas

Alquenos uolefinas

(doble enlace)

Alquinos oacetilénos

(triple enlace)

Saturados

No saturados

Cicloparafinas

Bencénicos

CH2CH2CH3 CH3

CH3 CH2 C CH2 CH3

CH3

CH3

74

Propiedades Físicas

En condiciones normales de temperatura y presión los alcanos de uno a cuatroátomos de carbono son gases incoloros generalmente sin olor. De cinco a 16átomos, son líquidos, y los demás son sólidos sin olor, insolubles en agua, perosolubles en alcohol, éter y benceno.

Los puntos de ebullición, fusión, viscosidad y densidad generalmente aumentanconforme aumenta el peso molecular. En general son poco reactivos.

Propiedades Químicas

Los términos inferiores son muy estables a la acción de los diferentes reactivos (ácidos yagentes oxidantes en condiciones ordinarias). El yodo no les ataca, pero lo hacen elflúor, cloro y bromo, dando por reacciones de sustitución compuestos como el CCl3(cloroformo), el CCl4 (tetracloruro de carbono) y los llamados freones, CFCl3 y CF2Cl2,que son de particular interés.

Recientemente ha surgido la inquietud de que algunos contaminantes del aire esténagotando la barrera protectora de ozono; ésta es una capa formada por dicho gas querodea la Tierra en la estratosfera. Esta capa nos protege principalmente de lasradiaciones ultravioleta que en dosis elevadas nos pueden producir quemaduras eincrementar las posibilidades de cáncer en la piel. Por ejemplo, el CFCl3 en un impelentede las latas de aerosoles, por lo que todo el material fabricado por ese uso debedispersarse en la atmósfera.

También el CF2Cl2 es un refrigerante que cuando se deterioran o aherrumbran losrefrigeradores viejos se dispersa en el aire. Todos estos compuestos son bastanteestables a temperaturas bajas. Sin embargo, pueden dispersarse en la estratosfera,donde se producen reacciones que dañan el ambiente.

CFCl3 + Radiación CFCl2 + Cl (cloro atómico) (UV)

El cloro atómico puede reaccionar para eliminar el ozono.

En presencia de á t o m o s de cloro

El resultado es que, finalmente, el CFCl3 elimina el ozono. Se ha calculado que si sellegan a realizar los incrementos proyectados respecto del uso de estos compuestos, y siéstos no se destruyen en la atmósfera inferior, la abundancia total del ozono puededisminuir más del 20% en los próximos cincuenta años.

2O3 3O2

(ozono) (oxígeno)

75

Nomenclatura

Para nombrar estos compuestos se aplican las reglas que dicta la Unión Internacional deQuímica Pura y Aplicada (U.I.Q.P.A.), que dice que los primeros cuatro hidrocarburostienen nombres triviales:

Tabla 9. Nombres comunes de los alcanos.

Fórmula condensada Cadena Nombre

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

CH4

CH3-CH3

CH3-CH2-CH3

CH3-CH2-CH2-CH3

Metano

Etano

Propano

Butano

Del término de cinco átomos de carbono en adelante se utilizan prefijos numeralesde acuerdo al número de átomos de carbono y la terminación ANO, como por ejemplo:

Fórmulacondensada

Cadena 1 2 3 4 5 6 7

NombreNúmero deÁtomos deCarbono

C5 H12

C6 H14

C7 H16

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

Pentano

Hexano

Heptano

5

6

7

76

Completa el siguiente cuadro en los espacios que están en blanco.

Fórmulacondensada

Cadena

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nombre Número deÁtomos deCarbono

C8H18

_________

C10H22

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

____________________________________

___________

___________

___________

__________

__________

__________

2.1.3 ALQUENOS U OLEFINAS

Son compuestos que contienen enlaces sencillos y al menos uno doble (nosaturados).

Al igual que los alcanos, las cadenas de carbono de estos compuestos pueden ser:

Lineal:

Arborescente:


En condiciones normales de temperatura y presión, los alquenos con hasta cuatroátomos de carbono son gases, de cinco a 18 átomos de carbono son líquidos y de 19átomos en adelante son sólidos.

Los alquenos poseen propiedades físicas esencialmente iguales a las de losalcanos: son insolubles en agua, pero bastante solubles en líquidos no polares como elbenceno, éter y cloroformo; son menos densos que el agua.


CH3 CH2 CH CH2=

CH3 CH CH CH2=CH3

77


La reactividad de los alquenos u olefinas de debe principalmente a las propiedadesquímicas de doble enlace.

Estos compuestos poseen una doble ligadura y es ahí donde se localiza la regiónmás débil de la molécula y, por lo tanto, fácil de romperse en presencia de los agentesquímicos, lo que da productos de adición.

Ejemplo: Eteno Bromo Bromuro de etileno

CH2 = CH2 + Br2 CH2 - CH2

Br Br

Nomenclatura.

El primer alqueno posee nombre trivial9.

CH2 = CH2 Etileno (eteno)

Del término de cinco átomos de carbono en adelante se utilizan los prefijosnumerales que indican el número de átomos de carbono existentes en la cadena yse adiciona la terminación ENO; además, se indica el número del carbono en elcual se inicia la doble ligadura (se numera la cadena empezando por el extremomás cercano a la doble ligadura). Ejemplo:

Cadena

1 2 3 4 5 Nombre

CH2 = CH - CH2 - CH2 - CH3

CH3 - CH = CH - CH2 - CH3

1 Penteno

2 Penteno

9 Para formar los nombres de los alquenos solamente se debe cambiar la terminación ANO de los principales alcanos porENO.

78

Anota en la línea correspondiente el número de carbonos en el que se localiza la dobleligadura.

1) CH3-CH2-CH = CH2 2) CH3-CH2-CH2-CH = CH-CH3 _____ Buteno _______ Hexeno

3) CH3 - C = CH - CH3 4) CH3-CH2-CH-CH = CH-CH3

CH3 CH3

2 Metil ___________ Buteno 4 Metil _________ Hexeno

2.1.4 ALQUINOS O ACETILÉNICOS

Son compuestos que contienen al menos un enlace triple carbono-carbono (nosaturados). Las cadenas de carbonos de estos compuestos también pueden ser:

Lineal: CH C - CH3

Arborescente: CH3 - CH - C CH

CH3


En condiciones normales de temperatura y presión, aquéllos hasta con tres átomos decarbono son gases; los demás son líquidos o sólidos. A medida que aumenta elpeso molecular aumenta su densidad, punto de fusión y punto de ebullición.

Los alquinos son compuestos de baja polaridad, por lo cual sus propiedades físicas sonmuy semejantes a los alcanos y alquenos. Al igual que los alquenos, son altamentereactivos.


Los acetilenos o etinos arden con llama luminosa por lo que producen elevadastemperaturas.


79

El lugar más débil de la molécula lo constituye la triple ligadura, y, por tanto,reaccionan dando compuestos de adición. Ejemplo:

Nomenclatura

El primer alquino posee nombre trivial10:

CH CH Acetileno (etino)

Del término de tres átomos de carbono en adelante se utilizan prefijos numeralesque indican el número de átomos de carbono presentes en la cadena; además, seadiciona la terminación INO; también se indica el número del carbono en el cual seinicia la triple ligadura (se numera la cadena empezando por el extremo más cercano ala triple ligadura). Ejemplos:

Cadena

1 2 3 4 5 Nombre

CH C - CH2 - CH2 - CH3

CH3 - C C - CH2 - CH3

1 Pentino

2 Pentino

2.1.5 COMPUESTOS CÍCLICOS

a) Saturados (Cicloalcanos, cicloparafinas o naftenos)

Son compuestos de carbono e hidrógeno, que forman cadenas cerradas conenlaces sencillos (saturados).

10 Para formar los nombres de los alquenos sólo se debe cambiar la terminación ANO de los principales alcanos por INO.

CH CH+2Cl2 Cl

CH

Cl

C

CH

Cl

Acetileno

etino

o

Tetracloruro de acetileno

80

Las cadenas de estos compuestos pueden ser:

Normales

ó ó Ciclopropano Cicloburano

ó ó

Ciclopentano Ciclohexano

Arborescentes

Figura 19

Estos hidrocarburos también forman una serie y parten del primer compuesto formadopor tres átomos de carbono. Estos compuestos son isómeros de los alquenos y seconocen hasta con 32 átomos de carbono.


Estados de agregación. En condiciones normales de temperatura y presión los dosprimeros son gases; los demás son líquidos o sólidos.

El punto de ebullición es generalmente más elevado que el de los correspondientesalcanos. Su densidad es menor que la del agua y aumenta en forma proporcional a lamasa molecular. Son insolubles en agua, solubles en alcohol, éter y tetracloruro decarbono, pueden ser compuestos no polares o débilmente polares.

CH 2 CH 2

CH 3

CH ó

CH 2

CH 2H C2

H C2 CH 2CH 3

CH 2

H C2

H C2CH 2

CH 2

CH 2

CH 2 CH 2

CH 2

H C2

H C2

CH 2

CH 2

H C2

H C2

CH 2

CH 2

CH 2

CH 3

CH 3

ó

CH 2

CH 2H C2

H C2 CH 2

CH 3

ó

CH 3CH 2

CH 2

CH 2

CH 2

H C2

H C2

ó

81


Se les encuentra principalmente en el petróleo y en algunos aceites esenciales de lasplantas.

b) No saturados (bencénicos o Aromáticos).

Son compuestos formados por carbono e hidrógeno, tienen una estructura cíclicay se caracterizan por un tipo especial de insaturación. El compuesto más simple de estaserie es el benceno (C6H6), el cual tiene seis átomos de carbono unidos por doblesligaduras alternadas que forman un anillo:

(C6H6)

Diferentes formas de representar una estructura cíclica.

Estos compuestos pueden constar de un anillo de benceno con arborescencias.Ejemplo:

Tolueno

Representación de una estructura cíclica con arborecencias.

CH

CHCH

CH CH

CH

, ó

CH

CHCH

CH CHCH

, ó

CH3 CH3 CH3

82

También pueden ser policíclicos cuando se unen dos o más anillos bencénicos.Ejemplo:

Naftaleno ( )C H10 8

Estructura policíclica.


Estados de agregación. En condiciones normales de temperatura y presión todos loshidrocarburos aromáticos son líquidos o sólidos.

Sus puntos de ebullición están cercanos a los puntos de ebullición de loscicloalcanos correspondientes. Los hidrocarburos aromáticos son poco polares o nopolares.


Fuentes. La hulla y el petróleo representan las mayores fuentes industriales dehidrocarburos aromáticos, aunque también es importante la obtención de estosproductos en el proceso del mejoramiento del índice de octano en las gasolinas(reformación catalítica).

Los hidrocarburos son compuestos muy útiles en la industria, ya que a partir de ellos seobtienen productos usados en tu vida cotidiana.

CH

CH

CHCH

CH

CHC

C CH

CH

83

A) Realiza el cálculo del Peso Molecular de cada uno de los hidrocarburos que sepresentan en la tabla y anota los valores correspondientes en la columna en blanco.

Alcanos Peso MolecularPM

Punto deebullición

ºC

Punto defusión

ºC

Metano CH4 - 16.1 - 182.6

Etano C2H6 - 88.6 - 172.0

Propano C3H8 -42.2 189.9

Butano C4H10 - 0.6 - 135.0

Alquenos

Eteno C2H4 - 103.8 - 169.4

Propeno C3H6 - 47.7 - 185.0

Buteno 1C4H8 - 6.5 - 130.0

Alquinos

Etino C2H2 - 83.0 - 81.8

Propino C3H4 - 23.2 - 104.5

Butino 1C4H6 8.2 - 122.0

B) Observando los datos de la tabla anterior, indica cómo varía el punto de ebullición y elpunto de fusión con base en su número de carbonos. (Anota en tu cuaderno lasconclusiones). Construye dos gráficas tomando en cuenta los siguientes parámetros:punto de ebullición (y), contra PM (x) y punto de fusión (y), contra PM (x).

ºC ºC

P. Eb. P. Fus.

PM PM

Tabla depropiedades


Y Y

X X

84

2.1.6 ISÓMEROS

En éstos, el número de hidrocarburos es muy grande; además, existen compuestos conigual fórmula condensada y diferente estructura, a los que también se les llamaisómeros.

Existen diferentes clases de isomería, pero sólo mencionaremos dos, la isomería deposición y la isomería de cadena.

La isomería de posición se presenta en los alquenos y los alquínos, tomando encuenta el lugar donde se encuentra la doble o triple ligadura. Ejemplos:

Fórmula Cadena Posición Nombrecondensada 1 2 3 4 5

C5 H10

CH3 - CH = CH - CH2 - CH3

CH2 = CH - CH2 - CH2 - CH3

2

1

Penteno

Penteno

La isomería de cadena la presentan compuestos con igual número de átomos decarbono e hidrógeno, pero la estructura es distinta en la cadena debido a la presenciade arborescencias. Ejemplo:

Fórmula Cadena Posición Nombrecondensada 1 2 3 4 5

C6H14.

CH3 - CH2 - CH - CH2 - CH3

CH3

CH3 - CH - CH2 - CH2 - CH3

CH3

3

2

metilpentano

metilpentano

Octanaje. Se le llama octanaje o índice de octano a la medida de la calidad de unagasolina como combustible. Este dato se toma de una escala que va de cero,representado por un carburante muy explosivo como el h-heptano, a cien presentado porel iso-octano que carece de propiedades detonantes.

Artificialmente se puede aumentar el octanaje de una gasolina añadiendo sustanciascomo benzol, plomo tetraetilo, algunos éteres y alcoholes. Ejemplos:

Gasolina común para vehículos octanaje 80Algunos combustibles para aviones mayor de 100

85

a) Anota en las líneas la cantidad de Carbonos ( C ) e hidrógenos ( H ) que integran elcompuesto, así como el tipo de isometría al que corresponden.

b) Anota en los paréntesis la ( s ) fórmula ( s) que es (son) isometrica (s).

C H Isometría

1) CH3-CH-CH2-CH2-CH3 _____ _______ ______________ ( )

CH3

2) CH3-CH-CH=CH-CH3 _____ _______ _______________ ( )

CH3

CH3 CH3

3) CH3- CH - CH-CH2-CH3 _____ _______ _______________ ( )

4) CH3-CH2- CH -CH2-CH3 _____ _______ _______________ ( )

CH3

CH3

5) CH3-CH-CH-CH3 _____ _______ _______________ ( )

CH2 CH3

6) CH3-CH-CH2-CH = CH2 ______ _______ _______________ ( )

CH3


86

su

Una vez que revises este esquema podrás identificar las diferentes propiedades de loshidrocarburos.

PROPIEDADES Y CLASIFICACIONESDE LOS HIDROCARBUROS

ESTRUCTURA

ALCANOS ALQUENOS ALQUINOS COMPUESTOSCÍCLICOS

ISÓMEROS

UNALIGADURA

DOBLELIGADURA

TRIPLELIGADURA

SATURADOS NOSATURADOS

CADENA POSICIÓN

tienen tienen que cuentan con son

de


LINEAL ARBORESCENTE

puede ser

se divide en

87


A continuación te presentamos la clasificación de petróleos crudos según sucomposición química.

Tipo Características

Alcánicos

Nafténicos

Aromáticos

Mixtos

Predominan los compuestos llamados alcanos.

Predominan los compuestos llamados cicloalcanos.

Predominan los compuestos llamados bencénicos.

Son mezclas de los compuestos anteriores.

Materias primas del petróleo

Tanto el crudo como el gas se localizan en rocas sedimentarias, en pequeños poros dela roca y areniscas, comportándose la roca como una esponja.

METANOCH4

Alcoholmetílico Formaldehído Resinas

ETILENOCH2=CH2

Óxido de etileno

Dicloruro de etilo

Alcohol etílico

Polietileno

Etilenglicol

Acrilonitrilo

Anticongelante

Fibras sintéticas(dacrón)

Fibras sintéticas(orlón, acrilán, dynel)

Cloruro de vinilo Resinas

Acetaldehído Rayón

88

Métodos de extracción del petróleo

Cuando se perfora el pozo petrolero, en las rocas saturadas de crudo las presionessubterráneas empujan al petróleo a través de la roca hacia el pozo y posteriormente a lasuperficie. Sin embargo, en muchas perforaciones la presión natural no essuficientemente grande para mover el crudo hacia el pozo, o bien, durante la explotaciónla presión pudo haber disminuido a tal punto que para poder sacar el crudo es necesarioejercer una presión por los métodos denominados “de recuperación secundaria”.

Figura 20. Recuperación por inyección de agua.

PROPILENOCH2 = CH-CH3

Alcohol isopropílico Acetona Rayón

Polipropileno

Alcohol octílico

Alquilato

Resinasplastificantes

Detergentes

Cloruro de alilo GlicerinaPinturas

Explosivos

El método más común de recuperación secundariaes la inyección de agua, bombeándose ésta dentrodel yacimiento petrolero

89

En promedio, la recuperación primaria, es decir, cuando no se ha tenido que inyectaragua, produce solamente entre el 15 y 20 % del petróleo contenido en el yacimiento. Enla recuperación secundaria, con inyección de agua, el rendimiento final alcanza un 35 %del crudo más o menos.

Hoy en día se aplican sistemas de explotación artificiales como: bombeoneumático,mecánico, hidráulico y eléctrico.

Los recursos naturales como fuente de energía

Los combustibles naturales que ha utilizado el hombre para obtener energía y poderlaconvertir en calor o trabajo fueron inicialmente la madera y el carbón vegetal, con loscuales el hombre primitivo logró, mediante su combustión, preservarse de las bajastemperaturas invernales. Gradualmente, la madera y el carbón vegetal fueron sustituidospor el carbón de piedra, cuyo poder calorifico es mucho mayor. Se logró convertir laenergía en trabajo y se inició la llamada Revolución Industrial, la cual fueposteriormente impulsada por la utilización del petróleo.

La industria petrolera ha llegado a ser tan importante que mueve la política y laeconomía mundiales. Actualmente, en el mundo, el petróleo no sólo es la fuente másimportante de energía, sino que de él se derivan una gama muy amplia de productosobtenidos por procesos petroquímicos (figura 21).

90

Figura 21. Destino de las diferentes fracciones del petróleo después de la destilación primaria.

91

1) A partir del siguiente listado de productos anota en los paréntesis en qué estado deagregación se encuentran, puedes emplear la siguientes letras: “G” para indicar que esgaseoso, “S” para sólido y “L” para líquido.

Para lograr esta actividad deberás recurrir al esquema de la hoja anterior.

Querosina. ( ) Diesel. ( ) Amoniaco. ( ) Sulfas. ( ) Materiales de Construcción. ( ) Negro de humo. ( ) Gel de Petróleo. ( ) Saborizantes. ( ) Aceite mineral. ( ) Chicles. ( ) Ropas. ( ) Aislantes. ( ) Telas, ( )

2) Anota en los renglones correspondientes a que momento de destilación del petróleose encuentran los siguientes productos.

Aceite lubricante de motores. _________________________ Naftas. _________________________ Coque de petróleo. _________________________ Chapopote. _________________________ Aceite refinado. _________________________ Ceras. _________________________ Gasóleo _________________________


92

2.2.1 EL PETRÓLEO Y SU IMPORTANCIA SOCIOECONÓMICA EN MÉXICO

¿Cuáles consideras que son los beneficios que se obtienen de losingresos por la venta del petróleo a otros países?. Sabes en quélugar se encuentra México a nivel mundial como productor depetróleo?.

En México, más del 90% de la demanda de energía primaria es satisfecha por loshidrocarburos, ya sea en forma directa o por medio de la generación de electricidad. Porello es natural que la industria petrolera nacional sea considerada como la primera y másimportante del país.

No sólo en lo anterior radica su importancia, sino que aún es una de las fuentesprincipales en la captación de divisas, ya que poco menos del 50% se debe a estaindustria y también aporta el 35% de los ingresos fiscales (tabla 10 y 11 ) . PetróleosMexicanos (PEMEX) obtuvo ingresos por 67 741.5 miles de millones de pesos, con lasiguiente estructura:

Tabla 10. Ingresos obtenidos por ventas (1990).

Ingresos Monto(miles de millones de pesos)

Participación(%)

Ingresos por ventas Ventas interiores Ventas de exportación

Otros ingresos

Captación de financiamiento

Subtotal:

Impuestos retenidos

IVA*

IEPS**

Total:

53 114.625 946.527 168.1

1 786.6

3 613.1

58 514.3

9 227.2

4 597.1

4 630.1

67 714.5

78.438.340.1

2.6

5.3

86.4

13.6

6.8

6.8

100.0*IVA: Impuesto al Valor Agregado.**IEPS: Impuestos Especiales sobre Producción y Servicios.

93

El petróleo ha llegado a representar el mayor ímpetu al desarrollo económico, político ysocial de nuestro país. Este recurso ha dado a México un gran apoyo permitiéndoledesarrollar el aspecto científico y tecnológico, brindándole a la sociedad una nuevaforma de vida, pues le ha dotado de energéticos (principalmente), nuevos materialescomo telas (fibras sintéticas) y plásticos, usados tanto para el vestido como en laindustria. También le brinda la comodidad al proporcionarle gran variedad de aparatoselectrodomésticos y vehículos de transporte.

a) Consecuencias del uso irracional del petróleo

Pero también ha acarreado a la sociedad graves problemas, pues la explotaciónirracional de este recurso no renovable ha provocado la alteración del medio ambientenatural, desapareciendo especies animales y vegetales, debido a las diversas formasde contaminación ocasionadas ya sea durante la explotación o bien en la fabricación desus derivados.

Las industrias y los vehículos requieren combustibles que al ser quemados provocancontaminación atmosférica, dañando el ecosistema.

Tabla 11. Balanza de comercio exterior de productos petrolíferos y petroquímicos

(Millones de dólares)

Concepto 1989* 1990 %Variación

Exportaciones

Petróleo crudo

Productos petrolíferos

Productos petroquímicos

Total:

Importaciones

Gas natural

Productos petrolíferos

Productos petroquímicos

Total:

Saldo:

7 281.0

451.4

100.4

7 842.8

36.4

742.2

21.7

800.4

7 042.5

8 929.3

810.8

268.7

10 008.8

30.3

850.0

91.9

972.3

9 036.5

22.6

79.6

143.3

27.6

-16.7

14.5

322.8

21.5

28.3* Cifras confirmadas

94

Al revisar el esquema recordarás cuáles son los derivados y métodos de extracción delpetróleo, así como identificar la importancia que tiene, éste, en la sociedad.

EL PETRÓLEOY SUS DERIVADOS

MATERIASPRIMAS EXTRACCIÓN

FUENTEDE ENERGÍA MÉXICO

METANO ETILENO PROPILENO

PRIMARIA SECUNDARIA GENERADORDE BENEFICIOS

ECONÓMICO SOCIAL

las su método de como en

se derivan del pueden ser

a nivel


POLÍTICO CULTURAL

en lo

95

Después de haber analizado el esquema podrás realizar una síntesis de lo que se tratóen este capítulo.

RECAPITULACIÓN

EL PETRÓLEO

PROPIEDADES YCLASIFICACIÓN

DE LOS HIDROCARBUROS

DERIVADOS

ESTRUCTURA

ALCANOS ALQUENOS ALQUINOS COMPUESTOSCÍCLICOS

ISOMEROS

IMPORTANCIASOCIOECONÓMICA

EN MÉXICO

que se divide en

tiene una

sus

y la

96

Las actividades Integrales están diseñadas para que pongas en práctica lo aprendidohasta este momento, por lo tanto debes realizar todo lo que se te pide.

I. Contesta las siguientes preguntas:

1. ¿Cuáles son los elementos químicos que forman a los hidrocarburos?._______________________________________________________________________

2. Describe los compuestos llamados hidrocarburos saturados o alcanos._______________________________________________________________________

3. Escribe el nombre de los siguientes compuestos.

a) CH3-CH2-CH=CH2 ______________________________________________

b) CH3-CH2-CH3 ______________________________________________

c) CH2 =C-CH3 ______________________________________________

4. ¿Qué diferencia existe entre los alquenos y los alquinos?._______________________________________________________________________

5. ¿Cuál es el principal uso que se le da al petróleo?._______________________________________________________________________

6. Menciona cinco productos obtenidos en la destilación primaria del petróleo.______________________________________________________________________________________________________________________________________________

7. Escribe tres ejemplos de compuestos derivados de la petroquímica.______________________________________________________________________________________________________________________________________________

8. ¿Qué destino tiene la producción petrolera de nuestro país y cuáles son susrepercusiones socioeconómicas?.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________

9. ¿Qué lugar ocupa México como productor de petróleo en el mundo?______________________________________________________________________

10. Comercialmente, ¿cómo se clasifican los petróleos mexicanos?______________________________________________________________________________________________________________________________________________


97

PRÁCTICA DE LABORATORIO (OBLIGATORIA)

Objetivo. Identificar los grados de destilación de la gasolina nova, gasolina blanca yaceite lubricante.

Cuestionario (integración de conceptos antecedentes).

a) ¿A qué se llama fracción del petróleo? _________________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________

b) Menciona tres fracciones ligeras que se obtengan del petróleo crudo. ________________________________________________________________________

_______________________________________________________________

c) Con base en su composición química, ¿cuántas clases de petróleo existen enel mundo?_______________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

d) De las fracciones obtenidas en la destilación del petróleo, ¿cuál presentamayordemanda?______________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

e) ¿De qué manera puedes identificar cuando una porción es de gasolina nova yotra de gasolina blanca?___________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

f) ¿Qué uso cotidiano se le da a la gasolina blanca?________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________


98

Experimentación

Objetivo del experimento. Realizar la destilación de una mezcla de hidrocarburos paraobtener gasolina blanca y gasolina nova.

Materiales, sustancias y equipos.

Material: Cantidad y sustancias:

☞ 1 parrilla eléctrica

☞ 1 matraz de destilación

☞ 1 refrigerante

☞ 1 termómetro de escala -10 ºC + 400 ºC

☞ 2 tapones de hule

☞ 1 tubo de hule látex (juego de dos)

☞ 2 soportes universales, 1 pinzas para

bureta

☞ 1 pinzas de extensión de tres dedos

con nuez

☞ 1 probeta graduada de 50 ó 100 mL

☞ 2 vasos de precipitados de 250 mL.

☞ 70 mL de gasolina nova

☞ 20 mL de gasolina blanca

☞ 20 mL de aceite lubricante

Procedimiento.

Efectuar la mezcla de gasolina nova, gasolina blanca y aceite lubricante (hidrocarburos),colocarla en el matraz de destilación y armar el aparato como aparece en la figura 19.(Colocar núcleos de ebullición junto con la mezcla para evitar que salte durante laebullición.)

Abrir el grifo del agua antes de encender la parrilla eléctrica.

Cuando empiece a destilar, registra la temperatura y recoger en su vaso el líquido quesalga mientras la temperatura se mantenga constante.

Una vez que destile la segunda fracción, registrar nuevamente la temperatura y recogeren otro vaso el líquido que se destile mientras la temperatura permanece constante.

99

Figura 22. Aparato de destilación.

Hipótesis : Recuerda que antes de llevar a cabo el experimento se plantea unahipótesis.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Guía de observaciones y registro de datos

a) Anota las dos temperaturas a las que empezaron a destilar las fracciones.


a) ¿Qué finalidad se persigue al destilar el petróleo?

b) ¿Por qué no destila el tercer componente?

4. Conclusión__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conectado al depósito recolector

Conectado a la llavedel agua

100

“PROPIEDADES DE LOS HIDROCARBUROS AROMÁTICOS” (OBLIGATORIA).

Objetivo

Conocer las propiedades físicas y químicas de algunos de los derivados del benceno,mediante las pruebas de solubilidad y reactividad; para establecer la relación estructura-propiedades.


1) Investiga el nombre de cuatro derivados del benceno.______________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿De dónde se obtienen principalmente los hidrocarburos aromáticos?______________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) Menciona cuatro productos de uso común que sean derivados del benceno.______________________________________________________________________________________________________________________________________________

Hipótesis

Elabora tu hipótesis a partir de la siguiente pregunta.

¿Crees que el tolueno y naftaleno se disuelvan totalmente en agua, en etanol y en éterde petróleo?, explica:___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


101

¿Qué necesitas?


☞ 1 Gradilla ☞ 12 mL de tolueno☞ 7 Tubos de ensaye ☞ 0.20 g de naftaleno☞ 1 Agitador de vidrio ☞ 6 mL de etanol☞ 1 Probeta de 25 mL ☞ 6 mL de éter de petróleo

☞ 6 mL de agua


Etanol.- Líquido incoloro, muy volátil, inflamable y de olor agradable, poco tóxico poringestión.

Naftaleno.- Sólido blanco, volátil a temperatura ambiente y muy tóxico si es ingeridoen grandes cantidades.

Tolueno.- Líquido inflamable de olor parecido al benceno, poco tóxico.

Éter de petróleo.- Líquido muy inflamable y tóxico, no debes inhalarlo, daña alsistema respiratorio.

¿Cómo hacerlo?

Figura 23

En una gradilla coloca tres tubos de ensayo y vierte en cada uno 3 mL de tolueno; alprimer tubo agrégale 3 mL de agua, al segundo tres mL de etanol y al tercero 3 mL deéter. Agita los tubos.

En la gradilla coloca otros 4 tubos de ensayo y en cada uno de ellos por 0.5 g denaftaleno; agrega 3 mL de agua, 3 mL de etanol, 3 mL de éter, y 3 mL de toluenorespectivamente. Agita los tubos.

Precaución: No inhales los vapores que desprenden las sustancias.

102


Anota los resultados de solubilidad.

Agua Etanol ÉterTolueno

Agua Etanol Éter ToluenoNaftaleno


Al terminar el experimento coloca los resultados de los tubos de ensayo en el recipienteindicado por tu asesor para que se absorban con arena y evitar la contaminación.


¿Para qué es importante conocer la solubilidad de los hidrocarburos aromáticosutilizados?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿En cuál de los disolventes se disuelve mejor el tolueno? .¿En cuál el naftaleno?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

Considerando el cuestionario de reflexión y contrastando los resultados con tushipótesis, elabora las conclusiones a las que llegaste.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

103

En este apartado podrás comparar las respuestas que diste en las ActividadesIntegrales.

1) Carbono e hidrógeno.

2) Son compuestos formados por carbono e hidrógeno, en los cuales los carbonosestán unidos por enlaces sencillos.

3) a) l.Butano; b) Propano, y c) l. Propino.

4) Los alquenos presentan doble enlace y los alquinos triple enlace entre losátomos de carbono.

5) Como materia prima para obtener energéticos.

6) a) Gasolina: b) Queroseno; c) Gasóleo (diesel); d) Aceite lubricante, ye) Parafinas.

7) a) Nylon; b) Bakelita, y c) Detergentes.

8) Principalmente se exporta petróleo crudo y otra parte en nivel nacional paraproducir energéticos y productos petroquímicos (ver tabla 2).

En el aspecto socioeconómico es el mayor generador de divisas, siendotambién una de las empresas que genera el mayor número de empleos, amplíalos servicios urbanos, así como vías de acceso, entre otros.

Nota: En el aspecto ecológico también tiene trascendencia porque su extracción y

uso han causado graves alteraciones al medio, la cuales se han idoremediando, pero resta mucho por hacer.

9) El quinto lugar entre 1989 y 1990.

10) Maya, Istmo, Olmeca y del Golfo.

AUTOEVALUACIÓN

104

En este esquema te presentamos la forma en cómo se relacionaron los contenidos a lolargo del fascículo.


ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LAMATERIA Y EL PETRÓLEO

se dividen en

CARACTERÍSTICASDE LOS ESTADOSDE AGREGACIÓN

PETRÓLEO

como son

GASES LÍQUIDOS SÓLIDOS

así como su

INTEGRACIÓN

PROPIEDADES YCLASIFICACIÓN DE

LOSHIDROCARBUROS

VENTAJASY

DESVENTAJAS

donde se consideransus

105

Este apartado tiene como función que pongas en práctica los conocimientos que hasadquirido hasta este momento, además de que es fundamental para que puedaspresentar tus prácticas.

A) “Imagina que trabajas en una empresa en donde se dedican al análisis deproductos químicos, tu jefe recibe una orden de trabajo en la que se tiene queidentificar los compuestos de una mezcla.Una vez que tu jefe hace el análisis pertinente determina que los compuestos sonMetano, Benceno y Naftaleno.”

Para poder completar el informe de laboratorio deberás dar respuesta a lassiguientes preguntas:

1. ¿Cuál es el estado de agregación de cada uno de los componentes?.

Metano ______________________

Benceno _____________________

Naftaleno ____________________

2. ¿Cuál es la fórmula estructural y condensada de los elementos?.

Metano BencenoNaftaleno


106

3. Completa el siguiente cuadro.

SUSTANCIA CLASIFICACIÓN PROPIEDADES

METANO

BENCENO

NAFTALENO

4. De acuerdo a el número de carbonos, ¿cuál de los tres elementos tiene lamenor temperatura de ebullición o fusión?.

___________________ ____________________ _____________________ Menor temperatura Mayor temperatura

B) Resuelve los siguientes problemas:

Problema 1

¿Cuál es el número de moles de 20g de butano (C4H10)?. Si se tiene una presiónde 250 atm. en un volumen de 500 mL a una temperatura 0.06ºC.

107

Problema 2

Para obtener 100mL de metano líquido. ¿Cuántos gramos de metano sólido senecesitan bajo las condiciones de gas ideal?.

C) Ordena de mayor a menor número de carbonos los siguientes derivados delpetróleo. Para lograr esto deberás tener en cuenta: la etapa de destilación en quese encuentra cada derivado y el punto de ebullición con respecto al número decarbonos.

Ceras __________________________

Aceite combustible __________________________

Combustible para hornos __________________________

Negro de humo __________________________

Chapopote __________________________

Querosina __________________________

Aislantes __________________________

Disolventes de pintura __________________________

Amoniaco __________________________

108

Como una forma de retroalimentación te proporcionamos los procedimientos yrespuestas de las Actividades de Consolidación, esto te servirá para identificar losaciertos y errores que hayas tenido.

A)1º Metano: Normalmente es un Gas, como por ejemplo el Acetileno.

Benceno: Es un líquido como el caso de la gasolina.

Naftaleno: Su presentación es en forma de Sólido.

2°Metano (CH4) Benceno (C6H6) Naftaleno (C10H6)

3º

SUSTANCIA CLASIFICACIÓN PROPIEDADES

METANO

BENCENO

NAFTALENO

Alcano

Aromático

AromáticoPolicíclico

Es un gas. Está unido por enlaces simples. Es estable al reaccionar con diferentes reactivos.

Compuestos cíclicos no saturados. Unido por doble ligadura y simple.

Es un sólido. Su compuesto es policíclico. Unido con ligaduras simple y doble.

AUTOEVALUACIÓN

C

H

H H

H

CH

CH

CH

CH

CH

CH

CH

CH

CH

CH

C

C

CH

CH

CH

CH

109

4º

_____ Metano__ _Menor temperatura

_______Benceno_____ _______Naftaleno_____Mayor temperatura

B)

Problema 1

Datos Fórmula

V = 500 mL = 0.5L*

T= 0.06 ºC = 273.06 K * PV nRT n PVRT

P = 250 atm

R = 0.082 atm L/Kmol.

N = ?

*NOTA: Estos valores se dan cuando se convierten unidades:

V 500mL1L

1000mL0.5L

T= 273 + 0.06ºC = 273.06k

Sustitución

n250 atm 0.5 L

0.082 L atm / K mol 273.06 Kn 125

22.39 mol5.58 mol

110

Problema 2.


V = 100 mL = 0.1 L** PV nRT PVm

PMRT

T = 273 K Donde: PMPV mRT

R = 0.082 L atm/K mol nm

PMm

PMPVRT

m = ? Entonces:

PM = CH4 = 16g/mol** PV mPM

RT

P = 1 atm.

Sustitución

m16g / mol 0.1 L 1 atm

0.082 L atm / K mol 273 K1.6 g

22.386m 0.071 g

**NOTA: Estos valores se dan cuando se convierten valores

V 100 mL1 L

1000 mL0.1 L

PM= Masa atómica de cada elemento C = 12 x 1 H = 1 x 4 = 12 + 4 = 16g/mol

C) El orden que deberías haber considerado es el siguiente:

Negro de humoAmoniacoDisolvente de pinturaQuerosinaCombustible para hornearCerasAislantesAceite combustibleChapopote.

111

1) Para reforzar el conocimiento adquirido en la actividad experimental se sugiere quevisites el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP) y el Museo Tecnológico de la ComisiónFederal de Electricidad (CFE).

2) También debes realizar una investigación documental en la que amplíes tusconocimientos sobre los siguientes aspectos del petróleo:

a) Origen.

Donde surgeCuáles fueron las formas originales de extracción.Cómo se utilizó originalmente.Quiénes fueron los pioneros de la Industria Petrolera en México y en el mundo.Factores que originaron la expropiación petrolera en México.

b) Refinación.

Cómo se obtienen las materias primas del petróleo. Cuáles son las materias primas principales (petroquímicos primarios). Usos que se le dan a estos petroquímicos primarios.

c) Productos intermediarios de los procesos petroquímicos y sus aplicaciones.

d)Bienes del petróleo hacia la sociedad.

e) Repercusiones del uso y sus derivados del petróleo.


115

C. B. A.: Sistemas químicos. Reverté, España, 1986.

CÓRDOVA, J, L. La química y la cocina. FCE (La ciencia desde México), México, 1990.

COTTON, F. A., et al. Química general superior. Interamericana, México, 1986.

CHOW Pangtay, Susana. Petroquímica y sociedad. FCE (Colección La Ciencia desdeMéxico), México.

DICKSON, T. R. Introducción a la Química. Publicaciones Cultural, México, 1983.

DUHNE, Ortegón, Domínguez. Química general y orgánica.

ETIENNE, G. y Menchaca H. El petróleo y la petroquímica. ANUIES.

FERGUSON, Schmuckler, Caro, Schregelman. Laboratorio de química. Investigaciones.Publicaciones Cultural, México.

FLORES DE LABARDINI, T., García, G. M., et al. Química. Publicaciones Cultural,México, 1990.

GARRITZ Ruiz, Andoni, y J. A. Chamizo. Del tequesquite al ADN. FCE (La Cienciadesde México), México.

KEENAN, C. W., et al. Química general universitaria. CECSA, México, 1986.

LENZ DEL RÍO, Alberto. Química orgánica elemental. Patria, México.

LÓPEZ Márquez, Luis M. Química del carbono. Guajardo, México, 1975.

MALONE, J. L. Introducción a la química. Limusa, México, 1988.

MORRISON y Boyd. Química orgánica. Addison Wesley Iberoamericana, México, 1983.

NORMAN, R. O. C., y D. J. Waddington. Química orgánica moderna. CECSA, México.

RIVAS, Villarreal, butruille. Experimentos de química. ANUIES (parte ll), México.

ROMO, Alfonso. Química, universo, tierra y vida. FCE (Colección La Ciencia desdeMéxico), México.

RUSSELL, J. B. Química general. McGraw-Hill, Colombia, 1985.


116

SIENKO, Plane. Química. Principios de aplicaciones. McGraw-Hill, México.

SMOOT, Price. Química. Un curso moderno. CECSA, México, 1986.

TURK, Amos, Jonathan Turk, Janet Wittes, Tobert Wittes. Tratado de ecología. NuevaEditorial Interamericana.

REVISTAS:

Anuario Estadístico 1990 PEMEX.

El Petróleo, 50 Aniversario PEMEX.

Tecnología y Capacitación en la Industria Petrolera Nacional, octubre de 1971.

Panorama de la Industria Petrolera Mexicana, enero de 1975.

“PEMEX y la Eficiencia Energética”, Ciencia y Desarrollo, noviembre-diciembre de 1988.


QUÍMICA I

FASCÍCULO 3. MEZCLAS, COMPUESTOS Y ELEMENTOS

Autores: Alejandro Bello MoralesMaría de Lourdes Castro Buendía.José Guadalupe Monroy.Felipe Huerta Orea.

Felipe de Jesús Méndez Brito.Javier Nuñez Chávez.M. Sergio Ríos Carbajal.Rocío L. Rivera García.

2

Colaboradores Rosa Martha Chávez Maldonado. Amalia España Zamudio. Sara María Teresa Reyes Arana.

Asesoría Pedagógica Alejandro González Villeda.

Revisión de Contenido Gabriel Roca Niño. Genaro Cisneros Vargas. Javier Zaldivar González. M. Sergio Ríos Carbajal.

Diseño Editorial Leonel Bello Cuevas. Javier Darío Cruz Ortiz.


3

INTRODUCCIÓN 5

CAPÍTULO 1. MEZCLAS, COMPUESTOS Y ELEMENTOS 7

PROPÓSITO 9

1.1 SISTEMAS HOMOGÉNEOS Y HETEROGÉNEOS

1.1.1 Mezclas1.1.2 Dispersiones

1.2 SOLUCIONES

1.2.1 Concentración1.2.2 Porcentaje en Masa1.2.3 Porcentaje en Volumen1.2.4 Molaridad1.2.5 Separación de Constituyentes de Mezclas

1.3 CONCEPTO DE ELEMENTO

1.4 COMPUESTOS


11

1313

26

2727293034

58

66

67

68

75

Í N D I C E

4

CAPÍTULO 2. CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS 81

PROPÓSITO

2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS ELEMENTOS

2.1.1 Propiedades Físicas2.1.2 Propiedades Químicas2.1.3 División de los Elementos2.1.4 Alotropía

2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS

2.2.1 Las ideas básicas de Mendeleieva) Cuerpo simple-molécula y elemento-átomob) Las “valencias” de los elementosc) Similitud y diferencia

2.3 LA TABLA PERIÓDICA

2.3.1 Metales y no metales

2.4 LOS PRINCIPALES GRUPOS O FAMILIAS

2.4.1 Metales Alcalinos2.4.2 Metales Alcalinotérreos2.4.3 Halógenos2.4.4 Aplicaciones de la Tabla Periódica

2.5 METALES Y NO METALES MÁS IMPORTANTES


83

85

86868688

96

999999

100

103

104

111

111113115116

119

140141145



AUTOEVALUACIÓN 150

GLOSARIO 152


5

Sin lugar a duda, en todo lo que va de nuestra vida hemos tenido contacto con algún tipode mezcla y/o sustancias, tales como el aire que respiramos, los refrescos, etc.

Por lo tanto, en este fascículo identificarás qué es un elemento y sus diferentesclasificaciones, a partir de la caracterización de las mezclas y de las sustancias puras;esto te servirá para poder explicar la estructura de la materia.

El fascículo que lleva como nombre “MEZCLAS, COMPUESTOS Y ELEMENTOS” sedivide en dos capítulos:

Dentro del primer capítulo abordaremos las propiedades más importantes de lossistemas de dispersión. Posteriormente te daremos a conocer los elementos necesariospara poder calcular en una concentración: porcentaje de masa, porcentaje de volumen yconcentración molar. Por otro lado, identificarás diferentes métodos para separarmezclas. Como tercer aspecto, haremos un recorrido histórico sobre el concepto de“Elemento”. Por último, nos enfocaremos a la clasificación de los compuestos (binarios yterciarios).

En el segundo capítulo se revisarán algunas propiedades de los elementos con el fin decaracterizarlos y se realizará un recorrido histórico por las diferentes clasificacioneshasta llegar a las tablas periódicas de uso común, ya que por medio de su estudio sepuede establecer una forma sistemática del conocimiento de las propiedades de loselementos, su división en metales y no metales, su comportamiento químico y lanomenclatura de los compuestos que forman.


7

MEZCLAS, COMPUESTOS Y ELEMENTOS

1.1 SISTEMAS HOMOGÉNEOS Y HETEROGÉNEOS.

1.1.1 Mezclas.

1.1.2 Dispersiones.

1.2 SOLUCIONES

1.2.1 Concentración.

1.2.2 Porcentaje en Masa.

1.2.3 Porcentaje en Volumen.

1.2.4 Molaridad.

1.2.5 Separación de Constituyentes de Mezclas.


1.4 COMPUESTOS

C A P Í T U L O 1

9

El presente fascículo tiene como finalidad darte a conocer las características deMezclas, Compuestos y Elementos; para que observes que en nuestra vida diariainteractuamos con un gran número de estos elementos y que en casos excepcionaleshay sustancias puras, por ello es importante:

QUÉ: Conozcas la importancia de Mezclas, Compuestos y Elementos.

A TRAVÉS DE: Los distintos métodos de separación de las mezclas y con ellodeterminar qué compuestos y elementos lo constituyen, así como las características deelementos y compuestos químicos.

PARA QUÉ: Adquieras conocimientos que te lleven a comprender que en tu vida diariaexisten mezclas y compuestos que te rodean y muy pocos son sustancias puras.

P R O P Ó S I T O

11

CAPÍTULO 1. MEZCLAS, COMPUESTOS Y ELEMENTOS

1.1 SISTEMAS HOMOGÉNEOS Y HETEROGÉNEOS

En Química de denomina sistema a una porción del Universo que se aisla para suestudio, sistemas que pueden ser homogéneos y heterogéneos.

Un sistema homogéneo es aquél que posee idénticas propiedades físicas en toda suextensión debido a que sus constituyentes, por su composición y estructura interna, seencuentran uniformemente mezclados entre sí. Por lo tanto, no se distinguen superficiesde separación, fases o entrecaras entre sus constituyentes; por ejemplo: el aire, elalcohol mezclado con agua o una porción de sal disuelta en agua.

Figura 1. Sistema homogéneo.

agua

alcohol

12

Un sistema heterogéneo es aquél que no es uniforme por completo, ya que presentaporciones con ciertas propiedades físicas distintas, porciones limitadas por fases oentrecaras que difieren por su composición y estructura interna; por ejemplo: lodo,conjunto agua-aceite, nube de polvo, mezcla de hierro, arena, agua y hielo.

Figura 2. Sistemas heterogéneos

Una porción físicamente distinta de materia que es uniforme en su composición ypropiedades se llama fase.

Los materiales homogéneos consisten en una sola fase.

Los materiales heterogéneos consisten en más de una fase.

Figura 3. Separación de fases en un sistema heterogéneo.

Nota. Debe observarse que en determinados casos no es fácil descubrir la naturalezahomogénea o heterogénea de un sistema o de un cuerpo. Para que un sistema seacalificado como heterogéneo no es necesario que sus constituyentes tengan distintacomposición química. Así, un sistema de agua líquida y pedazos de hielo se consideraheterogéneo, a pesar de que el agua y el hielo tienen la misma composición química.

Fase 1

Fase 2Agua

Aceite

13

En ciertos casos, para observar la verdadera naturaleza homogénea o heterogénea senecesita recurrir a medios auxiliares de observación, como las lupas y el microscopio;por ejemplo, en el examen de las finísimas partículas de arcilla en el agua turbia.

1.1.1 MEZCLAS

Mezcla es un cuerpo heterogéneo resultado de la unión física de dos o más sustanciaspuras (elementos o compuestos), que al hacerlo conservan sus propiedadesindividuales. La composición de las mezclas es variable y sus constituyentes se puedenseparar fácilmente por medios físicos.

Los alimentos y muchos vestidos que utiliza el hombre, así como el aire que respira, susangre misma y sus huesos son mezclas, en las que ninguno de sus componentes estáunido atómicamente para formar una sustancia nueva. El aire, por ejemplo, se componeprincipalmente de nitrógeno y oxígeno; pero cada gas conserva sus característicasindependientes y, con equipo adecuado, se pueden separar de la mezcla medianteprocesos puramente físicos.

1.1.2 DISPERSIONES

Si en un sistema heterogéneo los componentes se encuentran “bien mezclados”, se diceque tiene una dispersión, puesto que un componente se encuentra disperso en el senode otro. Se ha establecido que el componente que se encuentra en menor cantidad, sedenomine dispersado y el que se encuentra en mayor proporción se llame dispersante.

La principal diferencia entre las diversas dispersiones es el tamaño de las partículas dela fase dispersa.

En una solución, las partículas son aproximadamente del tamaño de las moléculas delsoluto, es decir, del orden 1 x 10-7 cm.

Como se observa, no existe frontera precisa entre suspensión coloide y solución. Ladiferencia entre las dispersiones no reside sólo en el tamaño de las partículas dispersas,aunque sea el carácter principal, sino también en las propiedades especiales de dichasdispersiones. A continuación en la tabla 1, podrás observar las diferentes propiedadesde éstas.

Dispersiones

Heterogéneas(dos fases)

Homogéneas(una fase)

agregadossuspensionescoloides

soluciones

14

Tabla 1. Propiedades de las dispersiones

Dispersión Dos fases Una fasePropiedad Suspensión Coloide Solución

Tamaño (cm) Mayor de 2 x 10-5 Entre 10-7 y 10-5 Menor de 10-7

Visibilidad A simple vista, o conun microscopio

Conultramicroscopio

No visible

Sedimentación Rápida Lenta Nula

Posibilidad deabsorción

Muy pequeña Muy grande No hay

Movilidadninguna

Ninguna Browniana Molecular o iónica

Filtración Con papel filtro Con membranassemipermeables

Efectos sobrepropiedadescoligativas

Ninguno Ligero Grande

EfectoTyndall

Ninguno Existe Ninguno

Color Muy oscuro Intermedio Translúcido

Cargaeléctrica

Ninguna Alguna carga Moléculas no,iones sí

Áreasuperficial

Muy pequeña Grande Muy grande

Los agregados son sistemas de dispersión heterogénea en los cuales las fases seencuentran asociadas y se distinguen a simple vista; así tenemos al granito y el mármolcomo ejemplos. Este tipo de dispersiones, cuyas partículas son mayores de 2x10-4 cm,se consideran mezclas.

Hay muchas clases de sustancias que no se disuelven por completo en el mediodispersante, tal es el caso de las emulsiones y las suspensiones, mezclas que con elpaso del tiempo terminan por mostrar una separación entre las fases dispersa ydispersora; se deposita o sobrenada finalmente la primera (formación de precipitados).

Si agitamos una mezcla de agua, arena y cemento, obtenemos una mezcla turbia; si sepone en reposo se “asientan” los materiales sólidos. A este tipo de mezclas se les llamasuspensiones, siendo las más comunes: leche de magnesia, agua turbia, chocolate enagua, crema de elote, pigmento de las pinturas, las tolvaneras, lechada de cal, etcétera.

15

Las emulsiones se obtienen por mezcla y agitación prolongada de líquidos no misciblesentre sí, como el agua y el aceite, elementos que al dejarlos en reposo acaban porsepararse en dos capas. Una emulsión se define como toda dispersión formada pordos sustancias líquidas no miscibles, una de las cuales se halla dispersa en la otraen forma de gotas pequeñísimas, de 10-4 a 10-5 cm. Emulsiones conocidas son: leche,mayonesa, crema, mantequilla, aderezos para ensaladas, insecticidas con base enpetróleo, aceite de hígado de bacalao, etcétera.

La separación de emulsiones tiene mucho uso en la industria; por ejemplo, en laseparación de la mantequilla de la leche, la del petróleo y el agua en los pozospetroleros, en la industria de lavado al separar la grasa y la suciedad de la ropa,etcétera.

Cuando se quiere que una mezcla conserve su estado de emulsión se utilizan agentesemulsionantes, como, la yema de huevo, emulsionante de muchas salsas semilíquidas.Otros agentes emulsionantes son las soluciones jabonosas y detergentes, que hacenque la grasa y el agua se emulsionen, lo que permite la limpieza de trastos y ropa.

Coloide del griego Kolla “cola” y eidos “semejante”, que significa “especie de cola”, yaque primero se aplicó a sustancias tales como cola de pegar, gelatina, jaleas, albúminas,engrudo de almidón y otros compuestos orgánicos integrales de los seres vivos. Loscoloides son muy importantes en la industria, como por ejemplo, en el comportamientode los plásticos; el hule, las pinturas, el cemento, la cerámica, los detergentes y losaerosoles se relacionan también de alguna manera con los coloides.

Los coloides son dispersiones heterogéneas de dos fases intermedias entresoluciones y precipitados, con partículas dispersas de tamaño comprendido entre 10-4

y 10-7 cm, no sedimentables por la gravedad, dotadas de movimiento browniano1, quepresentan el fenómeno de Tyndall2, con fases no separables por métodos mecánicosordinarios.

Las soluciones coloidales son opalescentes (semitransparentes), en las cuales laspartículas de los coloides (micelas) tienen mayor tamaño que las moléculas o iones queforman las disoluciones; sin embargo, no son tan grandes como para agruparsefirmemente, cosa que ocurre en una suspensión.

Las partículas dispersas de los coloides son tan grandes que cabe preguntarse ¿por quéno se precipitan (sedimentan) inmediatamente en la solución?, aunque se hadescubierto que cada partícula individual (micela) está dotada de movimientozigzagueante browniano, mediante el cual las partículas coloidales se mantienen ensuspensión. Además, las partículas coloidales son aptas para dispersar la luz, de talmanera, que en su interior se puede ver la trayectoria brillante de la luz, lo que lasdistingue de una solución verdadera que no desvía los rayos luminosos, fenómeno quese conoce como efecto Tyndall.

1 En honor de Robert Brown (1773-1858), quien descubrió este tipo de movimiento al estudiar los orgános de polensuspendidos en el agua.

2 En honor de John Tyndall (1829-1893), quien fuera el primero en observarlo.

16

Figura 4. Efecto Tyndall.

La importancia de los coloides radica en que todos los sistemas biológicos soncoloidales en cierta medida. Se sabe que la célula viva depende de partículas coloidalesen el protoplasma (solución coloidal como lo son la sangre y otros fluidos en elorganismo) para realizar sus funciones químicas de crecimiento y metabolismo.

Una de las funciones de la célula consiste en separar suspensiones mediante el procesode diálisis, el cual es de gran utilidad pues separa nuevos materiales suspendidos. Conmembranas de tipo adecuado es factible la separación entre dos materialessuspendidos, dado que se aprovecha la diferencia de tamaño de sus partículas.

Completa la siguiente tabla con la información que se te pide: explica cada uno de losconceptos y ejemplifícalos.

MEZCLA CARACTERÍSTICAS EJEMPLO

Solución

Agregados

Suspensiones

Emulsiones

Coloides


17

“CARACTERÍSTICAS DE SOLUCIONES, SUSPENSIONES Y COLOIDES”(OBLIGATORIA).

Objetivo

Mediante una actividad experimental el estudiante identificará las características de lassoluciones, las suspensiones y los coloides por medio de su apariencia.

Material Sustancias

☞ 8 vasos de precipitados de 100 mL☞ 3 vidrios de reloj☞ 1 mechero de Bunsen☞ 1 tripié☞ 1 agitador de vidrio

☞ agua☞ horchata☞ mayonesa☞ pintura de aceite☞ alcohol

☞ sal común (NaCl)☞ crema de leche☞ gelatina en polvo☞ arcilla

Procedimiento experimental

Numera cada uno de los vasos de precipitados y en cada uno coloca la sustancia que lecorresponda, apóyate en la tabla 2.

Tabla 2.

VASONo.

SUSTANCIAS

1

2

3

4

5

6

7

8

Agua y sal común, agitar hasta disolución total

Agua y horchata, agitar hasta disolución total

Crema de leche

Mayonesa

Gelatina en polvo y agua caliente, agitar hasta su total disolución

Alcohol y agua, agitar

Arcilla y agua, agitar

Pintura de aceite, agitar


18

Ahora te presentamos la tabla 3, así como una secuencia de ilustraciones delprocedimiento experimental. Apóyate en éstas para realizar la práctica.

Tabla 3. Comparación de las propiedades de las soluciones, de las suspensiones y delos coloides

Soluciones Suspensiones Coloides

No se sedimentan Pasan a través de

papel filtro ordinario. Pasan a través de una

membrana. No dispersan la luz.

Se sedimentan enreposo.

Se separan mediantepapel filtro ordinario.

Se separan medianteuna membrana.

Dispersan la luz.

No se sedimentan. Pasan a través de papel

filtro ordinario. Se separan mediante

una membrana. Dispersan la luz.

Figura 5

1) agua - sal común

Agua Sal Agua Horchata

Crema Mayonesa

Agua caliente

Gelatina en polvo

Agua y Alcohol

Agua

Arcilla

Pintura de aceite

2) agua - horchata

3) 4)

5) 6)

7) 8)

19

Registro de Observaciones

Hipótesis

Con base en la tabla 1 realiza lo siguiente:

Clasifica como agregados, soluciones, suspensiones y coloides cada una de lasmuestras experimentales.

1. 2.3. 4.5. 6.7. 8.

Conclusión

20

“CARACTERÍSTICAS DE DISOLUCIONES, SUSPENSIONES Y COLOIDES”

Objetivo

Identificar las características de diferentes sustancias de uso cotidiano, mediante laobservación de su comportamiento para clasificarlas en disoluciones, coloides osuspensiones.


1) ¿Qué características presentan las disoluciones?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) Escribe tres características de los coloides._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Cuáles son las características de las suspensiones?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) ¿ Qué es el efecto Tyndall?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) ¿ Qué dispersiones presentan movimiento browniano?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


21

Hipótesis

Elabora tu hipótesis a partir de la siguiente pregunta:

De acuerdo a las características de las disoluciones, los coloides y las suspensiones,¿Cómo se clasificarán las sustancias?.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias *

☞ 10 Vasos de precipitados de 100 mL

☞ 3 Vidrios de reloj

☞ 1 Mechero de Bunsen

☞ 1 Soporte universal

☞ 4 Agitadores de vidrio

☞ 1 Tela de alambre con asbesto

☞ 1 Embudo de tallo corto

☞ 8 Tramos de papel filtro

☞ 1 Lámpara de pilas

☞ 1 Anillo metálico

☞ 300 mL de agua

☞ 35 mL de jarabe de horchata

☞ 5 g de sal (cloruro de sodio)

☞ 50 g de crema de leche

☞ 50 g de mayonesa

☞ 10 g de gelatina en polvo

☞ 35 mL de alcohol (etanol)

☞ 15 g de arcilla

☞ 70 mL de pintura de aceite

* Las cantidades pueden ser aproximadas ya que la actividad es cualitativa.


Las indicadas para el trabajo con material de vidrio y mechero de gas.

Etanol.- Líquido incoloro, muy volátil, inflamable, de olor agradable y poco tóxico poringestión.

22

¿Cómo hacerlo?

Numera los vasos del 1 al 8 y coloca las sustancias en ellos como se indica.

Figura 6

Precaución

Recuerda que el alcohol es inflamable no lo acerques al mechero encendido.

Deja en reposo unos 5 minutos los vasos de precipitados, con las sustancias y observacuales sedimentan. Registra tus observaciones.

50 ml de agua y5g de cloruro de sodio

50g de crema

50 ml de agua caliente y 10g degelatina en polvo

50 ml de agua y 15g de arcilla

50 ml de agua y35 ml de jarabede horchata

50g de mayonesa

50 ml de agua y 35 ml de alcohol

70 ml de pintura de aceite

23

Has incidir la luz de la lámpara en cada uno de los vasos que contienen las sustancias,como lo muestra la imagen y anota tus observaciones.

Figura 7

Finalmente filtra cada una de las mezclas y registra el resultado.


Las siguientes sustancias las debes desechar por la tarja con suficiente agua:

- Horchata - Crema- Sal - Mayonesa- Etanol - Gelatina

Los papeles filtro los debes tirar en el cesto para basura y el contenido de la arcilla,colócalo en el recipiente que te indique el responsable del laboratorio.

La pintura deposítala en otro recipiente, el cual deberá indicarte el responsable dellaboratorio, para eliminar adecuadamente los desechos y así no contaminar.

24


Registra en la siguiente tabla tus observaciones.

No. de vaso Sedimentan SÍ/NO Presentan efectoTyndall SÍ/NO

Se separan porfiltración SÍ/NO

12345678


De acuerdo a las características observadas en cada mezcla, clasifícalas endisoluciones, coloides o suspensiones. Utiliza la siguiente tabla.

DISOLUCIONES COLOIDES SUSPENSIONES

Conclusiones

Contrasta tu hipótesis con la clasificación a la que llegaste y elabora tus conclusiones.

25

Hasta este momento ya conoces:


SISTEMAS

HOMOGÉNEOS HETEROGÉNEOS

UNA FASE

SOLUCIONES

MÁS DEUNA FASE

MEZCLAS

DISPERSIÓN

AGREGADO COLOIDESUSPENSIÓN

se dividen se dividen

como

dependiendo de la

clasifican en

son son

en en

DISPERSIÓN

por su

son

pueden ser

se

26

1.2 SOLUCIONES

Las soluciones son dispersiones homogéneas en donde el medio dispersante, llamadodisolvente, y el disperso, llamado soluto, forman una sola fase. El soluto y el disolvente,en una solución existen como moléculas o como iones; en consecuencia, el soluto nopuede observarse ni con el ultramicroscopio. Se puede decir que la dispersión estransparente.

Las soluciones se clasifican de acuerdo con su estado físico en: gaseosas, líquidas ysólidas. Un ejemplo de solución gas-gas es el aire; una solución líquida se obtiene, conalcohol en agua, el vinagre, el tequila, etc., y solución sólida podría ser una aleaciónmetálica como el latón, el bronce, el oro de 14 quilates, etcétera.

Las soluciones líquidas son las más comunes y probablemente las más elementalespara la Química, debido a que el agua es el disolvente más importante; sin embargo,existen otros líquidos como la gasolina, el éter, el alcohol, el benceno, el tetracloruro decarbono y el tolueno, que también se utilizan como disolventes.

Como ya se ha dicho, toda solución está formada de dos componentes: el soluto y eldisolvente.

El soluto es la sustancia que dentro de una solución se encuentra presente en menorproporción.

El disolvente es la sustancia más abundante dentro de una solución.

Solvente (mayor cantidad)

Soluto (menor cantidad)Solución

Figura 8. Representación de una solución.

27

1.2.1 CONCENTRACIÓN

Una característica de gran importancia en una solución es su concentración. Ésta es larelación entre la cantidad de soluto disuelto en una cantidad dada de disolvente, porejemplo:

Si la cantidad de soluto es relativamente baja, se tendrá una solución diluida.

Si la cantidad de soluto es relativamente alta, se tendrá una solución concentrada.

Si se tiene disuelta la máxima cantidad de soluto se tendrá una solución saturada.

Si la cantidad de soluto está en exceso, se tendrá una solución sobresaturada (puedeocurrir en condiciones muy especiales de equilibrios metaestables).

La terminología anterior es vaga y arbitraria, por lo cual al ser variable la composición deuna solución, es necesario especificar de manera numérica la concentración del soluto.Así, la concentración llegará a expresarse entre otras formas en: porcentaje de masa,porcentaje de volumen y concentración molar.

Tabla 4. Algunas formas de expresar la concentración

Concentración Fórmula Unidades Observaciones

Porcentajeen masa

% P = a x b100

La masa de la disolución(b) debe estar en gramos.

Porcentaje envolumen

% Pv = v x V100

Debe tenerse en cuenta ladensidad y concentracióndel soluto.

Molaridad M = WPM x V

mollitro

El volumen debe estarexpresado en litros.

1.2.2 PORCENTAJE EN MASA

El porcentaje en masa se refiere a la relación que hay entre 100 veces la masa delsoluto dividido entre la masa total de la solución.

Una solución alcohólica al 2% en masa de yodo está compuesta de 2 g de yodopor cada 98 g de alcohol.

Una solución acuosa al 10% en masa de sal contiene 10 g de sal por cada 90 gde agua.

28

Para calcular el porcentaje de masa se utiliza la fórmula:

donde:

% P = porcentaje de masa a = masa de soluto b = masa total de solución

Ejemplo 1

Una solución tiene una masa total de 200 g y contiene 30 g de NaOH. ¿Cuál es elporcentaje en masa de NaOH?

% P = a x 100

b30 g x 100

200 g = 15%

Ejemplo 2

Se mezclan 55 g de AgNO3 con agua y se obtiene una masa de solución de 240 g.Calcular el porcentaje en masa del nitrato de plata.

% P = a x 100

b55 g x 100

240 g = 22.9 %

Ejemplo 3

Una solución contiene 28% de NaCI y su masa total es de 310 g. ¿Cuál es la masa delsoluto?

% P = a x 100

b a

p x b100

28 x 310 g100

= 86.8 g.

% P = a x b100

29

1.2.3 PORCENTAJE EN VOLUMEN

El porcentaje en volumen de una solución es el número de mililitros del soluto que seencuentra en 100mL de disolución.

Una solución acuosa al 15% en volumen de alcohol contiene 15 mL de alcoholpor cada 85 mL de agua.

Una solución acuosa al 25% en volumen de HCI concentrado, contiene 25 mL deHCI acuoso y 75 mL de agua.

Para calcular el porcentaje en volumen se utiliza la fórmula:

donde:

% Pv = por ciento en volumen Vs = volumen del soluto

Vsol = volumen total de la solución.

Ejemplo 1

Si mezclamos 30 mL de alcohol y 25 mL de éter. Al calcular el porciento de volumen deambos componentes de la mezcla, obtendremos:

% Pv = Vs x 100

Vsol30 mL x 100

55 mL = 54.54% (para el alcohol)

% Pv = Vs x 100

Vsol25 mL x 100

55 mL = 45.45% (para el éter)

% Pv = Vs x 100

Vsol

30

Ejemplo 2

Si mezclamos 40 mL de benzol, 50 mL de alcohol y 70 de éter. Al calcular el porcentajede los tres compuestos de la mezcla, obtendremos:

% Pv = 40 mL x 100

160 mL = 25% (de benzol)

% Pv = 50 mL x 100

160 mL = 31.25% (de alcohol)

% Pv = 70 mL x 100

160 mL = 43.75% (de éter)

Ejemplo 3

Si se diluyen 80 mL de alcohol en un litro de agua. El porcentaje de alcohol queobtendremos en la mezcla es de:

Pv = Vs x 100

Vsol80 mL x 100

1080 mL = 7.4% (para el alcohol)

1.2.4 MOLARIDAD

Una solución molar es aquélla que tiene una mol de soluto por litro de solución. Sesimboliza con la letra C. solución

Concentración molar = moles de solutovolumen de solución

Nota. C se utiliza para concentración molar como variable física.

En el fascículo 1 se trató el concepto de mol, veíamos que para calcular el número demoles se empleaba, n = m/PM, valor que se sustituye en la ecuación de la concentraciónmolar.

C = nV

m PMV/ =

C = nV

mPM x V

31

Nota. En este fascículo se utiliza M como masa molar y m (masa) en lugar de w (weight).Ejemplo 1

¿Cuál es la concentración molar de una solución que contiene 34 g de AgCl en unvolumen total de 400 mL?.

Datos: Fórmula

m = 34 g C = mPMxV

PM de AgCl = 143.5 g/mol C = 34 g

143.5 g / mol x 0.4 L = 0.592 mol

L ó 0.592M.

V = 400 mL = 0.4 L

Nota. La unidad “mol/L” se acostumbra expresar como M, que se lee “molar”.

Ejemplo 2

Se disuelven 180 g de KBr en agua, se obtiene 1 400 mL de solución. ¿Cuál será laconcentración molar de la mezcla?.

Datos: Fórmula

m = 180 g C = mPM x V

PM de KBr = 119 g/mol C = 180 g

119 g / mol x 1.4L 1.08

molL

ó 1.08 M

V = 1400 mL = 1.4 L

32

Ejemplo 3

¿Cuántos gramos de K2CrO4 deben disolverse a 250 mL para obtener una solución 0.35molar?.

Datos:

m = ?

PM de K2CrO4 = 194 g/mol

V = 250 mL = 0.25 L

C = 0.35 mol/L

Fórmula

C = mPM x V

Despeja:

m = C • PM • V

m = 0.35 mol/L x 194 g/mol x 0.25 L

m = 16.97 g

Ejemplo 4

Calcular los gramos de soluto para preparar 1.5 L de solución de KMnO4 y C de 0.04 M.

Datos

PM de KMnO4 = 150 g/molV = 1.5 LC = 0.04 mol/Lm = ?

Fórmula

C = mPM x V

m = C x PM x V

m = 0.04 mol/L x 150 g/mol x 1.5 L

m = 9 g

Despeja:

m = C • PM • V

m = 9.48 g

33

1. De las siguientes características, anota en los renglones correspondientes qué casoscorresponden a una solución y cuáles a un coloide.

Sustancia opalescente _____________________________________

El soluto atraviesa los filtros. _____________________________________

Las partículas no son sedimentables. _____________________________________

Es transparente. ____________________________________

Se produce el movimiento browniano. ____________________________________

2. ¿Cuál es el porcentaje en masa de ácido cítrico en una solución, cuya masa total esde 4.5 kg y que contiene 750 g de ácido cítrico (C6H8O7) ?.

% P = _______________________________________________________________

3. Calcula la concentración molar del soluto en las siguientes cuestiones:

a) 95 g de K2CO3 en 600 ml de solución. C = _______________________________________________________________________________________________

b) 120 g de C2H6O en 2.4 L de solución. C = ________________________________________________________________________________________________

c) 64 g de Na2SO4 en 500 cm 3 de solución. C = ________________________________________________________________________________________________

4. ¿Qué volumen de agua se debe añadir a 500 mL de alcohol para que la soluciónresultante tenga un 40% en volumen de alcohol? ____________________________


34

1.2.5 SEPARACIÓN DE CONSTITUYENTES DE MEZCLAS

La materia forma en la Naturaleza un conjunto de sistemas homogéneos yheterogéneos, por lo que para separar los componentes de una mezcla se procedesegún los métodos adecuados al tipo de la mezcla y la naturaleza de los componentes.Los principales métodos que se emplean son operaciones físicas como las siguientes:

Mezclas de sólidos con sólidos. Su separación se efectúa por medio de: separaciónmecánica manual, aventado, tamizado o cernido, levigación o lavado, flotación, atracciónmagnética y sublimación.

Mezclas de sólidos con líquidos. Su separación se efectúa por medio de: sedimentacióny decantación, filtración, centrifugación, coagulación, cristalización y evaporación.

Mezclas de líquidos con líquidos. Su separación se efectúa por medio de: destilación,centrifugación y embudo separador.

Mezclas de sólidos y gas. Su separación se efectúa por medio de: sedimentaciónespontánea, condensación de vapor de agua y precipitación electrostática.

Separación mecánica manual

Este método se utiliza cuando las porciones constituyentes de la mezcla son detamaños, formas y colores distintos, para que, con las manos o con auxilio de otrosinstrumentos como las pinzas, sean separados unos de otros; por ejemplo, al separar losgrandes cristales de roca o al seleccionar diferentes cuentas al fabricar collares.

Aventado3

Este método consiste en someter a la mezcla de componentes finos a una corriente deaire, procedimiento que en la Naturaleza hacen los vientos al arrastrar arenas finas ypartículas de polvo que erosionan rocas y hasta edificios; o bien, en la limpieza degranos como el café o el arroz para quitarle la cascarilla o pergamino.

3 Término utilizado por Bargalló Modesto en el libro de Química.

35

Tamizado o cernido

Práctica corriente en la selección de arenas, cementos, etc., que consiste en separar portamaño o granos las diferentes partículas que constituyen una mezcla, la cualpreviamente se hace pasar por una superficie perforada (tamiz). La gravedad provoca lacaída de las partículas de tamaño menor al de los orificios o mallas del tamiz, criba ocernedor, al ser retenidas las de mayor tamaño. Este sistema se aplica para separar lagrava que se emplea en las construcciones.

Figura 9. Tamizado.

En beneficio de minerales son comunes los tamices horizontales o mesas conmovimiento de vaivén, que con auxilio del agua y otros líquidos separan partículas ylodos de distinta finura.

Levigación o lavado

Este método consiste en hacer pasar una corriente de un líquido a través de la mezcla,la cual se halla en un pequeño depósito, lo que permite separar las partículas por ordende mayor a menor densidad o ligereza, al quedar las más pesadas en el depósito.

Figura 10. Arrastre por agua.

Malla, criba o cernidor

Arena

Grava

36

La levigación o lavado se aplica en la separación de la arcilla (más ligera) de las arenasy gravas (más pesadas) de una tierra; este método se utiliza mucho en la industria de lacerámica y en el beneficio de minerales. Los arrastres de materiales pétreos o térreospor los ríos son un ejemplo de ello en la naturaleza: los deltas de los ríos están formadospor depósitos de las partículas más finas (lodo) junto a la desembocadura, a la máximadistancia del lugar de origen del río; las rocas o granos más pesadas, se quedan en eltrayecto y no llegan al mar. Asimismo, el lavado se empleó profusamente en laantigüedad para la extracción de oro de los ríos.

Flotación

Este método es de naturaleza tanto química como física: la mezcla, previamentepulverizada, se agita junto con agua y aceite de pino u otros líquidos como el aceite deeucalipto o ácidos cresílicos; se le insufla (burbujea) aire que atraviesa la masa enpequeñas burbujas, y en la superficie del líquido se forma una espuma con el polvo finodel mineral, que se recoge en ese momento, mientras que el resto del mineral máspesado se precipita al fondo del líquido.

Figura 11. Flotación.Atracción magnética

Este método se emplea para la separación de mezclas que contienen algún componentemagnético o paramagnético (que atraiga a otros cuerpos por acción magnética, o que sedejen atraer por los imanes).

Así, por ejemplo, se pueden separar los granos de magnetita de las arenas de cuarzo,caliza u otros minerales; o también, si se desea separar una mezcla de polvo de hierro yzinc, se acerca el imán a la mezcla y éste atrae el hierro.

