Cien 10 u4 otros modulos

Unidad

4

1er aùo de bachillerato La materia y sus transformaciones químicas Ciencias Naturales Ciencias Naturales •

123

Introducción

Entre los avances científicos de las ciencias naturales, la química tiene su espacio e indiscutible importancia por sus valiosos aportes a la tecnología, medicina, producción de alimentos, industria farmacéutica; aquí vale mencionar que el mayor logro es la investigación sobre antibióticos y otras drogas para combatir

enfermedades.

En la presente unidad encontrarás información sobre la composición de la materia, partes del átomo, elementos y compuestos; sistemas dispersos y coloidales, soluciones y concentraciones, así como lo fundamental sobre transformaciones químicas, reacciones, factores de velocidad de reacción, equilibrio químico,

disociación del agua y potencial de hidrógeno.

Con esos conceptos y procedimientos básicos, más las actividades complementarias, alcanzarás las competencias conceptuales y procedimentales logrando cambios actitudinales en tu desempeño como estudiante de la modalidad

flexible semipresencial.

Responde con honestidad las preguntas previas de los contenidos, desarrolla las actividades en el orden establecido; si es posible, lee nuevamente la teoría, subraya lo que te parece más importante, escribe conceptos y fórmulas. Verás qué accesible

a tu entendimiento te parecerá esta unidad.

En los cuadros de datos lee los valores y características en forma horizontal, luego haz las comparaciones verticales; en lo posible, trata de aplicar los términos mezcla y composición a sustancias de uso cotidiano; en las reflexiones, debes compartir las ideas con tus compañeros/as, así como en las actividades sugeridas.

Puedes solicitar, con el debido respeto, más ejemplos de reacciones químicas al tutor/a, también la revisión de grupos y períodos de los elementos en la tabla

periódica que, por cuestión de espacio, no se incluye en esta unidad.

Es interesante realizar la práctica sobre temperatura y concentración como factores proporcionales a la velocidad de reacción, pero debes seguir

ordenadamente los pasos indicados.

124

• Módulo 4

Objetivos Objetivo general

Al finalizar la unidad tendrás capacidad para: • Comprender la estructura y las transformaciones químicas de la materia, su fase dispersa y el equilibrio químico, como una tendencia natural de los seres vivos y el medio que nos rodea, entendiendo así el grado de contaminación, para que puedas valorar su importancia y el adecuado uso de los productos

químicos.

Objetivos específicos

• Identificar los diferentes componentes y clases de soluciones, cómo expresar sus concentraciones, de igual forma los coloides; a través de ejemplos y actividades prácticas que te permiten comprender sus beneficios y efectos, sobre la vida y el medio ambiente.

• Diferenciar los tipos de disoluciones para que te permitan comprender la composición química de las mismas que usas diariamente, usando procesos de medición y cálculo, que te permitirán resolver problemas de carácter cotidiano. Desarrollar conciencia sobre la importancia de las soluciones químicas.

• Comprender procesos básicos de transformación química de la materia, tipos de reacciones y factores de velocidad de reacción; así como validar tus cambios, actitudes y desempeño en estos contenidos.

Ciencias Naturales •

125

Mapa conceptual

Unidad 4

Características, composición y transformación de la materia.

Estructura de la materia

Sistemas dispersos coloidales

Transformación química de la materia

Equilibrio químico

El átomo y los elementos

Coloidales y contaminación

Reacciones químicas

Disociación del agua

Compuestos

Solutos y solventes

Clases de reacciones químicas

Potencial del hidrógeno

Soluciones y concentraciones

126

Velocidad de reacción y sus factores

• Módulo 4

Estructura de la materia Objetivo Interpretar la estructura de la materia, las partículas atómicas a través de esquemas, el ordenamiento y combinación de los elementos para identificar los compuestos químicos en general, y particularmente tomar conciencia sobre la

composición y transformación de la materia.

El átomo y los elementos Hay hechos que nos hacen pensar que la materia se puede dividir en partículas y que entre ellas hay espacios que no se pueden reconocer con la visión ordi-

naria. Esas partículas invisibles se llaman átomos.

Las ideas básicas de La Teoría Atómica de Dalton son: • La materia está constituida por partículas indivisibles llamadas átomos.

• Un elemento químico es una sustancia constituida por una sola clase de

átomos.

• Los átomos se unen para formar moléculas.

• Una molécula es la cantidad más pequeña de una sustancia que conserva sus propiedades químicas.

• En las reacciones químicas los átomos se reorganizan de forma diferente.

• La teoría de Dalton no era perfecta porque en realidad los átomos son divisibles.

Partes del átomo: En el núcleo: protones y neutrones; en la corteza, los electrones.

En el modelo atómico de Rutherford se explica que el núcleo y la corteza tienen una gran semejanza con el sistema solar. Los electrones giran en órbitas alrededor del núcleo, al igual que los planetas se desplazan alrededor del sol.

10 m 10 m

Núcleo Electrón

Ciencias Naturales •

127

Los electrones van ocupando los niveles energéticos hasta completar los niveles inferiores, luego, los niveles superiores.

A partir de 1,961, se tomó como unidad de masa atómica la doceava parte de la

masa del isótopo más estable del carbono.

masa del átomo de C 1 uma = __________________ 12 Los isótopos son átomos que tienen el mismo número atómico y distinta masa.

Por tanto son átomos que tienen el mismo número de protones, pero se

diferencian por el número de neutrones, en el mismo elemento químico.

El centro de investigación europeo situado en la frontera franco-suiza, tiene el mayor laboratorio mundial de investigación en física de partículas y expresan el dato sobre unas partículas mucho más pequeñas: los quarks. Hoy en día se sabe

que los protones y los neutrones están constituidos por quarks.

