PRESIDENTE DE LA R E P Ú B L I C A DEL ECUADOR Rafael Correa Delgado

MINISTRA DE EDUCACIÓN Gloria Vidal lllingworth

VICEMINISTRO DE EDUCACIÓN Pablo Cevallos Estarellas

VICEMINISTRA DE GEST IÓN EDUC Mónica Franco Pombo

SUBSECRETARIA DE FUNDAMENTOS EDUCATIVOS Susana Araujo Fiallos

SUBSECRETARIO DE ADMINISTRACIÓN ESCOLAR Roberto Pazmiño Alvear

DIRECTOR NACIONAL DE CURRÍCULO Jorge Ortiz Herrera

Ministerio de Educación del Ecuador Segunda edición: enero, 2013 Dirección: Av. Amazonas N34-451 entre Av. Atahualpa y Juan Pablo Sanz.

Impreso por: EditoGRAN S.A. Fecha: enero 2012

La reproducción parcial o total de esta pub ; icación, en cualquier forma que sea, por cualquier medio mecánico o electrónico, no autorizada por los editores, viola los derechos reservados. Cualquier utilización debe ser previamente solicitada.

DISTRIBUCIÓN GRATUITA PROHIBIDA LA VENTA

Santiago Carvajal S., Marcelo Gómez Arroyo

I i i lustración:

Santiago Carvajal S., Jonathan Barragán B. Archivo Maya Ediciones

I Fotografía: Francisco Carrillo A . , Stock.XCHNG® VI

N° de derecho de autor 039058, de julio 11 de 2012

ISBN: 978-9978-52-252-3

m o i i o ediciones!

Editorial Maya Edic iones C . L tda .

Patricio Bustos P.

| Coordinación editor ial : Soledad Martínez Rojas

Gerardo Armendaris Gavilanes

fe Edic ión: Juan Páez Salcedo

I Corrección de esti lo: Juan Páez Salcedo, Soledad Martínez Rojas

Por primera vez, el Ministerio de Educación está entregando libros de texto gratuitos a los estudiantes del Bachillerato General Unificado (BGU), para ofrecerles más herramientas que les ayuden en su proceso de aprendizaje.

A diferencia del bachillerato diversificado, que especializaba tempranamente a los estudiantes ya sea para ingresar a una carrera universitaria o para un puesto de trabajo específico, el BGU busca que todos los bachilleres multipliquen sus opciones futuras, preparándolos a la vez para la vida y la participación en una sociedad democrática, para el mundo laboral y del emprendimiento, y para continuar con estudios superiores.

Para alcanzar estas metas, el BGU ofrece una formación generalista, integral y flexible, a través de un grupo de disciplinas centrales que todos los estudiantes deben cursar, entre las que se encuentra la de Física y Química.

Esperamos que el estudio de este libro de texto motive a los estudiantes a adquirir conocimientos y a desarrollar habilidades de pensamiento, que les permitan descubrir sus potencialidades y construir proyectos de vida que contribuyan al desarrollo de una sociedad más próspera, equitativa y solidaria.

Ministerio de Educación

El proceso de enseñanza - aprendizaje de la Física y Química es particularmente impor­

tante en el bachillerato pues obedece a la ne­cesidad de establecer un eslabón entre el nivel de la formación científica de carácter general básica y las exigencias del aprendizaje sistemá­tico de la Física y la Química como disciplinas específicas. Las experiencias educativas vividas en el país sugieren lo conveniente de estable­cer un modelo formativo intermedio en el ba­chillerato, que prepare a los estudiantes para enfrentar con éxito las exigencias del aprendi­zaje interdisciplinario.

A la Física, Química y Biología, les correspon­de un ámbito importante del conocimiento científico, pues están formadas por un cuerpo organizado, coherente e integrado de conoci­mientos: los principios, las leyes, las teorías y los procedimientos utilizados para su construcción son el producto de un proceso de continua ela­boración, siendo por tanto, susceptibles de ex­perimentar revisiones y/o modificaciones.

La Física se preocupa por comprender las pro­piedades, estructura y organización de la mate­ria, así como la interacción entre las partículas fundamentales, desde luego, sin dejar de lado su preocupación por las aplicaciones en el mundo contemporáneo y su problemática. La Química estudia las sustancias que existen en nuestro planeta, sus reacciones, su estructura a nivel molecular y sus propiedades, igualmente dentro de un contexto universal.

La Química está relacionada con la Física, ya que se aplica, en gran parte, las leyes de la Física

para la formación, transición y la investigación de las moléculas. La Química se apoya mucho en la Física atómica, esta relación se compren­derá mejor luego de que los estudiantes de segundo de bachillerato estudien la asignatura integrada de Física y Química, para luego anali­zarlo en función del ser vivo y el ambiente.

El aprendizaje de la Física y Química contribuye enormemente con el desarrollo personal del es­tudiante, sobre todo en varias subdimensiones, la primera referida a su capacidad de pensa­miento abstracto, curiosidad, creatividad y ac­titud crítica; mientras que la segunda se refiere al desarrollo de criterios de desempeño, relacio­nados con la tolerancia y respeto ante opiniones diversas, la valoración del trabajo en equipo, en­tre otros aspectos importantes que configuran la dimensión de socialización, importante en esta etapa del desarrollo de los estudiantes.

Atendiendo a esta finalidad, la enseñanza -aprendizaje de la Física y Química tiene como uno de sus principales propósitos, motivar a los estudiantes para que desarrollen su capacidad de observación sistemática de los fenómenos relacionados con estas ciencias, tanto las natu­rales como de los que están incorporados a la tecnología de su entorno inmediato.

Se debe recalcar que para aplicar el modelo constructivista en la enseñanza de las ciencias debemos considerar tres elementos básicos; a) las situaciones problémicas susceptibles de in­volucrar a los estudiantes en una investigación dirigida, b) el trabajo en equipo, y c) el inter­cambio entre grupos y la comunidad científica.

También es importante considerar que el tra­bajo de investigación, como actividad curricu­la r, provee vivencias educativas que influyen positivamente en el proceso de aprendizaje. Mediante el desarrollo de ese trabajo los estu­diantes se enfrentan a una tarea creativa, par-ticipativa y de indagación, donde demuestran cualidades de responsabilidad, curiosidad cien­tífica, razonamiento y pensamiento crítico; me­canismos propios de la gestión científica.

Los procesos investigativos pueden realizarse sin necesidad de contar con abundantes re­cursos. Aún así podemos alcanzar un alto valor pedagógico que se integra con el resto de acti­vidades didácticas y curriculares clásicas, sin ol­vidar que todo este conjunto permitirá conocer los aportes de grandes hombres en beneficio del resto de la humanidad.

Las interrelaciones entre la Física y la Química, desarrolla la ciencia y la tecnología en relación directa con el ambiente; los electrones como

base de estas ciencias y de la estructura de la materia, sus estados físicos, su comportamien­to y sus formas de reaccionar para originar nue­vos e interesantes productos para beneficio de nuestro entorno.

Las macrodestrezas que se tratan en el texto se desarrollan en seis bloques temáticos y son:

• Electrones, electricidad y magnetismo.

• El calor y la temperatura: ¿Son conceptos análogos?

• Los estados de la materia, propiedades y comportamiento.

e El mundo de los ácidos, bases y sales.

• Equilibrio químico y velocidad de una reac­ción, definiciones, factores que lo alteran.

• Procesos de transferencia de electrones.

; ' : ; . . ; / * • ; c s d e l a n o

• Establecer los componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de mediada de un circuito eléctrico y un circuito magnético. Explicar el proceso electrolítico, diferenciar entre corriente continua y corriente alterna, conocer sus aplicaciones y usos. Concienciar sobre el ahorro de energía eléctrica.

• Diferenciar los conceptos calor y tempe­ratura y apreciar sus consecuencias en la materia, resolver situaciones problémicas, con orden y pulcritud, relacionadas con el entorno, mostrando un buen manejo de los principios matemáticos, físicos y químicos relacionados con ellos.

• Establecer las propiedades de los estados de agregación molecular de la materia, aplicar los principios de la Teoría Cinético Molecular y leyes de los gases en situaciones problémi­cas cotidianas, establecer la concentración de una disolución ya sea en unidades físicas como en unidades químicas y reconocer su utilidad en el hogar y en el mundo de la me­dicina, agricultura, ganadería, industrias, etc.

• Reconocer las propiedades de los ácidos y bases y sus formas de reaccionar, obtener sa­

les por diferentes métodos, desarrollar pro­cesos experimentales de neutralización, re­solver situaciones problémicas relacionadas con pH, determinar la razón por la que los indicadores naturales cambian de coloración en presencia de ácidos y bases, proponer costumbres saludables de vida que tiendan a disminuir los problemas de acidez tan co­munes en nuestra sociedad debido al estrés.

• Definir equilibrio químico y velocidad de reacción establecer los factores que los mo­difican, interpretar los posibles valores de Ke, explicar ¿Qué es una solución buffer o amortiguadora?, valorar lo importante del equilibrio químico en procesos industriales de actualidad.

• Definir los conceptos oxidación y reducción, balancear ecuaciones iónicas y moleculares, diferenciar una celda electrolítica de una electrovoltáica, determinar sus utilidades industriales y diseñar acciones para concien­ciar a la comunidad sobre la importancia de no arrojar o abrir pilas y baterías usadas de­bido a su elevado impacto ambiental, deter­minar formas de procesar este tipo de mate­riales luego de su uso.

C L U B DE FÍSICA Y QUÍMICA DEL COLEGIO f 4

OBJETIVOS 1

1. Que los estudiantes expongan sus criterios, obser­vaciones y sugerencias sobre él o los temas que haya enseñado el profesor(a). Se utilizará un len­guaje sencillo, comprensible para el alumno(a).

2. En lo posible, cada tema de la materia deberá ser aplicado en beneficio de la comunidad, ya sea en el cuidado y protección del medio ambiente así como en la prevención y tratamiento de las enfermedades.

3. La aplicación de los temas que se estudian en Química deben estar enfocados a la investiga­

ción científica y formulación de proyectos para despertar en el estudiante la cualidad de ser "in­vestigador" y así prepararlo a futuro, por ejemplo, para el descubrimiento de nuevos medicamentos, aprovechando los recursos naturales de Ecuador, así como también capacitarles para la formulación de proyectos para la pequeña y mediana industria ecuatoriana.

Evaluar los inmensos recursos naturales como pe­tróleo, plantas medicinales, riquezas del mar, para a futuro poder aprovecharlos satisfactoriamente y generar en el país una economía próspera.

EN GRUPOS 1 . Los integrantes del club deber ser clasificados en

grupos de no más de 6 a 7 alumnos. Los trabajos serán expuestos por cada estudiante en forma documentada dentro del grupo.

2. Se tratarán de preferencia los temas que el profe-sor(a) ha indicado en clase, sin prejuicio que se abor­den temas fuera del programa de Física y Química, pero que interese al buen vivir de la comunidad.

3. Se señalará un tema no muy extenso, puesto que la finalidad del club es comprender cada tema en un ciento por ciento, ya que en ocasiones un alumno se enferma o falta a clases o no entendió bien la explicación del profesor(a). Es un refuerzo del tema la discusión en el grupo del club.

4 . El club se reunirá el momento en que el profesor(a) haya concluido con el estudio de un bloque cu-rricular, o cuando los componentes del grupo lo solicitaren.

6. El resumen de los trabajos se entregarán al profesor(a) a fin de que le sirva como una califica­ción más en la materia.

7. Los resúmenes serán archivados en la secretaría del grupo: escritos, videos, maquetas, etc. Estos servirán para presentarlos en la exposición de fin de año.

8. El informe contendrá conclusiones y recomenda­ciones con absoluta libertad del estudiante, las que serán respetadas y evaluadas, sobretodo en­caminadas al buen vivir, a la protección de la sa­lud, de la vida y del medio ambiente.

Materiales y aparatos más comúnmente utilizados en el laboratorio

M a p a d e c o n t e n i d o s F ís ica y Q u í m i c a - S e g u n d o d e B a c h i l l e r a t o

Eje curricular integrador: Comprender los fenómenos físicos y químicos como procesos complementarios e integrados al mundo natural y tecnológico Eje de aprendizaje: Identificación de la evidencia necesaria en una investigación científica

L O Q U E 1

Electrones, electricidad y magnetismo

El calor y la temperatura.

¿Son conceptos análogos?