Figura 12. Separación magnética.

Agitación de lamezcla con agua y aceite

imán

mezcla de polvo y hierro

37

Sublimación

Este método de separación de mezclas se aplica cuando uno de los componentes esfácilmente sublimable, es decir, pasa del estado sólido a vapor su previa licuación. Asíse purifican el yodo, el arsénico y otras sustancias que se separan sublimadas de susimpurezas no volátiles.

Sedimentación y decantación

Por medio de este método separamos mezclas de sólidos y líquidos que no sedisuelven. Para ello se deja reposar en un recipiente una mezcla de finas partículassólidas y un líquido, en donde las partículas acaban por precipitarse o sedimentarse enel fondo. Por decantación, inclinando con cuidado el vaso con la mezcla ya sedimentada,se vierte el líquido sobrenadante (el líquido sin sólido) en otro recipiente, con lo cual seevita que el sólido se mezcle.

Figura 13. Sedimentación y decantación.

La sedimentación es muy utilizada en la industria de la cerámica. Asimismo, lasedimentación en la Naturaleza se realiza sin cesar en mares, lagos y ríos, formando losestratos o capas de los terrenos.

Filtración

La filtración se emplea para separar un líquido de un sólido contenido en una mezcla.Este método es uno de los que más se utilizan en la práctica diaria, el cual consiste enusar filtros —ya sean láminas o tabiques porosos— que retienen las partículas sólidasde la mezcla y sólo dejan atravesar el líquido. Se confeccionan filtros de distintosmateriales y formas: en la industria se utiliza pulpa de papel, tejidos de algodón, fondosfiltrantes de grava, arena o polvo de carbón, materiales plásticos, polvos de aceroslimpios, etc. También, el papel filtro hecho de celulosa casi pura, o de lana de vidrio oasbesto es un medio poroso muy empleado en los laboratorios médicos, escolares eindustriales, ya sea en forma de láminas, discos o tapones. Los poros de papel filtroordinario tienen un diámetro aproximado de 0.001 cm.

agua

Líquido conmayor densidad

38

Figura 14. Filtración.

Cuando el líquido que pasa por el filtro es viscoso (por ejemplo, jarabes) se utiliza lafiltración al vacío o la filtración a presión.

La mezcla recibe en la filtración por presión al vacío una succión debida a un pequeñovacío creado artificialmente, que obliga a pasar al líquido viscoso a través del filtro. Losfiltros de vacío fijos o rotatorios, usados en la industria, son ejemplo de este método. Lamezcla se comprime en la filtración a presión contra una cara del filtro, lo que facilita queel líquido atraviese el medio filtrante. La filtración tiene amplio uso en las fábricas depinturas y en los ingenios azucareros.

Existen casos especiales de filtración, por ejemplo: cuando el líquido es demasiadoviscoso (gel), se recurre a la filtración en caliente, el calor disminuye la viscosidad yfacilita que el líquido atraviese el filtro. También, cuando la partícula sólida es en extremopequeña, se recurre a la ultrafiltración, que es el uso de ultrafiltros formados por capasde colodión que se colocan sobre otro filtro más rígido. Así se separan partículascoloidales y virus grandes.

Centrifugación

Este es otro método para separar un sistema sólido-líquido o separar mezclas sólidas, yconsiste en el uso de máquinas centrífugas donde la mezcla, que previamente sedeposita en tubos adecuados, se somete a rápidos movimientos de rotación (desde unoscentenares a unas 10 000 vueltas por minuto), proceso durante el cual las partículasmás pesadas se van al fondo de los tubos. Una vez separada la mezcla, se procede adecantarla.

La centrifugación se emplea ampliamente en los laboratorios y en diversas industrias. Enla actualidad, hay ultracentrífugas que giran de 40 000 a cientos de miles derevoluciones por minuto, lo que permite separar no sólo finas partículas coloides o virus,sino también moléculas gigantes.

Agua conpartículas sólidasen suspensión

filtro

agua

39

Figura 15. Centrifugación

Coagulación

Este método se utiliza para separar partículas muy finas que se encuentran ensuspensión, y consiste en utilizar determinadas sustancias que originan precipitadosgelatinosos que atrapan a las pequeñas partículas sólidas; éstas se quedan pegadas alprecipitado y así se puede filtrar el líquido solo, fenómeno que ocurre en la Naturalezacon frecuencia. Los ríos cuando se precipitan al mar traen dentro de sus aguaspartículas sólidas, las que al combinarse con las sales marinas se precipitan y formanlos fondos lodosos.

Cristalización

Las sustancias sólidas son normalmente más solubles en un líquido caliente que en unofrío, característica empleada para separar un sólido que sea soluble en caliente y en frío,de otro que sólo lo sea cuando el líquido está a una temperatura elevada, ya que de esamanera al enfriar la solución, la sustancia que queremos separar cristaliza y permaneceen el líquido el otro sólido no deseado.

Figura 16. Cristalización.

tubos

Máquina Centrífuga Manual

40

Destilación

La destilación es un proceso que consiste en hervir un líquido para formar vapor y luegocondensar el vapor para formar nuevamente el líquido. Se usa para separar compuestoslíquidos de sus impurezas.4 La destilación se realiza a presión ambiental; pero si se tratade una mezcla de más de dos líquidos, se dice que la destilación es fraccionada.

Este procedimiento también se utiliza para separar dos líquidos mezclados,considerando el punto de ebullición de cada uno de ellos. Normalmente todas lassustancias tienen puntos de ebullición diferentes, características que facilitan suseparación.

Figura 17. Destilación.

Embudo separador

Este método se utiliza para separar dos líquidos, ambos inmiscibles. Para ello, dichoslíquidos se colocan en un recipiente llamado embudo de separación, en el que en formanatural —diferencia de densidades entre los líquidos— se separan en capas (fases).

Figura 18. Embudo separador.

4 Definición usada por Chow, Pang Tay Susana en su libro Petroquímica y sociedad. SEP/FCE , 1987.

termométro

refrigerante

LiquidodestiladoSalida

de agua

Mezcla de dos o máslíquidos

Entradade agua

Embudode separación

Líquido más denso

Líquido menos denso (agua)

Llave

Vaso

41

Adsorción cromatográfica

Este es uno de los procedimientos más modernos para separar con éxito loscomponentes de una mezcla, el cual consiste en pasar la mezcla que se desea separarsobre la superficie de un sólido finamente dividido (absorbente). La mezcla por separar,primeramente se disuelve en alcohol (eluente), y cuando cada uno de los componentesllega al sólido pulverizado, pasa con diferente velocidad, dando lugar a la formación dediferentes capas de componentes y, por lo tanto, una total separación.

Por este proceso se analizan productos extraídos de plantas, animales, o bien, deproductos elaborados tales como tintas, lápices labiales, etcétera.

Como te has dado cuenta, algunos de estos métodos de separación de constituyentesde mezclas son de uso cotidiano, como el filtrar café o té, evaporar el agua de unasolución, separar el petróleo del agua, de la tierra, etcétera.

Por otro lado, en la industria los métodos de separación de mezclas son la base de lapurificación de los productos, que en conjunto reciben el nombre de operacionesunitarias.

Figura 19. Absorción cromatográfica.

42

a) Ahora que ya revisaste lo que son las sustancias homogéneas y heterogéneas,completa el cuadro con lo que se te pide a continuación:

Concepto Definición y características Ejemplo

Sustancias homogéneas

1)2)3)4)5)

Sustancias heterogéneas

1)2)3)4)5)

Mezclas1) sólido-sólido2) sólido-líquido3) sólido-gas

b) A continuación contesta lo que se te pide:

1) Explica para qué se utiliza el método de la Destilación.

2) ¿Qué es la decantación?. Fundamenta tu respuesta.


43

3) Menciona la importancia que tiene la filtración en la industria.

c) Completa el siguiente cuadro; con la información que se te pide:

Concepto Cracaterísticas

Cristalización

Tamizado

Evaporación

Centrifugación

Decantación

d) Indica el método más sencillo para separar las siguientes mezclas.

1) Solución de agua con sal.________________________________________________

2) Pedacería de cobre y arena.______________________________________________

3) Petróleo y agua. _______________________________________________________

44

“MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS”

Objetivo

Mediante una actividad experimental, el estudiante practicará algunas técnicas comunesde separación de mezclas.

Para realizar la práctica debes haber comprendido claramente; las características de lasmezclas, las diferencias que existen entre los materiales homogéneos y heterogéneos; ylos cinco métodos diferentes para separar mezclas.

Material Sustancias

☞ 3 vasos de precipitados de 250 mL☞ arena☞ 1 cápsula de porcelana ☞ agua☞ 1 embudo de separación ☞ sal común (NaCI)☞ 1 embudo de vidrio ☞ solución de nitrato cúprico☞ 1 soporte universal ☞ solución de yodo☞ 1 anillo de hierro ☞ tetracloruro de carbono (CCl4)☞ 1 mechero Bunsen ☞ p-diclorobenceno☞ 1 tela de alambre☞ 1 vidrio de reloj☞ Papel filtro

Procedimiento

Experimento I. Filtración y evaporación

a) Dentro de un vaso de precipitados prepara una mezcla, agregando 100mL deagua, una cucharilla de arena y un poco de sal común. Agita hasta que se formela dispersión.

b) Separa la mezcla anterior. Para ello utiliza papel filtro y un embudo de filtración.Vacía la mezcla en el filtro; lava bien las paredes del vaso que conteníaoriginalmente la mezcla y vuelve a vaciar el líquido en el filtro. Observa el sólidoque queda en el papel filtro.

c) Coloca parte del líquido en una cápsula de porcelana. Calienta la cápsula hastaque se evapore todo el líquido. Observa los cristales formados.


45

Hipótesis:___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

La siguiente figura tiene la finalidad de mostrarte el proceso que ocurre en elexperimento I. Obsérvala.

Figura 20. Filtración. Figura 21. Evaporación

Registro de Observaciones

Observa y anota todo lo que ocurre durante el desarrollo de la práctica; no olvides, entreotras cosas, considerar ¿qué sustancia quedó en el papel filtro?, las sustancias queconforman el líquido filtrado, y la sustancia que se obtuvo al final.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

46

Experimento II. Embudo de separación

Procedimiento Experimental

a) Mezcla volúmenes iguales de soluciones diluidas de nitrato cúprico y de yodo.Colócalas dentro de un embudo de separación, agrega tetracloruro de carbono, tapael embudo y agita.

b) La agitación hace aumentar la presión dentro del embudo. Alivia esta presiónabriendo la llave de paso al estar el embudo invertido.

c) Deja que las capas líquidas se separen y cuando la separación sea completa, quita eltapón del embudo y vacía la capa del líquido inferior dentro de un vaso.

Apóyate en la siguiente ilustración para que te sirva como guía en el desarrollo delexperimento II.

Figura 22. Embudo de separación.

Hipótesis:___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Registro de Observaciones:

Observa y registra: ¿qué líquido queda en la parte superior?, ¿cuál en parte inferior?,¿por qué razón hay que abrir la llave de paso al invertir el embudo? y ¿por qué hay quequitar el tapón del embudo al separar las dos mezclas formadas?.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

tapón

Llave de paso

47

Experimento III. Sublimación

Procedimiento experimental:

a) Mezcla partes iguales de sal (NaCl) y p-diclorobenceno dentro de un vaso deprecipitados.

b) En la parte superior del vaso, coloca una cápsula de porcelana que contenga aguahelada.

c) Calienta el vaso y observa lo que sucede. Entrega por separado los componentes dela mezcla.

Hipótesis:___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Puedes apoyarte en la siguiente figura para llevar a cabo el experimento.

Figura 23. Sublimación.

Registro de Observaciones:

No olvides considerar ¿qué sustancia quedó en el vaso? ¿Qué sustancia quedó en laparte inferior de la cápsula?.________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Cápsula con agua

Sal y p-diclorobenceno

48

Cuestionario de Autoevaluación:

Como un complemento a la práctica y para ver si realmente comprendiste el tema,contesta lo siguiente:

1. ¿Cómo separarías los componentes de una mezcla formada por agua, aceite yazufre?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Menciona si se pueden separar por medios físicos o químicos los elementos queforman un compuesto. Indica el nombre del procedimiento empleado._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Escribe la definición de los siguientes conceptos:

a) Evaporación: _________________________________________________________________________________________________________________________________

b)Decantación:__________________________________________________________________________________________________________________________________

c)Cristalización:_________________________________________________________________________________________________________________________________

d) Cromatografía:________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusión: Tomando en cuanta el cuestionario de reflexión, tu hipótesis y los registrosque realizaste en cada experimento, elabora una conclusión sobre la práctica.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

49

“MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS”

Objetivo

Conocer los métodos de separación más comunes, mediante su ejercitación paracomprender que las mezclas están formadas por sustancias puras.


1) Escribe tres características de las mezclas:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿Qué diferencias existen entre los materiales homogéneos y heterogéneos?.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) Menciona cinco métodos para separar a las mezclas:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) ¿Cómo separarías los componentes de una mezcla formada por agua, aceite yazufre?.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


50

Experimento I

Objetivo

Conocer experimentalmente el método de filtración y evaporación.

Hipótesis

Considera la siguiente pregunta para elaborar tu hipótesis:

¿Cuál es la sustancia que se separa en cada método?.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?


☞ 1 Vaso de precipitados de 250 mL

☞ 1 Cápsula de porcelana de 80 mm de

diam.

☞ 1 Pinzas para cápsula

☞ 1 Embudo de filtración estriado de 75 mm

☞ 1 Soporte universal

☞ 1 Anillo de hierro



☞ 5 g Arena

☞ 5 g Sal común (Cloruro de

sodio)

☞ Papel filtro

☞ Agua

* Las cantidades a usar son aproximadas, ya que los resultados son cualitativos.


Las indicadas para calentar con mechero

51

¿Cómo hacerlo?

Figura 24.

Dentro de un vaso de precipitados, prepara una mezcla, agregando 100 mL de agua,una cucharadita de arena y otra de sal común. Agita hasta que se forme la dispersión.

Separa la mezcla anterior, para ello utiliza papel filtro y un embudo de filtración. Filtra lamezcla, lava bien las paredes del vaso y vuelve a vaciar el líquido en el papel; observa elsólido que quedó en el papel filtro.

Coloca el líquido filtrado en una cápsula de porcelana y calienta la cápsula hasta que seevapore todo el líquido.


1.- ¿Qué sustancia quedó en el papel filtro?.______________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- ¿Qué sustancias conforman el líquido filtrado?.______________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.- ¿Cuál es la sustancia obtenida al final?.______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Coloca el papel filtro con los residuos de arena en el bote de basura para evitar eltaponamiento de la tarja y la contaminación.

52

Experimento II

Objetivo

Conocer experimentalmente el método de extracción.

Hipótesis.

Si tienes dos disoluciones acuosas, una de ellas con iodo, ¿qué método usarías parasepararlo?.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?


☞ 3 Probetas de 50 mL☞ 1 Vaso de precipitados de 250 mL☞ 1 Soporte universal☞ 1 Anillo de hierro☞ 1 Embudo de separación de 250 mL☞ 1 Triángulo de porcelana

☞ 30 mL Disolución de iodo en agua al 2%☞ 30 mL Disolución de nitrato de cobre☞ 30 mL Tetracloruro de carbono

* Las cantidades a usar son aproximadas, ya que los resultados se expresan entérminos cualitativos.


Las requeridas en el laboratorio.

Tetracloruro de carbono.- Sustancia volátil, tóxica, no debe ser ingerida ni inhalada,presenta efectos crónicos.

Nitrato de cobre.- Sustancia oxidante tóxica. Evite el contacto y la ingestión.

Iodo.- Cristales rojos, sus vapores provocan irritación a los ojos y al sistema respiratorio;su ingestión causa graves daños.

¿Cómo hacerlo?

Mezcla volúmenes iguales de las disoluciones de nitrato de cobre y de iodo, colócalasdentro del embudo de separación; agrega tetracloruro de carbono, tapa el embudo yagita. La agitación aumenta la presión dentro del embudo, alivia la presión abriendo lallave de paso estando el embudo invertido.

53

Deja que las fases se separen, quita el tapón del embudo y abre la llave de paso paravaciar el líquido inferior dentro del vaso.

Figura 25.


1.- ¿Qué líquido queda en la parte superior? y ¿Cuál en la parte inferior?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- ¿Qué pasa cuando se abre la llave de paso al invertir el embudo?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


Al terminar la práctica coloca la disolución que aún queda en el embudo, en el recipienteque te indique el responsable del laboratorio, para que sea eliminado por absorción conarena y evitar de esta forma algún accidente en la tubería del drenaje y lacontaminación.

Embudode separación

Líquido más denso

Líquido menos denso (agua)

Llave

Vaso

54

Experimento III

Objetivo

Conocer experimentalmente el método de sublimación.

Hipótesis


¿Qué pasará al calentar el vaso con las sustancias?.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?


☞ 1 Vaso de precipitados de 250 mL☞ 1 Soporte universal☞ 1 Anillo de hierro☞ 1 Mechero de Bunsen☞ 1 Tela de alambre☞ 1 Cápsula de porcelana☞ 1 Pinzas para vaso

☞ 5 g de Paradiclorobenceno☞ 5 g de Sal (Cloruro de sodio)☞ Agua

* Las cantidades a usar son aproximadas, ya que los resultados se deben expresar entérminos cualitativos.


Las indicadas para los casos de calentar con mechero y el uso de material de vidriocaliente.

Paradiclorobenceno.- Sustancia tóxica, por contacto en la piel, lavar de inmediato y encontacto con los ojos, enjuagar con abundante agua. No ingerir, causa daños.

55

¿Cómo hacerlo?

Figura 26

Mezcla partes iguales de sal (NaCl) y paradiclorobenceno dentro de un vaso deprecipitados.

En la parte superior del vaso, coloca una cápsula de porcelana con agua helada.

Calienta el vaso y observa lo que sucede. Entrega por separado los componentes de lamezcla al responsable del laboratorio.


1.- ¿Qué sustancia quedó en el vaso?.______________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- ¿Qué sustancia quedó en la parte inferior de la cápsula?.______________________________________________________________________________________________________________________________________________


Coloca los cristales del vaso de precipitados y los formados en la parte inferior de lacápsula en los recipientes indicados por el responsable del laboratorio, de esta forma sepodrán volver a utilizar y evitar la contaminación.

Cápsula con agua

Sal y p-diclorobenceno

56


Escribe las características de los siguientes métodos de separación:

a) Evaporación. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

b) Decantación.________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) Cristalización. _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

Considerando el cuestionario de reflexión y contrastando los resultados con tu hipótesis,elabora tus conclusiones.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

57

Hasta este momento ya conoces que:


UNA SOLUCIÓN

DOSCOMPONENTES

SUCONCENTRACIÓN

SEPARAR SUSMEZCLAS

MÉTODOS

SUCLASIFICACIÓN

SÓLIDOS GASLÍQUIDOS

SUPORCENTAJE

EN MASA

SUPORCENTAJEEN VOLUMEN

SUMOLARIDAD

forman

caracterizanpor

midemide

mide

y se pueden

por

acuerdoa

comoson los

se

se

sese

de

58


La composición y naturaleza de las cosas siempre ha sido un misterio para todas lasculturas, dado que la rigurosa diferenciación de la materia en elementos, compuestos ymezclas se hizo tan sólo hace unos 200 años, y no fue sino hasta el siglo XX cuando seestableció con firmeza que únicamente existen sustancias puras (elementos ycompuestos) y mezclas.

En las páginas anteriores de este capítulo hemos abordado, primero, el concepto demezcla, ya que, como habrás comprendido, la mayoría de las sustancias naturales sonmezclas. Ahora trataremos de conocer algunas propiedades de las sustancias puras(elementos y compuestos), para que de esa manera tengamos un panorama completoacerca de materia.

En primer lugar haremos un relato histórico sobre el concepto de elemento yposteriormente hablaremos de los compuestos.

Los Griegos

Hace dos mil años no se sabía qué era un elemento y mucho menos qué era uncompuesto. Fue el pueblo griego el que primero trató de resolver el misterio de lacomposición y naturaleza de la materia, en su ansia por conocer y explicar todos losfenómenos de la Naturaleza. Para ello se presentaron muchas respuestas y formas depensamiento. Es así como surgió el concepto de átomo atribuido a Leucipo (450 a.C.) ya su discípulo Demócrito, filósofo griego del siglo V antes de J.C.

Demócrito expresaba:

Por qué no pensar que efectivamente existe el cambio, que la madera se hacecenizas y que de la uva se hace vino, y que todo ese algo que forma todopermanece inalterable, inmutable y, por ende, indivisible. Según Demócrito,los cambios se deben a los movimientos de los átomos. Precisamente lapalabra átomo significa “sin división”.

Naturalmente, otros pensadores griegos llegaron a diferentes conclusiones. Empédocles(hacia 450 a.C.) afirmaba que todo cuanto existía estaba formado por “cuatro elementos”o sustancias inalterables: agua, aire, tierra y fuego. Empédocles es, de hecho, el primeroque expresa pensamientos que podríamos llamar “químicos”, ya que introduce laconcepción de los elementos como sustancias que, al combinarse con otras distintas,producen compuestos con diferentes características que difieren de las de susformadores. Sin embargo, no se le conoce reflexión alguna acerca de la divisibilidad desus elementos.

Aristóteles (384-322 a.C.), considerado en muchos sentidos como el exponenteculminante de la filosofía griega, acepta las ideas de Empédocles, mientras queDemócrito hacia hincapié en los aspectos cuantitativos de la materia, Empédocles seenfocaba hacia aspectos cualitativos, es decir, en su comportamiento.

59

Las ideas atomistas de Demócrito fueron abandonadas por los filósofos y retomadasmuchos siglos después. En cambio, los conceptos aristotélicos predominaron hasta elsiglo XVII.

La Edad Media

Nuestros antepasados, sin sospecharlo, conocieron elementos como el oro, el cobre, laplata, el hierro, el plomo, el mercurio, el azufre y el carbono, pero fue durante la EdadMedia cuando se conocieron las propiedades del arsénico, el bismuto, el antimonio y elzinc.

Figura 27.

En la Edad Media, hacia el siglo VIII de nuestra era. Yabir, considerado el fundador másimportante de la alquimia o rabe, además de desarrollar un gran número de productos yde escribir una serie de tratados de alquimia, observó que algunos no metales como elazufre ardían fácilmente, mientras que los metales eran incombustibles, de ahí queestableció la existencia de un principio especial que, añadido a una sustancia, le daba lapropiedad de arder, de tal manera que todas las sustancias sólidas serán unacombinación de mercurio y azufre (o los principios que éstos representaban). Además, sise alteraba la cantidad de plomo, éste podría convertirse en oro, transformación que sellamó transmutación de metales.

Los alquimistas comenzaron con la búsqueda de una sustancia – algún polvo seco omágico– que produjera oro, sustancia llamada Al-IKsir que significa “seco” y ahoraconocida como elíxir. En Europa, se le llamó al elíxir “piedra filosofal”, capaz detransformar un metal barato en oro.

fuego

seco

tierra

frío

agua

húmedo

aire

calientefuego agua

tierra aire

60

Tabla 5. Símbolos de las diferentes sustancias.

61

El objetivo de los alquimistas no era tan sólo material sino espiritual, pues buscaban unaperfección mística.

Paracelso, científico alemán, cuyo verdadero nombre fue Teophrastus Bombastus VonHohenheim (1943-1521), considerado el fundador de la química médica, fue el primermédico que trató de diagnosticar las enfermedades y emplear compuestos químicospara curar a los pacientes.

Paracelso añadió un tercer principio al azufre y al mercurio que proporcionabapropiedades metálicas e inflamabilidad a las sustancias, principio representado por las“sales”. A Paracelso se le considera el descubridor del zinc.

Los Tiempos Modernos

En 1661, Robert Boyle (1627-1691) rechazó que la materia se formara de cuatroelementos. Fue el primero en diferenciar a las sustancias puras de las mezclas y endesarrollar el concepto moderno de elemento:

Algunos cuerpos simples primitivos o perfectamente inmiscibles, no estánconstituidos por otros, son los ingredientes con los que están compuestostodos los demás cuerpos que se consideran perfectamente mezclados, y enlos que se pueden separar en última instancia.

Lo que Boyle proponía es que la materia está formada de elementos y compuestos,además de que los elementos son cuerpos simples y fundamentales que forman a loscompuestos. Por lo tanto, la química debía basarse en la identificación y elreconocimiento de las sustancias químicas elementales (elementos, del latínElementum). En ese entonces se convino que los elementos serían las sustanciasbásicas con que se conformaba la materia.

Bajo el criterio anterior se demostró que la tierra no era un elemento, ya que estabaformada de sustancias más simples y que el fuego no era ni siquiera materia, sino unamanifestación de ésta cuando se calentaba. Más tarde se descubría que el agua era uncompuesto y que el aire era una mezcla de gases.

Hacia el siglo XVIII los químicos no daban importancia al aspecto cuantitativo de susexperimentos. Ellos mezclaban sustancias, observaban y describían los productos de lasreacciones, pero no lo medían. No les preocupaba que hubiera una ganancia o pérdidade su masa durante los procesos; pero hacia la segunda mitad del siglo XVIII, AntoineLaurent Lavoisier (1743-1794) desarrolló experimentos basados en mediciones precisas.Consecuentemente, la Química se convirtió en una ciencia exacta, basada enexperimentos verificables y reproducibles.

Antes del siglo XVIII no existía una forma sistemática de nombrar a los elementos.Lavoisier y sus colaboradores propusieron un nuevo sistema de nomenclatura químicabasado en el nombre de los elementos, además, los compuestos se designaban deacuerdo con los elementos constituyentes; por ejemplo, la sal es un compuesto formadode sodio y cloro, al cual se llamó cloruro sódico.

62

Lavoisier en 1789, nombró 33 elementos químicos, pero sólo 23 resultaron auténticos, elresto correspondió finalmente a compuestos, es decir, sustancias que podíandescomponerse en otras más simples.

Fue John Dalton (1776-1844) quien dedujo que un elemento contenía una sola clase departículas (átomos), que estaban constituidas por materia simple e indestructible. Así,también afirmaba que los elementos no podían descomponerse en sustancias mássimples, debido a que sus partículas eran indivisibles. Dalton representó a los elementosa través de símbolos en forma de esferas.

Figura 28. Representación de dos componentes según Dalton.

Tabla 6. Orden cronológico en que aparecieron los elementos.

Fecha Número deelementos conocidos

1789 331839 501860 más de 60Actual 109

La definición actual de elemento es la siguiente:

Un elemento es una sustancia pura que consta de una sola clase de átomos y no sepuede descomponer en otras sustancias más simples por métodos comunes.

La mayoría de los elementos son sólidos, sólo dos son líquidos a temperatura ambiente(mercurio y bromo) y 12 de ellos existen en forma gaseosa. Algunos elementos sonradiactivos, otros extremadamente raros y algunos solamente pueden obtenerse enlaboratorios especiales.

Aunque algunos elementos son más abundantes que otros, los primeros 26 elementosde la Tabla periódica –desde el hidrógeno hasta el hierro–, forman prácticamente toda lacorteza terrestre. Constituyen el 99.7% de su masa.

De acuerdo a lo anterior ¿cuáles elementos consideras son los másabundantes en la tierra?.

63

Éstos no son ni el hierro, ni el cobre, ni el azufre, aunque el hombre los conoce desdehace muchos siglos. La Tierra es más rica en oxígeno, elemento que constituye por sísolo la mitad de la corteza terrestre, y se le encuentra por doquier; en el agua y en laatmósfera, en un sinnúmero de minerales y en cualquier organismo vegetal y animal.

Si tomamos en cuenta el Sistema Solar, el hidrógeno y el helio son los elementos másabundantes. La reducida masa de la Tierra permitió que ambos elementos en estadogaseoso abandonaran paulatinamente su atmósfera, pues la gravedad terrestre no fuecapaz de atraparlos. El elemento más raro en la Tierra es el astato (se calcula que sóloexisten 69 miligramos en todo el espesor de corteza terrestre).

J.J. Berzelius (1779-1848) estableció el sistema actual de simbolizar a los elementos conletras, usando la primera letra del nombre del elemento en latín como símbolo. Porejemplo: H para el hidrógeno, C para el carbono. En el caso de elementos que iniciancon la misma letra, Berzelius decidió emplear dos letras. La primera mayúscula y lasegunda minúscula. Así, el cloro y el calcio se simbolizan como Cl y Ca,respectivamente.

En la tabla 7, se muestran las diferentes formas en que se han simbolizado loselementos a través de la historia.

Tabla 7. Representación simbólica de los elementos en sus diferentes etapas.

64

A continuación se te presentan una serie de ejercicios, realízalos de acuerdo a lo que sete pida.

1.- Anota el símbolo de cada uno de los elementos:

Sodio BromoRubidio CobreEstroncio OxígenoMagnesio HelioAluminio PotasioCarbono Yodo

2.- Escribe el nombre de los elementos.

Li BeAu AgCa FeB FHg MgNi S

3.- Menciona los elementos que conocieron nuestros antepasados.______________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.- ¿Cuántos elementos se conocen en la actualidad?______________________________________________________________________________________________________________________________________________

5.- Menciona los dos elementos que existen en estado líquido a temperatura ambiente.______________________________________________________________________________________________________________________________________________

6.- Fue el primero en desarrollar el concepto moderno de elemento (marca con una “X”).

a) Boyle b) Demócrito c) Lavoisier d) Dalton


65

A través del tema “Concepto de elemento”, aprendiste los símbolos de los elementosmás comunes, así como los primeros elementos que conocieron nuestros antepasados,además que Boyle fue el primero en desarrollar el concepto más moderno de“elemento”, y ahora sabes que en la actualidad se conocen un total de 109 elementos.


66

1.4 COMPUESTOS

Una sustancia pura es aquella que en cada una de sus partes tiene exactamente lamisma composición. Los elementos y los compuestos han sido clasificados comosustancias puras.

Un compuesto es una sustancia de composición fija y definida, formada por la unión dedos o más elementos combinados químicamente.

Un aspecto sobresaliente de los compuestos es que cada uno de ellos tiene propiedadesdiferentes de los elementos que lo componen; por ejemplo, el agua está formada de doselementos gaseosos: el hidrógeno, que es inflamable, y el oxígeno, que es comburente.Sin embargo, el agua es un líquido que ni arde ni ayuda a la combustión.

Otra de las características de los compuestos es su composición fija; por ejemplo,cualquier cantidad de agua tiene siempre la misma composición: 11.2% en peso dehidrógeno y 88.8% en peso de oxígeno.

De acuerdo con su número de átomos, los compuestos se pueden clasificar en: binarios,ternarios y poliatómicos.

Compuestos binarios. Son aquéllos formados de dos átomos diferentes. Existen dosclases de estos compuestos: los oxigenados y los no oxigenados. Ejemplos:

Compuestos binarios

Compuestos ternarios. Son aquéllos formados por tres átomos diferentes. La mayoría deestos compuestos contiene oxígeno. Así tenemos a los oxiácidos, los hidróxidos y lasoxisales. Ejemplos:

Compuestos ternarios

Existen literalmente millones de compuestos que constituyen casi toda la materia quehay en la Tierra, compuestos que están formados de moléculas pequeñas quecomprenden todas las cosas inanimadas -minerales, agua, metales, etcétera-, con bajopeso molecular. Y compuestos formados por moléculas gigantes que constituyen todo loque vive y crece -animales y plantas-, cuyo peso molecular es relativamente alto.

Oxigenados: Fe2O3; CO2; P2O5; CuO; CaO; MgO

No oxigenados: NaCl; AlF3; H2S; AgBr; CH4; NH3

Oxiácidos: H2SO4; HNO3; HClO

Hidróxidos: KOH; NaOH; Ca (OH)2

Oxisales: CuSO4; AgNO3; FeCO3

67

La clasificación de los materiales requiere el empleo de términos exactos. Los elementosson las sustancias básicas del Universo y no pueden descomponerse en sustancias mássimples.

Los compuestos son sustancias que pueden descomponerse en sustancias más simplespor medios químicos y sus componentes están en proporciones definidas.

Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias con diferentes propiedades.La manifestación más común de la materia es en forma de mezcla.

La materia homogénea se compone de una sola fase. Las soluciones, los compuestos ylos elementos a condiciones ambientales ordinarias son tres clases de materiahomogénea.

Una solución es una mezcla homogénea constituida por un soluto y un disolvente; sucomposición puede variarse casi arbitrariamente.

La materia heterogénea está compuesta por más de una fase, que generalmentepueden separarse mediante procesos físicos.

Una suspensión es una dispersión en la que la fase dispersa se sedimenta tan prontocomo termina la agitación.

Los coloides son sustancias intermedias entre soluciones y suspensiones.

Si se provoca la agitación entre dos líquidos no miscibles, como el agua y el aceite, seobtiene una emulsión.

Las partículas coloidales, a diferencia de las partículas en solución, son losuficientemente grandes para dispersar la luz. Si se hace pasar un haz luminoso através de un coloide, la luz se dispersa y el rayo se hace visible. Este fenómeno sedenomina efecto Tyndall.

Los iones moléculas o átomos de la fase dispersora constantemente bombardean a laspartículas coloidales. Esto produce un movimiento constante denominado movimientoBrowniano.

Una solución uno molar (1M) es cualquier disolución, que contiene un mol de soluto porlitro de solución. La concentración de la solución expresada en moles por litro sedenomina molaridad de la solución.

RECAPITULACIÓN

68

Las siguientes actividades fueron elaboradas con la intención de que relaciones yreafirmes lo aprendido a través del contenido de este capítulo.Realiza lo que se te pide a continuación.

Forma un equipo con tres o más compañeros de tu preferencia o de maneraindividual.

Entre todos investiguen el significado de los siguientes conceptos: mezcla,compuesto, elemento y solución.

Colabora con tu equipo para juntar alguno (s) de los objetos de los siguientes gruposy reúnanlos para realizar las actividades que se indican.

Grupo 1. Papel, cobre, agua, carbón, alcohol, leche, cetona, algún plástico.

Grupo 2. Refresco, naranja, plata, gasolina, mayonesa, plomo, agua azucarada, vasode vidrio.

Grupo 3. Cacahuates, tierra, cigarro, agua salada, pan, pastillas, encendedor, oro,tornillo.

Grupo 4. Té preparado, imán, aceite, aluminio, sal, hule espuma, tela, hierro, huevococido.

Grupo 5. Madera, una llave, azufre, papitas, sandía, harina, torta, arena, jarabe.

I. Observen las propiedades de cada uno de los materiales reunidos y entre todos losintegrantes del equipo realicen una selección de los objetos, y para ese efecto, llenenuna tabla como la siguiente:

Mezcla Compuesto Elemento


69

II. A partir de la actividad anterior, escribe las características que diferencian a lasmezclas de los compuestos y de los elementos.

III. Elabora un esquema general de la clasificación de la materia de acuerdo con suapariencia.

IV. Mezclas, compuestos y elementos: De acuerdo a las siguientes afirmaciones, anotaen los paréntesis la letra que consideres sea la correcta

1. Es el ejemplo de una sustancia pura: ( )

a) Tinta.b) Agua.c) Aire.d) Madera.

2. Son dos propiedades de una mezcla: ( )

a) Están formados por compuestos y éstos se pueden separar por métodos químicos.b) Pueden ser homogéneas o heterogéneas, pero su componentes alteran sus

propiedades.c) Sus componentes guardan una proporción constante y son homogéneas.d) Las sustancias que los componen conservan sus propiedades y solamente se

pueden separar por métodos físicos.

3. Los componentes en una mezcla, se encuentran en: ( )

a) Cantidades variables.b) Relación inversa.c) Cantidades constantes.d) Relación directa.

4. En una mezcla, sus componentes: ( )

a) Combinan sus propiedades internas.b) Están en proporciones fijas.c) Se separan por métodos físicos.d) Se separan sólo por reacciones químicas.

5. Partícula más pequeña que puede existir con propiedades de materia: ( )

a) Elemento.b) Molécula.c) Átomo.d) Mezcla.

70

6. Sustancia constituida por átomos del mismo número atómico y no puededescomponerse por métodos químicos: ( )

a) Mezcla.b) Molécula.c) Compuesto.d) Elemento.

7. Sustancias que se pueden separar por métodos físicos: ( )

a) Mezclas.b) Compuestos.c) Átomos.

8. Son tres ejemplos de mezclas: ( )

a) Oxígeno, alcohol, acero.b) Smog, agua, anillo de oro.c) Niebla, agua de mar, aire.d) Nitrógeno, agua oxigenada, plata.

9. Es un ejemplo de una mezcla sólido-gas: ( )

a) Aire.b) Humo.c) Vapor.d) Niebla.

10.Es un ejemplo de mezcla líquido-gas: ( )

a) Acero.b) Aire.c) Niebla.d) Humo.

11.Las siguientes son características de los componentes de una mezcla, excepto: ( )

a) Conservar sus propiedades.b) Tienen una masa fija.c) Separarse por medios mecánicos.d) Estar en cualquier cantidad.

12.Ejemplo de mezcla: ( )

a) El cloruro de sodio.b) El petróleo.c) El agua.d) El alcohol etílico.

71

13.Se refiere a una característica de los compuestos: ( )

a) Son homogéneos y heterogéneos.b) Se separan por centrifugación.c) Sus componentes conservan sus propiedades.d) Sus componentes pierden sus propiedades iniciales.

14.Sustancia que se separa por métodos químicos: ( )

a) Mezcla.b) Compuesto.c) Solución.d) Elemento.

15.Sustancia en donde los constituyentes que la forman están unidos químicamente: ( )


16.Ejemplo de compuesto: ( )

a) La leche.b) El aire.c) La sangre.d) El amoniaco.

17.Ejemplo de elemento químico: ( )

a) Alcohol.b) Helio.c) Pólvora.d) Aire.

18.La unión de dos o más elementos recibe el nombre de: ( )

a) Isótopo.b) Mezcla.c) Elemento.d) Compuesto.

19.Es la sustancia que resiste todas las pruebas químicas sin descomponerse en otrassustancias más sencillas: ( )


72

20.¿En cuál de los siguientes grupos de sustancias tenemos únicamente elementos?:( )

a) Plomo, hierro, sal.b) Plomo, hierro, aire.c) Plomo, hierro, alcohol.d) Plomo, hierro, cloro.

21.La electrólisis: ( )

a) Se utiliza para conocer el punto de fusión de un compuesto.b) Se emplea para separar una mezcla.c) Es un proceso de obtención de compuestos.d) Es un proceso para separar los elementos de un compuesto.

22.Los elementos que constituyen un compuesto: ( )

a) Conservan sus propiedades y están en cualquier proporción.b) Conservan sus propiedades y están en proporción fija.c) Pierden sus propiedades y están en proporción fija.d) Pierden sus propiedades y están en cualquier proporción.

23.La destilación es un método físico de separación que utiliza la siguiente propiedad delos componentes de una mezcla líquida: ( )

a) Punto de fusión.b) Solubilidad.c) Coeficiente de dilatación.d) Punto de ebullición.

24.Al calentar una mezcla de líquidos, se obtuvo la siguiente gráfica:

Figura 29. Relación entre temperatura y tiempo de calentamiento en una mezcla de líquidos.

La parte C nos representa: ( )

a) Enfriamiento del líquido menos volátil.b) Temperatura de ebullición del líquido menos volátil.c) Calentamiento del líquido más volátil.d) Condensación del vapor del líquido más volátil.

A

B

C

Temperatura

tiempo

73

25.La destilación es un proceso que se utiliza para separar mezclas: ( )

a) Sólido-sólido.b) Sólido-líquido.c) Sólido-gas.d) Líquido-líquido

26.La filtración se utiliza para separar mezclas heterogéneas de sólidos en líquidos y lapropiedad física en que se basa es la: ( )

a) Dureza.b) Densidad.c) Temperatura.d) Solubilidad.

27.La decantación se emplea para separar dos sustancias líquidas siempre y cuandoéstas tengan: ( )

28.

a) Diferente densidad y sean miscibles.b) Diferente densidad y no sean miscibles.c) Igual densidad y sean miscibles.d) Igual densidad y no sean miscibles.

29.Las moléculas son las partículas más pequeñas características de: ( )

a) Una mezcla.b) Un compuesto.c) Un catión.d) Un anión.

30.Partícula más pequeña que puede existir como compuesto es: ( )

a) Elemento.b) Molécula.c) Átomo.d) Mezcla.

31.Se tiene una mezcla homogénea de alcohol-agua, y para separarla se usa el métodode: ( )

a) Decantación.b) Cristalización.c) Destilación.d) Filtración.

74

V. Resuelve los siguientes problemas:

Porcentaje en masa

a) Una solución tiene una masa total de 600 gr. y contiene 75 gr. de KOH, ¿cuáles el porcentaje en masa de este compuesto?

b) Se desea preparar 500 gr. de una solución que contenga un 12% en masa decloruro de sodio. ¿Qué cantidad de este compuesto es necesario?.

Porcentaje en volúmenes

a) Si se mezclan 75 mL de alcohol y 125 mL de agua. ¿Qué porcentaje envolumen tiene el alcohol en dicha mezcla?.

b) Se desea preparar 250 mL de una solución de HNO3 al 5% ¿qué volumen deeste ácido se necesita?.

Molaridad

a) Encuentra la concentración molar de una solución que contiene 100 gr. deNaOH en un volumen total de 800 mL.

b) ¿Cuántos gramos de NaHCO3 deben disolverse para tener 750 mL de unasolución de 0.25 moles?.

75

I. En este apartado podrás verificar si tus respuestas fueron correctas, así mismoidentificarás el grado de dominio que tienes de la información.

Mezclas Compuestos Elementos

Papel Agua CobreLeche Alcohol Carbono

Plástico Acetona PlataRefresco PlomoNaranja Sal Oro

Mayonesa AluminioAgua azucarada Hierro

Cacahuate AzufreTierra

CigarroAgua saladaEncendedor

Té preparadoAceite

Hule espumaTela

Huevo cocidoMadera

Una llavePepita de calabaza

SandíaTortaArenaJarabeTornillo

II.

Mezcla. Está formada por dos o más componentes, su unión es física, se puedenseparar por medios físicos. Sus componentes conservan sus propiedades originales.

Compuestos. Están formados por dos o más constituyentes, su unión es química, sepueden separar por métodos químicos, sus constituyentes pierden su proporciónoriginal.

Elemento. Es una sustancia pura que no se puede descomponer en otra, ya que estáformada por la misma clase de átomos.

AUTOEVALUACIÓN

76

III.

IV.

1. b

2. d

3. a

4. c

5. a

6. d

7. a

8. c

9. b

10. c

11.b

12. b

13. d

14. b

15. b

16. d

17. b

18. d

19. d

20. d

21. d

22. c

23. d

24. b

25. d

26. d

27. b

28. b

29. b

30. b

MATERIA

SUSTANCIASHOMOGÉNEAS

SUSTANCIASHETEROGÉNEAS

COMPUESTOS MEZCLAS

ELEMENTOS HOMOGÉNEAS HETEROGÉNEAS

SOLUCIONES

77

V.

Porcentaje de masa

a) % KOH = 75 100600 x

% KOH = 12.5

b) NaCl = 12 % 500100

g %

60g. NaCl

Porcentaje en volumen

a) % Alcohol = 75 mL x 100

200 mL

% Alcohol = 37.5

b) HNO3 = 5 % 250 mL100%

HNO3 = 12.5 mL

Molaridad

a) Fórmula

M = nL

donde n = mPM

por lo tanto Na = 23 x 1 = 23

O = 16 x 1 = 16

H = 1 x 1 = 1 ___

PM = 40 g/molPara encontrar n sustituimos valores:

n = 10040

gg mol/

= 2.5 mol.

Retomando la primer fórmula tenemos que:

M = 2 50 8

. /.

g Lmol = 3.125 L /mol.

78

b)

Fórmula

M = nL

Despejando

n = (M) (L)

Sustituyendo

n = (0.25 moles) (0.75L)

n = 0.188 mol

Para obtener este valor en gramos se debe hacer lo siguiente:

Obtener PM de NaHCO3

Na = 23 x 1 = 23

H = 1 x 1 = 1

C = 12 x 1 = 12

O = 16 x 3 = 48 n = 0.188 mol 48 g1 mol

PM = 48 n = 9.024 g

ANEXO

Respuestas a las actividades que realizaste a lo largo del capítulo.

Soluciones

1. Coloide

2. Solución.

3. Coloide

4. Solución.

5. Coloide.

1. % m = 16.66

2. a) 1.14 m

b) 1.19 m

c) 0.9 m

3. Vol = 1250 ml

Por tanto:

79

Separación de constituyentes de mezclas

1. Son aquellas sustancias que presentan una sola fase.

2. Leche, mayonesa, agua, agua azucarada, refresco.

3. Son aquellas sustancias que presentan más de una sola fase.

4. Granito, agua turbia, alimentos, agua con hielo, petróleo con agua.

5. Sus componentes se unen físicamente.

Sus componentes conservan sus propiedades originales.

Sus componentes se pueden separar fácilmente.

6. a) oro de 14 k b) agua de mar c) smog

arena-azufre leche con chocolate neblina

7. Para separar una mezcla formada por dos líquidos miscibles con diferentes puntos deebullición.

8. Proceso por medio de el cual se puede separar un sólido de un líquido.

9. En un gran número de procesos industriales, entre ellos la refinación de aceites,tratamiento y depuración de agua en las grandes ciudades.

10.Cristalización: método para purificar un sólido mezclado con otro mediante unsolvente.

Tamizado: método para separar dos sólidos que tienen diferente tamaño de partícula.

Evaporación: método mediante el cual se separa un sólido disuelto de un líquido.

Centrifugación: método para separar los componentes de una mezcla en donde cadacomponente tiene diferente masa.

11.a) evaporación

b) tamizado

c) destilación

d ) filtración.

80

Elementos

I. Na Mg Cu K

Rb Al O C

Sr Br H2 l

II. Litio Berilio Boro Flúor

Oro Plata Mercurio Magnesio

Calcio Fierro Níquel Azufre

III. Oro, cobre, plata, hierro, plomo, mercurio, azufre, carbono.

IV. 109 elementos

V. Mercurio-bromo

VI. a) Boyle

81

CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS


2.1.1 Propiedades Físicas.

2.1.2 Propiedades Químicas.

2.1.3 División de los Elementos.

2.1.4 Alotropía.


2.2.1 Las Ideas Básicas de Mendeleiev.


2.3.1 Metales y No Metales.


2.4.1 Metales Alcalinos.

2.4.2 Metales Alcalinotérreos.

2.4.3 Halógenos.

2.4.4 Aplicaciones de la Tabla Periódica.


C A P Í T U L O 2

83

En este capítulo:

APRENDERÁS ¿CÓMO LO LOGRARÁS? ¿PARA QUÉ TE SIRVE?

A reconocer laspropiedades de loselementos, así como suclasificación.

Conociendo losantecedentes yrelacionándolos con laclasificación.

Analizando la forma encómo está distribuida latabla periódica, así comoidentificando en fórmulasy nomenclatura decompuestos binarios.

Diferenciando lascaracterísticas de losmetales y no metales.

Para predecir elcomportamiento de loselementos.

P R O P Ó S I T O

85

CAPÍTULO 2. CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS


Para estudiar la gran variedad de materiales existentes en el Universo es necesarioclasificarlos con base en su composición, por lo que, de acuerdo con el criterio utilizadoen el capítulo anterior, se clasificó a la materia en elementos, compuestos y mezclas.

En los fascículos l y II se menciona que Robert Boyle en el siglo XVII, señaló al elementocomo una sustancia que no es posible descomponer en otra más simple.

John Dalton estableció que un elemento contenía una sola clase de partículas –en laactualidad conocidas como átomos– que no podían descomponerse en otras sustanciasmás simples debido a que eran indivisibles.

Johann Berzelius representó a los elementos mediante un símbolo constituido por una odos letras, la primera mayúscula y, de ser necesario, la otra minúscula, como porejemplo:

El oxígeno se representa con la “O”

Para el cobre “Cu”

Cualquier tipo de materia tiene ciertas características que la distinguen de las demás yque permiten comprobar si dos muestras del mismo material son iguales o diferentes. Aestas características, mediante las cuales se distingue e identifica una muestra demateria se les llama propiedades de la materia.

Ejemplo de estas propiedades son: Color, olor, sabor, temperaturas de fusión o deebullición, acidez o basicidad, polar o no polar, electronegatividad, reactividad oestabilidad, etcétera.

86

Algunas propiedades las pueden poseer dos sustancias, como sucede con el azúcar y lasal, que son sólidos cristalinos, solubles en agua, pero que, si quisiéramos identificarlas,no tomaríamos el sabor como único criterio para diferenciarlas, dado que si noconocemos lo suficiente de una sustancia nos podemos intoxicar. La densidad y laestabilidad térmica serían más apropiadas para identificarlas, porque al colocar el azúcary la sal en una sartén, la primera se funde y adquiere un color marrón, mientras que lasegunda nunca cambia de color a ninguna temperatura y difícilmente se funde. Paracaracterizar a un elemento mencionamos sus propiedades físicas y químicas quepermiten distinguirlos y les proporcionan una inconfundible identidad.

2.1.1 PROPIEDADES FÍSICAS

Algunas propiedades físicas se pueden medir y su comparación es la mejor manera paradistinguir a un material de otro.

Observemos la siguiente situación.

Si se pierde tu mejor amigo(a), ¿qué datos proporcionarías para su localización?:nombre, edad, sexo, peso, piel, estatura, etcétera.

Entre las propiedades que puedes mencionar para identificar al elemento químico oroestán: sólido de color amarillo, masa atómica 196.97, densidad 19.3 g/cm3, punto defusión 1 063 0C, punto de ebullición 2 600 0C, capacidad calorífica 0.535 cal/g 0C,etcétera.

Otras propiedades físicas raramente son cuantificadas, pues principalmenteson descriptivas, ¿qué cualidades podrías mencionar de tu novia(o)?:conversador o callado; alegre o serio; egoísta o altruista; inteligente o creativo.

De manera análoga se puede mencionar que el oro es el más maleable de loselementos ya que puede formar láminas de menos de una diezmilésima de milímetro deespesor y es el más dúctil dado que puede obtenerse un hilo de 2 mil metros de largo deun gramo de oro, es conductor térmico y eléctrico, posee brillo metálico, tenacidad, esblando, etcétera.

2.1.2 PROPIEDADES QUÍMICAS

Las propiedades químicas son las cualidades características de una sustancia que lahacen cambiar, bien sea por sí misma o por la acción de otras sustancias, para formarnuevos materiales. Las propiedades químicas son intrínsecas; por ejemplo, escaracterístico que en presencia del oxígeno arda el fósforo blanco, se oxide el fierro o seescuche una explosión cuando reacciona el hidrógeno.

2.1.3 DIVISIÓN DE LOS ELEMENTOS

Cuando se estudian las propiedades físicas y químicas de los más de 100 elementoshasta ahora conocidos se observa que exhiben una gran diversidad de propiedades; sinembargo, existen algunas características comunes, tanto físicas como químicas, quepermiten hacer una división específica de los elementos.

87

Metales

Los elementos sólidos (excepto el mercurio), que exhiben lustre metálico, son maleables(pueden transformarse en láminas), dúctiles (pueden estirarse en alambres), duros(resistencia a cambiar de forma), tenaces (resistencia a romperse), elevadaconductividad térmica y eléctrica, tienen un punto de fusión y de ebullición elevado y secombinan entre sí en cualquier proporción, además de formar aleaciones, se clasificancomo metales.

Mira a tu alrededor y observarás metales en puertas, monedas, automóviles, estufas, oen los pantalones, como en los cierres y los broches. Los elementos metálicos másabundantes en la corteza terrestre son el aluminio y el hierro. Aproximadamente trescuartas partes del total de los elementos se clasifican como metales.

No metales.

Los elementos sólidos, líquidos y gaseosos, que son malos conductores de la energíaeléctrica, buenos aislantes del calor, no son dúctiles, son quebradizos, poseen puntos defusión y ebullición bajos, baja densidad, etc. se clasifican como no metales.

Puedes apreciar, principalmente, no metales en los alimentos, en la atmósfera, en losbosques, en el mar o en tu cuerpo. Los no metales más abundantes en la cortezaterrestre son el oxígeno y el silicio. En el Universo es el hidrógeno.

Semimetales

Los elementos que presentan propiedades de metales y no metales se consideransemimetales, y entre éstos están el germanio, el arsénio y el antimonio.

Considerar todas las propiedades físicas y químicas de un elemento para diferenciarlode otro sería una tarea inagotable, por lo que se utilizan, principalmente, las siguientespropiedades para caracterizarlos:

Masa atómica relativa. La masa atómica es una cantidad demasiado pequeña parapoder determinarse aún con la balanza más sensible, debido a lo cual se ha establecidouna escala de masas relativas de los átomos, la que se basa en la comparación de lasmasas de los átomos con respecto de la masa de un carbono al que se le asignó unvalor de 12 uma (unidad de masa atómica) en forma arbitraria. La masa atómica de unelemento es el promedio ponderado de las masas de sus isótopos5 naturales.

Valencia o número de oxidación. Es un número entero que se utiliza para describir lacapacidad de combinación de un elemento cuando forma uno o varios compuestos. Elhidrógeno tiene una valencia con valor arbitrario igual a uno. Se puede determinar porcomparación con el hidrógeno la valencia de todos los demás elementos. Así mismo,algunos elementos tienen valencia fija, como el sodio, el calcio, el aluminio, el silicio,etc.; pero otros tienen más de una valencia, como el cloro, el nitrógeno, el fósforo, elmanganeso, etc.

5 Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen diferente masa.

88

2.1.4 ALOTROPÍA

Algunos elementos presentan formas diferentes llamadas alótropos, como por ejemplo:

El fósforo existe en tres formas alotrópicas: fósforo blanco (algunas veces llamadoamarillo, a pesar de que el fósforo es bastante incoloro cuando es puro); este alótropo esmuy venenoso. El fósforo rojo comercial es un polvo rojo-violeta, sin ningún olor ni sabory no es venenoso. El fósforo negro es un material en hojuelas parecido al grafito y, comoel grafito, buen conductor eléctrico, aunque es el menos soluble y menos reactivo de losalótropos del fósforo.

Otro ejemplo de alotropía es el del azufre, elemento que presenta tres formasalotrópicas: azufre rómbico (o alfa), el cual presenta forma de octaedro truncado, esinsoluble en agua, poco soluble en alcohol, soluble en sulfato de carbono; azufremonoclínico (o beta), y azufre plástico o amorfo (azufre gama) como se muestra en lasiguiente figura.

Alfa Beta Gamma

Figura 30. Cristales de azufre.

89

1) Observa en la siguiente tabla, las propiedades representativas de los elementos.

Tabla 8

Elemento Símbolo Masaatómica(uma*)

Densidad(g/mol)

Puntode

fusión(0C)

Estadonatural

Fecha dedescubri-

miento

Investigador(nacionalidad)

Hidrógeno H 1.008x 10-3

0.0890 -259.14 En laatmósfera,combinado entodo el planeta.

1766 HenryCavendish(Inglaterra)

sodio Na 22.997 0.971 97.5 Nunca estálibre, seencuentraprincipalmentecomo NaCl.

1807 HumphreyDavy(Inglaterra)

Berilio Be 9.02 1.8 1280.0 En algunosminerales comofluoruros deberilio.

1797 Louis N.Vauguelin(Francia)

Carbono C 12.01 3.51 3.500.0 En forma demineral ycompuestosorgánicos.

Desde laantigüedad

Nitrógeno N 14.008 0.81 -209.86 En el aire, enforma deamoniaco y enlas proteínas.

1772 DanielRutherford(Inglaterra)

Oxígeno O 16.00 1.27 -218.4 En laatmósfera,como agua y enlos compuestosorgánicos.

1774 J. Priestley(Inglaterra)

Cloro Cl 35.457 1.56x10-3 -101.6 En forma demineral,principalmentecomo NaCl.

1774 Carl W. Sheele(Suecia)

Helio He 4.003 0.117x10-3 -272.0 En la atmósferade la tierra, enel Sol y enminerales.

1894 WilliamRamsey(Inglaterra)

* uma: unidad de masa atómica.


90

2) De acuerdo con los datos mostrados en la tabla 8 contesta lo siguiente:

¿Cuáles elementos son gases?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué elementos se encuentran en estado sólido?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Cuáles elementos son líquidos?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué elemento tiene mayor densidad?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Cuáles elementos son metales?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué elemento se conoce desde la antigüedad?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) En el laboratorio observa cuidadosamente con una lupa la forma de los alótropos:

El azufre, que presenta tres formas diferentes o alotrópicas, se puede obtener de lasiguiente manera:

Azufre monoclínico. Se obtiene al calentar el azufre en un crisol (o una cucharilla) hastafundirlo. Después de enfriar lentamente cristaliza en forma de agujas de color amarillo;es insoluble en sulfuro de carbono. Se transforma en rómbico con el tiempo (ver figura31).

91

Figura 31

Azufre plástico o amorfo. Se obtiene al enfriar rápidamente el azufre fundido; esto selogra al fundir el azufre en polvo o azufre en flor y vertir el líquido fundido en unrecipiente con agua.

Figura 32

4) Contesta en tu cuaderno las siguientes preguntas:

¿Qué aspecto tienen los productos formados?.

¿Qué explicación puedes dar a este cambio?.

92

“CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA MATERIA”

Objetivo

Identificar las propiedades físicas de algunos metales y no metales, mediante laobservación, para conocer sus características principales.


Investiga:

1. ¿Qué es una propiedad física?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Qué es una propiedad química?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. ¿Cuáles son las características principales de los metales?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. ¿Cuáles son las características principales de los no metales?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


93


☛ Alambre de cobre☛ lámina de aluminio☛ clavo de fierro☛ lámina de antimonio☛ cinta de magnesio☛ espátula☛ circuito eléctrico

☛ azufre☛ carbón en polvo☛ zinc en granalla☛ yodo☛ plomo

Problema

¿Las características de los metales y no metales son iguales o diferentes?.

Hipótesis____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Desarrollo experimental

Examina las características de los elementos proporcionados y con la espátula trata dedividir en dos el material para conocer si es duro y/o tenaz. Llena la tabla con lassiguientes propiedades:


Estado de Dureza Apariencia TenacidadElemento Agregación Color Blando Duro Brillo Metal No metal Frágil Tenaz

94

Discusión

Para realizar una discusión con mayores fundamentos, te sugerimos que realices unainvestigación documental en la cual puedas conocer cómo varían las propiedadesperiódicas. Como siguiente paso, y apoyándote en la investigación documental, anota enlos renglones las diferencias o similitudes que observaste entre los metales y los nometales.

Conclusión(es).

95

Al revisar este mapa conceptual conocerás los aspectos que intervienen en lacaracterización de los elementos.


LOS ELEMENTOS

PROPIEDADESQUÍMICAS

dividen

FORMAALOTRÓPICA

PROPIEDADESFÍSICAS

METALES

NOMETALES

SEMIMETALES

tienen tienen sealgunostienen

en enen

96


Como hemos observado, los elementos químicos presentan tal cantidad de propiedadesque distinguen a unos de otros, que es casi imposible conocer las propiedades de todoslos elementos; por ejemplo, sodio, potasio y yodo se comportan de manera diferente conel agua. El primero reacciona violentamente; el segundo lo hace aún más violentamente,y el tercero no reacciona.

Al preguntarse acerca del comportamiento de elementos como el hierro, elcarbono o el cobre con el agua, conduce a varios cuestionamientos: ¿esposible encontrar un orden en los elementos que permita sistematizar elconocimiento de sus propiedades?, ¿es posible, a partir del ordenamiento delos elementos, predecir su comportamiento químico?. Si es posible, ¿cuálesson los criterios necesarios para clasificar a los elementos?.

Para responder a estas dudas consideremos los ejemplos siguientes para entender elconcepto de clasificación: en una biblioteca, los libros se encuentran repartidos ensecciones: Ciencias Naturales, Literatura, Matemáticas, etc., mientras que en unzoológico los animales se encuentran ubicados en secciones: mamíferos, aves, reptiles,etc. De acuerdo con estos ejemplos observamos que los libros y los animales estánagrupados o divididos de acuerdo con ciertas características que les son comunes: loslibros de Ciencias Naturales tratan de Biología, Química y Física; mientras que losmamíferos son aquellos “animales vertebrados caracterizados por tener glándulamamaria para la alimentación de sus crías”, y pertenecen a ellos los primates,carnívoros, roedores, etc., por lo que podemos concluir que clasificar significa “ordenar alos seres vivos o cosas en grupos con características comunes”.

Elabora un cuadro sinóptico sobre la forma en que están clasificados o agrupados losdiferentes departamentos de una tienda de autoservicio.

La tabla periódica de los elementos, común en cualquier texto de Química, es una formaorganizada de agrupar y clasificar a los elementos, además de ser instrumento valiosopara el estudio de la Química, dado que nos permite conocer de manera sistemática laspropiedades de los elementos y su comportamiento químico.

¿Cómo se llegó a la tabla periódica?. ¿Cuál fue su origen?. ¿Por qué esperiódica?.

¿Quién o quiénes participaron en su construcción?. ¿Cuáles fueron loscriterios utilizados en su construcción?.


97

Para responder a estos cuestionamientos revisemos el desarrollo histórico de suconstrucción:

Desarrollo histórico de la Tabla Periódica

Durante los siglos XVIII y XIX se realizaron diversos intentos por clasificar a loselementos, de los cuales sólo estudiaremos aquéllos que guardan estrecha relación conla tabla periódica que conocemos actualmente.

En 1817, J. Döbereiner, químico alemán, observó que las propiedades del calcio, elbario y el estroncio eran muy parecidas, aunque también advirtió que la masa atómicadel estroncio era aproximadamente la mitad de las del calcio y del bario. Con estos treselementos, Döbereiner formó un grupo al cual denominó Tríada y, basándose encaracterísticas semejantes, como las propiedades químicas y sus masas atómicas,encontró algunas otras tríadas, como se observa en la siguiente tabla.

Tabla 9.

Nombre Masa atómica

Nombre Masaatómica

Nombre Masaatómica

CalcioBario

PromedioEstroncio

4013788.587.6

CloroYodo

PromedioBromo

35.512781.379.9

AzufreTelurio

PromedioSelenio

3212779.879.2

Cabe señalar que a pesar de que las tríadas de Döbereiner relacionaban laspropiedades y las masas atómicas de los elementos, esta clasificación no logró impactara los químicos de su época, principalmente porque la mayoría de las tríadas no cumplíancon estas características.

En 1862, el geólogo francés A.E. Beguyer de Chancourtois ordenó a los elementos, deacuerdo con sus pesos atómicos, en una espiral alrededor de un cilindro vertical quedividió en 16 líneas verticales, y encontró que los elementos con propiedadessemejantes se localizaban sobre una misma vertical. En la línea 7 quedaron ubicados ellitio, el sodio y el potasio, que coinciden con una de las tríadas de Döbereiner como seobserva en la figura siguiente.

98

ESQUISSE DE LA VIS TELLURIQUE2 4 6 8 10 12 14 16

(H2O) Hydrogene2

(HO) Hydrogene4

6Lithium

8(G1O) Glucinium

10Bore

12Carbone

Azote 14

Oxygéne 16

18Fluor

20

22Sodium

Magnésium 24

26Aluminium

(SiO2) Silicium 28

30Phosphore

Soufre 32

34Chlor

36

38Potassium

40Calcium

Figura 33. Hélice telúrica de Chancourtois.

La hélice telúrica de Chancourtois considera como el primer intento para clasificar a loselementos periódicamente, debido a que las propiedades de los elementos se repitendespués de intervalos determinados (como el vaivén de un péndulo), no tuvo muchoéxito. Incluso fue ignorada por los químicos lo cual se explica por dos inconvenientesimportantes: por una parte mezcla elementos y compuestos, y por otra su representacióngráfica es compleja.

En 1864, J.A.R. Newlands, químico inglés, encontró que, al ordenar los elementos,según su masa atómica creciente, había una repetición de sus propiedades en cadaoctavo elemento, algo semejante a las octavas de la escala musical, como se observaen la siguiente tabla:

Tabla 10. Representación del “Octavo” de Newlands.

1 2 3 4 5 6 7 8

Li Be B C N O F Na

Na

Mg Al Si P S Cl K

H

H

LI

Gl

C

Bo

O Az

O

Fl

Mg

Na

MgAl

Si

Ph

S

MgCl

K

Ca

99

Las publicaciones científicas se negaron a considerar el artículo de Newlands en quedescribía la clasificación de los elementos, llamada Ley de las Octavas, debido,principalmente, a la inconsistencia demostrada, ya que mientras unas columnas de latabla contenían elementos semejantes, otras tenían elementos dispares, lo que hizopensar a los científicos que se trataba de una coincidencia.

Tanto L. Meyer (1830-1895) como D.I. Mendeleiev (1834-1907), que asistieron al PrimerCongreso Internacional de Química de Karlsruhe, enfocaron sus estudios a la búsquedade una clasificación de los elementos, en gran parte motivados por su labor comoprofesores de universidad. Ambos estaban empeñados en hacer un manual de QuímicaGeneral para sus alumnos que presentara a la Química de manera ordenada, racional ysistemática. Los dos llegaron a la clasificación periódica de los elementos, aunque paradesgracia de Meyer la publicación de la segunda edición de su libro se retrasó y su tablaapareció después de la de Mendeleiev, es decir hasta 1870.

La estructura general (periodos y grupos) de la tabla que actualmente conocemos escasi la misma que la propuesta por el químico ruso Mendeleiev en su libro Los principiosde la Química en 1874.

2.2.1 LAS IDEAS BÁSICAS DE MENDELEIEV

a) Cuerpo simple-molécula y elemento-átomo

Para Mendeleiev, “un cuerpo era algo material, metal o metaloide, capaz de reaccionarquímicamente”. A la expresión de “cuerpo simple” le corresponde la idea “molécula”. Porel contrario, el nombre de “elemento” sirve para caracterizar las partículas materialesque forman los cuerpos simples y compuestos, de ahí que la palabra “elemento”conduce a la idea de “átomo”. De lo anterior Mendeleiev formó una red de cuatroconceptos fundamentales.

cuerpo simple o compuesto: molécula átomo: elemento

b) Las “valencias” de los elementos

Para Mendeleiev era conocido que “cada elemento tenía cierto poder de combinación”;por ejemplo, el átomo de hidrógeno sólo podía combinarse con otros átomos, y nunca secombina con dos átomos de oxígeno. Por otro lado, el oxígeno podía combinarse condos átomos (por ejemplo H2O). Así pues, el hidrógeno tenía un “poder de combinación”de uno, lo mismo con el sodio, el litio, entre otros elementos. Esta capacidad decombinación que exhiben los elementos se denomina valencia, en la siguiente tabla temostramos algunos ejemplos de valencia.

100

Tabla 11. Valencia de elementos en orden de su peso atómico.

Elemento Valencia Elemento Valencias

HidrógenoLitioBerilioBoroCarbonoNitrógenoOxígenoFlúorSodio

112343211

MagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroPotasioCalcio

23432112

c) Similitud y diferencia

Para Mendeleiev no sólo el parecido entre los elementos químicos era importante, sinotambién las diferencias, de ahí que, al comparar los extremos, los metales alcalinos yhalógenos, se dio cuenta de la regularidad en el crecimiento del peso atómico de loselementos de estos dos grupos.

La Tabla Periódica de Mendeleiev consta de ocho grupos y doce series. Los grupos quese etiquetan con números romanos, de acuerdo con la valencia de los elementos, sonlas columnas, mientras que las series corresponden a los renglones, ver la tabla 12.

El grupo l esta formado por hidrógeno, litio, sodio, potasio, rubidio y cesio, quepertenecen a la familia de los metales alcalinos, así como también por el cobre, la plata yel oro que son metales con muchas propiedades en común.

El grupo VII lo forman los halógenos (flúor, cloro, bromo y yodo), que guardan muchasimilitud química.

En el grupo VIII aparecen tres tríadas: la primera formada por el hierro, el cobalto y elníquel; la segunda por el rutenio, el rodio y el paladio, y la tercera por el osmio, el iridio yel platino, metales con características semejantes.

101

Tabla 12. Clasificación periódica de los elementos según Mendeleiev

Grupo l II III IV V VI VII VIIIÓxidos e

Hidróxidostípicos

R2O RO R2O4 RO2H4R

R2O4H3R

RO4H2R

R2O7HR

RO4

1 H (1)

2 Li (7) Be (9.4) B (11) C (12) N (14) O (16) F (19)

3 Na (23) Mg (24) Al (27.3) Si (28) P (31) S (32) Cl (33.5)

4 K (39) Ca (40) - (44) Ti (48) V (51) Cr (52) Mn (55) Fe (56)Co (59)Ni (59)Cu (63)

se

5 [Cu (63)] Zn (65) - (68) - (72) As (75) Se (78) Br (80)

rie

6 Rb (85) Sr (87) ? Yt (88) Zr (90) Nb (94) Mo (96) - 100 Ru (104)Rb (104)Rd (106)Ag (108)

7 [Ag (108)] Cd (122) In (133) Sn (118) Sb (122) Te (125) l (127)

8 Cs (133) Ba (137) ?Di (138) ?Ce (140)

9

10 ?Er (178) ?La (180) Ta (182) W (184) Os (195)Ir (197)Pt (198)Au (199)

11 [Au (199)] Hg (200) Ti (204) Pb (207) Bi (208)

12 Th (231) U (204)

Las predicciones de Mendeleiev

En su tabla periódica, Mendeleiev reservó tres lugares para elementos que faltaban pordescubrir, a los cuales llamó ekaboro, ekaboaluminio y ekasilicio, encontrándose quecoincidían con sus predicciones. Estos elementos fueron el escandio, el galio y elgermanio, respectivamente, por ejemplo:

Tabla 13. Comparación de las propiedades del ekasilicio y el germanio.Propiedad ekasilicio germanio

Peso atómico (uma)Densidad del elemento (g/mL)Fórmula del óxidoDensidad del óxido (g/mL)Fórmula del cloruroPunto de ebullición del cloruro (0C)Densidad del cloruro (g/mL)

755.5

MO24.7

MCl4< 100

1.9

72.35.36GeO24.70

GeCl483

1.88

102

La clasificación de los elementos ha representado un reto para los químicos, muchos delos cuales dedicaron gran parte de su vida a establecer clasificaciones que permitieranorganizar la gran diversidad de elementos químicos. Los principales criterios utilizadosen casi todas las clasificaciones propuestas se basaron en el conocimiento de laspropiedades físicas y químicas, la masa atómica, así como la valencia de los elementos.

Compara la clasificación de los elementos, propuesta por Mendeleiev con la tablaperiódica de los elementos químicos actual, que se presenta en la figura 28 y anota enlos renglones correspondientes tus observaciones.

Semejanzas__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Diferencias__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________



103


El descubrimiento de nuevos elementos, los gases nobles y las tierras raras entre ellos,aunque han agrandado la tabla periódica de Mendeleiev, no ha cambiado su aspectogeneral. La tabla periódica, que incluye a los 106 elementos hasta ahora conocidos, sedivide en grupos o familias –reciben este nombre por la semejanza entre sus miembros–,los periodos ubicados en las columnas y los renglones, respectivamente. De acuerdocon la tabla periódica (fig. 34) el total de grupos es de 18 y el de periodos siete.

Figura 34. Tabla periódica de los elementos químicos actual.

( * ) Elementos sintéticos que tienen un período de vida inestable, ya que su duración es

en términos de segundos.

*

+

*

+

104

2.3.1 METALES Y NO METALES

Metales

Los metales están ubicados a la izquierda de la tabla periódica y corresponden a lamayor parte de los elementos, como se muestra en la figura .

Figura 35. Los metales y su ubicación en la tabla periódica

Las propiedades de los metales se acentúan más en aquellos elementos que estánubicados más a la izquierda de la tabla periódica, en donde se encuentra el grupo 1, lafamilia de los metales alcalinos y el grupo 2 la familia de los metales alcalinotérreos, querepresenta el mayor carácter metálico.

*

*

+

+

105

Metales de Transición

Los elementos que van del grupo 3 al 12, ubicados en el centro de la tabla periódica,forman un bloque conocido como metales de transición. Este bloque incluye a los 10elementos que van del escandio (Sc) al zinc (Zn) del cuarto periodo, y a los elementoscorrespondientes debajo de ellos en los periodos quinto, sexto y séptimo, así como a loslantánidos y actínidos. La figura 36 indica el lugar que ocupan estos elementos en latabla periódica.

Figura 36. Los metales de transición y su ubicación en la tabla periódica.

*

+

*

+

Tierras Raras

106

No metales

Los no metales se encuentran ubicados a la derecha de la tabla periódica, como semuestra en figura 37.

Las propiedades tanto físicas como químicas de los no metales se acentúan más enaquellos elementos que están más a la derecha de la tabla periódica. Los elementos delgrupo 18, conocidos como gases nobles, y los del grupo 17, los halógenos, presentan elmayor carácter no metálico.

Figura 37. Los no metales y su ubicación en la tabla periódica.

*

+

*

+

107

Metaloides

Los metaloides parecidos a los metales, que a menudo se les conoce comosemimetales, que incluye, entre otros elementos al boro (B), el silicio (Si), el germanio(Ge), el arsénico (As), el antimonio (Sb), el selenio (Se) y el Teluro (Te), están ubicadosen una pequeña región en forma diagonal, según se muestra en la figura 38.