Átono formado por núcleo y cortesa de electrones Núcleo de protones y neutrones

Protón Neutrón

Quarkm partícula que es el límite de nuestro conocimiento actual

Estructura interna de los átomos

128

• Módulo 4

Los elementos Son las sustancias puras más simples. La mayoría de sustancias son compuestos, pero se pueden transformar en otros más simples que no se pueden dividir: los

elementos.

Los elementos están formados por átomos iguales entre sí, por ejemplo, una molécula de agua esta formada por hidrógeno y oxígeno (elementos), ya que no

se pueden transformar en otras sustancias más sencillas, puras y simples.

Abundancia de los elementos (%) Elementos Corteza terrestre Hidrósfera

Corteza, hidrósfera, atmósfera

Conjunto de toda la Tierra

Oxígeno

46.46

85.79

49.40

27.71

Silicio

27.61

-

25.69

14.53

Aluminio

8.07

-

7.50

1.79

Hierro

5.06

-

4.71

39.76

Calcio

3.64

0.05

3.39

2.52

Sodio

2.75

1.14

2.63

0.39

Potasio

2.58

0.04

2.40

0.14

Magnesio

2.07

0.14

1.93

8.69

Hidrógeno

0.14

10.67

0.87

8.69 -

Titanio

0.62

-

0.58

-

Cloro

0.05

-

0.19

-

Fósforo

0.12

-

0.11

-

Carbono

0.09

-

0.08

-

Manganeso

0.09

-

0.08

-

Azúfre

0.06

_

0.056

-

Observa y responde ¿Cuáles son los dos elementos más abundantes de la corteza terrestre? ¿Cuáles son los elementos más abundantes en la hidrósfera?

En la tabla se observa que doce elementos constituyen el noventa y nueve por ciento de la corteza, la hidrósfera y la atmósfera. ¿cuál es el nombre de estos

elementos?

En el conjunto de toda la tierra el elemento más abundante es el hierro. ¿Cuáles son los elementos de la materia viva que no se encuentran en la tabla?

Ciencias Naturales •

129

Compuestos

Los átomos se unen para formar las sustancias puras: elementos y compuestos.

Los compuestos, están formados por distintos tipos de átomos. El número de elementos es muy limitado, en cambio, es imposible contar el número total de

compuestos.

Muchos compuestos se encuentran formando parte de los seres vivos y de la materia inerte. Actualmente se obtiene gran cantidad de compuestos en los

laboratorios y en las industrias.

Cada uno de los medio de una

compuestos conocidos tiene un nombre y se representa por fórmula.

Las fórmulas

nos dan la información de los elementos

que los forman.

Diferencias entre una mezcla y un compuesto.

Una mezcla está formada por distintas sustancias puras, elementos o compuestos;

en cambio, un compuesto es una sustancia pura y única.

Los compuestos son

homogéneos, es decir, tienen la misma composición y

propiedades en todas sus partes; las mezclas pueden ser heterogéneas u

homogéneas.

Para hacer una mezcla de dos o más sustancias puras, puedes tomar cualquier cantidad de cada una de ellas, por ejemplo, en un litro de agua, puedes disolver distintas cantidades de azúcar; los compuestos tienen siempre la misma composición y el número de átomos que se unen de cada elemento, mantienen siempre la misma relación (más adelante estudiarás soluciones o disoluciones.)

Las técnicas para descomponer un compuesto no son las mismas que se usan para separar los componentes de una mezcla, por ejemplo, para descomponer una mezcla se usan la filtración, centrifugación, destilación; una de las formas para descomponer un compuesto es por acción del calor, pues la energía debe ser suficiente para separar los átomos de los distintos elementos que lo componen.

130

• Módulo 4

Sistemas dispersos y coloidales

Las capas de la atmósfera, al ser una combinación de gases con sólidos, forma un sistema coloidal

Coloides En la vida diaria tratas con materiales mixtos, haciendo mezclas y para ello, empleas solutos y disolventes; en otros casos, por ejemplo, cuando el ganadero hace cuajada emplea

partículas dispersas las cuales son esparcidas en otro

medio al que llamas medio dispersante. De donde deriva la necesidad de conocer los efectos que produce una sustancia pura o mezclada con un segundo o tercer

componente.

En tu carpeta de aprendizaje, debes hacer un glosario de palabras nuevas o desconocidas para ti. Además, debes buscar su significado o definición.

Has de recordar que la materia se presenta en tres estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. Sin embargo, ya habrás conocido y palpado materiales como aceites, gelatinas, leche, mayonesa, pinturas crema de manos, claras de huevo y otros materiales parecidos. Te has preguntado, en alguna ocasión ¿en qué estado físico se encuentran dichas sustancias? acaso, no pueden clasificarse como

sólidos, líquidos o gaseosos ¿por qué?

Ciencias Naturales •

131

Investiga quién fue Thomas Graham y cuáles fueron sus observaciones más sobresalientes.

La materia puede clasificarse también en mezclas que pueden ser homogéneas o heterogéneas y forman diferentes soluciones. Las soluciones son homogéneas pero pueden tener una composición variable que por lo general, está dentro de ciertos límites. Existen mezclas que no son definidamente ni una ni la otra cosa, por lo tanto, se consideran intermedias y reciben el nombre de coloides.

Los coloides son un puente de unión entre la materia que está dispersa en una solución y la que está en una suspensión. En una solución, la dispersión de las partículas es homogénea y éstas no se sedimentan cuando la solución se deja en reposo, porque puede ser que se encuentren unidas parcialmente a las moléculas del disolvente. En una suspensión, las partículas no están unidas a las moléculas del disolvente y sí, se sedimentan, cuando la suspensión se deja en reposo. En los coloides, las partículas dispersas no están unidas en forma apreciable a las moléculas del disolvente, pero no se sedimentan cuando el coloide se deja en reposo.