Los estados de la materia, propiedades y comportamiento

L O Q U E 4 B L O Q U E

El mundo de los ácidos, bases y

sales

Equilibrio químico y velocidad de la

reacción. Definiciones y factores que lo

Procesos de transferencia de

electrones

1. Flujo de electrones: Electricidad y magnetismo

1.1 La c o r r i e n t e eléctrica

1.2 L e y d e O H M

1.3 Energía, calor y potencia eléctrica

1.4 Resistencia y c i rcu i tos eléctricos

1.5 Electrólisis

1.6 Campo magnético de una c o r r i e n t e eléctrica

1.7 Imanes y c i rcu i tos magnéticos

1.8 Galvanómetros, amperímetros y voltímetros

1.9 Inducción electromagnética

1.10 Autoinducción e inducción m u t u a

1.11 Corr iente a l t e r n a

2. Calor y temperatura 2.1 Dilatación d e sólidos y

líquidos

2.2 Calorimetría, fusión y vaporización

2.3 Transmisión d e ca lor

2.4 Termodinámica

3. Los estados de la materia

3.1 El e s t a d o gaseoso

3 . 1 . 1 P r o p i e d a d e s genera les de los gases

3 .1 .2 Teoría cinético - m o l e c u l a r d e los gases

3.1.3 Medición de la presión de los gases

3 . 1 . 4 Relación e n t r e la presión, e l número de moléculas y t e m p e r a t u r a d e u n gas

3.1.5 Leyes de los gases

3 .1 .6 Gases reales

3 .1 .7 Contaminación a m b i e n t a l

3.2 S o l u c i o n e s : c o m p o n e n t e s , t i p o s y p r o p i e d a d e s

3.3 S o l u b i l i d a d

3.4 Rapidez d e disolución de sólidos

3.5 S o l u c i o n e s : m e d i o de reacción

3.6 Concentración de las soluc iones e n u n i d a d e s físicas y químicas

3.7 D i s o l u c i o n e s e introducción a la neutralización neutralización

4. Ácidos, bases y sales

4 . 1 Conceptos d e ácidos y bases

4.2 Reacciones d e los ácidos

4.3 Reacciones d e las bases o hidróxidos

4 .4 Sales

4.5 E l e c t r o l i t o s y n o e l e c t r o l i t o s

4 .6 Disociación e ionización d e los e l e c t r o l i t o s

4.7 E l e c t r o l i t o s f u e r t e s y débiles

4.8 C o n s t a n t e de ionización d e l a g u a

4.9 El p o t e n c i a l hidrógeno (pH)

4 . 1 0 Neutralización

4 . 1 1 Formulación d e ecuac iones iónicas

,'J. Equilibrio químico y velocidad de reacción

5 . 1 Reacción revers ib le

5.2 V e l o c i d a d de reacción

5.3 E q u i l i b r i o químico

5.4 P r i n c i p i o de H e n r y Le C h a t e l i e r

5.5 Factores q u e m o d i f i c a n la v e l o c i d a d de reacción y e l e q u i l i b r i o

5.6 C o n s t a n t e s de e q u i l i b r i o

5.7 C o n s t a n t e s de ionización

5.I C o n s t a n t e d e l p r o d u c t o iónico del a g u a

5.9 C o n s t a n t e d e l producto de s o l u b i l i d a d

5 .10 Hidrólisis

5 . 1 1 S o l u c i o n e s a m o r t i g u a d o r a s

5 .12 M e c a n i s m o s de reacción

6. Oxidación y reducción

6.1 Número o índice de oxidación

6.2 Igualación de ecuac iones por e l método ox i - reducción

6.3 S e r i e de act iv idad de los m e t a l e s

6 .4 Celdas electroquímicas: electrolíticas y v o l t a i c a s

utimiuununiimtnnnniinnnnuil

C O N T E N I D O

B l o q u e 1

ELECTRONES, ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO 1 Flujos de electrones:

Electricidad y magnetismo 14 1.1 La corriente eléctrica 16 1.2 LeydeOHM 17 i.: Energía, calor y potencia eléctrica 19 1.4 Resistencia y circuitos eléctricos 22 \5 Electrólisis 26 1.6 Campo magnético de una corriente eléctrica 39 1.7 Imanes y circuitos magnéticos 41 1.8 Galvanómetros, amperímetros y voltímetros 42 1.9 Inducción electromagnética 44 1.10 Autoinducción e inducción mutua 45 1.11 Corriente alterna 46

2 Calor y temperatura 56 24 Dilatación de sólidos y líquidos 59 2.2 Calorimetría, fusión y vaporización 60 23 Transmisión de calor 65 2,4 Termodinámica 66

LOS ESTADOS DE LA MATERIA, PROPIEDADES

3 Los estados de la materia 74 3.1 El estado gaseoso 75

3.1.1 Propiedades generales de los gases 76 3.12 Teoría cinético - molecular de los gases 76 3.1.3 Medición de la presión de los gases 77 3.1.4 Relación entre la presión, el número de

moléculas y temperatura de un gas 80 3.1.5 Leyes de los gases 85 3.1.6 Gases reales 99 3.1.7 Contaminación ambiental 100

3.2 Soluciones: componentes, tipos y propiedades 104 3.3 Solubilidad 106 3.4 Rapidez de disolución de sólidos 108 3.5 Soluciones: medio de reacción 109 3.6 Concentración de las soluciones en unidades

físicas y químicas 110 3.7 Disoluciones e introducción a la neutralización 122

B l o q u e 4

EL MUNDO DE LOS ÁCIDOS, BASES Y SALES 4 Ácidos, bases y sales 132 :4 Conceptos de ácidos y bases 132 42 Reacciones de los ácidos 133 4.3 Reacciones de las bases o hidróxidos 135 4.4 Sales 137 4.5 Electrolitos y no electrolitos 139 4.6 Disociación e ionización de los electrolitos 141 4.7 Electrolitos fuertes y débiles 146 4.8 Constante de ionización del agua 146 -'.i El potencial hidrógeno (pH) 147 4.10 Neutralización 152 4 .11 Formulación de ecuaciones iónicas 155

B l o q u e 5

REACCIÓN. DEFINICIONES Y FACTOR ES QUE LO ALTERAN 5 Equilibrio químico y velocidad

Óu 'S: : 164 5.1 Reacción reversible 164 5.2 Velocidad de reacción 165 5.3 Equilibrio químico 168 5.4 Principio de Henry Le Chatelier 172 5.5 Factores que modifican la velocidad

de reacción y el equilibrio 173 5.6 Constantes de equilibrio 174 5.7 Constantes de ionización 175 5.8 Constante del producto iónico del agua 175 5.9 Constante del producto de solubilidad 175 5.10 Hidrólisis 176 5.11 Soluciones amortiguadoras 178 5.12 Mecanismos de reacción 180

PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE ELECTRONES C::::I^-:4: . 4 444 . 188

6.1 Número o índice de oxidación 192 6.2 Igualación de ecuaciones por el método

oxi - reducción 193 6.3 Serie de actividad de los metales 198 6.4 Celdas electroquímicas: electrolíticas y voltaicas....202

Hoja de respuestas 211 Indice alfabético 217 Bibliografía 219 Webgrafía 220

C O N T E N I D O

B l o q u e 1

ELECTRONES, ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO 1 Flujos de electrones:

' " 14

1.1 La corriente eléctrica 16 12 LeydeOHM 17 1.3 Energía, calor y potencia eléctrica 19 1.4 Resistencia y circuitos eléctricos 22 1.5 Electrólisis 26 1.6 Campo magnético de una corriente eléctrica 39 1.7 Imanes y circuitos magnéticos 41 1.8 Galvanómetros, amperímetros y voltímetros 42 1.9 Inducción electromagnética 44 1.10 Autoinducción e inducción mutua 45 1.11 Corriente alterna 46

¿SON CONCEPTOS ANÁLOGOS? 2 Calor y temperatura 56 24 Dilatación de sólidos y líquidos 59 22 Calorimetría, fusión y vaporización 60 2.3 Transmisión de calor 65 2.4 Termodinámica 66

35 ¿mx&z. o í 44, íimmx- m^m^mi

3 Los estados de la materia 74 3.1 El estado gaseoso 75

3.1.1 Propiedades generales de los gases 76 3.12 Teoría cinético - molecular de los gases 76 3.13 Medición de la presión de los gases 77 3.1.4 Relación entre la presión, el número de

moléculas y temperatura de un gas 80 3.1.5 Leyes de los gases 85 3.1.6 Gases reales 99 3.1.7 Contaminación ambiental 100

32 Soluciones: componentes, tipos y propiedades 104 3.3 Solubilidad 106 3.4 Rapidez de disolución de sólidos 108 3.5 Soluciones: medio de reacción 109 3.6 Concentración de las soluciones en unidades

físicas y químicas 110 3.7 Disoluciones e introducción a la neutralización 122

B l o q u e 4

EL MUNDO DE LOS ÁCIDOS, BASES Y SALES 132

44- Conceptos de ácidos y bases 132 Reacciones de los ácidos 133

4.3 Reacciones de las bases o hidróxidos 135 4.4 Sales 137 4.5 Electrolitos y no electrolitos 139 4.6 Disociación e ionización de los electrolitos 141 ¿.7 Electrolitos fuertes y débiles 146 4.8 Constante de ionización del agua 146 4.9 El potencial hidrógeno (pH) 147 4.10 Neutralización 152 4 .11 Formulación de ecuaciones iónicas 155

B l o q u e 5

EQUILIBRIO QUÍMICO Y VELOCIDAD DE LA REACCIÓN. DEFINICIONES Y FACTOR ES QUE LO ALTERAN 5 Equilibrio químico y velocidad

de reacción 164 5.1 Reacción reversible 164 5.2 Velocidad de reacción 165 53 Equilibrio químico 168 5.4 Principio de Henry Le Chatelier 172 5.5 Factores que modifican la velocidad

de reacción y el equilibrio 173 5.6 Constantes de equilibrio 174 5.7 Constantes de ionización 175 5.8 Constante del producto iónico del agua 175 5.? Constante del producto de solubilidad 175 5.10 Hidrólisis 176 5.11 Soluciones amortiguadoras 178 5.12 Mecanismos de reacción 180

PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE ELECTRONES 6 Oxidación y reducción 188 6.1 Número o índice de oxidación 192 6.2 Igualación de ecuaciones por el método

oxi - reducción 193 6.3 Serie de actividad de los metales 198 6.4 Celdas electroquímicas: electrolíticas y voltaicas....202

Hoja de respuestas 211 Indice alfabético 217 Bibliografía 219 Webg rafia 220

Electrones, electricidad Y MAGNETISMO 1 Flujos de electrones: Electricidad y magnetismo L ' La corriente eléctrica 1.2 Ley de OHM

1.3 Energía, calor y potencia eléctrica 1 A Resistencia y circuitos eléctricos 1.5 Electrólisis

1.6 Campo magnético de una corriente eléctrica

1.7 Imanes y circuitos magnéticos 1.8 Galvanómetros, amperímetros y

voltímetros 1.9 Inducción electromagnética 1.10 Autoinducción e inducción mutua

1.11 Generador y motor eléctricos

1.12 Corriente alterna

P r e g u n t a s d e d i a g n ó s t i c o s o b r e

e l b l o q u e q u e v a a e s t u d i a r

¿ Q u é s a b e u s t e d s o b r e l a s s i g u i e n t e s i n t e r r o g a n t e s ?

• ¿Qué es un fluido en electricidad? ¿Cómo funciona una pila de Zinc - Carbón?

• ¿Una lámpara de luz será una resistencia eléctrica? • ¿Qué es el electro magnetismo?

• ¿En qué se fundamenta el efecto Joule?

• ¿Qué diferencia existe entre equivalente químico y equivalente electroquímico?

• ¿Qué es la galvanoplastia y para qué se usa en la industria?

¿Cómo funciona un voltímetro?

¿Cómo se mueven las cargas en ia corriente eléc­trica alterna?

L SI usted no seos, con si estudio > siguiente bloque podré contesta/. * - .

BLOQUE

BLOQUE i v a

i FLUJOS D E ELECTRONES: ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

Para proceder al estudio de este bloque, es importan­te recordar algunos aspectos referentes al átomo y a los electrones.

En el siguiente esquema se recuerda las clases de par­tículas que se encuentran en el átomo:

Loe electrones se disponen en los niveles de acuerdo a la fórmula 2N 2 .

Carga del electrón. El electrón tiene carga negati­va, esto se comprobó en el experimento realizado por Crookes en los llamados Tubos de vacío donde los electrones o rayos catódicos fueron desviados en su trayectoria por los polos de un imán de acuerdo al principio de que "Cargas eléctricas del mismo signo se repelen y de diferente signo se atraen".

1. Partículas estables

2. Partículas inestables

La masa del electrón es:

La masa atómica es:

n

Protón X Electrón Neutrón @

Positrón Neutrino Diprotón Partícula alfa Muón Pión Quartz, etc.

En la estructura del átomo se distinguen dos partes principales que son:

1. El núcleo. Sitio en el cual se alojan los protones y _ los neutrones. En el núcleo se encuentra toda la

masa (antiguo peso atómico) del átomo (A).

2. La nube, corona o envoltura. Donde se encuen-_ tran los electrones en permanente dinamia con

sus dos movimientos:

H-ededor del núcleo.

b. De rotación o spin. Sobre su propio eje, sea spin positivo o spin negativo. ^

Los movimientos de los electrones se los puede com­parar a un trompo de juguete que se lo hace bailar.

Para el tema que vamos a tratar, son ios electrones los que juegan un papel importantísimo por lo que re­cordamos que: los electrones en el átomo están situa­dos en los llamados Niveles cuánticos, que son siete, . señalados con los números 1, 2, 3 ,4 , 5, 6, 7. Antigua- [ las moléculas, mente fueron conocidos como capas u órbitas que se identificaban con las letras K, L, M, N, O, P, Q.

6,109x 10 gramos

0,0005486 UMA.

El electrón pesa 1840 veces menos que un pro­tón, es decir, prácticamente no tiene masa, sino únicamente carga. Esta la razón por que la nube no pesa nada, casi todo el peso del átomo se concentra en el núcleo.

Energía del electrón. Tomando en cuenta que el nú­cleo del átomo se encuentra cargado positivamente, este ejerce atracción sobre los electrones. Por tanto al suprimir electrones que se mueven en el nivel uno, es­tos tienen menor energía que los que están en el nivel siete debido a la mayor distancia que existe entre este nivel y el núcleo, es decir, el radio atómico.

•8

7 Mayor energía

Menor energía

y Núcleo

Los electrones que se sitúan en el último nivel de cada átomo se denominan electrones de valencia, de gran interés en los enlaces de los átomos para formar

E L E C T R I C I D A D

Existen los llamados Subniveles u orbitales, indica­dos mediante las letras S, Px, Py, Pz.

