9786075266282 Química I. 1a. Ed. Eduardo Martínez. Cengage

Martínez

Química I

Esta edición de Química I tiene como finalidad contribuir a incrementar el nivel de eficacia y eficiencia del proceso educativo y facilitar el trabajo docente mediante la incorporación de actividades de aprendizaje que contribuyan al desarrollo de competencias y habilidades socioemocionales, todo ello desde un enfoque interdisciplinario y de transversalidad.

ISBN-13: 978-607-526-628-2 ISBN-10: 607-526-628-3

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9 786075 266282

Eduardo J. Martínez Márquez

Química I

Entre las características del libro, destacan las siguientes: • Presenta los temas de química como herramienta de vida, interrelación entre materia y energía, modelo atómico y aplicaciones, tabla periódica, enlaces químicos e interacciones intermoleculares, nomenclatura de compuestos inorgánicos y reacciones químicas.

• Incorpora secuencias didácticas prácticas que sugieren el uso de herramientas tecnológicas de información y comunicación (TIC), así como instrumentos de evaluación para el seguimiento sencillo y ordenado del desempeño escolar.

• Contiene información relevante para adentrarse en los fundamentos de química, lo que permite fortalecer habilidades, destrezas y actitudes para conectar lo aprendido con la vida cotidiana.

• Considera abordar el conocimiento y articularlo de manera plural con las habilidades y actitudes que permitan generar a la par evidencias de aprendizaje.

• En el desarrollo de la obra se consideró la valiosa opinión de docentes y egresados del bachillerato, así como interesantes expectativas de estudiantes acerca de cómo debía ser el formato ideal de un libro de texto para el curso.

• Favorece que el estudiante adquiera no sólo conocimientos nuevos (saber), sino que aprenda a aprender (saber hacer) y aprenda que puede aprender (saber ser) para beneficio propio y de los demás (saber convivir).

Química I Eduardo J. Martínez Márquez Universidad Nacional Autónoma de México Revisión técnica: Jesús García Barrera Universidad del Valle de México, campus Lomas Verdes Ana Luisa S. Camacho Ojeda Colegio de Bachilleres, plantel 32, Acapulco Guerrero Patricia Ma. Román Cortés CEB 1, Centro de Estudios de Bachillerato

Química I, primera edición Eduardo J. Martínez Márquez Director Higher Education Latinoamérica: Renzo Casapía Valencia Gerente editorial Latinoamérica: Jesús Mares Chacón Editor Senior Hardside: Pablo Miguel Guerrero Rosas Coordinador de manufactura: Rafael Pérez González Diseño de portada: Anneli Daniela Torres Arroyo Imágenes de portada: @Shutterstock Composición tipográfica: Tsuki Marketing SA de CV

© D.R. 2018 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Carretera México-Toluca núm. 5420, oficina 2301.

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Datos para catalogación bibliográfica: Martínez Márquez, Eduardo J. Química I Primera edición ISBN: 978-607-526-628-2 Visite nuestro sitio web en: http://latinoamerica.cengage.com

Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 20 19 18 17

CONTENIDO

Bloque I Química como herramienta de vida ............................................................. 2 Concepto de química................................................................................................................................. 5 La química, una ciencia para la vida................................................................................................. 9 Historia de la química................................................................................................................................. 11 La química y su relación con otras ciencias.................................................................................... 13 Método científico......................................................................................................................................... 16 EL MÉTODO CIENTÍFICO EN LA VIDA COTIDIANA.......................................................................... 17

Bloque II Interrelación entre materia y energía............................................................ 26 Materia............................................................................................................................................................. 31 Características y manifestaciones de la materia............................................................................ 31 Propiedades intensivas y extensivas de la materia....................................................................... 32 Estado sólido......................................................................................................................................................... 35 Estado líquido....................................................................................................................................................... 36 Estado gaseoso..................................................................................................................................................... 36 Plasma...................................................................................................................................................................... 36

Transformaciones................................................................................................................................. 39 Cambio físico......................................................................................................................................................... 42 Cambio químico................................................................................................................................................... 42 Cambio nuclear..................................................................................................................................................... 42

Energía............................................................................................................................................................. 44 Tipos y transformación de la energía............................................................................................... 44 Energías limpias.................................................................................................................................... 46 Beneficios y riesgos del consumo de energía................................................................................. 49

iv

Química I

Bloque III Modelo atómico y aplicaciones .................................................................... 64 Modelos atómicos ......................................................................................................................................

70

Modelo atómico de Dalton .....................................................................................................................

71

Modelo atómico de Thompson.........................................................................................................

74

Modelo atómico de Rutherford ........................................................................................................

79

Modelo mecánico cuántico del átomo ............................................................................................