• Deduce, entre los alimentos que ingieres cotidianamente, los medicamentos, o productos que compras para uso personal, cuáles puedes clasificar como coloides y por qué. Haz una lista identificando, en cada uno de ellos, la partícula dispersa y el medio dispersante.

Las partículas en los coloides se encuentran dispersas sin que estén unidas en forma apreciable a las moléculas del disolvente al dejarlas en reposo.

Las partículas dispersas (fase dispersa) son las partículas coloidales, similares al soluto de una solución. El medio dispersante (fase dispersante) es la sustancia en la cual están distribuidas las partículas coloidales, similar al disolvente en una solución. La leche es un ejemplo de un coloide; la grasa de la leche forma las partículas dispersas y el agua es el medio dispersante.

En los coloides, las partículas suspendidas son moléculas o agregados moleculares, más grandes que las que se encuentran en las soluciones; pero más pequeñas que las que están en las suspensiones.

Coloide : es cuando las partículas de una mezcla homogénea tienen aproximadamente un tamaño de diez a diez mil veces mayor que los átomos y

132

• Módulo 4

moléculas, entonces tienes un sistema coloidal. En lugar de hablar de solvente y soluto, se acostumbra usar los términos: fase dispersora y fase dispersa.

Tipos de coloides Es frecuente clasificar los coloides según el estado de agregación de sus elementos integrantes, así como también por el tamaño de las partículas que lo integran.

Las clases más importantes de coloides son: Los soles: un sol está constituido por un sólido disperso en un líquido, la leche

de magnesia es un ejemplo de sol.

La pintura es un ejemplo de un coloide tipo sol, pues se mezcla un sólido con un

líquido Las emulsiones:

son líquidos que se han dispersado en otro líquido, así la leche

formada por glóbulos de grasa dispersos en una solución acuosa.

Los geles:

aquí los líquidos se encuentran dispersos en los sólidos, son tipos

especiales de coloides, como las jaleas y las gelatinas.

Aerosoles:

coloides que puedes dividir en

aerosol líquido, que es un líquido

disperso en un gas, ejemplo: la niebla al amanecer o la atomización del perfume; aerosol sólido,

es un sólido disperso en un gas, ejemplo:

el humo del cigarro

(sólido) disperso en el aire (gas).

Según las definiciones que ya estudiaste, clasifica los dibujos del cuadro, de acuerdo al tipo de coloide que le corresponda.

Ciencias Naturales •

133

Reflexiona ¿Que venenos conoces que forman aerosoles? ¿Usas estos tipos de coloides? ¿Qué daño ocasionan a la salud del ser humano y demás seres vivos? ¿Qué haces o piensas hacer para resolver este problema? Dibuja en tu cuaderno de reflexiones tres situaciones, relacionadas con

este problema y explícalas.

Los coloides poseen su propio estilo Los coloides tienen otras propiedades peculiares que los identifican Efecto de movimiento (movimiento browniano) Si observas un coloide, con un ultramicroscopio de fondo oscuro, ves los reflejos de las partículas coloidales en un movimiento rápido y continuo, en zig-zag, debido al choque las partículas dispersas con las partículas del medio dispersante.

Fenómeno que no se observa en una solución. Este efecto de movimiento de los

coloides, es una razón por las que las partículas coloidales cuando se dejan en reposo.

no se sedimentan

El hecho fue bautizado como movimiento browniano, en honor a su descubridor

Robert Brown.

Efecto Tyndall ( o efecto óptico) Propiedad óptica de los coloides, principalmente en los soles, que consiste en la difracción de los rayos de luz que pasan a través de una disolución coloidal. Así como cuando la luz se difracta en las partículas de polvo y aparecen en el haz, pequeñas y brillantes manchitas de luz que producen un

haz visible de luz. A

este fenómeno se le llamó Efecto Tyndall, después que el físico británico John

Tyndall lo investigó en forma exacta en 1869.

Efecto de carga eléctrica Las micelas (partículas coloidales) presentan cargas eléctricas positivas o negativas. Cuando estas micelas se trasladan en masa por su movimiento browniano, al polo positivo, se llaman anaforesis. Pero si lo hacen hacia el polo negativo, se llamara

cataforesis. A este fenómeno coloidal eléctrico de le da el

nombre de electroforesis.

134

• Módulo 4

Si los coloides poseen cargas eléctricas iguales se repelen, evitando que las partículas se unan y se sedimenten, logrando así la estabilidad. Pero si es todo lo contrario, por ejemplo, cuando en un río las partículas cargadas en forma negativa entran en contacto con el océano que tiene partículas con cargas positivas,

la suciedad se deposita, formando un fértil delta del río.

Diferentes tipos coloidales fase dispersa

medio dispersante

gas

líquido espuma

gas

sólido

espuma

sólida

aerosol líquido

líquido gas

líquido líquido

líquido

nombre

emulsión

sólido

sólido gas sólido líquido

gel aerosol sólido humo sol

sólido sólido sol sólido

ejemplo espuma de las cremas de afeitar, nubes. hule espuma, Styrofoam, marca registrada. niebla, bruma. leche, emulsión de aceite mineral en agua, crema de manos. gelatina; algunas geles para el cabello. polvo, humo. pinturas de látex. el rubí, la turquesa, el granate.

Analiza el cuadro de los sistemas coloidales y contesta:

¿Cuáles productos alimenticios se pueden considerar coloides? ¿Cuáles son materia prima para la industria o la construcción? ¿Cuáles son contaminantes ambientales?

Agrega a tu listado, nuevos coloides que ya conozcas o que cumplen con las características antes descritas.

Ciencias Naturales •

135

Los coloides ¿buenos o malos?