Constituye un importantísimo capítulo de la Física de­bido al avance que ha tenido la ciencia y la tecnología

1 4 Física y Química

B L O Q U E 1

y su amplia aplicación. Así, la energía eléctrica se uti­liza en múltiples cosas desde la parte doméstica en el hogar (iluminación, aparatos electrodomésticos, tele­visión, aspiradoras, cocina, etc.) hasta inmersas insta­laciones industriales y de transporte.

Un chorro de agua circulando con la llave abierta de su lavabo se electricida y es atraída por la peini­lla que fue frotada previamente en el cabello.

Los automóviles en movimiento adquieren elec­tricidad por el rozamiento con el aire.

¿Qué es el f lujo eléctrico? En la antigüedad cuando la ciencia se mezclaba con el misterio, los autores Du Fay y Franklin manifestaban que "Todo cuerpo tenía

_a electricidad constituye una forma especial de transmisión de energía, caracterizada por el trans­porte de materia mediante el movimiento de electro­nes del último nivel cuántico.

— un fluido que no se puede ver" y que "No tiene masa", N A T U R A L E Z A D E LA E L E C T R I C I D A D . pero sí tenía carga eléctrica, y que se podian'tVañsmi-

tir o pasar de un cuerpo a otro. Posteriormente a este Electricidad viene de la palabra electrón que signifiA fluido se lo llamó electrones, ca ámbar que es una sustancia resinosa y gomosa, la \ misma que presenta una propiedad muy interesante j De acuerdo a la cantidad de fluido que contenía un y curiosa que consiste en poder atravesar cuerpos]- cuerpo existían tres clases de cuerpos, así: livianos cuando son frotados en un pedazo de cuero

) 1 . Cuerpos posit ivos. Aquellos que cuando son fro­tados adquieren carga positiva porque pierden

o un fragmento de piel de conejo.

Los siguientes ejemplos aclaran lo mencionado:

papelitos

papelitos

llave dé agua

2.

(_) Frotar una regla de plástico con un pedazo de seda. La regla adquiere la carga eléctrica negativa y es capaz de atraer pedacitos de papel.

Frotar una peinilla seca en el cabello, adquiere la carga negat ivayjambién, puede atraer pedacitos_. de papel.

fluido.

2. Cuerpos negativos. Aquellos que adquieren car­ga negativa ganando fluido.

3. Cargas neutras . Aquellas que mantienen cons­tante su fluido.

De aquí se deduce la Ley de la conservación de la carga eléctr ica , que dice "La carga eléctrica ni se crea ni se destruye, solo se transfiere de un cuerpo a otro". Esto significa que la cantidad de fluido (elec­trones) permanece constante.

Por lo tanto, la electrización consiste en la transfe­rencia de carga eléctrica entre dos cuerpos que se fro­tan y se produce el paso de electrones de un cuerpo a otro.

Vale la pena aclarar con un nuevo ejemplo: Cuando dos cuerpos se frotan entre sí, uno de ellos se electri­za positivamente, en tanto que el otro cuerpo se hace negativo. Fenómeno que se lo comprueba cuando se frota un agitador de vidrio con un pedazo de seda. El vidrio se electriza con carga positiva, mientras que la seda se electriza negativamente.

Así, se puede afirmar, sin lugar a dudas que:

Cuando frotamos dos cuerpos entre sí, se produce una transferencia o paso de electrones

de un cuerpo al otro.

Bachillerato General Unificado 1 5

Se ha indicado en líneas anteriores que el cuerpo que pierde electrones se carga positivamente; mientras que el que gana se electriza negativamente.

- 4 + 4 = 0 cuerpo neutro

-2 + 4 = +2 se carga positivamente

-6 + 4 = -k. se carga negativamente

"E l movimiento de cargas eléctricas de un cuerpo a otro as Yk;rm cor r i s^H '¿kk'ñmí

Sentido de la corriente. Existen dos sentidos de des­plazamiento de los electrones:

a , Sentido rea l . Es el que se desplaza del polo ne­gativo al polo positivo, esto es, del que tiene un mayor número de electrones libres al de menor número. Este sentido se usa en electricidad.

b. El sentido convencional. Es contrario al anterior: va del polo positivo al negativo.

Cabe señalar que en los metales, los electrones de los últimos niveles no permanecen unidos a los átomos, no están en los niveles. Por ello reciben el nombre de electrones libres.

1.1 LA CORRIENTE ELÉCTRICA Significa que "los electrones corren"

Definición:

Corriente eléctrica es el desplazamiento de car­gas eléctricas a través de un cuerpo conductor.

0 - e~ e~ e e~ e~ e~ e~ e~ e e~

Alambre conductor

*- e~ e~ e~ e~ e" e" —•

Los electrones corren por el alambre

Fuente de electrones

Consideremos dos cuerpos metálicos: el uno tiene un exceso de electrones libres, por lo mismo tiene carga negativa; el otro, en cambio, tiene deficiencia de elec­trones, por lo que tiene carga positiva. Si se unen los dos cuerpos mediante un conductor, por ejemplo, un alambre, habrá un desplazamiento de electrones del que tiene exceso de electrones al que no lo tiene,

o o Electrones libres

Los puntos fuera de los átomos son los electrones li­bres (o)

Son los metales los que se caracterizan por tener elec­trones libres, que pueden ser desplazados fácilmen­te. De allí que existen metales de primera ciase que tienen muchísimos electrones libres como la plata, el platino, metales de segunda y tercera clase que tienen pocos electrones libres como el plomo, el estaño. En­tonces se concluye que:

Todas las sustancias que poseen electrones libres, como los metales, permiten el desplazamiento de cargas eléctricas a través de ellos. Por eso se llaman "conductores de la electricidad".

Existen 6 e' libres, tiene carga negativa

Existen solo 3 e" libres

En el siguiente gráfico se puede observar la produc­ción de corriente eléctrica permanente cuando se acopla un generador de corriente que origina una di­ferencia de cargas eléctricas por producción de elec­trones que no variará con el tiempo.

"j f5 Física y Química

1 c

J <- - A

G : generador C: conductor R: receptor

TÉRMINOS USADOS EN ELECTRICIDAD

Diferencia de potencial, de voltaje o de tensión ( V ) . Es e! d e s n i v e l eléctrico q u e e x i s t e e n t r e d o s p u n t o s d e ­t e r m i n a d o s e n u n c i r c u i t o . L a u n i d a d e s e l v o l t i o .

P o r e j e m p l o : e l v o l t a j e o tensión d e u n p u n t o e n e l c i r c u i t o e s d e 110 v o l t i o s ( l u z d e l a c i u d a d d e Q u i t o ) ; o t r a c o r r i e n t e t i e n e u n a tensión d e 220 v ( l l a m a d a a l t a tensión).

Cantidad d e e l e c t r i c i d a d ( Q ) . C o n s t i t u y e la c a n t i d a d t o t a l d e e l e c t r o n e s q u e c i r c u l a p o r u n a l a m b r e o c o n ­d u c t o r e n u n c i r c u i t o eléctrico.

L a u n i d a d e s e l C u l o m b i o = 6,3 x 1 0 1 8 í

i n t e n s i d a d ( I ) . Es la c a n t i d a d d e e l e c t r i c i d a d q u e a t r a ­v i e s a u n c o n d u c t o r e n u n s e g u n d o .

L a u n i d a d e s e l A m p e r i o ( A ) .

L a i n t e n s i d a d está r e l a c i o n a d a c o n la c a n t i d a d d e ce r r i e n t e y e l t i e m p o . D e allí s e o b t i e n e la fórmula:

- I n t e n s i d a d ( e n A )

Q = C a n t i d a d d e e l e c t r i c i d a d ( e n Q )

t = t i e m p o ( s e g u n d o s )

R e s i s t e n c i a ( R ) . Es la d i f i c u l t a d q u e p r e s e n t a u n c u e r ­p o a l p a s o d e la c o r r i e n t e eléctrica.

L a u n i d a d e s e l O h m i o ( O ) .

Lámina de plomo

BLOQUE

lámina de cobre

I — — _ _ i i M mm mm —

i ^ m ~" "~ "~ !

»-í Electrones 1 t Electrones i

t i t 1 ! I

N o t o d o s l o s c u e r p o s t i e n e n e l m i s m o v a l o r d e r e s i s ­t e n c i a ; a l c o n t r a r i o , e s t a d e p e n d e d e s u constitución atómica. P o r e j e m p l o , s i s e c o m b i n a n d o s c i r c u i t o s e n l o s q u e s e i n t e r c a l a d o s láminas metálicas ( r e s i s t e n c i a s ) u n a d e p l o m o y o t r a d e c o b r e , s e o b s e r v a q u e la lámi­n a d e p l o m o p r e s e n t a m a y o r r e s i s t e n c i a q u e la lámina d e c o b r e . E s t o s i g n i f i c a q u e l o s e l e c t r o n e s q u e v i e n e n d e l g e n e r a d o r a l l l e g a r a la lámina d e p l o m o , m u e s t r a n e n o r m e r e s i s t e n c i a y s a l e n d e la lámina m u y p o c o s e l e c t r o n e s . L o c o n t r a r i o s u c e d e c u a n d o e n e l c i r c u i t o s e i n t e r p o n e u n a lámina d e c o b r e : l o s e l e c t r o n e s e n ­c u e n t r a n m u y p o c a r e s i s t e n c i a y c i r c u l a n c o n f a c i l i d a d , s a l e n d e la lámina c o n e l m i s m o número d e e l e c t r o n e s d e l o s q u e e n t r a n . L u e g o , l o s m e t a l e s p r e s e n t a n d i f e ­r e n t e s r e s i s t e n c i a s a l p a s o d e l o s e l e c t r o n e s .

El m e t a l p l o m o e s u n m a l c o n d u c t o r d e l o s e l e c t r o n e s , p o r e s o s e u s a más b i e n c o m o f u s i b l e , e n c a m b i o e l c o b r e e s b u e n c o n d u c t o r .

1 , 2 L E V D E O H M

El físico alemán G e o r g e Simón O h m estableció la l e y eléctrica q u e r e l a c i o n a t r e s a s p e c t o s : i n t e n s i d a d , v o l ­t a j e y r e s i s t e n c i a .

Enunciado: En un circuito eléctrico, la intensidad de la corriente que recorre, es directamente

proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia.

I - Intensidad en amperios (A) V = V o l t a j e e n v o l t i o s R = R e s i s t e n c i a e n o h m i o s (O)

A m p e r i o Es la i n t e n s i d a d d e la c o r r i e n t e q u e c i r c u l a p o r la r e s i s t e n c i a d e u n o h m i o , c u a n d o e l v o l t a j e e s d e u n v o l t i o .

B a c h i l l e r a t o G e n e r a l U n i f i c a d o \ ~ ¡

B L O Q U E 1

1 amperio = 1

A m p = Culombio x segundo

Al comparar los circuitos A y B, en donde el voltaje per­manece constante (6 V), la resistencia disminuye de 6 Q a 3 O; entonces se tiene que la intensidad aumenta de 1 A a 2 A:

Ohmio. Es la resistencia que presenta u n conductor cuando por él circula una corriente de u n amperio con un voltio de potencia.

Voltio. Es ia fuerza electromotriz necesaria para que por la resistencia de un ohmio circule un amperio de intensidad.

ñrim^n^m ñ U U C Y OH o¡m

Por lo explicado en líneas anteriores se tiene que un circuito consta de:

a . Un generador o batería. b. Una resistencia. c. Un amperímetro que marca la circulación de la

corriente de cierta intensidad a través de una resistencia.

Analicemos tres circuitos eléctricos A, B, C.

I = R A • = 2 A

La intensidad es inversamente proporcional a la re­sistencia: si la resistencia disminuye, ia intensidad au­menta permaneciendo constante el voltaje.

En los siguientes circuitos (A y B) calcule y explique qué ocurre con el valor de la intensidad.

A B J W W

4 n x ) ¡

8V

Ejercicio. Con qué intensidad circula una corriente de 45 ohmios de resistencia, si el voltaje es de 9 voltios.

I - x V = 9 voltios R = 45 Ohmios

R

9 voltios 45 ohmios

= 0,20 amperios

Si en los estados B y C se mantiene constante la re­sistencia 3 0 pero varía el voltaje de 6 a 12 voltios, la f intensidad aumentará de 2 a 4 amperios (A).

I (b) I (c)

R = 2 A 12 = 4 A

I

Conclusión. Si la resistencia permanece constante, la intensidad de la corriente es directamente proporcio­nal al voltaje. Aumenta la intensidad cuando aumenta el voltaje.

Para ejemplificar la conclusión, cuando una habitación está iluminada con un foco de 110 voltios se observa una luminosidad normal. De pronto sube el voltaje a 150 V y se observa mayor intensidad, mayor claridad hasta que puede quemarse el foco, la tv o cualquier aparato electrodoméstico.

1 3 Física y Química

EJERCICIOS PARA ém^dk

RESOLVER EN CASA

...

Resuelva en su cuaderno.

1 . ¿Cuál es la resistencia que hay en un circuito por el que circula una corriente de 0, 5 A, con un poten­cial de 14 voltios?

2. ¿Con qué intensidad circula una corriente que tie­ne conectada una resistencia de 20 ohmios, si el voltaje es de 40 voltios?

3. Un foco consume 0,8 A y se lo conecta a 110 vol­tios. ¿Cuál es la resistencia que presenta?

B L O Q U E 1

CUESTIONARIO PARA DEMOSTRAR LO APRENDIDO

Escriba la letra VoFsiconsidera que la respuesta es verdadera o falsa

1 . El electrón tiene un solo movimiento.