88

Partículas subatómicas: electrón, protón y neutrón ......................................................................

89

Número atómico ..................................................................................................................................

90

Número de masa..................................................................................................................................

90

Masa atómica .......................................................................................................................................

91

Configuraciones electrónicas y números cuánticos.......................................................................

94

Modelo de Bohr ..................................................................................................................................

94

Principio de incertidumbre ...............................................................................................................

96

Números cuánticos n, l, m, s ....................................................................................................

97

Principio de Aufbau, principio de Pauli y regla de Hund ............................................................. 100 Isótopos ..........................................................................................................................................................

106

Bloque IV Tabla periódica ................................................................................................. 122 Tabla periódica ............................................................................................................................................

127

Antecedentes históricos .................................................................................................................... 127 Clasificación de la tabla periódica: grupos o familias, periodos y bloques ............................

132

Metales, no metales y metaloides .................................................................................................... 144 Propiedades periódicas ............................................................................................................................

150

Radio atómico ...................................................................................................................................... 150 Energía de ionización ......................................................................................................................... 152 Afinidad electrónica............................................................................................................................ 152 Electronegatividad .............................................................................................................................. 153

Contenido

v

Bloque V Enlaces químicos e interacciones intermoleculares .................................. 164 Regla del octeto ...........................................................................................................................................

169

Estructuras de Lewis ........................................................................................................................... 169 Enlaces químicos .........................................................................................................................................

173

Tipos de enlaces químicos ................................................................................................................. 173 Enlace iónico .................................................................................................................................................

173

¿Cómo se forma el enlace iónico? .................................................................................................... 176 Propiedades de los compuestos iónicos ......................................................................................... 177 Enlace covalente polar y no polar .........................................................................................................

180

Estructuras de Lewis y electronegatividad..................................................................................... 180 Representación de enlaces covalentes mediante estructuras de Lewis................................... 181 Enlace metálico ............................................................................................................................................

186

Los electrones libres y la energía de ionización ............................................................................ 186 Propiedades de los metales............................................................................................................... 188 Fuerzas intermoleculares .........................................................................................................................

192

Interacciones dipolo-dipolo .............................................................................................................. 193 Dipolos inducidos................................................................................................................................ 194 Puente de hidrógeno .......................................................................................................................... 195 Características del agua ............................................................................................................................

196

Otros elementos que presentan puentes de hidrógeno ..............................................................

197

Bloque VI Nomenclatura de compuestos inorgánicos ................................................ 212 Nomenclatura de los compuestos inorgánicos (UIQPA y tradicional).....................................

217

Lenguaje de la química ...................................................................................................................... 217 Nomenclatura.......................................................................................................................................................

Nomenclatura tradicional de los compuestos inorgánicos ................................................................

Nomenclatura Stock...........................................................................................................................................

Nomenclatura sistemática ..............................................................................................................................

Escritura de fórmulas .........................................................................................................................................

220 221 221 221 223

vi

Química I

Moléculas simples...............................................................................................................................................

Compuestos binarios .........................................................................................................................................

225 226

ÓXIDOS METÁLICOS (ÓXIDOS BÁSICOS) ........................................................................................ 228 Óxidos no metálicos (óxidos ácidos) ............................................................................................... 228 Oxiácidos............................................................................................................................................... 231 Oxisales ...................................................................................................................................................................

233

Hidróxidos ............................................................................................................................................ 234 El siempre interesante monóxido de nitrógeno ......................................................................................

236

Hidruros metálicos .............................................................................................................................. 237 Sales binarias........................................................................................................................................ 237 Sales terciarias o superiores .............................................................................................................. 238

Bloque VII Reacciones químicas ........................................................................................ 252 Reacciones químicas ..................................................................................................................................

255

Ecuación química ........................................................................................................................................

256

Tipos de reacciones químicas .................................................................................................................

258

Reacciones de síntesis, adición o combinación ............................................................................ 258 Reacciones de descomposición ........................................................................................................ 259 Reacciones de desplazamiento simple ........................................................................................... 259 Reacciones de doble sustitución o doble desplazamiento ......................................................... 261 BALANCEO DE ECUACIONES QUÍMICAS .............................................................................................

264

Método por tanteo o de ensayo y error .......................................................................................... 264 Método redox (balanceo por óxido-reducción) ............................................................................ 266

PRESENTACIĂ“N

El presente libro QuĂ­mica I presenta una propuesta educativa, en donde el lector encuentra sentido a lo que estudia, ya que el contenido presentado se encuentra conectado a su vida cotidiana y en ciertos momentos con su posible incorporaciĂłn profesional dentro de este campo del conocimiento.