En la naturaleza existen procesos de contaminación, hasta cierto punto necesarios para mantener el equilibrio natural, por ejemplo: polen, polvo, partículas procedentes de incendios forestales, cenizas volcánicas y sustancias emitidas

por algunas plantas.

El mayor problema es ocasionado por el ser humano, su actividad de producción y estilo de vida que no está en armonía con los procesos biológicos naturales. La mayoría de contaminantes que producen son incoloros e inodoros y totalmente

invisibles, pero algunos son visibles y presentan olores desagradables.

Con ayuda del/a tutor/a investiga y clasifica la mayor cantidad de coloides que sean contaminantes, ya sea, naturales o artificiales (producidos por el hombre), elabora un reporte y además lo tendrás que socializar en la clase, apoyándote con papelógrafos bien elaborados que incluyan dibujos y teoría.

Contaminación del aire en oficinas y casas De todos(as) es conocido que la industria y los automotores son grandes fuentes de contaminación ambiental, pero; ¿estarás tú, contribuyendo a la contaminación

de tu medio ambiente?

La industria libera a la atmósfera partículas de asbesto sólidas, polvos inorgánicos –plomo, cromo, arsénico, fibras sintéticas y naturales, gases como óxidos de nitrógeno-NO, NO - bióxidos y trióxidos de azufre -SO y SO - monóxido de 2

2

3

carbono -CO- e hidrocarburos -HC-, entre otros.

En tu casa, qué actividades son o pueden ser contaminantes: el fumar, el uso de las refrigeradoras, el aire acondicionado del carro de la oficina o centro comercial ¿cocinas con leña en tu casa? ¿usas, perfumes en aerosol o barras? ¿Qué tipo de insecticidas o desinfectantes utilizas en el hogar o trabajo? ¿Conoces alguna enfermedad causada por gases? ¿En tu familia, ya se han enfermado a causa de

la contaminación atmosférica?

136

• Módulo 4

Efectos de los principales contaminantes atmosféricos contaminante características

Partículas sólidas y Macromoléculas (Moléculas de mayor tamaño y

complejidad)

Monóxido de carbono

Óxidos de azufre

líquidas de diferen-

tes diámetros: polvo, humo, cenizas, bruma y aerosoles.

Gas incoloro e inodoro

Gas irritante, pesado e incoloro.

Gas tóxico e incoloro, el bióxido

Óxidos de nitrógeno

es gas de coloración

origen

Quema de madera, pulverizaciones industriales, condensación del vapor de agua, acción de la luz solar sobre el humo de los autos

Combustión incompleta, vulcanismo, fermentaciones en pantanos.

Combustión de carbón y gasolina.

Combustiones a temperaturas muy altas y se oxida en presencia de hidrocarburos y la luz

efectos Penetran profundamente en las partes del pulmón humano que no están protegidas por mucosidades. Su acumulación empeora los problemas de salud en las vías respiratorias: cáncer de pulmón, enfisemas y bronquitis crónica.

Produce dolores de cabeza, cansancio, confusión y mareo. Impide el transporte de oxígeno en la sangre. En grandes concentraciones causa la muerte.

Se combina con el vapor de agua, formando ácido sulfúrico, muy corrosivo, daña el aparato respiratorio humano, principal componente de la lluvia ácida.

Gases venenosos que producen el smog fotoquímico, múltiples efectos en las vías respiratorias.

marrón amarillenta solar.

Ozono (Molécula formada por tres átomos de oxígeno ) Hidrocarburos (Son compuestos orgánicos formados por hidrógeno y carbono) CFC Clorofluoro carbonados

Subproducto altamente tóxico.

Procedente del proceso fotoquímico.

Presentes en el petróleo, gas natural y carbón

Incompleta combustión de la gasolina. Evaporación de gasolina.

acondicionado y refrigeradores.

Produce tos, ahogo, cansancio severo y dolores de cabeza. Perjudicial a las hojas de las plantas, y tejidos vegetales.

Tienen propiedades cancerígenas, teratogénicas y mutagénicas.

Aerosoles, aire Perforaciones de la capa de ozono.

Resumen elaborado a partir de: Castellanos Malo, J: S:(1984); Aranda Gámiz, J. (1992) y UNESCO-PNUMA (1993).

Ciencias Naturales •

137

En la atmósfera y en la biósfera existen o se encuentran diferentes disoluciones gaseosas

Solutos y solventes Conocimientos previos al tema Realiza la siguiente experiencia, solicita la ayuda del/la tutor/a, y sigue los pasos a continuación 1. Afora con agua, un vaso de vidrio a la mitad.

2. Disuelve una cucharada de sal en el agua.

3. Observa con atención y contesta.

• Identifica y dibuja, el soluto y el solvente • ¿Qué es soluto? ¿Qué es el solvente?

• ¿De qué otra forma puedes llamar la mezcla de agua con sal?

• Si contestaste solución, escribe una definición y toma en cuenta la experiencia realizada.

• Al comparar una azucarada, limonada, horchata y café, ¿serán soluciones

homogéneas? ¿por qué?

• Tomando en cuenta los tres estados de la materia, dibuja cinco ejemplos de soluciones y escribe una breve explicación del por qué las consideras

soluciones.

138

• Módulo 4

Experimenta con tus compañeros/as

• Formar grupos de trabajo mixtos de cinco personas.

• Organízate para conseguir los materiales y reactivos.

• Deberás designar tareas dentro del grupo, coordinador, secretario, relator y monitor del tiempo.

• Al final, deberás socializar los resultados y explicar los términos entre tus compañeros/as o tu tutor/a, los cuales escribirán en un reporte. Auxíliate de papelógrafos o en última instancia del pizarrón.

• Demuestra tus actitudes de cooperación y responsabilidad.

• Trata con educación al tutor/a y a tus compañeros/as.

Materiales

Reactivos/ una cucharadita de:

• Diez vasos o botes de vidrio de 500 ml.