Figura 38. Los metaloides y su ubicación en la tabla periódica.

*

+

*

+

108

Tabla 13. Propiedades de los metales y no metales

Propiedades Metales No metales

Estado de agregación Aproximadamente 80 sólidos y un líquido. 10 sólidos, 5 líquidos y 5 gases

Color Grises, excepto cobre y oro. Coloridos

Conductividad térmica Alta Baja

Conductividad eléctrica Alta (la plata tiene la mayor conductividad). Baja (excepto el grafito)

Lustre Metálico. Los elementos con mayor brillometálico son: oro, plata y platino

Opaco

Maleabilidad Maleables, en un milímetro de espesor sepueden colocar 12 000 láminas de oro.

No se pueden laminar

Ductibilidad Dúctiles, un gramo de oro puede ser estiradoen un alambre de 2 000 metros de largo.

No se pueden formar hilos

Punto de fusión Altos Menor valor: –390C mercurio Mayor valor: –3870C Tungsteno

Bajo Menor valor: –2590C hidrógeno Mayor valor: 35000C carbono

Punto de ebullición Altos Menor valor: 3570C mercurio Mayor valor: 5900 0C Tungsteno

Bajo Menor valor: –252.70C hidrógeno Mayor valor 42000C carbono

Tensión que resisten antesde romperse

Alta Menor valor: 210 kg/cm2 plomo Mayor valor: 4200 kg/cm2 tungsteno

Baja

Densidad Alta Menor valor: 0.53 g/mL litio Mayor valor: 22.5 g/mL osmio

Baja Menor valor: 0.000089 g/mL hidrógeno Mayor valor: 6.94 g/mL telurio

Nota. Los gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) se comportan como los no metales.

109

Completa la siguiente tabla:

1) Anota las distribuciones de los grupos según la clasificación clásica y moderna.

2) Ilumina de color:

Azul marino los metales, y de color azul claro los no metales de transición.

Rojo para los no metales y para los metaloides el color anaranjado.

Figura 39


*

+

*

+

110

Actualmente la tabla períodica de los elementos químicos cuenta con 106 elementos, lacual está dividida en: metales y no metales, dentro de los primeros se localizan losmetales de transición; en tanto que en los no metales se encuentran los elementos quese conocen como semimetales, aunque también reciben el nombre de metaloides.


111


2.4.1 METALES ALCALINOS

Grupo 1. Familia de los metales alcalinos: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr.

Figura 40. La familia de los metales alcalinos y su ubicación en la tabla periódica.

Los metales alcalinos (del árabe antiguo alcáli que significa “cenizas de planta”), como elpotasio y el sodio, se hallan en las cenizas de las plantas al quemarse, se encuentran enla Naturaleza, principalmente en forma de sales binarias, en la corteza terrestre y en elmar. Son metales blandos que se pueden cortar con un cuchillo, con bajos puntos defusión; son los más activos de los metales, por lo que se deben guardar en aceite opetróleo. Los metales alcalinos se obtienen por descomposición electrolítica de sus salesbinarias fundidas.

*

+

*

+

112

Compuestos de los metales alcalinos

Los metales alcalinos forman una amplia variedad de compuestos, de los cuales sóloestudiaremos aquéllos que se forman al combinarse con el oxígeno (óxidos) y éstos conel agua (hidróxidos), así como con los halógenos para formar las sales binarias.La reacción general que ocurre entre los metales alcalinos y el oxígeno, formándoseóxidos, se expresa de la siguiente manera:

Ejemplo:

metal alcalino + oxígeno óxido

4 Na + O2 2NaO2

sodio oxígeno óxido de sodio

El nombre de los óxidos se construye escribiendo primero la palabra óxido seguida de lapreposición de y por último el nombre del metal; por ejemplo, MgO, óxido de magnesio.Estos ácidos reaccionan fácilmente con el agua, dando los hidróxidos, de acuerdo con lasiguiente expresión.

Ejemplo:

óxido + agua hidróxido

K2O + H2O 2 KOH

óxido de potasio agua hidróxido de potasio

Las bases, conocidas también como hidróxidos, se nombran añadiendo a la palabrahidróxido la preposición de y el nombre del elemento metálico; por ejemplo, el NaOHse denomina hidróxido de sodio.

Los metales alcalinos se combinan con los halógenos para producir haluros, conforme ala siguiente expresión.

Ejemplo:

metal alcalino + halógeno haluro

2Na + Cl2 2NaCl

sodio cloro cloruro de sodio

Los haluros o halogenuros se designan con el nombre del halógeno con la terminaciónuro, seguidos de la preposición de y el nombre del elemento metálico; por ejemplo, Kfes el fluoruro de potasio.

113

Principales usos de los metales alcalinos y de sus compuestos

Muchos compuestos de los metales alcalinos, particularmente el sodio y el potasio, sonindustrialmente importantes. El hidróxido de sodio (sosa cáustica) y el hidróxido depotasio (potasa cáustica) se usan en la fabricación de productos tales como jabones,colorantes, pigmentos grasas y productos de papel. El litio se utiliza en pilas secas, y enalgunas sustancias usadas para el tratamiento de la depresión maniaca.

2.4.2 METALES ALCALINOTÉRREOS

Grupo 2. Familia de los metales alcalinotérreos: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra.

Figura 41. La familia de los metales alcalinotérreos y su ubicación en la tabla periódica.

Los metales alcalinotérreos (sus óxidos, las “tierras” de los alquimistas, dan en soluciónuna reacción alcalina) se encuentran ampliamente distribuidos en la corteza terrestrecomo carbonatos, silicatos, fosfatos y sulfatos. El magnesio y el calcio son los másabundantes; montañas enteras están formadas por piedra caliza, CaCO3 (carbonato decalcio), y dolomita, CaMg (CO3)2 (carbonato de calcio y magnesio). Excepto el berilio, loselementos de este grupo son metales típicos. Son buenos conductores del calor y de laelectricidad, pero son más duros, más densos y con punto de fusión más alto que losmetales alcalinos.

*

+

*

+

114

Compuestos de los metales alcalinotérreos

Los metales alcalinotérreos arden en el aire al ser calentados, y forman el óxidocorrespondiente de acuerdo con la siguiente ecuación.

Ejemplo :

metal alcalino + oxígeno óxido

2 Be + O2 2 Be O

berilio oxígeno óxido de berilio

estos óxidos son sustancias blancas, de elevado punto de fusión, que se combinanvigorosamente con el agua, dando los hidróxidos, de acuerdo con la siguiente ecuación.Ejemplo:

óxido + agua hidróxido

M y O + H20 Mg (OH)2

óxido de magnesio agua hidróxido de magnesio

La regla para nombrar a estos hidróxidos es la misma que se designa a los hidróxidos delos metales alcalinos. Estos hidróxidos son sustancias blancas que presentanpropiedades de bases fuertes muy solubles en agua.

El óxido de calcio (cal o cal viva) y el producto de su reacción con el agua Ca(OH)2 (calapagada) se aplica en la construcción.

Los metales alcalinotérreos se combinan vigorosamente con los halógenos, ydesprenden calor según la expresión siguiente.

Ejemplo:metal alcalinotérreo + halógenos haluro

Ca + Cl2 Ca Cl2

calcio cloro cloruro de calcio

Los haluros o halógenos se nombran de la misma manera que los haluros de losmetales alcalinos.

115

Usos principales de metales alcalinotérreos y sus compuestos

El berilio es raro, caro y tóxico; las aleaciones de berilio-cobre son tan duras yresistentes como algunos aceros que se emplean en la manufactura de herramientas; elmagnesio es utilizado en bombillas fotográficas; el hidróxido de calcio es una baseindustrial de importancia que se emplea en la fabricación de cemento. El radio se usa enel tratamiento del cáncer; las sales de estroncio se utilizan en la pirotecnia, y el bario seemplea para elaborar piedras de encendedor.

2.4.3 HALÓGENOS

Grupo 17. Familia de los halógenos: F, Cl, Br, l, At.

Figura 42. Los halógenos y su ubicación en la tabla periódica.

*

+

*

+

116

Los halógenos (“formadores de sal”) se encuentran en la Naturaleza principalmente enforma de sales binarias, en la corteza terrestre y en el mar, excepto al astato, cuyoisótopo de más larga vida es de alrededor de ocho horas. A temperatura ambiente, el l2es sólido, Br2 es líquido, Cl2 y F2 son gases. Estos halógenos son los elementos másactivos de los no metales que en presencia de la luz son explosivos, por lo que se debenguardar en frascos color ámbar. El flúor, el más activo de todos, se combina concualquier elemento, excepto el helio, el neón y el argón.

Compuestos de los halógenos

Los halógenos, los elementos más activos químicamente, participan en una granvariedad de compuestos, de los cuales únicamente señalaremos aquéllos que se formancuando reaccionan con el hidrógeno para convertirse en hidrácidos.

Ejemplo :

halógeno + hidrógeno hidrácidos

cloro + hidrógeno cloruro de hidrógeno

Cl2 H2 2 H C1

Para nombrar a los hidrácidos, primero se menciona el no metal con la terminación uro ydespués se anota al hidrógeno (en nuestro ejemplo, cloruro de hidrógeno).

2.4.4 APLICACIONES DE LA TABLA PERIÓDICA

El valor de la tabla periódica de los elementos no radica exclusivamente en conocer opredecir las propiedades, el comportamiento de los elementos que se conocen y los quetodavía no se descubren, sino que puede sugerir la síntesis de nuevos productos.

Entre 1920 y 1930 se necesitaba una sustancia inocua, inodora, no inflamable, nocorrosiva y barata que pudiera sustituir a los compuestos utilizados en los refrigeradosde esa época, todos los cuales tenían propiedades indeseables. Thomas Midgley Jr., en1929, se fijó que los elementos de la tabla periódica del lado derecho eran los únicosque formaban compuestos volátiles y que la inflamabilidad entre dichos compuestosaumentaba de derecha a izquierda y la toxicidad aumentaba de arriba hacia abajo en latabla. Estas orientaciones apuntaban a compuestos de flúor, lo que fue una increíblededucción, pues nadie había considerado que el flúor pudiera no ser tóxico en alguno desus compuestos. Fue en 1931 cuando se descubrió el primero de los freones (CCl2F2);sin embargo, investigaciones recientes han revelado que los freones tienen una accióndestructiva en las capas que rodean a la Tierra, entre ellas la de ozono, la cual nosprotege de la radiación ultravioleta.

117

Elabora en tu cuaderno un cuadro comparativo en donde muestres las características yprincipales usos de los metales alcalinos, metales alcalinotérreos y de los halógenos. Tesugerimos el siguiente cuadro.

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES USOS

Metales Alcalinos

Metales Alcalinotérreos

Halógenos


118

Al revisar el mapa conceptual podrás identificar cuáles son los grupos más importantesdentro de la tabla periódica de los elementos químicos.


PRINCIPALESGRUPOS OFAMILIAS

METALESALCALINOS

METALESALCALINOTÉRREOS HALÓGENOS APLICACIONES

METALESBLANDOS

BAJOS ENPUNTO DE

FUSIÓN

DUROS DENSOS PUNTO DEFUSIÓN ALTO

SALES EXPLOSIVOs

COMBINAR COMBINARSE COMBINAR

CLORO OXÍGENOOXÍGENOHIDRÓGENO

CLORO

con

son

son sonson

y algunas

algunos sonson

se pueden

pueden se pueden

con con

119


Los indígenas en México empleaban sus conocimientos de la cal y el yeso para usosdomésticos y de construcción. Aprovechaban el tequesquite (costras de cloruro de sodioy carbonato de sodio) para sazonar y facilitar la cocción de las legumbres, perodesconocían la utilidades de muchas sustancias. Este problema se presenta todavía.

¿Sabes cuáles son las principales propiedades que proporcionan losmetales de transición del periodo cuatro al cero?.

¿Qué elementos son necesarios para producir gases venenosos yexplosivos?.

¿Qué elementos permiten producir medicinas?.

A continuación se mencionan la importancia y empleo de algunos de los metales y nometales en la industria y economía.

Metales

Aluminio (Al)

El aluminio (del latín alumbre que significa “sabor astringente”), es un metal blancoargentino, bastante duro, funde a 6600C, muy maleable y tiene gran conductividadeléctrica. Por su abundancia en la Naturaleza es el cuarto entre todos los elementos; suprincipal mineral es la bauxita, que es un óxido de aluminio hidratado e impuro,Al2O3 x H2O. El aluminio elemental se obtiene por hidrólisis de una solución de Al2O3 encriolita fundida.

Este elemento (aluminio) se emplea como componente de distintas aleaciones, lascuales, además de tener buenas propiedades mecánicas, son muy ligeras, con las quese fabrican utensilios domésticos y partes para avión. En el organismo humano elcontenido de aluminio constituye la décima parte del uno por ciento, pero el papelbiológico aún no está aclarado. En México se encuentra en los estados de Puebla yVeracruz.

Calcio (Ca)

El calcio (del latín calcix que significa cal) es un metal blanco argentino, bastante duro,que funde a 8100C, buen conductor del calor y electricidad. Se encuentra ampliamentedistribuido en la corteza terrestre como combinado formando silicatos, fosfatos ysulfatos. Los principales minerales del calcio son la piedra caliza CaCO3 (carbonato decalcio) y la dolomita CaMg(CO3)2 (carbonato de calcio y magnesio). El calcio elementalse prepara industrialmente por la electrólisis de sus sales fundidas.

120

Este metal (calcio) se utiliza en aleaciones, abonos, productos farmacéuticos, comodescarbonizador, y en el tratamiento del agua potable; con el cerio se hacen piedraspara los encendedores, forma parte de la cal, yeso, mármol, cemento, etc. En el cuerpohumano participa en la formación de huesos y dientes, en el mantenimiento de latemperatura corporal, en la transmisión de impulsos nerviosos, en la coagulación de lasangre. Una dieta rica en calcio te la proporciona el consumo de papa, centeno, trigo yleche. El calcio, en México, se obtiene en los estados de Jalisco, Hidalgo, D.F.,Chihuahua, Sonora, Sinaloa y Durango.

Hierro (Fe)

El hierro (del latín ferrum) es un metal blanco, brillante buen conductor de la electricidady el calor. Es muy abundante (cerca del 5% de la corteza terrestre) y fácil de obtener desales minerales. Se encuentra en la Naturaleza como hematita (Fe2O3), linitita(Fe2O3.H2O), magnetita (Fe3O4), pirita (FeS2) y como impureza en otros minerales. Estosminerales sirven como fuente de hierro, excepto la pirita (pirita de hierro u oro de lostontos).

El hierro se emplea en la fabricación de casi todo. Con hierro o acero (hierro concarbono) se elaboran varillas, cables, estructuras, maquinarias y herramientas, así comoimanes. Es componente de la hemoglobina, que transporta el oxígeno de los pulmones alos tejidos, participa en el crecimiento y es un componente de las enzimas. Una dietaque proporciona el hierro necesario comprende calabacitas, carne, hígado, pescado,aves, alubias, pasas y ciruelas. En el país se localiza en los estados de Baja California,Colima, Jalisco, Chihuahua, Durango, Guerrero y Michoacán.

Cobalto (Co)

El cobalto (del alemán Kobalt, “duende”), es un metal duro, relativamente poco reactivo,con brillo plateado azuloso. Es un elemento escaso que se encuentra asociado con elazufre y el arsénico, como en la cobaltita (CoAsS), que se obtiene por reducción de susóxidos en un horno de fundición.

Se emplea ampliamente en aleaciones con el hierro, el níquel, el aluminio y otrosmetales para fabricar tuberías, motores y piezas de cohetes. El cobalto es uncomponente de la vitamina B12 de coenzimas, que se concentra en los riñones. Unadieta que proporciona cobalto consiste en riñones, leguminosas, remolacha y productoslácteos.

Cobre (Cu)

El cobre (del latín cupus “de la isla de Chipre”), es un metal de color rojo, con durezarelativamente baja, conductividad y maleabilidad bastante grandes. Es excelenteconductor de la electricidad, el segundo después de la plata. El cobre es un metal muycomún, y sus minerales más importantes son la calcopirita (CuFeS2) y la calcosina(Cu2S).

121

Este metal (cobre) se usa en aleaciones tales como el latón (con zinc) y el bronce (conestaño), en cables eléctricos, orfebrería, monedas e instrumentos musicales. En elcuerpo humano contribuye a la formación de vasos sanguíneos, es componente detendones, huesos, enzimas y en las plantas transporta electrones. Al consumir nueces,hígado, pulpo, almejas, leche y levaduras se ingiere la cantidad de cobre necesaria parael buen funcionamiento y desarrollo del organismo.

Plata (Ag)

La plata (del latín plattus, “lámina metálica”) es un metal blando, maleable, con altaconductividad eléctrica y térmica. Los principales minerales de donde se extrae la platason: argentita (Ag2S) y clorargerita (AgCl). Así también como plata metálicageneralmente acompañada de cobre y oro.

En la manufactura de películas y papeles fotográficos se utilizan toneladas de plata. Laemulsión fotográfica consiste en diminutos cristales de haluro de plata. También seemplea en la fabricación de monedas, joyas, soldaduras, medicamentos, aparatoseléctricos y utensilios para tomar alimentos. Hay indicios de plata en los organismos detodos los mamíferos, aunque su papel biológico no está aclarado. Se encuentra en layema de los huevos. Entre los estados de la República productores están: Guanajuato,San Luis Potosí, Zacatecas e Hidalgo. México es el segundo productor de plata en elmundo y exporta más del 60% de su producción.

Oro (Au)

El oro, (del latín aurum, “aurora resplandeciente”) es un metal amarillo brillante de altadensidad y buen conductor del calor y la electricidad. El oro es el metal más dúctil ymaleable conocido que, generalmente se presenta en estado nativo, aleado con ciertacantidad de plata y algunas veces de cobre e indicios de platino.

Este metal (oro) es el patrón monetario internacional que, además, se emplea en lamanufactura de monedas, joyas, piezas dentales y decoración de porcelana. Elcontenido de oro en el organismo y su papel biológico por ahora no se conocen, pero seobserva su presencia en los granos, hojas y tallos del maíz. En México hay yacimientosen los estados de Chihuahua, Durango, Guanajuato, Hidalgo, San Luis Potosí yZacatecas.

122

Anota en el paréntesis el símbolo del metal a que hacen referencia las siguientesafirmaciones.

➢ Es un metal con usos mecánicos; muy ligero, además permite gran conductividadeléctrica.

( ).

➢ Forma parte de la vitamina B12, normalmente sus aleaciones son con el níquel y elaluminio.

( ).

➢ En nuestro país se localiza en los estados de Baja California, Colima, Jalisco,Chihuahua, Durango, Guerrero y Michoacán. Se encuentra en: hígado, pescado,aves, alubias, pasas y ciruelas.

( ).

No Metales

Carbono ( C )

El carbono (del latín carbón) es un no metal, siendo el diamante y el grafito sus dosformas alotrópicas. El diamante es la sustancia más dura que se encuentra en laNaturaleza y se usa para pulir, fresar y cincelar metales duros; también es un aislanteeléctrico. El grafito es un sólido negro, blanco, con lustre semimetálico, siendo el carbónvegetal, hollín y negro de humo formas microcristalinas del grafito.

El carbono, que se halla libre en la Naturaleza, se emplea en la elaboración deabrasivos, lubricantes, joyería, crisoles, mármol, pólvora, medicinas, etc. Tambiéninterviene en todas las síntesis de las moléculas orgánicas de los seres vivos, estápresente en la mayoría de los energéticos en la combustión de éstos, produce bióxido decarbono que puede afectar el balance térmico del planeta y el monóxido de carbono,que es tóxico, acelera el proceso arteroesclerótico, produce anemia y enfermedadescardiovasculares y puede causar la muerte porque se combina con más facilidad con lahemoglobina que el oxígeno.


123

Nitrógeno (N)

El nitrógeno (del griego que significa “formador de nitro”) es un gas incoloro, bastanteinerte químicamente, que se encuentra en el planeta como el mayor constituyente delaire (78% en volumen). El nitrógeno elemental (N2) se prepara industrialmente por ladestilación fraccionada del aire líquido.

Este gas (nitrógeno) se utiliza en la fabricación de lámparas eléctricas, colorantes,fármacos, fertilizantes (amoniaco NH3), explosivos (TNT), plásticos, champúes,materiales refractarios, abrasivos e instrumentos para moler y cortar. El nitrógenoparticipa en la síntesis de proteínas, ácidos nucleicos, evita que las plantas tengan unverde amarillento, un desarrollo lento y escaso, y que se quemen las hojas. Estácontenido en carnes, huevo, quesos y leche. Los óxidos de nitrógeno contaminan el airey el agua, alteran las vías respiratorias y producen la lluvia ácida, jaqueca, cambios enlos tejidos pulmonares y congestión pulmonar.

Oxígeno (O)

El oxígeno (del griego que significa “generador de ácidos”), es un gas incoloro o azul. Esel elemento más abundante en la Tierra (49% en masa), se encuentra libre en laatmósfera, combinado con hidrógeno en los océanos y con el silicio, aluminio y, otroselementos en varias rocas y minerales. Se obtiene por destilación del aire.

Este gas (oxígeno) se emplea para hacer tostaciones de los minerales, en latransformación de arrabio a acero, purificación del agua, blanqueador de harinas yaceites, desodorantes, medicinas y carburante de los combustibles. Este elemento esnecesario para la respiración de la mayoría de los organismos, es componente del aguay de muchas moléculas orgánicas, forma parte de proteínas y de ácidos nucleicos. Elozono, una forma alotrópica del oxígeno, se encuentra en la estratosfera y retiene partede las radiaciones ultravioleta que nos dañan, pero a nivel de la superficie de la Tierraproduce efectos broncoconstrictores, jaqueca, cáncer y mutaciones en los animales.Fósforo (P)

El fósforo (del griego phophorus “que lleva la luz”) existe en por lo menos seis formasalotrópicas: fósforo blanco (P4), sólido, venenoso, volátil y el fósforo rojo, que se obtienepor calentamiento del fósforo blanco, sólido, poco venenoso. Son los más importantes.La mayor parte del fósforo, que no se encuentra libre en la Naturaleza, se hallaprincipalmente en los depósitos de roca fosfórica, Ca3 (PO4)2.

Este elemento (fósforo) se emplea para producir fertilizantes, cerillos, cortinas de humo,sustancias incendiarias, insecticidas, aleaciones, detergentes, alimento para aves yganado, para pulir objetos y pastas dentífricas. El fósforo participa también en laformación de huesos y dientes, regula el HP de la sangre, suministra las necesidadesenergéticas de las células, es constituyente del ADN, ARN y participa en compuestosmetabólicos de los vegetales. Es un gran contaminante del aire y el agua. En México losyacimientos de roca fosfórica se localizan en los estados: Coahuila, Zacatecas, NuevoLeón y Baja California.

124

Azufre (S)

El azufre (del latín sulfhur) es una sustancia cristalina de color amarillo, que conduce malel calor y la electricidad y no se disuelve en agua. El azufre, elemento que se encuentraampliamente distribuido en la corteza terrestre, se localiza libre, en yacimientos conpureza del 99.8%, y en muchos sulfuros minerales como la galena (PbS), pirita (Fe S),blenda (ZnS) y en sulfatos de calcio y magnesio.

Este elemento (azufre) se emplea en la fabricación del ácido sulfúrico (H2 SO4), el 80%de su producción, así como también en la vulcanización, la pólvora, los insecticidas, laspinturas, las bengalas, el blanqueo de semillas, los detergentes, los acumuladores y losfungicidas. Es asimismo constituyente de aminoácidos, hormonas, etc. El azufre seincorpora al organismo cuando las personas ingieren carne o huevo. Los óxidos deazufre contaminan el aire y el agua, producen la lluvia ácida, provocan espasmos de losbronquios, aumento de moco, inflamación grave de la mucosa, náuseas y dolor decabeza. En México se obtiene en las refinerías de Pemex, existen depósitos naturales deazufre cerca de la costa y en el subsuelo del Golfo de México.

Cloro (Cl)

El cloro (del griego chloros, “verde pálido”) es un gas venenoso amarillo verdoso, que sehalla en la Naturaleza combinado en los cloruros, tales como la halita (Na Cl) y selvita (KCl), en depósitos subterráneos y, desde luego, en los océanos. La mejor parte del cloroindustrial se prepara por la electrólisis del NaCl fundido.

Este gas (cloro) es un poderoso germicida que se usa regularmente en la purificación delagua potable en todo el mundo, aunque en la industria también se utiliza en la obtenciónde blanqueadores, colorantes, DDT, herbicidas, PVC, medicinas, explosivos, papel,bombas lacrimógenas, etc. Forma parte del jugo gástrico (H Cl), participa en el equilibrioelectrosmótico de los seres vivos y está en la sal común. Los vapores de compuestos decloro disminuyen la capa de ozono de la atmósfera y algunos de sus productos(insecticidas) provocan mutaciones en los animales inferiores. En México se produce,principalmente, en el estado de México y Puebla.

125

Anota en los paréntesis si las siguientes afirmaciones son falsas (F) o verdaderas (V), yargumenta tu respuesta.

El azufre es un gas venenoso amarillo verdoso, se emplea en la obtención de medicinas,hervicidas. Los vapores que se desprenden de sus compuestos reducen la capa deozono en la atmósfera. ( )

Es un gas incoloro y se encuentra libre en la atmósfera (estratósfera) en donde sufunción principal es la de retener los rayos ultravioleta. Estas característicascorresponden al nitrógeno. ( )

El fósforo cuenta con dos formas alotrópicas, se emplea para elaborar abrasivos,lubricantes, entre otros. Interviene en la síntesis de moléculas orgánicas de los seresvivos. ( )


126

Figura 43. Zonas geográficas de importancia en metales y no metales en México.

127

“APLICACIONES DE LOS HALÓGENOS”

Objetivo

Aplicar los conocimientos adquiridos, sobre halógenos, en la elaboración de productoscotidianos.


Investiga:

1) ¿Qué es un halógeno?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿Cuáles son las aplicaciones de cada uno de los halógenos?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Qué halógeno es el más reactivo químicamente?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) ¿Qué halógenos forman parte de un compuesto que está presente en los aerosoles yque perforan la capa de ozono?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) En una serie de 10 medicamentos ¿cuáles son los halógenos que forman parte deestos compuestos?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


128

Materiales y sustancias

Cantidad Material Cantidad Material

1 frasco gotero de 50 mL 0.05 g yodo

1 tela de algodón de color 50 mL alcohol

1 pétalo de una flor 0.050 g yoduro de sodio

1 balanza 3g fluorita CaF2

1 pipeta de 10mL 5 mL ácido sulfúricoconcentrado

1 matraz Erlenmeyer de 250mL

5 mL ácido clorhídricoconcentrado

1 tubo de ensaye de 20 x150 mm

0.7 g bióxido de manganeso

1 cartón de 15 x 15 cm 1 vela de parafina

1 tubo de vidrio

1 cazuela de 15 cm

1 pinza para bureta

1 vidrio de 15 x 15 cm

1 vaso de precipitados de250 mL

1 mechero Bunsen

1 tubo de seguridad

1 tapón de hule

Instrucciones:

Para poder dar respuesta al planteamiento del problema, de cada experimento debesconsiderar la información antecedente.

Antes de elaborar la hipótesis tendrás que recurrir a la información antecedente y,además deberás revisar el desarrollo experimental.

129

Experimento (a)

Problema

¿Qué sustancia graba el vidrio?______________________________________________________________________________________________________________________________________________

Hipótesis


Se prepara el vidrio que se va a grabar, previamente cubierto con una capa de parafinaque debe ser delgada y homogénea, y se graba en ella lo que se desea con cualquierobjeto o punta.

En una cazuelita de barro de unos 10 cm de diámetro se colocan 3 g de fluorita (CaF2),agregar 5 ml de ácido sulfúrico concentrado y tapar inmediatamente con el vidriopreparado por el lado de la parafina. Esperar 20 minutos sin destaparlo.

Precaución. El ácido fluorhídrico que se desprende es un gas sumamente tóxico ycorrosivo, por lo tanto, hay que estar seguros de que el vidrio con la parafina tapeherméticamente la cazuelita; después de los 20 minutos, destaparla y lavar con bastanteagua el vidrio y la cazuela6.

Figura 44. Vidrios cubiertos con parafina.

6 Recuerda que tienes el apoyo de una persona capacitada en cada uno de los laboratorios.

130


a) Establece la ecuación de la reacción que se efectuó entre la fluorita y el ácidosulfúrico:______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

b) ¿Qué paso con el vidrio después de la reacción? ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) Si se considera que el vidrio tiene SiO2 (óxido de silicio), ¿qué reacción seefectúa con el ácido fluorhídrico (HF) que se obtuvo?:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento (b)

Problema

¿Qué sustancia produce la decoloración del cartón y de la tela?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Hipótesis___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


En un matraz Erlenmeyer de 250 mL coloca 0.500 g de bióxido de manganeso, ciérralocon un tapón que tenga dos horadaciones, en una de las cuales tenga un tubo deseguridad y en el otro el embudo de desprendimiento.

Agrega 5mL de ácido clorhídrico concentrado por el embudo de seguridad.

Recoge el cloro en el vaso de precipitados con la boca hacia arriba y tapado con uncartón, con una perforación por donde entre el tubo de desprendimiento.

131

Nota. Es necesario acelerar el desprendimiento de cloro. Debe calentarse el matraz.Para probar las propiedades decolorantes del cloro se puede introducir el vaso con cloroun trozo de tela de color humedecida, o flores, hojas, etcétera.

Figura 45. Bióxido de manganeso


a) Establece la ecuación de la reacción efectuada:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

b) ¿Qué características del cloro permiten su identificación?.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) ¿A qué se debe la acción decolorante del cloro sobre sustancias húmedas?.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

132

Experimento (c)

Problema

¿Qué halógeno permite preparar un antiséptico que auxilie en las heridas superficialesde la piel?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Hipótesis___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


En un frasco gotero de 60 mL se agregan 0.5 g de yodo y 0.025 g de yoduro de sodio, seadicionan 50 mL de alcohol 860 y se agita hasta que se disuelva completamente. Estasolución se puede aplicar dos o tres veces al día previo aseo de la zona afectada. Nodebe usarse en combinaciones, con, ni después de la aplicación de ácidos, sales demetales pesados o merthiolate. La vía de administración es cutánea. No se use despuésde cuatro meses.

No la deje al alcance de los niños. Si hay molestias consulte a su médico.


a) ¿Qué precauciones se deben tener al manejar el yodo?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

b) ¿Por qué se guardan las sustancias con halógenos en frascos de color ámbar?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) ¿Qué enfermedad se ocasiona por falta de yodo?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

d) En la actividad experimental realizada ¿hay un fenómeno físico o químico?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

133

“CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA MATERIA” (OBLIGATORIA).

Objetivo

Identificar las propiedades físicas de algunos metales y no metales, así como susaplicaciones mediante la observación, para deducir sus características.


1) ¿Qué es una propiedad física?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿Qué es una propiedad química?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Cuáles son las características principales de los metales?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) ¿Cuales son las características principales de los no metales?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) ¿Por qué es utilizado el “cloro” en el lavado de ropa?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


134

Experimento I

Objetivo

Observar las propiedades físicas de algunas sustancias para determinar si son metaleso no metales.

Hipótesis


¿ Cuáles elementos son metales y cuáles no metales? (no utilices la tabla periódica)._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?


☞ 1 Espátula ☞ 3 cm de Alambre de cobre☞ 1 lámina de plomo☞ 1 lámina de aluminio☞ 1 lámina de antimonio☞ 1 clavo de hierro☞ 3 cm de Cinta de magnesio☞ 2 g Carbón en polvo☞ 5 g Zinc en granalla☞ 1g Iodo

* Las cantidades pueden ser aproximadas ya que la actividad es cualitativa.


Iodo.- Cristales rojos. Desprenden vapores que irritan a los ojos y al sistema respiratorio,irrita la piel al contacto y su ingestión causa graves daños.

135

¿ Cómo hacerlo?

Figura 46.

Examina las características de las sustancias proporcionadas y con la espátula trata dedividirlas en dos para conocer si es dura y/o tenaz.

Precaución: Recuerda que los gases del Iodo son tóxicos, no los inhales, y no lo toquesni lo ingieras. Si sufres algún accidente lava de inmediato con agua y llama alresponsable de laboratorio.


Llena la siguiente tabla con las propiedades observadas.

Elemento(símbolo)

Estado deagregación Color

Durezablando/duro

Brillosi/no

Aparienciametal/no-metal

Tenacidadfrágil/tenaz


Todas las sustancias utilizadas en esta práctica son reutilizables, por lo que deberán serdevueltos al laboratorista.

Espátula

136

Experimento II

Objetivo

Obtener cloro en el laboratorio para observar sus propiedades.

Hipótesis

Considera la siguiente pregunta para elaborar tu hipótesis

¿Qué ocurrirá al pedazo de tela?.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias☞ 2 Matraces Erlenmeyer 250 mL☞ 1 Tapón de hule bihoradado☞ 1 Embudo de seguridad☞ 1 Tubo de desprendimiento doblado en

U☞ 1 Pinza para bureta☞ 1 Soporte universal☞ 1 Pedazo de tela de color 5 x 5 cm☞ 1 Probeta 10 mL

☞ 0.5 g Bióxido de manganeso☞ 5 mL de Ácido clorhídrico

concentrado


La indicada para el trabajo con material de vidrio y mechero de gas.

Dióxido de manganeso. Cristales oscuros cuya inhalación y contacto provocan irritacióny su ingestión daños al sistema digestivo.

Ácido clorhídrico. Líquido amarillento, desprende vapores que irritan al sistemarespiratorio, por contacto provoca quemaduras graves, su ingestión irrita al sistemadigestivo severamente.

Si cae en la piel lavar con agua abundante al menos por 15 minutos y avisar deinmediato al responsable de laboratorio.

137

¿Como hacerlo?

Colocar 5 g de dióxido de manganeso en un matraz y el pedazo de tela húmedo en elotro matraz. Instala el sistema como lo indica el esquema:

Figura 47.

Agrega 5 ml de ácido clorhídrico concentrado por el embudo de seguridad.

Precaución.- Recuerda que el ácido clorhídrico causa quemaduras y sus gases sonmuy irritantes. Si sufres algún accidente lava con agua abundantes y llamainmediatamente al asesor o al laboratorista.

Deja que reaccionen las sustancias unos 5 minutos y examina el pedazo de tela.


Los desechos de tu experimento, los debes colocar en el recipiente que te indique elasesor o el laboratorista para que se eliminen adecuadamente y no haya contaminación.


¿Qué cambios sufrió la tela?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

138


De acuerdo a las características observadas en los elementos, clasifícalos en metales ono metales, utiliza la siguiente tabla:

METALES NO METALES

¿Qué sustancia produce el cambio en la tela?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones.

Contrasta tu hipótesis con la tabla anterior y elabora tus conclusiones._______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

139

En este esquema encontrarás los elementos más importantes en nuestro país, loscuales tienen repercusión a nivel económico, social, político y ecológico.

LOS ELEMENTOS MÁSIMPORTANTES

METALES NO METALES

ALUMINIO CALCIO HIERRO CARBONO NITRÓGENO OXÍGENO

COBALTO PLATA ORO

AZUFRE CLORO

algunos son


como como son

COBRE

140

A continuación te presentamos los aspectos más importantes que fueron tratadosdurante el capítulo.

LOSELEMENTOS

CARACTERIZANCLASIFICACIÓN

PROPIEDADES

FÍSICAS QUÍMICAS

IDEAS BÁSICASDE MENDELEIEV

TABLAPERIÓDICA

NO METALESMETALES

GRUPOPRINCIPAL

HALÓGENOS

METALOIDES

IMPORTANTES

CLORO

AZUFREOXÍGENONITRÓGENO

CARBÓN

GRUPOSPRINCIPALES

METALES DETRANSICIÓN

METALESALCALINOTÉRREOS

METALESALCALINOSIMPORTANTES

ALUMINIO

CALCIO

HIERRO

COBALTO

COBRE

PLATA

ORO

RECAPITULACIÓN

que son

sedivide

en

su

son

y los máses el

de loslos más

se

por

cuentancon una

son

son

se encuentranen la

se dio a partirde las

que incluyen sus e incluye

141

A partir de esta práctica podrás aplicar los conocimientos que has adquirido hasta estemomento, por lo tanto realiza todo lo que se te pide.

Objetivo de la Práctica

Identificar algunas de las propiedades físicas y químicas de los metales y no metales,mediante la observación, para su clasificación.

Antecedentes

1. ¿Qué es un elemento?

2. ¿Qué es la tabla periódica? ¿para qué sirve?

3. ¿Cuáles son los dos grandes grupos en los que se clasifica a los elementos?

4. Menciona algunas propiedades de los metales

5. Menciona algunas propiedades de los no metales


☞ 5 Vidrios de reloj☞ 2 Espátulas☞ 1 Martillo☞ 1 Termómetro☞ 1 Circuito eléctrico (consiste de un foco

y caimanes en lugar de interruptor)☞ 1 Mechero☞ 1 Pinza para tubos de ensaye☞ 1 Cucharilla de combustión☞ 2 Tubos de ensaye☞ 1 Gradilla para tubos de ensaye☞ 1 Pipeta graduada de 10 mL.

☞ Laminilla de cobre☞ Laminilla de aluminio☞ Alambre de cobre☞ Barra de carbón o carbón vegetal☞ Azufre en polvo☞ Cinta para magnesio☞ Papel pH☞ Fibra de vidrio


142

Experimento 1. Brillo Metálico

1. Coloca en vidrios de reloj cada una de las siguientes sustancias: lámina de aluminio,lámina de cobre, azufre (flor), carbón, cinta de magnesio.

2. Lija cada uno de ellos, observa el brillo en los elementos metálicos. Elabora tuhipótesis ¿Cuáles elementos presentarán brillo metálico?.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento 2. Maleabilidad

1. Sobre un papel coloca un trozo de alambre de cobre y golpéalo. Observa lo quesucede.

2. Sobre otro trozo de papel coloca un trozo de carbón y golpéalo. Observa lo queocurre.

Elabora tu hipótesis. ¿Qué le ocurrirá a ambos?.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento 3. Conductividad Térmica

1. Enrolla un alambre de cobre en el bulbo de un termómetro dejando libre un extremo 2cm.

2. Calienta el extremo libre con un cerillo encendido por un minuto. Observa el cambiode temperatura.

3. Repite la operación con fibra de vidrio o barra de carbón. Observa.

Elabora tu hipótesis. ¿Conducirán ambos el calor? si/no ¿por qué?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

143

Experimento 4. Conductividad Eléctrica

1. Coloca en uno de los caimanes una laminilla de cobre y en el otro una laminilla dealuminio cierra el circuito juntando ambas laminillas. Realiza tus observaciones.

2. Ahora coloca en lugar de la laminilla de aluminio la barra de carbono y cierra elcircuito. Realiza tus observaciones.

3. Repite la operación usando la flor de azufre

Elabora tu hipótesis. ¿Todas las sustancias conducirán la corriente eléctrica si/no ¿porqué?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento 5. Propiedades Químicas

1. Calienta en una pinza para tubo de ensaye un trozo de cinta de magnesio.

2. Una vez concluido el calentamiento transfiere las cenizas a un tubo de ensaye quecontenga 3 mL de agua, agita y determina su pH.

3. Calienta ahora en una cucharilla de combustión 1g de flor de azufre, el productoobtenido transfiérelo a un tubo de ensaye que contenga 3 mL de agua, agita ydetermina su pH.

Elabora tu hipótesis. ¿Cómo será el pH en ambos tubos? (consulta a tu asesor o alresponsable del laboratorio)._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Guía de Observaciones

I. Con los datos obtenidos llena el siguiente cuadro:

ELEMENTO ESTADO DEAGREGACIÓN

C.T. C.E. MALEABILIDAD BRILLO CLASIFICACIÓN

144

II. Contesta lo que se te pide.

1.- ¿Qué pH se obtuvo en la reacción del magnesio?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- ¿Qué pH se obtuvo en la reacción del azufre?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.- Investiga que productos se formaron en ambos casos.

Conclusiones. Tomando en cuenta los experimentos anteriores concluye cuáles son laspropiedades de los metales y cuales las de los no metales

Metales:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

No metales:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

145

Dentro de este apartado podrás verificar si tus respuestas fueron correctas:

Antecedentes

1) Un elemento es la forma más sencilla en que existe la materia y está constituida porun solo tipo de átomos.

2) Es una herramienta en donde se clasifican los elementos de acuerdo a suspropiedades. Dentro de sus funciones, una de ellas, es dar a conocer las propiedadesy capacidad de reacción entre un elemento. A partir de esto se puede predecir elcomportamiento químico de los elementos.

3) Los metales y no metales.

4) Ductivilidad - Aparecen como sólidos (excepto el mercurio)Maleabilidad - Forman óxido con el oxígeno y sales con los halógenosBrilloConducción eléctrica

5) Carecen de brillo - Se usan como aislantes térmicos y eléctricosSon amorfos - Se encuentran en los tres estados de

agregación de la materia en su forma natural.

Experimento 1.

Aluminio, cobre y magnesio (metales)

Experimento 2.

En el caso del cobre se obtendrá una lámina (maleabilidad) En el carbón se obtendrá polvo.

Sus puntos de ebullición son másbajos que el de los metales.

AUTOEVALUACIÓN

146

Experimento 3.

Para el caso del alambre de cobre se observará conductividad térmica, ya que es unapropiedad de los metales.

En lo que se refiere a la barra de carbón y a la fibra de vidrio no será posible observarconductividad térmica.

Experimento 4.

En los metales (laminillas de cobre y aluminio), se observará que existe conductividadeléctrica, ya sea mediante un chispazo o por calentamiento.

En tanto en la barra de carbón y la flor de azufre no podrá presentarse ningunareacción, ya que son elementos que no cuentan con esta propiedad.

Experimento 5.

En el primer caso debiste haber obtenido una base de 7-14 (Mg(OH)2 = Hidróxido deMagnesio).

En el caso del producto en donde se obtiene un ácido la lectura tuvo que ser menor a7 (H2SO3 = Ácido sulfuroso).

ácido básico

0 7 14 H2SO3 (Neutro) Mg(OH)2

147

A lo largo de este fascículo aprendiste que..


LA MATERIA

SISTEMAHOMOGÉNEO

SISTEMAHETEROGÉNEO

puede ser un

Propiedadesidénticas en cada

una de suspartes

Dos o mássustancias puras

Sustancias Mezcla Homogénea Mezcla Heterogénea

Elementos Compuestos Doscomponentes

cuyos

Fases estánseparadas entre sí por

sus límitespueden ser

Metales

Metales detransición

No Metales

Metaloides

se caracteriza portener

el cual esta formadopor

tales como

las cuales se dividenen

formadas a partirde

y se representa como

148

Las actividades de consolidación están diseñadas para que puedas poner en práctica losconocimientos adquiridos con el fascículo, en este caso las actividades serán a partir delplanteamiento de un problema. Por lo tanto no olvides responder todas las preguntas.

Planteamiento del Problema:

En un laboratorio se prepara una disolución con 5 g. de sal (NaCl) y 350 mL de agua(H2O), accidentalmente se mezcla con 125 mL de alcohol etílico.

1.- ¿Qué tipo de mezcla es y por qué?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- ¿Cuál es la fase dispersa y la dispersante?

Dispersa Dispersante

3.- ¿Cuál es el soluto y cuál el disolvente?

Soluto Disolvente

4.- De acuerdo a las características de la mezcla, menciona si ésta pertenece a uncoloide, suspensión o solución.______________________________________________________________________________________________________________________________________________

5.- ¿Cuál es la molaridad de la disolución de sal y agua?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

.6.- ¿Cuál es el porcentaje en volumen del alcohol etílico?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


149

7.- ¿Qué métodos de separación emplearías para separar en sus componentes dichamezcla y por que?.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

8.- De la sustancias que forman la mezcla, ¿cuáles son compuestos?.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

9.- ¿Cuáles son los elementos que constituyen dichos compuestos?.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

10.- Usando tus conocimientos sobre la Tabla Periódica de los Elementos Químicoscompleta la siguiente tabla.

Elemento Masa Atómica No. Atómico Metal/No Metal

Na

Cl

O

H

C

11.- Si cada uno de los elementos anteriores reacciona con el oxígeno (O2) ¿quécompuestos podremos formar?._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

150

En este apartado podrás comparar tus resultados. Así mismo podrás identificar losaciertos y errores obtenidos en las Actividades de Consolidación.

1.- La mezcla es homogénea, ya que se encuentra constituida de una sola fase.

2.- Dispersa Alcohol y Sal Dispersante Agua

3.- Soluto Alcohol y Sal Disolvente Agua

4.- Solución

5.- Datos Fórmula Sustituyendo

n = 0.086 mol* Mn

L M = 0.086 mol

0.35 L L = 0.35 * M = ? M = 0.246 mol/L

* Este valor es dado por la conversión de unidades, donde:

n = Na = 23

Cl = 35 5g1mol

58g = 0.086 mol L = 350 mL

1 L

1000 mL= 0.35 L

PM = 58

6.- Datos Fórmula Sustitución

V sol = 475 mL

Vs = 125 alcohol % Pv = Vs x Vsol

100 % Pv = 125 mL x 100

475 mL % P = ?

% Pv = 26.32

AUTOEVALUACIÓN

151

7.- Como primera instancia utilizaríamos la destilación, y por diferencia de punto deebullición se separaría el alcohol del agua.

Como segundo paso recurriríamos al método de la cristalización como una forma deseparar el agua de la sal.

8.- Alcohol CH3 CH2 OOH Sal Na Cl Agua H2O

9.- Alcohol CH3 CH2 OOH = Carbono ( C ), Hidrógeno ( H ) y Oxígeno ( O )

Sal NaCl = Sodio (Na) y Cloro (Cl)

Agua H2O = Hidrógeno ( H ) y Oxígeno ( O )

10.-

Elemento Masa Atómica No. Atómico Metal/No Metal

Na 23 11 Metal alcalino

Cl 35 17 Metal alógeno

O 16 8 No metal

H 1 1 No metal alcalino

C 12 6 No metal

11.-

Na + O2 Na2O (óxido de sodio).

Cl + O2 Cl2O (óxido de cloro).

H + O2 H2O (agua).

C + O2 CO (monóxido de carbono).

152

Ácido. Sustancia capaz de ceder protones, suele tener sabor agrio y enrojecer el papeltornasol.

Adsorción. Fijación de gases y sustancias disueltas en la superficie de cuerpos sólidos.

Álcali. Base soluble, contiene un radical hidroxilo, reacciona con un ácido para produciruna sal y agua.

Aleación. Mezcla de dos o más metales o de un metal y un no metal. La mezcla eshomogénea y se forma un nuevo material.

Alquimia. Química primitiva cultivada especialmente en la Edad Media.

Análisis. Descomposición de una sustancia en cada una de sus partes.

Átomo. Partícula más pequeña de un elemento que tiene las propiedades de eseelemento. Los átomos se combinan entre sí para formar moléculas.

Clasificación. Distribución de clases de sustancias, materiales, objetos y procesos.

Coloide. Cuerpo que se dispersa en un fluido en partículas de tamaño comprendidoentre 0.2 y 0.1 micrómetros.

Compuesto. Sustancia que puede descomponerse mediante procesos químicos enotras sustancias más simples.

Concentración. Relación entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolvente.

Conductividad eléctrica. Medición de la capacidad de una sustancia para conducir lacorriente eléctrica.

Corrosión. Destrucción lenta de materiales por medio de una reacción química deoxidación, producto del intemperismo.

Cuerpo simple. Nombre dado por Lavoisier a las sustancias que no puedendescomponerse en otras más simples.

Densidad. La masa de una sustancia que ocupa una unidad de volumen densidad =masa/volumen.

Disolvente. Sustancia que se encuentra en mayor proporción dentro de una solución.

GLOSARIO

153

Ductibilidad. Propiedad de un material caracterizada por la capacidad de ser distendidopara convertirse en un alambre o, bien, sufrir deformaciones sin romperse.

Electrólisis. Descomposición de un compuesto químico que ha sido provocada por unacorriente eléctrica.

Elemento. Sustancia que no puede descomponerse mediante un proceso químiconormal en sustancias más simples.

Escala musical. Sucesión ordenada o serie de las siete notas musicales.

Espectroscopía. Técnica de análisis que estudia el conjunto de rayos procedentes de ladescomposición de una luz compuesta.

Fórmula química. Notación que utiliza letras como símbolos y números comosubíndices para indicar la composición química de un compuesto.

Freones. Compuestos orgánicos fluoroclorados; se utiliza en las técnicas derefrigeración.

Gas. Uno de los estados de agregación de la materia. Un gas tiene una masa definida,pero no tiene forma ni volumen definidos; el gas se expande y llena el volumen delrecipiente que lo contiene.

Gel. Sistema coloidal de dos fases, una sólida y otra líquida, como la gelatina.

Hélice. Línea trazada en forma de tornillo alrededor de un cilindro.

Inflamable. Describe una sustancia que prende fuego fácilmente.

Ion. Átomo que ha perdido o ganado uno o más electrones y, en consecuencia, adquiereuna carga eléctrica positiva o negativa.

Levigación. Procedimiento para separar los componentes de una mezcla de sólidos dedistinta densidad.

Líquido. Uno de los estados de agregación de la materia que tiene masa y volumendefinidos, pero no forma definida. El líquido adopta la forma del recipiente que locontiene.

Maleabilidad. Propiedad de una sustancia sólida que puede cambiar su forma hastaconvertirse en una hoja fina golpeando con un martillo.

Metal. Elemento cuyas propiedades físicas son: conducir la corriente eléctrica y calor,son brillantes, dúctiles y maleables. Sus propiedades químicas: forma óxidos y formasales con los no metales.

Mezcla. Unión física de dos o más sustancias o de una sola en dos fases.

154

Mineral. Producto natural de la corteza terrestre formado por cuerpos homogéneos ycompuestos con características químicas.

Miscible. Propiedad de algunas sustancias para formar mezclas homogéneas.

Mol. Unidad usada para medir cantidad de sustancia 1 mol = 6.023 x 1023 unidades opartículas.

Molaridad. Relación entre moles de soluto en un litro de solución.

Molécula. Unión ordenada y definida de átomos.

No metal. Elemento que no es metal, son sólidos o gases, excepto el bromo que eslíquido. Respecto a sus propiedades físicas: no son dúctiles no maleables, sonusualmente quebradizos, no conducen corriente eléctrica no calor; y sus propiedadesquímicas: sus óxidos son generalmente ácidos, algunos son neutros.

Oxidación. Reacción química en la que se incrementa la valencia de un compuesto oradical.

Óxidos. Compuesto que contiene oxígeno. Compuesto binario formado por combinaciónde un elemento con oxígeno. Puede ser con un metal o no metal.

Periódica. Alguna cosa que se reproduce al cabo de un espacio de tiempo.

Peróxido. Óxido que reacciona con ácido sulfúrico diluido en frío para dar peróxido dehidrógeno.

pH. Sirve para indicar la concentración de iones hidrógeno en las disoluciones acuosas.

Propiedad o característica. Atributo, detalle característico, lo que da carácter distintivo,particularidad.

Propiedades físicas. Son aquellas que pueden determinar sin alterar la identidad de lasustancia.

Propiedades químicas. Son aquéllas que describen el comportamiento de la materia enreacciones en las que sí se modifica su identidad.

Punto de ebullición. Es la temperatura que debe tener una sustancia al pasar delestado líquido al gaseoso.

Punto de fusión. Temperatura a la que funde una sustancia pura.

Química. Estudio de la composición y las propiedades de las diversas formas de lamateria y sus transformaciones.

155

Radiactividad. Desintegración espontánea de los núcleos atómicos con emisión departículas alfa o beta; no puede ser influida por el exterior. Es, por lo tanto, acausal eindeterminada.

Radical. Grupo de átomos combinados que tienen valencias libres con las quereaccionan del mismo modo que los elementos.

Reacción química. Proceso en el cual se forman nuevas sustancias, es decir,representa un cambio químico.

Reducción. Desoxidación o pérdida de oxígeno o adición de hidrógeno a un compuesto.

Sal binaria. Compuesto producido por la combinación de un metal con un no metal.

Sedimentación. Separación de los componentes de una suspensión por la acción de lagravedad.

Sistema. Cantidad de materia definida, limitada por alguna superficie real o imaginaria,que se somete a observación y experimentación.

Sólido. Uno de los estados de la materia, que tiene masa, volumen y forma definidos.

Solubilidad. Capacidad de algunas sustancias para formar una solución con otras.

Solución. Mezcla homogénea resultado de disolver un sólido, un líquido o un gas en uncuerpo líquido.

Soluto. Dentro de una solución es la sustancia que se halla en menor proporción.

Suspensión. Sistema heterogéneo formado por una fase dispersante otra dispersa,constituida por un sólido dividido en partículas visibles al microscopio.

Sustancia. Material homogéneo formado por una clase particular de materia.

Temperatura. Propiedad física que determina la dirección del flujo de calor entremateriales en contacto.

Triada. Conjunto de tres unidades.

Uma (unidad de masa atómica). Una unidad de masa atómica es igual a un dozavo demasa de un átomo de carbono-12.

Volumen atómico. Porción de espacio ocupado por un átomo.

156

ASIMOV, Isaac. Breve Historia de la Química. Alianza, México 1989

ASIMOV, Isaac. La Búsqueda de los Elementos. Plaza & Janés, México, 1987.

BARGALLÓ, M. Curso de Química General. Marín, México, 1963.

BRESCIA y Arents. Química Experimental. CECSA, México, 1971.

CHOPPIN, Gregory. Química. Publicaciones Cultural, México, 1981.

CHOPPIN, G. y Summerlin L. Química. Limusa, México, 1983.

CROSLAND, Maurice P. Estudios históricos en el lenguaje de la Química. UNAM,México, 1988.

Diccionario de Química. Ediplesa (1985-1986).

GARCÍA, Horacio. El Químico de las Profecías. Dimitri Mendeleiev. Pangea Editores,México, 1990.

GOODMAN, Arthur. Diccionario Ilustrado de la Química. Everest, S.A., 1982.

GUAYASSAMIN, G. G. Química una Versión Moderna. Limusa, México, 1979.

GUTIÉRREZ, M. C. Manual de Análisis Cuantitativo. COFFA, México, 1960.

KEENAN, Bull Wood. Química General. Harla, S.A, México, 1974.

KIRK-othmer. Enciclopedia de la Tecnología Química. UTEHA, México, 1962.

MILLER, G. y Augustine, F. Química Elemental. Harla, México, 1978.

MORTIMER, Ch. E. Química. Grupo Editorial Iberoamérica, México, 1983.

NUFFIELD Foundatión. Química. Reverté, México.

PÉREZ y Juárez, Arturo Curso Programático de Química. Publicaciones Marcombo,S.A., México, 1984.


157

SEESE G. William, y Daub, William G. Química. 5a ed. Prentice Hall, 1989.

SMOOT-Price. Química, un Curso Moderno. Continental, México, 1982.

TIMM, J. A. Química General. Mc Graw-Hill, México, 1977.

WHITTEN K. W. Gailey B.K. Química General. Editorial Iberoamérica, México, , 1985.

WOOD, Keenan, Bull. Química General. Harla, México.


QUÍMICA II

Colaborador Rosa Martha Chávez Maldonado Asesoría Pedagógica Alejandro González Villleda

Revisión de Contenido Genaro Cisneros Vargas M. Sergio Ríos Carbajal Gabriel Roca Niño Javier Zaldívar González Diseño Editorial Leonel Bello Cuevas Javier Darío Cruz Ortiz


QUÍMICA II

FASCÍCULO 1. ESTRUCTURA ATÓMICA

Autores: Reyna Dalia Campos VargasLourdes Castro BuendíaJosé Guadalupe MonroyDavid Nahón Vázquez

2

ColaboradorRosa Martha Chávez Maldonado

Asesoría PedagógicaAlejandro González Villleda

Revisión de ContenidoGenaro Cisneros VargasM. Sergio Ríos CarbajalGabriel Roca NiñoJavier Zaldívar González

Diseño EditorialLeonel Bello CuevasJavier Darío Cruz Ortiz


3

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1. CUANTIFICACIÓN ELEMENTAL DE COMPUESTOS Y LA EXISTENCIA DEL ÁTOMO

PROPÓSITO

1.1 LEYES PONDERALES

1.1.1 Ley de la Conservación de la Masa (Antoine Laurent Lavoisier)1.1.2 Ley de los Pesos Equivalentes (Jeremías Benjamín Richter)1.1.3 Ley de las Proporciones Constantes o Definidas

(Joseph Louis Proust) a) Composición centesimal

1.1.4 Ley de las Proporciones Múltiples (John Dalton)

1.2 TEORÍA ATÓMICA

1.2.1 Aspectos Históricos a) La teoría atómica y las leyes ponderales b) Pesos atómicos relativos (masa atómica)

1.2.2 Cálculos Estequiométricosa) Masa Molecular (suma de moléculas)b) Masa Molarc) Fórmula Químicad) Fórmula Mínima (empírica)e) Fórmula Molecular


9

11

13

13

22

242930

35

353636

383840434446

495053

Í N D I C E

4

CAPÍTULO 2. ESTRUCTURA ATÓMICA Y CAMBIOS NUCLEARES

PROPÓSITO

2.1 NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA

2.1.1 Carga Eléctrica2.1.2 Tubo de Rayos Catódicos

a) Características de los rayos catódicosb) Electrón (primera partícula subatómica)c) Protón (segunda partícula subatómica)d) Modelo atómico de Thomson

2.2 RADIACTIVIDAD

2.2.1 Antecedentes Históricos2.2.2 Modelo Atómico de Rutherford

a) Postulado del modelo atómico de Rutherford2.2.3 Modelo Atómico de Bohr

a) Espectrosb) El átomo de Bohrc) Modelo Atómico de Bohr -Sommerfeld

2.2.4 Configuración Electrónicaa) Espínb) Configuración electrónica y la tabla periódica

2.3 FENÓMENOS NUCLEARES

2.3.1 Isótoposa) Isótopos y sus aplicaciones

2.3.2 Neutrón2.3.3 Energía de Amarre2.3.4 Fisión Nuclear

a) Reactor Nuclear2.3.5 Fusión Nuclear


55

57

59

596263656667

76

767778808185949699

101

105

105106106108108109110

116117121

5



AUTOEVALUACIÓN

GLOSARIO


123

124

126

128

132

7

Desde épocas remotas, posiblemente desde los griegos, el ser humano se ha visto enuna constante lucha por comprender ciertos aspectos de la naturaleza, tales comoquerer saber cómo está hecha la materia o si una muestra de hierro se puede dividirinfinitamente, sin que dejen de ser hierro, éstos y otros dilemas son los que siempre lehan preocupado al hombre.

En este sentido, el fascículo tiene como objetivo que reconozcas la estructura del átomoy lo identifiques como la unidad básica en la materia: para lograr lo anterior deberásllevar a cabo experimentos relacionados con las leyes ponderables y las propiedadeselectromagnéticas, revisar el modelo atómico de Bohr, y realizar cálculosestequiométricos; todo lo anterior te podrá servir para comprender, cuantificar einterpretar el comportamiento de la materia y contar con los antecedentes necesariospara iniciar el estudio de los enlaces químicos.

A partir de lo anterior, el fascículo se encuentra dividido en dos capítulos:

En el capítulo 1, titulado, “CUANTIFICACIÓN ELEMENTAL DE LOS COMPUESTOS YLA EXISTENCIA DEL ÁTOMO”, revisaremos las leyes ponderales (ley de laconservación de la masa, ley de los pesos equivalentes, ley de las proporcionesconstantes y la ley de las proposiciones múltiples) que dieron origen a la teoría Atómica.Posteriormente, nos centraremos en cómo se estableció dicha teoría y en el cálculo delas diferentes variables que influyen en el comportamiento del átomo.

En lo que se refiere al capítulo 2, “ESTRUCTURA ATÓMICA Y CAMBIOSNUCLEARES”, haremos mención al principio de los rayos catódicos, la existencia delelectrón (partícula negativa) y el protón (partícula positiva). Posteriormente hablaremosdel primer modelo atómico (“pastel de pasas”), el cual sirvió como base para realizarexperimentos en la emisión de radioactividad. Como tercer tema revisaremos el modeloatómico de Niels Bohr, y su propuesta sobre los niveles de energía. Por último, tedaremos a conocer cuáles son los usos y/o aplicaciones, de este modelo, así como loscambios que puede sufrir el núcleo atómico, como son la fusión y la fisión.


9

CUANTIFICACIÓN ELEMENTAL DE LOS COMPUESTOS YLA EXISTENCIA DEL ÁTOMO


1.1.1 Ley de la Conservación de la Masa

1.1.2 Ley de los Pesos Equivalentes

1.1.3 Ley de las Proporciones Constantes o Definidas

1.1.4 Ley de las Proporciones Múltiples


1.2.1 Aspectos Históricos

1.2.2 Cálculos Estequiométricos

CAPÍTULO 1

11

Con la lectura de este capítulo conocerás cuál es la Teoría Atómica, esto lo lograrás apartir de la revisión: de las leyes ponderables y su aplicación en experimentos; ModeloAtómico de Bohr, realizando cálculos estequiométricos en la Teoría Atómica. El conocerlo anterior te permitirá reconocer la existencia del átomo y contar con antecedentespara iniciar el estudio de la estructura atómica.

P R O P Ó S I T O

13

CAPÍTULO 1. CUANTIFICACIÓN ELEMENTAL DE LOSCOMPUESTOS Y LA EXISTENCIA DELÁTOMO


Las leyes ponderales son un conjunto de leyes que se descubrieron mediante laexperimentación y hacen referencia a las relaciones que, en una reacción química,cumplen los pesos de las sustancias reaccionantes y de los productos de la reacción.Estas leyes son:

Ley de la conservación de la masa o de Lavoisier.

Ley de los pesos equivalentes propuesta por Richter.

Ley de las proporciones constantes o definidas de Proust.

Ley de las proporciones múltiples debida a Dalton.

1.1.1 LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA (ANTOINE LAURENT LAVOISIER)

La explicación de los extraños cambios de peso durante la combustión se tuvo quebuscar en los gases que aparecían o desaparecían mientras se formaban nuevassustancias. Pese al lento desarrollo de su estudio, desde Jean Baptista Van Helmont(1577-1644) hasta George Ernest Sthal (1660-1734), no se había intentado tomarlos encuenta. Pensando en los cambios de peso durante la combustión, los investigadoressólo tenían ojos para los sólidos y los líquidos. Las cenizas eran más ligeras que lamadera, pero; ¿qué ocurría con los vapores liberados por la madera ardiente?. Éstos nose consideraban.

14

Figura 1. Combustión de un tronco de madera.

Antes de poder subsanar estas deficiencias era preciso que los químicos sefamiliarizaran más con los gases. Es por ello que el estudio de los mismo es tanimportante en la Química (véase fascículo 2 de Química I).

Si se pesa una vela de parafina, se enciende y deja consumir durantecierto tiempo en presencia del aire. Posteriormente se vuelve a pesar lavela, encontrándose un aparente cambio de peso. ¿Qué habrásucedido?. ¿Se habrá destruido la materia?.

Por otro lado, si se pesa un clavo de hierro, posteriormente se expone alaire húmedo durante un periodo largo de tiempo. Después de este períodose pesa el clavo y se registra un aumento, aparente, de peso. ¿Ante estecambio químico podríamos decir que se creó la materia?.

Figura 2. Antoine L. Lavoisier (1743-1794), científico francés que aplicó la Cuantificación a la Química, la que lo llevó a proponer la Ley de la Conservación de la Materia.

15

Desde el principio de sus investigaciones, Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794)reconoció la importancia de las mediciones precisas. Lavoisier, siendo más sistemático,utilizó la cuantificación como instrumento para derribar viejas teorías queentorpecían el progreso de la Química, ya que aún en 1770 existían científicos queseguían aceptando la vieja concepción griega de los cuatro elementos y de latransmutación ya que, por ejemplo, el agua se transformaría en tierra, calentándoladurante mucho tiempo.

Durante 101 días, Lavoisier hirvió agua en un aparato que condensaba el vapor y lodevolvía al matraz, de manera que en el transcurso del experimento no se perdíasustancia alguna (pesó el agua y el recipiente, antes y después del experimento).

El sedimento (la tierra) apareció, pero el agua no varió de peso durante la ebullición. Sinembargo, una vez extraído el sedimento, resultó que el matraz pesaba menos,justamente lo que pesaba el sedimento. Es decir, el sedimento no era agua convertidaen tierra, sino vidrio atacado por el agua caliente y precipitado como sedimento.

De manera similar, Lavoisier estudió la combustión, fenómeno que era problemáticoexplicar para la Química del siglo XVIII. En este estudio también mostró que si en elcurso de los experimentos se tenían en cuenta todas las sustancias que formaban partede la reacción química y todos los productos formados, nunca habría un cambio de peso(o utilizando el término más preciso, un cambio de masa). Es por ello que Lavoisiermantuvo la idea de que la masa no se crea ni se destruye, sino que solamentecambia de una sustancia a otra. Ésta es la llamada Ley de la conservación de lamasa, formulada en 1783, la cual sirvió de fundamento para la Química del siglo XIX.

Las conclusiones obtenidas por Lavoisier fueron tan importantes, que los químicosaceptaron sin reserva el uso de la cuantificación en sus investigaciones.

16

“DETERMINACIÓN DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA”

Objetivo

Determinar la masa de las sustancias antes y después de una reacción, mediante lamedición de su masa para comprobar que se conserva.


1) ¿Cómo se enuncia la Ley de la Conservación de la Materia?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿Cómo se define la masa de una sustancia?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Qué relación hay entre la masa y la materia?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento I

Objetivo

Determinar la masa de una vela y los productos de su combustión para identificar si hayvariación.

Hipótesis

Elabora una hipótesis que involucre a la masa de la vela antes y después de lacombustión:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No.1

17

¿Qué necesitas?


☞ 1 Frasco de vidrio de 4 L de boca anchay con tapa de rosca.

☞ 1 Balanza granataria con plataforma.

☞ 1 Alambre de cobre de 50 cm.

☞ 1 vela de 3 cm.



¿Cómo hacerlo?

Enrolla fuertemente el extremo de un tramo de alambre de cobre alrededor del extremoinferior de la vela. Usa el alambre como asa para introducir la vela hasta el fondo delfrasco de boca ancha. Corta el alambre de cobre de modo que quede dentro del frascosin que interfiera con la tapa. Coloca en una balanza adecuada el frasco, con la vela, elalambre y la tapa, como lo muestra la figura.

Figura 3.

Pesa el conjunto y registra el dato.___________________________________________

Usa el asa de alambre para sacar la vela del frasco. Enciende la vela y bájalarápidamente hasta el fondo del frasco. Tápalo inmediatamente y observa lo que ocurrecon el equilibrio de la balanza, conforme se consume la vela. Registra el peso y anota eldato.

18

Una vez extinguida la llama abre el frasco; sopla en él o bien inviértelo durante variosminutos para dejar escapar los productos de la combustión. Coloca ahora el frasco conla vela, el alambre y la tapa en la balanza. Pesa el conjunto y registra el dato.

Vuelve a sacar la vela con el alambre, enciéndela y colócala en el fondo del frasco sintaparlo. Observa lo que ocurre con el equilibrio de la balanza conforme arde la vela.


Peso inicial delsistema.___________________________________________________________________________________________________________________________

Peso después de arder la vela._____________________________________________________________________________________________________________________

Peso después de dejar escapar los productos de la combustión.___________________________________________________________________________________________

¿Qué ocurre mientras arde la vela cuando no se tapa?.__________________________________________________________________________________________________

Experimento II

Objetivo

Observar el peso durante la fusión del hielo para identificar si hay variación.

Hipótesis

Elabora una hipótesis en torno a la variación de la masa durante la fusión del hielo.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Material Sustancias

☞ 1 balanza granataria con plataforma

☞ 1 matraz Erlenmeyer de 500 ml

☞ 1 tapón de hule para el matraz

☞ 200 ml de agua tibia (35 a 40ºC)

☞ 3 cubos de hielo

19


La indicada para el trabajo con material de vidrio

¿Cómo hacerlo?

Coloca en la balanza el matraz Erlenmeyer de 500 ml con los 200 ml de agua tibia (35 a40º C).

Agrégale unos trozos de hielo y tápalo, como lo muestra la figura 4.

Figura 4.

Pesa el conjunto y registra el dato___________________________________________

Observa el peso conforme ocurre la fusión en el hielo.


Peso del conjunto antes de la fusión del hielo __________________________________

Peso del conjunto después de la fusión del hielo ________________________________

Experimento III

Objetivo

Determinar el peso de las sustancias que intervienen en una reacción antes y despuésde la misma para identificar si hay variación.

20

Hipótesis

Elabora una hipótesis que involucre la masa de las sustancias que intervienen en unareacción.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?


☞ 2 matraces Erlenmeyer de 250 ml☞ 1 balanza granataria con plataforma☞ 2 probetas de 50 ml

☞ 50 ml de cloruro de bario al 5%☞ 50 ml de ácido sulfúrico al 5%



Cloruro de bario. Sólido cristalino, poco tóxico, evítese su inhalación e ingestión.

Ácido sulfúrico. Líquido aceitoso sin color ni olor muy corrosivo sobre todos los tejidosdel cuerpo. La inhalación de sus vapores causa graves daños pulmonares. El contactocon los ojos puede causar pérdida de la visión y su ingestión causa severos daños alaparato digestivo.

¿Cómo hacerlo?

Coloca en un matraz los 50 ml. de la disolución de cloruro de bario al 5% y en el otro los50 ml de ácido sulfúrico al 5% (figura 5).

Figura 5.

50 ml de clorurode bario al 5%

50 ml de ácidosulfúrico al 5%

21

Coloca los dos matraces juntos en la balanza y registra su peso (figura 6).

Vierte el contenido de uno de los matraces en el otro y vuelve a colocar el matraz vacíoen la balanza junto al otro. Observa lo que ocurre en el matraz que contiene lasdisoluciones y registra si se produce alguna variación en el peso del conjunto.

Figura 6.

Precaución: Recuerda que el ácido sulfúrico es muy corrosivo, evita su contacto. Sisufres algún derrame en la piel, lávate inmediatamente con abundante agua y avísale atu asesor o al responsable de laboratorio.


Peso de los matraces con disoluciones________________________________________

Peso de los matraces uno vacío y otro con las disoluciones _______________________

Peso del conjunto después de la reacción _____________________________________


¿A qué se debe la variación de peso en el experimento I?______________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Cómo se relacionan cada uno de los experimentos con la Ley de la Conservación de laMateria?

Experimento I______________________________________________________________________________________________________________________________________________

22

Experimento II______________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento III______________________________________________________________________________________________________________________________________________

Considera el cuestionario de reflexión al contestar tus hipótesis con los resultados decada experimento y elabora tus conclusiones.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.1.2 LEY DE LOS PESOS EQUIVALENTES (JEREMÍAS BENJAMIN RICHTER)

No obstante que en sus experimentos Lavoisier estableció la composición cuantitativadel agua, no mostró interés en las relaciones ponderales con que los elementosquímicos se combinan entre sí para formar compuestos.

Jeremías Benjamín Richter (1762-1807) buscó aplicar las matemáticas a la recienteQuímica y trató de establecer relaciones numéricas entre las composiciones de lasdiferentes sustancias.

En su trabajo con los ácidos y las bases (o álcalis), Richter observó que si semezclaban disoluciones de ácidos y bases, éstas se neutralizaban, es decir, lamezcla no mostraba propiedades de ácido ni de base. Estudió este fenómeno y midió lacantidad exacta de diferentes ácidos que se necesitaba para neutralizar una cantidaddeterminada de una base particular y viceversa. Mediante mediciones cuidadosasencontró que se requerían cantidades fijas y exactas.

Figura 7. Usando papel impregnado de extracto vegetal (tornasol, por ejemplo) se puede identificar si un líquido tiene propiedades ácidas o básicas.

23

A partir de sus observaciones, y apoyándose en numerosos ejemplos, dedujo la llamadaLey de los pesos equivalentes, la cual fue enunciada en 1799 y dice: “Los pesos dedos sustancias que se combinan con un peso conocido de otra tercera sustanciason químicamente equivalentes entre sí”.

Un ejemplo de ello es cuando queremos hacer agua de limón, pero todo depende de lascantidades: para una jarra de agua de limón (1 litro) se utilizan dos limones y ochocucharadas (soperas) de azúcar; pero si deseamos tener una agua de limón semi-agria,se utilizarán cuatro limones y ocho cucharadas de azúcar; y por último, para una jarra deagua agria se utilizan seis limones y ocho cucharadas de azúcar. Cabe hacer notar queesto se puede lograr variando las cantidades de azúcar y manteniendo la de los limones.

Con estas suposiciones, y con ayuda de sus datos experimentales, Richter construyóuna tabla de pesos equivalentes.

Tabla 1. Pesos equivalentes de Richter.

Bases Ácidos

AlúminaAmoniacoCalSosaPotasaBarita

(Al2 O3) ( NH3)(Ca O)(NaOH)(KOH)(Ba O)

52567279385916052222

FluorhídricoCarbónicoMuriáticoOxálicoSulfúricoNítrico

(HF)(H2CO3)(HNO3)

(H2C2O4)(H2SO4)(HNO3)

427577712755

10001404

Datos tomados de Partington, 1959.