AL ESTUDIANTE

A lo largo del libro el lector encontrará un lenguaje sencillo y ameno, sin perder el rigor científico de términos y definiciones; por otro lado, el aspecto de cuidado al medio ambiente y el respeto por la naturaleza está presente en cada uno de los bloques. Presenta problemas y actividades que buscan hacer reflexionar al estudiante sobre los contenidos y los lleva a buscar ejemplos en su alrededor y sus actividades diarias, evitando un tanto la repetición de conceptos y términos, sin que por ello no tenga que aprender ciertos aspectos propios del lenguaje de la química. Lo lleva también a incorporar los elementos tecnológicos al indagar en internet algunas cuestiones propias de esta ciencia. Otro aspecto relevante del texto es la parte que estimula al estudiante a averiguar más sobre ciertos contenidos y a relacionar la química con su entorno.

Los autores de los libros viven con la esperanza de que alguien en realidad los lea. Al contrario de lo que usted podría creer, casi todo texto de química de nivel medio superior está escrito para usted y no para el profesor. Cierto es que los temas cubiertos en el texto se escogieron consultando a los profesores, ya que ellos toman la decisión acerca de si hay que usarlos en sus clases, pero todo lo escrito en él está dirigido directamente a usted, al estudiante. Entonces queremos invitarle —no, en realidad queremos pedirle— que ¡lea este libro de texto! Pero no lo haga como leería una novela; no debe leerlo rápido y no debe saltarse nada.

Hemos tratado de incluir los datos más importantes para cada ejemplo, pero si algo no es claro usted podría siempre intentar completar los detalles o pasos que faltan. Puede que no sea fácil, pero es parte del proceso de aprendizaje.

La acumulación de hechos seguidos por la lenta asimilación de la comprensión simplemente no se puede alcanzar sin trabajar arduamente. Recuerde que también puede revisar la química apropiada de sus viejos libros de fundamentos de química.

En conclusión, le deseamos buena suerte y éxito. Esperamos que disfrute el libro y el curso que está por iniciar. Si tiene algún comentario o si encuentra algún error cuando lea o trabaje con éste, o si nos quiere hacer llegar una buena idea para mejorar el libro, por favor póngase en contacto con nosotros a través de nuestro editor en Cengage Learning.

AL DOCENTE

Es una herramienta importante de apoyo en su quehacer educativo, ya que le permite interactuar con los estudiantes a través del libro en sus diferentes contenidos y actividades.

En caso de que examine este texto por primera vez, Química I puede utilizarse para un curso de un semestre de fundamentos o introducción a la química, o bien un curso remedial para el ingreso al nivel medio superior.

La obra busca desarrollar nuevas habilidades, actitudes y valores que perduren y que sean motivo para una búsqueda intensa del conocimiento en su vida personal y profesional, y que sea el detonador para la búsqueda de nuevas actividades que sean representativas para los jóvenes de nuestro tiempo.

A las personas familiarizadas con las publicaciones del autor nos gustaría mencionarles algunas de las mejoras hechas en esta edición: • • • •

Se han actualizado prácticas y actividades a lo largo de la obra El uso de las TIC se ha ampliado Los conceptos clave se destacan en cada bloque Se actualizó toda una sección dentro del bloque de tabla periódica

Debemos recordar que el rol del profesor es facilitar el proceso educativo diseñando actividades que permitan al estudiante vincular los conocimientos con su vida cotidiana, motivándolo a proponer temas actuales e importantes que los lleven a usar las tecnologías de la información como un instrumento real de comunicación; despertar, mantener el interés y deseo de aprender.

ACERCA DEL AUTOR Eduardo J. Martínez Márquez Es egresado de la Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Estudios Superiores Zaragoza, con especialidad en Bioquímica y Química de suelos. En su amplia experiencia profesional ha sido docente de Química y Biología en la Escuela Profesional de Contabilidad y Administración, el Centro de Educación Preparatoria, S. C., la Escuela Comercial Cámara de Comercio, la Escuela Comercial de la Ciudad de México y el Colegio Williams. También ha impartido las disciplinas de Química, Álgebra superior, Álgebra lineal y Geometría analítica en la Universidad Tecnológica de México (UNITEC). Asimismo, se ha desempeñado como asesor académico en el área de Ciencias Naturales, en el Departamento de Desarrollo Académico de la Dirección General del Bachillerato, perteneciente a la Subsecretaría de Educación Media Superior de la Secretaría de Educación Pública (SEP). Entre las actividades que ha realizado se encuentran la revisión de los programas de estudio de las materias de Biología, Química, Física, Matemáticas, Geografía y Ecología; la evaluación de las propuestas de materiales didácticos de los diferentes colegios que integran los subsistemas en todo el país; la asistencia a reuniones académicas para la evaluación didáctica y la participación en la Reforma Curricular del Bachillerato General, entre otras. Ha impartido cursos sobre impacto ambiental y sus consecuencias actuales, tópicos de química, manejo de programas de estudio y manejo del libro de Química I para bachillerato. Es autor de los libros Química I, Química II; Temas Selectos de Química I y Temas Selectos de Química II, publicados por Cengage Learning.