• sal

• Una bolsa plástica de cinco libras.

• Una paleta de madera para mezclar los compuestos

• azúcar • agua • café en polvo • lejía • vainilla • aceite • gasolina

Desarrollo 1. Afora con una taza de agua, ocho de los diez frascos.

2. En cada uno de ellos, vierte una cucharadita de los reactivos.

3. Mezcla con la paleta y observa.

4. Qué coloraciones tomaron las mezclas.

5. Con tus dedos índice y pulgar, siente la textura de cada mezcla.

6. Percibe cada olor.

7. Haz un cuadro comparativo con estos datos.

Ciencias Naturales •

139

8.Sí ya resolviste lo anterior, agrega al primer frasco, una cucharadita de sal y dilúyela.

9. Tendrás que hacer lo mismo con los demás frascos.

10.Anota nuevamente el color, olor y textura para cada frasco en el cuadro.

11.Observa si hay diferencias de colores entre una y otra muestra. Vuelve a sentir la textura y olores de cada una.

Ahora responde • ¿Qué solutos son solubles en agua?

• ¿Qué solutos no son solubles en el agua?

• ¿Puedes afirmar que el agua es un excelente disolvente? ¿Por qué?

• Entonces: ¿Qué es un soluto? y ¿Qué es un solvente?

• ¿Será lo mismo decir solventes que disolventes? ¿Por qué?

Para tomar en cuenta Una solución

es completamente homogénea. Está formada por dos o más

sustancias puras y su composición puede variar por lo general dentro de ciertos límites. Se considera que las soluciones son mezclas de un soluto y un disolvente que están unidos en forma débil. El soluto por lo general es el componente que está en menor cantidad y el

disolvente es el que está en mayor cantidad. El

soluto se disuelve en el disolvente, cualquiera que sea su estado físico; entonces

se considera que el soluto es soluble en el disolvente.

Soluciones

=

Disoluciones

Las soluciones pueden existir en cualquiera de los tres estados físicos de la materia; los tipos más comunes son: un gas en un líquido, un líquido en un

líquido y un sólido en un líquido, como detallamos a continuación.

140

• Módulo 4

Tipos de soluciones Soluto Disolvente Solución Gas

Ejemplos Bebidas carbonatadas (dióxido de carbono en solución acuosa)

Líquido Líquido

Gas

Gas

Gas

Aire

Gas

Sólido

Sólido

Hidrógeno de platino

Líquido

Gas

Gas

Vapor de agua en aire Anticongelante en el radiador del automóvil (etilén glicol en agua)

Líquido Líquido Líquido

Líquido Sólido Sólido Empastes dentales (mercurio deplata) Sólido Líquido Líquido Azúcar Sólido

Sólido

Sólido

Sólido

Gas

Gas

en agua Soldadura (estaño en plomo) Vapor de yodo en aire

Pon en práctica lo que has aprendido. Auxiliándote del cuadro anterior y la teoría antes estudiada, debes ampliar bajo tus propios razonamientos los ejemplos de soluciones que existen

y que conoces, además, deduce nuevas soluciones que puedas encontrar. Puedes pedir apoyo al tutor(a), consultar libros de texto, revistas, u otro material didáctico

Para ayudarte en tu tarea, puedes tomar como base las siguientes preguntas: ¿Cuáles disoluciones líquidas son de uso común en el hogar? ¿Qué tienen que ver las monedas con las disoluciones sólidas?

Aparte de los ya vistos, ¿Qué otros ejemplos de soluciones gaseosas conoces?

En tu trabajo, ¿utilizan materiales que han sido fabricados a través de mezclas, como las estudiadas? ¿Cuál es el disolvente de esas disoluciones?, ¿Cuál es el soluto de cada una de

ellas?

Ciencias Naturales •

141

¿Qué tipos de aleaciones conoces? ¿Son estas aleaciones disoluciones, cuáles sí, cuáles no? ¿Alguna vez has comprado una disolución metálica pensando que era un metal

puro? ¿Cómo te gusta, ralito o espeso? (las concentraciones de las soluciones)

Concentraciones en las soluciones Los términos diluidos y concentrados se utilizan para expresar concentraciones relativas, pero no tienen un significado cuantitativo exacto. Una solución con

mayor cantidad de soluto que otra, se dice que está más concentrada.

Por el contrario, aquella con menor cantidad de soluto se dice que está

diluida.

Como en el esquema anterior.

La concentración de una solución es la cantidad de soluto contenido en una

cantidad determinada de solución o de solvente.

Expresión de la concentración en unidades físicas 1. Tanto por ciento: Indica los gramos de soluto contenidos en cien gramos de solución. Si quieres calcular la concentración de una solución sigue el ejemplo.

142

• Módulo 4

primero: disuelve 30 gramos (g) de azúcar de mesa (glucosa) en 125 g de agua. segundo: ya disuelta tienes una concentración en tanto por ciento en peso. tercero: encuentra el peso total de la solución.

30 g de azúcar =

+

125 g de agua

155 g de solución

cuarto: Buscando el porcentaje en peso 30 g de azúcar 155 g solución =

=

100 g de solución

19.35 % de azúcar

La solución presenta una concentración de 19.35 % de peso de azúcar.

2. Molaridad: es el número de moles de soluto contenidos en un litro de solución.

Una solución 1 molar (M), es aquella que contiene una mol de soluto por litro de

solución. Ejemplo. primero: define el soluto ( para este ejemplo cloruro de sodio, NaCl) segundo: busca el valor atómico de cada elemento en la tabla periódica y súmalos.

Na = 23.0 g Cl = 35.5 g .