La ventaja de estos cálculos es que permitían predecir las cantidades de sustancias quereaccionarían totalmente entre sí; por ejemplo, en la tabla 1 se observa que 1 605 partesde potasa (KOH) son neutralizadas por 427 partes de ácido fluorhídrico (HF), según lanomenclatura de la época, o por 577 de ácido carbónico. Como puedes imaginar, laposibilidad de predecir la cantidad de sustancia que reaccionaría con tal cantidad de otrasustancia era muy adecuada para la ciencia y la naciente industria química.

¿Cuál será la razón de que estas combinaciones químicas ocurran siempreen dichas proporciones?.

Si un compuesto determinado está formado por dos elementos (o tres ocuatro).

¿Estos elementos estarán siempre presentes en el compuesto en lasmismas proporciones?.

¿Variarán las proporciones de acuerdo con el modo de preparación?.

24

1.1.3 LEY DE LAS PROPORCIONES CONSTANTES O DEFINIDAS (JOSEPH LOUISPROUST)

Dos químicos se encontraban empeñados en demostrar si lo anterior (pesosequivalentes) era verdad. Claude Louis Berthollet (1748-1822) pensaba que uncompuesto formado por los elementos A y B podía contener una cantidad mayor de A sise preparaba utilizando un exceso de A.

En contra de lo propuesto por Berthollet estaba la opinión de Joseph Louis Proust (1754-1826), quien al realizar un análisis cuidadoso demostró, en 1799, que el carbonato decobre contenía cobre, carbono y oxígeno en proporciones definidas en peso, sinimportar cómo se hubiera preparado en el laboratorio ni cómo se hubiera aislado de lasfuentes naturales. La proporción era siempre de 5.3 partes en peso de cobre porcuatro de oxígeno y una de carbono.

Figura 8. Sintetizado en el laboratorio u obteniéndolo a partir de diferentes fuentes naturales, el carbonato de cobre siempretiene la misma composición.

Proust demostró que en muchos otros compuestos ocurría lo mismo. Así pues, formulóuna generalización llamada Ley de las proporciones constantes, la cual dice: “Loselementos que constituyen o forman un compuesto siempre existen en ciertasproporciones constantes, independientemente de las condiciones bajo las que sehubiese formado el compuesto.” Esta generalización también se conoce como Ley deProust.

25

Figura 9. En este ejemplo se observa que al exceder la cantidad de alguno de los elementos. Las proporciones se mantienen (proporciones definidas).

Habrás notado que en algunas tasas, en donde se sirvió café, se encuentran residuosde

éste.

¿Cuál sería la causa?.

¿Existen proporciones?.

26

“LEY DE LAS PROPORCIONES CONSTANTES”

Objetivo

Determinar la proporción en que reaccionan el permanganato de potasio y el tiosulfatode sodio a partir de una serie de reacciones entre estas sustancias para comprobar laLey de las Proporciones Constantes.


1) ¿Cuál es el enunciado de la Ley de las Proporciones Constantes?________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) Explica con tus propias palabras la Ley de Proporciones Constantes________________________________________________________________________________________________________________________________________

Hipótesis

Redacta una hipótesis que involucre las cantidades de sustancias reaccionantes.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?


☞ 4 vasos para precipitado de 250 ml

☞ 2 goteros

☞ 1 agitador de vidrio

☞ 1 probeta de 100 ml

☞ 50 gotas de permanganato de potasio 0.1 M

☞ 50 ml de tiosulfato de sodio 0.1 M

☞ 20 gotas de ácido sulfúrico concentrado

☞ 400 ml de agua


27


La indicada para trabajar con materiales de vidrio.

Ácido sulfúrico. Líquido aceitoso sin color ni olor muy corrosivo sobre todo en los tejidosdel cuerpo. La inhalación de sus vapores causa graves daños pulmonares. El contactocon los ojos puede causar pérdida de la visión y su ingestión causa severos daños alaparato digestivo.

Permanganato de potasio. Sólido cristalino color púrpura, fuerte oxidante, evítese elcontacto con la piel. Destruye las células de las mucosas, no se ingiera.

Tiosulfato de sodio. Ligeramente tóxico, evítese su ingestión y el contacto con la piel.

¿Cómo hacerlo?

Numera los vasos del 1 al 4 y agrégales permanganato de potasio 0.1 M como se indica.

Figura 10.

Precaución: Recuerda que el ácido sulfúrico te puede causar graves quemaduras, sisufres algún derrame en la piel, lava inmediatamente con abundante agua y llamarápidamente a tu asesor o al responsable de laboratorio.

Agrega una gota de tiosulfato de sodio 0.1 M al vaso numero 1, mueve con el agitador yespera unos cinco segundos para ver si desaparece o no el color. Continua agregandoel tiosulfato gota a gota y agitando, hasta que desaparezca el color rosado. Registra elnúmero de gotas de tiosulfato de sodio empleadas y repite el procedimiento con losvasos 2 al 4.

Vaso 15 ml

Vaso 210 ml

Vaso 315 ml

Vaso 420 ml

28


Anota las gotas de tiosulfato empleadas en cada vaso en la siguiente tabla.

Número de vaso Tiosulfato de sodio (gotas)

1 ______________________

2 ______________________

3 ______________________

4 ______________________


1) Divide las gotas de permanganato de potasio, entre las gotas de tiosulfato de sodioutilizadas para cada vaso.

Vaso gotas de permanganato gotas de tiosulfato de sodio

1 5 ______ = ______

2 10 ______ = ______

3 15 ______ = ______

4 20 ______ = ______

2) ¿Por qué se puede demostrar la Ley de Proporciones Constantes con esteexperimento?

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

Contrasta tu hipótesis con los resultados obtenidos y elabora tus conclusiones__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

29

a) Composición centesimal

Una aplicación de la Ley de Proust es el cálculo de la llamada composición centesimal1de un compuesto, esto es, el porcentaje en peso que representa cada elementodentro de la composición de un compuesto, porcentaje que se puede averiguar através de simples proporciones aritméticas.

Ejemplo

Se sabe que 18 g. de agua se forman por la reacción de 2 g de hidrógeno y 16 deoxígeno. ¿Cuál será la composición porcentual del hidrógeno y del oxígeno en dichocompuesto?.

Cálculo del porcentaje de hidrógeno 18 g de agua100 g de agua

2 g de hidrógenox g de hidrógeno

= 100 g de agua 16 g de hidrógeno

18 g de agua = 11.11 %

Cálculo de porcentaje de oxígeno 18 g de agua100 g de agua

16 g de oxÍgenox g de oxÍgeno

= 100 g de agua 16 g de oxÍgeno

18 g de agua88.88 %

Otra aplicación de la Ley de Proust nos ayuda a decidir, con base en los datos delanálisis de una muestra, si ésta es de tal o cual compuesto.

Ejemplo

Al analizar dos muestras se encontró que la primera tenía 87 g de cloro y 16 g deoxígeno mientras que la segunda poseía 174 g. de cloro y 32 g de oxígeno. ¿Se trataráde la misma sustancia? Para dar respuesta a esta interrogante, trataremos de mostrar sitienen la misma composición porcentual o centesimal.

Cálculo del porcentaje de oxígeno

Primera muestra: 87 g de cloro100 g de cloro


x = 100 g de cloro 16 g de oxÍgeno

87 g de cloro18.39 %

1 Al hablar de composición centesimal se está hablando de la composición de cada elemento que se presentaría en 100 gde muestra del compuestos.

30

Segunda muestra: 174 g de cloro100 g de cloro


= 100 g de cloro 32 g de oxÍgeno

174 g de cloro18.39 %

Puesto que los porcentajes de oxígeno son iguales en ambas muestras, tomando encuenta la Ley de Proust, podemos afirmar que se trata de la misma sustancia.

Cabe una pregunta:

¿Por qué, toda muestra pura de sal común tiene 39% en peso de sodio y 61% de cloro?.

1.1.4 LEY DE LAS PROPORCIONES MÚLTIPLES (JOHN DALTON)

A través de sus estudios sobre los gases, John Dalton (1766-1844) averiguó que doselementos pueden combinarse en más de una proporción, existiendo una gran variaciónen esas proporciones y que en cada variación se forma un compuesto diferente.

Figura 11. John Dalton (1766-1844), científico inglés, cuyos trabajos sobre gases permitieron establecer la moderna teoría atómica.

Para usar un ejemplo específico, consideremos la combinación del carbono y eloxígeno. Con un exceso de oxígeno, el carbono se quema para formar un gas denso,no tóxico e incombustible CO2 (bíoxido de carbono); sin embargo, si durante lacombustión no existe suficiente oxígeno, se forma un gas venenoso y combustible CO(monóxido de carbono).

31

De los siguientes elementos investiga cuáles son sus posibles combinaciones y qué seobtiene en cada una de ellas.

Por ejemplo: del C + O2 se puede obtener:

CO Monóxido de carbono

CO2 Bióxido de carbono

1) N + O2

_______________________ ____________________

_______________________ ____________________

____________________

2) H2 + O2

_______________________ ____________________

_______________________ ____________________

____________________

En el gas combustible se observó que tres partes en peso de carbono se combinan concuatro partes en peso de oxígeno (3:4). Por otro lado, tres partes en peso de carbono secombinan con ocho partes en peso de oxígeno (3:8) para formar gas no combustible. Enestos casos se comprueba que las diferentes cantidades de oxígeno que se combinancon una cantidad fija de carbono están relacionadas por números enteros sencillos

Un análisis de estos compuestos revela que: en el gas no combustible (A), 1 g decarbono se combina siempre con 2.67 g de oxígeno; mientras que en el gas combustible(B), 1 g de carbono se combina siempre con 1.33 de oxígeno. Así pues:


32

Gas A (CO2) Gas B (CO)

2.67 g de oxígeno1.0 de carbono

1.33 g de oxígeno1.0 de carbono

Por gramo de carbono, gas Agas B

2.67 g de oxígeno1.33 g de oxígeno

21

con lo cual podemos ver que la relación de pesos de oxígeno que se combinan conun mismo peso de carbono es de 2:1.

El enunciado general de hechos como los antes presentados, propuesto por Dalton en1803-1804, se llama Ley de las proporciones múltiples, la cual propone: “Cuando doselementos se combinan para formar más de dos compuestos, los diferentes pesosde uno que se combina con un peso determinado del otro guardan una relación denúmeros enteros sencillos”.

A continuación te presentamos un ejemplo en donde se demuestra, conforme a los datosobtenidos, la Ley de las Proporciones Múltiples.

Problema:

Los elementos plomo y oxígeno forman dos tipos diferentes de compuestos. El primerocontiene 92.832% de plomo y 7.168% de oxígeno. En el segundo compuesto existe86.623% de plomo y 13.377% de oxígeno.

Resolución:

Según la ley, en los compuestos las masas de plomo que se combinan con una masaconstante de oxígeno deben estar en una relación de números enteros. Parademostrarlo, los cálculos se harán con base en un gramo de oxígeno. Así pues, sisuponemos que en 100 g del primer compuesto hay 92.832 g de plomo y 7.168 deoxígeno, la masa de plomo por un gramo de oxígeno será.

92.832 g de plomo7.168 g de oxígeno

12.950892 g plomo/g oxígeno

Similarmente para el segundo compuesto:

86.623 g de plomo13.377 g de oxígeno

= 6.475518 g plomo/g oxígeno

33

Es evidente que las masas de plomo que se combinan con un gramo de oxígeno estánen la relación 2:1.

12 9508926 475518

..

= 21

¿Por qué será que aparecen estos números enteros cuando un elementoreacciona con una cantidad fija de otro para dar dos diferentescompuestos?.

Estas dudas que aparecen como resultado del planteamiento de cada una de las leyesponderales se resuelven con la proposición de la existencia de los átomos de loselementos. Vayamos a este tema.

34

No olvides que en este tema vimos que:


LAS LEYESPONDERALES

LEY DE LACONSERVACIÓN

DE LA MASA(LAVOISIER)

LEY DE LOS PESOSEQUIVALENTES

LEY DE LASPROPORCIONES

CONSTANTES(PROUST)


MÚLTIPLES(DALTON)

LA MATERIA NO SECREA NI SE

DESTRUYE, SINOSE TRANSFORMA

RICHTER

LOS ELEMENTOS DEUN COMPUESTO

SON CONSTANTES

CÁLCULOPORCENTUAL DE

ELEMENTOS EN UNCOMPUESTO

DOS ELEMENTOS SECOMBINAN EN MÁS DEUNA PROPORCIÓN SE

TIENE UN COMPUESTODIFERENTE

mencionaque

propuestapor postula

que

AL MEZCLAR UNA BASE YUN ÁCIDO SE OBTIENENCANTIDADES FÍSICAS Y

EXACTAS

dice que se mencionaque

son

35


1.2.1 ASPECTO HISTÓRICO

Al tratar de encontrar una explicación racional para las propiedades de los gases y lasleyes ponderales, John Dalton llegó a la conclusión de que la materia era sencilla yestaba constituida por pequeñísimos corpúsculos indestructibles que, en homenajea los filósofos griegos, llamó átomos. Esta teoría atómica se presentó por primera vezen una conferencia organizada por la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester el 21de octubre de 1803.

La Teoría atómica propuesta por Dalton puede resumirse en los siguientes postulados:

a) Toda la materia está formada por partículas minúsculas e indestructibles llamadasátomos.

b) Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos en tamaño, forma, peso ydifieren de los átomos de cualquier otro elemento.

c) La formación de un compuesto a partir de sus elementos consiste en la formación de“átomos compuestos”2. Es decir, si dos elementos A y B, forman un solo compuesto,éste se forma por combinación de un átomo de A con un átomo de B3 (AB).

d) Las relaciones químicas son meras reagrupaciones de átomos.

Es importante resaltar que Dalton propuso su modelo especulando cual sería el mássatisfactorio para comprender esas leyes empíricas de las combinaciones químicasestudiadas con anterioridad. Probablemente se preguntó cómo debería ser la materiapara presentar las relaciones de pesos que se obtenían. Dalton no fue el primero enespecular sobre la existencia de los átomos; sin embargo, las leyes ponderalesestudiadas lo obligaron a creer en la existencia de los átomos aunque no pudieran verse.Lo anterior se puede desprender de la siguiente cita tomada de su libro A New System ofChemical Phylosophy ( Un nuevo sistema de filosofía química).4

Estas observaciones han conducido tácitamente a la conclusión, que parece haber sidoadoptada universalmente, que todos los cuerpos de una magnitud perceptible, ya sealíquidos o sólidos, están constituidos por un vasto número de partículas extremadamentepequeñas o átomos de materia, que se mantienen unidos mediante una fuerza deatracción que es más o menos potente, de acuerdo con las circunstancias...

2 Los “átomos compuestos” posteriormente fueron llamados moléculas, aunque en la época de Dalton este término no teníael significado actual.

3 Pronto se demostró que esta suposición era falsa.4 Este texto puedes leerlo en Chamizo, J.A.

36

a) La teoría atómica y las leyes ponderales

Con base en las ideas anteriores, John Dalton pudo explicar de manera razonable lasobservaciones de los químicos de su época, como son:

Ley de la conservación de la masa, la teoría podía explicar por qué la masa se conservaen una reacción química, ya que si cada átomo tiene su masa propia característica yéstos se reordenan, pero a la vez permanecen intactos durante una reacción química,entonces la masa total de los átomos reactantes es igual a la masa total de los átomosde los productos.

Ley de las proporciones definidas o constantes, la explica al suponer que cadacompuesto está caracterizado por tener proporciones fijas entre los números de átomosde sus diferentes elementos constitutivos, como en el caso del compuesto de bióxido decarbono (CO2) contiene átomos de carbono y oxígeno en razón de 1:2, respectivamente,y como las masas de los átomos de carbono y de oxígeno son fijas, se deduce que lacomposición del bióxido de carbono en masa tiene que ser fija.

Ley de las proporciones múltiples, supongamos que los átomos A y B forman dos tiposde compuestos. En uno de los compuestos (AB1) el átomo A se combina con un átomoB. En el supuesto (AB2), lo hace con dos átomos de B. Esto implicaría que la masa deB que se combina con una cantidad fija de A (digamos un gramo) debe ser doble en elsegundo compuesto que en el primero o, en otras palabras, que la relación entre lasmasas de B, por gramo de A, en los dos compuestos debe estar en relación de 2:1. Estoes lo que sucede con el bióxido de carbono, CO2 y el monóxido, CO.

b) Pesos atomicos relativos (Masa atómica)5

Como observamos, Dalton llamó átomos a las partículas últimas que forman a loscuerpos. Sin embargo, no pudo obtener la masa o el peso absoluto de cada uno deellos, problema resuelto indirectamente, al establecer los pesos relativos entre ellos. Asípues, empezó por la sustancia más ligera de todas las conocidas, el hidrógenogaseoso, al cual le asignó un peso de uno. Por lo tanto, los pesos relativos de todos losotros elementos tenía que ser mayores que éste; por ejemplo, se sabía que una parte enpeso de hidrógeno se combinaba con ocho partes en peso de oxígeno (1:8 para formaragua. Adoptando la regla de máxima simplicidad, Dalton supuso que la fórmula delagua era HO. De aquí concluyó que un átomo de oxígeno pesaba ocho veces más queuno de hidrógeno; razonando de esta manera, preparó una tabla de pesos atómicosrelativos, que presentó en 1803.

Posteriormente, los trabajos de William Nicholson (1753-1815) y Antony Carlisle (1768-1840) acerca de la electrólisis de agua demostraron que la fórmula correcta del agua esH2O. Aún con esto, las relaciones en peso seguían siendo válidas, con lo cual se supusoque un átomo de oxígeno era ocho veces más pesado que dos átomos de hidrógenojuntos y, por lo tanto, 16 veces más pesado que un solo átomo de hidrógeno.

5 Aunque masa y peso son dos conceptos diferentes, la masa relativa o el peso relativo son lo mismo.

37

Figura 12. Aparato empleado para la electrólisis del agua.

Posterior a Dalton, Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) empezó a determinar pesosatómicos con mejores y más avanzados métodos que los empleados por Dalton. Paraello empleó la Ley del calor específico enunciada por Pierre Louis Dulong (1785-1838) yAlexis Thérese Petit (1791-1820), la Ley del isomorfismo propuesta por EilhardtMitscherlich (1794-1863) así como la Ley de los volúmenes de combinación propuestapor Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)6. Su primera tabla de pesos atómicosapareció en 1828, diferenciándose de la tabla propuesta por Dalton en que la mayoría delos pesos atómicos propuestos no eran enteros, encontrándose que el peso atómico deloxígeno, con base en hidrógeno = 1, era de aproximadamente 15.9. La tabla de lospesos atómicos se debe, finalmente, al italiano Stanislao Cannizzaro (1828-1910).

¿Cuál es el peso o masa atómica del Hidrógeno(H) y del Oxígeno (O) segúnDalton y Berzelius?.

Actualmente ¿Cuál es el elemento que se considera como patrón?.

Puesto que no era simple obtener los compuestos del hidrógeno con los otroselementos, se cuestionó si el hidrógeno era un patrón adecuado con el cualcomparar los pesos atómicos. Así pues, ya que el oxígeno podría combinarsefácilmente con muchos elementos y, por ello era simple determinar las proporciones decombinación, se pensó dar al oxígeno un peso atómico conveniente, por lo que su pesoatómico se transformó de 15.9 a 16.00. El patrón oxígeno = 16 se mantuvo hastamediados del siglo XX.

6 No viene el caso presentar aquí en qué consisten estas leyes. Basta que sepas que constituyeron la base para queBerzelius calculara los pesos atómicos relativos. La explicación de su existencia se dará en fascículos posteriores.

38

Debido a que se descubrió la existencia de isótopos7, y al conocimiento de lasrelaciones que hay entre éstos y el peso atómico, en 1961 las organizacionesinternacionales, tanto de químicos como de físicos, acordaron adoptar como pesoatómico estándar, el del carbono-12, al que se le asignó, arbitrariamente, el pesorelativo de 12.00. Por lo tanto, el peso atómico de un elemento es un número que nospermite comparar el peso de un átomo de este elemento con el de un estándar dereferencia8. Los pesos atómicos son pesos relativos, pues no se refiere al peso o lamasa real de un átomo individual. Sin embargo, veremos que se puede definir unaunidad de masa muy conveniente y relacionada con sus pesos atómicos.

1.2.2 CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS9

Los átomos son tan pequeños que es difícil compararlos con algún objeto familiar.Usando tres cifras significativas, la masa de un átomo de hidrógeno es 1.67 x 10-24 g, yla de un átomo de carbono, es 1.99 x 10-24 g. El uso de estas cantidades tan pequeñaspara expresar las masas de estos átomos resulta incómodo, ya que siempre nosinteresa comparar átomos entre sí, resulta conveniente usar sus pesos en unidades demasa atómica (conocida como uma, en donde 1 uma equivale a 1.661 x 10-24 g y sedefine como la doceava parte de la masa de un átomo de carbono 12) en lugar de usargramos.

Expresados en unidades de masa atómica, las masas de los átomos de hidrógeno,carbono y oxígeno son 1.0079 uma, 12.011 uma y 15.9994 uma, respectivamente, o sea,son numéricamente iguales a los pesos atómicos relativos.

a) Masa Molecular (suma de moléculas)

Las masas relativas de las moléculas se pueden expresar de la misma manera que enlos átomos. Las masas moleculares se obtienen sumando las masas atómicas (en uma)de todos los átomos presentes en la molécula, por lo que si tomamos las masasatómicas de la tabla periódica tenemos:

Número Atómico Símbolo

Masa Atómica (uma)

Masa molecular del H2 :

2 (masa atómica de H) = 2 (1.008 uma)

= 2.016 uma

7 Se llama isótopo a aquellos átomos que siendo del mismo elemento poseen diferente masa atómica.

8 Hoy, cuando decimos que el peso atómico relativo del oxígeno es 15.9994, queremos decir que es 15.9994/12 veces máspesado que un átomo de carbono 12. Por ello, el peso atómico no tiene unidades. Sin embargo, la masa de un átomo sítiene unidades, los gramos o, como veremos más adelante, las unidades de masa atómica.

9 La estequiometría es la rama de la química que se encarga del estudio cuantitativo de los moles, las masa y los volúmenesde los reactivos y los productos que participan en una reacción.

1

H1.008

39

Masa molecular del NH3 (Amonio)

1 (masa atómica del N) + 3 (masa atómica del H)

1 (14.007 uma) + 3 (1.008 uma)

14.007 + 3.024 uma

= 17.031 uma

Masa Fórmula (compuesto)

En el caso de sustancias no moleculares, al sumar las masas atómicas de los átomosque se indican en una fórmula, se dice que se está calculando su masa fórmula,que es la masa de una unidad de fórmula en unidades de masa atómica.

Ejemplo:

La fórmula empírica del sulfato de aluminio es Al2(SO4)3.

¿Cuál es su masa fórmula?, si los pesos atómicos son:

La fórmula Al2(SO4 )3 nos dice que dos átomos de Al están combinándose con tresgrupos SO4 (llamados sulfatos); por ello el número total de átomos de S es 3, de O = es3 x 4 = 12. En otras palabras, el Al2 (SO4)3 puede expresarse como Al2S3O12.

Masa de dos átomos de Al = 2(27 uma) = 54.0 uma

Masa de tres átomos de S = 3(32.1 uma) = 96.3 uma

Masa de doce átomos de O = 12(16.0 uma) = 192.0 uma ___________

Masa fórmula del Al2 (SO4)3 = 342.3 uma

Nota: El dato que se obtiene en este cálculo es expresado en uma.

7

N14.007

13

Al27.00

1

H1.008

16

S32.00

8

O16.00

40

b) Masa Molar

De la misma manera que los objetos se pueden contar por docena, los átomos secuentan por moles, en número muy grande, 6.02 x 1023. Este número se llama númerode Avogadro10; por lo tanto, un mol de átomos es igual a un número de Avogadro,es decir, 6.02 x 1023 átomos.

¿Por qué los átomos se cuentan en moles?.

Los átomos son tan pequeños que en los trabajos de laboratorio no se podría trabajarcon dos o con 200 átomos. No se puede pesar cantidades tan minúsculas, incluso conlas balanzas más sensibles; es por ello que los químicos inventaron una unidad, el mol.Tal como se explicó anteriormente, la masa de un átomo de oxígeno es de 16.0 uma, entanto que un mol de átomos (6.02 x 1023 átomos) de oxígeno tiene una masa de 16.0 g,como se demuestra al utilizar el factor de transformación de uma a gramos:

Masa de un mol de O =

Masa de un átomo de O (1 mol de átomo X 1 uma11)

MO = 16 uma 6.02 x 10mol

1.661 x 10 guma

23 24

átomoátomos =

MO = 16 (1 g/mol) = 16 g/mol

En otras palabras, a la masa de un mol de una sustancia se le llama masa molar.Por consiguiente, la masa molar en gramos de una sustancia es numéricamenteigual a su masa molecular (o su masa fórmula) en unidades de masa atómica.

Ejemplo:

Calcula la masa molar del ácido sulfúrico, H2SO4.

10 En el fascículo 1 de Química I, ya hablamos de lo grande de este número; de la obra de Amadeo Avogadro lo hicimos en elfascículo 2 de Química I.

11 1 uma equivale a 1.661 x 10-24 g/uma, la cual fue empleada como factor de equivalente.

1

H1.008

16

S32.00

8

O16.00

41

En donde:

Peso del H = 2(1.008 uma) = 2.016 uma

Peso del S = 1(32.000 uma) = 32.000 uma

Peso del O = 4(16.000 uma) = 64.000 uma_______________________________________

Masa molecular = 98.016 uma

Por tanto, la Masa molar = 98.016 g

Observa que el dato obtenido se expresa en gramos.

Ahora sabes que un mol está formada por 6.023 x 1023 partículas y queademás tiene una masa en gramos numéricamente igual a su masamolecular. Algunas aplicaciones de estas relaciones se muestran acontinuación.

Ejemplos

1) Cálculo de moles de átomos

-¿Cuántos moles de átomos de cobre existen en 3.05 g de cobre?

3.05 g de Cu (1 mol de átomos de Cu) = 63.5 g de Cu

0.0480 mol de átomos de Cu

2) Cálculo de átomos

¿Cuántos átomos de azufre hay en una muestra de este elemento que pesa 10.0 g?

(10.0 g de S) 1 mol de átomos de S32.0 g de S

6.023 x10 á tomos de S1 mol de átomos de S

23

1.88 x 1023 átomos de S

29

Cu63.55

16

S32.00

42

3) Cálculo de gramos

¿Cuántos gramos hay en 8.46 x 1024 átomos de flúor?

( 8.46 x 1024 átomos de F) 1 mol de átomos de F6.023 x 10 á tomos de F

19 g de F1 mol de átomos de F23 =

267 g de F

Realiza los cálculos en tu cuaderno y anota, en los renglones los resultadoscorrespondientes.

1) ¿Cuál es la masa molecular y molar de los siguientes compuestos?

Compuestos Fórmula Masa Molecular Masa Molar

AmonioHexanoNitrato de sodioHidróxido de potasioHidróxido de barioHidróxiapatita de calcio

NH3C6H14NaNO3KOHBa (OH)2Ca5(PO4)3OH

____________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

2) Calcula cuántos moles y átomos de plata (Ag) existen en un anillo que contiene 2.5 gde este material

Moles de plata _______________________Átomos de plata ___________________

3) Suponiendo que un recipiente contiene 2.231117 x 1024 átomos de aluminio(Al),¿Cuántos gramos pesará?

Gramos de aluminio ________________________

9

F19.00


43

c) Fórmula química.

En el lenguaje de la Química, toda sustancia pura conocida, ya sea un elemento o uncompuesto, tiene su nombre y su fórmula individual. Asimismo, cada fórmula químicatiene tres significados o interpretaciones: un significado cualitativo, uno cuantitativomicroscópico y uno cuantitativo macroscópico.

Cualitativo, una fórmula expresa una sustancia; por ejemplo, H2O representa al agua;NaCl representa a la sal de mesa, etcétera.

Cuantitativo microscópico, una fórmula molecular indica el número de átomospresentes en una molécula. Así la fórmula de la nicotina, C10H14N2 nos indica queen esta molécula existen 10 átomos de carbono, 14 de hidrógeno y dos de nitrógeno.Asimismo, la fórmula mínima nos indica la composición de una unidad fórmula; porejemplo, la unidad fórmula del sulfato de potasio, K2SO4 , nos indica que en esecompuesto por cada dos átomos de potasio hay uno de azufre y cuatro de oxígeno.La fórmula empírica indica que la relación de átomos de K:S:O es de 2:1:4.

Cualitativo macroscópico, La fórmula nos indica las relaciones de moles de átomos.Es decir, una fórmula molecular indica el número de moles de átomos de cadaelemento presente en un mol de moléculas del compuesto; por ejemplo, la fórmulade la nicotina indica que un mol de moléculas de nicotina posee 10 moles de átomosde carbono, 14 moles de átomos de hidrógeno y dos moles de átomos de nitrógeno.

En el caso de K2SO4, la fórmula empírica nos indica que un mol de unidades fórmulaconsta de dos moles de átomos de potasio, un mol de átomos de azufre y cuatro molesde átomos de oxígeno.

Por tanto, la fórmula de una sustancia expresa el tipo y número de átomos que estánquímicamente combinados en una unidad de dicha sustancia. Hay diversos tipos defórmulas, entre ellas están:

Una fórmula empírica12 expresa la relación más simple de números enteros entre losátomos en un compuesto, en tanto la fórmula molecular expresa el número real deátomos de una molécula, esto es, en la unidad más pequeña del compuesto.

Cálculo de fórmulas a partir de datos experimentales

La fórmula de un compuesto permite calcular muchos datos cuantitativos tales como lamasa molecular, la masa molar y la composición porcentual.

¿Te has preguntado alguna vez cómo fue posible saber que la fórmula delagua es H2O?.

¿Por qué el agua “normal” tiene como fórmula H2O y el agua “oxigenada”tiene la fórmula H2O2?.

12 El término empírico se refiere a que se determina a partir de datos experimentales.

44

Para llegar a proponer la fórmula de cualquier compuesto es necesario realizarexperimentos que consisten en determinar los elementos que forman los compuestos, elporcentaje en peso de los elementos constitutivos del compuesto; la masa relativa decada elemento presente.

Existen muchos métodos para obtener experimentalmente el porcentaje en peso de losdiversos elementos de un compuesto; entre éstos están los análisis por precipitación ypor combustión

Figura 13. Aparato empleado en el análisis por combustión de una sustancia. Cualquier cantidad de C o CO reacciona formando CO2; cuando pasa por el CuO, el H2 reacciona formando H2O.

d) Fórmula mínima (empírica)

Cuando se tiene el análisis de un compuesto, el cual fue obtenido de alguna forma ysiguiendo una serie de pasos, se logra obtener la fórmula del compuesto, a la cual se ledenomina fórmula mínima. Para llegar a tal se dan los siguientes pasos.

1) Tener los elementos expresados en tanto por ciento.2) Calcular la masa (grs.) de los elementos.3) Obtener el número de moles de cada uno de los elementos.4) Obtener el número de átomos de cada uno de los elementos, para lo cual se

debe dividir cada número resultante del paso anterior (c) entre el más pequeño.5) Expresar la fórmula mínima, colocando primero los metales, posteriormente los

no metales y por último el oxígeno.

A continuación te presentamos un ejemplo:

De acuerdo al análisis que se realizó a cierto gas, en el laboratorio, se encontró queestaba conformado por los siguientes gases: Nitrógeno (N) y Oxígeno (O), cuyoporcentaje era de 25.93% y 74.07% respectivamente.

45

Conforme a estos datos y siguiendo los pasos anteriores podremos saber cuál es lafórmula mínima de este gas.

* Expresar los elementos en tanto por ciento

Nitrógeno N = 25.93% Oxígeno O = 74.07%

* Calcular la masa (grs.) de cada elemento, tomando como base 100 gr. del compuesto

Nitrógeno N = 25.93 gr. Oxígeno O = 74.07 gr.

* Obtener el número de moles.

Para el nitrógeno (25.93 g de N) 1 mol de de N14.00 g de

átomosNitrógeno

= 1.852 mol de átomos de N.

Para el oxígeno (74.07 g de O) 1 mol de de O16.00 g de

átomosOxígeno

= 4.629 mol de átomos de O.

* Calcular la relación de átomos (dividir entre el más pequeño).

Átomos de Nitrógeno

N = 18521852..

= 1 (2) = 2

Átomos de Oxígeno

O = 4 6291852..

= 2.5 (2) = 5

En caso de que la relación no sea de números enteros, se multiplica por un númeropequeño (2, 3, 4) para transformarla en números enteros. En nuestro caso, será 2.

* Expresar la fórmula mínima

Por tanto, se obtiene la fórmula mínima de

N2O5 (Pentóxido de nitrógeno o anhídrido nítrico)

46

Realiza los cálculos en tu cuaderno y anota en los renglones los resultadoscorrespondientes.

Determina la fórmula de una sustancia que está compuesta de 65 g de Carbono (C) y 35g de Oxígeno (O).

Mol de átomos de Carbono _________________________

Mol de átomos de Oxígeno _________________________

Relación de átomos

Carbono __________Oxígeno ____________________Fórmula mínima___________

e) Formula molecular

La fórmula molecular de una sustancia siempre es un múltiplo entero de su fórmulaempírica. Para determinar la fórmula molecular de un compuesto, el químico tiene queproceder experimentalmente para conocer la masa molecular además de su fórmulamínima. En este sentido mencionaremos cuáles son los pasos para obtener la fórmulamolecular:

1) Se calcula la fórmula mínima (se retoman los 5 pasos para obtener la fórmulamínima).

2) Obtener la masa atómica de la fórmula mínima obtenida.3) Dividir la masa atómica experimental entre la masa atómica de la fórmula mínima.4) El número obtenido en el paso anterior multiplicarlo por la fórmula mínima, por tanto

se obtiene la fórmula molecular.

El siguiente ejemplo te mostrará cómo se usa la masa molecular con la fórmula mínimapara calcular la fórmula molecular.

Ejemplo

Un combustible licuado casero tiene como constituyente un determinado compuesto. Elanálisis de este compuesto muestra que contiene 85.69% de carbono y 14.31% dehidrógeno en peso. La determinación de su masa molecular da un valor de 55.9 uma.Calcula la fórmula molecular del compuesto.


47

1) Calcular la fórmula mínima.

Para el carbono 85.69 g de C 1 mol de C12.00 g de C

= 7.14 mol de C.

Para el hidrógeno 14.31 g de H 1 mol de H1.00 g de H

= 14.31 mol de H.

Al calcular la relación de moles tenemos que:

7.14 mol de C7.14 mol de C

= 1

14.31 mol de H7.14 mol de C

= 2.0

Por tanto, la fórmula mínima es:

CH2

2) Obtener la masa atómica de la fórmula empírica.

Por tanto, la masa fórmula es de 1(12.00) + 2(1.00) = 14.00 uma

3) Obtener la fórmula empírica por molécula.

La masa molecular es un múltiplo simple de la masa de la fórmula empírica,CH2 esto es,n (14.027 uma), donde n es un número entero.

La masa molecular experimental es 55.9 uma . Por lo tanto,

55.9 uma por 14.027 uma por

moléculafórmula empírica

= 3.99 aprox.

= 4 fórmulas empíricas por molécula

4) Multiplicar el resultado anterior por la fórmula mínima

Así pues, la fórmula molecular es: 4 (CH2) = C4H8.

48

Resuelve el siguiente problema y anota los resultados conforme se solicitan en la tabla.

El análisis de un cierto insecticida, nos da la siguiente composición porcentual: Carbono(C) 24.7%, Hidrógeno (H) 2.06% y Cloro (Cl) 73.2%, con una masa molecular de 291uma. Calcula la fórmula molecular del compuesto.

Fórmula Mínima Masa AtómicaExperimental

Fórmula Molecular


49

Al revisar este esquema podrás realizar una síntesis sobre los conceptos másimportantes del capítulo

RECAPITULACIÓN

CUANTIFICACIÓN ELEMENTAL DE LOSCOMPUESTOS Y LA EXISTENCIA DEL ÁTOMO

LEYESPONDERALES

LEY DE LACONSERVACIÓN DE LAMATERIA (LAVOISIER)

LEY DE LOS PESOSEQUIVALENTES

(RICHTER)


CONSTANTES (PROUST)


MÚLTIPLES (DALTON)

encontrandoexplicación en la

surgió con las

t a l e s c o m o

TEORÍA ATÓMICA(DALTON)

MATERIA ESTEQUIOMETRÍA

ÁTOMOS

MASA MOLECULAR MASA FÓRMULA MASA MOLAR FÓRMULA QUÍMICA

MOLECULARMÍNIMA

de la

ya sea

se constituye de

menciona que la permitiendo la

50

En este apartado queremos que pongas en práctica los conocimientos que has adquiridohasta el momento. Por tal motivo deberás dar respuesta a lo que se te solicita acontinuación:

Ley de las proporciones constantes, fijas o definidas.

1. Una muestra de sal contiene 0.224 g de sodio y 0.346 g de cloro. Otra muestra desal contiene 39.3% de sodio. Demostrar que lo anterior ilustra la Ley de lasproporciones definidas.

2. Analíticamente se determinó que una muestra de arena contenía 5.62 g de silicio y6.40 g de oxígeno. Otra muestra de arena contenía 9.36 g de silicio y 10.64 g deoxígeno. Explicar en qué forma estos datos ilustran la Ley de las proporcionesconstantes.

Ley de las proporciones múltiples.

3. Cierto óxido de hierro contiene 77.7% de hierro en masa. Un óxido diferente contiene69.9% de hierro de masa. Demostrar que la Ley de las proporciones múltiples secumple realizando los siguientes cálculos:

a) ¿Cuál es la masa de oxígeno por 100 g de óxido de hierro en el primercompuesto?.

b) ¿Cuál es la masa de oxígeno por 100 g de óxido de hierro en el segundocompuesto?.

c) ¿Cuál es la relación de los dos números encontrados? Expresa la relaciónutilizando números enteros.

4. El fósforo y el cloro forman dos compuestos. En el compuesto uno, las masas defósforo y cloro son 22.48% y 77.51% respectivamente; en el compuesto dos, estosvalores son 14.88 y 85.12%.

a) Calcula la masa en gramos del cloro que se combina con un gramo de fósforo encada compuesto.

b) Utiliza los valores obtenidos en a) para comprobar si se cumple la Ley de lasproporciones múltiples.


51

Masa molecular

5. La fórmula del insecticida DDT es C14H9Cl5.

a) ¿Cuál es la masa molecular?.

b) ¿La molécula del DDT es más pesado o más ligera que la molécula de insecticidalindano, C6H6Cl6?.

6. Empleando hasta tres cifras significativas, expresa la masa de cada una de lassiguientes sustancias en uma.

a) un átomo de Cl

b) un átomo de Al

c) 200 átomos de B

d) 6.023 x 1023 átomos de Ca

7. La fórmula del controvertido edulcorante llamado sacarina es C7H5O3NS.

a) ¿Cuál es su masa molecular?.

b) ¿Cuál de las dos moléculas es más pesada, la sacarina o la sacarosa, C12H22O11?.

8. Si la masa de la potasa ó hidróxido de potasio (KOH) es 1.0 x 10-2 g, ¿cuál es lamasa en gramos de un mol de potasa?

Fórmula mínima

9. Determina la fórmula mínima de un compuesto que presenta la siguiente composicióncentesimal: Cl, 52.509%, y S, 47.488%.

10. A partir de los siguientes datos calcula la fórmula mínima de un compuesto quecontiene 25.92% N y 74.07% O.

52

Fórmula molecular

11.El análisis elemental del ácido acetilsalisílico, aspirina, es 60.0% de C, 4.48% de H y35.5% de O. Si su masa molecular es 180.2 uma, ¿cuál es la fórmula molecular?.

12. El compuesto paradicloro se empleó a menudo como bola de naftalina. Si su análisises 49.02% de C, 2.743% de H, y 48.24% de Cl, y su masa molecular, 147.0 uma¿cuál es su fórmula molecular?.

Composición porcentual

13. La progesterona es un compuesto común de la píldora anticonceptiva. Si su fórmulaes C12H30O2, ¿cuál es su composición porcentual?.

14. El sulfato de aluminio, Al2 (SO4)3, se emplea en grandes cantidades en la produccióndel papel. ¿Cuál es su composición porcentual?.

53

Compara los resultados que obtuviste en tus actividades integrales con las respuestasque a continuación te presentamos.

Ley de las proporciones constantes, fijas o definidas:

1. Al calcular el por ciento de loscomponentes se encuentra que para Naes de 39.3 % y para el Cl, 60.70 % enambas muestras, y recordando la Leyde las proporciones definidas podemosconcluir que son la misma muestra.

2. La ley queda demostrada al comprobarque existe el mismo porcentaje de O ySi en ambas muestras.

Ley de las proporciones múltiples:

3.a) 22.3b) 30.1c) (debido a que la segunda

proporción resultó fraccionaria)

4.a) 0.29 en el primero y 0.17 en el

segundob) El primer caso: 1/3 y en el segundo:

1/6

Masa molecular:

5.a) 354.24 u.m.a.b) más pesado, ya que la masa

molecular de C6H6Cl6 = 290.7 u.m.a.

6.a) 35.5 u.m.a.b) 26.9 u.m.a.c) 2.162 x 103 u.m.a.d) 2.41 x 1025 u.m.a.

7.a) u.m.a.b) La sacarosa

8.a) 1.6611296 x 10-26

Fórmula mínima:

9. SCl 10. N2O5

Fórmula molecular

11. C13 H8 O8 12. C6H4Cl2

Composición porcentual

13. C, 69.90%; H, 14.56%; O2, 15.53% 14. Al, 15.78%; S, 28.07%; O,56.15%

AUTOEVALUACIÓN

55

ESTRUCTURA ATÓMICA Y CAMBIOS NUCLEARES


2.1.1 Carga Eléctrica2.1.2 Tubo de Rayos Catódicos

2.2 RADIACTIVIDAD

2.2.1 Antecedentes Históricos2.2.2 Modelo Atómico de Rutherford2.2.3 Modelo Atómico de Bohr2.2.4 Configuración Electrónica


2.3.1 Isótopos2.3.2 Neutrón2.3.3 Energía de Amarre2.3.4 Fisión Nuclear2.3.5 Fusión Nuclear

CAPÍTULO 2

57

Con el estudio de este capítulo identificarás cómo se estableció la estructura del átomoy las aplicaciones que se dan en los cambios nucleares.

Esto lo podrás lograr mediante la comparación de cada uno de los modelos atómicos,realizando ejercicios y experimentos relacionados con estos modelos, y, revisando lasprincipales características de los cambios nucleares.

Lo cual te permitirá acercarte a una explicación sobre el comportamiento de la materia,además de que podrás comprender las ventajas y desventajas que implica el uso de laenergía nuclear tanto a nivel social como tecnológico.

PROPÓSITO

59

CAPÍTULO 2. ESTRUCTURA ATÓMICA Y CAMBIOSNUCLEARES


2.1.1. CARGA ELÉCTRICA

Cuando se frota una regla de plástico sobre la piel o el cabello se observa que éstapuede atraer pequeños trozos de papel. Este fenómeno ya lo habían notado los griegos,aunque ellos no usaban reglas de plástico, sino barras de ámbar. Al frotarse con unpaño de lana, el ámbar, adquiere una carga eléctrica y, como la regla de plástico, puedeatraer objetos pequeños, como la paja; sin embargo no sólo el ámbar y la regla deplástico pueden adquirir carga eléctrica, también otros materiales, como el vidrio cuandose frota con tela de seda. Pero resulta que la carga que adquiere del vidrio es distinta ala del ámbar, puesto que entre ambos salta una chispa cuando se ponen en contacto (sila carga electrostática es muy grande).

Durante mucho tiempo la electricidad se consideró como un fluido que pasaba de unmaterial a otro, lo que explicaba el porqué de la chispa. Posteriormente, por convención,se definió que la carga de una varilla de vidrio es positiva y que la de ámbar es negativa.

En general, se considera que los cuerpos adquieren carga eléctrica cuando se frotan, locual se debe a que los electrones pasan de un cuerpo a otro. De este modo, loscuerpos adquieren carga positiva cuando pierden electrones y negativa cuando losgana.

60

. a) Cargas eléctricas de signo igual se repelen b) Cargas eléctricas de signo contrario se atraen

Figura 14..

Asimismo, si dos cuerpos adquieren la misma carga, pero de diferente signo, y se ponenen contacto, se volverán neutros porque sus cargas totales se redistribuyen de manerauniforme, y si estos cuerpos se encuentran separados, pero conectados por un trozo dealambre metálico, también se volverán neutros, lo cual demuestra que la carga es capazde fluir a través del metal. Al paso de la carga por un alambre se le llama corrienteeléctrica.

¿Cuál es la definición de carga eléctrica?.

Por otra parte, las cargas no sólo pueden transportarse a través del metal, también lohacen a través de las disoluciones, aunque con mayor dificultad tanto en el aire como enel vacío, como se observa en los rayos o relámpagos. Un relámpago es una chispa quese forma porque la atmósfera adquiere una carga y la tierra adquiere otra diferente; lomismo sucede si acercamos varillas de diferente carga.

Fue Michael Faraday (1791-1867), al estudiar sistemáticamente el paso de la corrienteeléctrica en soluciones (fenómenos electrolíticos), quien introdujo los términos de ion,ánodo y cátodo: el ion es la partícula cargada en disolución; el ánodo, la placa oelectrodo al cual se dirigen los iones negativos, y el cátodo, la placa o electrodo hacia elcual se dirigen los iones positivos.

61

La diferencia de cargas se puede comprobar fácilmente si haces un experimento comoel que se muestra en la figura 15.

Materiales.

☞ Barra de plástico.☞ Barra de vidrio.☞ Piel.☞ Tela (excepto lanas).☞ 2 globos (suspendidos por hilos).

Procedimiento

Frota la barra de plástico con la piel y acércala al péndulo globo suspendido.Observarás que la barra atrae la esfera hasta hacer contacto con ella y después larechaza. Este fenómeno se explica porque al frotar la barra de plástico con la pieladquiere carga negativa; al hacer contacto con los globos se imparte carga negativa porcontacto y finalmente la rechaza porque cargas de igual signo se repelen. Al repetir elexperimento con la varilla de vidrio y la tela sucede el mismo fenómeno, pues al frotar lavarilla de vidrio con la tela adquiere carga positiva, y al hacer contacto con el globo letransfiere a éste la carga positiva; después la rechaza porque cargas de igual signo serepelen. Los globos se atraen cuando se toca uno con la varilla de plástico y otro con lade vidrio.

Figura 15. Propiedades eléctricas de la materia y los dos tipos de carga.


62

Conclusiones.

Anota en los renglones tus conclusiones.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.1.2 TUBOS DE RAYOS CATÓDICOS

¿Cuál es la causa por la que un bulbo emite luz?.

¿Cómo funciona un cinescopio?.

Si dos alambres se someten a un alto potencial eléctrico y después se acercan, surgiráuna chispa o un arco entre los dos; mas si sus extremos están dentro de un tubo devidrio sellado (figura 16), donde se hace un vacío casi completo, la descarga de unalambre a otro queda considerablemente atenuada. Esta descarga se llama rayoscatódicos, y provoca una débil luminiscencia amarillo-verdosa, a través de una pantallafluorescente.

Figura 16. Tubo de rayos catódicos.

63

a) Características de los rayos catódicos.

Fueron J. Plücker, Johann Hittorf y Williams Crookes quienes demostraron, en 1858, quelos rayos catódicos cuentan con las siguientes características:

1. Producen luminiscencia en una pantalla fluorescente colocada en su trayectoria yparalela a ella.

2. Se desplazan en línea recta, y se alejan del cátodo, a menos que los afecte unafuerza externa.

Figura 17. Desplazamiento de un rayo catódico.

3. Son desviados de su trayectoria por campos eléctricos y magnéticos, lo quedemuestra que los rayos catódicos son de naturaleza negativa, puesto que sonatraídos por el campo eléctrico positivo y repelidos por el negativo.

Figura 18. Desviación de la trayectoria por la acción de un campo eléctrico.

64

4. Producen sombras, lo cual demuestra que los rayos catódicos no atraviesanobjetos sólidos. (figura 19).

Figura 19. Los rayos catódicos producen sombras.

5. Hacen girar un pequeño molinete, lo cual también demuestra que los rayoscatódicos son partículas que tienen masa.

Figura 20. Hacen girar un pequeño molinete.

El estudio de los rayos catódicos demostró la existencia de partículas negativas, a lasque se llamó electrones, además de permitir el desarrollo de diversos aparatos de usocotidiano y científico, como el televisor, y los cinescopios de estos aparatos,descendientes de los primeros tubos de rayos catódicos.

65

Electrón (primer partícula subatómica)

En 1895 Jean Perrin demostró en forma definitiva que la carga de rayos catódicos esnegativa, y dos años después, en 1897, descubrió que su velocidad eraaproximadamente igual a la décima parte de la velocidad de la luz y que suspropiedades no dependían de la composición del gas en el tubo de rayos catódicos.También en 1897, Joseph Thomson demostró, que los rayos catódicos son enrealidad corrientes de partículas negativas y adoptó para éstas el nombre deelectrones, propuesto en 1891 por Stoney.

Para cuantificar la masa de los electrones, Thomson modificó el tubo de rayos catódicosde tal manera que los rayos pasaran a través de un colimador hasta llegar a una pantallade sulfuro de zinc colocada en el fondo del tubo, donde un campo eléctrico y otromagnético desviaban su trayectoria.

Figura 21. Aparato usado por Thomson.

En este experimento Thomson encontró que los rayos catódicos:

a) Son partículas con masa y tienen carga.

b) Son universales, ya que se encuentran en todas las sustancias.

Robert Millikan llevó a cabo en 1909 el experimento de la gota de aceite mediante el cualencontró que la carga del electrón es de 1.6 x 10-19 coulombs. En este experimento,Millikan roció aceite dentro de un recipiente y observó que una gota del mismo entre dosplacas metálicas, tras someterla a la acción de los rayos X, se cargaba negativamente, yse aplicaba un alto voltaje la gota era atraída por una de las placas.

66

Figura 22. Experimento de la gota de aceite.

A partir de la relación carga/masa del electrón y su carga se determinó que la masa delelectrón es de 9.1 x 10-28 g. Se sabe que la masa de un átomo de hidrógeno ( el másligero de todos los elementos) es casi dos mil veces más pesada que la del electrón, loque significa que las partículas catódicas forman parte de los átomos.

Protón (segunda partícula subatómica).

Cuando el tubo de rayos catódicos no está por completo al vacío puede generar unacorriente de partículas positivas (protones), las que en 1886 estudió por primera vezEugen Goldstein. Estos rayos positivos o rayos canales se producen al chocar los rayoscatódicos con los átomos gaseosos del tubo, colisión que produce iones positivos queviajan hacia el cátodo agujerado y lo atraviesan (figura 23).

Figura 23.

67

Goldstein, por medio de un tubo de rayos catódicos que contenía hidrógeno y un discometálico perforado como cátodo, descubrió los rayos canales, que viajan en direcciónopuesta a los catódicos y tienen carga positiva. Estos tubos son el principio de losmodernos tubos mercuriales. La carga positiva reside en el protón, partículafundamental cuya carga es igual a la del electrón, pero de signo opuesto, y masacasi dos mil veces más grande que la del electrón. El protón es un átomo dehidrógeno que perdió un electrón.

Tabla 2. Características del electrón y del protón.

Carga eléctrica MasaPartícula g u.m.a.Electrón -1.6 x 10-19 -1 9.1 x 10-28 0.00055Protón +1.6 x 10-19 +1 1.67 x 10-24 1.00727

En la primera década de nuestro siglo parecía claro que cada átomo contenía regionescon cargas positivas y negativas, la cuestión era saber cómo estaban distribuidas.

d) Modelo atómico de Thomson

Al descubrir que los elementos emiten partículas minúsculas se tenía que descartar unade las suposiciones fundamentales de la teoría atómica de Dalton, la cual dice que“toda la materia está formada por partículas minúsculas e indestructibles, las cualesreciben el nombre de átomos”.

Fue Joseph Thomson quien propuso el siguiente modelo: “El átomo es una esferacuyo diámetro mide 10-8 cm, tiene carga uniforme y positiva, dentro de la cual “flotan”electrones negativos, cuyo número es igual a la carga de la esfera, para que en suconjunto el átomo resulte neutro” Este modelo se conoce como pastel de pasas, dondela masa del pastel es la carga positiva y las pasas los electrones. De acuerdo con él, larotación de los electrones dentro de la carga positiva daría estabilidad al átomo. (Figura24)

Figura 24. Representación de diferentes elementos de acuerdo con el modelo de Thomson.

68

“PROPIEDADES ELECTROMAGNÉTICAS DE LA MATERIA”13

Práctica de laboratorio (obligatoria).

Objetivo

Conocer las propiedades electromagnéticas de la materia, mediante experimentosdonde se manifiesten estas propiedades, para que comprendas que la materia tienecargas eléctricas.


a) ¿Cómo se electriza un cuerpo? _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

b) ¿Cuáles son las propiedades eléctricas de la materia?_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) ¿A qué se le llama electrodo? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

d) ¿Cuál es la naturaleza de los rayos catódicos? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

e) ¿Cuáles son los tipos de carga eléctrica? _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento I

Objetivo

Conocer el mecanismo de electrización por frotamiento, para establecer que la materiatiene cargas eléctricas.

13 A partir de este momento se te dará a conocer cuáles son las prácticas que deberás de realizar (en el laboratorio) para tenerderecho al exámen de acreditación. Las prácticas estarán indicadas por la palabra OBLIGATORIA.


69

Hipótesis

¿Por qué algunos cuerpos al ser frotados se atraen o se repelen? ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

☞ 1 Piel de conejo☞ 1 Barra de plástico☞ 1 Paño de seda☞ 1 Barra de vidrio


La indicada para el trabajo en el laboratorio

¿Cómo hacerlo?

Frota la barra de plástico con la piel de conejo y acércala a unos trocitos de papel.Observa.

Figura 25. Muestra la atracción Eléctrica por frotamiento.

70


1. ¿Qué sucede al acercar la barra de plástico a los pedacitos de papel?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Qué se observa cuando se acerca la barra de vidrio a los trocitos de papel?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento II

Objetivo

Conocer el mecanismo de electrifican por contacto, para establecer que la materia tienecargas eléctricas.

Hipótesis

¿Por qué algunos cuerpos adquieren cargas eléctricas al ponerse en contacto?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

☞ 1 Piel de conejo☞ 1 Barra de plástico☞ 2 Péndulos electrostáticos con esferas

¿Cómo hacerlo?

Frota la barra de plástico con la piel de conejo y con ella toca la esfera de uno de lospéndulos; repite la operación con el otro péndulo. Enseguida acerca los dos péndulos.

71

Observa:

Figura 26. Las propiedades eléctricas de la materia.


¿Qué sucedió al acercar las dos esferitas?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Debido a que:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento III

Objetivo

Conocer las propiedades de los rayos catódicos, para establecer que la materia tienecargas eléctricas.

Hipótesis

¿A qué se debe que los tubos al vacío al conectar una corriente de alto voltaje, producenun flujo luminoso?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

72

¿Qué necesitas?

☞ 1 Tubo de rayos catódicos☞ 1 Tubo de Crookes con cruz de Malta☞ 1 Tubo de rayos catódicos con molinete☞ 1 Bobina Tesla☞ 1 Imán de barra


La indicada para el trabajo en el laboratorioCuando uses aparatos eléctricos toma los cuidados necesarios, la bobina Tesla debesusarla por periodos de 20 segundos y no debes tocar el electrodo.

¿Cómo hacerlo?

Conecta la bobina Tesla a una toma de corriente y acerca el electrodo al cátodo del tubode rayos catódicos y observa. Acerca el imán al tubo y observa.Repite la operación con el tubo de la cruz de Malta y después con el molinete.Observa.

Figura 27. Tubo de rayos catódicos.

Figura 28 . Tubo de Crookes con Cruz de Malta Figura 29 . Tubo de Rayos Catódicos conmolinete.

73

Registro de observaciones:

1.- ¿Cómo es la trayectoria de los rayos catódicos?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- ¿Qué sucede con los rayos catódicos al acercar el imán?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.- ¿Qué se observa en el tubo con la Cruz de Malta?__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.- ¿Qué observas en el tubo con el molinete? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


1. En el experimento I; ¿Qué carga eléctrica adquiere la barra de plástico?______________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Y la de vidrio? __________________________________________________________

2. ¿Qué es la electrificación? _____________________________________________________________________________________________________________________

3. Escribe las Leyes de las cargas:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. En el experimento III. ¿A qué se debe la sombra que se observa en el fondo del tubocon la cruz de Malta?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

74

5. ¿Por qué se mueve el molinete al acercar la bobina Tesla? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

De acuerdo al cuestionario de reflexión, contrasta tus hipótesis con los resultadosobtenidos y elabora tus conclusiones.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

75

Hasta este momento ya sabes que....


LA NATURALEZA ELÉCTRICADE LA MATERIA

CARGASELÉCTRICAS

RAYOSCATÓDICOS

LA MAYORÍA DELOS CUERPOSTIENEN CARGA

OBSERVANDIFERENTESPARTÍCULAS

POSITIVA NEGATIVA PROTÓN ELECTRÓN

MODELO ATÓMICO DETHOMSON

de tipo como el

siendo fundamentalespara el

se abordó en

donde se postula que donde se

76

2.2 RADIACTIVIDAD

2.2.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS

El físico francés Henri Becquerel observó en 1896 al trabajar con minerales en elMuseo de Historia Natural de París que algunos de éstos emitían radiacionesespontáneas, lo que le llevó a pensar que se trataba de radiaciones del mismo tipo quelos rayos X, pues eran capaces de velar una placa fotográfica que había cerca de losminerales. Tal suceso condujo a Becquerel a clasificar los minerales que producían laimpresión de la placa fotográfica, sin que ésta se expusiera a los efectos de la luz solar,concluyendo que todas las sales de uranio (U) producían el mismo efecto. A fines delsiglo pasado se comprobó que la propiedad de emitir radiaciones no era exclusiva deluranio, pues también se observó en el torio (Th).

En 1898, María Sklodowska y Pierre Curie aislaron dos nuevos elementos: elpolonio (Po) y el radio (Ra) como impurezas en el sulfuro de bismuto y en el cloruro debario. Ambos elementos también manifestaban la emisión de radiaciones, pero conmayor intensidad que el uranio. A estos elementos que presentan la propiedad deemitir radiaciones en forma espontánea se les llamó radiactivos y al fenómenoradiactividad.

Entre los años de 1900 a 1903 Joseph Thomson, Villard, Frederick Soddy y ErnestRutherford, tras experimentar en un dispositivo como el que se muestra en la figura 30,concluyeron que existen tres tipos de emisiones radiactivas: alfa, la cual se compone deiones He 2+ (partículas alfa ); beta que se compone de electrones (partículas ), ygamma que no cuentan con ningún tipo de carga (rayos gamma).

Figura 30. Representación esquemática de la obtención de los tres tipos de emisión radiactivas.

77

Es importante mencionar que el poder de penetración de cada tipo de rayo es diferente:en los rayos alfa es bajo, en los rayos beta regular, y en los rayos gamma es alto.

2.2.2 MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD

¿Cuáles fueron los antecedentes que permitieron postular el modeloatómico que actualmente se conoce?.

Rutherford puso a prueba el modelo de Thomson (conocido como “pastel de pasas”) consus experimentos sobre la radiación alfa y demostró que tal modelo era insostenible.

En 1908-1909 bajo la guía de Rutherford, Hans Geiger y E. Marsden reportaronexperimentos significativos respecto de la estructura del átomo. Estudiaron el efectodel bombardeo de partículas alfa sobre una laminilla de oro, que se seleccionóporque puede laminarse fácilmente, con espesores de hasta 100 átomos. Sin embargo,al igual que otros sólidos, el oro casi no puede comprimirse, por lo que se supone quesus átomos tienen un empaque muy compacto (figuras 31 y 32).

Figura 31. Dispersión de las partículas alfa. Figura 32. Interpretación de Rutherford al bombardeo de átomos de oro con partículas alfa.

A partir de los experimentos anteriores, Geiger y Marsden encontraron que:

1. La mayor parte de las partículas alfa pasaban a través de los átomos de oro,supuestamente del empaque compacto con poca o ninguna desviación, por lo queRutherford supuso que la mayor parte del átomo es espacio vacío.

2. La segunda observación permitió descubrir que unas cuantas partículas erandesviadas.

3. Algunas partículas alfa rebotaban en el oro.

78

¿Qué pasaría si Rutherford, Geiger y Marsden hubieran utilizado partículasBeta ( ) en lugar de partículas Alfa ( )?.

a) Postulados del modelo atómico de Rutherford.

En virtud de que las partículas alfa son repelidas, Rutherford dedujo que debía existiruna parte del átomo más pesada que las partículas alfa y de carga positiva, a la cualllamó núcleo atómico. Rutherford describió su modelo atómico como un sistema solaren miniatura que consistía en lo siguiente:

- Cada átomo tiene un pequeño centro llamado núcleo.

- En el núcleo se concentra la mayor parte de la masa del átomo y toda la carga positiva(protones).

- Los electrones del átomo están muy separados del núcleo, formando la superficieexterna del átomo.

Para darte idea de la magnitud del vacío que existe en el átomo, coloca en la línea de laportería de un campo de fútbol un pequeño balín o canica (el electrón) y a la mitad delmismo una pelota de ping pong, beisbol, futbol o basquetbol (el núcleo) y apreciarás elenorme vacío que hay en el átomo.

A continuación te mostramos la representación orbital, según Rutherford, de algunoselementos químicos.

Figura 33. Representación de diferentes elementos de acuerdo con el modelo de Rutherford.

79

En mayo de 1911, Rutherford publicó en el Journal of the Literary and PhilosophicalSociety de la ciudad de Manchester un informe sobre sus descubrimientos, el cuál losfísicos de esa época tomaron con reserva, pues los electrones no podían mantener latrayectoria circular que proponía porque, de acuerdo con las leyes de electromagnetismoclásico, un electrón o todo objeto eléctricamente cargado, que está acelerado o cuyadirección lineal es modificada, emite radiación electromagnética, en tanto según elmodelo de Rutherford el electrón debería emitir radiación electromagnética, lo quellevaría a la disminución de la energía del electrón, que en consecuencia describiría unatrayectoria en espiral hasta caer en el núcleo. Vemos que al suponer que el electrón giraalrededor del núcleo, Rutherford no logró impedir que se precipitara sobre éste. (figura34).

Figura 34. En el modelo planetario del átomo, el electrón describiría una espiral decreciente alrededor del núcleo hasta ocurrirel colapso.

A continuación te presentamos las ventajas y desventajas que se han encontrado en elmodelo de Rutherford.

VENTAJAS DESVENTAJAS-Surgió el concepto de NúcleoAtómico.

-Permitió explicar la distribución demasas positivas y negativas en elátomo.

-Sirvió para fabricar instrumentosque detectan la radiación , y ejemplo de ello es el contadorGeiger.

-Rutherford no logró evitar que elelectrón se colapsara contra elnúcleo.

80

Contesta las preguntas que se te presentan a continuación.

1. ¿Qué lugar del átomo contiene la mayor parte de la masa?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Cuáles son las diferencias entre electrón y protón?

Electrón:_____________________________________________________________ ____________________________________________________________________

Protón:______________________________________________________________ ____________________________________________________________________

3. ¿Qué experimento condujo a Rutherford a deducir los siguientes postulados:

a) El núcleo del átomo contiene la mayor parte de la masa atómica.b) El núcleo del átomo tiene carga positiva.c) El átomo en su mayor parte es espacio vacío.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Describe el átomo que se imaginó Rutherford____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.2.3 MODELO ATÓMICO DE BOHR

Partiendo de las propuestas hechas por Thomson y Rutherford, Niels Bohr (1885-1962)desarrolló un modelo atómico mediante el cual pudo dar respuesta a las interrogantessobre los dos modelos anteriores.Para lograr lo anterior, Bohr tuvo que recurrir a la física: la electricidad y el magnetismo,estas áreas dieron las bases para comprender el comportamiento de los electrones enlos átomos.


81

a) Espectros

La Luz se propaga en el espacio en forma ondulatoria. En 1865 James ClerkMaxwell determinó que las ondas de luz tienen carácter electromagnético, es decir, quepueden interactuar con los cuerpos cargados y con los dipolos magnéticos (como labrújula). El físico alemán Heinrich Hertz demostró experimentalmente esta hipótesis almedir la velocidad con que se propagan a través del espacio los impulsoselectromagnéticos generados por una descarga eléctrica y comprobó que es idénticaa la velocidad de la luz.

Veamos cómo se pueden interpretar las propiedades de la luz mediante una teoríaondulatoria: cada onda se caracteriza por su longitud ( ) (figura 35), amplitud y lavelocidad con que viaja; la longitud de onda determina su color y se representa por laletra griega lambda ( ); la amplitud determina su intensidad, es decir, su brillantez; lavelocidad de la luz es de 300 000 km/seg ó 3 x 108 m/s y se representan por la letra c;la frecuencia se define como el número de ondas que pasan por un punto dado en unsegundo y se representa por la letra nu o ny (v), y la unidad de medida de la frecuenciaes de hertz (ciclos/segundo).

Figura 35. Representación de una onda electromagnética.

¿Por qué la velocidad de procesamiento de una computadora se expresa enMegahertz?.

El espectro es la imagen de una radiación que se obtiene después de que ésta sedescompone en las diversas radiaciones simples que la integran (figura 36).

A0= Angstrom, el cual equivale a 10-8 metros.

82

Figura 36. Espectro de la energía radiante o espectro electromagnético.

Ejemplo de ello es la formación de un arco iris después de llover y aparecer el sol,efecto que se debe al paso de la luz solar a través de pequeñas gotas de agua que seencuentran en suspensión en la atmósfera, las cuales producen la dispersión de la luz,es decir, su descomposición en los diferentes colores que la constituyen. Este fenómenolo reprodujo Marcus Marci en 1664 al hacer pasar un rayo del sol a través de un prisma(base de cualquier espectroscopio) que, a la vez, proyectó sobre una superficie blancaen la pared (figura 37).

Figura 37. Espectro continuo de la luz solar.

83

En 1802, el químico inglés Williams Wollaston advirtió mediante el primerespectroscopio de rejillas, que el espectro de la luz visible tenía dentro del arco irisciertas líneas oscuras de diferente grosor, lo que lo llevó a descubrir las líneas oscurasdel espectro del sol, las cuales cien años más tarde cobraron gran importancia en lasinvestigaciones sobre la estructura del átomo.

Figura 38. Espectroscopio de rejilla.

Joseph von Fraunhofer perfeccionó el espectroscopio y llegó a contar hasta 574bandas, nombró las principales, señaló su ubicación exacta en el espectro e investigó elorigen, orden y significado de las líneas oscuras del espectro solar, Más tarde, GustavKirchhoff y Robert Bunsen interpretaron el misterio de las rayas de Fraunhofer medianteel procedimiento de hacer pasar luz a través de una muestra de sodio gaseoso, lo queevidenció que en el Sol hay sodio, pues apareció una de las rayas oscuras deFraunhofer en el experimento. Así nació el análisis espectral, que permite en laactualidad conocer qué elementos hay no sólo en el Sol y en la Tierra, sino también encuerpos celestes tan lejanos como las estrellas.

Los espectros se clasifican de la siguiente manera: de bandas, de líneas y continuos, delos cuales sólo se hará referencia a los de líneas, debido a que cada elemento en estadogaseoso tiene su propio espectro de líneas (figura 39). Estos se clasifican en: espectrode líneas de absorción y espectro de líneas de emisión.

84

Figura 39. Los espectros de distintos elementos permiten el análisis espectral de las estrellas.

Espectro de líneas de absorción. Se produce al enviar luz blanca a través de unelemento en estado gaseoso (como el experimento de Kirchhoff). Los átomos de gasabsorben radiación de ciertas longitudes de onda que aparecen como líneas oscurasdespués de que el prisma dispersa la luz (figura 40).

Figura 40. Espectrómetro para obtener el espectro de absorción de un gas.

85

Espectro de líneas de emisión. Se produce cuando se hace pasar una corrienteeléctrica a través de un tubo que contiene un elemento gaseoso. Esto se observa enlos tubos de luces de neón, sodio o de mercurio. Una vez que la luz pasa a travésdel prisma se observan sólo unas pocas líneas de colores.

Figura 41. Espectroscopio para observar un espectro de emisión de un gas.

Espectro de líneas del hidrógeno. Cada banda o línea corresponde a la longitud deonda de la energía emitida cuando el electrón de un átomo de hidrógeno, quepreviamente absorbió energía, cae a un nivel de energía menor, cómo lo explicó elmodelo atómico del danés Niells Bohr.

b) El átomo de Bohr

En 1911 ya se habían sentado las bases del siguiente paso en la evolución de laestructura del átomo; se sabían de él sus dimensiones y su masa; que estaba formadode un núcleo, de órbitas y de electrones. Así pues, se tenían dos modelosirreconciliables: el de Thomson y Rutherford. Había buena cantidad de datos, leyes,experimentos, pero no existía un modelo del átomo que resolviera las contradiccionesque había entre la teoría y la realidad, hacía falta alguien que resolviera y revolucionaratodos los conocimientos acumulados y los ordenara en un modelo congruente con lo quese sabía, y ése fue Niells Bohr.

Además, Bohr ligó tres conceptos físicos: átomos, radiaciones y electronesmediante el concepto quantum propuesto por el físico alemán Max Planck al explicar lanaturaleza de la energía radiante emitida por las sustancias candentes. Albert Einsteinutilizó la teoría de Planck y llegó a la conclusión de que la radiación no puede ni emitirseni absorberse de manera continua, sino que la energía radiante es discontinua yconsiste en paquetes individuales de energía llamados quantum o fotones.

86

Bohr propuso en 1913 una teoría atómica que no sólo explicaba los espectros de líneas,sino también la causa por la que no caen los electrones al núcleo, modelo que lepermitió calcular la posición de las líneas del espectro de hidrógeno (figura 42).

Figura 42. Espectro de emisión del hidrógeno.

Bohr empezó su estudio con el modelo del sistema solar de Rutherford, y al efectoimpuso limitaciones a la energía y al movimiento de los electrones. También demostrómatemáticamente que las líneas del espectro de hidrógeno se originan al pasar unelectrón de un nivel a otro, por lo que el electrón emite energía cuya frecuencia sepude calcular, encontrando que éste gira en órbitas circulares o en radios bien definidos,nunca en órbitas de radios intermedios.

Estos radios bien definidos tienen ciertos valores, los cuales se obtienen a partir denúmeros positivos (1, 2, 3, etcétera), a los que se les asigna la literal n, la que sedenomina número cuántico principal. Los valores de n se pueden sustituir en otraecuación, lo que permite calcular las frecuencias de las líneas espectrales del hidrógeno.

Los valores de n en el modelo atómico de Bohr, tienen un significado físico; porejemplo, si n = 1, significa que los electrones se encuentran más cercanos al núcleo, enla capa u órbita más interna; los electrones con un valor de n = 2 están a continuación delos n = 1, y conforme nos alejamos del núcleo, se encuentran ahora en una capasuperior con más energía. (figura 43).

n=1 n=2 n=3 n=4

Figura 43. Niveles principales de energía para el átomo de hidrógeno según Bohr.

87

En este sentido, cuando los niveles energéticos que ocupan los electrones seencuentran en una situación de energía relativamente baja, se dice que se encuentra elelectrón en un estado basal (n=1), y cuando se somete a altas temperaturas u otraforma de energía, los átomos pasan a un nivel de energético mayor, el cual se denominaestado de excitación. Al respecto, cabe hacer notar que cuando estos electronesdescienden un nivel energético se presenta un decremento de energía, el cual semanifiesta en forma de un fotón o cuanto de luz. La cantidad de energía que seabsorbe o se emite es igual a la diferencia de energía entre los dos niveles energéticos.

De acuerdo con lo anterior, ¿cada uno de los “saltos” que da un electrónhacia un nivel energético menor emitirán un quantum de luz de diferentecolor?.

Durante algún tiempo el modelo de Bohr fue en extremo atractivo, no sólo porque explicólas enigmáticas regularidades de los espectros de líneas, sino porque añadió la hipótesisde que las propiedades químicas dependen del número de electrones externos; así, hizoposible contar con un modelo racional que explicará las propiedades químicas periódicasde los elementos. Su razonamiento es el siguiente:

Cómo sólo son permitidos ciertos valores energéticos específicos (designados por n = 1,2, 3, 4...) para los electrones en los átomos, de la misma manera el número deelectrones en cada órbita también debe estar limitado, es decir, debe tener un máximo.Este máximo es igual a 2n2. De esta forma, el nivel energético con n = 1 tendrá unapoblación máxima de dos electrones 2 (1)2 = 2 ; el segundo nivel 2(2)2 = 8 ; el tercero2(3)2 = 18 ; el cuarto 2(4)2 = 32 , y así sucesivamente.

Imaginemos la construcción sucesiva de los átomos mediante la adición de electronesalrededor del núcleo: para tener un átomo neutro, debemos poner en órbita tantoselectrones como protones existan en el núcleo, y cada electrón ingresa en el nivelenergético de menor energía que esté disponible o vacío. En el caso hidrógenocon z = 114 ,el electrón solitario ingresa en el nivel n = 1; el helio con z = 2 tambiénacomoda sus electrones en el nivel 1; pero en el caso del litio, con tres electrones, eltercer electrón ingresaría en el nivel 2, dado que el n = ya está lleno.