2. Cuando una peinilla seca se frota en el cabello, adquiere carga.

3. Cuando se frotan dos cuerpos se produce paso de los electrones.

4. Una carga eléctrica se destruye.

5. Cuando un cuerpo pierde electrones, se carga negativamente.

( ) 6. Es lo mismo decir tensión que voltaje.

( )

( )

7. La intensidad de la corriente se mide en Culombios.

8. La intensidad es directamente proporcional al voltaje.

9 . Los electrones libres se localizan en los niveles cuánticos. **

10. Cuando los electrones se mueven el fenómeno se llama electricidad, M

Cjortl vfc. c i tad,

( )

( )

( )

( )

1.3 ENERGIA, CALOR Y

Energía es la capacidad para realizar un trabajo

Se dice que un cuerpo posee energía cuando es capaz de realizar un trabajo, como puede demostrarse con los siguientes ejemplos:

1. Una persona amante del deporte acuático rema una canoa, pero para mover la embarcación tiene que gastar energía y así realiza el trabajo de poner en movimiento la canoa.

2. Un levantador de pesas, para levantar pesas de 100 kilos pone en acción su energía, está realizan­do un trabajo. La energía le proporciona los ali­mentos que ingiere diariamente.

3. El vapor de agua realiza un trabajo al mover una turbina gracias a la energía que posee.

Estos ejemplos permiten señalar que: entre trabajo y energía existe una relación importante.

De acuerdo a la actividad, se distinguen dos clases de - energía: cinética o de movimiento y potencial o de

reposo.

1.Í Energía cinética o de movimiento. Es aquella i que tiene un cuerpo o un sistema en movimiento

para realizar un trabajo, por ejemplo, un torrencial aguacero, un viento fuerte, un carro en movimien­

to, un toro en el tentadero, cuando se lanza una piedra, cuando navega un barco.

Un cuerpo en movimiento tiene energía cinética y por lo tanto puede realizar un trabajo.

Energía potencial de reposo, gravitacional o de Es aquella energía almacenada que tiene

un cuerpo en relación con la posición en la que se encuentra o a su composición química. Por ejem­plo el agua estancada en una represa, eí agua que se encuentra en una cisterna en el décimo piso, una teja que está en el techo y un martillo levan­tado tienen energía potencial puesto que están en capacidad de realizar un trabajo. De acuerdo a los ejemplos citados el trabajo consiste en mover tur­binas, clavar un clavo, desplazarse un cuerpo.

La dinamita, la gasolina y una batería tienen ener­gía potencial debido a la composición química.

Bachillerato General Unificado ] 9

B L O Q U E 1

Es posible que una forma de energía se transforme en otras. Por ejemplo, en una central eléctrica se tie-

P ne una serie de formas de energía, iniciándose desde H la potencial que es la posición del agua en lo alto del

reservorio, ésta desciende por los tubos transformán­dose en cinética, el agua mueve las turbinas y se trans­forma en eléctrica y ésta puede convertirse en luz (lu­mínica), en térmica en los reverberos y en mecánica cuando mueve los motores.

Otros tipos de energía son:

5 Energía radiante. Se presenta en forma de ondas que pueden ser luminosas y visibles a simple vista como la luz solar, la luz de un foco. También pueden ser invisi­bles como la energía de los rayos ultravioletas, rayos X.

Energía térmica o calór ica. Es aquella que está rela­cionada con la temperatura de un cuerpo. Por ejem­plo, la energía que produce una cocina de gas que calienta y hierve líquidos.

Otros ejemplos de transformaciones de energía se puede apreciar en la siguiente lista:

Luz solar Fotosíntesis Quemar leña Producción de vapor Mover generador Encender un foco

(energía lumínica) (energía química) (energía calórica) (energía calórica) (energía eléctrica) (energía lumínica)

Mover una máquina de coser (energía mecánica)

. . Es aquella que por efecto de ruptura o fusión de átomos se libera en forma extraordinaria. Actualmente es motivo de estudio para el provecho de la humanidad, sobre todo si se toma en conside­ración que los yacimientos de petróleo del mundo se agotarán en poquísimo tiempo

TRANSFORMACIÓN DE UNA FORMA DE ENERGÍA EN OTRA

bombiüos energía lumínica

agua energía potencial

energía eléctrica generador

salto • energía cinética^ ' \

• Fue enunciada así por Lavoisier: "La energía no se

Ley de la conservación de la materia y de la energía Existe una relación entre materia y energía; esto se ha comprobado por el hecho de que «todo cambio quí­mico o físico se produce, ya sea, con absorción o con desprendimiento de energía». Por ejemplo, el hecho de quemar carbón; la fotosíntesis.

Albert Einstein en 1905 manifestó que la materia y la energía están en íntima relación, lo que está demos­trado en ia ecuación: =. .€ ' '

= cantidad de energía (expresada en julios) ni = cantidad de materia (expresada en kg) c = velocidad de la luz al cuadrado (300 000 km/s)

Al aplicar la ecuación de Einstein se comprueba que, si un kilogramo de masa se transforma en energía, se produce tanto calor, que se puede elevar la tempera­tura de 215 000 000 kilogramos de agua, en unos 100 arados centígrados.

Por lo tanto, la materia se puede convertir en energía p y la energía en materia, pero el total de la masa y la

energía del universo es constante.

2 0 Física y Química

B L O Q U E 1

La materia y energía son dos formas diferentes en una misma cosa.

C A L O R

Calor es la energía que pasa de un cuerpo que tiene elevada temperatura a otro que tiene

menor temperatura.

0 también:

Calor es la energía transportada entre dos cuerpos en interacción, debido a que existe

diferencia de temperatura.

Es necesario resaltar la diferencia que existe entre dos fenómenos aparentemente ¡guales y que ocasiona confusión, como son el calor y la temperatura, que son conceptos totalmente diferentes.

Temperatura es la energía cinética promedio de un grupo de partículas que originan elevación de tem­peratura, es decir, que son los movimientos desorde­nados o los choques de átomos y moléculas los que originan la elevación de temperatura.

De acuerdo a la teoría Cinético-molecular, mientras existan más choques habrá más energía, habrá más temperatura. A mayor cinetísmo molecular, hay

El calor es el medio de transporte de esta energía o temperatura de un cuerpo a otro. En el bloque 2 se ampliarán estos conceptos.

POTENCIA ELÉCTRICA EN UN CIRCUITO

puede conectarse a

Foco Radio Televisión Plancha Cocina Aspiradora Afeitadora

Del gráfico se aprende también, que si el circuito esta­ría formado por el alambre que une la salida y la entra­da de la corriente a la batería, la intensidad no variaría, y la potencia sería la misma.

Pero si se interrumpe el tránsito de la corriente inter­calando unas resistencias representadas por un foco, una radio, un televisor, una plancha, entre los puntos A, B del circuito indicado, es lógico pensar y compro­bar que la intensidad o potencia va a disminuir, pues existirá una diferencia entre los puntos A y B. Habrá más energía, más potencia en el punto A y menor en el B.

De manera que la energía perdida entre estos dos puntos se transformará en otro tipo de energía: lumí­nica, calórica, etc.

EFECTO JOULE

En el gráfico se demuestra que "cuando las cargas eléctricas pasan de un punto a otro, esto es, del pun­to A al B, pierden energía eléctrica", la misma que se transforma en otro tipo de energía como lumínica, ca­lórica (representada por un foco), una radio, TV, plan­cha, aspiradora, afeitadora, etc.

Consiste en la transformación de la energía eléctrica en calorTénergía térmica) mediante

una resistencia que ha sido atravesada por una corriente eléctrica.

Calor

Resistencia

Con el gráfico se demuestra que la energía eléctrica ha disminuido su valor porque las cargas al pasar del punto A al B se transforma en energía calórica, es decir en calor, que se pone en manifiesto porque la resistencia se pone al rojo y emite calor. La intensidad de la corriente disminuye.

Un fenómeno similar se observa cuando se prende un reverbero eléctrico, una ducha eléctrica, un foco. Este efecto de transformación deja energía eléctrica en ca­lor se llama efecto joule.

Principalmente se lo usa y aplica en el hogar para ob­tener calor y luz. Con los ejemplos ya citados de un foco, plancha, TV, aspiradora, horno eléctrico, cocina eléctrica, ducha, queda explicado.

Bachillerato General Unificado 21

B L O Q U E 1

Filamento

En el caso particular de un foco común en su interior existe un alambre, resistencia o filamento hecho de un metal especial como tungsteno que se caracteriza porque se funde a alta temperatura y está en forma enrollada. Este filamento que se calienta obteniéndo­se la conversión de la energía eléctrica en calor y luz.

Analice lo que ocurre cuando se conecta una plancha o un calefactor.

El efecto Joule, también, se usa en la fabricación e instalación de los llamados fusibles, que se emplean para limitar la corriente que circula a través de un circuito eléctrico.

Están fabricados con metales o aleaciones que se fun­den a bajas temperaturas como el estaño y el plomo. Cuando la corriente normal circula por el fusible, este aguanta, no se funde; pero si hay un aumento de vol­taje, el fusible se funde (se hace líquido) por lo cual se desconecta el circuito evitando que los aparatos electrodomésticos se quemen o se produzca un corto circuito provocando incendios.

Por lo expuesto, se ha demostrado que la energía eléc­trica se transforma en calor y luego en luz.

Muy buenos Ag - Av • PT M e t a l e s Buei os Cu - Ni

. es P b - S n

;s H C I , H 2 S 0 4

Electrolitos Bases Na O H Sales NaCI

I Gases de baja presión

Primera clase

eléctricos | S e g u n d a c lase

Tercera

Las propiedades de los metales de ser conductores de la corriente eléctrica se debe a que gracias a una dife­rencia de potencial o voltaje aplicado en el extremo de un alambre o barra metálica, los electrones libres se desplazan o corren.

La velocidad de desplazamiento es mayor cuando en un recorrido no existen obstáculos donde choquen y se detengan, perdiendo velocidad y energía. Por ejem­plo la plata, el oro, el cobre, prácticamente no ofrecen resistencia al movimiento de los electrones libres.

MOVIMIENTO DE LOS ELECTRONES

Resistencia elevada porque los electrones chocan, pierden velocidad.

1 . 4 RESISTENCIA Y CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Se ha definido a una resistencia como la dificultad que presenta un material al paso de la corriente eléctrica.

De acuerdo a la estructura electrónica de los átomos se mide la resistencia que presentan los átomos al paso de los electrones. Esto se observa en el alambre de co­bre, que deja pasar los electrones con mucha facilidad, a gran velocidad, lo cual no ocurre en el metal plomo, que es todo lo contrario, presenta freno o resistencia.

Vale la pena recordar que los metales son conducto­res eléctricos de primera clase, pero no todos tienen la misma facilidad de conducir los electrones, por ello la siguiente clasificación.

f o-»* r > * o - * T\ o-*- o - > o-»*

y O - » © - » Q - » o » y J No hav resistencia

J CIRCUITO ELÉCTRICO

Camino que sigue una corriente eléctrica desde el punto de origen hasta la salida.

O también:

Es la reunión de varios elementos que entran en una determinada conexión.

Física y Química

B L O Q U E 1

A esta última s e añade q u e e l c o n s u m o o ia c o n s e r --•- : zz-.v ca s= r e a l i z a e n t o d o s i o s e l e m e n t o s d e l

circuito.

Los c i r c u i t o s p u e d e n c o n s t r u i r s e u t i l i z a n d o c o n d e n s a -5 5 ; as, r e s i s t e n c i a s , b o b i n a s , baterías, e t c .

© © © © ©

o o o o o o

o o o O G O O

C O G

o O O

o o

©

c © o o

F u e n t e d e energía = envío de electrones batería

Ejemplo:

2 0 4 0

R, + R,

+

2 + 4 = 6 0

i h r 12V

+ 8V

(las dos resistencias en serie unidas en una sola)

En un circuito se conectan dos resistencias en serie (R¡ y R2) con un generador o batería de 12 V, se desea saber:

a . La intensidad de la corriente, b. La potencia que circula en cada resistencia, c. La potencia total.

Cuando se conecta los polos de una batería mediante un alambre se produce una corriente de electrones, esto es, la corriente eléctrica.

En el gráfico se observa el sentido de la corriente que va del polo positivo (-.-) al negativo (--), es decir, tido c o n v e n c i o n a l debido a que las cargas positivas tienden a desplazarse del lugar donde el potencial es mayor hacia el de menor voltaje.

CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN SERIE R s = R , + R2 + R 3

Ri R, -A/Wr

v2

+ Este circuito se caracteriza porque dos o más resisten­cias o dispositivos se conectan uno a continuación de otro, de tal modo que a través de ellos circule h misma cant idad de electr ic idad. En el gráfico existen dos resistencias (R, y R2), aunque pueden haber tres o más (R„ R2, R3, R4,...) Debido a la conexión en serie, el voltaje que sale del generador o batería se divide las dos resistencias, por lo tanto se tiene: v=v 1 + v 2

V = I R 1 + I R 2

RT = R, + R,

Datos V= 12v R, = 2 0 R, = 4 0 l = X P ,=X P2 = X PT = X

a, l = - RT = 20 + 4 0 = 6 0

12 v . . I = =

b. P, 6 0

4 l ] 2 x R , P, = [2rAx2Q = 8wi

P2 = [ l ] 2 x R 2

P, = [2]2A x 40 =

c, R T = [ l ] 2 x R T RT = [2]2 A x 60 = 24w

Ejercicio:

Resolver el siguiente problema:

Ri

2 0

R2

4 0

R3

6 0

30 V

Calcular: a . Intensidad de la corriente, b. Potencia en cada resistencia, c. Potencia total.