58.5 g tercero: un mol de cloruro de sodio (NaCl) es igual a 58.5 gramos. El peso de 1 M = 58.5 g cuarto: Si tienes 20 g de sal (una cucharada), conviértelos a moles, así; n = 20 g de NaCl x 58.5 g de NaCl

1 mol de NaCl

n = 0.34 moles de NaCl Esta respuesta nos indica el número de moles en 20 g de sal común.

Ciencias Naturales •

143

quinto: para determinar la molaridad usa la siguiente fórmula.

M = Número de moles soluto Volumen M =

0.34 moles 0.5 L

M =

0.68 moles

Este procedimiento te indica que la concentración de sal común que existe en medio litro de agua es de 0.68 moles ó 0.68 molar.

Experimenta con tus compañeros/as, clasificando las siguientes concentraciones como saturadas, insaturadas o sobresaturadas y encuentra, para cada solución, su tanto por ciento y su molaridad. Trata de ser lo más exacto cuando midas o peses las diferentes cantidades de sal y agua.

Materiales

Reactivos

3. botes de vidrio

1 libra de sal

1.

1.

1.

1.

1 pichel de agua

cuchara paleta de madera pichel pequeño taza

Procedimiento 1. Enumera cada bote de vidrio, uno, dos y tres.

2. A los tres botes, afóralos con una taza de agua.

3. Al bote uno, agrégale una cucharada de sal.

4. En el bote dos, diluye tres cucharadas de sal.

5. Al último bote agrega cinco cucharadas de sal.

6. Agítalos con la paleta durante diez segundos y déjalos reposar.

7. Observa y anota los resultados.

144

• Módulo 4

8. Si observas nuevamente los frascos, es posible que veas algún residuo en el fondo, agítalos nuevamente y déjalos reposar, ¿qué observas, qué opinas?

Transformación química de la materia Objetivo Comprender procesos básicos de transformación química de la materia, tipos de reacciones y factores de velocidad de reacción, así como validar tus cambios,

actitudes y desempeño en estos contenidos.

La transformación química de un material también se denomina reacción química, en la cual se alteran las propiedades iniciales de la materia, formando nuevas sustancias ejemplo, al quemar leña, encender un fósforo, mezclar sal

con limón.

Una reacción es un proceso químico en el cual unas sustancias llamadas reactivos, se transforman en otras nuevas, llamadas productos y se simbolizan

de la siguiente manera sustancia A

+

sustancia B

productos reacción

Una reacción se caracteriza por: 1. Cambio de las propiedades de los cuerpos reaccionantes. En su mayoría

son irreversibles.

En otras transformaciones, no se altera la composición química.

Son cambios físicos los siguientes: cambios de estado (evaporación del agua).

Cambios de posición y de forma, sales disueltas por la lluvia, etc.

Ejemplos de cambios químicos: una fruta podrida, un huevo cocido, fibra sintética, plásticos, colorantes, detergente, ceniza de leña. En éstos, se obtienen sustancias distintas a las iniciales, o sea que los productos son diferentes a los reactivos.

1. Una variación de energía: si la reacción libera energía al formar los productos (la energía es menor que en las sustancias reaccionantes); en este caso la reacción

se llama exotérmica.

Ciencias Naturales •

145

Cuando la energía es mayor en los productos que en los reaccionantes, existe absorción de energía y tenemos una reacción endotérmica.

En una reacción química, los diferentes reactantes se unen y juntos forman un producto que se equilibra cuantitativamente y se cumplen los principios químicos

siguientes: 1. Según Antoine Laurent de Lavoisier y su ley de la conservación de la materia, la cantidad de átomos-masa de los reactantes debe ser igual a la de los productos en una reacción. Esta ley se relaciona con la primera ley de la

termodinámica (unidad tres).

2. Para Luís Joseph Proust y su ley de las proporciones definidas, las sustancias reaccionan según las relaciones de peso fijas e invariables. Estas proporciones fijas vienen representadas en la ecuación química mediante los coeficientes

estequiométricos.

Clases de reacciones químicas Nombre

Definición

Combinación o síntesis

Se unen dos o más sustancias para formar otras sustancias por reagrupación de átomos.

Descomposición

A partir de un compuesto se producen dos o más sustancias

De Desplazamiento o Sustitución

Un elemento sustituye y libera

De intercambio o doble sustitución

Dos compuesto intercambian elementos y se producen dos o más compuestos.

a otro elemento presente en un compuesto.

Tipo de reacción

AB A+B

AB

A+B

A + BC

AC + B

AB + CD

AC + BD

Diferentes clases de reacciones con sus definiciones y explicaciones literales.

146

• Módulo 4

Traslada el literal correcto al paréntesis correspondiente para completar la ecuación química. Auxíliate del cuadro anterior.

a) b) c) d)

e) f) g) h)

2H + O 2

( ) NaCl + H O

2

2

CaCO 2NaI + Br HCl + NaOH 3

2

3H + N 2HgO 2

2

Fe + CuSO Na + AgNO 4

3

( ( ( ( ( ( (

) ) ) ) ) ) )

2NaBr + I CaO + CO 2H O 2Hg +O 2NH NaNO + AgCl FeSO + Cu 2

2

2

2

3

3

4

Compara tus resultados con los de tus compañeros/as, consulta algún libro de química y selecciona reacciones químicas que corresponden a cada uno de los

cuatro grupos de reacciones planteadas.

Investiga qué se obtiene al calentar agua y agregar lentamente sulfato de cobre. ¿Cuál será la reacción química?

Velocidad de reacción; factores que la determinan La velocidad de una reacción química, es la rapidez a la cual se forman los productos o se consumen los reactivos.

Los factores que afectan la velocidad de una reacción química son 1. Superficie de contacto 2. Catalizadores 3. Concentración de los reactivos 4. Temperatura Ciencias Naturales •

147

Superficie de contacto Entre más finamente divididos están los reactivos, se aumenta la superficie de contacto, con lo cual también aumentan los choques moleculares y la velocidad

de reacción.