La siguiente tabla presenta una lista de los 18 primeros elementos en relación con elaumento de su número atómico.

Tabla 3.

14 Representa la carga nuclear o el número de protones de un átomo.

88

El helio (He2) y el neón (Ne10) se llenan por completo y son químicamente inertes; elargón (Ar18) es otro elemento que no es reactivo, del que se debería esperar que tuvieracompleto el tercer nivel hasta los 18 electrones, pero se observa que tan sólo tiene ocho;sin embargo, el argón se comporta como si tuviera su capa externa llena, lo mismo queocurre con los demás elementos pertenecientes a este grupo en la tabla periódica : Kr,Xe y Rn.

H1 He2n = 1 Be4

O8n = 2 Na 11

n = 3

Figura 44. Representación de diferentes elementos de acuerdo con el modelo de Bohr.

Aportaciones y limitaciones del Modelo de Bohr

APORTACIÓN LIMITACIÓN

-Describe con precisión el espectroatómico observado en el átomo dehidrógeno.

-Explica la estabilidad de los átomos apartir de la existencia de niveles deenergía o estados estacionarios, en loscuales, a pesar de que está acelerado, elelectrón no emite radiación y, por lotanto, no cae al núcleo.

-En los átomos, las propiedades químicasestán determinadas por los electronesmás alejados del núcleo y no por los másinternos.

-Para elementos de la misma familiaquímica, los electrones de valencia sonlos mismos y la tendencia a cederloscrecerá conforme aumente el número deniveles en el átomo, pues los electronesexternos estarán ligados débilmente alnúcleo.

-No explica los espectros de otroselementos ni la estructura del espectro, esdecir, se encontró que las líneasespectrales no eran líneas sencillas, sinoun conjunto de varias de ellas.

H HeBe

O

Na

89

“ESPECTROS DE EMISIÓN”

Objetivo

Observar los espectros de emisión de algunas sustancias, mediante experimentosdonde se manifiesten estas características, para que los utilicen en el conocimiento dela estructura de la materia.


a) ¿Cuál es la naturaleza de la luz?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

b) ¿Por qué las sustancias emiten luz al calentarlas?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) ¿A qué se le llama espectro?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

d) ¿Qué es el espectro electromagnético ?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

e) ¿Por qué se dice que los espectros de líneas son como las huellas dactilares?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


90

Experimento I

Objetivo

Observar los espectros de emisión de algunas sales, para reconocer que laespectroscopía es un método de identificación cualitativo.

Hipótesis

¿Por qué algunas sustancias al ser calentadas producen una luminiscencia?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancia*

☞ 1 Mechero Bunsen ☞ 20 ml Ácido clorhidrico☞ 1 Espectroscopio de rendija ☞ 0.5 g Cloruro de sodio☞ 1 Portacaja con alambre ☞ 0.5 g Cloruro de litio☞ 1 Vaso de 100 ml ☞ 0.5 g Cloruro de potasio

☞ 0.5 g Cloruro de bario☞ 0.5 g Cloruro de cobre☞ 0.5 g Cloruro de estroncio

* Las cantidades a usar son aproximadas


La indicada para el trabajo en el laboratorio y la indicada para el uso del mechero.

¿Cómo hacerlo?

Toma por medio de la porta-asa, un poco de cada una de las sustancias y colócala a laflama del mechero:

Cloruro de estroncioCloruro de litioCloruro de potasioCloruro de barioCloruro de cobreCloruro de sodio

91

Observa la coloración de la flama en forma directa y luego por el espectroscopio.

NOTA: Antes de poner a la flama una sal en el alambre, introduce éste en el vaso quecontiene ácido clorhídrico para lavarlo y en seguida ponlo a la flama del mechero con elfin de eliminar impurezas. Repite la operación hasta que el alambre no dé coloración ala flama.

Figura 45. Experimentación a la flama espectroscópica.


Anota tus observaciones en el siguiente cuadro:

Sustancia Color de la flama Observaciones

Cloruro de litio

Cloruro de potasio

Cloruro de bario

Cloruro de cobre

Cloruro de estroncio

Cloruro de sodio

92

Experimento II

Objetivo

Observar la producción de los espectros ópticos para reconocer a la espectroscopíacomo un método de obtención.

Hipótesis

¿Qué sucede si a un gas se le hace pasar corriente de alto voltaje?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

☞ 1 Bobina Tesla

☞ 1 Espectroscopio

☞ 1 Soporte Universal

☞ 1 Pinza de tres dedos con nuez

☞ Tubo de descarga de diferentes gases


La indicada para el trabajo en el laboratorio.

Cuando uses aparatos eléctricos toma los cuidados necesarios, la bobina Tesla debesusarla por periodos de 20 segundos y no debes tocar el electrodo.

¿Cómo hacerlo?

Monta el tubo de descarga de hidrógeno en el soporte universal, por medio de laspinzas, acerca la bobina Tesla a uno de los extremos: observa la luz producida; primerode manera directa y después con el espectroscopio. repite la operación con los otrostubos de descarga.

93

Figura 46. Espectroscopía por inducción de rayos catódicos.


Anota tus observaciones en el siguiente cuadro.

Tubo de descarga Color (directa) Color (espectroscopio) Observaciones


1. ¿Por qué cada sustancia emite luz diferente?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Qué le ocurre a la luz cuando pasa a través del prisma del espectroscopio?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

94

3. ¿Cuál es la diferencia entre el espectro de la luz solar y los observados ?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. ¿Qué se necesita, en cada caso, para que la sustancia emita luz?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. ¿Cómo apoyan estos experimentos al estudio de la estructura atómica?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

De acuerdo al cuestionario de reflexión, contrasta tus hipótesis con los resultadosobtenidos y elabora tus conclusiones.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) Modelo atómico de Bohr-Sommerfeld.

¿Qué características tiene la órbita propuesta por Bohr?.

¿Qué es el número cuántico principal?.

No debe sorprendernos que el éxito de la teoría de Bohr en la explicación del espectrode hidrógeno no se repitiera en la de otros elementos dado que ésta sólo es exacta enun sistema atómico compuesto de un electrón y el núcleo. Por ello fracasó aun con elsencillo átomo de helio, que tiene dos electrones y un núcleo.

Arnold Sommerfeld razonaba que si el átomo es homólogo al sistema, el electrón debegirar no sólo en círculos, como el modelo de Bohr, sino también en elipses, con laparticularidad de que el núcleo debe hallarse en uno de los focos de éstas. Sommerfieldtrabajó en un nuevo modelo que suponía la existencia de un segundo número entero, elnúmero cuántico secundario, cuyos valores enteros iban de l = 0, 1, 2... n -1, es decir, elnúmero de elipses admisibles no supera el número cuántico principal n que numera losestados estacionarios.

95

Tabla 4. Muestra de los valores de n y l y las formas de las órbitas.

Valores de n Valores de ( l ) Formas de órbita

1 0 circular

2 01

elípticacircular

3012

elipse excéntricaelipse

circular

40123

elipse muy excéntricaelipse excéntrica

elipsecircular

Pero ni siquiera dos números cuánticos n y I explicaron todas las particularidades rarasde los espectros. Por ejemplo, si el átomo radiante se coloca en un campo magnético, eldesdoblamiento de rayas espectrales se efectúa de modo distinto (efecto zeeman), estoindica que el electrón en la órbita es sensible al campo magnético; tal sensibilidad semanifiesta sólo si hay subniveles de energía, los cuales estaban definidos por tresnúmeros cuánticos n, l y m de los cuales los dos primeros ya se conocen, en tanto queel tercero (m) se conoce como número cuántico magnético o de orientación, cuyosvalores van desde -l hasta + y; por ejemplo, si l = 2, m puede valer -2, -1, 0 ,1 y 2, yexisten cinco orientaciones diferentes de las órbitas como lo muestra la tabla 5.

Tabla 5. Valores de l y m y el número de órbitas para cada subnivel

Nombre desubniveles

Valores de l Posibles valores de m Número deórbitas

s 0 0 1p 1 -1, 0, 1 3d 2 -2, -1, 0, 1, 2 5f 3 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 7

Las letras s, p, d, f se eligieron basándose originalmente en las observaciones de losespectros de líneas, en las que se detectó que ciertas líneas pertenecen a una serie“bien definida” (sharp), y éstas se asocian con las transiciones energéticas que incluyenla subcapa s; otras líneas pertenecen a las series que se llamaron principal, difusa yfundamental, de donde derivan las designaciones s, p, d y f.

96

Aportaciones y limitaciones del modelo de Bohr-Sommerfeld

- Propuso órbitas elípticas, además de circulares, lo que implica la existencia desubniveles de energía.

- No obstante que nuevas teorías desplazaron al modelo de Bohr y Sommerfeld, laexistencia de niveles cuantizados de energía y de los números cuánticos n, l y m no seha modificado. Lo que sí cambió en las teorías actuales es la concepción de que elelectrón es un corpúsculo que viaja en una trayectoria bien definida.

- Aun cuando la visión actual es mucho más compleja, lo que nos interesa en este cursoes explicar cómo las propiedades de los átomos tienen que ver con los niveles y

subniveles que ocupan sus electrones más externos, y para ello nos bastará el modelode Bohr y Sommerfeld.

2.2.4 CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA

Si algún valor puede adjudicarse a las teorías de la estructura ello debe comprender elde ser capaces de explicar las diferencias de reactividad de diversos elementos ytambién el por qué de las propiedades físicas y químicas de los elementos, así como laforma en que se repiten en la tabla periódica. La periodicidad de los elementos descartaen forma definitiva a la masa o al número atómico como factores determinantes de lareactividad química, por lo que los núcleos atómicos no son los responsables de laconducta química de los elementos. Debemos buscar la explicación en la arquitecturaconfiguracional de los electrones externos a fin de saber por qué los elementos actúancomo lo hacen.

Al pasar de un elemento a otro en la tabla periódica, el número atómico y la carganuclear aumentan en una unidad. Para conservar la electroneutralidad de los átomos,este progresivo incremento de la carga nuclear debe acompañarse de un aumentosimultáneo en el número de los electrones circundantes. En consecuencia, al pasar delhidrógeno con z = 1 al laurencio con z = 103, el número de electrones alrededor delnúcleo debe incrementarse progresivamente de uno en uno, desde un electrón para elhidrógeno hasta el valor de 103 para el laurencio. En virtud de que estos electronesocupan la estructura externa de los átomos, deben disponerse en los niveles ysubniveles de energía, cada uno de los cuales contiene un número máximo deelectrones, como ya se estudió en temas anteriores.

¿Cuál es el sucesivo acomodo de cada electrón en la arquitectura del átomo?.

No todos los electrones de un átomo se ubican a la misma distancia del núcleocomo lo establecieron Bohr y Sommerfeld, sino que se encuentran en niveles ysubniveles de energía. A los niveles de energía (n) se les asigna un númerocomenzando por n = 1, para el nivel más cercano al núcleo, y así sucesivamente hastallegar al nivel n = 7, para los elementos conocidos. (Teóricamente el número de niveleses infinito).

Si el electrón de un átomo se ubica en el nivel de energía (n = 6), ¿sepodría afirmar que dicho electrón cuenta con mayor energía que si estuvieraen n=1?.

97

Cada nivel de energía está ubicado más lejos del núcleo y los electrones en estos adistancias más grandes tienen mayor cantidad de energía. El orden de los principalesniveles de energía es de:

1 < 2 < 3 < 4 < 5 < 6 < 7

Como se observa en la tabla 6, el número de electrones para cada uno de los niveles eslimitado, los cuales se pueden calcular con la fórmula 2n2.

Tabla 6. Número máximo de electrones que pueden existir en cadasubnivel y en cada uno de los primeros cuatro niveles.

Nivel de energía Subniveles(orbitales)

Número deelectrones

n = 1n = 2

n = 3

n = 4

ssp

spd

spdf

Los principales niveles de energía tienen subniveles u orbitales que se identifican con lasletras s, p, d, f, en el orden siguiente:

s <p <d <f

Asimismo, la población de un nivel y de un subnivel está limitada a 2n2. Un subnivel spuede acomodar como máximo dos electrones; un subnivel p sólo seis electrones;un subnivel d 10 electrones, y un subnivel f 14 electrones, que corresponden al dobledel número de diferentes valores del número cuántico magnético 2 (2l + 1) = m.

Los electrones en los átomos polielectrónicos se distribuyen de acuerdo con laenergía de cada subnivel, de manera que los electrones ocupan primero los subnivelesde menor energía de acuerdo con el principio de construcción progresiva, como seobserva en la figura 47.

32

141062

21062

82

6222

98

Figura 47. Orden de llenado de los subniveles atómicos de acuerdo con el principio de construcción progresiva.

La configuración del átomo con z electrones se obtiene al añadir un electrón más a laconfiguración del átomo con z - 1 electrones, colocando el último de acuerdo con elorden especificado en este esquema.

En la distribución de la población electrónica en niveles y subniveles se designa unnúmero que indica el nivel de energía, una letra que indica el subnivel y un índice queindica el número de electrones; por ejemplo:

cinco electrones

2 p5

número cuántico subnivel p, l = 1principal n = 2

El número máximo de electrones que en el primer nivel de energía es de dos, se localizaen el subnivel s, y se les designa como 1s2, el subnivel s del segundo nivel de energía (n= 2) se identifica con 2s, el tercer nivel como 3s y, así, sucesivamente. Por otra parte, elsegundo nivel de energía, con un máximo de dos electrones en s y seis en p, seidentifica con 2s22p6.

El número de electrones presente en el átomo de un elemento es igual a su númeroatómico y para establecer su configuración electrónica, la suma de los exponentes debeser igual a su número atómico.

Para comprender lo anterior, a continuación se describen las configuracioneselectrónicas de algunos elementos:

99

Elemento Configuración electrónica

He2 1 s2

Li3 1 s2 2s1

C6 1 s2 2s2 2p2

F9 1 s2 2s2 2p5

Fe26 1 s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

De acuerdo con el ejemplo anterior elabora la configuración electrónica del siguientelistado de elementos. Para llevar a cabo esta actividad te recomendamos tener presenteel número atómico de cada elemento, la tabla 5 y la figura 32 (principio de construcciónprogresiva).

Elemento Configuración electrónica

H1 _______________________________________________________________

Be4 _______________________________________________________________

B5 _______________________________________________________________

N7 _______________________________________________________________

O8 _______________________________________________________________

Ne10 _______________________________________________________________

Ga31 _______________________________________________________________

Como habrás notado, la secuencia que se presenta hasta el subnivel 3p es la que seespera, conforme el aumento de energía, tanto de niveles como de subniveles, sinembargo, después de haberse llenado el subnivel 3 p, con los del 3d, antes de que loselectrones entraran al subnivel 4s; mas como no se tiene este orden de llenado porqueel subnivel 4s tiene menor energía que el 3d; en consecuencia, debido a que lossubniveles se llenan de acuerdo con la energía creciente, los últimos electrones delescandio al zinc se acomodarán primero en el 4s y después den el 3d.

a) Espín

Samuel Goudsmit propuso un cuarto número cuántico (ms) que describe las dosformas en que un electrón puede orientarse con respecto de un campo magnético. Sepuede considerar que un electrón rota alrededor de su propio eje, ya sea en el sentidode las manecillas del reloj (-1/2) o en el sentido opuesto en relación con el campo(+1/2); a esta rotación o giro se le conoce con el nombre de espin electrónico.


100

La ubicación de los electrones en los átomos se puede describir en función de los cuatronúmeros cuánticos: n, 1, m y ms. Sin embargo, cabe hacer mención que no puedenexistir dos electrones en un mismo átomo con sus cuatro números cuánticos iguales.

Otro enunciado es el principio de exclusión de Pauling, llamado así en honor deWolfgang Pauli (1900-1958), el cual postula que si dos electrones de un átomo ocupanun mismo subnivel entonces deben tener diferentes valores de ms; por ejemplo, en unátomo de helio dos electrones ocupan el subnivel 1s del estado normal; éstos tienenespines opuestos, y se dice que están apareados; luego entonces, sus númeroscuánticos son:

n l m ms

1 0 0 + ½ _____ 1s

1 0 0 - ½ n = 1

Si dos electrones del átomo de helio tuvieran espines iguales, estarían sin aparear.

Al tener un subnivel del átomo diferentes orientaciones, los electrones se distribuyen enéstas de manera que los espines queden paralelos. Este concepto se conoce comoregla de Hund, y significa que cada orientación se ocupa primero por un electrón ydespués se forman parejas.

Para comprender lo anterior a continuación se describe la configuración electrónicavectorial de un átomo de nitrógeno:

N7 = ___ ___ ____ ____ ___ 1s 2s 2px 2py 2pz

n=1 n = 2

En los subniveles 1s y 2s se encuentran apareados sus electrones porque sólo tienenuna orientación en el espacio, pero el subnivel 2p tiene tres orientaciones en el espacio yal ubicar los electrones éstos tienen espines paralelos.

Los siguientes ejemplos muestran la aplicación de la regla de Hund y del principio deconstrucción:

H1 ___ 1s

Li3 ___ ___ 1s 2s

Be4 ____ ____ 1s 2s

101

N7 ___ ____ ____ ____ ___ 1s 2s 2px 2py 2pz

O8 ____ ____ ____ ____ ___ 1s 2s 2px 2py 2pz

Desarrolla la configuración electrónica vectorial de los siguientes elementos, recuerdaque debes tomar en cuenta el principio de construcción progresiva y la regla de Hund.

ELEMENTO CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA

B5 ________________________________________________________________

C6 ________________________________________________________________

F9 ________________________________________________________________

Ne10 ________________________________________________________________

K19 ________________________________________________________________

Rb37 ________________________________________________________________

b) Configuraciones electrónicas y la tabla periódica.

¿Cuáles son las partes que conforman la tabla periódica de los elementos químicos?

La tabla periódica es un instrumento por medio del cual se conoce y comprende elcomportamiento químico de los elementos, así como el de los innumerables compuestosque éstos integran. Está formada por siete periodos y 18 grupos, dividida en cuatrobloques de elementos, s, p, d y f, dependiendo del subnivel donde se localice el electróndiferencial (figura 48).

*Cabe hacer notar que el Helio (He2) corresponde al bloque s, por lo tanto se ubica en elsubnivel 1s al igual que el hidrógeno (H1)


102

Figura 48. Distribución de la configuración electrónica en la tabla periódica.

Los elementos que forman los bloques s y p se llaman representativos. Éstosconstituyen los grupos 1, 2 y 13 al 18, además tienen colocado su electrón diferencial enel subnivel s ó p, según sea el caso; por ejemplo:

Li3 (1s2 2s1 )

N7 (1s2 2s2 2p3)

El conjunto de elementos con un electrón diferencial situado en el subnivel d forma losgrupos del 3 al 12 y se denomina de transición; por ejemplo:

Sc21 (1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1)

Los elementos del bloque f tienen su electrón diferencial colocado en el subnivel f yreciben el nombre de tierras raras o de transición interna; por ejemplo:

Pr59 ( 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f3 )

La siguiente tabla periódica muestra como se forman los bloques de elementos deacuerdo con la configuración electrónica de su electrón diferencial (figura 49).

103

Figura 49. Clasificación de elementos de acuerdo con su configuración electrónica.

A partir del siguiente listado de números atómicos, realiza en tu cuaderno, lo que se tepide:

Menciona a qué elemento se refiere. Desarrolla su configuración electrónica y vectorial. Posteriormente, menciona en qué subnivel se ubica el (los) último (s) electrón(es) Indica si el elemento corresponde al conjunto de elementos: representativos, de

transición o de tierras raras. Señala los niveles de energía que se encuentran en cada una de las configuraciones

electrónicas vectoriales (consulta la tabla 6).

Número atómico.

1) 14 6) 88

2) 25 7) 33

3) 66 8) 57

4) 74 9) 45

5) 2 10) 20


ELEMENTOS REPRESENTATIVOS Y DE TRANSICIÓN

104

El estudio del comportamiento de las partículas cargadas en los tubos de rayoscatódicos permitió el descubrimiento de las tres partículas subatómicas básicas queconforman el átomo: electrón, protón y neutrón.

Los modelos atómicos evolucionaron gracias a los experimentos realizados: tubos derayos catódicos, bombardeo con partículas alfa a una lámina de oro, espectroscopia delíneas y fenómenos nucleares.

De un modelo atómico sin estructura e indivisible (de Dalton) se pasó a uno concarácter eléctrico constituido por una esfera eléctrica positiva en la que se encuentranlos electrones, propuesto por Thomson.

Con Rutherford aparece el núcleo, que concentra la mayor parte de la masa del átomoy toda la carga positiva.

A Bohr se debe el descubrimiento de por qué un electrón no se precipita al núcleo o noemite radiaciones al estar girando alrededor éste. Con él aparece el primer númerocuántico llamado n (nivel).

Cabe hacer notar que el modelo atómico de Bohr sólo funciona para el átomo dehidrógeno (un protón y un electrón)

Sommerfeld propuso que existían órbitas circulares y órbitas elípticas de diferentestamaños, excentricidades y orientaciones, a partir del segundo nivel. A él se deben elsegundo y el tercer número cuántico: l y m.

En un átomo la cantidad de protones es igual al número atómico y la cantidad deprotones es igual a la cantidad de electrones; la suma de protones y neutrones es igualal número de masa; los electrones están distribuidos en niveles de energía principalesy en subniveles, para los cuales existe una cantidad máxima de electrones; el orden deocupación de los niveles y subniveles de energía puede predecirse mediante elprincipio de construcción progresiva.

La configuración electrónica es el conjunto de electrones que hay en cada subnivel deenergía y que ubica a todos los electrones dentro de un átomo; aquélla constituye labase que permite comprender y predecir muchas propiedades de los elementos.


105


2.3.1. ISÓTOPOS

El hombre siempre ha vivido a merced de las radiaciones y seguirá viviendo con ellas.Éstas se encuentran en el agua que se bebe, proveniente del uranio y el radio; la lechecontiene potasio -40; los vinos añejados contienen tritio y el cuerpo humano produceaproximadamente 400 000 desintegraciones radiactivas por minuto.

El incremento en los fuentes de radiación artificial en las plantas nucleares y en laexperimentación de bombas atómicas, así como el manejo irracional de los residuosradiactivos, amén de las pruebas atómicas en la atmósfera y en el subsuelo; y loserrores en el diseño y operación de los reactores, puede ocasionar efectos nocivos en elhombre si se rebasan los límites permitidos. Pese a ello, el hombre moderno tienenecesidades de alimentos, ropa, habitación, salud, transportación, etc., se requiere deenergía para obtenerlos, por lo cual, bajo la amenaza de que las reservas de petróleo ygas natural se agoten algún día, ha buscado la energía nuclear como la más importanteopción para solucionar dicho problema, a pesar de que conlleve gran peligro para lahumanidad y la naturaleza.

Las ventajas y desventajas de la energía nuclear son múltiples, lo que representa undilema que debe resolverse con madurez, evitando gastos innecesarios en las áreasbélicas y canalizando los recursos hacia la batalla contra las enfermedades, el hambre ylas condiciones infrahumanas de vida.

En toda reacción química que se ha estudiado en los fascículos anteriores, loselementos han mantenido su identidad, sean reactivos o productos. En éste,estudiaremos el llamado fenómeno nuclear, que implica cambios en el núcleo de loselementos. A continuación se mencionan algunas características que diferencian loscambios químicos de los cambios nucleares.

Cambio químico. No produce nuevos elementos puesto que normalmente intervienenlos electrones externos, la energía liberada o absorbida es pequeña y la velocidad dereacción depende de factores externos, tales como concentración, temperatura,etcétera.

Cambio nuclear. Algunos elementos pueden convertirse en otros, intervienen laspartículas interiores del núcleo, absorben o liberan una gran cantidad de energía y lavelocidad es independiente de la concentración, temperatura presión, etcétera.

Pero, ¿qué significa el término de isótopo?.

Este término se emplea para referirse a los “átomos del mismo elemento que tienediferente número de neutrones en el núcleo”.15

Por ejemplo: C12 ó C14; O15, O16 u O17

15Tomado de Garritz, A y Chamizol, J. Química. Addison-Wesley Iberoamericana, 1994, USA. pp. 95.

106

a) Isótopos y sus aplicaciones.

Los isótopos tienen numerosas aplicaciones prácticas por sus velocidades dedesintegración conocidas o simplemente porque emiten continuamente radiación, entrelas cuales están:

Determinación de la edad de restos fósiles. La edad de productos de origen orgánicose puede estimar con los núcleos de carbono -14, el cual se incorpora a los seres vivosmientras viven (cuando fallecen ya no lo incorporan). Por lo tanto, la actividad delcarbono -14 es una medida del tiempo que ha pasado desde su muerte.

El carbono-14 es útil de 500 a 50 000 años. Para determinar la fecha de objetos másantiguos se utiliza el potasio, que es útil de 10 000 a 1 300 000 000 años, y el renio-187,que puede determinar desde 40 millones de años a la edad del universo.

Medicina. El sodio-24 se utiliza para seguir el recorrido de la sangre y localizarobstrucciones del sistema circulatorio, en tanto el plutonio-238 puede convertirse enenergía eléctrica para hacer funcionar un marcapasos.

Estudio de las reacciones químicas. Con el uso del tritio, carbono-14, oxígeno-18,sodio-24, fósforo-32 y azufre-35 y de contadores de Geiger se puede seguir latrayectoria de los átomos radiactivos a través de todos los pasos intermedios de unmetabolismo o de la obtención de un producto. Asimismo, se estudian muchos procesosquímicos y bioquímicos tanto en matraces como en plantas y animales. También sepueden usar isótopos no radiactivos como deuterio, carbono-13, oxígeno-17,etcétera.

Esterilización. Se irradia a los machos con rayos gamma, los cuales alteran sus célulasreproductivas y se les esteriliza.

Conservación de alimentos. La irradiación de algunos alimentos retrasa la germinacióny permite almacenarlos durante largos periodos.

Aplicaciones industriales. Se utilizan isótopos para medir el espesor del metal opapel, la cantidad de flujo de un gas o un líquido; para determinar las fugas detuberías, el desgaste o estado físico de equipo de edificios; para obtener nuevoselementos, producción de energía eléctrica, etcétera.

2.3.2 NEUTRÓN

La tercera subpartícula estable había pasado inadvertida hasta que Rutherford predijo suexistencia en 1920. Walter Bothe observó, en 1930, la primera evidencia de ésta. En1932 James Chadwick repitió el trabajo de Bothe y observó partículas de gran energíasin carga, esencialmente de la misma masa del protón, que en la actualidad se conocencomo neutrones.

¿Por qué se presenta la radiactividad?.

107

Uno de los factores relacionados con la estabilidad nuclear es la relación favorableneutrones-protones. Para los elementos ligeros esta estabilidad se presenta en losnúcleos con una relación cercana a un protón por cada neutrón. Según aumenta elnúmero de protones, se necesita mayor número de neutrones para que los núcleos seanestables porque con ello se reduce la repulsión entre protones.

Los elementos inestables se transforman en estables por medio de cambiosnucleares, que son la esencia de la radiactividad. Los elementos que presentan unaestabilidad especial16 son:

24

816

2040

3888

82208He, O, Ca, Sr y Pb

En este sentido, las radiaciones más comunes que se emiten desde el núcleo de losisótopos radiactivos son: las partículas alfa, las partículas beta, y los rayos gamma.

Sin embargo, un isótopo radiactivo no emite simultáneamente partículas alfa y beta, sinoque por lo general, los rayos gamma se emiten con las partículas alfa o beta, debido alos ajustes de energía interna del núcleo del átomo.

Tabla 7. Principales propiedades de las radiaciones nucleares.

Radiaciónnuclear Símbolo

Masa(uma) Carga Velocidad Penetración Identidad

Efecto deionización

Alfa 4 He2 4.0026 2+ 0.1 C baja

núcleo de helioalta

Beta0 e-1 0.00055 1- 0.9 C

baja amoderada electrón moderada

Gamma 0 0 C altaradiación

electromagnética baja

Vida Media

Una muestra de material radiactivo, no importa su tamaño, siempre presenta rapidez dedecaimiento constante. El tiempo en el cual la mitad de los átomos radiactivos inicialesse transforman se conoce como tiempo de vida media, que es característico de cadanúcleo; por ejemplo el radón-219 es un emisor alfa que emite la mitad del total departículas alfa en cuatro segundos.

Si se tiene un gramo de radón-19, después de cuatro segundos sólo quedan 0.5 gramos,pues la mitad del material se ha transformado en polonio.215; después de ocho segundohabrá 0.25 g, y después de 12 segundos habrá 0.125 g. No es posible decir cuando sedesintegra un cierto átomo, pero sí podemos predecir el tiempo que requerirá para quese desintegre la mitad de un gran número de ellos.

16En este tema el subíndice será utilizado para indicar el número de neutrones de un elemento.

108

2.3.3 ENERGÍA DE AMARRE

¿Por qué se libera gran cantidad de energía en los cambios nucleares?.

La respuesta la dio Einstein: se trata de un fenómeno de transformación de masa enenergía.

Uno de los grandes hallazgos del siglo XX es el hecho de que las masas de losátomos son siempre inferiores a la suma de las masas, de los protones y neutronesindividuales que los forman. Por ejemplo, la masa calculada para los dos protones ydos neutrones del helio es 4.03298 y la determinada experimentalmente es de 4.002603;la pérdida de masa es de 0.030377. Einstein demostró que esta pérdida de masa noimplica que desaparezca, sino que se transforma en energía de acuerdo con suecuación.

E = m c2.

De esta manera, los 0.030377 uma se convierte en 4.647681 x 10-13 joules. Estacantidad puede parecer ridícula, pero debe tomarse en cuenta que se refiere a laformación de un solo átomo de helio. Cuando se formasen 4.002603 g de helio seliberaría una energía 6.02 x 1023 veces mayor; casi 280 mil millones de joules, cantidadde energía suficiente para hacer hervir casi 100 toneladas de agua.

A la energía necesaria para romper un núcleo y convertirlo en sus nucleonesaislados se le conoce como energía de amarre.

2.3.4 FISIÓN NUCLEAR

La fisión nuclear se define como el proceso mediante el cual un neutrón choca contraun núcleo pesado, dividiéndolo en dos o más núcleos ligeros (figura 50).

Durante este rompimiento se libera energía y a la vez, neutrones que tienden a chocarcontra otros núcleos pesados, en el cual se repite el proceso de rompimiento, una y otravez. Dicho fenómeno se conoce como reacción en cadena. Un ejemplo muy conocidopor la mayoría es el que ocurre con un grupo de fichas de dominó acomodadas enforma de triángulos, cuyo extremo se golpea y acto seguido se observa una serie deimpactos que derriban todas las fichas.

109

Figura 50. Ilustración de una reacción en cadena.

a) Reactor Nuclear.

¿Qué es un reactor nuclear?.¿De qué partes se compone un reactor nuclear?.

La explosión de una bomba atómica es una reacción en cadena instantánea eincontrolable. En un reactor nuclear ocurre una reacción similar que puede controlarsede tal manera que una fusión produce únicamente una nueva fisión y no existeposibilidad de explosión porque los combustibles de un reactor nuclear no tienen lacomposición ni la distribución tan compacta de una bomba. Además, se emplean barrasde control que se introducen y se sacan en los espacios situados entre las barras decombustible.

La principal diferencia que hay entre plantas termoeléctricas y reactores nucleares esque un reactor reemplaza el horno donde se quema carbón, petróleo o gas natural. Unreactor de fisión tiene cinco componentes principales: combustible, moderador, barrasde control, sistema de refrigeración y escudo.

Figura 51. Diagrama esquemático de una central nuclear.

110

Combustible. Son barras de U3O8 con 0.7% de uranio-235.

Moderador. Frena a los neutrones; suele emplearse agua ligera, agua pesada( 1

22 1

22H O o D O ) o grafito.

Barras de control. Controlan la reacción de fisión porque absorben los neutrones. Elcadmio y el boro absorben bien los neutrones.

Sistema de refrigeración. En la práctica se necesitan dos sistemas de refrigeración: enuno, el moderador actúa como refrigerante del reactor, puescuando se transfiere el calor generado por la fisión algenerador de vapor, éste convierte el agua en vapor que va alas turbinas e impulsa al generador, para producir electricidad.Otro refrigerante necesita agua de río, de mar o aguareciclada; éste condensa el agua de la turbina y elcondensado se recicla al generador de vapor.

Escudo. Todo el reactor está dentro de un recipiente de acero alojado en un muro deconcreto con varios metros de espesor, lo cual evita que escapen los rayosgamma; una gruesa capa de fibras de madera absorben las radiaciones alfa ybeta.

Aplicaciones de la fisión nuclear

➽ Aprovechamiento de la energía nuclear para fines militares.17

➽ Obtención de nuevos elementos químicos.➽ Hallazgo de nuevas partículas nucleares.➽ Comprensión sobre la forma en que se realizan las reacciones químicas.➽ Nuevos métodos químicos para analizar muestras.➽ Tratamiento de padecimientos y tumores cancerosos.➽ Estudio de estructuras de equipo y edificios.➽ Obtención de energía eléctrica.

2.3.5 FUSIÓN NUCLEAR

¿Sabías que tanto en el sol como en las estrellas se llevan a cabo elproceso de fusión nuclear?.

¿Qué es la fusión nuclear?.

17La bomba lanzada el 6 de agosto de 1945 durante la Segunda Guerra Mundial, tenía uranio-235 y la segunda, el 14 de

agosto de este año tenía plutonio -no; 238. La pérdida de vidas humanas se ha calculado en 200 000. El poder explosivo decada una de las bombas era de 0.02 megatones. Un megatón equivale a la energía liberada por un millón de toneladas dedinámita, y 50 kg de uranio 35 o plutonio 235 liberan esta misma cantidad de energía.

111

La fusión nuclear es entendida como un proceso por el cual dos núcleos ligeros secombinan o funden para producir un elemento más pesado, ejemplo de ello es lareacción que se efectúa en el sol ya que un núcleo de hidrógeno (1 H) se combina conotro núcleo de hidrógeno (1 H) para que a partir de esta combinación se obtenga unagran cantidad de energía y un núcleo de helio( 1

2H+ 13H 2

4He + 01n + 4.0 x 1011

cal).

13H

24He

12H

Figura 52. Ilustración de una fusión nuclear

Para llevar a cabo una fusión de los isótopos del hidrógeno deben cumplirse trescondiciones:

1. Temperaturas elevadas de 100 000 000ºC.2. Densidad elevada 1014 a 1016 partículas por centímetro cúbico.3. Confinamiento de los isótopos de hidrógeno durante un segundo para que la reacción

se mantenga por sí sola.

Hay dos procedimientos para desarrollar la fusión nuclear con el objetivo de producirelectricidad:

1. Confinamiento magnético del hidrógeno.

2. Uso de los rayos láser o haces de electrones para unir los átomos de hidrógeno.

¿Qué diferencias existe(n) entre la(s) reaccion(es) de fisión?.

Las reacciones de fusión son la fuente de energía de las estrellas jóvenes como nuestroSol. En los reactores Tokamak se han alcanzado temperaturas de 200 millones degrados celsius, una densidad de 1013 partículas por centímetro cúbico y unconfinamiento de 0.05 segundos. Los científicos esperan que para el año 2000 a 2020se construya una planta piloto que convierta en energía eléctrica la energía generada enla fusión, tal como se realiza en las plantas de fisión nuclear. Ahora bien, la primerareacción nuclear artificial de fusión la realizó Rutherford en 1919 al bombardear conpartículas alfa una muestra de nitrógeno, de donde obtuvo oxígeno y un protón:

(LiberaciónEnergía)

112

Figura 53. Muestra del bombardeo con partículas alfa.

Las reacciones de fusión nuclear producen mayor cantidad de calor por unidad de masaque las reacciones de fisión.

La bomba de hidrógeno tiene los dos cambios nucleares: la energía calorífica que senecesita para llevar a cabo la reacción de fusión de hidrógeno se obtiene por medio deuna explosión por fisión nuclear (bomba atómica), y la energía que se libera de unareacción de fusión nuclear (bomba de hidrógeno) se ha estimado que es casi 15 vecesmás que la liberada en una reacción de fisión nuclear.

La fusión nuclear podría utilizarse para producir energía eléctrica en lo futuro porque secree que estas plantas producirían menos contaminación térmica, menos radiaciónnuclear y tendrían menor riesgo de accidentes nucleares que las plantas de fisiónnuclear. Aún cuando las aguas naturales contienen deuterio en proporción de una partepor cada 7 000 partes de hidrógeno, se estima que, una vez desarrollado un proceso defusión adecuado, se podrá suministrar al mundo el nivel actual de energía durante unbillón de años con el deuterio y el hidrógeno que contienen los océanos.

113

Aplicación de la fusión nuclear

Explica la fuente de energía de las estrellas.

Mediante ésta se explica la formación de los núcleos de los elementos por la fusiónnuclear en las estrellas.

Permite el hallazgo de nuevas partículas nucleares.

Permite el aprovechamiento de la energía nuclear para fines militares.

Figura 54. Diseño de una bomba atómica. Para unir las dos masas se requiere un explosivo convencional.

114

Tabla 8. Características de la fisión y la fusión.

Fisión Fusión

Fenómeno que sucede Los núcleos mas pesados sedividen

Los núcleos, ligero forman núcleosmás grandes

Isótopos utilizados 235U, 239Pu y algunos más Deuterio, tritio y litio

Disponibiidad de lamateria prima

Las Buenas Fuentes son limitadasy Caras, aunque existe grancantidad de minerales de bajaconcentración

Casi ilimitada y a bajo costo

Cómo se inicia lareacción

Sucede cuando un núcleofisionable absorbe un neutrón

Ocurre si la temperatura esbastante elevada y las partículasno están muy separadas

Se bombardea el materialfisionable con un deuterón

Una bomba de fisión produce latemperatura de reacción; en unreactor se usa la acción eléctrica ymagnética.

Cómo se mantiene lareacción

Por la reacción en cadena cuandoel material tiene la masa crítica ylos neutrones son retardados porel moderador.

Confinando el plasma calientepara que no se enfríe

Cómo se controla Con barras de control queabsorben neutrones

Con campos magnéticos

Isótopos radiactivosformados

Muchos Casi ninguno

¿Se necesita blindaje? Sí, porque los productos de lafisión son radiactivos

Si, porque los neutrones delproceso pueden hacer radiactivaslas paredes.

Comparación de laenergía producida porgramo de combustible

Menor Mayor

115

Las reacciones nucleares difieren de las reacciones químicas por la circunstancia de queen ellas intervienen las partículas nucleares, en lugar de electrones externos, y puedeninterconvertir materia y energía. El proceso de desintegración radiactiva suele emitirpartículas alfa, beta y rayos gamma, de manera que los productos son más estables queel núcleo que se desintegra.

La relación protones-neutrones puede predecir si un elemento es radiactivo; la detecciónde las radiaciones se puede hacer mediante los métodos fotográficos, fluorescente, elcontador Geiger y cámaras de niebla. La velocidad de desintegración de cualquierisótopo radiactivo depende de la naturaleza del elemento y no de las condicionesexternas. Esta velocidad se expresa en forma cuantitativa por medio del término vidamedia, que es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de cualquier masa deun elemento radiactivo.

La suma calculada de la masa de los electrones, protones y neutrones de un átomo essiempre ligeramente mayor que la masa real de la totalidad del átomo. A la diferencia sele llama pérdida de masa, que de acuerdo con la Ley de equivalencia de la masa y laenergía de Einstein es igual a la energía de amarre.

Fisión nuclear es la división de un núcleo atómico para formar dos o más fragmentos, entanto fusión nuclear es la combinación de dos o más núcleos ligeros para formar unnúcleo pesado. La bomba atómica (uranio-235) es un ejemplo de fisión y la reacciónque ocurre en el Sol y la bomba de hidrógeno son ejemplos de fusión.

Entre las aplicaciones más importantes de los isótopos radiactivos están: ladeterminación de la edad de los fósiles, como trazadores en el estudio de los procesosquímicos y biológicos, en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades etcétera.

Uno de los aspectos más prometedores a largo plazo de la fusión nuclear del deuterio esla posibilidad de contar con energía ilimitada.


116

El siguiente esquema te presenta una síntesis de los conceptos más importantes de estecapítulo.

Después de haber revisado este esquema podrás realizar una síntesis de los conceptosmás importantes del capítulo.

RECAPITULACIÓN

ESTRUCTURA ATÓMICAY CAMBIOS QUÍMICOS

NATURALEZAELÉCTRICA

RADIACTIVIDAD FENÓMENOSNUCLEARES

se conforma por

CARGAELÉCTRICA

TUBO DE RAYOSCATÓDICOS

inicia con la

es estudio de

CARACTERÍSTICAS MODELO ATÓMICODE THOMSON

y sus

consta de

PARTÍCULASNEGATIVAS(ELECTRÓN)

PARTÍCULASPOSITIVAS(PROTÓN)

y el

ANTECEDENTES CONFIGURACIÓNELECTRÓNICA

MODELOATÓMICO

RUTHERFORD BOHR

POSTULADOS

con sus

ESPECTROS No. CUÁNTICOPRIMARIO (n)

SOMMERFIELD

No. CUÁNTICOSECUNDARIO (I)

No. CUÁNTICOMAGNÉTICO (m)

consta de

y los

que propuso

con

NIVELES DEENERGÍA

TABLAPERÍODICA

que aborda

SUBNIVELES(S, P, d, f)

ESPIN(m)

PERÍODO

GRUPOS

BLOQUES

SUBNIVELES

se conforma de

NEUTRÓN

ENERGÍA DEAMARRE

FISIÓNNUCLEAR

FUSIÓNNUCLEAR

ISÓTOPOS

LA MASA SETRANSFORMAEN ENERGÍA

donde

REACTORNUCLEAR

☞ MEDICINA☞ REACCIONES QUÍMICAS☞ FÓSILES

APLICACIONES

ejemplode ello

y sus

propuso el

algunasaplicaciones

son en

117

En este apartado podrás poner en práctica lo que has aprendido a lo largo del capítulo,por lo que te recomendamos realizar todo lo que se te pide.

I. Contesta las siguientes preguntas anotando en el paréntesis la letra de la opción queconsideres correcta.

1. De acuerdo con Bohr, los electrones se encuentran en: ( )

a) Órbitasb) Regionesc) Niveles de energía

2. ¿Qué letras designan a los subniveles de energía? ( )

a) n, l, m, sb) s, p, d, fc) K, L, M, N

II. Anota en los renglones la respuesta que consideres correcta, o bien, las queconsideres correctas.

3. ¿Cómo se determinaría si la luz de color de un rótulo de neón se debe a una mezclade colores o a un solo color?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Determina cuántos electrones:

a) Puede ocupar el tercer nivel de energía (n = 3) ____________________________b) Puede haber en el subnivel d del cuarto nivel de energía (n = 4) ______________c) Puede haber en el segundo nivel de energía (n = 2) ________________________

5. Si el Galio tiene un número atómico de 31:

a) ¿Qué configuración electrónica tiene este elemento? ____________________________________________________________________________________________

b) ¿Cuántos electrones tiene en el cuarto nivel de energía? ________________________________________________________________________________________


118

c) ¿Cuántos electrones d tiene este átomo? _____________________________________________________________________________________________________

6. Escribe la configuración electrónica para cada uno de los siguientes elementos:

a)

Na11______________________________________________________________

b)Ca20______________________________________________________________

c)

Zn30______________________________________________________________

d)

La57______________________________________________________________

e)

Ge32______________________________________________________________

7. ¿En qué grupo y periodo se encuentran los átomos con las siguientesconfiguraciones electrónicas?

Grupo Periodo

a) 1s2 2s2 2p1 ___________________ ______________________

b) 1s2 2S1 ___________________ ______________________

c) 1s2 2s2 2p6 3s2 ___________________ ______________________

8. Escribe los símbolos de las siguientes partículas o rayos:

a) Alfa ______________________________ b) Beta ________________c) Gamma ___________________________ d) Protón _______________e) Neutrón ___________________________

9. Menciona dos métodos de detección de radiaciones

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

119

10. Escribe un isótopo radiactivo que se utilice en:

a) Investigación____________________________________________________________________b) Agricultura____________________________________________________________________c) Industria____________________________________________________________________d) Medicina____________________________________________________________________

11. Explica los siguientes procesos de un reactor nuclear cuya función es producirelectricidad:

a) El funcionamiento de las varillas de carburo de boro: ________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

b) La función de un moderador: __________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

c) La forma de suspender la operación del reactor nuclear: ___________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

d) La forma en que se produce la electricidad: ______________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

12. ¿Por qué no se construyen reactores nucleares basados en reacciones de fusión, enlugar de reacciones de fisión?____________________________________________

__________________________________________________________________

_________________________________________________________________

120

13. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la fisión nuclear sobre la fusión nuclear?

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

__________________________________________________________________

121

Enseguida te presentamos las respuestas de las Actividades Integrales, verifica tusresultados y reflexiona sobre las respuestas.

1. (c) Niveles de energía

2. (b) s, p, d, f

3. Observando con un espectroscopio y comparándolo con el espectro de líneas deNeón

4. a) Máximo de 18 electronesb) Máximo de 10 electronesc) Máximo de 8 electrones

5. a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p1

b) Tres electrones: dos en s y uno en pc) 10 electrones

6. a)1s2 2s2 2p6 3s1

b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10

d) 1s2 2s2 2p6, 3s2 3p6 4s2 ,3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f1e) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p

7. a) Grupo 13, periodo 2b) Grupo 1, periodo 2c) Grupo 2, periodo 3

8. a) 24 , 2

4He b) 10 , 1

0 e c) 00

d) 11p, 1

1H e) 01n

9. Fotográfico, fluorescencia, cámaras de niebla y contadores de ionización de gases(Geiger-Müller).

10. a) Tritio, carbono-14, oxígeno-18, sodio-24, fósforo-32, etcétera.b) Cobalto-60, radio-228, etcéterac) Cobalto-60, americio-241, estroncio-90, curio-249, etcétera.d) Sodio-24, plutonio-238, tecnecio-99, talio-201, yodo-131, etcétera.

AUTOEVALUACIÓN

122

11. a) Absorben neutrones.b) Aminora la velocidad de los neutrones.c) Mediante las varillas de control en el fondo del reactor.d) El vapor que se produce en el reactor nuclear pasa a una turbina, la cual mueve

el generador que produce energía eléctrica.

12. Porque todavía no se logra cumplir los tres requisitos para que se efectúe unareacción de fusión que son: temperatura y densidad elevadas y confinamientosuficiente para que la reacción se mantenga por sí sola.

13. Los reactores de fisión nuclear ya se usan en la actualidad, pero no existe todavíala tecnología para obtener los reactores de fusión nuclear.

Las reacciones de fisión nuclear producen mayor contaminación que las reaccionesde fusión nuclear.

Las fuentes de materia prima para la fisión son caras y para la fusión son a bajocosto.

123

Dentro de este fascículo observaste que la...


ESTRUCTURAATÓMICA

EXISTENCIA DEL ÁTOMO YCUANTIFICACIÓN DE LOS

COMPUESTOS

ESTRUCTURA ATÓMICA YCAMBIOS NUCLEARES

LEYESPONDERALES

TEORÍAATÓMICA

MODELO ATÓMICODE BOHR

consiste enabordar

ASPECTOSCUANTITATIVOS

incluye

CAMBIOSNUCLEARES

COMPONENTESDEL ÁTOMO

PRINCIPALESMODELOSATÓMICOS

se refiere

comolos de

RUTERFORD

BOHR

CONFIGURACIÓNELECTRÓNICA

usadopara

FISIÓN FUSIÓN

comoson

se divide en

124

Estas actividades han sido diseñadas para que pongas en práctica los conocimientosque has adquirido a lo largo del fascículo, por lo que te recomendamos que las lleves acabo.

1. Menciona cuáles son las leyes ponderables y la(s) característica(s) de cada una deellas.

Ley Característica

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

2. ¿Qué diferencia(s) hay entre la masa fórmula y la masa molecular?

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________


125

3. Explica cuál es la relación carga -electrones que existe en un cuerpo.

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

4. ¿Qué entiendes por radiación?____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

5. Explica en qué consiste la fisión y la fusión

Fisión:____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

Fusión:____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

6. Determina el porcentaje de Uranio (U) presente en el compuesto U3 O8, el cual seutiliza como combustible en una central nuclear, y cuya masa atómica es de 833umas:

126

En este apartado podrás identificar los aciertos y/o errores que tuviste en lasActividades de Consolidación. Para poder cumplir con este objetivo te proporcionamoslas respuestas y procedimientos que debiste haber considerado.

1.Ley Características

Conservación de la masa Esta ley postula que la materia no se creani se destruye, sino que sólo setransforma, ejemplo de ello es cuandose mezclan 10 g de sal en en 100 g deagua, donde se tiene como resultado unasolución de 110 g.

Pesos y Equivalentes En este caso, los pesos de las sustanciasque se combinan con un peso conocidode otra tercera sustancia son equivalentesentre sí.

Proporciones Constantes Los elementos que constituyen o formanun compuesto siempre existen en ciertasproporciones constantes, como porejemplo 103 g de carbonato de cobre, queequivalen a 53 g de (Cu), 40 g de Oxígeno( O ) y 10 g de carbono (C).

Proporciones Múltiples Cuando dos elementos se combinan paraformar más de los compuestos, losdiferentes pesos de uno que se combinacon un peso determinado de otro,guardando una relación de númerosenteros,como es CO2 bióxido de carbonoo CO monóxido de carbono.

2. - Masa Molecular: es la suma de los átomos.- Masa Fórmula: son los pesos atómicos de los compuestos.

3. Los cuerpos adquieren cargas positivas cuando pierden electrones y carga negativacuando ganan electrones.

AUTOEVALUACIÓN

127

4. Radiación: es un fenómeno que se presenta en los elementos con propiedadde emitir radiaciones debido a los electrones.

5. Fisión: Es el choque de un neutrón con un núcleo pesado, dividiéndose en dos o másnúcleos.

6. Fusión: Proceso por el cual se combinan o funden dos núcleos ligeros.

U = 235 x 3 = 705 % Uranio = 705 x 100 = 84.64% 833

O = 16 x 8 = 128 por tanto PM = 833 umas % Oxígeno = 128 x 100 = 15.36%

833

128

Acelerador lineal. Dispositivo utilizado para acelerar partículas cargadas a través deuna línea recta.

Ácido. Sustancia de sabor agrio, que concentrada provoca quemaduras y cambia elcolor de los extractos de ciertos vegetales, los cuales son llamados indicadores.

Agua Pesada. Agua que contiene deuterio, un isótopo pesado del hidrógeno, 2 H. 1

Ánodo. Es el electrodo positivo de un tubo de rayos catódicos.

Átomo. Partícula más pequeña de la que está compuesta toda materia.

Barras de control. Barras de material como cadmio o aceros obrados que actúan comoabsorbedores de neutrones (no sólo moderadores) y se utilizan en los reactoresnucleares para controlar los flujos de neutrones y, por lo tanto, las velocidades de fisión.

Base. También llamada álcalis, es una sustancia de sabor amargo que cambia el colorde los indicadores de manera opuesta al producido por los ácidos.

Cámara de niebla. Equipo con el que se observan las trayectorias de las partículas alfacuando las moléculas de vapor se condensan sobre ellas y forman rastros de niebla.

Cátodo. Electrodo negativo de un tubo de rayos catódicos.

Ciclotrón. Aparato en el que se aceleran partículas cargadas a través de un eje enespiral.

Configuración electrónica. Distribución específica de los electrones en los orbitales deátomos o iones.

Contador de centelleo. Equipo utilizado para la detección de la radiactividad.

Defecto de masa. Diferencia que existe entre la suma de la masa de todas laspartículas subatomícas individuales que forman un átomo y la masa real de dicho átomo.Cantidad de materia transformada en energía al construir un átomo a partir de suspartículas constitutivas.

Degenerado. De la misma energía.

Diamagnetismo. Repulsión débil por un campo magnético.

GLOSARIO

129

Electrón. Partícula subatómica con una masa de 0 00055 uma y una carga de 1-.

Energía termonuclear. Energía de las reacciones nucleares de fusión.

Energía de unión nuclear. Energía equivalente al defecto de masa. Energía liberada alformar un átomo a partir de partículas subatómicas.

Espectrómetro de masas. Instrumento que mide la relación de masa/carga departículas cargadas.

Estado excitado. Cualquier estado de un átomo o molécula distinto del estadofundamental.

Estado fundamental. Estado más estable o de menor energía de un átomo o molécula.

Fenolftaleína. Extracto que se emplea para identificar si una sustancia es ácido o base,de acuerdo con el color que adquiere, por lo que se dice que es un indicador ácido-base.

Fisión nuclear. La ruptura de un núcleo pesado para formar dos núcleos más ligeros.

Fluorescencia. Absorción por una sustancia de una radiación de elevada energía con lasubsiguiente emisión de luz visible.

Fotón. “Paquete” de luz de radiación electromagnética. También se le denomina cuantode luz.

Frecuencia. Intervalo de tiempo necesario para que pasen por un mismo punto doscrestas (o dos valles) de una onda.

Fusión nuclear. Combinación de dos núcleos ligeros para producir uno pesado.

Grupo. Columna vertical de la tabla periódica. También se le llama familia.

Isótopos. Dos o más formas de átomos de un mismo elemento. Átomos con el mismonúmero de protones, pero de diferente número de neutrones.

Línea espectral. Cualquiera de las líneas correspondientes a longitudes de ondadefinidas, que aparecen en un espectro atómico de emisión o absorción. Representan ladiferencia energética que hay entre dos niveles energéticos.

Longitud de onda. Distancia entre dos crestas (o dos valles) consecutivas de una onda.

Masa. Cantidad de materia que posee un cuerpo.

Masa crítica. La mínima masa de un núclido fisionable particular, en un volumendeterminado, necesaria para sustentar una reacción nuclear en cadena.

130

Moderador. Sustancia (hidrógeno, deuterio, oxígeno o parafina) capaz de disminuir lavelocidad de los neutrones por colisiones.

Molécula. Partícula producida por la asociación química de varios átomos y que puedeexistir estable en estado libre. En la época de Dalton se utilizaban como sinónimos lostérminos átomo y molécula. André Marie Ampere (1775-1836) empezó a utilizar lostérminos átomos y molécula en su sentido moderno.

Neutrón. Partícula subatómica neutra con una masa de 1.0087 uma.

Neutrón lento. Neutrón rápido que ha sido frenado por colisión con un moderador.

Neutrón rápido. Neutrón expulsado de una reacción nuclear con una gran energíacinética.

Núcleo. Es el centro pequeño, denso y cargado positivamente de un átomo. Contieneprotones, neutrones y otras partículas subatómicas.

Nucleones. Partículas contenidas en los núcleos.

Núclidos. Las diferentes formas atómicas de todos los elementos, a diferencia de“isótopos”, que se refieren solamente a las diferentes formas atómicas de un elementosimple.

Núclído hijo. Núcleo que se produce en una desintegración nuclear.

Núclido madre. Núcleo que experimenta la desintegración nuclear.

Número atómico. Número de protones del núcleo. Número entero que identifica a cadaelemento.

Partícula alfa ( α ). Núcleo de helio.

Partícula beta ( β ). Electrón emitido por un núcleo cuando un neutrón se desintegra enun protón y un electrón.

Periodo. Fila horizontal de la tabla periódica.

Plasma. Estado físico de la materia que existe a temperaturas elevadísimas y en el cualtodas las moléculas están disociadas y casi todos los átomos ionizados.

Principio de construcción progresiva. La configuración electrónica de cualquier átomose puede construir mediante el agregado sucesivo de un protón en el núcleo y unelectrón en los orbitales al átomo de hidrógeno hasta completar el número atómico delelemento por construir.

Protón. Partícula subatómica con una masa de 1.0073 uma y una carga de 1 + que seencuentra en los núcleos atómicos.

131

Quantum: Cantidad mínima de energía que puede emitirse, propagarse y absorverse.

Radiación. Partículas o rayos de elevada energía emitidos en los procesos dedesintegración radiactiva.

Radiactividad. Desintegración espontánea de núcleos atómicos.

Radioisótopo. Isótopo radiactivo de un elemento.

Radionúclido. Núclido radiactivo.

Rayo gamma. Radiación electromagnética de elevada energía.

Rayo catódico. Haz de electrones que van del electrodo negativo al positivo, en un tubode rayos catódicos.

Reacción en cadena. Reacción que una vez iniciada se mantiene y expande por símisma.

Reacción nuclear. Implica cambios en la composición del núcleo y puede emitir yabsorber enormes cantidades de energía.

Reactor generador. Reactor nuclear que produce más material fisionable del queconsume.

Reactor nuclear. Sistema en el cual las reacciones de fisión controladas generanenergía calorífica a gran escala que luego se convierte en energía eléctrica.

Regla de Hund. Se aplica cuando los electrones se agregan a orbitales de la mismaenergía (degenerados) lo deben hacer entrando un electrón en cada orbital, antes deque ocurra el apareamiento.

Trazador radiactivo. Pequeña cantidad de un radioisótopo que reemplaza a un isótopono radiactivo de un elemento compuesto cuyo curso quiere seguirse (por ejemplo, através del cuerpo) y cuyos productos de descomposición pueden detectarse por suradiactividad; también llamado marcador radiactivo.

Transmutación artificial. Reacción nuclear inducida artificialmente por bombardeo deun núcleo con partículas subatómicas o núcleos pequeños.

Vida media de un radionúclido. Es el tiempo requerido para que la mitad de unamuestra dada experimente desintegración radiactiva.

132

AGUILAR, A., J. Flores, J.: Una Ojeada a la Materia. Colección “La ciencia desdeMéxico”, núm. 3, Fondo de cultura Económica, México, 1986.

ASIMOV, I.: Breve Historia de la Química. Alianza Editorial, España. 1984.

CHAMIZO, J. A.: El Maestro de lo Infinitamente Pequeño. Pangea, México 1992.

CRUZ, Diana, Andoni Garritz y José A. Chamizo: Estructura Atómica “Un enfoqueQuímico”. Addison-Wesley Iberoamericana, 1a. ed., 1986.

GARCÍA, H. El Investigador del Fuego. Pangea, México, 1991.

GARRITZ, A., y J: A. Chamizo. Química. COSNET, 1988.

HEIN, Morris: Química. Iberoamericana, 1992.

KEENAN, Ch. W., Kleinfelter, D.C. y Wood, J. H.: Química General Universitaria.CECSA, México, 1986.

MILLER, G. H. y Augustine, Frederick B.: Química Elemental. Harla,México 1977.

RUSELL, J. B.: Química General. McGraw Hill, Colombia, 1985.

SEESE, William S. y G William Daub.: Química. 5a. ed., Prentice-Hall, 1989.

SMOOT, R.C., J. Price: Química. Un Curso Moderno. CECSA, 1979.

WHITTEN, K.W. y K.D. Gailey: Química General. 1a. edición, Interamericana, 1987.



QUÍMICA II



2






3

INTRODUCCIÓN 5

CAPÍTULO 1. ENLACE IÓNICO Y METÁLICO 7

PROPÓSITO 9

1.1. ENLACE QUÍMICO 11

1.1.1 Electrones de Valencia 11

1.1.2 Regla de Octeto 12

a) Representación de Lewis o Símbolos Electrónicos 14

1.1.3 Propiedades Periódicas de los Elementos 17

a) Radio atómico 17b) Energía de ionización 19c) Electronegatividad 21

1.2 TIPOS DE ENLACE 26

1.2.1 Enlace Iónico o Electrovalente 26

a) Propiedades de los enlaces iónicos oelectrovalentes

28

1.2.2 Enlace Metálico 30

a) Propiedades de los metales 30b) Propiedades de los no metales 32

RECAPITULACIÓN 40ACTIVIDADES INTEGRALES 41AUTOEVALUACIÓN 43

Í N D I C E

4

CAPÍTULO 2. ENLACE COVALENTE 45

PROPÓSITO 47

2.1 MODELO DE LEWIS EN ELEMENTOS NO METÁLICOS 49

2.1.1 Modelo de Enlace Covalente 502.1.2 Excepciones a la Regla del Octeto 562.1.3 Electronegatividad y polaridad 57

2.2 ESTRUCTURA MOLECULAR 59

2.3 ENLACE COVALENTE EN LOS COMPUESTOS DE CARBONO 64

2.3.1 Grupos Funcionales 64

a) Alcoholes 65b) Aldehídos y Cetonas 72c) Ácidos carboxílicos 76d) Aminas 79

RECAPITULACIÓN 92ACTIVIDADES INTEGRALES 93AUTOEVALUACIÓN 97



AUTOEVALUACIÓN 103

ACTIVIDADES DE GENERALIZACIÓN 105

GLOSARIO 106


5

Cuando dos o más átomos se unen decimos que se presenta un enlace químico, dentrode estos enlaces intervienen un intercambio de electrones de valencia, los cuales sepueden representar mediante la estructura de Lewis o símbolo electrónico. Sinembargo, para poder entender este intercambio es necesario tener presente algunas delas propiedades de los elementos, tales como el radio atómico, la energía de ionización yla electronegatividad. Dentro de los enlaces químicos se identifican tres tipos deenlaces:

En enlace iónico o electrovalente, el cual se origina en el momento en que reacciona unmetal con un no metal, ejemplo de ello es el cloruro de litio (LiCl) que se encuentra enlas aguas minerales, o el cloruro de potasio (KCl) que normalmente, se encuentra en lasaguas purificadas comerciales.

Enlace Metálico, se observa cuando dos o más metales se unen, un ejemplo claro sonlas amalgamas, utilizadas por los dentistas, esta aleación consta de una proporción deplata (Ag) por otra de zinc (Zn). A partir de que tenemos esta unión podemos identificarcaracterísticas de los metales, tales como ser buenos conductores de corriente eléctrica,tienen brillo, entre otros.

Respecto a los enlaces covalentes tenemos que éstos se dan a partir de que un átomocomparte un par o más electrones con otros átomos, como ejemplo podemos mencionarlos compuestos formados por el átomo de carbono, el cual tiene la propiedad de generaruna gran gama de compuestos como son los alcoholes, los ácidos carboxílicos, losaldehídos, las cetonas, las aminas, entre otros.

En este fascículo tenemos como objetivo que identifiques los modelos de enlaceexistentes en los enlaces químicos; esto lo lograrás a partir de reconocer laspropiedades físicas y químicas de la materia, aplicando: el sistema de representación deLewis, prácticas de laboratorio y actividades relacionadas con dos enlaces iónico,metálico y covalente; con la finalidad de que puedas comprender las propiedades yestructuras de los compuestos, así como tener los antecedentes necesarios y poderadentrarte al estudio de interacción molecular.


7

ENLACES IÓNICO Y METÁLICO

1.1 ENLACE QUÍMICO

1.1.1 Electrones de Valencia1.2.1 Regla de Octeto1.1.3 Propiedades Periódicas de los Elementos

1.2 TIPOS DE ENLACE

1.2.1 Enlace iónico o Electrovalente1.2.2 Enlace Metálico

CAPÍTULO 1

9

En este capítulo identificarás los enlaces iónico o covalente y el enlace metálico;mediante la resolución de ejercicios y/o actividades relacionadas con la regla delocteto, las propiedades periódicas de los elementos y la realización de prácticas enlaboratorio.Esto te permitirá predecir el comportamiento físico y químico de compuestos en dondeintervienen enlaces iónicos y covalentes.

P R O P Ó S I T O

11

CAPÍTULO 1. ENLACES IÓNICO Y METÁLICO

1.1 ENLACE QUÍMICO

Al observar nuestro entorno veremos que está formado por gran variedad de materiales,constituidos, desde el punto de vista químico, por mezclas, compuestos, elementos, ysus átomos unidos por fuerzas de atracción que dan como resultado los enlacesquímicos; pero como los responsables de la unión química son los electrones externos oelectrones de valencia, es necesario entender la configuración electrónica de loselementos.

1.1.1 ELECTRONES DE VALENCIA

Los electrones de valencia, son aquellos electrones que se localizan en el último nivelde energía de un átomo, los cuales se pueden intercambiar a o compartir en losenlaces químicos. Por ejemplo:

Elemento Configuración electrónicaNúmero de electrones

de valencian =1 n = 2 n = 3

Litio Li3

Carbono C6

Cloro Cl17

ls2

1s2

ls2

2s1

2s2 2p2

2s2 2p6 3s2 3p5

1

4

7

¿Qué es valencia?

Valencia es la capacidad de combinación de un átomo para formar compuestos. Así, lavalencia del hidrógeno es uno, pues al combinarse siempre forma un enlace, como porejemplo:

12

La fórmula del agua es H2O, en donde el oxígeno presenta dos enlaces.

O

H H

En el caso del hidruro la valencia del litio es uno, ya que su fórmula es:

Li H Li - H

Observa que la valencia del litio coincide con su número de electrones de valencia(Li3=1s2 2s1)

En la fórmula del metano se observa que el carbono tiene una valencia de cuatro, lo quetambién coincide con su número de electrones de valencia (C6 = ls2 2s2 2p2).

METANO (CH4)

1.1.2 REGLA DEL OCTETO

En 1916 Gilbert M. Lewis y Walther Jossel propusieron esquemas muy similares paraexplicar el enlace entre los átomos, pues ambos establecieron que los átomosinteraccionan para modificar el número de electrones en sus niveles electrónicosexternos en un intento de lograr una estructura electrónica similar a la de un gas noble,teoría que se conoce como regla del octeto.

La estructura de un gas noble consta de ocho electrones en el nivel más externo, conexcepción del helio, en los que el nivel completo consiste sólo de los electrones. Así, deacuerdo con la forma más simple de la regla del octeto, los niveles electrónicos másexternos de la mayoría de los átomos, al combinarse, tienden a ganar, perder ocompartir electrones hasta que el número total de electrones es igual a ocho.

¿Qué elementos son considerados como gases nobles?

Lewis y Kossel afirmaron también que todos los gases nobles tienen completos loselectrones en sus órbitas, por lo cual concluyeron que esta estructura explicaba lainactividad química de estos elementos y que la tendencia a lograr estructuraselectrónicas similares a los gases nobles explicaba los enlaces químicos de todos loscompuestos.

H

H

HH C

13

Ejemplos.

El átomo de sodio tiene una energía de ionización baja y puede perder fácilmentesu electrón del subnivel 3s:

ls2 2s2 2p6 3s1 ls2 2s2 2p6 + e-

Átomo de sodio. Ion de Sodio

Observa que la estructura del ion de sodio es igual a al que tiene el gas de neón(Ne10=ls2 2s2 2p6), que tiene gran estabilidad.

Otros elementos ganan electrones para llenar con ocho electrones su último nivel,característica que se presenta con los no metales; por ejemplo, el cloro necesita unelectrón par completar su octeto.

1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 + e- 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

Átomo de cloro Ion de cloro

Figura 1. En este caso, la estructura electrónica del ion de cloro es igual a la del gas noble Argón (Ar 18) (1s2 2s2 2p6 3s2

3p6).

3s1

NaNa

Na

+ EI+ e-

octeto completo

3s2 3p5Cl0

Cl Cl

Cl-

octeto completo

Na +

+ e-

14

a) Representación de Lewis o símbolo electrónico.

Gilbert M. Lewis propuso un sencillo sistema para representar las estructurasmoleculares, el cual establece el uso del símbolo del elemento a utilizar y puntos querepresentan a los electrones de valencia.

Ejemplos

El sodio (Na) tiene 11 electrones, los cuales están distribuidos en las órbitas de Bohr, ycomo la última órbita alberga un electrón, su símbolo de Lewis es:

Na11

1s2 2s2 2p6 3s1

Na

Símbolo de Lewis

En este ejemplo podemos observar que el símbolo Na representa al núcleo del átomojunto con todos sus electrones, excepto la capa u órbita en donde se encuentran loselectrones de valencia, que en este caso es uno.

3s1

Distribución de loselectrones en lasórbitas de Bohr.

Na

15

Otro ejemplo es el de Bromo (Br) que tiene 35 electrones, los cuales están distribuidosen los subniveles, y como la última órbita alberga a siete electrones, su símbolo de Lewises:

Br35

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5

Br

Símbolo de Lewis

Distribución de los electrones delbromo en las diferentes órbitas.

Si tomamos en cuenta el número de los elementos representativos de la tabla periódicay le restamos 10 si es que es mayor de diez, obtenemos el número de electronescorrespondientes al último nivel. Por ejemplo, los elementos representativos de cadagrupo tienen los siguientes símbolos de Lewis:

1 2 13 14 15 16 17 18

H He B C N O F Ne

Nota: En los enlaces químicos podrás observar que la representación que se hace mediante el símbolo deLewis es por medio de puntos ( ) y equis (x), esto con la finalidad de mostrar la cantidad de electronesque se han cedido a un átomo

Br

16

Para cada uno de los siguientes símbolos elabora su configuración electrónica,distribuye los electrones en las órbitas correspondientes (modelo de Bohr), elabora surepresentación de Lewis, y, por último menciona si el átomo tiende a perder o a ganar.

a) Ca20

b) S16

c) Ag47


17

1.1.3 PROPIEDADES PERIÓDICAS DE LOS ELEMENTOS

Algunas propiedades medibles de los átomos muestra una variación periódica en elnúmero atómico, características que se van describiendo mediante la variación depropiedades como el radio atómico, la energía de ionización y la electronegatividad(cabe hacer mención que existen más propiedades), que nos ayudarán a explicar elcomportamiento de los elementos químicos.

a) Radio atómico

Hablar del tamaño de un átomo es bastante impreciso, puesto que la nube electrónicaque rodea al núcleo no posee un límite definido ya que se desvanece gradualmente.Además, no es posible separar, estudiar y medir un átomo aislado; sin embargo, ladistancia del enlace entre los núcleos de dos átomos que se encuentran unidos entre síse pueden medir de varias maneras. De estas distancias de enlaces se derivan losradios atómicos.

El tamaño efectivo de un átomo puede variar según el enlace y el tipo de átomo con elque se encuentran unido; estas variaciones son muy pequeñas. En términos generalesse puede considerar que el radio atómico es la mitad de la distancia entre los núcleos dedos átomos iguales unidas entre sí.

Figura 2. Partiendo de la idea de que el átomo tiene una forma esférica el radio atómico sería de esta manera.

¿Cómo varía el radio atómico en un período?

En general, los radios atómicos de los elementos dentro de un periodo disminuyen alaumentar la carga nuclear (figura 3), disminución que se da porque en la medida en queaumenta la carga positiva en el núcleo se ejerce una fuerza de atracción mayor sobre loselectrones, haciendo que el átomo sea más pequeño. Por lo tanto, el tamaño de losátomos se hacen progresivamente menor de izquierda a derecha dentro de cadaperiodo.*

* Nota. Recuerda que los átomos del tercer periodo van llenando los subniveles 3s y 3p, o sea que sus electrones externosson todos de un nivel n = 3. Así, conforme la carga nuclear se incrementa (hacia la derecha del periodo), el tamaño atómicodesminuye puesto que los electrones son atraídos con mayor fuerza hacia el núcleo.

18

Figura 3. Radio atómico de los elementos del periodo 3. En general, el tamaño de los átomos del periodo disminuye alaumentar la carga nuclear. Un manómetro es de 1 x 10- 9 m.

¿Cómo varía el radio atómico en un grupo?

Si observas con detenimiento a los elementos del grupo 1 (metales alcalinos), podrásidentificar que al aumentar el número atómico aumenta el nivel de energía que ocupa elelectrón más externo y, por lo tanto, el radio atómico, lo cual significa un incremento enel número de protones, es decir, de la carga nuclear completa, factor que tiende adisminuir el tamaño atómico; sin embargo, esto se ve contrarrestado porque el númerode electrones internos aumenta, también, de átomo en átomo en un grupo. Porconsiguiente, en un mismo grupo el radio atómico aumenta de la parte superior a lainferior (figura 4).

0.152 0.186 0.231 0.244 0.262

Figura 4. Radio atómico en la familia de los metales alcalinos. El tamaño de los átomos en una familia aumenta dearriba a abajo, porque cada átomo contiene progresivamente más electrones en un nivel principal de energíamás externo.

Na Mg Al Si P S Cl

0.186 nm 0.160 nm 0.143 nm 0.118 nm 0.110 nm 0.104 nm 0.099 nm

LiCsRbKNa

19

Con ayuda de la tabla periódica ordena de mayor a menor radio atómico los siguienteselementos: Ca, S, Br, Si, Sn.

b) Energía de ionización

Cuando un átomo neutroaislado en su estado fundamental absorbe energía un electrónpuede elevarse de un nivel de energía a otro; pero si se suministra la energíarequerida, el electrón se elimina por completo del átomo, formándose un ionpositivo, proceso que recibe el nombre de ionización y la energía mínima requeridapara llevarlo a cabo se denomina energía de ionización. Por lo demás, el electrón quetiene mayor posibilidad de ser removido de un átomo, es el más lejano.

Cuando un átomo asilado se encuentra esencialmente libre de la influencia de cualquierotro átomo cercano, ello significa que la ionización se realiza en estado gaseoso. Deeste modo, debido a que se puede eliminar más de un electrón de un átomo, la energíarequerida para general el proceso se denomina primera energía de ionización (EI1).