B a c h i l l e r a t o G e n e r a l U n i f i c a d o

B L O Q U E 1

Resumen. Del estudio de los circuitos en serie se deduce:

1 La resistencia tota! (RT) es igual a la s u m a d e las resistencias parciales RT = R, + R2 + R 3 .

2. La intensidad de la corriente que circula es idénti­ca en todos ios puntos del circuito.

3. Al interrumpir una resistencia queda anulado o desconectado todo e l circuito, es decir, se corta la corriente.

- El potencial total se distribuye proporcionalmente al valor de cada una de las resistencias.

CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN PARALELO

Significa que las resistencias se conectan de tal modo que a cada una se aplica o pasa el mismo

voltaje.

<— -j-1 —

Los circuitos en paralelo son equivalentes.

Se insiste en indicar que la tensión o voltaje tiene el mismo valor en cualquier punto donde exista, una resistencia. Por ejemplo en el gráfico número 2, si el valor del voltaje fuera de 110 V y la resistencia R, igual a 2 O, R2 = 4 fi, el voltaje que circula por cada uno de l o s l lOV .

En el siguiente gráfico se ve un circuito en paralelo con un voltaje de 110 V y cuatro resistencias representa­dos por R, = un radio, R2 = una licuadora, R3 = una te­levisión, R4 = un foco.

E j e r c k i o :

Resolver el siguiente problema:

< p

In

—±l ll ¿ = — - . s -

Interruptor

1 1 0 V

Tomacorrientes 1 1 1 1 1 Radio Televisión Licuadora ( a,)

-AWr -vwv-R3 R<

ANOTACIONES

1 Los dispositivos radio, TV, licuadora, foco se en­cuentran conectados en paralelo.

2. Cada dispositivo representa una resistencia, así: R, = radio, por ejemplo 1,0 O R2 = TV, por ejemplo 1,5 Q R3 = licuadora, por ejemplo 2,0 Q R4 = foco por, ejemplo 2,5 O

.3, El voltaje de 110Vseaplica a cada resistencia, es el mismo para todos.

4 . Si el interruptor está desconectado no habrá corriente solo en el foco, las demás siguen con corriente.

5 . Si se desconecta (desenchufa) la radio siguen fun­cionando TV, licuadora y foco. Si se desconecta radio y TV, sigue funcionando li­cuadora y foco. Si se desconecta radio, TV y licuadora, existe co­rriente en el foco.

.•..:•:. Todo lo contrario ocurre cuando los aparatos o resistencias están conectados en serie. Por ejem­plo si se interrumpe R, en un circuito en serie no pasará corriente a: R2 + R3 + R4.

Igual si se interrumpe cualquier resistencia o cualquier punto en un conductor, la corriente se interrumpe en todo el circuito. Esto pasa cuando se funde el fusible que está en la caja principal de fusibles, no hay ener­gía en toda la casa.

En un circuito en paralelo se tiene conectado dos re­sistencias de R, = 4 Q y R2 = 2 Q. El voltaje es 12 voltios.

2 4 Física y Química

B L O Q U E 1

Calcular: a. La resistencia en los 2 puntos R,, R2 y (RT), b. La intensidad total, c. La potencia en cada punto, d La potencia tota!.

Datos: V = 12 V R- = 4 0 R; = 2 O

a. Resistencia total

1 ^ 1 , 1 RT R 2

RT

1

4 2

Jk 4

R2 = 4 0

- -Ri = 2 0

12V

1 + 2 A 4

a. Resistencia total, b. Intensidad total, c. Potencia en cada punto, d . Potencia total.

E jarát í©:

Un circuito que conjuga resistencia en serie y en pa­ralelo tiene una tensión de 80 V y cuatro resistencias cuyos valores son: R, = 100 O, R 2= 200 O, R 3= 300 O, R4 = 400 O.

Encontrar la intensidad de la corriente y el voltaje del siguiente circuito:

100 I — -

R,

80 V — R 4 ^ 4 0 0

~ ~ 1

200

300

Datos l = X V = X entre los

puntos A y B

RT = - I , 3 Í íi

b. Intensidad total

, V 12V R 1,33 O

= 9,02 A

c. Intensidad o potencia en cada resistencia (R, y R2)

V 12 ,. [ R i = 4 0 ] | , = -

[R2 = 2 0 ] l 2 =

R 4

V _ 12 R 2

d. Intensidad o potencia total

P T = l x V = 9 , 0 2 A x 1 2 V = A V

R2 = 6 0

R, = 3 0

10V

¡oo R.

8 0 V ~ r R • 3 - 4 0 0 R 52 Í 5 0 0 •< > .,

1

100

i

SOV^T

80V _

R2+ R 3= R s (en serie) 200 + 300 =500 O

R 4 + R5 = R6 (en paralelo)

1 _ 1 , 1 ^ 5 0 0 R 400 500

500 + 400 200000

1 0,0045

0,0045

322,2

| = V 80V

R6 = Ri + R5

R 6 = 100+ 222,2 = 322,2 O

(RT)

R 322,2 O

V = l + R

V = 0,248 A x 322,2 O =

Bachillerato General Unificado 25

B L O Q U E 1

1.5 ELECTROLISIS

Electrólisis Electro = electricidad lisis = división

La electrólisis es la división o descomposición química de una sustancia por acción de la

corriente eléctrica.

V — La descomposición se produce cuando circula la co­rriente eléctrica a través de una solución electrolítica o de sus compuestos fundidos.

Para que se realice la electrólisis de una sustancia, es necesario se cumplan algunas condicio­nes como los siguientes:

1 , Presencia de partículas o grupos atómicos carga­dos eléctricamente, que pueden ser electrones o iones.

2 , Una diferencia de potencial.

.. - .3. ...A.Es un sistema líquido, con­ductor de la corriente eléctrica. Puede ser: ácidos, ba­ses y sales inorgánicas.

: .- .¿ • :• Son metales en forma de lá­minas, cables o alambres que se sumergen en la solu­ción electrolítica. Su función es orientar las partículas cargadas eléctricamente a su respectivo electrodo, tomando en cuenta que "cargas del mismo signo se repelen y de signo contrario se atraen".

Los electrodos son dos:

Ánodo se denomina al polo posit ivo. Cátodo se denomina al polo negativo.

Ánodo Cátodo

4 Generador

Solución electrolítica

Electrolitos

Ácidos

HCI H 2S0 4

H¡- :O,

v Bases

NaOH KOH

Ca (OH)2

Sales

NaCI KCI

Na2C03

CONDUCTORES METALICOS

Se indicó en la sección 1.4.

1 . 5 . 1 TEORÍA SOBRE L A ELECTROLISIS ^

explica que la conductividad de la corriente se realiza mediante iones. Este científico for­muló los siguientes postulados:

a. Toda solución de electrolitos contiene iones. b. Los disolventes rompen la unión de los

electrolitos. c. Los iones son los que conducen la corriente

eléctrica. d . La conductibilidad eléctrica de una solución

electrolítica está en razón directa al grado de disociación del electrolito, esto si el electrolito es débil o fuerte.

1.5.2 ELECTROLISIS DEL CLORURO DE SODIO FUNDIDO ¿

La descomposición se efectúa en la cuba electrolítica, que puede ser un vaso de precipitación en el que se introducen los dos electrodos; ánodo y cátodo. Estos que se encuentran conectados a un generador de co­rriente eléctrica continua o batería.

El cloruro de sodio fundido se introduce en la celda y se conecta el circuito. Se observa que el cátodo va ad­quiriendo electrones provenientes del polo positivo, lo que origina que el cátodo tenga tantos electrones y se cargan negativamente, esto significa que se inició la circulación de la corriente eléctrica y, naturalmente, la descomposición de la sal.

2(5 Física y Química

B L O Q U E 1

Se explicará lo que ocurre en cada electrodo.

En el cátodo, la semirreacción del sodio. El sodio al se­pararse de la molécula de NaCI perdió un electrón y se convirtió en ion positivo monovalente, por lo tan­to migra al cátodo o polo negativo que como tiene abundantes electrones cede uno al sodio por lo que pierde la carga positiva y se transforma en átomo o metal. Esto es un fenómeno de reducción (ganancia de electrones):

Semirreacción (reducción metálica)

Na + + l e " = Na 0

ion átomo

El ion cloro negativo migra al ánodo o polo positivo, que, en cambio, tiene deficiencia de electrones por lo que el cloro deposita un electrón, vale decir, pierde un electrón y se convierte en átomo gaseoso. Este es un fenómeno de oxidación (pérdida de electrones).

Semirreacción (oxidación no metálica)

c r 1

ion le = Cl°

átomo

Si se suman las dos semirreacciones, que en definitiva son reacciones que se producen en los electrodos y que en conjunto forman el sistema de óxido-reduc­ción, se tiene:

Semirreacción a. catódica 2Na + + 2e~ = = 2Na° b. anódica 2 c r - 2e" = c i 2 °

Reacción total 2Na + + 2CL = 2Na° + Cl 2°

De esta electrólisis se obtiene sodio metálico en el cá­todo y desprendimiento de gas cloro en el ánodo.

1 .5.3 E L E C T R O L I S I S D E

SOLUCIÓN A C U O S A Cuando el cloruro de sodio se disuelve en agua se pro­duce la ionización, y en la celda electrolítica existen cuatro clases de iones; dos positivos (Na + y H+) y dos negativos (O" y OH"):

NaCI + H"OH -*• Na" + CP + H + + OH'

Los iones H + y Na" son atraídos por el cátodo, pero so­lamente el hidrógeno gana un electrón y se transfor­ma en átomo, no así el sodio, puesto que tiene mayor potencial eléctrico.

2H" + 2e"

2Na +

H2° se descarga (reducción)

-*- 2Na + no se descarga

Los iones CP y OH" son atraídos por el ánodo, pero so­lamente el cloro se descarga, no así el OH, de manera que:

2CI" - 2e~

2 OH"

Ci 2° se descarga (oxidación)

20H no se descarga

Los iones N a + y O H + quedan en la solución y reaccionan:

Na + + O H + • NaOH

Por lo tanto, resumiendo el proceso de una sola ecua­ción se tiene:

2NaCI + 2H,° 2NaOH + H 2° + Cl 2°

De esta manera, en el proceso electrolítico del c l o r u r o ^ de sodio en solución acuosa, se produce:

N N.—

a. Cloro gas en el ánodo: Cl 2° b. Hidrógeno gas en el cátodo: H 2°

c. Hidróxido de sodio que queda en la celda.

2Na + • 2Na +

20H" • 20H" = 2NaOH

B a c h i l l e r a t o G e n e r a l U n i f i c a d o 27 I

B L O Q U E 1

1.5.4 E Q U I V A L E N T E Q U I M I C O ( E Q )

E! equivalente químico de un elemento en un com­puesto dado, es la relación entre el átomo gramo del elemento (masa atómica) y la valencia con la cual se encuentra actuando.

• i

Eq = equivalente químico = — A = masa o peso atómico del elemento

" V = valencia del elemento

Encontrar el equivalente químico de la plata en el ni­trato de plata.

AgN0 3 Eq = -^-= 1 0 7 j 8 g = 107,8 g

Encontrar el equivalente químico del cobre en el sul fato cúprico.

CuS0 4 E q = A = 63,54 g = 3 1 , 7 7 g

Encontrar el equivalente químico del cobre en el ni­trato cuproso.

CuN0 3 Eq = - = 6 3 ' 5 4 g = 63,54 g

Encontrar el equivalente químico del hierro en el clo­ruro ferroso y en el cloruro férrico.

FeCI,

FeCI,

Eq = ~ = 5 5 , 8 4 9 = -V 2

Eq = - A r = 5 5 , 8 4 9 =

1.5.5 E Q U I V A L E N T E ELECTROQUÍMICO ( Q ) t -

Es la cantidad de sustancia puesta en libertad por un culombio, o la cantidad de sustancia depositada en uno de los electrodos al paso de un culombio.

Un equivalente electroquímico se obtiene dividiendo el equivalente químico de un elemento para 96 500 culombios.

La fórmula es:

Q = equivalente electroquímico en gramos/ culombios.

Eq = equivalente químico en gramos. F - constante de Faraday = 96 500 culombios.

Ejemplo:

Hallar el equivalente electroquímico del cobre en el cloruro cúprico, cuyo peso atómico es 63,57.

Q = ? Eq = 63,57 + 2

= 31,785 g F =96 500 culombios Q =

Q = -É9-F

31,785 q 96 500 culombios

Q = ., 3003294 g/culombios

Se ha calculado el valor del equivalente electroquími­co para algunos elementos.

Elemento Átomo gramo o peso atómico

y. . s Qen mg/culomb.

Ag / 108,87 g 1 1,12

Cu / 63,54 g 1 0,66

O V 63,54 g 2 0,33

A u / 196,96 g 1 2,04

Au / 196,96 g 3 0,67

A l / 26,98 g 3 0,093

Na ( 22,98 g 1 0,24

H • 1,008 g 1 0,0104

1.5.6 C A L C U L O D E L A C O N S T A N T E D E F A R A D A Y ( F )

La constante Faraday, cuyo valor promedio es de 96 500 culombios, se calcula dividiendo el equivalente químico del elemento expresado en miligramos (Eq mg) para el equivalente electroquímico en mg/culom-bio (Q).

— Eq mq

mg/culombio

28 Física y Química

B L O Q U E 1

T o m e m o s c o m o e j e m p l o e l c a s o d e i o r o m o n o v a l e n t e : (Au + 1) .