BLOQUE

Propósitos del bloque: Argumenta la importancia de la química como parte de su vida cotidiana, así como las disciplinas que se relacionan con ella, reconociendo el progreso que esta ha tenido a través del tiempo y la forma en que ha empleado el método científico para resolver problemas del mundo que le rodea.

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I

Química como herramienta de vida

Competencias por desarrollar: Establecer la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

Identificar problemas, formular preguntas de carácter científico y plantear las hipótesis necesarias para responderlas.

Contrastar los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunicar sus conclusiones.

Aplicar normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

Conocimientos

Habilidades

Aprendizajes

• • •

•

•

•

Concepto de química.

Historia de la química.

La química y su relación con otras ciencias.

Método científico.

• •

Reconocer a la química como ciencia y su relación con otras disciplinas.

Describir el desarrollo de la química a través del tiempo.

Explicar las características de cada uno de los pasos del método científico.

•

•

Contrastar el concepto de la química, su historia, sus aplicaciones e implicaciones con la vida cotidiana.

Distinguir la interrelación de la química con otras ciencias, de acuerdo con su contexto, reconociendo el impacto de esta en el desarrollo de la humanidad.

Argumentar la utilidad del método científico para proponer posibles soluciones a problemas del entorno, relacionados con las ciencias experimentales.

Con el aprendizaje y las prácticas estarás en condiciones de: • • • • •

Mostrar interés por participar en actividades experimentales y de campo.

Promover el trabajo metódico y organizado.

Resolver situaciones de forma creativa.

Privilegiar el diálogo para la construcción de nuevos conocimientos.

Mostrar un comportamiento propositivo en beneficio del entorno.

Explorando tus conocimientos declarativos previos Contesta las preguntas siguientes.

1. ¿Qué estudia la química?

2. ¿Cómo se relaciona la química con el hogar?

3. Identifica cinco compuestos químicos en diversos productos de uso cotidiano.

4. Menciona cinco productos de origen natural y cinco de origen sintético.

5. ¿Qué entiendes por materia?

6. Menciona dos aspectos en que la química ha contribuido para mejorar la calidad de vida.

7. Menciona con qué otras ciencias tiene relación la química.

8. ¿Consideras que la química ha beneficiado o perjudicado al medio ambiente?

9. ¿Por qué es importante que estudies química?

10. ¿Qué problemas del cuidado personal crees que haya resuelto la química?

4

Química I

Bloque I. Química como herramienta de vida

5

◗ Concepto de química

La respuesta al problema aparentemente se encontraba en los productos de desecho que estas plantas emitían al medio ambiente, sin embargo habría que demostrar esta suposición con hechos, lo que llevó a los científicos, por principio de cuentas, a recabar información existente con respecto a estudios anteriores (que en realidad se remontaban a 1975) y posteriormente a realizar estudios del medio ambiente que incluía a organismos como los peces, los vegetales y posteriormente las aguas, suelos y el aire de la zona. Cabe aclarar que la misma población estuvo sometida principalmente a estudios de sangre y muestras de tejidos.

Después de exhaustivas pruebas encontraron que los causantes del problema eran los metales pesados (plomo, mercurio, cromo y níquel) y algunas sustancias orgánicas producto de la actividad de otras empresas como la de fertilizantes, determinando por ejemplo, que la cantidad de plomo en la sangre de los habitantes era casi tres veces mayor en comparación con los que viven en la Ciudad de México. El límite permisible es de 10 microgramos por decilitro y se encontraron concentraciones de hasta 25.4 microgramos.