M(g) + EI1 M+ (g) + e-

Asimismo, la segunda energía de ionización (EI2) es la que se requiere para remover unsegundo electrón, es decir:

M+ (g) + EI2 M2 + (g) + e-

La energía de ionización se acostumbra expresarla en kilojoules por mol, lo quecorresponde a la energía necesaria para ionizar un mol de átomos. Por ejemplo:

Para una primera ionización del sodio:

Na + 496 KJ/mol Na+ (g) + e-

Para una segunda ionización del sodio:

Na+ + 4 565 KJ/mol Na2+ (g) + e-


20

El valor de la energía de ionización depende de varios factores.

La carga nuclear. Como la carga nuclear atrae a los electrones, es más difícil separarun electrón de un átomo con número atómico grande en un mismo periodo (tabla 1).

Radio atómico. Mientras más alejando esté un electrón de su núcleo, resulta más fácilsepararlo del átomo, ya que la atracción es inversamente proporcional al cuadrado de ladistancia, situación que se observa en un mismo grupo (tabla 1).

Efecto pantalla o protector. Los electrones internos de un átomo evitan que el núcleoatraiga con toda su efectividad a los electrones más externos. Por lo tanto, a mayorcantidad de electrones internos mayor efecto pantalla, y, por lo tanto, será más fácilseparar a un electrón (tabla 2).

Tabla 1. Energías de ionización de algunos elementos*

Cantidades necesarias de energía (kJ/mol)Elemento 1o. e- 2o. e- 3o. e- 4o. e 5o.e-

H

He

Li

Be

B

C

En

Nao

1 312

2 372

520

900

800

1 088

2 080

496

5 427

7 297

1 757

2 430

2 352

3 962

4 565

11 810

14 845

3 659

4 619

6 276

6 912

21 000

25 020

6 222

9 376

9 540

32 810

37 800

12 190

13 355

*Los valores se expresan en kilojoules por mol, mostrando las energíasnecesarias para sacar de uno a cinco electrones por átomo. Las cantidadessubrayadas indican la energía necesaria para sacar un electrón de unaestructura electrónica de gas noble.

21

Tabla 2. Primeras energías de ionización en un grupo y en un periodo (los valores de laenergía de ionización están en KJ/mol).

Li3520

Be4900

B5800

C61 086

N71402

O81 314

F91 681

Ne102 080

Na11496K19419Rb37403Cs55376

De acuerdo con la tabla 1, explica por qué para eliminar un electrón de la última capa deflúor se necesita más energía de ionización que para eliminar un electrón de la últimacapa de sodio.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) Electronegatividad

La electronegatividad es un índice que representa la tendencia de un átomo paraatraer hacia sí electrones cuando se encuentran en un enlace químico. Esta teoríafue propuesta en 1932 por el químico estadounidense Linus Pauling, quien ademásdestacó que la distribución de la nube electrónica de los electrones que forman unenlace varía, pues si A y B son dos elementos con electronegatividad semejante,ninguno de los dos atrae hacia sí los electrones de enlace:

A B

disminuye

aumenta


22

Por el contrario, si A es más electronegativo que B, entonces los electrones deenlace se carga hacia él.

A x B

Linus Pauling también desarrolló una escala de electronegatividades relativas, en la quese asignan un valor de 4.0 al flúor, que es el elemento más electronegativo de la tablaperiódica.

En la siguiente tabla se puede observar que la electronegatividad relativa de los nometales es alta y la de los metales es baja: esta electronegatividad indica que los átomosde los metales tienen mayor probabilidad de perder electrones que los átomos de los nometales, pues mientras mayor sea el valor de la electronegatividad, mayor es laatracción hacia los electrones de enlace.

Es importante mencionar que en este caso los gases nobles no participan en laelectronegatividad.

24

1. ¿Por que el radio atómico de los elementos de un mismo periodo disminuye deizquierda a derecha?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Qué factores influyen en la energía de ionización?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Con ayuda de la tabla de las propiedades periódicas (página anterior), orden demayor a menor electronegatividad los siguientes elementos: Oxígeno (O8), Sodio(Na11), Azufre (S16), Criptón (Kr36), Bario (Ba56) y Carbono (C6). Si alguno de loselementos no cuenta con electronegatividad argumente porque.

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

¿Por qué? _______________________________________________________________________________________________________________________________

4. De todos los elementos del segundo periodo (Li3 hasta Ne7) indica:

a) Cuál tiene mayor electronegatividad?_____________________________________________________________________________________________________

b) ¿Cuál el menor radio atómico? __________________________________________________________________________________________________________

c) ¿Cuál es el metal más activo?___________________________________________________________________________________________________________

d) ¿Cuál tiene la mayor energía de ionización? _______________________________________________________________________________________________


25

El enlace químico es el resultado de la unión que se da entre dos o más átomos. Sinembargo, los responsables de que dicho enlace se lleve a cabo son los electrones devalencia, los cuales se localizan en el último nivel de energía de cada átomo. Alrespecto, Gilbert M. Lewis y Walter Jossel en 1916 plantearon que la mayoría de losátomos tenían la propiedad de ceder o recibir electrones, de tal manera que su últimaórbita tenga 8 electrones. A este planteamiento se le conoce como la regla del octeto.

Tiempo después, Lewis propuso una forma de hacer una representación atómica, endonde se hacía énfasis en los electrones de valencia.

Sin embargo, para poder entender qué es lo que sucede en cada uno de los diferentesenlaces se requiere conocer las propiedades que tiene cada uno los elementos queintervienen, por lo tanto se recomiendan algunas de ellas: radio atómico, energía deionización y electronegatividad.


26

1.2 TIPOS DE ENLACE

En ocasiones, la forma en que los átomos completan sus octetos es mediante lacompartición de electrones, lo que se observa en

Elemento Enlace

Nax + Cl Na+ xCl -

Así los enlaces químicos se clasifican en :

iónico o electrovalente

puroEnlace químico covalente polar

coordinado

metálico

(En este capítulo estudiaremos dos tipos: de enlace el enlace iónico o electrovalente y elenlace metálico)

1.2.1 ENLACE IÓNICO O ELECTROVALENTE

Cuando un metal reacciona con un no metal para adquirir la estructura de un gasnoble inmediato, se transfieren uno o más electrones de los átomos del metal a losátomos del no metal y se forman un enlace iónico o electrovalente; los átomos de losmetales se convierten en iones positivos o cationes por la pérdida de electrones, y losátomos de los no metales, al ganar electrones, forman iones negativos o aniones; losiones formados se atraen entre sí y se forma un enlace de naturaleza eléctrica. Porejemplo:

Ca O

Elemento Configuración Electrónica Símbolo electrónico

Ca20 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 Ca

O8 1s2 2s2 2p4 O

Ca + O Ca2+ O 2-xx

xx

27

Como se observa en este ejemplo el calcio (Ca20) cede los dos electrones que seencuentran en la órbita más externa, en tanto que el átomo de oxígeno (O6) incorporaestos dos electrones a su último nivel, quedando el calcio con una carga positiva y eloxígeno de forma contraria. Por lo tanto, podemos decir que el enlace iónicoelectrovalente se debe a la atracción electrostática de iones de signos contrarios, queresulta de la transferencia de electrones de un átomo a otro. En la reacción, el númerototal de electrones perdidos por los átomos de calcio involucrados en la reacción debeser igual a el número total de electrones ganados por los átomos de oxígeno por loconsiguiente el número de iones positivos y negativos es el mismo. Estos iones seatraen mutuamente y forman un cristal.

El ion (la palabra proviene del griego y significa caminante) se utiliza para designar a unátomo o grupo de ellos cuando se encuentran cargados positiva o negativamente porhaber ganado o perdido electrones. Asimismo, al formarse los iones, los átomos secomportan de acuerdo con la regla del octeto. Tomemos como ejemplo los átomos depotasio (K) y cloro (Cl) representando su nivel exterior.

K Cl

El potasio cumple con la regla del octeto al perder el electrón del nivel exterior, formandoel ion potasio con carga positiva, K+.

K + El K+ + e-

catión

El cloro, al ser el receptor del electrón que perdió el potasio, cumple con la regla elocteto y completa con ocho los electrones del último nivel de energía, con lo cual seformará el ion cloruro, Cl-.

Los iones se enlazan como un conjunto y se arreglan en el estado sólido, siguiendo unpatrón tridimensional que forma una red cristalina, en donde los iones positivos ynegativos ocupan posiciones específicas de acuerdo con su tamaño y carga.

28

El berilio (grupo 2) y el flúor (grupo 7) reaccionan entre sí para formar fluoruro de berilio(BeF2) de manera análoga al sodio y al cloro, pero con la diferencia de que el átomo deberilio cede los dos electrones y cada flúor acepta sólo uno.

fórmula: Be F2

Representación de Lewis Be , F F1

Enlace iónico

1- 1-

Be + 2 F F Be 2+ F

Como se observa, el cloro y el flúor son elementos con un comportamiento semejante alunirse a los metales, pues ambos ganan un electrón formando iones negativos, lo cualdemuestra que los elementos de una misma familia actúan en forma similar.

De manera conjunta podemos decir que un enlace iónico o electrovalente se formaentre elementos de baja electronegatividad (que ceden electrones) con otros de altaelectronegatividad (ganan electrones); arbitrariamente se ha fijado que la diferencia deambas electronegatividades deben ser mayor que 1.7 para que el enlace que seforme se considere iónico.

Na (sodio) 0.9 3.0 -0.9 = 2.1

Cl (cloro) 3.0 Diferencia deelectronegatividades

Be (berilio) 1.5 4.0 - 1.5 = 2.5F (flúor)4.0 Diferencia de

electronegatividades.

a) Propiedades de los enlaces iónicos o electrovalentes.

Por lo general, los compuestos iónicos o electrovalentes son sólidos a temperaturaambiente, con punto de fusión y ebullición altos, con frecuencia superiores a 500º C,lo cual se debe a la gran cantidad de energía que se necesita suministrar para vencerlas grandes fuerzas electrostáticas atractivas entre los iones de carga opuesta.

1Esta representación se puede expresar, también, de la siguiente manera 2 F

29

Los compuestos iónicos, por otra parte, son buenos conductores de la energíacuando están fundidos o en solución acuosa, ya que los iones tienen la libertad demovimiento características de un líquido, aunque en estado sólido son malosconductores porque los iones permanecen inmóviles. Asimismo, gran parte de loscompuestos iónicos son solubles en disolventes polares como el agua y, en general, soninsolubles en solventes no polares orgánicos (éter, hexano).

1. ¿Qué es un enlace químico y de qué depende su formación?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Cita la regla de octeto.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Indica si tienden a aceptar, ceder o compartir electrones los elementos que tienen:

a) Electronegatividad muy baja, como los metales. ___________________________b) Electronegatividad muy alta, como los no metales._________________________

4. Para cada una de las siguientes fórmulas realiza: su configuración electrónica, aplicala regla del octeto, elabora su representación de Lewis, desarrolla el enlace iónico y,por último, señala que elemento es catión y cuál anión.

Li2 O

Mg Cl2

Cs I


30

1.2.2. ENLACE METÁLICO

El enlace metálico es entendido como la unión de dos o más metales. En estesentido, las propiedades físicas y químicas de los metales no pueden explicarse pormedio de la formación de enlaces iónicos o covalentes. Por tanto, un metal estáformado por una red rígida de iones positivos sumergidos en una nube de electroneslibres (electrones deslocalizados).

Figura 5. Representación gráfica de una nube de electrones libres.

a) Propiedades de los metales

Los metales son en su mayoría sólidos a temperatura ambiente, con excepción delmercurio y del galio que son líquidos. Las propiedades de los metales se clasifican enfísicas y químicas.

Propiedades físicas

1. Son buenos conductores del calor y de la electricidad.

2. Son maleables (se moldean con facilidad y se pueden laminar).

3. Son dúctiles (se estiran con facilidad y se pueden hacer hilos como los alambresconductores).

4. Presentan brillo metálico.

5. Son sustancias duras con elevados puntos de fusión.

Propiedades químicas

1. Los metales tienden a perder o donar electrones cuando se combinan, adquiriendouna o más cargas positivas.

2. Cuando se combinan con el oxígeno, forman óxidos básicos.

3. Con los no metales forman sales.

4. Con el hidrógeno forman hidruros.

31

Aplicación de algunos metales en la vida cotidiana

Plomo

Se utiliza para construir las placas de los acumuladores. Al fundirse con el litio se forman placas de muy alta densidad, por lo que se usan parahacer protectores contra la radiactividad.

Oro

Acuñación de monedas Manufactura de joyas Prótesis dentales Base del sistema monetario Chapeado de piezas metálicas.

Plata

Acuñación de monedas Fabricación de utensilios Plateado de los espejos Fabricación de sales empleadas en fotografía, como el bromuro de plata Objetos de orfebrería artística.

Cobre

En la industria eléctrica para fabricación de conductores eléctricos y componentes paraaparatos electrónicos.

Electrónicos. Se emplea en calderas Fabricación de aleaciones como latones o bronces Conductores de calor.

Aluminio

Como conductor eléctrico en lugar del cobre por su menor peso Sus aleaciones se usan en motores de combustión interna en los pistones. En láminas, perfiles, varillas, tubos y molduras.

32

b) Propiedades de los no metales

A manera de información te presentamos algunas de las características de los nometales, que (de igual manera) te pueden servir para hacer contrastes o identificar lasdiferencias que existen con los metales.

Los no metales se encuentran en la naturaleza en los tres estados de agregación:sólido, líquido y gaseoso a temperatura ambiente, sus propiedades se clasifican enfísicas y químicas.

Propiedades físicas

1. No tienen aspecto ni brillo metálico2. No son dúctiles, ni maleables, ni tenaces, más bien son quebradizos en su fase

sólida.3. son malos conductores del calor y de la electricidad.

Propiedades químicas.

1. Los no metales al reaccionar ganan electrones y, por lo tanto, adquieren una o máscargas negativas.

2. Al combinarse con el oxígeno forman óxidos ácidos3. Con los metales forman sales.

Por otro lado, una de las propiedades de los metales es su gran capacidad para conducirla energía eléctrica, facilidad de conducción que nos indica que en los metales existenelectrones de valencia circulando en libertad por ciertos niveles de energía del conjuntode átomos que forma el trozo metálico. Así, el enlace metálico nos permite explicar latenacidad, la alta densidad, la maleabilidad y la ductibilidad de los metales.

La alta conductividad2 eléctrica y calorífica de los metales se debe al enlace metálico.Asimismo, el hecho de que los electrones circulen libremente por el metal nos indica quealgunos de los electrones de los átomos metálicos no pertenecen a un átomo enparticular, sino al sólido entero. Si uno de los extremos de una pieza metálica secalienta, los electrones de esa zona se mueven más rápido que los electrones de lazona fría y muy pronto alcanzarán el extremo frío, calentándolo a su vez. Así, elmovimiento de los electrones de valencia en los metales y su intercambio deenergía cinética son análogos al movimiento de las moléculas de un gas.

Un metal consta de iones cargados positivamente , fijos en la red metálica, conelectrones que se mueven con libertad a través del sólido y actúan como una fuerza decohesión, sin la cual los iones positivos se repelerían, por ello se dice que los electronesmóviles son responsables del enlace metálico.

2 En este caso, la conductividad está relacionada con la propiedad que tiene el metal para permitir el paso de calor oelectricidad.

33

Los metales se caracterizan, además, por ser sólidos y no volátiles, con excepción delmercurio; sus puntos de fusión se encuentran comprendidos en un intervalo muy amplio,pues van desde temperaturas ligeramente superiores a la del ambiente hasta los milesde grados, ejemplo que tenemos en:

Cs con punto de fusión de 29º CW con punto de fusión de 3 380º C

Sus electrones libres son responsables de que sean excelentes conductores de lacorriente eléctrica y del calor, así como de la capacidad de reflejar la luz, lo cual losprovee de su característico brillo metálico.

Dependiendo de los elementos que intervengan en una mezcla o en un compuesto sepuede saber si se esta llevando a cabo un enlace iónico o un enlace metálico, en elprimer caso encontramos que ocurre cuando un metal reacciona con uno no metal,dándose como resultado una red de cristales, los cuales tienen punto de fusión y deebullición elevado cuando son sólidos; enlaces metálicos, éstos se identifican cuando sepresenta de manera líquida o acuosa son buenos conductores. En lo que se refiere alos enlaces metálicos, estos se identifican cuando uno o mas metales se unen, loscuales tienen la propiedad de ser buenos conductores de calor, presentan brillo,etcétera.


34

“ENLACES IÓNICOS Y METÁLICOS” (OBLIGATORIA).

Objetivo

Identificar algunas propiedades en metales y compuestos iónicos de maneraexperimental para relacionarlos con el tipo de enlace que presentan.


1) ¿Cuál es el concepto de enlace químico? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿Cómo se forma el enlace iónico? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Cómo se forma el enlace metálico? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) ¿Cuáles son las características de los compuestos que presentan enlace iónico?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) ¿Cuáles son las propiedades derivadas del enlace metálico? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


35

Experimento I

Objetivo

Determinar la conductividad de algunas sustancias para relacionarlas con el enlace quepresentan.

¿Qué necesitas?


☞ 1 circuito eléctrico con socket y foco ☞ 2 g de cloruro de sodio☞ 4 vasos para precipitado de 100 ml ☞ 2 g de bromuro de sodio☞ 1 probeta de 50 mL ☞ 2 g de yoduro de potasio

☞ 1 lámina de cobre☞ 1 lámina de zinc☞ 1 lámina de aluminio☞ 1 lámina de plomo☞ 1 lámina de niquel☞ 1 lámina de hierro☞ 200 mL de agua destilada.


La indicada para trabajar con un circuito eléctrico y con material de vidrio.

¿Cómo hacerlo?

Instala el circuito eléctrico y comprueba su funcionamiento.

Figura 6. Circuito eléctrico.

ElectrodosAgua

36

Numera los vasos de precipitado de 1 al 4 y coloca en ellos las sustancias como seindica en la figura 7.

Figura 7. Soluciones iónicas para la conductividad eléctrica.

Introduce los electrodos del circuito en el vaso 1 cuidando que no se junten, observa quepasa al foco y regístralo. Saca los electrodos del vaso y enjuágalos.

Repite el procedimiento con los vasos 2 al 4.

Coloca un electrodo del circuito eléctrico en un extremo de la lámina de cobre y el otroelectrodo en el otro extremo. Observa que pasa al foco y regístralo en al tabla anexa.

Repite el procedimiento con las otras láminas.

Hipótesis

Una vez que haz revisado el procedimiento elabora una hipótesis, haciendo énfasis en larelación de la conductividad de las sustancia y el tipo de enlace que se presenta.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


Anota tus observaciones en la siguiente tabla.

SUSTANCIAS CONDUCE LAELECTRICIDAD

SI / NO¿POR QUÉ?

AGUADISOL. DE CLORURO DE SODIODISOL. DE BROMURO DE SODIODISOL. DE YODURO DE POTASIOCOBREHIERRONIQUELZINCPLOMOALUMINIO

37

Experimento II

Determinar la solubilidad de algunas sales para relacionarla con el tipo de enlace quepresentan.

¿Qué necesitas?


☞ 9 tubos de ensaye 10 x 100 mm ☞ 1.5 g de cloruro de sodio☞ 1 gradilla ☞ 1.5 g de bromuro de sodio☞ 3 probeta de 10 mL ☞ 1.5 g de yoduro de potasio

☞ 15 mL de agua☞ 15 mL de tetracloruro de carbono☞ 15 mL de etanol


La indicada para trabajar con material de vidrio.

Tetracloruro de carbono.- Líquido incoloro muy volátil e inflamable, irrita los ojos, seabsorbe por la piel, muy tóxico al ingerirse, su inhalación provoca dolor de cabeza,confusión, depresión, náuseas y vómito

Etanol líquido.- Líquido incoloro, muy volátil, inflamable, de olor agradable, poco tóxicopor ingestión.

¿Cómo hacerlo?

Numera los tubos del 1 al 9 y coloca en cada una 0.5 g de las siguientes sustancias.

Tubos

1, 4 y 7 0.5 g de cloruro de sodio2, 5 y 8 0.5 g de bromuro de sodio3, 4 y 9 0.5 g de yoduro de potasio

Agrega.

5 mL de agua a los tubos 1, 2 y 35 mL de tetracloruro de carbono a los tubos 4, 5 y 65 mL de etanol a los tubos 7, 8 y 9

Agita suavemente cada uno de los tubos y observa si se disolvió el sólido, regístralo

38

Precaución

Recuerda que el tetracloruro de carbono es muy tóxico evita su inhalación y su contacto,si sufres alguna salpicadura o derrame llama inmediatamente a tu asesor o al conductorde laboratorio.

Hipótesis

Elabora una hipótesis en relación a la solubilidad y al tipo de enlace que presentan lassustancias.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


Registra la solubilidad observada en cada uno de los tubos en la siguiente tablautilizando el código.

M: muy soluble R: poco soluble N: nada soluble

Disolvente sólido Agua Tetracloruro deCarbono

Etanol

Cloruro de sodioBromuro de sodioYoduro de potasio


1) ¿Qué tipo de enlaces presenta el agua? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿Cómo es la polaridad de la molécula del agua? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Qué tipo de enlaces presenta el tetracloruro de carbono? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

39

4) ¿Cómo es la polaridad de la molécula de tetracloruro de carbono? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) ¿Qué tipo de enlaces presenta el etanol? ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6) ¿Cómo es la polaridad de la molécula del etanol? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

7) ¿Qué tipo de enlace presentan el cloruro de sodio, el bromuro de sodio y el yoduro depotasio?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusión

A partir de los resultados obtenidos ¿qué puedes concluir sobre los tipos de enlaces?_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

40

En este esquema podrás identificar los conceptos más importantes y la secuencia con laque se desarrolló el capítulo, lo cual te permitirá hacer una síntesis del mismo.

ENLACE IÓNICO YMETÁLICO

ENLACE QUÍMICO TIPOS DE ENLACE

ELECTRONESDE VALENCIA

REGLA DELOCTETO

PROPIEDADESPERIÓDICAS DE

LOS ELEMENTOS

IÓNICOSELECTROVALENTE

METÁLICOS

REPRESENTACIÓNDE LEWIS

PROPIEDADES PROPIEDADES

RADIOATÓMICO

ELECTRONEGATIVIDAD

ENERGÍA DE IONIZACIÓN QUÍMICASFÍSICAS

el cual sedivide en

consta de

empleando la algunas de ellas son el que menciona sus y sus

que son

RECAPITULACIÓN

son

41

Estas actividades tienen como finalidad que apliques los conocimientos adquiridos con elestudio de este capítulo.

Lee con atención las siguientes preguntas y marca con una “x” la opción que considerescorrecta.

1. La electronegatividad se define como la capacidad que tiene un elemento de:

a) Ceder electrones en los enlaces.b) Atraer electrones en un enlace.c) Atraer neutrones.d) Atraer protones.

1. ¿En cuál de los siguientes compuestos se presenta enlace iónico?

a) NH3b) LiFc) Cl2d) O2

3. De los siguientes conceptos ¿cuál no es una propiedad periódica?

a) Energía de ionización.b) Afinidad electrónica.c) Electronegatividad.d) Valencia.

4. Los compuestos con enlace iónico:

a) En estado sólido conducen la corriente eléctrica.b) Tienen bajos puntos de fusión y ebullición.c) Forman moléculas bien definidas.d) Forman redes iónicas.

5. Una característica del enlace metálico es tener electrones:

a) Deslocalizados.b) Compartidos.c) Apareados.d) Libres.


42

6. En una sal como el fluoruro de potasio (KF) podemos suponer (dada la grandiferencia de electronegatividad entre el potasio y el flúor) que se encuentra presenteun enlace:

a) Electrovalente.b) Covalente.c) Metálico.

7. Los iones con carga eléctrica negativa se llaman:

a) Cationes.b) Cátodos.c) Aniones.d) Ánodos.

8. Los átomos se reúnen compartiendo, cediendo o ganando electrones para completarel último nivel con un número de electrones igual a:

a) 6.b) 8.c) 18.d) 32.

9. Cuando un compuesto presenta un elevado punto de fusión, se debe a que tieneenlaces:

a) De hidrógeno.b) Covalentes.c) Iónicos.

10.Una sustancia que sólo conduce la corriente eléctrica cuando está fundida o ensolución presenta enlaces:

a) Covalentes.b) Metálicos.c) Iónicos.

11. Conforme a la teoría de Pauling, el flúor tiene una electronegatividad de 4.0 y elfrancio de 0.7. ¿Qué tipo de enlace formarán estos elementos?

a) Covalente.b) Metálico.c) Iónico.

12. Los compuestos unidos por enlace metálico se caracterizan por ser:

a) Malos conductores del calor.b) Poco dúctiles.c) Maleables.d) Solubles.

43

A continuación se presentan las respuestas de las Actividades Integrales, verifica tusresultados.

1. b) 7. c)

2. b) 8. b)

3. d) 9. c)

4. d) 10. c)

5. d) 11. c)

6. a) 12. c)

AUTOEVALUACIÓN

45

ENLACE COVALENTE

2.1 MODELOS DE LEWIS EN ELEMENTOS NO METÁLICOS

2.1.1 Modelo de Enlace Covalente2.1.2 Excepciones a la Regla del Octeto2.1.3 Electronegatividad y Polaridad

2.2 ESTRUCTURA MOLECULAR

2.3 ENLACE COVALENTE EN LOS COMPUESTOS DE CARBONO

2.3.1 Grupos Funcionales

CAPÍTULO 2

47

Qué vas a aprender.

En este capítulo identificarás el modelo covalente y su aplicación en la formación demoléculas.

Cómo lo lograrás.

Mediante la realización de actividades experimentales y realizando reflexiones sobre elcontenido

Para qué te va a servir.

Para comprender los diferentes fenómenos que se presentan en los enlaces químicos,principalmente en aquellos que se derivan de los hidrocarburos.

P R O P Ó S I T O

49

CAPÍTULO 2. ENLACE COVALENTE

2.1 MODELO DE LEWIS EN ELEMENTOS NO METÁLICOS

Recuerda que en el modelo de Lewis se infiere la estructura de los átomos a partir de sucomportamiento químico y se utiliza para explicar de la mejor manera posible, laspropiedades que presentan, cuando se combinan entre sí.

Lo primero que se debe considerar es que las características de los átomos aisladospermitirán predecir la manera en que formarán compuestos. Asimismo, elcomportamiento químico de los elementos tiene relación con los electrones del nivel deenergía más externo de los átomos, los cuales se denominan electrones de valencia, yparticipan en la formación de los compuestos.

En el capítulo anterior se estudió que los modelos atómicos de Lewis son unarepresentación sencilla, en donde, primero se anota el símbolo del elementocorrespondiente, y posteriormente se señalan los electrones de valencia, alrededor deéste, ya sea con puntos (.) o con equis (x). Esto es lo que se conoce como estructura deLewis.

Si se le considera que el número de electrones de valencia, para el elementorepresentativo, corresponde al número del grupo al que pertenece en al tabla periódica(restando 10 si el grupo es mayor a diez), de acuerdo con el modelo de Lewis el litio (Li3)pertenece al grupo 1 y se representa de la siguiente manera.

Su configuración electrónica es:

Li3 1s2 2s1, en donde su número de electrones de valencia es 1.

Por tanto, la estructura de Lewis es:

Li o Li

¿Cuál será la estructura de Lewis para los elementos del sodio (Na11) y el argón (Ar18)?

50

2.1.1 MODELO DE ENLACE COVALENTE

Se dice que hay una unión química entre dos átomos cuando las fuerzas que actúanentre ellos son tan grandes que permiten la formación de un agregado con suficienteestabilidad para que se le considere una especie molecular independiente. Lo primeroque debe examinar es la naturaleza de las fuerzas que actúan entre estos átomos.Recuerda que en el modelo de enlace iónico, las fuerzas se deben a la atracciónelectrostática entre dos iones de cargas opuestas, los cuales se formaron por latransferencia de electrones entre átomos con diferente electronegatividad de tal maneraque los átomos adquieren, al combinarse, la estructura electrónica estable de los gasesnobles.

¿Cómo se combinan los átomos de los elementos que tienen similar electronegatividad?

Lewis propuso que para adquirir estos átomos una estructura electrónica establedeberían compartir un par o más de electrones con otro átomo. Esta unión seconoce con el nombre de enlace covalente, un ejemplo de ello es la molécula del agua(H2O), en donde el oxígeno (ubicando en el grupo 16) puede llenar un octeto al compartirun electrón con cada hidrógeno:

H O H H O

H

x electrones de valencia del hidrógeno• electrones de valencia del oxígeno En la molécula de tetracloruro de carbono (CCl4) cada átomo de cloro comparte un parde electornes con el carbono, con el objeto de que todos los átomos adquieranestructura de gas noble.

¿Cuál sería la estructura de Lewis de las siguientes moléculas: dióxido decarbono (CO2), metanol (CH3-OH), Oxígeno (O2) y metano (CH4)?

o también se puede respresentarde la siguiente manera

Cl C Cl

Cl

Cl

x Electrones de valencia cloro Electrones de valencia del carbono

51

En 1874 Jacobus Van´t Hoft y Joseph Le Bel señalaron que los cuatro enlaces delcarbono están dirigidos hacia los vértices de un tetraedro en la mayoría de suscompuestos. Con base en esta teoría Lewis propuso una estructura diferente para loscompuestos del carbono, en la que los cuatro pares de electrones se distribuyen en unarreglo tetraédrico.

Estructura de Jacobus para el carbono Estructura de Lewis para el carbono

Figura 8.

Aunque Lewis aceptó que su modelo tenía limitaciones, puesto que no explicabamuchos fenómenos, lo cierto es que interpreta satisfactoriamente multitud de evidenciasexperimentales de tipo químico, especialmente de los compuestos del carbón, el cualsatisface la regla del octeto en las moléculas donde participa. Por ello gran parte de laQuímica puede abordarse con el uso exclusivo de este modelo. Otra modificación almodelo de Lewis consiste en indicar con una línea a los pares de electrones, en especiallos de enlace. Para lo cual te proponemos llevar a cabo la siguiente secuencia.

a) Mostrar la estructura de Lewis, en donde se cumpla la regla del octeto.

b) Representar con una línea los pares de cada enlace

A continuación te presentamos un ejemplo de la molécula de cloroformo (CHCl3)

Se escriben todos los Los pares de enlace con Todos los pares no Los pares (líneas) no electrones de valencia una línea enlazantes con línea enlazantes se eliminan

Cl C H

Cl

Cl

CCl H

C

Cl

C H

Cl

Cl

Cl

C H

Cl

Cl

Cl

52

Considerar que los átomos de una molécula tenderán a acomodarse, de tal forma quetodos adquieran una configuración estable a la cual corresponde a ocho electrones o loque se conoce como la regla del octeto. (Cabe hacer mención que cuando un átomotiene un número de electrones de valencia de 1, 2 ó 3 éste pueda perder electrones;pero si este número es de 4 podrá ganar o perder electrones, esto estará en funciónde con quién se una; y si el número de electrones de valencia es de 5, 6 ó 7 el átomoganará electrones hasta completar ocho electrones), por ejemplo, para un compuestoformado por dos átomos A y B se podrán tener las siguientes posibilidades.

Átomos A y B

1. enlace sencillo 2. enlace doble 3. enlace triple

Es posible el primer caso si se tiene un total de 14 electrones de valencia; el segundorequiere 12 electrones de valencia y el tercero 10; por lo tanto, el número de electronescompartidos entre dos átomos es de 8(2)-e, donde e es igual al número total deelectrones de valencia.

Otro ejemplo es la molécula de etanol (C2 H6O), que es el alcohol de las bebidas y el demás uso en la mesa:

Primero se escriben las estructuras de Lewis para cada átomo, los que se colocan enforma simétrica.

En seguida se reordenan los electrones y se forma un enlace covalente entre cada parde átomos.

Observa que hay sólo dos enlaces dobles entre octetos: uno es el C-C y el otro el C-O.

A BA B A B

H C C O H

H

H

H

H

CH C O H

H

H H

H

53

Posteriormente se distribuyen los electrones restantes, de tal forma que cadaelemento tenga o complete ocho electrones, excepto el hidrógeno que sólo tiene dos.Por último, se verifica que el número de electrones de valencia sea veinte, ya que no sedeben agregar ni eliminar éstos durante el proceso. Asimismo, si no hay suficienteselectrones para formar los octetos, se distribuirán los electrones no compartidospara formar enlaces dobles y triples.

Veamos ahora la estructura de Lewis para el ácido sulfúrico (H2SO4):

a) Como primer paso se coloca el átomo de azufre (s) en la parte central.

b) Posteriormente se colocan los oxígenos (O) alrededor del azufre (de manerasimétrica).

c) Por último, los hidrógenos (H) se unen con dos de los oxígenos.

Estructura de Lewis para cada átomo Enlaces covalentes

Figura 9.

Como se advierte, la única forma de que los átomos de oxígeno y azufre cumplan con laregla del octeto es que el azufre proporcione los dos electrones de cada enlace entre losátomos de oxígeno que no están enlazados a átomos de hidrógeno. A éste se le llamaenlace covalente coordinado, es decir, se forma cuando los electrones proporcionan unosolo de los átomos que participan en la formación del enlace. Éste puede representarsecon una flecha que va del átomo que aporta el par de electrones del enlace.

En donde: O ↑ H O S O H ↑ ó ↓ Representan enlaces covalentes coordinados ↓

Representa un enlace covalente simple.

Esta representación se hace por conveniencia, no porque el enlace coordinado seadiferente de los demás enlaces covalentes.

¿Cómo representaría un enlace doble o triple?

SH HO O

O

O

SH HO O

O

O

54

Veamos otro ejemplo con la molécula del ácido nítrico (HNO3).

Primero se escriben las estructuras de Lewis para cada átomo, colocándolos en formasimétrica.

A continuación se aplica la regla del octeto, en este caso se observará que los enlacesN-O han de ser dobles. Por lo consiguiente distribuiremos los electrones restantes, detal forma que cada elemento tenga o comparta ocho electrones, excepto el de hidrógenoque tendrá dos:

Por último, se verifica que el número de electrones de valencia sea el correcto, ya queno debemos eliminarlos ni agregarlos durante el desarrollo. Generalmente el átomo queproporciona los electrones en enlace covalente coordinado tiene, al menos, un par deelectrones de valencia no compartidos, por lo que los átomos de oxígeno y nitrógenoforman con frecuencia estos enlaces.

Teniendo en cuenta a la estructura de Lewis y aplicando la regla del octeto¿cómo sería el enlace covalente del amonio (NH4+)?.

Por otra parte, si la molécula está cargada, antes de reordenar los electrones se añadeun electrón por cada carga negativa al átomo más electronegativo (ver más adelante) orestamos un electrón por cada carga positiva al átomo menos electronegativo,colocamos la estructura entre paréntesis e indicamos la carga fuera de éste; porejemplo, para el ion amonio (NH4

+) tenemos :

O OH

NO O

O

H

Enlacessencillos

Enlacedoble

Enlacecoordinado

N

O

55

Escribe las estructuras de Lewis e indica el tipo de enlace entre cada dos átomos de lossiguientes fórmulas:

CO2 H2 O2 H3 O

CH4 CCl4


átomos con sus electronesde valencia ordenadossimétricamente

eliminar un electrón paraconsiderar la carga + ycolocamos el paréntesis

NH H

H

H

Observa como en este caso el átomo dehidrógeno (H) cede el espacio y elátomo de nitrógeno (N) cede electrones.

NH H

H

H

56

2.1.2 EXCEPCIONES A LA REGLA DEL OCTETO

Hay elementos cuyos átomos no cumplen con la regla del octeto, y en este caso seencuentran:

1. Átomos centrales que tienen menos de ocho electrones de valencia y pertenecen agrupos 2 y 3. Por ejemplo, el berilio (Be) el boro (B) y el aluminio (Al), en moléculascomo:

Berilio con cuatro electrones Boro con seis electrones Aluminio con seis electrones

2. Átomos centrales con más de ocho electrones de valencia, éstos pertenecen a losgrupos 13, 14, 15, 16 o mayores. Los casos típicos son fósforo (P), azufre (S) yxenón (Xe), en las moléculas.

azufre con doce electrones xenón con doce electrones

3. Átomos que tienen número impar de electrones de valencia, como el nitrógeno y elcloro. Por su rareza estos compuestos reciben el nombre de paramagnéticos portener electrones desapareados. Las estructuras de Lewis se escriben con un arreglolo más cercano al octeto; por ejemplo, el monóxido de nitrógeno (NO):

Be ClCl B FF

F

Cl Al Cl

Cl

F F

F F

F FS

F

F

F FXe

N O

57

2.1.3 ELECTRONEGATIVIDAD Y POLARIDAD

Cabe recordar el concepto de electronegatividad: es la medida relativa de la capacidadque tiene un átomo de atraer los electrones en un enlace químico. Aunque laelectronegatividad de un elemento cambia ligeramente dependiendo del compuesto enque se halle. De acuerdo a la escala de Puling te presentamos los siguientes valores:

Valores de electronegatividad de los átomos

H21

no metales

Li1.0

Be1.5

aumenta B2.0

C2.5

N3.0

O3.5

F4.0

Na0.9

Mg1.2

Al1.5

Si1.8

P2.1

S2.5

Cl3.0

K0.8

Ca1.0

Sc1.3

Ti1.5

V1.6

Cr1.6

Mn1.5

Fe1.8

Co1.8

Ni1.8

Cu1.9

Zn1.6

Ga1.6

Ge1.8

As2.0

Se2.4

Br2.8

Rb0.8

Sr1.0

Y1.2

Zr1.4

Nb1.6

Mo1.8

Tc1.9

Ru2.2

Rh2.2

Pd2.2

Ag1.9

Cd1.7

In1.7

Sn1.8

Sb1.9

Te2.1

I2.5

Cs0.7

Ba0.9

La-Lu1.1-1.2

Hf1.3

Ta1.5

W1.7

Re1.9

Os2.2

Ir2.2

Pt2.2

Au2.4

Hg1.9

TI1.8

Pb1.8

Bi1.9

Po2.0

At2.2

Fr0.7

Ra0.9

Ac1.1

Th1.3

Pa1.5

U1.7

Np-Lr1.3

Observa que la electronegatividad de los átomos aumenta de izquierda a derecha a lolargo de un periodo y disminuye al descender en un grupo. Los no metales son máselectronegativos que los metales.

Ordena los siguientes elementos de menor a mayor electronegatividad:

Potasio (K), Zinc (Zn), Nitrógeno (N), Flúor (F), Sodio (Na), Oxígeno (O) y Carbono (C)

________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________

Con los valores de electronegatividad se predice el tipo de enlace entre dos átomosadyacentes. Cuando la electronegatividad es similar, el enlace que los une es covalentepolar y cuando existe una diferencia de electronegatividad mayor a 1.7, el enlace queformarán será iónico.

disminuye


58

En un enlace covalente cuando los electrones de enlace están compartidosigualmente (los dos átomos enlazados son iguales) se forma un enlace covalente nopolar; por ejemplo, en la molécula de cloro (Cl2), el par de electrones de enlace esatraído con igual fuerza por los dos átomos ya que tiene una diferencia deelectronegatividad a cero.

Cuando el par de electrones del enlace covalente no se comparte por igual (los dosátomos enlazados son diferentes), se forma un enlace covalente polar; por ejemplo, enla molécula de ácido clorhídrico (HCl), el átomo de cloro atrae con mayor fuerza loselectrones de enlace que el átomo de hidrógeno, dado que es más electronegativo.Esta atracción desigual genera una carga parcial negativa en el átomo de cloro (Cl),simbolizada por δ-, mientras que el átomo de hidrógeno (H) adquiere una carga parcialpositiva, simbolizada por δ +.

Al respecto, cabe hacer énfasis en que un compuesto polar se forma entre 2elementos diferentes y que no son metales, del cual tienen una diferencia deelectronegatidad entre 0 y 1.7.

La presencia de un momento dipolar permanente en una molécula diatómica indica unadistribución desigual de la carga alrededor de uno o más enlaces de ésta, debido a ladiferencia de electronegatividad de los átomos enlazados. En este caso, se dice que elenlace está polarizado y la molécula, como un todo, se denomina molécula polar. Por loconsiguiente, la molécula de ácido clorhídrico (HCl) es polar y la del cloro (Cl2) no polar.Entre los compuestos con moléculas polares y no polares se presentan diferencias muyimportantes en las propiedades tanto físicas como químicas que se deben al dipoloeléctrico presente.

Una molécula poliatómica (con más de dos átomos) puede ser no polar, aunque losenlaces covalentes sean polares, si estos enlaces están orientados simétricamente, porlo que el momento dipolar total se cancela.

Cl Cl

H Clδ-δ+

59

2.2 ESTRUCTURA MOLECULAR

En 1957, R.J. Gillespie y R. S. Nyholm desarrollaron un modelo con base en el efecto delas repulsiones entre pares de electrones sobre los ángulos de enlace del átomo central,el cual se conoce como modelo de repulsión de pares de electrones de la capa devalencia (RPECV), cuyo fin es explicar eficazmente la forma de la mayoría de lasmoléculas que tienen enlaces formados por pares de electrones localizados; enotras palabras, con ello se predice la estructura molecular.

Por medio de la teoría se puede predecir la estructura más estable de moléculas cuyoátomo central tenga dos, tres, cuatro, cinco, hasta seis pares de electrones en la capade valencia, o sea, para aquellos que cumplen la regla del octeto y en los que no, masno se puede aplicar fácilmente a moléculas que tengan un número impar de electronesde valencia o de átomos centrales de metales de transición.

El modelo RPECV no es infalible, aunque sí cubre aceptablemente gran cantidad decasos, y en éste se considera como un grupo de electrones alrededor del átomo centrala cualquier enlace covalente (simple, doble o triple) o a cualquier par solitario deelectrones. Por el ejemplo, para un átomo que forma un enlace covalente doble, yademás tienen dos pares solitarios, diremos que tienen tres grupos de electrones.Asimismo, el modelo RPECV señala que los grupos de electrones toman en el espacioposiciones tales que cada uno esté lo mas alejado posible de los demás. La estructuraque resulta de los diferentes números totales de pares de electrones se observa en latabla 4.

60

Tabla 4

La importancia de predecir la estructura molecular radica en que a partir de ésta sepuede establecer la polaridad de un compuesto y derivar sus propiedades oviceversa; por ejemplo, el agua (H2O) es un buen disolvente. También se sabe que unamolécula de agua la forman dos átomos de hidrógeno, a partir de lo cual se podríanproponer las siguientes estructuras de Lewis.

61

Lineal Angular

Al consultar la tabla 4 se puede establecer que la forma correcta de la molécula del aguaes angular, estructura a la cual se debe que la molécula sea polar y el agua un buendisolvente.

Como ya se sabe, el dióxido de carbono (CO2) debe su comportamiento a la nopolaridad de sus moléculas. Veamos otros ejemplo: recuerda que la acetona(propanona, C3H6O) es un disolvente que se utiliza comúnmente para quitar el barniz delas uñas. Tras usar el modelo de Lewis se tiene:

De acuerdo con el carbono central la molécula es triangular por tener a su alrededor tresgrupos de electrones. Y, considerando que las moléculas se distribuyen en tresdimensiones, se utiliza la siguiente convención:

Con esa estructura, los elementos polares de la molécula no se anulan, por lo tanto seráun compuesto polar, lo cual determina sus propiedades.

H O H O H

H

H C C

H

H

C Hδ +

H

HOδ -

enlaces covalentessimples no polares

átomocentral

= enlace covalente doble polar

H

HC

C

O

C

HH H

H Enlace en el plano.

Enlace hacia adentro.

Enlace que se proyecta hacia el

62

Predice la polaridad de los siguientes compuestos: ácido sulfúrico (H2SO4) y éter dietiléter CH3 - CH2 - O- CH2 - CH3) y relaciónalos con sus propiedades para poder explicaréstas.

Dependiendo del número de electrones de valencia que se de en un enlace (quepermitan cumplir con la regla del octeto), es posible predecir el tipo de estructura que sepudiera generar, las cuales pueden ser de tipo lineal, triangular, tetraédricas, bipiramidaltrigonal y octaédrica.

A partir de esta predicción es posible determinar el tipo de polaridad del compuestoenlace.



63

Antes de iniciar el siguiente tema te sugerimos que repases la siguiente tabla, ya que teserá de mucha utilidad en la formación de los grupos funcionales.

Tabla 5. Familia de los alcanos.

NOMBREFÓRMULA

CONDENSADAFÓRMULA

SEMIESTRUCTURADA FÓRMULA DESARROLLADA

METANO CH4

ETANOC2H6

CH3 - CH3

PROPANOC3 H8

CH3 - CH2 - CH3

BUTANOC4 H10

CH3 - CH2 - CH2 - CH3

PENTANOC5 H12

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3

HEXANOC6 H14

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 -CH3

HEPTANOC7 H16

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH 2 -CH2 -CH3

OCTANOC8 H18

CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH 2 -CH2 - CH2 -CH3

NONANOC9 H20

CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH 2 -CH2 - CH2 - CH2 -CH3

DECANOC10 H22

CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH 2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2CH3

H

H

CH

H

H

C H

H

H

CH

H

H

C

H

H

C H

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

C

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

C

H

H

C

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

CH H

64

2.3 ENLACE COVALENTE EN LOS COMPUESTOS DE CARBONO

2.3.1. GRUPOS FUNCIONALES

Los compuestos del carbono es un apartado en el estudio de los compuestos químicosque, en un principio, según se creía, provenían únicamente de los seres vivos (por loque a su estudio se le llamó Química orgánica), lo cual es erróneo, dado que en laactualidad millones de compuestos orgánicos se sintetizan sin necesidad de recurrir aestos organismos, de aquí que se le conozca como Química del carbono, únicoelemento que presenta la propiedad de formar uniones estables entre varios átomos desu especie, constituyendo grandes cadenas. Otros elementos tienen esta característica,pero no forman compuestos muy grandes, ya que son inestables y muy reactivos. Delmismo grupo, el silicio también presenta concatenación, pero sus compuestos sonmenos numerosos, más reactivos y menos estables.

En los compuestos de carbono hay una amplísima diversidad de arreglos estructuralespara los átomos de carbono, de los que se conocen miles de cadenas, y pueden tenerramificaciones con otros átomos de carbono. Por lo tanto, la propiedad más importantedel carbono es la concatenación, es decir, la capacidad para construir enlacesquímicos entre sí y con una gran variedad de elementos, entre los cuales seencuentran oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, fósforo, azufre, halógenos y algunosmetales. Dichos enlaces permiten la generación de los grupos funcionales.

Tabla 6. Principales grupos funcionales.

Grupo Función Química Nombre TerminaciónHidroxilo R- OH Alcohol OL

Carbonilo OII

R - C - H

OII

R - C - R’

Aldehído

Cetona

AL

ONA

Carboxilo OII

R - C - OHÁcido Carboxílico OICO

Amino R - NH2 Amina Amina

65

a) Alcoholes

Si sustituimos uno o más átomos de hidrógeno por otro átomo o grupo de átomos, sepueden formar muchos compuesto; por ejemplo:

Es decir, al partir del metano, al que se le elimina un hidrógeno, tenemos un grupo deátomos y una posición de enlace; a estos grupos de les llama grupo alquilo sesimboliza con R. Si le agregamos el grupo - OH, llamado grupo hidroxilo, entoncesse obtiene un alcohol. Para propósitos de nomenclatura, se menciona el nombre delhidrocarburo cambiando la terminación O por OL, como en el siguiente ejemplo:

En resumen, cuando a un hidrocarburo se le cambian uno o más hidrógenos por otroátomo o grupo de átomos se pueden obtener muchas moléculas diferentes. Esimportante resaltar que este grupo de atomos llamado grupo funcional, es la partequímicamente más activa de toda la molécula. Veamos ahora otras moléculas queresultan de la sustitución de un hidrógeno por el grupo -OH:

etano (C2 H6) etanol (C2H5 OH)

¿Qué pasaría si el grupo hidroxilo se ubicará en otro hidrógeno?

grupohidroxilo

H

H

H C H + OH

H

H

H C OH + H

H

H

H C H

H

H

H C OH

H

H

H C + OH

metano (CH4) grupoalquino

metanol (CH3OH)

H

H

CH

H

H

C H

H

H

CH

H

H

C OH

H

66

A partir del propano (C3 H8)

Podemos obtener

Observa que en el propano se obtienen dos alcoholes diferentes, dependiendo delhidrógeno que sea sustituido, por lo que se necesita discriminar uno de otro, lo cual selogra indicando el número de carbono donde se localiza el -OH, es decir:

• Para el primer alcohol anotamos 2 - propanol

• Para el segundo alcohol anotamos 1- propanol

En el caso del Butano (C4 H10) :

H

H

CH

H

H

C H

H

H

C = CH3 - CH2 -CH3

1

C

H

H

CH

H

OH

H

H

H

C

2

H

H

CH C

H

H

OH

H

H

Có

CH3 CH CH3

OH

1 2 3

CH3 CH2 CH2 OH 1 2 3

= CH3 - CH2 -CH2-CH3

H

H

CH

H

H

C H

H

H

C

H

H

C

67

Se pueden presentar los siguientes alcoholes:

1- butanol 2- butanol

Al tomarse en cuenta el hidrocarburo de cuatro átomos de carbono llamados 2-metilpropano:

Se obtienen otros dos alcoholes de cuatro carbonos:

2-metil-1-propanol (CH3 - CH - CH2 - OH) 2-metil-2-propanol (CH3 - COH - CH3) l

CH3 CH3

H

H

CH

H

H

C OH

H

H

C

H

H

C

H

H

CH

H

H

C H

H

H

C

H

OH

C

H

H

CH C

H

H

H

H

C

H C H

H

= CH3 CH CH3

CH3

H

H

CH C

H

OH

H

H

C

H C H

H

H

H

CH C

OH

H

H

H

C

H C H

H

68

Lo anterior nos permite establecer la clasificación de los alcoholes, de acuerdo con eltipo de átomos de carbono al cual esté enlazado el grupo -OH; por ejemplo:

Clasificación Característica FórmulaAlcohol primario El grupo -OH está unido a

un carbono que a su vezse une con un grupoalquilo

Hl

CH3 - C - OHIH

Alcohol secundario El grupo oxhidrilo se unecon el carbono que tienedos grupos alquilo

CH3

CH3 C OH

HAlcohol terciario El -OH se une al átomo de

carbono unido a tresgrupos alquilo

CH3

CH3 C OH

CH3

Puesto que de la familia de los alcoholes sólo nos interesa estudiar su estructuramolecular, recurriremos al agua, ya que ésta y los alcoholes tienen enlaces similares. Elagua contiene dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno, lo cualestablece dos enlaces covalentes simples:

Si analizamos el alcohol más simple (el metanol) se puede considerar que existe un granparecido de éste con el agua, es decir, si sustituimos un hidrógeno del agua por unalquilo.

H2O H O H O

H H

O

H H

O

R H

O

CH3 H

comparada con donde R=CH3

69

El metanol es una molécula polar, ya que el oxígeno tiene un valor alto deelectronegatividad comparado con el del carbono y el hidrógeno, por lo que loselectrones de enlace están más cerca del oxígeno que del hidrógeno y del carbono,como se ve en el siguiente ejemplo:

De esta manera el oxígeno adquiere una carga parcial negativa, dada la cantidad ycercanía de los electrones, simbolizada por δ, y, por lo consiguiente, así el carbono comoel hidrógeno tendrán cargas parciales positivas δ + que se presentan como:

Propiedades.

De acuerdo con la semejanza estructural de los alcoholes con el agua, se podría pensarque tanto el metanol como el agua tienen idénticas propiedades. Tomemos comoejemplo la solubilidad, y para explicarla ilustremos las estructuras moleculares.

O δ- δ- O

Observa que en la parte superior de la línea punteada son idénticas las estructuras, noasí en la inferior. La diferencia determina las variaciones en las propiedades, quedependen del tamaño del grupo alquilo.

Como son moléculas polares, es decir, forman dipolos, interactúan constituyendo unasolución. Los alcoholes pequeños (metanol, etanol y los dos propanoles) son 100%solubles en agua y conforme aumenta el tamaño de la parte alquílica decrece susolubilidad; por ejemplo, el 1-butanol (CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - OH) es 8.3% soluble enagua (8.3 g de butanol en 100 g de agua a 25º C).

O

3CH H

µ1 µ2

O

3CH H

δ-

δ+ δ+

H δ+

H δ+

Hδ+

CH3

δ+

70

Por su parecido con el agua, el grupo oxhidrilo se llama hidrofílico (afinidad con elagua) y la parte correspondendiente de hidrocarburo es hidrofóbica (repulsión a lasmoléculas de agua). Si R es muy grande, supera la propiedades hidrofílicas del -OH yla solubilidad disminuye. Los alcoholes con ramificaciones tienen alta solubilidad enagua porque el grupo de alquilo es más compacto -comparado con un R lineal- y menoshidrofóbico. Un aumento en el número de grupo -OH incrementa las propiedadeshidrofílicas y, por lo tanto, la solubilidad en el agua; por ejemplo la sacarosa tiene docecarbonos, pero también tiene ocho grupos oxhidrilos, por lo que es muy soluble en agua.

El agua es un excelente disolvente de compuestos iónicos, porque el enlace en el OH espolar y proporciona el dipolo necesario para la solvatación de cationes y aniones. Por loconsiguiente, los alcoholes también pueden disolver compuestos iónicos en menorproporción, dada la parte del hidrocarburo que contienen, pues mientras más grande esel grupo menor es su poder disolvente.

El punto de ebullición de los alcoholes es más alto que en los hidrocarburos de masamolecular similar; por ejemplo, las masas moleculares de 1-propanol (CH3 - CH2 - CH2 -OH) y del butano CH3 - CH2 - CH2 - CH3) son 60 y 58 g., respectivamente, y el alcoholebulle a 82º C, entre tanto que el butano a -0.5ºC. Este comportamiento se debe alfenómeno de atracción intermolecular presente en los alcoholes en estado líquido (estetema se estudiará en el siguiente fascículo).

Nomenclatura.

Como se mencionó, los alcoholes se clasifican en primarios, secundarios y terciarios, deacuerdo con el número de sustituyentes que tenga el carbono al cual se une el oxhidrilomediante el enlace covalente. El sistema IUPAC para nombrar a los alcoholes sigue lasmismas reglas que para los alcanos, elementos que se estudiaron en el fascículo 2 deQuímica I.

Si se indica que el compuesto contiene el grupo funcional -OH, es decir, que es alcohol,entonces se hace de este modo:

1) Se localiza la cadena más larga de átomos de carbono que contenga el grupo -OH

2) Se enumera la cadena a partir del carbono que se encuentra más cerca de la funciónquímica.

3) Para mostrar que el compuesto es una alcohol, se sustituye el sufijo O por OL.

4) Se nombran los radicales en orden alfabético, indicando con un número su posiciónen la cadena.

5) Se enuncia, finalmente, el nombre de la cadena principal como si fuera lineal con suterminación correspondiente.

71

Ejemplo

Respetando los lineamientos que marca la IUAPC, ¿qué nombre recibiría el siguientealcohol?

CH3

CH3 - CH - CH2 - CH - CH3

OH

En este caso se identifica que la cadena más larga que contiene el grupo oxidrilo es decinco átomos de carbono; posteriormente se enumera a partir del extremo más cercanoa la función química; y por último, se enuncia(n) el (los) nombre(s) respectivo(s), deacuerdo a los pasos 4 y 5 anteriores.

CH3 - CH - CH2 - CH - CH3

OH

4 -metil - 2 pentanol

¿Cuáles son los usos que se le pueden dar a los alcoholes?

Usos

El metanol, llamado comúnmente alcohol de madera, debe su nombre porque en unprincipio se obtenía por medio del calentamiento de la madera, a muy alta temperatura yen ausencia del aire, condiciones en las cuales ocurre una descomposición en la queaparece el metano por ser de las sustancia volátiles. Actualmente se produce en grancantidad mediante la adición de hidrógeno al monóxido de carbono. Se utiliza comodisolvente industrial.

El etanol <<alcohol>> en lenguaje común, es el constituyente principal de las debidasalcohólicas. Se obtiene por medio de la fermentación de productos vegetales quecontienen carbohidratos y con la adición de agua al eteno. Éste se utiliza comodisolvente y es una de las principales materias primas de la industria química.

Característica del etanol es que desnaturalizado contiene metanol como impureza y suingestión puede provocar ceguera temporal o permanente incluso la muerte. Asimismo,un volumen de 30 ml. de metanol puro puede ser la causa de fallecimiento, y lainhalación prolongada de sus vapores ocasionar serios problemas para la salud. Encambio, el etanol sólo es venenoso cuando se consume en grandes cantidades.

1 2 3 4 5

CH3

72

El 2- propanol se produce por hidratación del propeno, el cual se obtiene del petróleo;es totalmente soluble en el agua, por lo que es un excelente disolvente industrial, y, porsu bajo punto de congelación, se emplea como anticongelante en las alas de losaeroplanos, ya sea en forma de aditivo o de combustible. Además, se utiliza paraproducir tintas, pinturas y cosméticos. El compuesto con dos grupos oxidrilos, uno encada uno de los carbonos adyacentes y con la estructura derivada del etano es el etilen-glicol, actualmente se usa como anticongelante en los automóviles. Uno de sus usosmás frecuentes en la producción de polímeros sintéticos (poliéster, dacrón, mylar); lapelícula mylar se utiliza en las audiocinta y en las cintas de computadoras.

OH OH l l

CH2 - CH2etilen - glicol

(1, 2 - etanodiol)

El glicerol o glicerina contiene tres grupos -OH distribuidos en cada uno de los trescarbonos de la estructura derivada del propano. La propiedad de retener la humedad yser sulfhidrofílico hace útil al gricerol en la producción de dulces, lociones para la piel yproductos farmacéuticos.

OH OH OH l l I

CH2 - CH - CH2

glicerol

(1, 2, 3 propanotriol)

b) Aldehídos y Cetonas

Otro destacado grupo funcional es llamado grupo carbonilo ( c = o). Las moléculasque lo contienen son los compuestos carbonílicos, los cuales se encuentran en grancantidad en la Naturaleza y en diversas moléculas con importancia biológica, así comoen productos farmacéuticos.

Algunos ejemplo de compuestos carbonílicos son:

- Ácido acético, principal componente del vinagre.

- Acetaminofén, que suprime el dolor y baja la fiebre. Lo contienen medicinas contra eldolor de cabeza.

- Dacrón, que se utiliza en las telas para ropa.

O

Estos compuestos contienen un grupo alquilo unido al carbonilo, R C , al que enconjunto se lama grupo acilo.

73

Los compuestos carbonílicos pueden ser de varios tipos, dependiendo del sustityenteque esté unido al grupo acilo. Pueden ser un grupo alquilo, hidrógeno, oxígeno,halógeno o azufre, entre otros.

Para efectos de su estudio, clasificaremos a los compuestos carbonílicos en dosclases:

1) Aldehídos y cetonas. En estas moléculas el grupo acilo está unido a un hidrógeno ya un grupo alquilo, respectivamente.

2) Ácidos carboxílicos y sus derivados. Aquí el grupo acilo está unido al oxígeno,nitrógeno y halógenos.

Primordialmente tenemos con el estudio de los aldehídos y las cetonas, ya que suquímica es similar. Se sabe que la principal característica del grupo carbonilo se puedepredecir examinando su estructura electrónica. Y el enlace entre carbono y oxígeno seestablece mediante la compartición de dos pares electrónicos.

Se observa la geometría de las moléculas, de acuerdo con el modelo de repulsión depares electrónicos en la capa de valencia (RPECV), es triangular, con ángulos de enlaceaproximadamente 120º.

Se aprecia en el grupo carbonilo que el átomo de oxígeno es más electronegativo que elcarbono, por lo que forma un dipolo permanente.

¿Qué diferencia existe entre un aldehído y una cetona?

OC

C O OC

OC

δ-

δ+

74

La estructura principal de un aldehído se identifica cuando el grupo carbonilo seenlaza con un alquilo carbonoso y con otro alquilo de hidrógeno.

OII

- C - H

Existe una variante en donde el grupo carbonilo se encuentra enlazado a dos átomos dehidrógeno, esta modalidad recibe el nombre de formaldehido.

OII

H - C - H

En tanto que la estructura principal de una cetona se identifica cuando el grupo carboniloestá enlazado con dos átomos de carbono.

Propiedades

Las características especiales del grupo carbonilo -mencionadas anteriormente- influyenen las propiedades de aldehídos y cetonas, como consecuencia de la polaridad de estegrupo, las moléculas ligeras son totalmente solubles en agua, y conforme aumentala masa molar, disminuye su solubilidad; por ejemplo, el aldehído con dos átomos decarbono (etanal), comúnmente llamado acetaldehído, es 100% soluble en agua,mientras que el propanal 16% soluble y el butanal 7%. Entre las cetonas, la propanona(acetona común) es por completo soluble y la butanona es sólo 26% soluble.

Dada la polaridad del carbonilo, los puntos de ebullición de aldehídos y cetonas sonmás altos que los de las moléculas no polares de la masa molar similar. Noobstante, poseen puntos de ebullición inferiores a los de los alcoholescorrespondientes, porque los aldehídos y las cetonas no establecen interacciones tanfuertes entre sus moléculas. Las diferencias en los puntos de ebullición de loscompuestos carbonílicos y los alcoholes relacionados estructuralmente se hacen máspequeñas al aumentar la masa molecular.

Una característica de los aldehídos de masa molecular baja, es que tienen olor irritanteque los compuestos con masas moleculares altas. En tanto que las cetonas sonsustancias con fragancia.

H

H

CH C

O

H

H

H

C

H

H

CH

75

Nomenclatura

Los nombres de los aldehídos siguen las mismas reglas IUPAC que los hidrocarburos;se forman cambiando la -O final del nombre del hidrocarburo correspondiente por laterminación -Al, por otro lado, el carbonilo siempre se presenta en el carbono marcadocon el número 1. Por lo consiguiente, no es necesario indicarlo. Los siguientesejemplos ilustran este sistema:

En lo que se refiere a las cetonas IVPAC establece utilizar las mismas reglas, peroindicando la posición del carbonilo y sustituyendo la O final del nombre delhidrocarburo correspondiente por la terminación ONA: por ejemplo:

2-propanona 4-meteil, 2 pentanona

Usos

El aldehído más pequeño es el metanal (llamado formaldehído), muy conocido ensolución acuosa al 40% (la formalina). Se utiliza en la preservación de preparadosbiológicos y como desensibilizante nasal en desodorantes. El acetaldehído o etanal seusa para la preparación de ácido acético a nivel industrial y como materia prima enmuchos procesos.

H

H

CH C

H

H 1 2

H C H

H

H

H

CH C

H H

H

C C

O

H 1 3 2 4Etanol

3- metil, butanal

H

H

CH C

O

H

H

H

C 1 2 3

H

H

C

H C H

H

H

H

CH C

H O

H

C C

H

H

H 1 3 2 4 5

76

CH2

CH2 (CH2)10

C = O

CH CH2

CH3

La 2- propanona (acetona) y la 2-butanona se utiliza en grandes cantidades comodisolventes. Estos compuestos poseen, a menudo, propiedades exóticas y su aroma seutiliza en el campo de la perfumería y como saborizante. Como ejemplo están lascetonas cíclicas, civetona y muscona, que se extraen de las grándulas del gato africanoy del macho de la cabra almizclera, sustancia que se emplean como fijadores en lafabricación de perfumes.

civetona muscona

Un ejemplo de aldehídos aromatizante son aquellos que se obtienen de origen naturalcomo el benzaldehído, la vainilla y el cinamaldehído, con aroma a almendras, o seavainillina y canela, respectivamente.

benzaldehído vainilla cinamaldehído

c) Ácidos Carboxílicos

Otros importantes compuestos carbonílicos son los ácidos carboxílicos, en los que elgrupo acilo R C está enlazado a un oxhidrilo (-OH) que se conoce como grupocarboxilo. O

H C

H C

(CH2)7

(CH2)7

C = O

H C = O

O O

OH

O CH3

H

C=O

O

CH = CH C HO

77

OII

R - C - OH

Grupo Grupo acilo oxidrilo

¿Qué similitud puede existir entre los aldehídos y cetonas con los ácidoscarboxílicos?

Los ácidos carboxílicos son importantes dentro de los compuestos carbonílicos, ya seaen la Naturaleza o en el laboratorio. Ya se mencionó al ácido acético, que se encuentraen el vinagre, pero también tenemos al ácido butanoico que es el responsable del olor<<rancio>> de la mantequilla. El ácido hexanoico se encuentra en el sudor de la cabra.

El hecho de tener los dos grupos funcionales -carbonilo y oxhidrilo- hace que los ácidostengan propiedades totalmente diferentes y no sólo las características sumadas de estosdos grupos; por lo tanto, se considera a los ácidos como un grupo funcional diferente.

Analicemos la estructura del grupo carboxilo. Hay parecidos entre los ácidos y losaldehídos y las cetonas, lo que es fundamentalmente al grupo carbonilo y a lo que todosellos tienen geometría molecular angular plana con ángulo de enlace de más o menos120º entre C - C - O y O - C - O.

ángulo aproximado de 120°

Propiedades

El grupo funcional carboxilo es polar y, en consecuencia, tiene afinidad con el agua.Los ácidos carboxílicos de masa molecular pequeña son totalmente solubles enagua y al aumentar el tamaño del grupo alquilo (-R) disminuye la solubilidad; los puntosde ebullición y de fusión de los ácidos son generalmente más altos en comparacióncon los demás compuestos estudiados hasta ahora, por la tendencia que tienen lasmoléculas de los ácidos al unirse con otras similares debido a su polaridad. Estasfuerzas de atracción deben romperse para efectuar los cambios de estado.

Asimismo, los ácidos de baja masa molar tienen olores característicos; por ejemplo, losácidos metanoico y etanoico tienen olores picantes, entre tanto el ácido butanoicopresenta olor a mantequilla rancia.

78

O II

H - C -OH CH3 - C - OH CH3 - CH2 - CH2 -C - OH II II O O

Ácido Ácido Ácido metanoico etanoico butanoico

Pero la propiedad química más importante de los ácidos carboxílicos es su acidez, esdecir, en el agua liberan H+ (protones) que al reaccionar con una base, por ejemploNaOH, producen sal y agua:

H2O

CH3COOH CH3COO + H

CH3COOH + NaOH CH3COONa + H2O

ácido base sal agua

Nomenclatura

Para nombrar a los ácidos carboxílicos, el sistema IUPAC establece las mismas reglasque para los compuestos (alcoholes, aldehídos y cetonas). La nomenclatura de losácidos es anteponer la palabra ácido, en seguida del nombre del hidrocarburocorrespondiente, cambiando la terminación O por OICO.

X +

H

H

CH C

O

O 1 2

H C H

H

H

H

CH C

H H

H

C C

O

OH 1 3 2 4

H

H

CH

H

H

C

H

H

C OH

O

C 1 3 2 4

ácido etanoico ácido butanoico

ácido 3-metil butanoico

79

Usos

Gran cantidad de ácidos carboxílicos desempeñan en la Naturaleza importantes papelesdentro de la química de los seres vivos; el ácido etanoico o acético es de vitalsignificación en el metabolismo de los carbohidratos y en la producción de ácidos degran tamaño llamados ácidos grasos, pues participan en la formación de lasbiomoléculas llamadas acilglicéridos (aceites vegetales).

La vitamina C es un ácido carboxílico (conocido como ácido ascórbico) necesario para elser humano, dado que su deficiencia produce el escorbuto. El ácido tereftálicointerviene en la producción de fibras sintéticas para ropa conocida como dacrón.

Por otra parte, los derivados de los ácidos carboxílicos, en especial sus sales, se utilizanen diversos campos industriales; por ejemplo, el benzoato de sodio se usa comoinhibidor de la descomposición de los alimentos, o sea, es un conservador, y elglutamato de sodio de sodio se emplea para realzar el sabor, es decir, es un condimentode los alimentos preparados.

En general, los ácidos carboxílicos tienen un campo de acción preferente en laBioquímica, que se estudiará de manera introductoria en el fascículo 3 de Química II.

d) Aminas

Otro elemento químico cuyo campo de acción se encuentra en los compuestos delcarbono es el nitrógeno, el cual al enlazarse con un átomo de carbono de hidrócarburoforma el grupo funcional amina. Éste se puede considerar como un derivado delamoniaco (NH3), donde se han sustituido uno o más hidrógenos por grupos alquilo (-R):

1) Al cambiar un átomo de hidrógeno del amoniaco por un grupo de alquilo se obtieneuna amina primaria. (R N H2).

H N H

H

amoniaco( NH3)

CH3 N H

H

Amina primaria

Ejemplo

CH3 CH2 NH2

(Etilamina)

80

2) Cuando se sustituyen dos hidrógenos por dos alquilos se consigue una aminasecundaria.

3) Y, si se unen tres grupos alquilos en lugar de los tres hidrógenos, entonces se lograuna amina terciaria.

La estructura del grupo funcional amina es análoga a la del amoniaco y, de acuerdo conel modelo de repulsión de pares electrónicos en la capa de valencia, la molécula es deforma de pirámide triangular, dado que tiene un par de electrones libres; existe polaridadya que el nitrógeno es:

más electronegativo que el carbono y el hidrógeno:

CH3 N H

CH3

Amina secundaria

Ejemplo

CH3 N CH2

(Etilmetilamina)

CH3

H

CH3 N CH3

CH3

Amina terciaria(Etilmetilpropilamina)

CH3 N

CH2 CH3

Ejemplo

H

N

H

H

CH3

N

H

H

CH3

N

H

H

H

N

H

H

δ+ δ+

δ+

CH2 CH3CH2

81

Propiedades

Dada la electronegatividad del nitrógeno presente en las aminas, sus moléculas tiendena atraerse mutuamente -aunque estas fuerzas son más débiles que en las moléculas dealcoholes ácidos-, o sea, el enlace tiene menor polaridad. A estas fuerzas se debe quelos puntos de ebullición de las aminas se sitúen en un rango intermedio entre loshidrocarburos (no polares) y los alcoholes (polares) de masa molecularcomparable. Sin embargo, la amina terciaria no presenta estas fuerzas de atracción y,en consecuencia, sus puntos de ebullición son menores que los de las aminasprimarias y secundaria con masa molecular equivalente y cercanos a los puntos deebullición de los alcanos de masas moleculares similares.

Las aminas pequeñas tienen olores muy desagradables, idénticos a los del amoniacoy son totalmente solubles en agua, ya que la estructura del grupo amino es semejante ala del agua.

Nomenclatura.

La nomenclatura para el grupo de las aminas requiere de la siguiente regla: se indica elnombre del grupo alquilo con la terminación amina, posteriormente se enumeran loscarbonos, por ejemplo:

Etil amina butil amina

3- metil - butilamina

CH3 CH2 CH2 CH2 NH21234

CH3 CH2 NH212

CH3 CH CH2 CH2 NH21234

CH3

82

Usos

Las aminas son compuestos que se encuentran ampliamente distribuidos en plantas yanimales, con gran importancia biológica, fisiológica y psicológica; por ejemplo, laadrenalina y la noradrenalina son sustancias que intervienen en la transmisión de losimpulsos nerviosos; las anfetaminas son estimulantes; la mezcalina es alucinógeno, lamorfina y la codeina, poderosos analgésicos. Éstos, entre otros compuestos, tienen ensu estructura grupos amino. Además, algunas aminas funcionan como vitaminas, yexisten otras, como la nicotina, sustancia presente en el tabaco, causante del hábito defumar. Sus estructuras se ilustran enseguida.

83

“FÍSICAS DE LAS SUSTANCIAS CON ENLACE COVALENTE” (OBLIGATORIA).

Objetivo

Conocer el comportamiento de las sustancias consideradas como covalente a través dela determinación de propiedades como punto de fusión, punto de ebullición y solubilidad,para establecer la relación entre estructura y propiedades.


1. ¿Qué es la polaridad de enlace? ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Cuál será la forma geométrica del agua, del amoniaco y del dióxido de carbono, deacuerdo con el modelo de repulsión de pares electrónicos en la capa de valencia?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. ¿Qué es el punto de ebullición? ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. ¿Qué es el punto de fusión? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. ¿Qué es la solubilidad? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6. ¿Qué es la volatilidad? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


84

Experimento I

Objetivo

Determinar el punto de fusión del ácido benzoico, como característica en suidentificación del tipo de enlace que presenta.

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancia

☞ 2 Tubos capilares ☞ 1.0 Ácido benzoico

☞ 1 Vaso de precipitados de 250 mL ☞ 200 ml Ácido vegetal o lugol

☞ 1 Soporte Universal


☞ 1 Anillo de hierro de 10 cm


☞ 1 Termómetro de -10 a 400º C

☞ 1 Pinza para termómetro


La indicada para trabajar en el laboratorio, así como trabajar con mechero y el materialde vidrio caliente.

Ácido benzóico.- sustancia poco tóxica, no la inhales irrita las mucosas respiratorias.

¿Cómo hacerlo?

Mediante calor cierra un extremo del tubo capilar, coloca dentro de él ácido benzoico -alrededor de 2 cm del del tubo- y con un trozo de hule látex amarra el capilar altermómetro de tal manera que coincida con el bulbo.

Introdúcelos en un vaso de precipitados que se ha llenado aproximadamente a la mitadcon el aceite y calienta; observa cuidadosamente y cuando el sólido se funda, registra latemperatura.