En las disoluciones acuosas y gaseosas, el aumento de la superficie de contacto, facilita el movimiento continuo de las moléculas de los fluidos, por lo cual se

mezclan íntimamente.

Ejemplo: en disolución, el ácido sulfúrico reacciona con el hidróxido de bario,

con lo cual se produce un precipitado instantáneo de sulfato de bario H SO (l) + Ba (OH) (ácido sulfúrico + hidróxido de barrio 2

4

2

BaSO (S) + 2H O sulfato de bario + agua) 4

da

2

Catalizadores Son sustancias que aumentan o disminuyen la velocidad de una reacción. Su función es modificar la energía de activación, con lo cual varía la velocidad del proceso, pero en ningún momento se modifica el estado de equilibrio del sistema.

Un catalizador es positivo, si aumenta la velocidad y negativo, si la disminuye.

Las enzimas digestivas son claros ejemplos de catalizadores en los seres vivos.

enzimas

reacciones químicas- biológicas

velocidad

Los catalizadores son sustancias biológicas que aumentan la velocidad de reacción en todos los procesos del metabolismo donde se genera energía

148

• Módulo 4

Actividad: con el método del tanto por ciento, prepara cuatro soluciones, usando hipoclorito de sodio (lejía); en el primer bote de vidrio, elabora una solución al 5% de hipoclorito de sodio; en el segundo al 20%; en el tercero, deberá ser al 60% y en el último, hipoclorito puro.

Introduce en cada frasco un trozo de tela color oscuro y una moneda de un centavo de dólar. Déjalos reposar y empieza a realizar la siguiente experiencia.

Usa tres frascos de vidrio transparente, rotula cada uno con viñetas, así: agua helada, de tiempo y caliente. Disuelve en cada una, un sobre de café instantáneo, observa y anota.

¿En cuál de los tres frascos, el café se diluye fácilmente? ¿Por qué? ¿Qué sucede con el café en el agua helada? Explica.

Regresa a la primera experiencia • ¿Cuál solución está más concentrada?

• Al aumentar la concentración de los reactivos, ¿qué acelera la velocidad de reacción de la moneda y el trozo de tela?

• ¿Qué sucede con el trozo de tela? Explica • ¿Notas algún cambio en la moneda?

Temperatura Al aumentar la temperatura siempre hay un aumento en la velocidad de reacción, y se debe a dos factores 1. Al aumentar la temperatura incrementa el movimiento de las moléculas, lo que produce más choques por unidad de tiempo (revisa el concepto de energía

cinética en la unidad tres).

2. Las moléculas se cargan de mayor energía, con lo cual aumenta el número de moléculas activadas.

Confirma que la energía está presente en cualquier

fenómeno natural.

Ciencias Naturales •

149

Reflexión En la actividad anterior revisa la experiencia de la solución del café en agua fría, caliente y al tiempo. ¿Qué proporcionalidad existe entre la temperatura y la

velocidad de reacción, directa o inversa? ¿Cuáles de los cuatro factores que determinan la velocidad

de reacción, están inherentes en la actividad anterior?

Ilustra, para cada parte de la actividad, el procedimiento

seguido según lo has comprendido.

Equilibrio químico

Equilibrio químico es el estado final de una reacción reversible, en el cual las concentraciones de las sustancias son constantes Analiza las siguientes reacciones CaCO (S) carbonato de calcio 3

CaO(S) + CO (G) óxido de calcio + dióxido de carbono

CaO(S) + CO (G) óxido de calcio + dióxido de carbono 2

2

CaCO (S) carbonato de calcio 3

Se puede ilustrar el equilibrio químico introduciendo una muestra de carbonato de calcio en un recipiente cerrado a 850ºC, en esas condiciones, parte del carbonato de calcio se descompone, tal como se muestra en la primera reacción.

150

• Módulo 4

Se puede ilustrar el equilibrio químico introduciendo una muestra de carbonato de calcio en un recipiente cerrado a 850ºc., en esas condiciones, parte del carbonato de calcio se descompone, tal como se muestra en la primera reacción.

A medida que aumenta la concentración de bióxido de carbono en la fase gaseosa, parte de las moléculas de CO , reaccionan con el óxido de calcio; finalmente, las velocidades de esas dos reacciones opuestas llegan a ser iguales: la concentración de bióxido de carbono no cambia con el tiempo y se alcanza el equilibrio 2

químico.

De tus conocimientos previos, compara equilibrio químico, mecánico, térmico,

etc.

Constante de equilibrio químico Ke Para cualquier sistema químico, la constante de equilibrio (ley de equilibrio químico) se obtiene calculando el cociente del producto de las sustancias del segundo miembro de la ecuación (productos), entre el producto de las concentraciones de las sustancias del primer miembro de la ecuación (reactivos); teniendo en cuenta que cada concentración, estará elevada a una potencia, igual que el coeficiente de las respectivas sustancias, en la ecuación química igualada.

Explicación La ecuación química general

aA + bB

cC + dD

primer miembro

segundo miembro

(C) (D) Ke=

es la siguiente:

(A)

lee detenidamente el párrafo anterior y coloca los exponentes de cada literal.

(B)

Ejemplo: PCL5

Ciencias Naturales •

(PCL3) (CL2) PCL3

+

Entonces Ke=

(PCL5)

151

Disociación del agua Antes del descubrimiento de la corriente eléctrica, algunas sustancias como la cal (óxido de calcio) o la sílice (dióxido de silicio), eran consideradas elementos, ya que no se descomponían por calentamiento. La corriente eléctrica permite la descomposición de varios compuestos y eso es un gran avance en la obtención

de nuevos elementos.