F = - Eq mg m g / c u l o m b i o

Peso atómico = 196,96 g Valencia = 1

196,96 . _ , _ , Eq = -' = 196,96 mg

Q = 2,04 mg

Para el cobre monovalente:

F = 196 969jyrtf 2,04,mg7culombio

F = " 30. culombios

F = Eq mg Q mg/culombio

Cu (monovalente) Peso atómico = 63,54 g Valencia = 1

r 63,54 o r , Eq = 1 = 63,54 mg

Q = 0,66 mg/culombio

E j e r c i c i o :

p _ 63 540j?Táf 0,66jrrg/culombio

F = 96 500 culombios

Calcular la constante de Faraday tomando como ejem­plos el oro trivalente, el cobre divalente, el cromo di y trivalente.

cidad, es decir, 96 500 culombios. Allí se depositarán en los respectivos cátodos 1 equivalente químico de cada elemento.

H 2 S 0 4 AgN0 3 CuS0 4

I 96 500 culombios FeCI,

Experimento que sirve para deducir la segunda ley de Faraday.

96 500 culombios H + 1 Ag gramos de electrolito 1,008 107,08 31,9 18,6

C u + 2 Fe + 3

Puesto que:

Eq de H + 1 1,008 q

1 = l,r.:- g

E q d e A g + 1 = ^ - 3 - = 107 ,8 ,

Eq d e C u + 2 = ^ p L = 3 1 , 8 g

E q d e F e + 3 = 5 5 | g - = 18,6 g

1 . 5 . 7 L E Y E S D E FARADAY

ley. El peso del electrolito depositado o desprendido en el respectivo electrodo, es di­rectamente proporcional a la cantidad de elec­tr ic idad que circula por la celda.

El experimento realizado por Restrepo, consistió en que en una celda electrolítica colocó como electrólito cloruro de sodio e hizo circular la cantidad de electrici­dad de 10,000 culombios, con lo cual obtuvo el depó­sito de 2,38 g de sodioenelcátocjc) y 3,67 gramos de gas cloro que se'líbero en el anoda

Cuando duplicó la cantidad de electricidad a 20 000 culombios, obtuvo 4,76 g de sodio 7,34 de cloro.

Segunda ley. Se dispone de cuatro cubas electrolíti­cas en serie, en las que se coloca diferentes electro­litos., pero que circula la misma cantidad de electri-

. 6 JUN 2013

Por lo tanto, cuando pasan 96 500 culombios, se de­posita o se desprende un equivalente químico del elemento.

De este experimento se deduce la segunda Ley de Fa­raday, que dice:

Si una misma cantidad de electricidad atravie­sa distintos electrolitos, las masas de las sus­tancias depositadas o desprendidas durante la electrólisis son proporcionales a los respectivos equivalentes químicos.

En las leyes de Faraday intervienen variables como la intensidad de la corriente, el tiempo, la constante de Faraday, el equivalente químico. De allí que se puede reunir estos factores en la siguiente fórmula:

0 = I x T x E q F

i 8 B a c h i l l e r a t o G e n e r a l U n i f i c a d o 29

- A I

B L O Q U E 1

Q I

-

cantidad del electrolito en gramos. Intensidad de la corriente en amperios, tiempo en segundos. equivalente químico = _A_

V F = constante de Faraday = 96 500 culombios

Culombios = Amperios x tiempo

1 Faraday = 96 500 culombios

Problemas:

1 , ¿Cuántos gramos de plata se depositarán en el cá­todo cuando pasa una corriente de 2 amperios en 3h, sobre una solución de AgN0 3 .

Datos Q = ? I = 2 A T = 3 h = 10 800 s Eq = 108g F = 96 500 C

Fórmula

Q _ I x T x Eq

2 A x 1 0 8 Q 0 s x 1 0 8 q = _ 965000

2. ¿Qué cantidad de Cu de una solución de CuS0 4 se depositará cuando pasa una corriente de 5 ampe­rios en 30 minutos?

Datos Q = ? I = 5 A T = 30min = 1 800 s F = 96 500 C E q = -6^54 = 3 2 g

Fórmula

n _ I x T x Eq F

n 5 A x 1 800,5 x 32 g _ 96 500 ,e

3, ¿Cuántos gramos de Ni se obtienen sobre un guar­da choques cuando circula una corriente de 8 am­perios en 12 h sobre una solución de NiCI2?

Datos Q =? I = 8 A T = 1 2 h = 43 200s F =96 500 C

_ 58,71 2

ula Q _ I x T x Eq

F

Eq

30 Física y Química

29,5 g

Q - 8 X X l 6 2 5 ° ^ 2 9 ' 5 q =

4, ¿Qué intensidad debe tener una corriente para que deposite 60 g de cloro en 3 h.?

Q = 6 0 g I = ? T = 3 h = 10 800 seg F = 96 500 C

35 5 Eq = - ¿ i i = 35,5 g

óO g x 96 500 C 10 8 0 0 s x 3 5 , 5 , g '

Fórmula

0 _ I x T x Eq F

; = Q x F T x Eq

= 15,10A

¿Cuánto tiempo debe circular una corriente de 2,5 amperios para depositar toda la plata contenida en 500 mi de una solución normal de AgN0 3 ?

Datos T =? I = 2,5 A V = 500ml N = 1N

Eq = ^ - 8 - = 108g

Q _ I x T x Eq F

T = Q x F I x Eq

Q = Sol N de AgN0 3 = Eq en 1 000 mi Q = 108 g e n i 000 mi Q = 54 g en 500 mi

y _ 54,q x 96 500 C 2,5 A x 1 0 8 ^

T = 1 9 3 0 0 s = - " 7

6. En la operación del plateado electrolítico se utili­za una corriente de un amperio en un tiempo de 45 h. ¿Qué peso de plata se obtiene con un rendi­miento del 95%?

Datos Q =? I =1 A T = 4 5 h = 16200s % = 95% F = 96 500 C Eq = 108g

Fórmula

Q _ I x T x Eq F

B L O Q U E 1

1 A x 162 0 0 0 y x 1 0 8 9 = 1 8 . | 3 o

96 500 x€

100% 95% 1 8 1 x 1 3 g = 9 5 ^ x J 8 1 , 1 3 g =

IOOX

¿Qué volumen de hidrógeno seco se pone en li­bertad cuando pasa una corriente de 2 amperios en 2h. Calcular el volumen de hidrógeno seco a 20 °C y a 800 mm de Hg de presión?

Datos H 2 (húmedo) = 22,41 H (seco) = 11,21 T = 2 h = 7 2 0 0 s

Fórmula Culombio = amperio x tiempo Culombio = 2 A x 7 200 s = 14 400C

96 500 C = 11,2 I 14400C = x =

Datos P1 = 760 rnm Hg VI = 1,67 I T I =273 K P 2 = 800 mm V 2 = ? T 2 = 293 K

14400 C x 11,92 1 96 500 C

Fórmula

Mx-Mi.

= 1,671

v = M i I i 2 P 2T,

y = 760 mn ix 1,67 l x 2 9 3 X = , w , 2 800 m r f í x 2 7 3 X

EJERCICIOS PARA RESOLVER EN CASA

Resuelva en su cuaderno.

1 . Calcular el equivalente electroquímico del Zn, te­niendo en cuenta que la masa atómica es 65,38 g.

2. Se hacen pasar 0,3 Faraday a través de tres células electrónicas en serie. Una contiene plata, otra zinc y otra aluminio. ¿Cuántos gramos de metal se de­positarán en los respectivos cátodos?

3. Una corriente de 5 amperios circula durante 30 minutos y deposita 3,048 g de zinc. Calcular el equivalente químico del metal.

4. ¿Cuánto tiempo llevará en depositarse 100 g de aluminio con una corriente de 125 amperios?

«55

¿Cuánto tiempo llevará el depositarse 100 g de aluminio con una coriente de 125 amperios?

¿Qué tiempo se requiere para que pasen por una cuba electrolítica 72 000 culombios con una co­rriente de 10 amperios?

¿Cuál es la Intensidad de la corriente que pasa por una resistencia de 100 ohmios, cuando se conec­tan a sus extremos 45 voltios?

Las respuestas se encontrarán al final del texto.

CUESTIONARIO PARA DEMOSTRAR LO APRENDIDO

Resuelva en su cuaderno.

1 . ¿Qué condiciones se requieren para que exista co­rriente eléctrica?

2. ¿Qué entiende por electrolito?

3. ¿Cuál es la diferencia química entre un conduc­tor eléctrico de primera clase y uno de segunda clase?

4. ¿Por qué el foco en el experimento no se prende cuando contiene agua destilada?

5. ¿Qué entiende por cátodo y por catión? 6. ¿Qué reacciones se producen en la electrólisis del

cloruro de sodio en solución acuosa?

7. ¿Qué diferencia hay entre equivalente químico y equivalente electroquímico?

8. ¿Cómo calcula la constante de Faraday? 9 . ¿Qué diferencia existe entre una solución iónica y

una solución molecular?

B a c h i l l e r a t o G e n e r a l U n i f i c a d o 3 1

B L O Q U E

, ^ 1 1 . 5 . 8 A P U C A C I O N E S D E

L A ELECTROQUÍMICA La tecnología empleada en la electroquímica consti­tuye un valioso aporte ya sea en e! laboratorio, como en la pequeña y gran industria, señalándose entre otras ias siguientes aplicaciones:

a» Obtención de elementos gaseosos, como por ejemplo el cloro en la electrólisis del cloruro de so­dio fundido; la obtención del hidrógeno y oxígeno en el voltámetro.

b. Obtención industrial de metales como en el caso del cobre a partir el sulfato cúprico, de la plata a partir del nitrato de plata.

c. En la cobertura de metales oxidables a la tempera­tura ambiente y en el aire húmedo como el hierro, que para evitar que se oxide se le cubre con una capa delgada de metal resistente a la oxidación como el níquel, proceso que se llama niquelado; si se cubre con cromo 9 se llama cromado; si es con oro, dorado. Esta aplicación se utiliza en los acabados de los automóviles, en las chapas de las puertas, en los relojes, etc.

GALVANOSTEGIA

Etimológicamente significa "cubrir". Consiste en de­positar una capa adherente de un metal no oxidable sobre otro metal, caso concreto el niquelado.

Por ejemplo, si se va a proceder a niquelar los guarda­choques de los carros, para lo cual se disponen de cel­das electrolíticas muyamplias y que en la industria tra­bajan en serie, se utilizan electrodos del mismo metal, esto es barras de níquel. Como electrolitos se requiere de cianuro o sulfato niquélico, se introduce la pieza de hierro en el baño, la misma que debe ir conectada al polo negativo del circuito, obteniéndose así el depósi­to lento del níquel sobre las piezas de hierro.

(?«• " A S T I A

Etimológicamente significa "moldear". Consiste en de­positar una capa poco adherente de un metal sobre un molde; por ejemplo, cuando se quiere construir el busto de una persona para un monumento, entonces es necesario fundir en yeso la imagen, luego se la cu­bre con grafito, se la conecta al cátodo, se Introduce en el electrolito y se deposita una capa gruesa no ad­herente que resulta ser la imagen.

1 . 5 . 9 P I L A S ELÉCTRICAS ¿Qué es una pila eléctrica? Es un sistema que per­mite transformar la energía química, producto de una reacción, en energía eléctrica.

Es un dispositivo que mantiene la diferencia de po­tencial entre sus dos electrodos o terminales A y B, los que deben estar separados por un campo eléctrico que señale el sentido de derecha a izquierda. En este campo, las cargas móviles que son los iones se dirigi­rán al terminal de signo contrario, vale decir, los elec­trones emigran al terminal positivo.

Todo tipo de pila se compone de dos electrodos, uno positivo y otro negativo, introducidos en una solución electrolítica de un ácido, una base o una sal. Los elec­trodos carecen de carga eléctrica mientras están fuera de la solución electrolítica, mas, cuando ellos se intro­ducen ocurre que:

a, El electrodo reacciona con el electrolito des­prendiendo iones positivos, por lo que pierde su neutralidad, retiene la carga negativa y se carga negat ivamente.

b. Los iones positivos que están en la solución elec­trolítica se dirigen al otro electrodo en el que se depositan o ceden su carga positiva, por io tanto se carga posit ivamente.

<-<-

<-<-

•<-•<-

<-<-<-

-<-

< < <-<---<--<-<---<--<-

campo eléctrico E= cte

i

i r

terminal negativo terminal positivo

De esta manera, se han construido los dos polos de la pila con una diferencia de potencial.

De lo dicho, se concluye que en una pila se produce una diferencia de potencial entre dos metales quími­camente distintos cuando se sumergen en una solu­ción de un electrolito, por lo mismo, cuando se intro­duce un metal en un ácido pasan a la solución iones metálicos que llevan carga positiva, dejando al meta i

32 Física y Química

B L O Q U E 1

cargado negativamente. Se forma un campo eléctri­co en la solución acida que tiende a atraer a los iones positivos hacia el metal y así limitar el número de io­nes que pasan a la solución. Si se mide el potencial del ácido en la reacción al metal, el ácido tendrá un valor positivo.

EXPERIMENTO

Al introducir una lámina de zinc en agua, se produce un paso de algunos átomos del metal hacia el agua en forma espontánea, esto se debe a que el metal posee tensión de disolución.

Los iones de zinc son atraídos hacia la lámina que se cargó negativamente, esta atracción se llama presión electrolít ica.

En el primer caso, la lámina se carga positivamente y en el segundo negativamente. Lo contrario ocurrirá con la solución.

El resultado es la aparición de una diferencia de po­tencial entre la lámina de zinc y la solución de sulfato de zinc.

Se ha calculado la tensión de disolución, esto es, la mayor o menorfacilidad de desprenderse de los iones para los metales, por ejemplo el valor del zinc es gran­de y menor en el cobre.