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El siguiente hecho real ocurrió a principios de 1980 en la región del bajo río Coatzacoalcos, Veracruz, en cierta comunidad, y continúa sucediendo hasta nuestros días en algunas otras regiones del país. En ese tiempo se presentó una situación anormal en las mujeres embarazadas de la región, donde el índice de abortos se incrementó con respecto a la media estatal y nacional, además de otras complicaciones que estaba sufriendo la población, como un aumento en los casos de alteraciones renales, hipertensión arterial, asma, irritación cutánea, trastornos mentales, dificultades en el sistema óseo, entre otras afecciones. ¿Cuándo podemos decir que algo es anormal? Cuando existen patrones de comportamiento muy específicos de las enfermedades, por ejemplo, en la época de invierno son muy comunes las afecciones de vías respiratorias como la gripe o el resfriado, que no lo son tanto en la temporada de primavera-verano, tal es el caso de lo acontecido hace un tiempo en la Ciudad de México donde se reportaron cuadros de gripe que no eran habituales en primavera, alertando a la comunidad médica sobre una posible epidemia generada por la mutación de un nuevo virus proveniente en este caso de los cerdos, al que llamaron Influenza A (H1N1). La alerta epidemiológica previno a la población y el número de muertes fue muy inferior a lo que pudo haberse dado en el caso de no alertar a la comunidad. Entonces, toda aquella enfermedad o patrón de salud de que se tenga conocimiento o información, que se presente en tiempos y formas diferentes se considera que tiene un comportamiento anormal.

Pues bien, lo acontecido en las comunidades cercanas el río Coatzacoalcos despertó el interés de los científicos, quienes se dieron a la tarea de indagar qué era lo que provocaba esta serie de problemas de salud. Una de las primeras acciones que realizaron los investigadores fue entrevistar a la población respecto a sus actividades, hábitos y costumbres que incluían la alimentación y la higiene. Dieron un vistazo al medio físico donde se encontraban estas comunidades y sus ojos se fijaron en los complejos petroquímicos más importantes de México que son las plantas Lázaro Cárdenas, Morelos, Cangrejera, Cosoleacaque y Pajaritos; donde se produce la mayor parte de gasolina, turbosina, combustóleo y gas licuado del país.

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Lee con atención los párrafos siguientes.

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Química I

El proceso que siguieron los científicos parece simple en papel, pero en realidad es arduo y complejo. Sin embargo, ellos emplearon un método muy poderoso que les ayudó a definir qué era aquello que afectaba a la comunidad de las partes bajas del río Coatzacoalcos.

Lo anterior lleva a plantearnos las siguientes preguntas relacionadas con el método científico; una herramienta imprescindible y muy importante en la solución de problemas reales como el narrado en estos párrafos.

Práctica 1 I. En equipo contesten las siguientes preguntas, primero en forma individual, después compara tus respuestas con las de tus compañeros de equipo y forma conclusiones. Posteriormente comparte tu información de equipo con el resto del grupo.

1. ¿Conoces el método científico?, ¿qué importancia tiene?

2. ¿Recuerdas las etapas que constituyen el método científico?

3. Describe brevemente en qué consiste cada una de las etapas.

4. ¿Cuál consideras que es la fase más importante del método, si es que la hay, y por qué?

5. Identifica las etapas del método científico para la solución del problema planteado anteriormente y completa la tabla.

Etapas del método científico

Descripción

Bloque I. Química como herramienta de vida

6. ¿Qué repercusiones sociales, económicas y medioambientales tiene el problema de emisión de sustancias tóxicas generadas por la industria?

Repercusiones sociales:

Repercusiones económicas:

Repercusiones sobre el medio ambiente:

7. ¿Qué otras áreas del conocimiento se encuentran implicadas en el problema de las comunidades cercanas al río Coatzacoalcos y de qué manera actúan?

8. Realiza un mapa conceptual de las etapas del método científico aplicadas en la solución del problema planteado.

Método científico

7

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Química I

Autoevaluación Observaciones Desempeño

Sí

No

¿Qué me faltó?

¿Qué debo hacer?

Identifiqué las ideas principales del tema.

Localicé la información específica del texto planteado.

Utilicé la información obtenida para responder a las preguntas planteadas.

Relacioné los conocimientos previos con el tema que se va a revisar en el bloque.

Solicité ayuda del profesor(a), para que me orientara.

Hasta el momento hemos mencionado muchas veces a la química, pero ¿cómo se define esta ciencia?

La química es la ciencia que se dedica al estudio de las propiedades, composición y estructura de la materia, de su relación con la energía, así como de las leyes que regulan y explican tales interacciones. Se divide de la siguiente manera: general, descriptiva, analítica y aplicada.

• General. Estudia las leyes, principios, teorías, métodos, procedimientos, reglas, etc., que rigen a la química como ciencia. Como ejemplos podemos mencionar la ley de la conservación de la materia, el principio de incertidumbre de Heisenberg, la regla de las diagonales, etcétera.

• Descriptiva. Estudia las propiedades físicas y químicas de las sustancias, los métodos para producirlas y las aplicaciones principales que pudieran tener. Se subdivide en química orgánica e inorgánica. La primera, estudia a los compuestos del carbono, y la segunda se encarga de los compuestos formados por los demás elementos.