85

Hipótesis

Una vez que haz revisado el procedimiento contesta la siguiente pregunta.

¿El punto de fusión de las sustancias covalentes, será mayor o menor que el de lassustancias iónicas? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

AHORA REALIZA EL EXPERIMENTO


1. ¿Qué observas al calentar? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿A qué temperatura se fundió la sustancia? _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

86

Experimento II

Objetivo

Determina el punto de ebullición del etanol, para relacionarlo con el tipo de enlace quepresenta.

¿Qué necesitas?


☞ Cuerpos de ebullición ☞ 200 ml Agua☞ 1 Tubo de ensaye de 18 x 150 mm ☞ 2 ml Etanol☞ 1 Vaso de precipidados de 250 ml☞ 1 Soporte universal☞ 1 Mechero de Bunsen☞ 1 Anillo de hierro de 10 cm☞ 1 Tela de alambre con asbesto☞ 1 Termómetro de -10 a 400º C☞ 1 Pinza para termómetro☞ 1 Pinza para bureta


La indicada para trabajar en el laboratorio, así como para trabajar con mechero ymaterial de vidrio caliente.

Etanol.- Líquido incoloro, volátil, inflamable, de olor agradable y poco tóxico poringestión.

¿Como hacerlo?

Coloca 2 ml de etanol en un tubo de ensaye y calienta en un baño de agua, así comoindica la figura.

El calentamiento debe ser suave, recuerda que el etanol es inflamable. Al empezar adesprenderse burbujas mide la temperatura que corresponde al punto de ebulliciónaproximado de la sustancia.

87

Precaución: EL ETANOL ES INFLAMABLE, CALIENTA CON CUIDADO

Hipótesis

Ahora que sabes cómo realizar el experimento podrías decir, ¿cuál esperas que sea elpunto de ebullición del etanol?, y si esta temperatura será mayor a la del punto deebullición del agua.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

REALIZA EL EXPERIMENTO


1. ¿Qué observas al calentar? _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿A qué temperatura ebulle la sustancia? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

88

Experimento III

Objetivo

Determinar la solubilidad de algunas sustancias con enlace covalente, para relacionar lasolubilidad con la estructura.

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancia

☞ 12 Tubo de ensaye de 16 x 150 mm ☞ 10 ml Agua

☞ 1 Gradilla par tubos de ensaye ☞ 10 ml 1-Butanol

☞ 5 Pipeta graduada de 5 ml ☞ 10 ml Tetracloruro de carbono

☞ 1 Espátula de porcelana ☞ 2 g Azúcar común

☞ 3 Agitadores de vidrio ☞ 2 g Ácido benzoico

☞ 2 gotero ☞ 5 ml 2-propanona (acetona)

☞ 2 ml Ácido oleico


La indicada para trabajar en el laboratorio

2- Propanona (Acetona).- Líquido flamable, de color característico y picante. No lodebes inhalar directamente; no lo pongas en contacto con la piel y no lo ingieras.

1- Butanol.- Líquido inflamable, de olor característico. Poco tóxico, no debes tenercontacto con esta sustancia, ni por ingestión, ni por inhalación. No lo toques.

Tetracloruro de carbono.- Líquido incoloro, de olor característico, es inflamable. Tóxicono lo debes inhalar, ingerir o poner en contacto con la piel.

Ácido benzoico.- sustancia poco tóxica, no la inhales irrita las mucosas respiratorias.

¿Cómo hacerlo?

En una gradilla coloca tres tubos de ensaye y pon en cada uno de ellosaproximadamente 0.5 ml de 2 propanona; al primero agrega 2 ml. de agua; al segundo 2ml de tetracloruro de carbono; y al tercero, 2 ml. de 1-butanol. Agita los tubos y observa.

89

Repite la misma secuencia de pruebas con el ácido benzoico.En la gradilla coloca tres tubos de ensaye y vierte en cada uno de ellosaproximadamente 0.5 ml de 2 - propanona; al primero agregar 2 ml de agua; al segundo2 ml de tetracloruro de carbono y al tercero, 2 ml de 1 - butanol. Agita los tubos yobserva.

Repite la misma secuencia de pruebas con el ácido oleico.

Hipótesis

¿Qué reacciones crees que se pueden presentar en cada una de las sustancias?__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

REALIZA EL EXPERIMENTO


Anota el grado de solubilidad del soluto en cada disolvente, y al efecto llena la siguientetabla:

Agua Tetracloruro de carbono 1-ButanolAzúcarÁcido benzoico2-PropanonaÁcido oleico

Utiliza: i = insoluble ps = poco soluble s= soluble

90


1. El punto de fusión del cloruro de sodio es de 800 ºC. ¿Por qué el punto de fusión delas sustancias con enlaces covalentes es más bajo?. Explica. ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Si el agua y el etanol se parecen estructuralmente y la molécula del etanol es masgrande que la del agua, ¿Por qué el punto de ebullición del alcochol es más bajo?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. A través del modelo de Lewis y los valores de la electronegatividad indica la polaridadde los solutos y los disolventes _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Establece la relación entre la polaridad y la solubilidad ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

Para poder elaborar las conclusiones debes tomar en cuentra el cuestionario deconceptos antecedentes, los datos obtenidos de cada experimento y el cuestionario dereflexiones.

Por otro lado, no olvides establecer las relaciones entre propiedad y estructura.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

91

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Una de las principales características que tiene el carbono es su capacidad paraconstruir enlaces químicos, ya sea entre sí o con otros elementos, a partir de estavariedad la química se ha permitido agrupar ciertas combinaciones (grupos funcionales),entre los que podemos observar enlaces covalentes, como por ejemplo: el grupohidroxilo, del cual se forman los alcoholes, ya sean primarios, secundarios o terciarios;grupo carbonilo, en donde sus compuestos pueden ser los aldehídos o cetonas, estodependerá del grupo alquilo con el que se combine, independientemente de esto, ambosson solubles al agua y su punto de ebullición es menor al de los alcoholes, de 82º ;grupo carbonilo, los compuestos que lo caracterizan son los ácidos carboxílicos, unejemplo de ello es el ácido etanoico o acético que tiene una gran importancia en elmetabolismo de los carbohidratos y en la producción de ácidos grasos; y grupos amino,dentro del que se encuentran las aminas con una función química de un átomo denitrógeno y dos de hidrógeno (NH2), un ejemplo es la nicotina, sustancia que provoca elhábito de fumar.


92

Después de que hayas observado con atención el esquema, podrás elaborar unasíntesis de los conceptos más importantes que fueron abordados en este capítulo.

RECAPITULACIÓN

ENLACE COVALENTE

MODELO DE LEWISEN ELEMENTOSNO METÁLICOS

MODELO DEENLACE

COVALENTE

EXCEPCIONES DELA REGLA DEL

OCTETO

AMINASALDEHÍDOS

ESTRUCTURAMOLECULAR

ELECTRONEGATIVIDAD

CARBONILO

CETONAS

OII

R - C - R'

R -OH

COMPUESTOSDE CARBONO

GRUPOS

CARBOXILO AMINAHIDROXILO

ÁCIDOCARBOXÍLICO

ALCOHOLES

O II

R - C -

O IIR - C - H

R-NH2

retoma el y la en los

conformado por

las

se dividen en

para explicar el

es propio de los se encuentra en donde se ubicanlos

propios de las

su fórmula es de fórmula su fórmula es con fórmula de su fórmulabásica es

la

93

A continuación te presentamos una serie de actividades, las cuales te permitirán aplicarlos conocimientos adquiridos en el capítulo, te invitamos a que los lleves a cabo.

1. Con base al modelo de Lewis establece el tipo de enlace de los siguientecompuestos.

a) HNO2 Tipo de enlace _______________________________________________________________________________________________________

b) NH3 Tipo de enlace _______________________________________________________________________________________________________

2. De los siguientes elementos, qué combinaciones pueden formar enlaces covalentesconforme a su electronegatividad.

a) I con 2.5 de electronegatividadb) O con 3.5 de electronegatividadc) Li con 1.0 de electronegatividadd) S con 2.5 de electornegatividad

Anota en los renglones las combinaciones que consideres apropiadas.__________________ ____________________ _____________________________________ ____________________ ___________________

3. De las siguientes sustancias, conforme a su estructura molecular, cuál(es) tiene(n)propiedades similares al agua (puedes anotar en los renglones)

a)

b )


O N O

O

H

H OH

H

C

H

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

94

c)

d) O IIR - C - OH

4. Anota en los renglones siguientes ¿cuál(es) de las moléculas anteriores cumplen conun enlace polar?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Identifica qué tipo de enlaces se presenta en las siguientes moléculas.

Tipo de Enlace

a) ___________________________________________________________________________________________________________________

b) _____________________________________________________________________________________________________________________

c) _____________________________________________________________________________________________________________________

d) _____________________________________________________________________________________________________________________

H

CH

H

H

C

H

H

H

C

H

O HH

O HH

H

H

B ClCl

Cl

OH

O

S

O

O H

95

6. Indica, con una línea, cuál de los siguientes compuestos puede sustituir en algunaspropiedades a la vainilla, tomando como base su fórmula.

O

Los aldehídos aromáticos a) CH = CH - C - Hcomo la vainilla se utilizanen algunos alimentos. Lafórmula de la vainilla es:

O II

OH b) CH3 - CH2 - CH2 - C - H OCH3

(CH2)7c) H - C II C = O

C = 0 H - C (CH2)7

H

7. Con base a las reglas de nomenclatura IUPAC tienes que mencionar los nombres delos siguientes compuestos:

CH3 NOMBREa) I

CH3 - CH2 - CH - OH _________________________________

b) CH3 - CH - CH - CH2 - CH3 _________________________________I I

OH CH2 I

CH3

c) CH3 - CH2 - C - CH3 _________________________________ II O

d) CH3 - CH - CH3 = O _________________________________ l CH3

O

O

96

CH3 O I II

e) CH3 - CH - CH - C - OH _________________________________I

CH2 I

CH3

f) CH3 - CH2 - CH2 - NH2 _________________________________

8. Completa las columnas de la siguiente tabla.

NOMBRE FÓRMULAESTRUCTURA

DE LEWISTIPO DEENLACE

GRUPOFUNCIONAL PROPIEDADES

ÁCIDONITROSO

-COVALENTE

NITRATO DEMAGNESIO

Mg (NO3)2 ÁCIDO

METANOL

ETANOLCH3 - CH2 -OH

PROPANOAMIDA

AMINO

AMONIACO

ÁCIDOACETICO

-IÓNICO-COVALENTE

BUTANONA

-Las moléculasligeras sonsolubles al agua

N

H

H

H

O H

H

H

H C

97

En este apartado podrás comparar los resultados de las Actividades Integrales, ademásde que podrás encontrar una pequeña guía sobre lo que debiste considerar para tusrespuestas.

1. a)

b)

2. Li I No olvides que los enlaces covalentes se dan en función de lasimilitud de electronegatividad.

SO

3. b) H El grupo funcional OH de los alcoholes presentan unal molécula parecida a la del agua.

H - C - OH I H

H H_____________________________________________

O O

H H

4. b) d)Partiendo del hecho de que existe una semejanza entre

H O la estructura del agua y de los alcoholes, entonces si la I II estructura del agua es polar, es posible afirmar que,

H - C - OH R -C- OH también la estructura de los alcoholes es polar. I

AUTOEVALUACIÓN

N O

H

O

N H

H

H

Recuerda que la estructura molecular debe ser simétrica si esno polar y asimétrica si es polar.

98

H5. a), b) y c) Presentan enlace covalente simple por compartir un par

de electrones cada una de las especies.

d) Presenta enlace covalente coordinado, puesto que unasola especie comparte dos electrones.

6. a) Por presentar el mismo grupo funcional característico delos aldehídos aromáticos.

7. a) 1 metil, propanolb) 3 etil, 2 pentanolc) Butanonad) 2 propanale) Ácido 3 etil, 2 metil propanóicof) Propilamina

99

8.

NOMBRE FÓRMULAESTRUCTURA

DE LEWISTIPO DEENLACE

GRUPOFUNCIONAL PROPIEDADES

ÁCIDONITROSO

HNO2 -COVALENTE ÁCIDO

NITRATODE

MAGNESIO

Mg (NO3)2 -COVALENTE

-COVALENTECOORDINADO

ÁCIDO

METANOL CH3 - OH-IÓNICO

-COVALENTE ALCOHOL

ETANOL CH3 - CH2 - OH-IÓNICO

-COVALENTEALCOHOL

PROPANOAMIDA

CH3- CH2- CH2-NH2

-IÓNICO

-COVALENTEAMINO

AMONIACO NH3 -COVALENTE AMINO

ÁCIDOACETICO

CH3 - CH2 - COOH-IÓNICO

-COVALENTECARBOXILO

BUTANONA CH3 - CH3 - CH2 - CH = O-IÓNICO

-COVALENTEALDEHÍDO

Las moléculas ligerasson solubles al agua.

NH

O

O

O OO

O

NN Mg O

N

H

H

H

O H

H

H

H C

H H H H H

H H

H H

H C C C N H

H H H

H H

H

H H

H C C C O

H H H

H H

H C C C C O

H H H

H H H H

100

En este fascículo aprendiste que:


RADIOATÓMICO

GRUPOSFUNCIONALES

que se aplicaen los

ENLACEQUÍMICO

TIPOPROPIEDADESPERIÓDICAS

IÓNICO COVALENTEMETÁLICO

ELECTRONEGATIVIDAD

CARBOXILO

NO METALMETALENERGÍA DEIONIZACIÓN

HIDROXILO

DOS O MÁS

AMINO

CARBONILO

tieneson de

conformadopor un

como

formado por

tales como

101

En este apartado podrás poner en práctica los conocimientos que has adquirido a lolargo del fascículo, por lo que te pedimos que realices todo lo que se te pida.

A continuación te presentamos una serie de conceptos, los cuales deberás explicar y darun ejemplo de cada uno de ellos.

1. Electrones de Valencia.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Ionización.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Electronegatividad____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Enlace Iónico o Electrovalente____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Enlace Metálico____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


102

6. Enlace Covalente____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

7. Enlace Covalente Coordinado____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

103

La Autoevaluación está diseñada para que verifiques los aciertos y/o errores quepudieran surgir al realizar las Actividades de Consolidación.

1. Los electrones de Valencia son aquellos electrones que se encuentran localizados enel último nivel de energía de un átomo, como por ejemplo el Litio (Li17) o carbono(C4+).

2. La Ionización se presenta cuando un metal dona un electrón para formar una visiónpositiva, como el siguiente ejemplo:

3. La Electronegatividad es una propiedad que tiene el átomo de atraer los electroneshacia si mismo, sin embargo existe un alto índice de probabilidad de que los metalespierden electrones, como por ejemplo:

El oxígeno atrae los electrones

4. El Enlace Iónico o Electrovalente se origina cuando se une un metal con un no metal,cabe hacer notar que en este tipo de enlaces el metal es el que tiende a ceder suselectrones. Estos compuestos tienen un alto punto de fusión y de ebullición, ademásde que son buenos conductores de energía.

5. Los Enlaces Metálicos se caracterizan por formarse a partir de la unión de dos o másmetales, además de que se manifiestan como una red rígida de iones positivosdentro de una nube electrónica.

Otras de sus características es que son ductiles, tienen brillo, conducen el calor, entreotros.

AUTOEVALUACIÓN

Li C

OAl Al

OZn Zn

104

6. Los Enlaces Covalentes se presentan cuando existe la unión de no metales, es decircuando un átomo comparte un par o más de electrones con otros átomos.

7. Los Enlaces Covalentes Coordinados se dan cuando sólo un átomo proporciona loselectrones, para llevar a cabo el enlace como en el caso del metano CH4:

H

H C H donde es un enlace coordinado

H

105

Los productos químicos que actualmente se utilizan son el fruto de años de trabajo y deinvestigación, y la labor de los químicos se resume en el análisis de las sustancias con elobjetivo de conocer su estructura y así explicar su comportamiento, pues conociendoéstas pueden sintetizar otras sustancias con propiedades deseables y aprovechables.

Para ejemplificar, se tomó la siguiente lectura:

“Cualquiera sabe que el azúcar es blanca, dulce al paladar y se disuelve en agua. Ycuando le preguntamos al químico: ¿qué es el azúcar?, el nos dice: es casi un 100% desacarosa. Le contestamos: ¡extraño nombre!. Usted no nos ha contestado nada,simplemente ha cambiado una palabra común por otra menos conocida. ¿Qué es esoque usted llama sacarosa?. Ahora, toma un lápiz y dibuja estos signos extraños en unahoja de papel:

“La respuesta es asombrosa: el azúcar es sacarosa y la sacarosa parece ser unjeroglífico. En ese dibujo no conoceremos ni la blancura, ni la dulzura, ni la solubilidad.Ahora queremos saber cómo llegó él a conocer que el azúcar, qué tanto los químicoscomo nosotros usamos para endulzar el café, es así, tan extraña, y nos dirá que no fuemirando ni oliendo, ni tocando, ni gustando lo que venden en la tienda. Alcanzó eseconocimiento trabajando, utilizando conocimientos científicos anteriores, formulandohipótesis, poniendo a prueba. Todavía puede quedarnos una duda: ¿para qué sirve estatraducción de lo tangible del azúcar o a lo abstracto e irreconocible de la fórmula de lasacarosa?. Y la respuesta del químico terminará con nuestra duda: lo abstracto de lafórmula de la sacarosa no proviene de lo dulce del sabor del azúcar; por el contrario, ladulzura del azúcar se explica por lo abstracto de la fórmula insípida; nos mostrarátambién en el papel que, alterando ciertos enlaces, se obtienen sustancias parecidas alazúcar, pero con sabores distintos, y que él puede planear la preparación de otrassustancias dulces que no existan en la Naturaleza, etcétera”.

De hecho, conociendo la estructura molecular se pueden explicar las propiedades y esmás, con el conocimiento de los enlaces en la molécula, es posible incrementar laspropiedades deseables, disminuir las no deseables o simplemente cambiar éstas.

O

HOH

H


O

H OH

H

OH HH OH

OOH

H

CH2OH

CH2OH

106

Ácidos grasos. Ácidos carboxílicos presentes en las grasas (lípidos).

Afinidad electrónica. La cantidad de energía necesaria o requerida cuando un átomogaseoso, aislado y en su estado fundamental, gana un electrón.

Anión. Ion cargado negativamente

Calcógeno. Miembro del grupo 16 de la tabla periódica.

Catión. Ion cargado positivamente.

Centro (kernel). Todo el cuerpo del átomo, excepto su capa o valencia de electrones

Electronegatividad. Tendencia relativa de los átomos enlazados de atraer loselectrones hacia sí.

Energía de ionización. Energía necesaria para remover un electrón de un átomogaseoso aislado y en su estado fundamental. También se llama potencial de ionización.

Enlace iónico. Atracción electrostática entre iones de carga eléctrica opuesta.

Enlace químico. Fuerza atractiva que mantiene unidos a los átomos en un compuesto.En principio, puede ser iónico, metálico o covalente.

Estructura de Lewis. Método para indicar la asignación de electrones de valenecia aun átomo, molécula o ion, representándolos como puntos alrededor de una letra querepresenta el centro o kernel del átomo.

Fórmula molecular. Fórmula que representa el total de átomos de cada elementopresente en una molécula de un compuesto.

Grupo carbonilo. Grupo de átomos. O II

C

Grupo carboxilo. Grupo de átomos. O II

C OH

Grupo funcional. Un átomo o grupo de átomos que caracterizan a un tipo decompuesto.

GLOSARIO

107

Halógeno. Miembro del grupo 7 en la tabla periódica.

Metal. Aquel elemento que tiende a ceder, fácilmente, sus electrones de valencia.

No metal. Elementos que tienden a aceptar, fácilmente, electrones para completar suúltimo nivel.

Poli-alcohol. Compuesto con más de dos grupos oxhidrilo.

Punto de ebullición. Temperatura a la cual la presión de vapor de líquido es igual a lapresión atmosférica.

Punto de fusión. Temperatura a la cual los estados sólidos y líquido de una sustanciaestá en equilibrio.

Regla del octeto. Regla que postula que una configuración ns2np6 (capa de valencia)en un átomo es especialmente estable.

Solubilidad. Cantidad de soluto que se disuelve en una cantidad específica de solvente

Solvatar. Proceso a través del cual las moléculas de solventes polares (agua) rodea alos aniones y los catiiones de los compuestos iónicos produciendo su disolución.

Sustancia volátil. Sustancia que se evapora fácilmente; líquido con presión de vaporalta y bajo punto de ebullición.

108

ANDER, P., y A: J. Sonnessa: Principios de la Química, Introducción a los CompuestosTeóricos. Limusa, México, 1975.

COTTON, DARLINGTON y LYNCH: Química. Una Introducción a la Investigación.Publicaciones Cultural, México, 1976.

CRUZ, D., J. A. Chamizo y A. Garritz: Estructura Atómica. Un Enfoque Químico.Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, 1986.

DICKSON, T.R.: Química enfoque Ecológico. Limusa, México, 1979

FABILA-Ocampo: Fundamentos de Química. Publicaciones Cultural, México.

FESSENDEN. R., y J. Fessenden: Química Orgánica. Grupo Editorial Iberoamérica,México, 1984.

GARRITZ, A., et al.: 33 Prácticas de Química para el Bachillerato Tecnológico. Consejodel Sistema Nacional de Educación Tecnológica, México, 1991.

GOLDWHITE, H., y J.R. Spielman: Química Universitaria. SITESA, México, 1990.

HEIN, M.: Química. Grupo Editorial Iberoamérica. México, 1992.

KEENAN-Wood: Química General Universitaria. México.

McMURRY, J.: Fundamentals of Organic Chemistry. Brookes/Cole Publishing Company,USA, 1990.

MONTIMER, C.E.: Química. Grupo Editorial Iberoamérica, 1983.

MORTIMER, C.E.: Química. Grupo Editorial Iberoamérica, México, 1993.

OULLETTE, R.: Introducción a la Química Orgánica. Harla, México, 1973.

PIERCE, B. James: Química de la Materia. Publicaciones Cultural, México, 1973.

RICHARDS, J., D. Cram y G. Ammond: Elementos de Química Orgánica. McGraw-Hill,México, 1968.

RUSELL, B. John: Química General. McGraw-Hill, México, 1985.

SMOOT-Price: Química. Un Curso Moderno. Compañía Editorial Continental, 1982.



QUÍMICA II



2






3

INTRODUCCIÓN 7

CAPÍTULO 1. FUERZAS DE INTERACCIÓN Y 9 MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS

PROPÓSITO 11

1.1 FUERZAS INTERMOLECULARES 13

1.1.1 EL Modelo Cinético Molecular y los Estados 13de Agregación Molecular de la Materia

1.1.2 La Naturaleza de las Fuerzas Intermoleculares 15

a) La polaridad de las moléculas 16b) Puentes de Hidrógeno 17c) Las Fuerzas Dipolo-Dipolo 18d) Las Fuerzas de London 20

1.1.3 Los Líquidos, los Sólidos y sus Propiedades 21

a) Líquidos 21b) Sólidos 22

1.2 MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS 26

1.2.1 Polímeros 26

a) Generalidades 26b) Termoplásticos 27

1.2.2 Polimerización 29

a) Polímeros de Adición 30b) Polímeros de Condensación 33c) Estructura primaria y secundaria de los polímeros 39d) Los polímeros y la contaminación 42

Í N D I C E

4

RECAPITULACIÓN 50ACTIVIDADES INTEGRALES 51AUTOEVALUACION 53

CAPÍTULO 2. MACROMOLÉCULAS NATURALES 55

PRÓPOSITO 57

2.1 BIOMOLÉCULAS 59

2.2 CARBOHIDRATOS 62

2.2.1 Monosacáridos 622.2.2 Anómeros 652.2.3 Disacáridos 682.2.4 Polisacáridos 70

a) Polisacáridos de reserva 71b) Almidón y glucógeno 71c) Polisacáridos estructurales 72

2.3 LÍPIDOS 76

2.3.1 Ácidos Grasos 762.3.2 Acilglicéridos 782.3.3 Fosfoglicéridos 792.3.4 Ceras 802.3.5 Terpenos 822.3.6 Esteroides 85

2.4 PROTEÍNAS 87

2.4.1 Aminoácidos 872.4.2 Enlace Peptídico 902.4.3 Clasificación de las Proteínas 942.4.4 Estructura de las Proteínas 95

a) Estructura Primaria 95b) Estructura Secundaria 96c) Estructura Terciaria 97d) Estructura Cuaternaria 100

RECAPITULACIÓN 109ACTIVIDADES INTEGRALES 110AUTOEVALUACION 112

5



AUTOEVALUACIÓN 116

GLOSARIO 117


7

Si por un momento observaras a tu alrededor notarás que la mayoría de las cosas hantenido cualquier tipo de transformación química, ya sea de manera artificial o natural,como en el caso de los diferentes plásticos, por un lado, o nuestra propia piel, el ADN , laseda, entre otros.

Para poder comprender lo anterior, este fascículo tiene como objetivo que comprendasla unión que se da entre moléculas; esto lo lograrás analizando las diferentes fuerzasque existen entre las moléculas, realizando actividades y experimentos relacionados conlas macromoléculas; lo anterior servirá para comprender la importancia que tienen éstas(las moléculas) en el desarrollo y supervivencia de los seres vivos.

A partir de lo anterior dividiremos el fascículo en dos grandes capítulos:

Dentro del primer capítulo, “FUERZAS DE INTEGRACIÓN Y MACROMOLÉCULAS”,encontrarás que en el primer tema se revisarán las fuerzas intermoleculares, donde seexplican los comportamientos y las propiedades tanto de los líquidos como de lossólidos, a partir del conocimiento de la naturaleza de las fuerzas de cohesión que existenentre las moléculas de las sustancias que se encuentran en dichos estados deagregación; en el segundo tema hablaremos de las Macromoléculas Sintéticas, endonde se tratarán las principales características y la manera en que se forman lospolímeros, en este caso abordaremos sólo los de tipo artificial, haciendo énfasis en lapolimerización, a partir de los derivados del petróleo, como por ejemplo; el nylon y elpolietileno.

En lo que se refiere al capítulo dos, “MACROMOLÉCULAS NATURALES”, haremosreferencia a las biomoléculas y los diferentes tipos de éstas, tales como: Carbohidratos,en donde se contemplan sus principales propiedades y características; dentro de losLípidos abordaremos las características de los ácidos grasos, fosfoglicéridos, ceras,terpenos y esteroides; y por último las Proteínas, donde veremos las unidades quepermiten su formación (aminoácidos y enlaces peptídicos), posteriormente suclasificación y para terminar abordaremos las diferentes estructuras de proteínas que sepueden encontrar.


9

FUERZAS DE INTERACCIÓNY

MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS

1.1 FUERZAS INTERMOLECULAES

1.1.1 El Modelo Cinético Molecular y los Estados de AgregaciónMolecular de la Materia

1.1.2 La Naturaleza de las Fuerzas Intermoleculares

1.1.3 Los Líquidos, los Sólidos y sus Propiedades

1.2 MACROMOLÉCULAS

1.2.1 Polímeros

1.2.2 Polimerización

CAPÍTULO 1

11

Al revisar este mapa conceptual sabrás qué es lo que puedes aprender al estudiar elcapítulo, así como la forma en como puedes adquirir dicho conocimiento y la importanciaque tiene para tu formación académica.

P R O P Ó S I T O

AL ESTUDIAR LAS FUERZASINTERMOLECULARES Y LAS

MACROMOLECULARES SINTÉTICAS

conocerás

COMO SE DA LA UNIÓN ENTRE LASMOLÉCULAS

esto lo lograrás

IDENTIFICANDOLOS POLÍMEROS

a través de su

CLASIFICACIÓN

FORMAS DEPRODUCCIÓN

IDENTIFICANDOLAS FUERZAS QUE

INTERVIENEN

ANALIZANDO ELMODELO CINÉTICO

MOLECULAR

a partir de

PREGUNTASDE REFELEXIÓN

lo que tepermitirá

INICIAR EL ESTUDIODE LAS

MACROMOLÉCULASNATURALES

COMPRENDERLAS

PROPIEDADESDE LAS

SUSTANCIAS

13

CAPITULO 1. FUERZAS DE INTERACCIÓN Y MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS

1.1 FUERZAS INTERMOLECULARES

1.1.1 EL MODELO CINÉTICO MOLECULAR Y LOS ESTADOS DE AGREGACIÓNMOLECULAR DE LA MATERIA

En el fascículo 2 de Química I, ya estudiaste este tema. Recordaremos ahora lo másesencial del mismo.

El estudio de las propiedades de los cuerpos, a partir de las observacionesmacroscópicas, permite conocer las características de éstos, pero ello no es suficientepara conocer las causas que lo determinan. Por esta razón, tenemos que recurrir alcomportamiento microscópico de las partículas que componen la materia.

El comportamiento y estructura de las sustancias se debe principalmente a lasinteracciones de sus moléculas. A causa de la dificultad para realizar observaciones deeste comportamiento se recurre a modelos explicativos, y descriptivos que dan cuentade lo que sucede en el interior de la materia.

Un modelo simple que permite explicar el comportamiento de las propiedades de loslíquidos, sólidos y gases es el modelo cinético molecular.

En la tabla 1, se muestran algunas de las principales características de la materia que seexplican a partir del modelo cinético molecular.

14

Tabla 1. Algunas propiedades características de los estados de la materia

GAS LÍQUIDO SÓLIDO− Toma el total de

volumen y la forma delrecipiente que locontiene.

− Se expande facilmente. − Son de densidad baja. − La difusión se presenta

rápidamente. − Fluye con facilidad.

− Toma la forma de laproporción del recipienteocupa.

− No se expande para

llenar el recipiente. − Es virtualmente

incomprensible. − La difusión la lleva a

cabo lentamente. − Fluye fácilmente.

− Conserva su propiaforma y volumen.

− Es virtualmente

incomprensible. − La difusión se presenta

extremadamente lenta. − No fluye. − No tiene posibilidad de

expansión.

Los gases, de acuerdo con el modelo cinético molecular, consisten en partículasindependientes muy pequeñas, que tienen movimiento en línea recta, al azar en elespacio y experimentan choques 100% elásticos. Los gases ocupan un volumen milesde veces más grande que el que ocupan los líquidos o los sólidos, debido a que lasmoléculas de los gases están mucho más separadas que las de los líquidos o lossólidos. Lo anterior explica la densidad mucho más baja de los gases respecto de la delos líquidos y los sólidos.

De acuerdo al modelo cinético molecular. ¿Cuálsería la principal diferencia que existe entre unsólido, un líquido y un gas?.

La comprensión y la difusión de los gases se explica por el hecho de que las moléculasdel gas son partículas esencialmente independientes. Se mueven por el espacio hastaque chocan con otras moléculas de gas o las paredes del recipiente. En los líquidos, según el modelo cinético molecular, las partículas mucho más cercanasentre sí que las de los gases. Asimismo, el volumen definido de los líquidos es unaconsecuencia de las fuerzas de atracción entre las partículas de un líquido, que sonmucho más fuertes que en un gas. Los líquidos son fluidos y toman la forma delrecipiente debido a que las partículas del líquido se mueven con cierta independenciaunas de otras. La difusión en los líquidos es más lenta que en los gases debido a que las moléculas delos líquidos se mueven más lentamente y están más próximas entre sí.

15

En los sólidos, las partículas se mantienen juntas en posiciones fijas por fuerzas queson más poderosas que las que se encuentran presentes entre las partículas de loslíquidos. De esta manera se explican la forma y el volumen definido de un sólido, asícomo su incomprensibilidad. El que el arreglo de las partículas sea ordenado o nodeterminará que el sólido sea cristalino o amorfo. Las partículas de un sólido vibrandébilmente hacia uno y otro lado de sus posiciones fijas de equilibrio. Lo anterior explicala poca difusión de cualquier sólido. Desorden total: muchos espaciosvacíos; las partículas tienen libertadcompleta de moverse debido a laseparación y a las fuerzas deatracción no son muy efectivas.

Desorden: las partículas o los gruposde partículas son casi libres demoverse relativamente entre sí; laspartículas se unen entre sí.

Distribución ordenada: laspartículas pueden vibrar, perose encuentran en posicionesfijas; las partículas se mantienenunidas entre sí.

Figura 1. Comparación a nivel molecular de los gases, líquidos y sólidos.

1.1.2 LA NATUALEZA DE LAS FUERZAS INTERMOLECULARES En esta parte del fascículo aprenderás la naturaleza de las fuerzas de atracciónpresentes en los estados sólidos y líquido. Las fuerzas de atracción que mantienen unidad a las moléculas en los líquidos y en lossólidos, conocidas como fuerzas intermoleculares, determinan en gran parte laspropiedades físicas de estos estados de agregación. Antes de comenzar el estudio de las principales fuerzas intermoleculares (puente dehidrógeno, fuerzas dipolo-dipolo, fuerzas de London) revisaremos el concepto depolaridad, que es bastante útil para entender este tipo de fuerzas. Recordaremos paraello algunos de los conceptos vertidos en el fascículo 1.

Gas Líquido Sólido Cristalino

16

a) La polaridad de las moléculas. En el enlace covalente, el par de electrones compartido es atraído simultáneamente porlos dos átomos enlazados. Cuando los dos átomos enlazados presentan la misma atracción por el par deelectrones, esto es, que tiene la misma electronegatividad, la distribución de la cargaelectrónica es simetría respecto a la de los dos núcleos; es decir, no se presentan poloscargados, por lo que se dice que el enlace es puro o covalente no polar. Lasmoléculas H2 y Cl2 son ejemplos de moléculas con enlace covalente no polar.

Figura 2. No presentan polaridad los átomos que, al formar la molécula, tiene la misma electronegatividad.

El enlace covalente polar lo presentan aquellas moléculas cuyos átomos compartendesigualmente el par de electrones. En moléculas como la del cloruro de hidrógeno, HCI,y la del fluoruro de hidrógeno, HF, en donde la electronegatividad del cloro y del flúor esmayor que la del hidrógeno, la carga electrónica está más cercana a los átomos del flúoro cloro. Entonces decimos que se ha formado un enlace covalente polar.

Figura 3. La diferencia de electronegatividad hace que la molécula se polarice. El puente de hidrógeno y las fuerzas dipolo-dipolo se originan a causa de la polaridadque presentan moléculas con enlaces covalentes polares. Ambas aparecen por laatracción electrostática entre moléculas polares, aunque en el puente de hidrógeno esmas intensa la interacción.

Figura 4. Fuerzas intermoleculares

CI CI

Electrones repartidos simétricamente

δ+ δ- δ+ δ-

δ+ δ- δ+ δ-

17

b) Puentes de Hidrógeno. Los puentes de enlaces de hidrógeno se presentan en líquidos cuyas moléculas tienenun átomo de H enlazado covalentemente compuestos que forman enlaces de hidrógenoson el H2O, El HF y el NH3. Los compuestos que presentan enlaces de hidrógeno tienen propiedades diferentes alas comunes. Por ejemplo, el agua tiene un punto de ebullición de 100°C, que es muchomayor que el H2S, cuyo valor es de -85.5°C. Los puentes de hidrógeno son los másfuertes entre las fuerzas intermoleculares. AGUA .. .. .. .. H2 O H – O: , H – O: , H – O: , H – O: H H H H AMONIACO H H H H NH3 H – N: , H – N: , H – N: , H – N: H H H H ÁCIDO FLUORHÍDRICO .. .. .. .. HF H – F: , H – F: , H – F: , H – F: . . . . . . . . Figura 5. Representación de los puentes de hidrógeno que se presentan en el H2O, NH3, HF. (La línea continua es enlace

covalente, la punteada corresponde a enlaces por puentes de hidrógeno).

Figura 6. La formación de puentes de hidrógeno en las proteínas determina su estructura.

18

En la estructura del hielo las uniones por puentes de H hace que su densidad sea menorque la del agua líquida. Por eso el hielo flota en ella. Esto es fundamental para la vida enla tierra, pues de otra manera se hundiría al fondo de los lagos, los ríos y los océanos,acumulándose en el fondo de éstos, lo que provocaría un congelamiento de abajo haciaarriba, lo cual haría imposible la vida de peces y plantas.

Observa, con cuidado, la siguiente fórmula y contesta las preguntas que a continuaciónte presentamos. ¿Qué moléculas se encuentran unidas por puentes de hidrógeno?

¿Qué características tienen en común las moléculas?

c) Las Fuerzas Dipolo-Dipolo Las fuerzas intermoleculares dipolo-dipolo se presentan entre moléculas polares. Lasmoléculas de este tipo se organizan de tal forma que el polo positivo de una moléculainteractúa con el polo negativo de la molécula vecina. Las interacciones bipolares son fuerzas de corto enlace, por lo que las moléculas tienenque estar muy cerca entre sí para que la fuerza de atracción sea significativa.


ácido dicarboxílico

C

C

O O

O O

C

C

O O

O O

H

H

H

H

19

En la siguiente figura se observa cuál es el arreglo que adquieren las moléculas quepresentan fuerzas dipolo-dipolo. Figura 7. Los dipolos en las moléculas se orientan de tal modo que la atracción se presenta en los dipolos de signo contrario.

La naturaleza relativamente débil de las interacciones bipolares es la causa de que los líquidos, que mantienenjuntas sus moléculas, sean volátiles o no debido a estas fuerzas.

En el etanol, por ejemplo, las fuerzas intermoleculares dipolo-dipolo son más intensasque el éter etílico. Por eso el último es más volátil que el primero. CH3 – CH2 - O O - CH2 – CH3 CH3 – CH2 - O

H

H

+ - + -

más fuerte

+ -

Teb = 78.5°C

CH2

+ -

CH2

H -

H

C -

H

CH2 - O

CH2 – CH3 más débil

Teb = 34.6°C

20

d) Las Fuerzas de London Las moléculas no polares pueden presentar dipolos instantáneos debido a la distorsiónde la nube electrónica que rodea a los núcleos. Estos dipolos instantáneos logran inducirotros dipolos en las moléculas vecinas. Las fuerzas de atracción entre estos dipolosinstantáneos constituyen las llamadas fuerzas de London. Todas las moléculas pueden presentar deslocalización de electrones que es causaprincipal de la existencia de las fuerzas de London. Las moléculas polares tambiénpresentan fuerzas de London. Las moléculas más grandes y complejas que poseen grandes nubes electrónicas que sedistorsionan y polarizan fácilmente son las que presentan las fuerzas de London másfuertes. Por ejemplo, las moléculas de HI, que es menos bipolar que la de HCI, pero másgrande, tiene las fuerzas de London más fuertes.

dipolos instantaneos

Figura 8. Acción dipolo-dipolo (fuerza de London) y su efecto.

Busca, en un libro de química o en una enciclopedia, las temperaturas de ebullición delos siguientes gases:

He Ne Ar Kr Xe Rn


dipolo instantáneo no-polar

tiempo tiempo tiempo

no-polar dipolo instantáneo

21

Explica dichas temperaturas en función de las fuerzas de London.

1.1.3 LOS LÍQUIDOS, LOS SÓLIDOS Y SUS PROPIEDADES.

a) Líquidos

Presión de vapor. Las moléculas de la superficie de un líquido que posean suficienteenergía escapan de los <<jalones>> de sus vecinos. Estas moléculas, al pasar a la fasegaseosa, ejercen una presión sobre el recipiente llamado presión de vapor. Todos loslíquidos tienen una presión de vapor diferente. A mayor presión de vapor, más fácilmentese evapora un líquido. El líquido que se evapora más fácilmente es, asimismo, el masvolátil. El alcohol etílico, al frotarse en el cuerpo, produce una sensación de frío, debido ala evaporación de las moléculas que poseían mayor energía cinética.

La volatilidad de un líquido está determinada por la magnitud de las fuerzasintermoleculares que hacen que las moléculas permanezcan en el líquido. Mientrasmenor es la fuerza, más volátil es el líquido.

Por ejemplo, el etanol se evapora más fácilmente que el agua. La polaridad del agua esmayor que la del etanol y ésta es mayor que la del éter etílico.

Agua

Etanol

ÉterEtílico

Figura 9. La diferencia de electronegatividades entre los átomos explica la polaridad de las moléculas y ésta su volatilidadrelativa.

. .:H - O

H

CH3 – CH2 - O :. .

H

CH3 – CH2 - O :. .

diferencia de electronegatividades

O - H

O - C

3.4 - 2.2 = 1.2

3.4 - 2.6 = 0.8

CH2

CH3

22

Ordena de acuerdo con su polaridad las siguientes sustancias:

Amoniaco(NH3), Fosfina (PH3), Dióxido de Carbono (CO2),Ácido Clorhídrico (HCI) y Ácido sulfhídrico (H2S).

b) Sólidos

Diferentes tipos de sólidos cristalinos

Los sólidos cristalinos se pueden clasificar tomando en cuenta la naturaleza de laspartículas que los componen (átomos, iones, moléculas), así como las fuerzas que losmantienen unidos en los sólidos iónicos, moleculares, covalentes y metálicos.

En la siguiente tabla se resumen las principales características de estos cuatro tipos desólidos cristalinos.

Tabla 2. Enlace y propiedades en los sólidos cristalinos.

Clasificación Tipo departícula

Fuerza queexiste entre las

partículas

Dureza Punto defusión

Conducti-vidad

Ejemplos

Iónico Ionespositivos ynegativos

Enlaces iónicos Bastante durosy quebradizos

Bastante alto Baja NaCIK2CO3Na3PO

Moléculas Moléculas Fuerza Dipolo-Dipolo de London

Blandos Bajo Baja CO2C6H6H2OCH4

Covalente Átomos Covalente Muy Duros Muy alto Baja SiCSiO2

(cuarzo)C

(diamante)Metálico Iones

positivosAtracción entre lanube electrónica ylos iones positivos

Blandos aduros

Medio a alto Buena aexcelente

NaAgFeW


23

Respecto a la tabla anterior cabe hacer las siguientes precisiones.

a) Las sales iónicas en estado líquido o fundidas, también, pueden ser empleadas comoconductores de la electricidad.

b) El tipo de dureza que se da en los enlaces covalentes no siempre es igual.

Sólidos moleculares

Las unidades que ocupan los puntos reticulares de los sólidos son moléculas. Lasfuerzas dipolo-dipolo y las fuerzas de London son las responsables de mantener unidasa las moléculas de estos sólidos. A causa de que estas fuerzas son mucho más débilesque los enlaces iónicos y covalentes, los sólidos moleculares presentan punto de fusiónbajo, son blancos y no son buenos conductores de la electricidad.

Figura 10. Etileno sólido: una estructura ortorrómbica de cuerpo centrado.

Sólidos iónicos

En los sólidos iónicos, los aniones y cationes son las unidades presentes en la mallacristalina. Las fuerzas electrostáticas, enlaces iónicos, son fuertes, lo que les da unadureza característica y los hace quebradizos. Los cristales iónicos se funden a altastemperaturas ; el NaCI se funde a 808°C. A causa de la fuerza de atracción entre losiónes, estos no tienen libertad para desplazarse, resultando que sean malos conductoresde la electricidad.

Figura 11. En una malla cristalina de los sólidos iónicos, los cationes Na+ y los aniones Cl- ocupan los puntos reticulares.

24

Sólidos covalentes

Las unidades que ocupan los puntos reticulares de los sólidos covalentes con átomosenlazados covalentemente. Los átomos forman una red tridimensional, o «moléculagigante». El enlace covalente, al mantener fijos en sus posiciones a los átomos delsólido covalente, hace que éstos tengan altos puntos de fusión. Además de que noexisten iones o electrones móviles, estos sólidos no son conductores eléctricos.

Figura 12. El diamante (c) es un sólido covalente cuyos átomos ocupan reticulares de la malla.

Sólidos metálicos

Las partículas que ocupan los puntos del retículo en un sólido metálico son ionespositivos. La nube electrónica que envuelve todo el retículo está formada por loselectrones que no se encuentran unidos a ningún átomo sino a todos en conjunto. Estoselectrones están dispersos todo el cristal y reciben el nombre de electrones libres.

Los electrones libres de un sólido metálico son los responsables de la buenaconductividad eléctrica y térmica que caracterizan a los metales. Asimismo, el brillocaracterístico de los metales se explica por la facilidad de estos electrones de absorber yemitir la luz que alcanza su superficie.

Figura 13. En estos cristales el núcleo y los electrones (iones positivos) internos del átomo ocupan los puntos reticulares dela malla, mientras que los electrones exteriores al estar deslocalizados forman una nube alrededor de los ionespositivos.

25

1. Explica por qué los sólidos son incompresibles.

2. Menciona tres características de los puentes de hidrógeno.

3. Menciona cuáles son las fuerzas intermoleculares que se presentan en los sólidosmoleculares.

El estudio de las Fuerzas Intermoleculares se pueden entender a partir de conocer cómose comparten las moléculas en los diferentes Estados de Agregación Molécular de laMateria (Sólidos, líquidos y gases). Sin embargo, estos compartimientos van a estar enfunción de diferentes factores, como por ejemplo: en líquidos en donde se presenta unenlace covalente entre un átomo de hidrógeno (H) con otro átomo que sea muy pequeñoy electronegativo; otro caso es la interacción que se da entre las moléculas a partir de lapolaridad que existe entre cada una de ellas, es decir de la atracción de una molécula depolo positivo con otra de polo negativo; y por último, existe la posibilidad de que algunasmoléculas puedan generar un dipolo instantáneo, lo cual provoca que dicha moléculapueda incorporarse a una cercana y de polaridad contraria.

A partir de estos aspectos es posible comprender el por qué de los comportamientos ypropiedades de los sólidos, líquidos y de los gases.



26

1.2 MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS

El material del que está fabricada una bolsa de plástico y el de tu pluma esfundamentalmente el mismo. Sin embargo, sus características son diferentes. El materialde tu pluma es rígido, mientras que el de la bolsa forma películas delgadas.

¿Sabes de qué material está hecha tu ropa?

¿Qué es lo que hace que los polímeros tengancomportamientos tan diferentes, que puedan formar fibras muyresistentes como el nylon, capas delgadas como el polietileno oestructuras muy duras como el cloruro de polivinilo (PVC), elcual en algunas partes de los automóviles han sustituido alacero?

¿A partir de qué materias primas se reducen los objetos queconoces y mediante qué procesos son fabricados?

1.2.1 POLÍMEROS

a) Generalidades

Los primeros son macromoléculas formadas de la repetición sucesiva de un grannúmero de grupos de átomos llamados monómeros. Quizá no te has dado cuenta, perote encuentras rodeado de una gran cantidad de polímeros.

El nylon es una fibra con la cual se confeccionan prendas de vestir; los bolígrafos,tuberías, vajillas, domos en los edificios, recubrimientos y partes de automóviles estánconstruidos a partir de polímeros.

Desde 1868, año en que John Wesley Hyatt sintetizó el celuloide, muchos objetos demadera o metal han sido paulatinamente sustituidos por polímeros artificiales.

Precisamente, John W. Hyatt trataba de fabricar una bola de billar de un materialdiferente de marfil. Mezcló piroxilina con alcanfor sólido y el resultado fue el celuloide. Secuenta también con un polímero que forma películas delgadas (se usó durante muchotiempo para hacer películas de cine). Los polímeros tienen una gran versatilidad. Porejemplo, forman fibras que se puedan hilar como el nylon. Otros son rígidos y duros, conlos que se constituyen partes para automóviles.

Los polímeros pueden clasificarse en tres grandes grupos, de acuerdo con suspropiedades:

• Elastómeros• Fibras• Plásticos

27

Elastómeros Fibras PlásticosAquellos que tienenpropiedades elásticas,como el hule.

Polímeros que se puedentejer, como el nylon o elpoliéster.

Polímeros que puedanformar hojas delgadas(usadas en las bolsas),sólidos duros y maleables(tuberías, juguetes paralos niños) o revestimientos(barnices).

b) Termoplásticos.

Dentro del grupo de los plásticos se encuentran los termoplásticos, que tienen lacaracterística de que cuando son calentados se reblandecen y pueden ser moldeadas apresión.

En la tabla siguiente presentamos los termoplásticos más comunes:

Tabla 3. Polímeros más comunes

Nombre AbreviaturasPolietileno de baja densidadPolietileno de alta densidadPolipropilenoCloruro de poliviniloPoli estirenoAcrilo nitrilo-estirenoAcrilo nitrilo-butadieno-estireno

LDPEHDPEPPPVCPSSANABS

Low Density Polietilen.High Density Polietilen.

Stiren Acril-Nitrilo.

La multiplicidad de las propiedades de los polímeros depende de la gran variedad deestructuras que pueden formar. Por ejemplo, si tuviéramos un gran número de pequeñascuentas (como 6000 aproximadamente), ¿cuántos tipos de collares podríasmanufacturar?.

Tomemos por ejemplo al polietileno, del que están hechas las bolsas que nos dan en elmercado. Es un polímero del etileno o eteno y se usa también para fabricar recipientesrígidos (como los usados para envases).

Como puedes observar, algunos son muy flexibles, otros son rígidos y otros se puedenmoldear fácilmente por calor. Entonces, si muchos objetivos están fabricados del mismomaterial.

¿A qué se debe que tengan comportamientos tan diferentes?

La respuesta está en conocer la forma en que se encadenan los monómeros y, una vezque la cadena se ha formado, la alineación de la misma. Así, vemos que la estructuradel polímero es determinante para establecer sus características.

28

Del ejemplo anterior del polietileno se observa que el polietileno rígido no tienecadenas ramificadas (Figura 14), es un polímero de alta densidad y parcialmentecristalino. Mientras que el polietileno flexible tiene cadenas ramificadas. Estaramificación impide que las cadenas formen filas compactas produciendo un polímeroplástico, que es más flexible, maleable al calor y menos denso (figura 15).

(Tiene alta densidad) (Tiene baja densidad)

Figura 14. Polímero no ramificado Figura 15. Polímero amificado

Los polímeros tienen como materias primas a diversos productos derivados del petróleo.La petroquímica es una rama de la industria química que trata la serie de procesos através de los cuales se elaboran los productos químicos que se derivan de loshidrocarburos del petróleo.

Ésta es una de las razones por las que el petróleo tiene tanta importancia en laactualidad, además de la producción de combustibles. Del petróleo se obtienenproductos químicos como el etileno y el benceno, que son materias primas para obtenergran variedad de polímeros.

Tabla 4. Algunas materias primas, su producto y usos más característicos.

Materia prima Producto UsosEtileno Cloruro de vinilo, etilenglicol,

acetato de vinilo, estireno, oxidode etileno, alcohol polivinílico.

Bolsas, botellas, juguetes,discos fonográficos,películas, artículos de pielartificial, etc.

Propileno Cloruro de alilo, 2 etil-hexilacrilato,butil acrilato, óxido de propileno,polioles, acrilonitrilo.

Botellas, libros, artículosmoldeados.

Benceno Estireno, hexametilediamina, ácidoadípico.

Artículos moldeados,espumas aislantes.

Paraxileno Ácido tereftálico, dimetiltereftalato. Fibras artificiales,termoplásticos.

29

Aromáticos

Figura 16. Síntesis de la cadena productiva mediante la cual una mezcla de miles de compuestos (el petróleo crudo) setransforma en productos más aprovechables. Las sustancias de la derecha son las materias primas de la industriapetroquímica. (Fuente: Análisis de la industria petroquímica por cadenas productivas. Comisión PetroquímicaMexicana, México, 1986.)

1.2.2 POLIMERIZACIÓN

¿Cómo se lleva a cabo la polimerización?

Los polímeros se forman por la unión de un gran número de unidades monoméricas, quese pueden representar a través de una reacción química:

Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad, y en muchos casos, haceposible un proceso químico (como en este caso la reacción de polimerización) sin que seadvierta en los productos.

Un polímero se nombra por el tipo de monómeros que lo forman precedido del prefijopoli. Por ejemplo, el polietileno es el formado por los monómeros del etileno.

Petróleocrudo

Destilaciónatmosférica

Otrosproductos

Naftas

Destilaciónal vacío

Desintegracióntérmica

Reformacióncatalítica

Gasóleo

Otros productos

Desintegracióncatalítica

Gasolinaalto octano

BTXTolueno

Xilenos Isomeri-zación

Dealquilación

Etileno

PropilenoButileno

Benceno

Tolueno

Propileno

+ + + +catalizador

monómeros polímeros

Orto-xilenoPara-xileno

30

Los primeros se pueden clasificar de acuerdo con la forma en que las unidadesfundamentales o monómeros se unen. Algunos polímeros como los de vinilo son ejemplode polímeros de adición, donde los monómeros se suman o unen uno a uno. Existe otrogrupo, como el del nylon, que son los polímeros de condensación. Estos polímeros seforman de la reacción de dos unidades de monómeros, con eliminación de agua.

a) Polímeros de Adición.

Los primeros de adición se forman por la suma de monómeros que tienen dobleligadura.

Por ejemplo:

En 1955, Karl Ziegler y Giulio Natta desarrollaron un técnica de polimerización eficiente,introduciendo el uso de un catalizador. La función del catalizador es unirse al alquenomonomérico y después permitir que nuevos monómeros se inserten en la cadena.

Si a la molécula de etileno se le sustituye un hidrógeno por otro elemento o por gruposde átomos (como algunos radicales), se obtiene una gran variedad de nuevoscompuestos, y éstos, a su vez, pueden producir una gran gama de nuevos polímeros,como se muestra en la tabla 5.

El polietileno es uno de los polímeros más usados en la actualidad. Se encuentra en unagran diversidad de materiales: empaques, aislantes eléctricos, materiales deconstrucción, etc. Es un termoplástico de bajo costo que puede moldearse de diversasformas hasta formar películas delgadas o extruirse (este término lo veremos másadelante) para hacer fibras. De acuerdo con la forma de producirlo, se pueden encontrardos tipos de polietileno, el de baja densidad y el de alta densidad, conocidos por sussiglas en inglés LDPE y HDPE, respectivamente.

H

HC = C

H

H+

H

HC = C

H

H

catalizadorC C C C

H H H H

H H H H

polietilenoetileno o eteno

31

Otro ejemplo de polímero de adición es el poli estireno. En un termoplástico muy usadodebido a su bajo costo, estabilidad térmica y baja densidad. El poli estireno es unpolímero del estireno. La forma del polietileno la podemos representar de la formasiguiente:

Estireno

1)

El poliestireno generalmente está formado de una 5500 a 6000 unidades. Este polímerotiene la apariencia de una resina clara y transparente que fluye con facilidad.

Entre los usos personales del poliestireno están: envases desechables, empaques,piezas moldeadas para cassettes, difusores de luz, plafones, envases aislantes térmicos(de unicel), etcétera.

El PVC (cloruro de polivinilo) se obtiene de la polimerización de cloruro de vinilo. Seencuentra de dos formas: una rígida, que se emplea en la fabricación de tuberías parariego, botellas, techado, juntas y partes automotrices, y otra flexible, para fabricarcortinas para baño, manteles, alambre, cables eléctricos y en tapicería.

n

- C - C - C - C

H H H H

H H

- C

H

H

- C -

H

n

HC = C

H

H

radical vinilo

HC = C

H

H CI

cloruro de vinilo

HC = C

H

HO O

HC=C

H

H

O

32

Tabla 5. Principales polímeros de adición

Monómero Fórmula polímera Nombre industrial yaplicaciones

Cloruro de polivinilo (PVC). Geón(película, aislamiento, ropaimpermeable, losetas para elpiso).

Poliestireno, estirofoam(espuma), artículos moldeados.

Acetato de polivinilo (PVA)adhesivos, tintura, látex, chicle.

Acrilán, orlón (fibras, alfombraspara exteriores).

Polipropileno, poliolefinas (fibras,artículos moldeados, alfombraspara exteriores).

Teflón (recubrimiento para evitarel peligro de pegarse), cojinetes,empaques.

C

C

H

H

C

H

H

H

C = C

H

H CI

cloruro de vinilo n

n

H

C = C

H

H

Estireno

O

O C -- CH3

H

C = C

H

CH3H

CH3

N

H

C = C

H

H

F

C = C

F

FF

Acetato de vinilo

Acrilonitrilo

Propeno

Tetrafluoretileno

C

H

C

H

Hn

Fn

C

F

C

F

F

O

O C - CH3

H

C = C

H

H

n

C

H

H

C

H

C

H

H

C

H

C N

C

H

H

C

H

CH3 n

33

Lucite, plexiglás (artículosmoldeados transportes, ventanas,bombillas de lampara).

b) Polímeros de condensación

Estos polímeros se forman por la reacción de dos unidades monoméricas, coneliminación de agua.

Un representante de este grupo es el nylon. Éste fue el primer polímero que pudohilarse. Desde su descubrimiento, en 1930, se han producido gran cantidad de fibrassintéticas, las cuales han sido importantes en el desarrollo de la industria textil.

El nylon 66 se forma a partir de la reacción del ácido adípico y la hexametilendiamina;ambos de seis átomos de carbono.La reacción es la siguiente:

Como se observa en la figura, la línea punteada resalta la formación de una amida.

H

C

Monómeros

=C

CH3

C=O

O

O - CH3

H

CHO

(CH2)

O

CHO

+ H2N - (CH2)6 - NH2

ácido adípico hexametilendiamina

- C - (CH2)4 - C - N - (CH2)4 - N - C - (CH2)4 - C - N - (CH2)4 - + H2O

O O O O

H

nylon 66

O -CH3

n

C

CH3

C

H

H

C=O

H

Metilmetacrilato

34

Las amidas contienen el grupo con la fórmula:

Por lo tanto, el nylon es una poliamida que se ha formado de las uniones sucesivas deun ácido carboxílico

Las fibras de nylon 66 tienen gran importancia en la industria textil, por ejemplo en laconfección de medias para dama, alfombras, paracaídas y en la fabrica de neumáticospara automóviles. Entre las propiedades que las han hecho indispensables destacan lassiguientes:

− Son inertes a muchos a muchos productos químicos corrosivos, excepto los ácidosminerales calientes.

− Tienen mayor elasticidad que la seda.− No los atacan hongos, bacterias o polilla, por lo que son más durables.− Son resistentes a las arrugas.− Absorben muy poca humedad de la atmósfera por lo que secan rápidamente.

Existen otras fibras muy elásticas que son usadas en la fabricación de trajes de baño ymedias, a estas fibras se les conoce como spandex, entre las que son más conocidas seencuentran la lycra y el virene.

A continuación te presentamos una tabla con las características de los polímeros máscomunes.

O

C N

H

R O OH

O

con una amina N H

H

35

Tabla 6. Algunos polímeros comunes de condensación

Monómeros Moléculaeliminada

Nombre delPolímero

Usos

H2N-(CH2)6-NH2hexanediamina

HOOC-(CH2)4 - COOHácido adípico

H2O Nylon 66 medias y calceteria, cables,telas.

teraftalato de dietilo+

HOCH2CH2OHglicoletileno

C2H5OHMilar

TerilenoDacrónFortral

telas

H-C = C-H

O=C C=O

Oanhidrido maleico

+HOCH2CH2OH

glicoletileno

H2O Plástico Alkydacabados para pisos, esmaltes

para automóviles adhesivos,cementos

CH3

HO-Si-OH

CH3dimetilsilanediol

H2O siliconaslubricantes para altas

temperaturas, repelentes parael agua, caucho de silicona.

HCHOformaldehído

+(NH2)2CO

urea

H2O resina urea-formaldehídojuguetes, botones,

recubrimientos para textiles,adhesivos.

0=C=N-CH2CH2-N=C=Odiisocianato de etileno

+HOCH2CH2OH

glicoletileno

H2O poliuretano*fibras, pinturas, aislamientos

térmicos

Copolímeros1

Uno de los aspectos más interesantes de la química de los polímeros es su granversatilidad. Las cadenas poliméricas no sólo se encuentran formadas de un tipo únicode monómeros. Para lograr una mayor gama de propiedades, se pueden producirpolímeros donde exista una combinación de dos, tres o más monómeros diferentesdando como resultado un copolímero.

1 Su combustión produce cianuro de hidrógeno.

Tomado de Brescia, F., Mehlman, S., Pellegrini, F y Stambler, S. (1977). “QUÍMICA”. Interamericana, México, pp.594

-COOC2H5C2H5OOC -

36

Por ejemplo, el copolímero estireno-acrinonitrilo (SAN) tiene una mayor resistenciaquímica y térmica que el estireno. Sin embargo, no es transparente como el poliestireno.

Se usa en artículos de cocina como batidoras o licuadoras y en la fabricación deaspiradoras.

Otro copolímero muy usado es el ABS, acrilonitrilo-butadieno-estireno. Es un plásticoque combina las propiedades de dureza y alta resistencia mecánica. Se puede combinarcon otros plásticos como el PVC, y se obtiene un material de alta resistencia usando enla fabricación de televisores. El ABS se emplea en la producción de partes moldeablespara automóviles.

Los automóviles fabricados en 1985 usaron un promedio de 12kg de este copolímeropara cada unidad. También se usa en los revestimientos de las puertas derefrigeradores.

Elastómeros

Los elastómeros son polímeros que tienen propiedades elásticas, es decir, pueden serestirados hasta doblar muchas veces su tamaño y después regresar a su formaoriginal.

El hule (o caucho) es un polímero natural con estas propiedades. El hule fue conocidoen México y América del Sur desde antes de la llegada de los españoles. Cristóbal Colónobservó que los nativos jugaban con pelotas hechas de un jugo natural endurecido(obteniendo de un secreción lechosa de ciertos árboles). Muestras de este materialfueron llevadas a Europa como mera curiosidad.

Posteriormente se hallaron otros usos para el hule. En 1823, Charles Macintosh patentóvestiduras fabricadas de una capa de goma entre dos capas de tejido, consiguiendo loque se llama impermeabilización.

Sin embargo, el uso del hule planteaba problemas con el cambio de temperatura: con elcalor se volvía pegajoso y gomoso, mientras que con el frío, correoso y duro. Serealizaron diversos experimentos para suprimir estas características indeseables delhule. Así, en 1839, el estadounidense Charles Goodyear, quien accidentalmente vertióhule con azufre en una plancha caliente, obtuvo un material suave y elástico que nomodificaba sus propiedades con el cambio de temperatura.

A este proceso de combinar hule con azufre se le denominó vulcanización y fue tomadodel nombre Vulcano, que es el dios romano del fuego.

En 1879 un químico francés, Gustave Bouchardat, calentó el caucho en ausencia de airey obtuvo un líquido llamado isopreno, cuya fórmula es la siguiente: CH2=C-CH=CH2

IsoprenoMonómero de hule CH3

37

Por lo tanto, el caucho es un polímero formado por unidades de isopreno:

En el proceso de vulcanización la función del azufre consiste en unir dos cadenas dehule en sitios donde se encuentran dobles ligaduras carbono-carbono (C=C). Laestructura formada es la siguiente:

En 1827, en Alemania fue desarrollado el primer hule sintético llamado BUNAS, uncopolímero formado de butadieno y estireno.

En 1942, durante la Segunda Guerra Mundial, las fuentes proveedoras de hule naturalquedaron aisladas de los grandes centros consumidores como los Estados Unidos. Estoobligó a que se desarrollara la industria del hule sintético, a grado tal, que en 1985 seprodujeron 13.7 millones de toneladas a nivel mundial, correspondiendo el 32% al hulenatural.

Los hules sintéticos han sustituido al hule natural debido a que han mejorado suscualidades. Se producen a partir de derivados petroquímicos como las olefinas(butadieno) y han suprimido sus desventajas, además de que su precio es menor.

La siguiente es una forma de cómo se obtiene el hule sintético a partir del butadieno yestireno, llamado hule SBR.

-CH2

CH3

C = C

-CH2 -

H

CH2

CH3

C = C

CH2 -

Hn

H

C = C - C = C

H H

H H Η

+

H

C =C

H

H

- C - C =C - C - C - C -

H H H H H H

H H H n

Butadieno Estireno Hule SBR

CH2 - - CH2 CH2

C

H S

C

CH2 -H

C

S

C

H2C

C

H S

C

CH2CH2

CH2

H

o

Monómero Polímero

o

38

1. Explica qué es la polimerización.

2. Las siguientes son abreviaturas de polímeros, indica a qué polímeros se refieren y sucomposición.

PVC

BUNAS

SAN

3. De los ejemplos anteriores indica cuáles son copolímeros.

4. ¿Qué diferencia existe entre un elastómero y un plástico?

5. ¿En qué consiste la vulcanización y cuál es su utilidad?

6. ¿Como se forma el nylon 66?


39

7. De las fórmulas siguientes indica en los renglones cuáles son aminas, amidas oésteres.

c) Estructuras Primarias y Secundarias de los Polímeros.

Las características hasta aquí revisadas de los polímeros se pueden explicar a través detres factores relacionados con su estructura:

1. Grado de polimerización: determinado por el número de monómeros que loconformen.

2. Grado de cristalidad: medida del orden entre las cadenas. 3. Grado de reticulación: cuando las cadenas están unidas mediante enlaces.

De estos tres factores se desprende lo siguiente:

Los polímeros tienen una estructura química determinada por la composición de susmonómeros; a dicha estructura se le llama primaria. Pero la disposición de la cadenaen relación con otras cadenas desarrolla una serie de fuerzas intermoleculares quemodifican la estructura del polímero. A esta nueva disposición se le llama estructurasecundaria.

Como lo anotamos anteriormente, de la estructura secundaria dependen muchaspropiedades de los polímeros. Por ejemplo, que sean suaves y flexibles, como en elcaso de los diferentes tipos de polietileno

Por otro lado, un polímero puede formar cadenas continuas, que se mantienen unidas através de puentes de hidrógeno o de atracciones dipolo-dipolo, dando como resultadopolímeros útiles en la fabricación de plásticos duros, moldeables o fibras. Así, cuando lascadenas de un polímero están más ordenadas se tiene mayor grado de cristalinidad.

a) CH3-C-O-CH2- b) CH3-CH-CH3 c) CH3-CH2- C - N

O O O O

40

Técnicas para moldear plásticos con el fin de hacer objetos útiles

La diversidad en la presentación de los diferentes plásticos no sólo depende del tipo deplástico sino también de la técnica empleada para su moldeo. Por ello de los plásticos seobtiene hilos utilizados en la industria textil, artículos domésticos como mangueras,sillas, peines, botellas, pelotas, etcétera.

Los siguientes esquemas representan las técnicas más comunes que se utilizan para elmoldeado de los plásticos:

Figura 18. Máquina de calentamiento y moldeado (T). Representativo de Polimeros (plásticos).

H H

− C − C −

H Hn (en donde n = 5 500 - 6 000)

Estructura primaria Figura 17. Estructura secundaria

41

Figura 19. Extrusión. El plástico fundido se alimenta a través de la forma deseada

Figura 20. Moldeo por soplado. Un tubo de plástico calentado se encierra en un molde y se infla.

Figura 21. Moldeo por inyección. La materia prima se calienta en bolitas y luego se vacia y oprime sobre un molde frío.

42

Figura 22. Formado térmico. Las hojas de plástico calentadas se pasan a un molde.

d) Los Polímeros y la Contaminación

A partir de la Segunda Guerra Mundial, los polímeros han sustituido, en forma creciente,materiales naturales como madera, algodón, papel, acero, etc. Esto se debeprincipalmente a dos factores:

El primero, a sus propiedades de ser moldeables, anticorrosivos, resistentes a la acciónmecánica (una cuerda de nylon de 10 cm, de espesor, puede soportar una carga de5000 kg. sin romperse), resistencia a la temperatura, presencia de propiedadeselásticas, etc. Y, como hemos revisado anteriormente, estas propiedades se deben a lagran diversidad de estructuras que con las unidades monómeras se pueden construir.

El segundo, a la explotación a gran escala del petróleo. El auge de la industriapetroquímica, desde el aspecto económico, se debe a la excesiva producción depetróleo a nivel mundial, lo cual abarata su precio y permite -una vez establecidas lastecnologías apropiadas- producir polímeros en grandes cantidades, lo que repercute enlos bajos costos.

Sin embargo, debemos tomar en cuenta que el petróleo es un recurso no renovable.

Por otra parte, los polímeros, aunque indispensables para nuestra vida cotidiana, nosacarrean serios problemas: los relacionados con su desecho. La basura orgánica, comoel papel y restos de comida, se pueden biodegradar. Es decir, están formadas decompuestos que pueden romperse para dar lugar a otros compuestos más simples,como el bióxido de carbono y agua a través de la acción de baterías que se encuentranen la naturaleza. Entonces, hay que pensar en lo que sucede con los plásticos. Debetomarse en cuenta que cada día se producen miles de toneladas de basura yrepresentan los plásticos aproximadamente el 18% de su volumen.

En la actualidad, las investigaciones sobre polímeros van encaminadas a la producciónde polímeros biodegradables (que se degradan por la acción de la temperatura,humedad, con acción microbiológica, microorganismos) y fotodegradables (sensibles ala acción de la luz). Se pretende que su uso se extienda a bolsas desechables, envasesy empaques que representan un 70% del uso de plásticos.

Los polímeros o macromoléculas sintéticas se clasifican en elastómeros, fibras yplásticos. Sin embargo, esta clasificación tuvo que ver con las propiedades que tienecada uno de ellos.

43

Para poder llegar a esta clasificación, primero se tuvo que comprender cómo sedesarrollaban los polímeros (polimerización), en este sentido se encontró que suformación podría ser a partir de un proceso de adición o de condensación: en el primercaso la formación de estos polímeros es dada a partir de la suma de monómeros condoble catalizador: en tanto que en el segundo caso, la formación es dada a partir de lareacción de unidades monoméricas, dentro de este proceso se observa o se presentadesprendimiento de agua.

“POLÍMEROS”

Objetivo

Observar las propiedades de los polímeros mediante la realización de algunas pruebas,para relacionar las propiedades con su estructura.


1) ¿Qué es un polímero de adición?

2) ¿Qué es un polímero de condensación?

3) ¿Qué es un monómero?

4) ¿Qué es un copolímero?

5) ¿Qué es el “poliéster?



44

Experimento I

Objetivo

Comparar algunas propiedades físicas y químicas de diferentes polímeros, pararelacionar su estructura con sus aplicaciones.

¿Que necesitas?

Materiales

20 Tubos de ensaye de 16 x 150 mm1 Mechero Bunsen1 Pinzas para tubo de ensaye1 Soporte Universal1 Anillo de hierro1 Tela de alambre con asbesto1 Vaso de precipitados de 250 ml1 Gradilla para tubos1 Cucharillas de combustión

Reactivos

20 ml Ácido sulfúrico20 ml Disolución de hidróxido de sodio al 40%Trozos de diferentes materialesBolsa de “plástico” hule, tapónde baquelita, “unicel”, huleespuma, PVC, etc.10 Tiras de papel indicador para humedad


La indicada para el trabajo en el laboratorio para el calentamiento de material de vidrio yel manejo de ácidos fuertes y disolventes.

Ácido sulfúrico.- Líquido aceitoso, sin color ni olor, muy corrosivo sobre todo en materiaorgánica en los tejidos del cuerpo. El contacto con la piel y por ingestión causa severosdaños al organismo.

Hidróxido de sodio.- Sustancia tóxica y muy corrosiva. no debe tocarse ni ingerirse.

¿Cómo hacerlo?

De los objetos de “plástico” corta pequeños trozos (5) del mismo tamañoaproximadamente. Observa sus características físicas y anótalas en el cuadro.

Coloca un trozo de cada objeto en las cucharillas de combustión y calienta directamenteen la flama un minuto. Observa y registra.

45

Figura 23

Coloca un trozo de cada objeto en diferentes tubos de ensaye, coloca una tira de papelindicador para humedad en la boca de cada tubo. Calienta cada uno. Observa y registra.

En otros tubos de ensaye, coloca un trozo de cada objeto, agrega 4 ml de ácido sulfúricoa cada uno, toma cada tubo con las pinzas y calienta con precaución durante 30segundos en la flama. Observa antes y después de calentar. Registra.

Precaución: El ácido sulfúrico es muy corrosivo calienta con mucho cuidado.

Repite el paso anterior agregando dióxido de sodio en lugar de ácido sulfúrico.Conserva las precauciones

Precaución: El dióxido de sodio es muy corrosivo calienta con mucho cuidado. PH H2SO4 NaOH

Figura 24

Papel indicador Ácido Sulfúrico Hidróxido de sodio

Objetos plásticos Objetos plásticos Objetos plásticos

objetos“plásticos”

Cucharrilla decombustión

MecheroBunsen

46

Hipótesis

Ahora que conoces el procedimiento para realizar el experimento, elabora tu hipótesis apartir de la siguiente pregunta.

¿Por qué muchos utensilios son de “plástico” y no de metal?

EN ESTE MOMENTO PUEDES LLEVAR A CABOEL EXPERIMENTO


Objeto AparienciaFísica

Humedad Prueba a la flama Ácidosulfúrico

Hidróxidode sodio

Experimento II

Objetivo: Preparar un polímero para conocer sus propiedades y usos.

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias1 Probeta de 100ml1 Agitador de vidrio1 Molde1 Vaso de precipitados de 250ml

100g de Resina MC-40 cristal35 Gotas de catalizador


La indicada para trabajar en el laboratorio y para el material de vidrio.

Resina MC-40 cristal.- Sustancia tóxica evítese su inhalación, ingestión y contacto conpiel y ojos.

47

Catalizador.- Sustancia inflamable y potencialmente explosiva cuando se expone al caloro impacto, manéjese con cuidado Tóxica, evítese su inhalación y contacto con piel yojos.