Pila galvánica. El mecanismo de funcionamiento se basa en los fenómenos de perder electrones (oxida­ción) o ganar electrones (reducción). En un recipiente que se divide en dos compartimientos:

Ánodo de Zinc (•

Cátodo de Cu (+)

De manera que existen dos fuerzas, una que obra de la lámina hacia el líquido y otra en sentido contrario, esto es, de la solución a la lámina.

Si la tensión de disolución y la presión electrolítica son iguales, se establece un equilibrio.

Ahora, si la lámina de zinc se introduce en un vaso que contiene una solución de sulfato de zinc (ZnS0 4 ) , aquí hay un predominio de la presión electrolítica, por lo que los iones de Z n + 2 se adhieren a la lámina de zinc, movimiento que termina cuando se establece el equilibrio.

Pero si la tensión de disolución es mayor que la pre­sión electrolítica, pasarán iones de la barra de zinc a la solución.

Solución de CuS0 4

Compart imiento A. Que lleva como ánodo una barra de zinc sumergido en una solución de sulfato cúprico.

Compart imiento B. Que lleva como cátodo una barra de cobre sumergido, también en solución de sulfato cúprico.

Los compartimientos A y B se encuentran separados por una pared de material poroso que no deja que se mezclen las soluciones sino que pasen solamente los iones de un compartimiento al otro.

En los dos compartimientos la presión de disolución es mayor, por lo que los iones positivos Z n + 2 y C u + 2 pa­sarán a sus respectivas soluciones, las que se cargarán positivamente.

En la barra de zinc existe mayor densidad electrónica, mayor, número de electrones, puesto que cedió a la

Bachillerato General Unificado 33

B L O Q U E 1

solución mayor cantidad de iones zinc que la barra de cobre.

Si se conectan los dos electrodos mediante un alam­bre se observará el paso de la corriente eléctrica del ánodo al cátodo, esto es la barra de zinc o de cobre.

En el ánodo o barra de zinc se produce la reacción de oxidación, pierde electrones:

Z n u - 2 e Z n + (oxidación)

En el cátodo o barra de cobre se produce la reacción de reducción, gana electrones:

C u + 2 + 2 e" - 2 e" Cu (reducción)

POTENCIALES DE LOS METALES EN E/V TOMANDO COMO BASE EL H

Cámara de aire

Electrodo -de carbón

Electrolito

Arandela-aislante

( )

_ (-)

Sellado hermético Disco de cartón

- Recipiente-electrodo zinc

Mezcla despolarizante

De acuerdo con el gráfico se tiene:

AMII» P#\RE§ E/V

Li L i + 3,02 Ni N i 2 + 0,23 Cs Cs + 2,93 Sn S n 2 + 0,14 K K + 2,92 Pb P b 2 + 0,12

Rb Rb + 2,92 H 2 H 2 0,00

Ca C a 2 + 2,76 Cu C u 2 + -0,34

Na Na + 2,71 Cu C u + -0,53 Mg M g 2 + 2,35 Ag A g + -0,79 Zn Z n 2 + 0,76 Hg H g 2 + -0,80

F 2 Fe 2 + 0,44 Hg 2 H g 2 + -0,86

Cd C d 2 + 0,40 o 2 OH~ 0,40 Ti T i + 0,33 l 2 r -0,53 Co Co 2 + 0,26 Br 2 B r -0,05

c i 2 c i - - -0,35

1.5.10 P I L A D E ZINC - CARBÓN Es el tipo de las denominadas pilas secas, porque se sustituye el electrolito en solución líquida con uno pastoso, cuyo ejemplo es la pila que se utilizan en las linternas, radios, etc.

El nombre de pilas de zinc - carbón se debe a los nom­bres de los electrodos que se utilizan.

1 El electrodo negativo es la cápsula de zinc y las sustancias químicas que están en el interior.

2. El electrodo positivo es una barra de carbón.

3. La mezcla despolarizante está compuesta de dió­xido de manganeso, carbón en polvo (grafito) y cloruro de amonio (NH 4CI), esta es una pasta húmeda.

4 . Pasta o electrolito, compuesta de cloruro de amo­nio, cloruro de zinc (ZnCI 2), agua, harina yalmidón, la que se encuentra entre el recipiente de zinc y la mezcla despolarizante.

Las reacciones que se producen son:

En el cátodo, el zinc se oxida, pierde 2 electrones y pasa deZn°a Z n + 2

Zn° + 2NH,CI 1 ^ Z n ' 2 + 2CI 20 + 2NH 3 + 2H + + 2e~

Los electrones se quedan en el electrodo de zinc por lo que se carga negativamente, en tanto que los iones H + emigran hacia la barra de carbón que se carga po­sitivamente ya que el hidrógeno le cede la carga posi­tiva que lleva. Se cierra el circuito cuando se unen los dos polos, entonces los electrones circulan del polo negativo al polo positivo, dando lugar a la corriente eléctrica continua.

En la barra de carbón se siguen acumulando iones po­sitivos de hidrógeno impidiendo la circulación y la pila se agota; es necesario hacerlos desaparecer por la mis-

34 Física y Química

B L O Q U E 1

ma acción de las sustancias químicas, en la siguiente reacción:

2Mn + 4 0 2 + 2H + 2e~ • M n 2 0 3 + H 2 0

Este proceso se llama despolarización del sistema.

1.5.11 ACUMULADOR DE PL )! ÍCÍ

El acumulador permite que las reacciones químicas sean reversibles, es decir:

a. Transforma la energía química en energía eléctrica. b. Transforma la energía eléctrica en energía química.

Esta es la diferencia con una pila seca, que cuando la reacción química termina, la pila queda totalmente agotada e irreversible (pila de linterna); en cambio en las baterías o acumuladores de plomo, como las reac­ciones químicas son reversibles, una vez agotada la reacción en un sentido, que es la descarga de la ba­tería, puede volverse a cargar cuando se le adminis­tra corriente eléctrica continua, y la batería funciona perfectamente.

Esto ocurre cuando en un automóvil se ha dejado las luces encendidas con el motor apagado, la batería se descarga, toda la energía química se transforma en eléctrica. Cuando se la lleva a un taller donde cargan baterías, allí se suministra durante varias horas co­rriente continua, es decir, la energía eléctrica se está transformando en energía química.

Un acumulador consta de:

i El electrodo positivo o cátodo, formado por placas de plomo con dióxido de plomo.

boso con valencia +2; esto es, sufre el fenómeno de oxidación con pérdida de dos electrones.

P b ° + H 2 S 0 4 P b + 2 S 0 4 + H 2° + 2e~

En el ánodo: los electrones llegan al polo positivo, oxidándose a dióxido de plomo u óxido plúmbico de valencia +4, que reacciona con el ion sulfato formando sulfato plumboso insoluble, el mismo que se adhiere a las placas.

P b + 4 0 2 + 2e" + H 2 S 0 4 + H 2 P b + 2 S 0 4 + 2H 2 0

Las dos reacciones anteriores expresadas en una sola quedan así:

carga P b + 4 0 2 + Pb° + 2 H 2 S 0 4 ' »* 2 P b + 2 S 0 4 + 2H 2 0

descarga

b. Proceso de carga en el ánodo. Las reacciones químicas se producen en sentido contrario, es así como el plomo divalente absorbe dos electrones y se transforma en plomo metálico, siendo un fe­nómeno de reducción.

Pb + 2 + 2e" • Pb°

P b + 2 S 0 4 + 2e" • Pb° + S 0 4 " 2

ei piorno divsiente del sulfato plum­boso desprende dos electrones y se transforma en plomo tetravalente, así:

P b + 2 - 2e" • P b + 4

2 P b + 2 S 0 4 + 2H 2 0 • P b + 4 0 2 + Pb° + 2 H 2 S 0 4

Las dos reacciones anteriores expresadas en una sola quedan así:

2. El electrodo negativo o ánodo, formado solo por 2 P b + 2 S 0 4 + 2H 2 0 • Pb + 0 2 + Pb + 2 H 2 S 0 4

placas de plomo esponjoso. CARGA Y DESCARGA DE UNA BATERÍA

3. El electrolito, que es una solución de ácido sulfúrico. El sentido de la corriente es del polo negativo al polo

positivo. En la descarga se produce sulfato plumboso FUNCIONAMIENTO Y REACCIONES QUÍMICAS en ambos electrodos. El ácido sulfúrico se diluye en

razón de que en la reacción se produce agua. Diferentes reacciones químicas se producen en el pro­ceso de descarga y carga de la batería: La batería se cargará nuevamente cuando se le su­

ministre del exterior energía eléctrica, y esto ocurre a. Proceso de descarga. Producción de electricidad, cuandosse pone a funcionar el motor del auto, pero si

En el cátodo: el plomo metálico al reaccionar con está apagado y las luces y radio están funcionando, la el ácido sulfúrico se transforma en sulfato plum- batería se descargará lentamente.

B a c h i l l e r a t o G e n e r a l U n i f i c a d o 3 S

B L O Q U E 1

% T r

V O C A B U L A R I O C I E N T I F I C O Agente reductor. Sustancia que se oxida y causa la reducción de alguna otra sustancia.

Agente oxidante. Sustancia que se reduce porque causa la oxidación de alguna otra sustancia.

Ánodo. Electrodo en el que tiene lugar la oxidación.

Cátodo. Electrodo en el que tiene lugar la reducción.

Celda electrolítica. Dispositivo en el que se hace que ocurra una reacción redox no espontánea por el paso de corriente bajo el efecto de un potencial eléctrico suficiente.

Celda galvánica . Dispositivo en el cual tiene lugar una reacción espontánea con paso de electrones a través de un circuito eléctrico.

Electrólisis. Proceso en el que se utiliza la electricidad para producir un cambio químico.

Electroquímica. Rama de la química que se ocupa de las relaciones entre la electricidad y las reacciones químicas.

Potencial de reducción. Capacidad intrínseca de un átomo para captar electrones.

TALLER • LABORATORIO i v FABRICACIÓN DE UNA PILA ELÉCTRICA

Objetivo

Conocer el funcionamiento de una pila eléctrica.

Materiales Láminas de zinc y cobre de 20 cm x 2 cm en las que se realiza un agujero en cada uno de los extremos, alam­bre de cobre (aquellos que utilizan para la luz), vasos de precipitación de 50 mi, tubo de vidrio en forma de U (puede utilizarse una manguera de inyectar sueros), tubos de ensayo, algodón o papel filtro, voltímetro (si es posible). Reactives Soluciones al 10% de cloruro de sodio, sulfato cúprico, sulfato de zinc.

Técnica 1. En el orificio de cada lámina metálica, introduzca

la punta del alambre de cobre de unos 20 cm, en­torche para que sirvan de electrodos.

2. En un vaso de precipitación ponga la solución de sulfato cúprico y en el otro la solución de sulfato de zinc.

3. Prepare el puente salino en el cual pondrá la solu­ción de cloruro de sodio y lo taponará fuertemen­

te con algodón o papel filtro, por los dos lados del tubo en U.

4 . Conecte las soluciones de los vasos mediante el puente salino.

5. Introduzca las láminas de cobre en cada vaso.

6. Mediante los alambres, conecte a un voltímetro a fin de que detecte el paso de la corriente (puede conectar un foco de linterna de 1.5 V).

Voltímetro

36 Física y Química

Fotocopiar esta página para realizar la prueba B L O Q U E

E V A L U A C I Ó N

:~o-e:

Curso:

Fecha:.

Calificación:,

Prueba objetiva 1, Escriba, dentro de un paréntesis la letra V o F si

considera que la respuesta es verdadera o falsa.

a. La mayor energía del electrón se encuentra en el nivel 1. (< )

b. El llamado"flujoeléctrico"tiene masa. ( ? )

c. Los electrones libres están localizados en los niveles. (v)

d. Amperio es igual a Culombio por voltio. ( f)

e. Un aparato de TV constituye una resistencia eléctrica. ( )

f. El azúcar común o sacarosa es un electrolito. ( )

§ . El cloruro de sodio anhidro conduce la corriente eléctrica. ( )

h. Es lo mismo equivalente químico

que masa molecular. ( )

i. Una pila de Zinc - Carbón es una pila seca. ( )

j . En un acumulador de plomo se utiliza ácido sulfúrico. ( )

2. Encierre en un círculo la letra de la respuesta que considera correcta. Tiene 3 opciones.

a. La reacción que representa una reducción es:

a. Na + 1 • Na 0 + 1 e"

b. CI"' + 1e" • Cl°

c. Na + l + 1e~ Na 0

b. Los metales conducen corriente eléctrica debi­do a la presencia de:

a . Alta energía de ionización.

b. Alta eiectronegatividad.

c. Electrones móviles.

c. Si el potencial de reacción es positivo, esto indi­ca que:

a . Hay reacción y produce energía.

b. No hay reacción.

c. Hay equilibrio químico.

d. El paso de un coulombio por determinado pun­to de un conductor, durante un segundo, co­rresponde a la siguiente unidad:

a . Faraday

b. Voltio

c. Amperio

e. En la electrólisis del CaCl 2 fundido, la especie que reacciona con el electrodo negativo es:

a . Ca

b. C a + 2

c. c r 1

f. En una celda galvánica, el cátodo:

a . Atrae los iones positivos.

b. Gana electrones.

c. Es fabricado de carbono.

B a c h i l l e r a t o G e n e r a l U n i f i c a d o 37

B L O Q U E 1 Fotocopias-esta página para realizar ia prueba

3. Establezca una clara diferencia entre: 6. Encontrar el equivalente electroquímico del hierro en el cloruro férrico (Fe = 55,849).

a . Ánodo y cátodo.

b. Celda electrolítica y celda galvánica.

c. Pila seca y pila alcalina.

d . Conducción electrolítica y conducción electrónica.