• Analítica. Se dedica a determinar la composición de las sustancias. La química analítica cualitativa nos sirve para saber qué elementos integran

Bloque I. Química como herramienta de vida

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un compuesto, y tiene por objeto saber qué cantidad precisa de cada uno de los constituyentes, sean elementos o compuestos, se encuentran presentes en una sustancia determinada.

• Aplicada. Como su nombre lo indica, es la rama de la química que se encarga del estudio y desarrollo de nuevos materiales.

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Actividad 1 Lee con atención las actividades descritas en la primera columna y relaciónalas, empleando líneas, con la división de la química a la cual pertenecen.

1. Uso de las zeolitas dentro de los convertidores catalíticos de los automóviles.

a) Química general

2. Determinación de la clase de elementos químicos que posee una muestra de mineral.

c) Química descriptiva

3. Determinación de los elementos químicos presentes en una estrella que se encuentra a muchos años luz de distancia.

b) Química analítica d) Química aplicada

5. Precisión de los niveles de alcohol en la sangre de un conductor.

6. Investigación sobre las propiedades de los halógenos.

7. Descripción de los usos de los nuevos materiales.

La química, una ciencia para la vida En este mismo momento, en que estás iniciando la lectura de este libro, se desarrollan dentro de ti y a tu rededor, una cantidad innumerable de reacciones químicas. Por ejemplo, las plantas verdes transforman el dióxido de carbono, mediante un mecanismo muy complejo, en vapor de agua y oxígeno que, como bien sabemos, es utilizado por un gran número de seres vivos para mantenerse con vida. Asimismo, al respirar, estos seres incorporan oxígeno a su organismo y lo devuelven al ambiente como dióxido de carbono, con lo que el ciclo continúa.

A la par que tus ojos recorren estas líneas se desarrollan en tu retina reacciones químicas que transforman la luz recibida en un impulso nervioso. Este se genera por intercambio de iones de sodio, potasio y cloro en el axón, es decir, en el cuerpo neuronal. Asociado a este intercambio iónico entre neurona y neurona, se liberan sustancias llamadas neurotransmisores, que envían el mensaje a la siguiente neurona y así sucesivamente, hasta llegar a nuestra corteza cerebral que nos permite identificar, sin ninguna duda, las letras de este texto, la habita-

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4. Establecimiento de la ley de la conservación de la energía.

Química I

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ción en la que nos encontramos, los rasgos de la cara de la persona que está cerca, etcétera.

Algo similar sucede con los sonidos que percibes, las sensaciones corporales de frío, calor y dolor. El proceso digestivo involucra aspectos físicos, mecánicos y sobre todo químicos. Desde el momento en que ingerimos los alimentos hasta que las sustancias nutritivas se incorporan a nuestro organismo, varios procesos químicos están presentes.

De manera muy clara y directa, puede afirmarse que la mayoría de los objetos que utilizamos en la actualidad han sido elaborados aplicando los conocimientos químicos: las telas de las que están hechas nuestras prendas de vestir, los colorantes para teñirlas, la suela de nuestros zapatos tenis, los perfumes, muchos de los ingredientes que integran la sopa instantánea que disfrutas con tanta delicia, la tinta de la pluma con la que escribes. La misma textura y color que tiene el papel de este libro, el pegamento que sirve para mantener unidas las hojas, la forma en que las imágenes aparecieron en las placas fotográficas con las que se crearon muchas de las ilustraciones de este libro, etcétera.

Es indudable que advertimos también la presencia de la química en los problemas ambientales. Los contaminantes que se liberan al aire, producto del funcionamiento de miles de vehículos automotores e industrias, llegan a la atmósfera, donde ocurren una serie de reacciones fotoquímicas que dan como resultado la llamada lluvia ácida, misma que está provocando problemas cada vez mayores para todo el ecosistema. Otro fenómeno químico asociado con la contaminación, y sobre el que nos advierten numerosas organizaciones ambientales, es la destrucción paulatina de la capa de ozono. Con el paso del tiempo, afirman las y los científicos, el fenómeno ocasionará el paso de la peligrosa radiación ultravioleta, generando cáncer de piel y mutaciones genéticas que no podemos todavía ni siquiera imaginar.

La pregunta clásica de muchos estudiantes es, ¿por qué debo estudiar química?, encuentra clara respuesta si consideramos que el aprendizaje de los conceptos químicos tiene, entre sus objetivos, otorgarte una concepción lo más clara posible de la naturaleza de las cosas, de los procesos que en ellas se dan, de cómo se puede influir en ellos para obtener mejor calidad de vida, y de qué manera puedes colaborar para que la naturaleza esté cada vez menos contaminada; en suma, para que tomes conciencia de la importancia de tu participación en aras de lograr un mundo mejor para quienes habitarán después de nosotros este maravilloso planeta azul. © Ollaweila/Dreamstime.com

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Bloque I. Química como herramienta de vida

Actividad 1 I. Resuelve las siguientes preguntas, primero de forma individual y posteriormente en equipo elaboren un cuadro donde comparen sus diversas respuestas, con la finalidad de llegar a establecer semejanzas que permitan concluir en definiciones, conceptos y sobre todo en puntos de vista grupales.