¿Cómo hacerlo?

Mide la capacidad de molde con agua y la probeta para determinar la cantidad de resinaque se requiere.

Coloca en un vaso de precipitados la resina MC-40 cristal necesaria para el molde yagrégale las gotas de catalizador considerando que por cada 25ml de resina serequieren 12 gotas de catalizador de reacción. Mezcla con el agitador evitando laformación de burbujas.

Figura 25

Precaución: Al mezclar las sustancias se liberará gran cantidad de calor, ten cuidado con el vaso, puede estar caliente.

Vacía inmediatamente al molde, el cual deberá estar acomodado de manera que no sederrame la mezcla.Después de 30 a 60 minutos toca la resina para verificar que ya no esté pegajosa y deser así, desmolda.

Para que tengas una guía en tus observaciones, te anexamos un cuestionario, en el cualte puedes apoyar.

Hipótesis

Una vez que te haz dado cuenta en qué consiste el experimento, elabora una hipótesisen la que predigas el producto que obtendrás al combinar las sustancias. ¿Cuál sería suutilidad?

48

AHORA REALIZA EL EXPERIMENTO Y COMPRUEBA SI TU HIPÓTESIS ES CORRECTA.


¿Qué sucede al agregar el catalizador?

¿Qué aspecto tiene la mezcla al vaciarse el molde?

¿Qué aspecto tiene al desmoldar?


1.- A partir de los resultados explica por qué cada material se usa de diferentes formas?

2.- De acuerdo a su comportamiento, ¿Cuál sustancia es menos degradable?

3.- A partir del comportamiento de la resina, señala en que momento ocurre la reacciónde polimerización.

49

Conclusiones

Considera el cuestionario de reflexión al contrastar tus hipótesis con tus resultados yelabora tus conclusiones.

50

Una vez que hayas observado con atención es siguiente esquema, elabora una síntesissobre los conceptos más relevantes del capítulo.

RECAPITULACIÓN

FUERZAS INTERMOLECULARES YMACROMOLECULARES SINTÉTICAS

FUERZASINTERMOLECULARES

MACROMÓLECULASSINTÉTICAS

se dividen en

MODELOCINÉTICO

MOLECULAR

NATURALEZA

PROPIEDADES

SÓLIDOS

aplicadoen

LÍQUIDOS

GASES

a partirde

PUENTES DEHIDRÓGENO

FUERZAS DELONDON

FUERZAS DIPOLO-DIPOLO

SÓLIDOS

LÍQUIDOS

POLÍMEROSPOLIMERIZACIÓN

PLÁSTICOS

se clasifican en

- Nylon (66)

− Termoplásticos

ADICIÓN

SUMA DEMONÓ-MEROS

CONDENSACIÓN

REACCION DEMONÓMEROS

ESTRUCTURA

puede ser

SECUNDARIA

PRIMARIA

que puedeser por donde

su

Consiste en

dadapor

FIBRAS

ELASTÓMEROS

a partirdel y lasy su

a partirde los

sony la

51

En este apartado podrás aplicar los conocimientos que adquiriste a lo largo de estecapítulo, por lo que te invitamos a que realices las siguientes actividades.

1.- Completa la siguiente tabla, con la información que te pide.

EJEMPLO ESTADO DE AGREGACIÓNMOLECULAR DE LA

MATERIA

PROPIEDAD QUE LOCARACTERIZA

ENLACE O FUERZAINTERMOLECULAR

ALCOHOLETÍLICO

MIEL Coloide− No se difunde fácilmente− Es comprensible

− Fuerzas London

AZÚCAR

ALUMINIO

REFRESCO

− No es compresible− Toma la forma del recipiente

que lo contiene

ACETONA

DIAMANTE

Sólido

− Enlace Covalente− Fuerzas dipolo-

dipolo.


52

2.- Completa la la tabla, según la información que te pide.

EJEMPLO TIPO DE POLÍMERO MATERIA PRIMA MONÓMEROS OPOLÍMEROS

RECIPIENTE DETOPPERWARE

− Termoplástico− Polímero de adición

LLANTAS PARAAUTÓMOVIL

Nylon 66

PLASTILINA

ESPONJA DE COJÍN

− Elastómero Copolímero− Polímero

SUELA DE ZAPATOSINTÉTICA

− Polímero de

Condensación

PRÓTESIS

− Propileno

MICA DECREDENCIAL

− Monómero

53

Dentro de esta sección podrás comparar los resultados que obtuviste de las ActividadesIntegales y, así, podrás identificar que temas o sistemas no fueron lo suficientementeclaros. 1.-

EJEMPLO ESTADO DE AGREGACIÓNMOLECULAR DE LA MATERIA

PROPIEDAD QUE LOCARACTERIZA

ENLACE O FUERZAINTERMOLECULAR

ALCOHOL ETÍLICO

Líquido

− Se difunde fácilmente.− Es comprensible.

− Fuerzas London

MIEL

Coloide

− No se difunde fácilmente

− Fuerzas London

AZÚCAR

Sólido

− Tiene forma definida− No fluye

− Enlace Covalente− Fuerzas London

ALUMINIO

Sólido

− Tiene forma definida

− Fuerzas London− Fuerza Metálica

REFRESCO

Líquido

− Se difunde fácilmente− Toma la forma del recipiente

que lo contiene

− Fuerzas London

ACETONA

Líquido

− Toma la forma del recipiente− Fluye fácilmente− Punto de Ebullición bajo

− Fuerzas London

DIAMANTE

Sólido

− Tiene forma definida− No se comprime− No fluye

− Enlace Covalente− Fuerzas dipolo-

dipolo.

AUTOEVALUACIÓN

54

2.-

EJEMPLO TIPO DE POLÍMERO MATERIA PRIMA MONÓMEROS OPOLÍMEROS

RECIPIENTE DETOPPERWARE


− Propileno

− Monómeros

LLANTAS PARAAUTÓMOVIL

− Elastómero− Polímero de

Condensación

− Nylon 66

− Polímero

PLASTILINA

− Elastómero

− Cloruro de Vinilo

− Polímero

ESPONJA DE COJIN

− Polímero de adición

− Benceno

− Elastómero Copolímero− Polímero

SUELA DE ZAPATOSINTÉTICA

− Polímero de

Condensación

− Nylon 66

− Polímero

PRÓTESIS


− Propileno

− Polímero

MICA DECREDENCIAL

− Polímero de

condensación

− Etileno

− Monómero

55


2.1 BIOMOLÉCULAS

2.2 CARBOHIDRATOS E HIDRATOS DE CARBONO

2.2.1 Monosacáridos 2.2.2 Anómeros 2.2.3 Disacáridos. 2.2.4 Polisacáridos

2.3 LÍPIDOS

2.3.1 Ácidos Grasos 2.3.2 Acilglicéridos 2.3.3 Fosfoglicéridos 2.3.4 Ceras 2.3.5 Terpenos 2.3.6 Esteroides

2.4 PROTEÍNAS

2.4.1 Aminoácidos 2.4.2 Enlace Peptídico 2.4.3 Clasificación de las proteínas 2.4.4 Estrutura de las Proteínas

CAPÍTULO 2

57

En este capítulo identificarás las Macromoléculas Naturales; esto lolograras a través de actividades en las cuales podrás reflexionar sobre loscontenidos y poner en práctica los conocimientos asociados, así mismo,realizando un experimento sobre las biomoléculas; todo lo anterior teservirá para comprender la importancia que juegan dichas moléculas enlos procesos vitales de los seres vivos.

P R O P Ó S I T O

59

CAPÍTULO 2. MACROMOLÉCULAS NATURALES

2.1 BIOMOLÉCULAS

Se conocen como biomoléculas constituyentes de nuestras células que tienen lacapacidad de preservar la vida. Es importante mencionar que necesitaríamos de todo untratado para poder mostrarte una pequeña parte de las biomoléculas conocidas, peroexisten varios grupos de biomoléculas que tienen características comunes y queintentaremos darte a conocer.

En particular, abordaremos los compuestos conocidos como carbohidratos, lípidos yproteínas que podrán darte un panorama para comprender cuál es tu constituciónquímica.

Dada una variedad de biomoléculas se presenta una gran cantidad de isómeros(moléculas con igual forma pero distinta estructura), particularmente isómeros ópticos.

La isomería óptica aparece por la presencia de carbonos con geometría tetraédricaenlazadas a cuatro grupos radicales diferentes, que pueden distribuirse de dos formas,una llamada Dextrógira (D) y otra Levógira (L). Ejemplo de este tipo de isómero sonsuperpuestas:

Espejo Espejo

CHO CHO COOH COOH | | | | H–C–OH OH–C–H H–C–NH2 NH2 –C–H | | | | CH2OH CH2OH CH3 CH3

D-Gliceraldehído L-Gliceraldehído D-Alanina L-Alanina

Se puede hacer una comparación de lo anterior con tus manos, ambas tiene la misma|utilidad pero no son iguales es la imagen en el espejo de la otra y no son superponibles.

60

Los dos ejemplos anteriores tienen un átomo central de carbono que está enlazado agrupos direfentes y su imagen no es superpuesta como el caso de tus manos.

Lo anterior es aún más evidente con las siguientes figuras “tridimensionales”:

Los isómeros D y L se conocen como enantiómeros y como uno de ellos es común quese presente en los sistemas de los seres vivos, pueden hacerse de nuevo lacomparación con tus manos ya que normalmente utilizas preferentemente una de tusmanos. Así mismo las células utilizan el enantiómero D en los carbohidratos, losenantiómeros L en los lípidos y las proteínas, aunque en ambos casos se presentanexcepciones.

H

CHO

CH2OH

C OH H

CHO

CH2OH

COH

espejo

D-Gliceraldehído L-Gliceraldehído

61

Consulta las etiquetas de composición de alimentos procesados que tengas en casa yrealiza una lista de los componentes que contienen, y anotalos en este espacio.


62

2.2 CARBOHIDRATOS

Los carbohidratos son moléculas que tienen la característica muy notable de ser lascélulas comunes en los seres vivos, esto es, se encuentran en todo tipo de células y enmuchas ocasiones el volumen celular total contiene hasta 80% de carbohidratos, comoel caso de algunas células vegetales.

Muchos de los materiales comunes para nosotros contienen cantidades considerablesde carbohidratos, como el papel que constituye este capítulo (celulosa) o la tela demucha ropa (celulosa). Asimismo, algunos alimentos son ricos en carbohidratos,especialmente en almidón, tales como papas, tortillas, galletas, pan, etc. y muchos otroscontienen carbohidratos más simples como la lactosa (leche), la sacarosa (azúcar decaña) o la maltosa (malta). Incluso existen algunos alimentos con carbohidratos de grantamaño como el glucógeno (hígado y carne).

Cabe mencionar que los carbohidratos cumplen fundamentalmente dos tipos defunciones dentro de un organismo estructural y de reserva. Los estructurales tienen lamisión de sostener, en algunos casos en las plantas, grandes estructuras y los dereserva son los que van a proporcionar energía o serán almacenados para formar, apartir de ellos, otras moléculas de utilidad para las células.

Antes de acercar de lleno al conocimiento de las estructuras, vale la pena mencionarque los carbohidratos son conocidos con varios nombre debido a que muchos de ellostienen sabor dulce, el término de sacáridos que proviene del griego sákkaros significa“azúcar o dulzura” también es empleado para designarlos, asimismo, también se utilizala palabra glúcidos para nombrarlos ya, que cuando se unen lo hacen mediante un tipode enlace conocido como glucósidico.

Hasta aquí mencionamos algunas cualidades de los carbohidratos pero aún no hemostenido la oportunidad de conocerlos adecuadamente, y aunque es difícil poderestablecer en un solo tipo todas las estructuras y funciones de los carbohidratos,trataremos de reconocer a los principales monosacáridos, disacáridos y polisacáridos,los primeros funcionan como monómeros para formar estructuras más complejas.

2.2.1 MONOSACÁRIDOS

Todos los monosacáridos simples tienen la fórmula empírica general (CH2O)n, en donden es cualquier número entero desde 3 hasta 9 (de ahí su nombre de carbohidratos ohidratos de carbono). Independientemente del número de carbonos que contenga,pueden clasificarse en una de dos clases generales: aldosas o cetosas. La terminaciónOSA es empleada en la nomenclatura de los carbohidratos.

63

O OH OH

CH CH CH CH2 OH

Las aldosa poseen el grupo funcional aldehído (C ), mientras que lascetosas

tienen el grupo funcional cetona ( - C - ). Los monosácaridos más simples, de acuerdocon lo anterior, son: el gliceraldehído y la dihidroxiacetona (en ambos la fórmula empíricageneral es (CH2O)3.

A continuación te presentamos un ejemplo de monosacáridos (aldosas y cetosas) yalgunas de sus características:

Aldosas Fórmulas Semiestructurada

CHO

H C OH

CH2 OHGliceraldehído

(Aldotriosa)

O

CHO

H C OH

H C OH

CH2 OHEritrosa

(Aldotetrosa)

O OH

CH CH CH2 OH

CH2OH

C = O

CH2OH

O

C

H C OH

O

H

CH2OH

Digliceraldehído (unaaldosa)

2,3 Dihidroxipropanal

Dihidroxiacetona(una cetosa)

1,3 - Dihidroxi - 2 propanona

H

64

Cetosas Fórmulas Semiestructurada

CHO

HO C H

HO C H

H C OH

H C OH

CH2 OH Manosa

(Aldohexosa)

O OH OH

CH CH CH CH CH CH2 OH

OH OH

CH2 OH

C = O

CH2 OHDihidroxiacetona

(Cetotriosa)

CH2 OH

C = O

H C OH

CH2 OHEritrulosa

(Cetotetrosa)

O

CH2 C CH2 OH

OH

O

CH2 C CH CH2 OH

OH OH

65

Cabe aclarar que estas estructuras cumplen con la fórmula empírica general (CH2O)n,en donde n= 3 para las triosas (3 carbonos), n=4 para tetrosas (4 carbonos), n = 5 parapentosas (5 carbonos), y n = 6 para hexosas (6 carbonos). En cualquiera de los casosse añade al prefijo aldo (para aldosas), así por ejemplo, la ribosa es una aldeopentosa,mientras que la fructosa es una cetohexosa.

Si observamos la fructosa comparada con la glucosa, notaremos que tiene la mismafórmula empírica pero diferente grupo funcional y por lo tanto son isómeros funcionales.Por otro lado la glucosa galactosa y manosa también tiene la misma fórmula empírica yademás, el grupo funcional; a este tipo de isómeros se les conoce como diastereómeroso estereoisómeros.

En cuanto a su constitución química, y de acuerdo con tus conocimientos anteriores,puedes notar que las aldosas y las cetosas son en realidad polihidroxialdehidos opolihidroxicetonas, respectivamente.

2.2.2 ANÓMEROS

Una cualidad muy especial de los carbohidratos es su reactividad química, la cual sedebe principalmente a sus grupos aldehido o cetona. El químico alemán Emil Fisherdescubrió que las pentosas y hexosas, aún estando cristalizadas se convierten en unaforma cíclica y podrían encontrarse en cualquiera de 2 formas isómericas llamadas o. A estas dos formas cíclicas se les conoce como anómeros.

CH2 OH

C = O

HO C H

H C OH

H C OH

CH2 OHFructosa

(Cetohexosa)

O OH OH

CH2 C CH CH CH CH2 OH

OH OH

66

Observa estas formas cíclicas descubiertas por Fisher de algunos monosacáridos:

Glucosa

Fructosa

Ribosa

Anómero de la Glucosa(o simplemente - glucosa)

CH2OH |C – O | OH

H C

HOH H C

OH | |C – C H | |H OH

Anómero de la Glucosa( - glucosa)

CH2OH O CH2OH

C CH OH

H OHC C

OH H

-Fructosa -Fructosa

CH2OH |C – O | H

H C

HOH H C

HO | |C – C OH | |H OH

CH2OH O OH

C CH OH

H CH2OHC C

OH H

CH2OH O H

C CH H

H OHC C

OH OH

-Ribosa

CH2OH O OH

C CH OH

H HC C

OH OH

-Ribosa

67

El mismo Fisher representó las estructuras anteriores de una forma más simple,considerando sólo la proyección de los grupos - OH hacia arriba o abajo del anilloformado y los átomos de carbono como las aristas o ángulos en la figura:

O O

Podrás notar que la diferencia entre los anómeros y de las estructuras anterioressólo reside en la posición de uno de los grupos - OH de la molécula.

La importancia de reconocer los anómeros o reside en que el hidroxilo presente, endicha posición, la posibilidad de reaccionar con otro monosacárido para formar enlaces yproducir disacáridos o polisacáridos.

La posición o puede ser determinante en la función de un polisacárido ya quecomúnmente las uniones aparecen en polisacáridos de reserva y las en losestructurales.

Algunos otros ejemplos de estructuras cíclicas de monosacáridos son las siguientes:

CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH

GLUCOSA FRUCTOSA

RIBOSA

CH2OH CH2OH

GALACTOS

CH2OH

MANOSA

CH2OH

XILOSA

CH2OH

CH2OH

CH2OH CH2OHCH2OH CH2OH

O O

68

2.2.3 DISACÁRIDOS

Los monosacáridos tienen la propiedad de reaccionar fácilmente con alcoholes paraformar un nuevo tipo de enlace llamado éter.

En partícular este enlace se llama glucosídico cuando la unión se forma entre unmonosacárido y otra molécula que puede ser un alcohol u otro monosacárido.

CH2OH

- glucosa

+ CH3OH

Metanol

CH2OH

- glucosa

CH2OH

metil - - glucosa

Éter

CH3

Maltosa(Un disacárido)

Enlace glucosídico

+H

CH2OH

-

+

CH2OH

-

+ H2O + CH3OH

Metanol

CH2OH

O - CH3

metil - - glucosaÉter

CH2OHCH2OH

69

La maltosa es un disacárido de sabor dulce que se encuentra en forma natural enmuchos vegetales y esencialmente en algunas frutas, en algunos casos puede serproducido por hidrólisis de almidón (un polisacárido) en la fabricación de miel de maíz.

Otros ejemplos de disacáridos naturales son:

Los disacáridos anteriores pueden obtenerse de células vegetales con excepción de lalactosa que es de origen animal. La isomaltosa generalmente se encuentra combinadacon la maltosa, y pueden producirse ambas por hidrólisis de almidón, la Celobiosa puedeaparecer como un subproducto de la hidrólisis de la celulosa, la lactosa es el “azúcar dela leche” y, además, es el principal carbohidrato durante la lactancia de bebés y lasacarosa es aquella que normalmente conoces como “azúcar” aunque en realidad éstaes una mezcla de sacarosa con algunos otros disacáridos y trisacáridos.

La mayoría de los disacáridos son dulces y, precisamente, pueden emplearse a nivelindustrial como endulzantes. Además, los monosacáridos y los polisacáridos de reservaproporcionan grandes cantidades de energía a nuestras células y en general a todos losorganismos.

CH2OHIsomaltosa Lactosa

CH2

CelobiosaSacarosa

CH2OH CH2OH

CH2OH CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

70

Debido a que el exceso de carbohidratos en nuestra dieta provoca la formación degrandes depósitos de lípidos (obesidad) combinado esto, a nuestra vida sedentaria y auna serie de condiciones fisiológicas y genéticas, se han desarrollado algunosedulcorantes artificiales que producen poca energía (y por lo tanto pocos lípidos) para“endulzar” algunos productos, en la siguiente figura podrás observar las estructucturasde tres de ellos y notarás que tienen diferentes características a las de los carbohidratos.

1. Investiga las estructuras y las funciones de algunos otros disacáridos.

2. Investiga las ventajas y desventajas del uso de edulcorantes artificiales

2.2.4 POLISACÁRIDOS

Los polisacáridos son, en comparación con monosacáridos y disacáridos, mucho másfrecuentes, ya que se encuentran prácticamente en todo tipo de células y en diferentesformas, como polímeros de distintos monosacáridos, pero siempre con la finalidad demantener una cierta cantidad de energía de reserva como en los “polisacáridos dereserva” o “proporcionar firmeza suficiente para soportar el peso de grandes cantidadesde tejido vivo y mantener a las células en condiciones de soportar cambios atmosféricoso de medio ambiente, a estos últimos se les conoce como polisacáridos estructurales”.


S

N-H

O O

H O- Na+

N S O

O

Ciclamato deSodio

NH2 O H H O

H C C N C C O CH3

CH2 CH2

COOH Aspartame(Canderel óNutrasweet)

71

a) Polisacáridos de reserva

Existe una variedad relativamente pequeña de polisacáridos de reserva, en las célulasvegetales se encuentra el almidón pero en otros vegetales hay insulina, dextranos,arabinanos, xilanos, mananos, agar, etc., en células animales y bacterianas seencuentran particularmente el glucógeno, estos polisacáridos de reserva tienenestructuras repetitivas de un solo tipo de monosacárido con la finalidad de que unmomento determinado, debido a su hidrólisis, la concentración del monosacárido quecontiene se incremente y pueda obtener energía a partir de él o en caso contrariocuando existe energía suficiente en la célula y el monosacárido se encuentra en altaconcentración, se vuelve a formar el polisacárido.

b) Almidón y Glucógeno

El almidón es una mezcla de dos polímeros que contienen solamente glucosa, estosdos polisacáridos son la amilosa y la amilopectina.

La amilosa es un polímero lineal donde sólo hay enlaces glusídicos :

Las cadenas de amilosa pueden extenderse hasta tener cientos de moléculas deglocusa alcanzando pesos moleculares de hasta 150,000 (Aprox. 1000 moléculas deglucosa). Una propiedad de la amilosa es el tomar una estructura tridimensional de tipohelicoidal y de producir una coloración azul en presencia de soluciones de iodo (lugol).

AmilosaEnlaces glucosídicos

CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH

72

La amilopectina se diferencia de la anterior en que contiene una serie de ramificacionessobre la cadena lineal original de amilosa:

En general los almidones presentan un 20 a 25% de amilosa y el resto de amilopectinaaunque algunos cereales como el arroz, sorgo, y maíz contienen exclusivamenteamilopectina.

El glucógeno (llamado también almidón animal) se encuentra en tejidos animales y encélulas bacterianas es un polisacárido de estructura muy similar a la amilopectina, enrealidad sólo se diferencia de ella en que las ramificaciones aparecen cada 8 a 12unidades de glucosa (muy ramificado) y su peso molecular puede alcanzar hasta 16millones (alrededor de 100 000 moléculas de glucosa) y en presencia de iodo presentauna coloración café rojizo.

Si tuvieramos un gran microscopio donde pudiéramos comparar las estructuras deamilopectina y glucógeno observaríamos lo siguiente:

Amilopectina (poco ramificado) Glucógeno (muy ramificado).

En los demás polisacáridos de reserva encontramos características similares a laamilosa como en el caso de la insulina que es un polisacárido lineal de fructosa unidamediante enlaces glucosídicos o en la mananos que son polímeros lineales de manosacon enlaces glucosídicos .

c) Polisacáridos Estructurales

La variedad de los polisacáridos estructurales es mucho mayor que la de los de reserva,esto se debe a que en muchos casos existe una gran asociación entre varios de ellospara formar una estructura particular. En este caso existen algunos que contienen dos omás monosacáridos diferentes en su composición. Tal como lo mencionamos conanterioridad, estos polisacáridos forman estructras rígidas que dan forma y fuerza amuchas células, la cual sirve para proporcionar energía a una célula.

CH2OH

Amilopectina

CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH

CH2OHCH2OH CH2OH

73

Algunos ejemplos de estos polisacáridos estructurales son:

Celulosa

La celulosa es un polisacárido que contiene glucosa unida mediante enlacesglucosídicos y es un polímero lineal que puede estar formado de varios miles demoléculas de glucosa.

La naturaleza utiliza a la celulosa para dar fuerza y rigidez a las plantas. La madera, alheno y el algodón están constituidos principalmente por celulosa aunque se encuentramezclada con otros polisacáridos como hemicelulosa, pectina y extensina y otrospolimeros (no carbohidratos) como la lignina. Algunas sintéticas como el rayón sonderivados de la celulosa.

Quitina

En muchos organismos invertebrados (por ejemplo langostas e insectos) no existenhuesos que puedan sostener sus estructuras, sin embargo la quitina tiene la función desostener dichos organismos, también se encuentra en paredes celulares de hongos ylevaduras, tiene una estructra muy similar a la celulosa, sólo que en lugar de la glucosacontiene un derivado de ella que se denomina N - acetil - glucosamina formando largascadenas lineales de miles de moléculas del monosacárido mencionado.

CH2OHCH2OH CH2OH

celulosa

NH

C // \ O CH3

Enlace Glucosídico

NH

C // \ O CH3

NH

C // \ O CH3

Quitina

Unidad de N - acetil: glucosamina Enlace glucosídico

CH2OHCH2OH

CH2OH

74

Además de los anteriores existe una gran cantidad de polisacáridos estructurales comoel Ácido Hialurónico que conjuntamente con los sulfatos de condroitina y queratano, eldermatano y otros forman cubiertas celulares en células animales con la finalidad de darfuerza y resistencia a dichas células.

Otro polisacárido importante es el peptidoglucano (también llamado mureína) que dáforma a las paredes celulares bacterianas.

¿Cuál es la importancia de los polisacáridos estructurales enlos tejidos animales, si éstos no contienen paredes celulares?

75

Como recordarás, los...


CARBOHIDRATOS

CÉLULAS EN LOSSERES VIVOS

MONOSACÁRIDOS ANÓMEROS DISACÁRIDOS POLISACÁRIDOS

ESTRUCTURAL

SOSTENER

se encarga deconsiste en

su función esALDOSA

ALDEHÍDOS H C O

CETONA O

C

ISÓMEROS

ALFA

BETA

MONÓMEROY OTRA

MOLÉCULA

ENDULCORANTE

unión entre

se empleacomo

ALMIDÓN YGLUCÓGENO

MONOSACÁRIDOSDIFERENTES

RESERVA

ESTRUCTURASREPETIDAS

DE UN MONÓMERO

se compoenen deson

se dividen en

ALMACENAR YPROPORCIONAR

ENERGÍA

son

CETOSA

se clasifican en

su grupo funcionales

RESERVA

puede serde tipo

son

de tipo

ESTRUCTURALES

76

2.3 LÍPIDOS

Los lípidos se caracterizan por ser generalmente insolubles en agua y solubles ensolventes de baja polaridad. Contiene estructuras hidrocarbonadas (similares a alcanosy alquenos) que producen una gran variedad de tipos y formas entre los que seencuentran los acilglicéridos, los fosfogliceridos, las ceras, los terpenos y los esteroides.Una característica distinta de algunos de estos tipos de lípidos es la presencia de ácidosgrasos en sus estructuras.

2.3.1 ÁCIDOS GRASOS

Los ácidos grasos presentes en los lípidos naturales se denominan “grasos” debido quesus cadenas carbonadas son largas y normalmente hidrofóbicas, pero ademáscontienen la función química ácida (-COOH) que tiene gran solubilidad en agua. Puedepresentarse en dos formas, con dobles enlaces (insaturados) o sin ellos (saturados).

Tabla 7. Algunos Ácidos grasos en los seres vivos

Ácidos grasos saturados Punto de fusión (´C)

Ácido láurico CH3(CH2)10 COOH 44Ácido mirístico CH3(CH2)12 COOH 54Ácido palmítico CH3(CH2)14 COOH 63Ácido esteárico CH3(CH2)16 COOH 70Ácido araquídico CH3(CH2)18 COOH 75Ácido behénico CH3(CH2)20 COOH 80

Ácidos grasos insaturados Punto defusión (‘ C)

Ácido palmitoleico CH3(CH2)5 CH=CH(CH2)7 COOH -0.5Ácido oleico CH3(CH2)7 CH=CH(CH2)7 COOH 13.4Ácido linoleico CH3(CH2)4 (CH=CH-CH2)2 (CH2)6 COOH -5Ácido linolénico CH3CH2 (CH=CH-CH2)3 (CH2)6 COOH -10Ácido araquidónico CH3(CH2)4 (CH=CH-CH2)4 (CH2)2 COOH -50

Si observas la tabla anterior notarás que los puntos de fusión de los ácidos grasossaturados están por encima de nuestra temperatura ambiente mientras que losinsaturados están por debajo, esto es indicador que los lípidos que contienen ácidosgrasos saturados normalmente son sólidos (manteca de cerdo) mientras que si contieneinsaturados son líquidos (aceite vegetal). En muchos casos hay mezclas donde latemperatura de fusión estará dada por el promedio de las temperaturas de fusiónindividuales.

En todos los casos, las cadenas de carbono no están ramificadas por ejemplo el ácidoesteárico es el ácido octodecanoico (revisa el fascículo 2 de Química II). Lastemperaturas de fusión aumentan al incrementar el número de carbonos y disminuye alaumentar el número de insaturaciones.

77

Los ácidos grasos al reaccionar con los alcoholes forman ésteres.

Esta reacción es de gran importancia debido a que para la formación de algunos lípidoslos ácidos grasos producen ésteres al reaccionar con alcoholes.

Los ésteres de ácidos grasos pueden hidrolizarse con una base fuerte (por ejemploNaOH) para producir jabones:

Esto es una caraterística importante de los ácidos grasos ya que al formar una sal conun elemento metálico tiene la capacidad de arrastrar sustancias hidrofóbicas por suparte no polar e hidrofilicas por su parte polar, además de disminuir la tensión superficial,por lo que los jabones tienen capacidad limpiadora.

A esta reacción comunmente se le conoce como “saponificación” y es precisamente laforma como se producen los jabones de uso cotidiano, los cuales son mezclas de variassales de ácido graso (saponificación de lípidos que contienen ácidos grasos).

CH3(CH2)14 - CCH3(CH2)14COOH + CH3OH

O

O - CH3 + H2O

enlace tipoéster

metilPalmitatoÁcido Palmítico Metanol

78

2.3.2 ACILGLICÉRIDOS.

Los acilglicéridos, o simplemente glicéridos, son ésteres de ácidos grasos con el glicerol.Según el número de ácidos grasos formando enlace éster con el glicerol existen losmonoacilglicéridos (un ácido graso), los diacilglicéridos (dos ácidos grasos) y lostriacilglicéridos, éstos últimos son los más importantes debido a que en la naturaleza sonlos más abundantes.

La variedad de ácidos grasos presentes en los triacilglicéridos hace que este grupo seamuy abundante y heterogéno ya que dependiendo de los ácidos grasos las mezclas detriaciglicéridos pueden ser sólidos como en la manteca y la mantequilla o líquidos comoel aceite comestible y dependiendo del origen la composición también es muy variada.

Los triaciglicéridos forman depósitos en las células y su función es de reservaenergética, estos son utilizados para proporcionar energía a nuestro organismo ydespués de que han sido usados las reservas de carbohidratos aunque muchos de ellosfuncionan como proveedores de cadenas hidrocarbonadas para producir otros lípidoscomo fosfoglicéridos, ceras, terpenos y esteriodes.

A nivel industrial los triaciglicéridos se utilizan en la fabricación de jabones por medio dela reacción de saponificación anteriormente mencionada.

79

2.3.3 FOSFOGLICÉRIDO

Los fosfoglicéridos difieren de los triaciglicéridos en propiedades y composición; estoscontienen ácidos grasos y glicerol, pero también contienen fosfato y un aminoalcohol.

La estructura iniciadora de todos los fosfoglicéridos es el glicerol unido al grupo fosfatomediante enlace éster fosfórico:

Los ácidos grasos se unen mediante enlace éster a los -OH del glicerol, mientras que elúltimo de los componentes de los fosfoglicéridos es un aminoalcohol que por su aminopresenta una gran polaridad y debido a eso se conoce como un grupo de cabeza polar.

Tanto el grupo de amino como el fosfato presenta carga y de aquí que losfosfoglicéridos tengan una gran polaridad y por lo tanto son “anfipáticos”, es decir tienenuna parte polar y otra no polar.

80

Debido a la anfipacidad de los lípidos, estos se agrupan entre si formando micelas.

Las Micelas son pequeñas esferas que se pueden estabilizar por largo tiempo ensoluciones acuosas tal como en el caso de la leche donde el proceso dehomogenización dispersa los lípidos formando micelas.

Los grupos de cabeza polar que contienen los fosfoglicéridos pueden ser más variadosque los presentados anteriormente aunque particularmente son frecuentes la colina y laetanolamina. Los fosfoglicéridos que contienen colina se conocen comunmente como“lecitinas” y los que contienen etanolamina se conocen como “cefalinas”.

De acuerdo a sus características, los fosfoglicéridos tienen una función totalmentedistinta a los acilglicéridos, en este caso son formadores de membranas celulares y deorganelos internos de una célula. Las biomembranas contienen otro componentecaracterístico: las proteínas, más adelante tendremos la oportunidad de mencionar unpoco más su composición y estructura.

Existe un grupo de lípidos con características muy similares a los fosfoglicéridos, losesfingolípidos, los cuales se encuentran particularmente en membranas de tejidonervioso muscular. En este grupo la diferencia principal es la presencia de esfingosinaen lugar de glicerol como estructura iniciadora.

2.3.4 CERAS

Una cera es un éster que se distingue de los demás por la naturaleza del constituyentealcohol y del ácido; ambos contienen cadenas hidrocarbonadas largas: las ceras sontotalmente insolubles en agua y su función es servir de cubierta química protectora en lasuperficie y plantas. Las plumas de muchas aves así como la superficie de las hojas demuchas plantas contienen una capa de cera como agente impermeable.

La cubierta cerosa de hojas, y frutas de las plantas previenen la pérdida de humedad yprobablemente también la oportunidad de infección.

Palmito de miricilo(componente principal en la cera de las abejas)

81

Los lípidos hasta ahora mencionadas se conocen como lípidos saponificables ocomplejos debido a que por la presencia del grupo éster producen jabones (sales deácidos grasos) cuando son hidrolizados por una base fuerte.

Los restantes grupos de lípidos no contiene ácidos, ácidos grasos esterificados sonconocidos como lípidos insaponificables ó simples e incluyen a los terpenos, esteroidesy prostaglandinas.

82

2.3.5 TERPENOS.

Los terpenos son componentes lípidos menores en las células es decir, sólo seencuentran en concentraciones muy pequeñas y están construidos a partir de múltiplesrepeticiones del hidrocarburo de cinco átomos de carbono conocido como isopreno.

Estas moléculas pueden ser lineales o cíclicas y contener un número variable de doblesenlaces y en algunos casos encuentran grupos -OH.

Las líneas punteadas de éstas estructuras y de los demás terpenos la separaciónhipotética entre las unidades de isopreno.

De acuerdo al número de unidades de isopreno que contienen los terpenos sonllamados monoterpenos (2 unidades de isopreno), sesquiterpenos (3 unidades deisopreno), diterpenos (4 unidades de isopreno), triterpenos, (6 unidades de isopreno) yasí sucesivamente. Algunos ejemplos de esta moléculas son los siguientes:

En las plantas se ha encontrado un gran número de terpenos diferentes, muchos deellos proporcionan aroma y sabores característicos y son los componentes de “aceitesesenciales” de algunas plantas, así por ejemplo el Geraniol, limoneno y mentol sonrespectivamente los componentes principales del aceite de geranio, limón y mentarespectivamente.

83

Algunos terpenos son también vitaminas o precursoras de la síntesis de algunas otrascomo los que se presentan a continuación:

En el grupo de los terpenos, además de los anteriores, se encuentran algunassustancias interesantes tales como los carotenoides y las xantofilas que participan enotras estructuras importantes en la absorción de la luz por parte de las plantas. Lavitamina A o Retinol se combina con una proteína llamada opsina para formar larodopsina que es importante en la captación de la luz en los ojos. El hule natural(caucho) es un politerpeno que se encuentra en algunos vegetales.

2.3.6 ESTEROIDES

Los esteroides son lípidos que principalmente tienen la función de tipo hormonal y seconsideran como derivados del escualeno (ver estructuras de terpenos) el cual funcionacomo precursor en la biosíntesis de los esteroides, particularmente del lanosterol. Tantolos terpenos como los esteroides comparten algunas propiedades como solubilidad ensolventes órganicos, presencia de grupos alcohol o cetona y dobles enlaces carbono -carbono pero los esteroides normalmente un sistema de cuatro anillos llamadosciclopentano perhidrofenantreno.

1

102

3

45

9

11

12

13

17

16

14 15

8

7

6

Ciclopentanoperhídrofenantreno(la numeración Indicada se sigueen todos los ejemplos).

84

Los esteroides están presentes en todos los organismos y tienen diversas funciones. Enel ser humano sirven como hormonas sexuales, así como agentes emulsificantes delípidos en la digestión y transportan a través de membranas antiinflamatorias yreguladores metabólicos, a continuación te presentamos algunos ejemplos deesteroides.

Además de los naturales se han producido en buen número de esteroides sintéticoscuya función original fue la de sustituir las deficiencias de los primeros y se descubrióque podían funcionar como anticonceptivos, como anabólicos, como diuréticos o conotros fines. El uso de esteroides naturales o sintéticos debe hacerse bajo control médicopara evitar algunos efectos nocivos que producen.

O

CH3

CH3

OHTestosterona

(Hormona sexual masculina)

Progesterona(Hormona sexual femenina)

O

CH3

CH3

O

C CH3

CH3

CH3

OHCH3

NH

N

Stanozolol(Un esteroide sintético)

85

Una característica interesante de los esteroides es que durante su síntesis natural casitodos son producidos a partir del colesterol.

Hormonas sexuales

Hormonas del crecimientoEscualeno Lanosterol Colesterol Hormonas vegetales

EmulsificantesEtcétera

Además de ser precursor de diversos esteroides, el colesterol puede esterificarse(formar un éster) por el OH de la posición 3 de su estructura con alguno de los ácidosgrasos que conocemos formando ésteres del colesterol los cuales se van depositandoen venas y arterias produciendo una enfermedad conocida como arteriosclerosis que encondiciones graves pueden producir un infarto cardiaco. Por ellos no es recomendable elconsumo de alimentos con colesterol u otros esteroides, ya que el exceso de éste se vaacumulando hasta producir la citada enfermedad.

Investiga el significado de los términos: anabólico, diurético, arteriosclerosis, precursor,infarto y consecuencias.


86

En este momento sabes que los. . .


LÍPIDOS

ÁCIDOS GRASOS ACILGLICÉRIDOS FOSFOGLICÉRIDOS CERAS ESTEROIDES

SATURADOS INSATURADOS

se clasifican en

SOLUBLES

SÓLIDOS LÍQUIDOS

FORMACIÓN DEMEMBRANA

CELULAR

ORGANELOINTERNO DE LA

CÉLULA

TERPENOS

MOLÉCULAS

DOBLEENLACE

GRUPO OH

LINEAL

CÍCLICA

HORMONAL

son

- hormona sexual- reguladores metabólicos

SOLVENTESORGÁNICOS

CETONA

que pueden ser

son son

son

ÉSTERES DE ÁCIDO GRASOS CON GLICEROL

TRIACIGLICÉRIDOS

el más abundante es

ÁCIDOSGRASOS

GLICEROL

FOSFATO

AMINOALCOHOL

compuestode

su funciónes

ÉSTER

ALCOHOL

ÁCIDO

está formadopor

son

tienenson de

tipo

ALCOHOL

su función es

como

en

el

como

ÉSTERES

y

TEMPERATURAAMBIENTE

GRASAS

ORIGENANIMAL

ORIGENVEGETAL

siendo

a

de

87

2.4 PROTEÍNAS

Las proteínas son un grupo de biomoléculas construidas por largas cadenas deaminoácidos unidos entre sí por medio de un enlace peptídico. Dichas moléculas sedistinguen de los carbohidratos y los lípidos en muchas de sus propiedades tales comosolubilidad y reactividad, entre otras, pero sobre todo por la diversidad de funciones quecumplen. Antes de entrar de lleno a la estructura de las proteínas mencionaremos a losaminoácidos como unidades formadoras de las cadenas y la importancia de estos.

2.4.1 AMINOÁCIDOS.

El término de aminoácidos se aplica a aquellas estructuras que a la vez contienen losgrupos funcionales ácido (-COOH) y amino (-NH2). En la naturaleza se encuentra en ungran número de distintos aminoácidos pero se ha visto que son 20 en particular los quese encuentran en las proteínas.

Con respecto al grupo R (radical), éste hace la diferencia entre los aminoácidospresentes en las proteínas, los cuales son los siguientes, cabe hacer notar que se haencerrado en un cuadro todos los grupos -R de los aminoácidos para que puedasreconocerlos más fácilmente, en cada uno de los amonoácidos se incluye su nombre, suabreviatura de tres letras y el símbolo de una letra:

grupo ácido COOH Aminoácido

grupo amino NH2 C H

R (C ) (Carbono alfa)radical

88

Los aminoácidos se han clasificado en varias formas, pero la clasificación que parecetener mayor relevancia es la que los agrupa según la polaridad del grupo -R, ya quemuchos de las propiedades y la estructura de las proteínas dependen de esa polaridad.

En todos los aminoácidos anteriores el grupo amino ésta unido al carbono inmediato algrupo carboxilo, a éste se le conoce como carbono y por tanto los anteriores son -aminoácidos.

1. Dibuja las estructuras de los aminoácidos agrupándolos según la polaridad del grupo-R.

2. Identifica a los grupos funcionales que antes conocías e investiga sus características.

3. Investiga que es un aminoácido esencial.

AlaninaValinaLeucinaIsoleucina

Aminoácidos Metioninano polares Fenilalanina

TriptofanoProlina


GlicinaSerinaTreoninaTirosina

Aminoácidos Cisteínapolares Asparagina

Glutamina

Aminoácidos Ácido aspárticoácidos Acido glutámico

LisinaAminoácidos Árgininabásicos Histidina

89

Como ya se menciono, los grupos radicales les proporcionan propiedades muyespeciales a los aminoácidos, pero también los grupos amino y ácido tienencaracterísticas notables, ya que si se encuentran en solución pueden ceder ó aceptarprotones:

Estas características hacen que los aminoácidos se puedan encontrar en tres formasanteriores, de acuerdo a las características ácidas o básicas del medio. Por ejemplopara la alanina.

Aunque los conceptos de ácido y base los conocerás adecuadamente hasta el siguientecurso de química, te bastará reconocer a los aminoácidos como unidades que puedentener carga positiva (catión), carga negativa (anión) o sin carga (iones dipolares). Estoes importante en la estructura de las proteínas, ya que cargas contrarias se atraen ycargas iguales se repelen en la formación de los polímeros de los aminoácidos.

90

2.4.2 ENLACE PEPTÍDICO

Cuando dos aminoácidos reaccionan entre sí, pueden unirse para formar enlacepeptídico, este enlace es en realidad una amida sustituida producida de la reacción entreun ácido carboxílico y una amina.

En el caso de los aminoácidos:

En esta reacción se ha formado lo que se conoce como dipéptido:

A este dipéptido se le puede unir otro aminoácido para formar un tripéptido.

91

y al anterior otro aminoácido para formar un tetrapéptido y así sucesivamente se puedeformar pentapéptidos, hexapéptidos, eptapéptidos, etc.

Para que entiendas mejor acerca de la estructura de peptidos te presentamos elsiguiente depéptido con aminoácidos tomados de la lista anterior:

En los péptidos existe una serie de cualidades importantes que deben tomarse encuenta:

En el dipéptido anterior participan valina y cisteína pero la primera quedó con sugrupo -NH2 libre mientras que en la segunda queda su grupo -COOH libre y por lotanto el dipéptido se denomina valilcisteína o simplemente NH2 -Val - CyS -COOHdebido a que siempre se pone como primer aminoácido de un péptido al que tiene sugrupo -NH2 libre. Es diferente al dipéptido NH2 -CyS - VaL - COOH.

Los grupos radicales (-R) siempre estarán unidos hacia el carbono .

Normalmente los grupos carboxilo, amino, tiol, etc. pueden tener carga.

Los enlaces C - C sencillos o C - N sencillos pueden girar libremente, pero cuando seforma un enlace peptídico el enlace -C-N- se convierte en una estructura que ya nopuede girar.

Las cargas formadas por los grupos funcionales pueden causar atracciones orepulsiones.

92

La polaridad de los grupos -R pueden producir la formación de puentes de hidrógenoo interacciones entre todos los átomos de la molécula y por tanto ésta puededoblarse o girar hasta alcanzar una configuración estable.

Lo anterior es extensivo para dipéptidos, tripéptidos, tetrapéptidos, etc.

Otro ejemplo de un péptido es el siguiente:

Contiene 6 aminoácidos y por lo tanto es un hexapéptido.

El aminoácido con un grupo -NH2 libre es la alanina de aquí que su nombre sea alanil-glicil-seril-tirosol-aspartil-lisina o abreviado NH2-Ala-Gly-Ser-Tyr-Asp-Lys-COOH.

El acomodo de los aminoácidos de manera ordenada en un péptido o un polipéptido eslo que se conoce como su secuencia de aminoácidos o simplemente su estructuraprimaria.

De la estructura primaria de un péptido dependerá la forma que pueda tener en elespacio y de ahí también su funcionalidad.

93

Existe un aminoácido en particular -la cisteína- que puede enlazarse a sí mismoformando un puente covalente que puede estar dentro de una o uniendo dos cadenas deaminoácidos distintos.

94

Investiga y dibuja las estructuras de pequeños péptidos de importancia biológica.

La formación del enlace disulfuro es importante en la estructura de péptidos y proteínasdebido a que ésta se efectúa por el grupo -R de la cisteína y es independiente de lospeptídicos que existen en una cadena de aminoácidos.

Algunos péptidos pueden presentarse en forma libre en la naturaleza con funcionesimportantes tales como la anserina y la carmosina presentes en tejidos musculares, elglutation que es importante agente reductor para muchas células, la oxitocina, lavasopresina, angiotensina, y la somatostatina ya que tienen funciones hormonales entejidos animales, la bacitrocina A y la gramicidina y la penicilina son potentesantibióticos. Asimismo, se han encontrado algunos péptidos como neurotransmisores,receptores membranales o inmunodepresores.

Existen péptidos sintéticos que han resultado de gran utilidad como el aspartame (ácidoAspártico) que es un potente agente endulcolorante y que se conoce comercialmentecomo nutrasweet o Equal según su presentación.

2.4.3 CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

Las proteínas son polipéptidos que debido a su estructura y componentes cumplen conuna serie de funciones biológicas muy importantes. Debido a la variedad de aminoácidospresentes es infinita la variedad de estructuras proteícas posibles.

Las proteínas pueden clasificarse utilizando diferentes criterios, uno de ellos es deacuerdo a su estructura, otro es por su composición y uno más es de acuerdo a lafunción que cumplen dentro de un organismo.

En función de su estructura las proteínas pueden ser fibrosas o globulares. Lasprimeras generalmente son estructuras alargadas que contienen varias cadenaspolipeptídicas entrelazadas formando fibras, y las segundas son estructuras compactasy casi esféricas variando hasta formas elípticas ligeramente alargadas donde el grado decompactación depende de las propiedades de los aminoácidos que las forman.

De acuerdo con su composición, las proteínas se clasifican en simples (las que solocontienen aminoácidos) y conjugadas, estas últimas contienen un componente nopeptídico en su estructura llamado grupo proteíco. Las proteínas conjugadas senombran de acuerdo a su grupo proteíco, asi hay glucoproteínas cuyo grupo proteíco esun carbohidrato, lipoproteínas donde hay lípidos, metaloproteínas que contienen unmetal, fosfoproteínas, las cuales contienen fosfato y algunas otras.


95

La serie de funciones que pueden tener las proteínas es bastante variada. En este casose clasifican según la siguiente tabla:

Tabla 8. Clasificación y funcion de las proteínas

Tipo de proteína Función

Enzimas Catalizador de reacciones, es decir, acelerar o disminuir lavelocidad de las reacciones catábolicas.

Estructuras Dan apoyo estructural a diferentes células ó tejidos, dandouna determinada forma o rigidez.

Contráctiles Pueden contraerse o relajarse reversiblemente, con granimportancia en los músculos.

Transportadoras Llevan alguna sustancia de un lugar a otro, por ejemplo lahemoglobina que transporta el oxígeno a través de lasangre.

Hormonas Controlan y regulan las actividades dentro de la célula .De reserva Sirve como almacen de aminoácidos de energía cuando

alguna célula lo requiere.Toxinas Son producidas por algún tipo de célula y causan daños a

otra especie.De la visión Proteínas sensibles a la luz que participan en los

fenómenos asociados con la vista.Factores de crecimiento Participan en la velocidad de crecimiento y división celular.Protectores Dan protección a un organismo en contra de moléculas

extrañas: bacterias ó virus.

Existe una cantidad aún mayor de funciones en las que participan las proteínas peromuchas de ellas son especializadas que necesitaríamos de un texto completo paraexplicarlas.

Las anteriores te bastarán para que te des una idea de la importancia de las proteínasen el funcionamiento de los organismos.

2.4.4 ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

A continuación abordaremos la estructura de las proteínas de acuerdo con losaminoácidos que las componen y de las interacciones entre ellos. Dicha estructura seagrupa en diferentes niveles que depende del grado de organización que contiene y seconocen como estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas.

a) Estructura Primaria

Se conoce como estructura primaria de una proteína a la secundaria de amoniácidosque contiene, en otras palabras la ordenación de éstos a los largo de una cadenapolipeptídica.

96

Hasta la fecha se ha podido determinar las estructuras primarias de un buen número deproteínas de diferentes especies y se han encontrado los siguientes resultados:

No existe ninguna secuencia parcial o grupo de secuencias que sean comunes entodas las proteínas.

Ya se han detectado todas las combinaciones posibles de dos aminoácidossucesivos.

Las proteínas con funciones diferentes tienen secuencias distintas, aunque suelenexistir algunas excepciones.

Las proteínas con funciones iguales tienen secuancias similares, el grupo devariación de una secuencia a otra es mínimo, a esto de le conoce como homologíasecuencial.

Las proteínas que tienen la misma función pero en diferentes organismos llamadasproteínas homólogas tienen enormes similitudes secuenciales. Cuando las especiesson muy cercanas entre sí se ha llegado a encontrar una homología total.

Dentro de los individuos de una misma especie casi siempre existe la mismasecuencia de aminoácidos en sus proteínas.

b) Estructura secundaria

Una cadena polipeptídica contiene un esqueleto formado por aminoácidos dondesiempre se va a encontrar la siguiente ordenación N-C -C que se repite muchas veces alo largo de la cadena

En este, como entodos los casos de las estructuras tienen dimensiones y susrepresentaciones en un plano no puedan reflejar fácilmente su estructura tridimensional.

La cantidad de ordenaciones que pueden tomar las cadenas de aminoácidos a lo largode un eje imaginario es muy grande, sin embargo se ha demostrado que,particularmente, dos estructuras son muy comunes, a éstas se le ha llamado estructuras

-hélice (ó simplemente ) y estructura -laminar (ó simplemente ). Estas estructuras,es decir la ordenación de los aminoácidos a lo largo de un eje imaginario es lo queconoce como estructura secundaria.

La estructura secundaria se explica en función de las interacciones entre los gruposfuncionales de los aminoácidos y del tamaño de sus radicales.

N - C - C -N - C - C - N - C - C ......

carbono carbonílicocarbono alfa

Nitrogeno del grupo amino

97

c) Estructura terciaria

Además de la formación de láminas o estructuras helicoidales en las proteínas se puededar una serie de giros o curvaturas que pueden producir estructuras esféricas de lasproteínas globulares o mantener alargadas y asociadas formando a las proteínasfibrosas.

Las estructura terciaria de una proteína se refiere precisamente a la forma en el espacio,fibrosa o globular de las proteínas.

Las proteínas fibrosas están compuestas por la asociación de varias cadenaspolipeptídicas (que pueden tener estructura o ) para formar una fibra que esresistente, fuerte y generalmente tiene función estructural.

Figura 26. Representación de tres cadenas polipeptídicas enlazadas.

Dos cadenas polipeptídicos enlazadas formando una fibra (estructura terciaria), cadauna de ellas tiene sus cadenas con estructuras x helicoidal (estructura secundaria).

98

Las proteínas fibrosas generalmente son muy insolubles en agua y algunos ejemplos deellas son las queratinas, el colágeno, el fibrinógeno, las elastinas y las mioscinas.

Investiga en donde se encuentran las proteínas fibrosas mencionadas.

Las proteínas globulares son mucho mas pequeñas en tamaño pero mucho másvariadas en cantidad y funciones, son proteínas globulares las enzimas, lastransportadoras y las protectoras, entre otras.

Las cadenas de aminoácidos que pueden ser o se curvan hasta la formación deglóbulos que pueden ser como muestra en las siguientes figuras:


99

Figura 27. Estructura terciaria de la mioglobina.

Figura 28. Diversas conformaciones de proteínas globulares.

100

Figura 29. Interacciones comunes que estabilizan a las proteínas globulares.La función de las proteínas globulares generalmente es muy dinámica porque puedenestar cambiando de posiciones las interacciones que los estabilizan como son lospuentes de hidrógeno, dipolos, atracciones entre cargas contrarias, etc. Normalmenteson muy solubles en agua e insolubles en solventes de baja polaridad. Las interaccionesque los estabilizan pueden romperse por calentamiento, produciéndose polipéptidos sinestructura definida. A este fenómeno se le conoce como desnaturalización y es muyimportante en los alimentos, ya que cuando conocemos algún alimentodesnaturalizamos sus proteínas y se hacen más digeribles ó asimilables debido a quenuestro organismo no necesita de las proteínas tal cual, sino de los aminoácidoscontenidos en ellas.

d) Estrutura cuaternaria

Las proteínas globulares a veces se agrupan entre sí fromando conglomerados de 2 omás estructuras. Esto es a lo que se le conoce como estructura cuaternaria de unaproteína. Por ejemplo la hemoglobina contiene 4 glóbulos o subunidades, y por lo tantoestructura cuaternaria.

Figura 30. Representación de la estructura cuaternaria de una proteína.

Cada subunidad contiene un grupo hemo que funciona como transportador de oxígenoen la sangre.

101

No olvides que las ...

PROTEÍNAS

ENLACESPEPTÍDICOS

CADENAS DEAMINOÁCIDOS

AMINOÁCIDOS ENLACESPEPTÍDICOS

CLASIFICAN ESTRUCTURAS

GRUPOSFUNCIONALES

ÁCIDO( -COOH )

AMINO( -NH2 )

como son

se clasifican en


formadospor

NO POLARES

POLARES

BÁSICOS

ÁCIDOS

sonse originan a

partir de se se dividen en

AMINOÁCIDOSENTRE SÍ

se presentancuando reaccionan

influyen en laformación de

TEJIDOSMUSCULARES

de tipo

PRIMARIA

SECUNDARIA

TERCIARIA

CUATERNARIA

COMPOSICIÓNESTRUCTURA FUNCIÓN

ya que son

FIBROSAS GLOBULARES

ALARGADA ESFÉRICA

de forma con forma

SIMPLES

AMINOÁCIDOS

contienen

se clasificancomo

CONJUGADAS

NO PEPTÍDICOS

tienencomponentes

por su

102

“BIOMOLÉCULAS”

Objetivo

Identificar carbohidratos, lípidos y proteínas en diferentes alimentos mediante reaccionesespecificas para clasificar los alimentos según sus nutrientes.


1) ¿Qué son las biomoléculas?

2) ¿Cuáles son las biomoléculas?

3) ¿Cómo se forman los enlaces glucosídico y peptídico?

Experimento I

Objetivo

Extraer los carbohidratos de muestras de alimentos para identificarlos en el laboratorio.

Hipótesis

Redactar una hipótesis que involucre la presencia de carbohidratos en los alimentos.

_______________________________________________________________________


103

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias☞ 1 mortero con pistilo☞ 5 vasos de precipitado de 100 ml☞ 1 probeta de 50 ml☞ 2 probetas de 5 ml☞ 2 pipetas de 5 ml☞ 1 mechero de alcohol☞ 1 soporte universal☞ 1 anillo metálico☞ 1 tela de alambre de asbesto☞ 1 embudo de reparación de 125 ml☞ 1 embudo talle corto☞ 1 agitador de vidrio☞ 2 tubos de ensaye 10x100 mm.☞ 3 tramos de papel filtro de poro

grande☞ 2 probeta de 10 ml

☞ 10 ml de disolución de cloroformo-etanol111

☞ 5 ml de hidróxido de sodio 2N☞ 5 ml de Reactivo de Biuret☞ 2 ml de lugol☞ 50 g. de arroz☞ 1 huevo☞ 1 papa☞ 1 aguacate☞ 50 ml de leche☞ 1 barra de chocolate


La indicada para el trabajo con material de vidrio y mechero de alcohol.

Cloroformo.- Líquido incoloro, volatil inflamable y muy tóxico. Su inhalación provocanáuseas, dolor de estómago e inconciencia por sus propiedades anestésicas. Losvapores irritan los ojos causando conjuntivitis es venenoso si se ingiere.

Etanol.- Líquido incoloro muy volatil inflamable de olor agradable, poco tóxico poringestión.

Hidróxido de sodio.- Base fuerte, tóxico y muy corrosivo irritación severa al contacto conla piel. Por ingestión causa corrosión gastrointestinal grave.

¿Cómo hacerlo?

Cada equipo trabajará un alimento diferente y el equipo se dividirá en dos partes, unaparte realizará el experimento I y la otra parte el experimento II.

Los alimentos se preparan de la siguiente forma:

Sólidos.- se muelen aproximadamente 10 g en el mortero hasta obtener un granuladofino y se agregan 50ml de agua.

Semisólidos.- se muelen en el mortero aproxmadamente 10 g hasta obtener una pastasuave, homogénea y se le agregan 50 ml de agua.

104

Líquidos.- se toman 10 ml y se agregan 50 ml de agua.En todos los casos se filtra la mezcla y se forman 20 ml del filtrado para el experimento Iy 30 ml para el experimento II.

Calentar 20 ml de filtrado de la mezcla con un mechero de alcohol por 4 minutos y volvera filtrar.

Agregar al filtrado 10 ml de la mezcla cloroformo-alcohol 1:1 y mezcla cuidadosamentecon el agitador de vidrio.

PRECAUCIÓN

La disolución cloroformo-etanol es inflamable no la uses cerca del mechero de alcoholcuando este encendido.

Coloca la mezcla en el embudo se reparación de 125 ml para separar la fase colofórmicade la fase acuosa.

Figura 31. Método de separación de la mezcla.

Desecha la fase clorofórmica.

Coloca la fase acuosa en un vaso de precipitados de 100 ml y agrégale 5 ml de hidróxidode sodio 2N.

Reparte la mezcla en los tubos de ensaye y agrega a uno 2 ml de reactivo de Benedict yal otro 2 mL de lugol. Observa los cambios en los tubos y regístralos.


Describe la reacción que ocurre en cada tubo.

Tubo de Benedict.

Tubo de Lugol

Anillo metálico

Fase acuosa

Fase cloroformica

105

Experimento II

Objetivo

Extraer los lípidos y las proteínas de muestra de alimentos para identificarlos en ellaboratorio.

Hipótesis

Elabora una hipótesis que consideres la presencia de lípidos y proteínas en losalimentos.

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias☞ 1 vaso de precipitados de 500 ml☞ 3 vasos de precipitados de 100 ml☞ 4 probeta de 20 ml☞ 1 embudo de separación de 125 ml☞ 1 soporte universal☞ 1 anillo metálico☞ 1 tela de alambre con asbesto☞ 1 mechero de alcohol☞ 1 pipeta de 5 ml

☞ 15 ml de ácido clorhídrico 6N☞ 10 ml de cloroformo☞ 10 ml de ácido sulfúrico concentrado☞ 10 ml de hidróxido de sodio 2N☞ 2 ml de reactivo de Biuret


La indicada para trabajar con material de vidrio y mechero de alcohol.

Ácido sulfúrico.- Líquido aceitoso, sin olor, ni color, muy corrosivo sobre todos los tejidosdel cuerpo. La inhalación de sus vapores causa graves daños pulmonares. El contactocon ojos puede causar ceguera y su ingestión causa severos daños al aparato digestivo.

Ácido clorhídrico.- Líquido amarillento desprende vapores que irritan al sistemarespiratorio, causa quemaduras grave a la piel, su ingestión provoca daños severos alaparato digestivo.

106

Cloroformo.- Líquido incoloro, inflamable y muy tóxico. Su inhalación provoca náuseas,dolor de estómago e inconciencia por sus propiedades anestésicas. Los vapores irritanlos ojos causando conjuntivitis, es venenoso si se ingiere.Hidróxido de sodio.- Tóxico y muy corrosivo, irritación severa al contacto con la piel. Poringestión causa corrosión gastrointestinal grave.¿Como hacerlo?

Coloca 30 ml del filtrado de la muestra de alimento en un vaso de precipitados de 100 mlagrega 15 ml de ácido clorhidrico 6N y calienta por 6 minutos con mechero de alcohol.

PRECAUCIÓN

Recuerda que el ácido sulfurico es muy tóxico, evita la inhalación de sus vapores, suingestión y el contacto con la piel. Si sufres algún derrame en la piel, lávate conabundante agua inmediatamente y avísale al responsable de laboratorio.

Enfría con baño de agua y agrega 10 ml de cloroformo.

Coloca la mezcla en el embudo de separación para separar la fase clorofórmica de laacuosa para utilizar los dos.

Agrega 10 ml de ácido sulfúrico concentrado a la fase clorofórmica y calienta con elmechero de alcohol por 10 minutos, observa la reacción y registrala.

PRECAUCIÓN

El ácido sulfúrico es muy corrosivo evita a la inhalación de sus vapores, su ingestión y elcontacto con la piel u ojos. Si sufres algún derrame en la piel, lava rápidamente la zonaafectada con abundante agua y llama inmediatamente al responsable de laboratorio.

Anillo metálico

Fase acuosaFase clorofórmica

107

También recuerda que el cloroformo es muy volátil e inflamable además de muy tóxicoevita su inhalación y su ingestión.

Agrega 10 ml de hidróxido de sodio 2N a la fase acuosa. Finalmente agrega 2 ml dereactivo de biuret y calienta por 5 minutos. Observa lo que ocurre y regístralo.


Describe el aspecto del producto final de la reacción en la fase clorofórmica.

Describe el aspecto del producto final de la reacción en la fase acuosa.


1) ¿Fueron iguales los resultados con todos los alimentos?

2) ¿Cualquier alimento dará igual resultado en cada reacción?

3) ¿Qué significa que en el primer tubo de ensaye del experimento I, se observecoloración roja?

4) ¿Qué significa que en el segundo tubo de ensaye en el experimento I, se observecoloración azul?

108

5) ¿Por qué en algunos casos no se observó coloración amarilla al calentar la faseclorofórmica en el experimento II?

6) ¿Por qué se observó coloración violeta en algunos casos en la última reacción de lafase acuosa en el experimento II?

CONCLUSIONES

Considera el cuestionario de reflexión al contrastar hipótesis con los resultados.

109

Hasta este momento sabes que...

Carbohidratos

Proteínas

Monosacáridos Disacáridos

Polisacáridos

Ácidos grasos Acilglicéridos Fosfoglicéridos Ceras Terpenos Esteroides

Según su estructura

Según su composición

Según su función

Grado de organización

Fibrosas Globulares

Simples Conjugados

Enzimas,Estructurales,Contractiles, Protectoras,Transportadoras, Hormonasde reserva y del Crecimiento,Toxinas, etc.

RECAPITULACIÓN

de reservaestructurales

Lípidos

BIOMOLÉCULAS

110

Con estas actividades podrás poner en práctica los conocimientos adquiridos hasta estemomento, por lo que te pedimos que realices todo lo que se te solicita.

1. ¿Qué son los carbohidratos?.

2. Explica cuál es la función que desempeñan los carbohidratos dentro de lasbiomoléculas.

3. Anota en los renglones el nombre de 5 carbohidratos.

a) b)

c) d)

e)

4. ¿Qué son los anómeros?.

5. Explica cuál es la función de los siguientes polisacáridos.

a) Celulosa:

b) Quitina:

Estructura primaria Estructura secundaria Estructura terciaria Estructura cuaternaria


111

6. Menciona qué son los lípidos y anota 5 ejemplos de ellos:

7. Explica qué son los esteroides, así como las funciones que desempeñan.

8. Menciona qué son las proteínas y cómo estan constituídas.

9. Describe cuál es la función de las siguientes proteínas:

a) Enzimas:

b) Hormonas de Reserva:

c) Toxinas:

112

Como una forma de retroalimentación hemos diseñado este apartado, en el cual podráscorroborar aciertos y/o errores que pudiste haber tenido durante las ActividadesIntegrales.

1. Los carbohidratos son compuestos que contienen carbono, hidrógeno y oxígeno.

2. Básicamente las funciones que desempeñan los carbohidratos son dos: Estructural,que consiste en sostener (como las plantas y otras estructuras), y Reserva, queproporcionan energía o son almacenados para formar otras moléculas.

3.

a) Digliceraldehido b) Dihidroxiacetona

c) Glucosa d) Ribosa

e) Galactosa

4. Los anómeros son monosacáridos que se presentan en forma cíclica, esto lesproporciona una cualidad muy importante para la reactividad química.

5.a) Celulosa:

sirven para dar fuerza y rigidez a las plantas, la madera, el heno y elalgodón, los cuales están constituidos, principalmente, por celulosa.

b) Quitina:sirve para manterner erguidos a organismos invertebrados (la langosta,insectos, etc.), en los que nos existen huesos para sostener susestructuras.

6. Lípidos: compuestos que generalmente son insolubles en el agua por lo que se lesconoce como grasas o ácidos grasos.

AUTOEVALUACIÓN

113

Ejemplos:- Ácido Laurico.- Acido Esteárico.- Ácido Palmítico.- Ácido Oleico- Ácido Linoleico.

7. Los esteriodes son lípidos, es decir que son insolubles al agua, y tienen funcionestales como: hormonas sexuales, agentes emulsificantes para la digestión, comoreguladores metabólicos, entre otros.

8. Las proteínas son grupos de biomoléculas constituidas por largas cadenas deaminoácidos unidos entre sí por medio de un enlace llamado peptídico.

9.a) Enzimas:

sirven para catalizar reacciones, es decir, acelerar o disminuir lavelocidad de éstas.

b) Hormonas de Reserva:sirven para controlar las actividades dentro de la célula,también como almacén de aminoácidos y de energía, estocuando la célula lo requiere.

c) Toxinas:En realidad son producidas por algún tipo de célula y causan daños aotra especie.

115

LASMACROMOLÉCULAS

se dividen en

FUERZAS DEINTERACCIÓN MACROMOLÉCULAS

SINTÉTICAS


el donde secontempla el

MODELOCINÉTICO

MOLECULARla

NATURALEZADE LAS

FUERZAS DEATRACCIÓN

COMPORTAMIENTO

PROPIEDADES3 ESTADOS DEAGREGACIÓN

DE LA MATERIA

de los

LÍQUIDOS


SÓLIDOS

son y la

POLIMERIZACIÓNPOLÍMEROS

se dividen en donde seconsidera su

3 GRUPOS

ESTRUCTURACLASIFICACIÓN

donde seabordan los

PROTEÍNASCARBOHIDRATOS

LÍPIDOS

y su

CARACTERÍSTICAS

PROPIEDADES

116

En este apartado podrás poner en práctica los conocimientos que has adquirido a lolargo del fascículo, por lo tanto te invitamos que realices lo siguiente:

1. Menciona qué es una macromolécula sintética.

2. ¿Cómo se clasifican las macromoléculas sintéticas?.

3. Menciona ¿qué tipo de enlaces se pueden encontrar dentro de las macromoléculassintéticas?.

4. Define qué es una biomolécula ó macromolécula natural.

5. ¿Cómo se clasifican las biomoléculas?.

6. Menciona ¿cuál es la diferencia entre macromoléculas sintéticas y macromoléculasnaturales (biomoleculas)?.


117

La Autoevaluación está diseñada para que puedas verificar si tus respuestas (en lasActividades de Consolidación) fueron correctas o no.

1. Las Macromoléculas Sintéticas son constituyentes del material que forma la mayorparte de los objetos que son sintéticos, ejemplo de ello son los tipos de plástico queexisten.

2. Las Macromoléculas Sintéticas se clasifican en: Polímeros Termoplásticos. Elastómeros.

3. Los diferentes tipos de enlace que se pueden presentar dentro de lasMacromoléculas Sintéticas encontramos:

Puentes de hidrógeno. Fuerzas Dipolo-Dipolo. Fuerzas de London.

4. Las biomoléculas o Macromoléculas Naturales son constiyentes de nuestras células ytienen la capacidad de preservar la vida.

5. Las biomoléculas se clasifican en: Carbohidratos. Monosacáridos. Disacáridos. Polisacáridos. Almidones y Glucógenos. Ácidos Grasos.

6. La diferencia principal que existe entre las Macromoléculas Sintéticas y lasMacromoléculas Naturales, es que en las primeras (como su nombre lo dice) estánconstituidas por estructuras sintéticas, en tanto que en las otras, se encuentranestructuras organicas.Cabe hacer notar que en ambos casos los elementos que integran dichas estructurasson carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O).

AUTOEVALUACIÓN

118

Agente emulsificante: Sustancia que hace la mezcla de sustancia inmiscibles.

Anabólico: Sustancia que facilita la síntesis de componentes útiles en las funcionesvitales

Antiinflamatorio: Compuesto que inhibe la inflamación de los tejidos.

Antibiótico: Sustancia que participa en la transmisión de los impulsos nerviosos.

Arterioesclerosis: Endurecimiento de las membranas de las arterias, producidas por laacumulación de grasas. Afecta la circulación de la sangre.

Células Eucarióticas: Células cuyos componentes u organelos están por membranas.

Combustible: Material que arde cuando se combina con el oxígeno para formar óxidosde carbono, agua y calor.

Compuesto orgánico: Compuestos del carbono o compuestos formados por cadenasde átomos de carbono.

Densidad: Medida de la masa por unidad de volumen. Generalmente expresada engramos por centímetro cúbico.

Destilación: Proceso que consiste en hervir un líquido para formar vapor y luegocondensarlo para formar nuevamente el líquido. Se usa para separarlíquidos de sus impurezas.

Destilación Fraccionada: Proceso de destilación en el que los compuestos que tienendiferentes temperaturas de ebullición pueden serseparados.

Disacáridos: Carbohidrato formado por monosacáridos.

Diurético: Sustancia que favorece la secreción de orina.

Enlace Disulfuro: Enlace covalente que forma entre dos átomos de azufre.

Ésteres: Compuestos que presentan el grupo funcional ESTER. Resulta de la reacciónentre en ácido carboxílico y un alcohol.

Hidrocarburos: Compuestos que sólo tienen átomos de carbono e hidrógeno.

Hidrofílicas : Sustancia que presenta la propiedad de ser a fin por el agua.

GLOSARIO

119

Hidrofóbicas: Sustancia que presenta la propiedad de no ser afin al agua.

Hidrólisis: Ruptura de enlaces por la ación de agua.

Monómero: Compuesto que se une químicamente con otras de la misma especie paraformar polímeros.

Monosacárido: Corbohidrato, que puede descomponerse en unidades más pequeñas.

Neurotransmisor: Sustancia que participa en la acción de la sinapsis.

Olefina: Nombre que antes daba a la familia de los alquenos; a ésta permanece eleteno o etileno.

Polisacáridos: Carbohidrato formado por más de dos monosacáridos.

Radical: Átomo o grupo de átomos que tienen uno o más electrones sin aparear.

Recursos no renovables: Son aquellos bienes o productos de la naturaleza queexisten en cantidades fijas y, en consecuencia, disminuyenen razón directa al aprovechamiento que de ellos se hace.Por ejemplo el petróleo.

Recursos renovables: Son los bienes o productos que se encuentran en lanaturaleza, se generan constantemente y cuya extinción puedeevitarse, siempre que la humanidad los explote científica yracionalmente, como son: agua, aire, suelo, flora y fauna.

Regulador Metabólico: Compuesto que controla las reacciones de degradación y desíntesis dentro del organismo.

Saponificación: Reacción entre grasas o aceites e hiróxido de sodio ó base fuertecuyo resultado es lo que llamamos jabón. Es una reacción dehidrólisis.

120

BADUÍ S. Química de los alimentos, Alhambra, Mexico, 1981.

BOHINSKI, R: Bioquímica. Fondo Educativo Interamericano, México, 1978.

CHOW, P.S. Petroquímica y Sociedad. F.C.E., México, 1989.

DICKSON, T.R. Química, Enfoque Ecológico. Limusa, México, 1988.

FESSENDEN, R. y S.S. Fessenden: Química Orgánica. Grupo Editorial Iberoamérica,México. 1982.

GARRITZ, A. y J. Chamizo. Química. Antologías. COSNET, México, 1988.

GOLDWHITE, H y J.R.Spielman. Química Universitaria. SITESA, México, 1990.

Hein, M. Fundamentos de Química. Grupo Editorial Iberoamérica, México, 1992.

HEIN, M: Química. Grupo Editorial Iberoamérica, 1992.

LECHNIGER, A. L: Bioquímica. Ediciones Omega, Barcelona, 1972.

MCMURRY, S: Fundamentals of organic Chemistry. Brooks / Cole Publishing Company,Usa, 1990.

OULLETTE, R: Introducción a la Química Orgánica. Harla, México, 1973.

PINE, S. et al: Química Orgánica. Mc Graw-Hill México, 1982.


eBook 2007 Colegio de Bachilleres Quimica

Documents

Transcript of eBook 2007 Colegio de Bachilleres Quimica