7 . Explique cómo están constituidas y cómo funcionan:

a . La batería de plomo.

b. La pila seca.

4. Escriba las reacciones que se producen en la des­carga del acumulador de plomo.

8. ¿Cuántos gramos de sodio se obtendrán por elec­trólisis del cloruro de sodio fundido, si el proceso se realiza durante una hora y con una corriente de un amperio?

5. Calcular la constante de Faraday tomando como ejemplo el cobre divalente de masa atómica 63,54 g.

38 Física y Química

B L O Q U E 1

1.6 CAMPO MAGNETICO DE UNA CORRIENTE ELÉCTRICA

MAGNETISMO

La palabra magnetismo se io usa como un homenaje a la ciudad localizada en el continente asiático llamada MAGNESIA en donde existían unas piedras preciosas especiales que tenían la propiedad de atraer fragmen­

tos pequeños de hierro. Piedra imán

:sss

Virutas de hierro

Análisis químicos de-• muestran que se trata de óxido ferroso - férri­co, llamado hematita o piedra imán (Fe 3 0 4 )

r ? Magnetismo. Es la propiedad que tienen cier­tos cuerpos de atraer fragmentos de algunos cuerpos.

La propiedad natural que presenta la hematita la po-\, también otros metales como el níquel, cobalto, \. Estos imanes se llaman naturales porque exis-I ten otros que son hechos por la mano del hombre y se

llaman

La propiedad de atracción que tiene un imán natu­ral puede ser trasmit ida al acero, ya sea por contacto prolongado o por frotamiento unidireccional en los dos lados.

Los cuerpos se dividen en dos grupos:

1. Cuerpos magnéticos. Son aquellos que pueden adquirir esta nueva forma de energía, pues, se imantan con mucha facilidad.

2. Cuerpos no magnéticos. Aquellos que no pue­den imantarse por ningún método.

r 1.6.1 POLOS MAGNETICOS DE UN IMÁN

Manera de determinar . Experimentalmente se ha observado que se puede conocer los polos utilizando una barra de un imán, que al acercarla a limaduras de hierro son atraídas en su totalidad a los extremos de la barra, a los que se los llama polos.

Polo -=£ N

/ limaduras de Fe

Barra imantada Polo

i i i l I I - " -

limaduras de Fe

Si se coloca una barra imantada sobre un eje a fin de que gire a manera de ruleta. Cuando está en reposo, ia punta de la brújula señala al norte y, obviamente el otro extremo señalará el sur. Por lo tanto en un imán existirán dos polos: el norte y el sur.

Polo norte de un imán es aquel que siempre se orienta al norte geográfico de la Tierra y el polo sur al lado contrario.

Con estos principios se construyó la brújula o agujas magnéticas, que permiten la orientación en las gran­des travesías del mar.

Los polos de un imán se llaman "polos magnéticos'' .

Polos magnéticos del mismo nombre o signo se repelen, y de nombre contrario se atraen.

Esta ley tiene semejanza cuando en el tema referente a electricidad se habla de la ley de Coulomb, que dice: "Cargas eléctricas del mismo signo se repelen, pero de signo contrario se atraen".

:

se repelen se repelen

5 N

se atraen

B a c h i l l e r a t o G e n e r a l U n i f i c a d o 39

B L O Q U E 1

INSEPARABILIDAD DE LOS POLOS /

N S

LZZ N Nunca se puede separar así

Una propiedad muy particular e interesante que pre­sentan los imanes es que no puede separarse o cortar por la mitad, por un lado el polo sur y por otro el polo norte. Siempre obtendrán juntos el polo norte y el polo sur, como se observa en los gráficos. En resumen: Nun-

\a se puede dividir un imán en polo sur y polo norte.

ELECTRICIDAD + MAGNETISMO

ELECTROMAGNETISMO

Hasta antes del año 1820 se consideraba que la electri­cidad y el magnetismo, eran fenómenos muy diferentes. Pero algunas observaciones y pruebas experimentales demostraron que lo dicho no era totalmente correcto, utilizaron los siguientes hechos.

Se concluye que: La corriente eléctrica produce efectos magnéticos.

Campo magnético se define como la zona circundante a un imán que se hal la influenciada

directamente por este disposit ivo.

O también:

Es la zona cercana a un imán que está inf luenciada por éste y lo hace en la misma forma como lo hace en un campo eléctrico.

" _ Líneas de - fuerza

Campo magnético Imán

• — « f —

En el año 1820, el físico Cristian Oerstel mediante sus investigaciones demostró que entre la electricidad y el magnetismo existe una íntima relación. Por lo tanto de esta unión nace el electromagnetismo.

Este científico comprobó que al colocar una brújula en forma paralela a uno de los alambres de un circuito eléctrico no conectado, no ocurría ningún fenómeno, la brújula no se orientaba. Pero si el circuito se conec­ta, la brújula se pone en posición perpendicular al conductor y la brújula se orienta.

no oscila se orienta está desconectado está conectado

Los campos magnético y eléctrico son iguales en lo que se refiere a su conformación.

En electricidad se sabe que "Cuando cargas eléctricas se encuentran en reposo, entre ellos existe la llama­da fuerza electrostática, pero cuando se mueven da lugar al nacimiento de una fuerza llamada fuerza magnética.

,

o » > Q i

Con cargas Con cargas eléctricas en eléctricas en reposo existe movimiento se crea

la fuerza una nueva fuerza: electrostática magnética

Es decir que una carga eléctrica en movimiento hace que se forme un campo eléctrico que actuará sobre otra carga móvil, dando lugar al nacimiento de la fuer­za magnética, observándose la íntima relación entre la electricidad y el magnetismo y la nueva rama de la física llamada electromagnetismo.

40 Física y Química

B L O Q U E 1

h j N E A S D f F U E R Z A MAGNÉTICA O DE INDUCCIÓN/

Las líneas magnéticas o de inducción en l íneas ce­rradas que salen del polo norte entran en ei polo sur, luego por el interior del imán. Líneas que casi se unen cuando se acercan a los polos (ver entrada por el polo sur).

Se concluye que las l íneas de fuerza no son sino lí­neas imaginarias que se disponen de acuerdo a las atracciones y repulsiones magnéticas.

...

El conjunto de líneas de fuerza se llama carapc

Un sencillo experimento forman las líneas de fuerza o de inducción magnética. Al colocar limallas o lima­duras de hierro sobre un papel, ocurre la orientación y atracción por medio de un imán en forma de barra que se ve sobre el papel.

1 .7 I M A N E S Y C I R C U I T O S MAGNÉTICOS

0k

Los siguientes conceptos son útiles para comprender mejor el estudio propuesto, según el libro "Manual Práctico de Electricidad".

. Masa de hierro, acero u otro material cualquiera que tiene la propiedad de atraer o repeler a otras ma­sas metálicas, gracias al campo magnético que genera en su entorno.

y-i. vr y Todo mineral con propiedades magné­ticas (magnetita)

Imán permanente . Imán de acero que conserva las propiedades magnéticas después de haberlo separa-ce da! flujo que !c magnetizó.

Imán de herradura . Imán o electroimán permanente de forma semejante a una herradura de caballo.

En líneas anteriores, al tratar sobre magnetismo y elec­tromagnetismo se han mencionado brevemente las propiedades de un imán; ahora el concepto de imán es:

Los cuerpos que poseen polos magnéticos se llaman imanes.

Existen imanes naturales como la magnetita (Fe 3 0 4 ) e imanes artif iciales aquellos que han adquirido la pro­piedad de atraer cuerpos mediante diferentes proce­dimientos como ocurre con los aceros. Pueden tomar diferentes formas: barra recta, herradura, etc.

, APOLOS MAGNÉTICOS i

Se definen como:

Las regiones donde se concentra el magnetis­mo y son dos: el polo norte y el polo sur.

Polo norte (N) o positivo el que está orientado o se­ñala hacia el polo norte geográfico de la Tierra.

Polo sur (S) o negativo es aquel que se orienta o se­ñala el polo sur geográfico de la Tierra.

Los gráficos de los imanes constan en lo explicado anteriormente.

.... :' •

Bachillerato General Unificado 41

B L O Q U E 1

Una brújula, es un instrumento que permite determi­nar la orientación con respecto a la superficie terres­tre, a través de una aguja que indica la dirección del norte magnético. Generalmente consiste en un re­cipiente con tapa transparente, en cuyo interior una aguja imantada, montada sobre un eje o flotando en medio acuoso (como el keroseno, para mayor estabi­lidad en la indicación), señala este norte magnético.

Con respecto a la historia de la brújula, se cree que sus orígenes datan del año 2500 antes del nacimiento de Cristo. Es más, en toda Asia, era ampliamente utilizada, para el siglo III, después de Cristo.

La brújula desarrollada por los chinos, estaba com­puesta por un trocito de caña. En el cual se insertaba una aguja magnetizada, la cual a su vez, se hacía flotar en el agua. Con este sencillo procedimiento, se podía conocer el norte magnético. El magnetismo era cono­cido y utilizado por aquellas culturas.

Asimismo, para el siglo XII, ya existía en Europa un tipo de brújula bastante rudimentaria, pero brújula al fin y al cabo. De igual manera, los árabes se interesaron en esta ¡dea y se llevaron consigo hacia el oriente.

Con respecto a la brújula marina, esta fue desarrollada a fines del siglo XIV y comienzos del siglo XV, en Italia. Esta brújula era muy parecida a la que existe hoy en día. Más adelante, incluso apareció y se incorporó a la brújula, la rosa de los vientos, la manera más práctica, para ubicarse en ultramar.

hoy en día es más común emplear el término de com­pás magnético.

1 .8 GALVANÓMETROS, AMPERÍMETROS Y VOLTÍMETROS

1 . 8 . 1 GALVANÓMETRO

El galvanómetro es un aparato que registra el paso de la corriente eléctrica.

En la circulación de la corriente eléctrica por un con­ductor y su intensidad se emplea un dispositivo llama­do galvanómetro, que lleva una escala graduada en amperios, cuyo valor se mide mediante una aguja o puntero muy sensible.

Existen dos clases de galvanómetros de acuerdo a la intensidad de corriente eléctrica, y naturalmente los amperios o microamperios.

- , Los únicos lugares en donde la brújula tradicional no es muy útil son aquellos cerca de los polos, en don­de las líneas de fuerza del campo magnético terrestre convergen; para solucionar este problema se comen­zó a experimentar con diversos tipos de artefactos, manteniendo básicamente el mismo principio.

A comienzos del siglo XX, se crea una revolución en cuanto al diseño del instrumento. Ya que se crea la brújula giroscópica. Esta señala el norte verdadero, en vez del norte magnético; con un disco girando a gran velocidad operado mediante la energía eléctrica y las fuerzas de fricción donde se logra aprovechar la rota­ción del globo terráqueo.

La brújula giroscópica es la tecnología más avanzada en la materia, por lo que, es la que actualmente uti­lizan los transatlánticos o buques de guerra en ultra­mar; versiones modificadas de esta se usan también para la aviación moderna. Para referirnos a la brújula

Una conexión eléctrica se arma en serie para medir la intensidad del circuito, valor que indica la aguja del amperímetro como se observa en el gráfico. El ampe­rímetro lleva una pequeña resistencia.

De acuerdo a la intensidad, el galvanómetro toma di­ferentes nombres así:

. '. Que mide directamente ia intensidad de la corriente, está graduado en amperios.

Microamperímetro. Es un dispositivo más sensi­ble que el anterior porque la intensidad mide en microamperios.

La corriente eléctrica sale de la batería, circula por el conductor, pasa por una pequeña resistencia y va di­rectamente al amperímetro para indicar la cantidad de corriente, es decir la intensidad en amperios o microamperios.

42 Física y Química

B L O Q U E 1

Tómese en cuenta que el amperímetro se conecta di­rectamente a! circuito, por lo que la corriente pasa por el mismo.

Se debe recalcar que el voltímetro no está conectado ; :'! • : , . c o r n o ocurre en el amperímetro, se reco­mienda ver los gráficos del uno y del otro circuito.

En el voltímetro va instalado un dispositivo que mide en voltios.

V = X

1.8.2 VOLTIMETRO

Es un aparato que mide la diferencia de potencial o voltaje.

O también:

El voltímetro mide la tensión entre dos puntos.

V = 0,005 A

v=x

El presente circuito da una intensidad de 0,005 A apli­cado a una pequeña resistencia de 3 Q. Se pregunta cuál es la tensión o voltaje.

Datos I = 0,005 A R = 3Q V = X

En resumen se tiene:

Fórmula V = h R V = 0,005 A x 3 O V = 0,15V

• • .. Aparato eléctrico que sirve para me­dir corrientes de pequeña intensidad en amperios.

EJERCICIOS PARA RESOLVER EN CASA

Conteste, en su cuaderno de deberes, el siguiente cuestionario y entregue alprofesor(a) para su calificación.

1. ¿Qué propiedad tiene un imán y cómo está consti- 4. Utilizando un gráfico demuestre la ley que dice: tuido? Utilice un gráfico para la explicación. "Polos magnéticos del mismo nombre se repelen,

y de nombre contrario se atraen". Si tiene una mezcla de azufre y hierro en polvo, cómo puede separar los componentes usando un 5. Explique qué son y cómo se forman las líneas de imán. Explique utilizando un gráfico. fuerza. f~

í 3. ¿Qué ocurre si mediante una sierra parte un imán 6. Mediante gráficos, explique la diferencia que exis-

por la mitad? , ——» te entre un amperímetro y un voltímetro, especial­mente en la colocación de la resistencia.

B a c h i l l e r a t o G e n e r a l U n i f i c a d o 43