1. ¿Qué es la química?

2. ¿Consideras a la química como una herramienta para la vida? ¿Por qué?

3. Expresa la importancia que tiene la química, relacionándola con aplicaciones en tu vida cotidiana.

Conoce más allá. Uso de las TIC II. Para ampliar la información sobre el tema, observa los siguientes videos: https://www.youtube.com/watch?v=Ij47YutgLFc https://www.youtube.com/watch?v=28wIL7_y_uk https://www.youtube.com/watch?v=v-QQVb6QDnQ

◗ Historia de la química ¿Cómo empezó la gran aventura de la química?, ¿hace cuánto tiempo? La historia de la química está ligada con la necesidad que el hombre ha tenido por obtener sustancias que le sean útiles. En los comienzos el hombre usaba todo lo que encontraba en la naturaleza de manera directa e intuitiva, hasta que llegó a acumular conocimientos que empleó con rigor metodológico, construyendo la disciplina que nos ocupa en este momento.

Los primeros hombres empleaban todo lo que el medio les ofrecía como piedras, huesos, ramas, etc., sin embargo, fue el descubrimiento del fuego lo que vino a dar un giro importante a la manera de ver las cosas, pues los hombres primitivos pudieron percatarse de forma muy directa de los cambios que se producían al emplear el fuego. No fue solamente el cambio en el consumo de algunos alimentos como la carne, que pudieron disfrutar y conservar durante más tiempo, sino que fueron capaces de percatarse de las alteraciones que producía el uso del fuego. Y son esos cambios el objeto de estudio de la química, los cambios en la estructura de las sustancias. Estamos hablando en el tiempo de más de 8 000 años a.C. Durante este tiempo florecen las primeras civilizaciones que hoy conocemos como el Medio Oriente, donde se descubre la agricultura y se crían animales para su consumo, pero una de las cosas más relevantes fue el hallazgo de los metales como el cobre y el oro. Este acontecimiento ocurrió posiblemente 4 000 años a.C., en esa época lograron realizar las primeras aleaciones del cobre con el estaño dando lugar al bronce. Descubrieron metales aún más duros como el hierro, que al combinarse con el carbón vegetal forman una aleación menos dura a la que llamamos acero, que es aún más duro que el bronce.

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Química I

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Los primeros que se interesaron en el porqué de las cosas fueron los filósofos griegos, entre los que destacan en un inicio, Tales de Mileto (640-546 a.C.) quien se cuestionaba la naturaleza de las sustancias; Heráclito, Anaxímenes y Empédocles. Por ese entonces se aceptó la teoría de la existencia de cuatro elementos básicos que forman las sustancias: fuego, aire, agua y tierra. El mismo Aristóteles justificó estos planteamientos hechos por sus colegas e incluso añadió sus opuestos que son frío y calor, humedad y sequedad, añadiendo uno más al que llamó éter, que formaba los cielos y lo consideraba perfecto, pues observaba que el cielo no es tan cambiante como los cuatro anteriores.

Para el año 450 a.C., y como lo veremos más adelante, aparecen en el escenario Leucipo y Demócrito, quienes consideraban que las sustancias podían dividirse en partes más pequeñas hasta llegar finalmente a una infinitamente más pequeña a la que llamaron átomo.

El rumbo que puede tomar el desarrollo de una ciencia está determinado en gran medida por los acontecimientos históricos que se presentan en las diferentes épocas, de tal suerte que la química entró en una nueva etapa a partir de 323 a.C., cuando se construyó uno de los templos del saber más importantes del conocimiento, la biblioteca de Alejandría, que fue la unión entre los saberes egipcios y las teorías griegas. Pero a finales de esa época, aproximadamente 200 años a.C., los que se dedicaban a practicar las artes de las transformaciones de las sustancias (médicos, perfumistas y metalúrgicos) comenzaron a ser perseguidos por la religión, hasta el grado de que fue necesario formar sectas, que empleaban un lenguaje complicado, con el propósito de no ser descubiertos, esto llevó a un retraso en el progreso de la ciencia. Conjuntamente, fueron apareciendo charlatanes que, valiéndose de la confusión del lenguaje que empleaban los estudiosos, se presentaban como gente seria, dificultando distinguir entre los estudiosos y los impostores de esta naciente ciencia.