La primera sustancia que se descompuso por electrólisis fue el agua; las partículas que en la disolución se desprenden, reciben el nombre de iones. Estas partículas son átomos o grupos de ellos cargados eléctricamente, es decir, que han perdido electrones (iones positivos = cationes) o ganado electrones (iones negativos =

aniones).

La electrólisis consiste en hacer pasar la corriente eléctrica por un líquido con-

ductor llamado electrolito.

El agua realmente es un electrolito débil que se disocia así: H O en el agua pura y en toda la disolución acuosa, existe este equilibrio, con la 2

+

H+

OH-

siguiente condición (H+) (OH-) = K

(K=constante de equilibrio)

(H O) 2

Si las disoluciones son diluidas, la concentración del agua no disociada puede

considerarse constante y se expresa así: (H+) (OH-) = (H O) k = ka 2

Esta constante (Ka) se denomina constante de disolución o producto iónico del

agua, y su valor es 1.0 x 10-14 a 25ºc.

Potencial de hidrógeno o PH Si las disoluciones que se utilizan son de baja concentración, es conveniente utilizar la magnitud química PH para expresar

la concentración de H+ (iones

hidrógeno) y eso se conoce como:

152

• Módulo 4

potencial de hidrógeno = PH

Ka = constante del agua H+ = catión de hidrógeno OH= anión [ ] = concentración

El PH es importante en la medicina para medir la acidez o bacisidad de los líquidos corporales; (sangre, saliva, orina, sudor, etc.); en la agricultura se mide

el PH del suelo.

El PH de una solución acuosa se puede encontrar con el logaritmo negativo de la

concentración de iones de hidrógeno expresados en moles por litro PH = -log 1/[H+] ,o sea, [H+] = 10–PH En el agua la concentración de hidrógeno es 1.0 x 10-7 M luego el PH es 7.

También se puede demostrar así PH = -log 1/[H+] Para el caso del agua pura tienes [H+] = [OH-] = 1 x 10-7 mol/litro y es neutra PH = -log H+ PH = -log(120-7) entonces PH = 7

Todas las disoluciones neutras tienen un valor de PH = 7, mientras que el PH de las disoluciones ácidas es menor que 7, y el de las básicas, mayor que 7.

Autoevaluación 1. Escribe dos ejemplos de cada sistema coloidal geles soles emulsiones aerosoles ________________ _________________ _________________ ________________ ________________ _________________ _________________ ________________ 2. Escribe los cuatro estados físicos de la materia __________________,____________________,____________________,__________________

Ciencias Naturales •

153

3. Escribe las partes de un átomo ______________________________________________________________________________ 4 ¿Cuál es una diferencia entre mezcla y compuesto? _______________________________________________________________________________

5. ¿Qué tipo de disolución son las monedas? _______________________________________________________________________________

6. Otro nombre para una transformación química es ______________________________________________________________________________

7. ¿Qué nombre recibe la reacción química si hay liberación de energía? ______________________________________________________________________________

8. ¿Cuál es el PH del agua? ______________________________________________________________________________ 9. Escribe los cuatro factores que determinan la velocidad de una reacción química ___________________,___________________, __________________, ___________________ 10. Indicación: escribe en el paréntesis respectivo el número de la reacción

química correcta 1. combinación o síntesis 2. desplazamiento o sustitución 3. de intercambio o doble sustitución 4. descomposición o análisis

( ( ( (

) ) ) )

A + BC AB A+B AB + CD

AC + B A+B AB AC + BD

Glosario Aerosol:

dispersión de un sólido en un líquido o en un gas.

Átomo:

partícula de la materia, divisible en protones, neutrones, electrones y Kuarts.

154

• Módulo 4

Catalizador químico:

sustancia que aumenta o disminuye la velocidad de reacción.

Coloide:

estado físico intermedio de la materia .

Compuesto:

sustancia formada por distintos tipos de átomos.

Concentración de una solución:

cantidad de soluto contenido en una cantidad determinada de solución o de solvente.

Diálisis:

propiedad de un líquido de atravesar membranas porosas

Disolución:

mezcla homogénea de dos o más componentes.

Elemento:

sustancia pura más simple que se conoce.

Emulsión:

dispersión de un líquido en otro.

Iones:

partículas que, en una disolución conducen la corriente eléctrica.

Molécula: Movimiento browniano: Osmosis:

grupo de átomos; pueden ser sencillos y complejos.

movimiento rápido y continuo en los coloides. paso recíproco de líquidos de diferente densidad a través de una membrana que los separa.

PH:

concentración de iones hidrógeno de una disolución.

Propiedad coligativa:

propiedad específica de algo en particular.

Soles:

sólido disperso en un líquido.

Soluto:

sustancia a diluir en un solvente.

Ciencias Naturales •

155

Solvente: Transformación química:

Transformación física:

sustancia en la cual se diluye el soluto de una disolución a prepararse. alteración de las propiedades iniciales de la materia y por lo tanto, es irreversible.

cuando no hay alteración química de la materia y por lo tanto es proceso reversible.

Bibliografía Julio César Poveda y C. Química 10. EDUCAR Editores, 1998 Michael J. Sienko y C. Química. Quinta edición. 1965. Aguilar S.A. Ediciones Madrid (España) Ministerio de educación, República de El Salvador, C.A. Programas de estudio

de Ciencias Naturales. primero y segundo año de educación media. 1998.

N Boixaderas y J.M.. Pastor, 1998. Física y química. ENTORNO. Ediciones Vivens

Vicens. Barcelona.

The national science fundation. Química, una ciencia experimental. Editorial

Reverté. S.A. 1966. Barcelona, Buenos Aires, México.

William. Masterton y Emil J. Slowinski. Química general superior. Tercera edición,

Editorial Interamericana 1968.

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• Módulo 4

โ ข Mรณdulo 4