A este grupo dedicado al estudio de los cambios que sufren las sustancias químicas se le llamó alquimistas, que en su mayoría eran representantes de la clase dominante de su tiempo, en el que habría que destacar a los griegos, árabes, hindús y chinos. Cada uno de ellos aportando información a la incipiente ciencia química, por ejemplo, en India se lograron grandes avances en la artesanía de metales, matemáticas y medicina. Los chinos se distinguieron por sus trabajos en metales como el oro, plata y mercurio, obteniendo buenas imitaciones

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Bloque I. Química como herramienta de vida

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de oro, al cual le atribuían principios de inmortalidad, siendo esto el origen de la idea del elixir de la vida, cuya búsqueda acompañó hasta el fin a la alquimia. Una de las mayores contribuciones de los alquimistas chinos fue el papel, la fabricación de la porcelana y la invención de la pólvora.

Por otro lado, los árabes fueron determinantes en el desarrollo de la farmacia, y al igual que los chinos trabajaron el oro, el mercurio, el arsénico y el azufre, generando una amplia gama de reactivos químicos tal como los conocemos en la actualidad.

Para el año 215 a.C. Roma toma su lugar en la historia, solo que durante su dominio la química entra en declive conjuntamente con el conocimiento griego sin presentarse avances importantes y prolongándose hasta el año 100 d.C. Fue hasta el año 640 d.C., que en Persia los árabes encontraron restos de la tradición científica de los griegos. En definitiva, el desarrollo de la química a través de la alquimia fue aproximadamente desde el 300 a.C. hasta el 1 600 d.C. 2 000 años y un poco menos para su introducción final en Europa.

El resto de la historia de la química la abordaremos en cada bloque para descubrir conjuntamente los principios básicos, las teorías y las leyes que gobiernan esta fascinante disciplina.

Conoce más allá. Uso de las TIC Te invitamos a que amplíes tu conocimiento de la Historia de la química consultando en internet y YouTube sobre este tema. Al navegar en la red es muy importante que consideres que no todo lo que lees o ves es cierto, requiere de tu habilidad de discriminación de la información para seleccionar lo más valioso de las TIC. Investiga también acerca de la Historia de la química en México, considera las aportaciones de los hombres y mujeres de ciencia de la época . Por último, comparte tus hallazgos con tu profesor y compañeros de clase.

La química y su relación con otras ciencias El desarrollo actual de la química exige que esta tenga relación con un gran número de otras ciencias.

Mantiene una relación muy estrecha con la biología, porque en los seres vivos se desarrollan una amplísima variedad de reacciones químicas y la materia que estamos estudiando proporciona conocimientos básicos para entenderlas y predecirlas.

La química guarda últimamente una relación muy cercana con las ciencias ambientales, debido a los cambios climáticos provocados por causas externas a la dinámica atmosférica, como es la emisión de dióxido de carbono o las partículas suspendidas que emiten las industrias en sus actividades de producción. A tal situación se le conoce como cambio climático.

Ciencia. Actividad que se ocupa de la solución de problemas mediante la aplicación de la observación, la abstracción y la lógica.

BLOQUE

Propósitos del bloque: Explica los modelos atómicos que dieron origen al actual, describiendo tanto la estructura como el comportamiento del átomo y reconoce las propiedades de los elementos radiactivos identificando sus aplicaciones e impacto en su entorno.

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III

Modelo atómico y aplicaciones

Competencias por desarrollar: •

Establecer la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

Identificar problemas, formular preguntas de carácter científico y plantear las hipótesis necesarias para contestarlas.

Obtener, registrar y sistematizar la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

• •

• • •

Valorar las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas.

Diseñar modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

Relacionar las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

Conocimientos

Habilidades

Aprendizajes

Modelos atómicos: • Dalton.

• Thompson.

• Rutherford.

• Bohr.

• Modelo mecánico cuántico del átomo.

•

•

Partículas subatómicas: electrón, protón y neutrón • Número atómico.

• Masa atómica.

• Número de masa.

Configuraciones electrónicas y números cuánticos: • Principio de construcción de Aufbau.

• Principio de exclusión de Pauli.

• Principio de máxima multiplicidad o regla de Hund.

• Principio de incertidumbre.

• n, l, m, s.

•

•

• • •

Reconocer las características de cada uno de los modelos atómicos previos al actual.

Relacionar las partículas subatómicas con el número atómico, masa atómica y número de masa de cualquier elemento químico.

Identificar los electrones de valencia en la configuración electrónica de los elementos y relacionarlos con las características de estos.

Distinguir los números cuánticos de un electrón.

Describir la relación entre el número atómico y el número de masa de los isótopos.

Reconocer las principales aplicaciones y riegos de algunos isótopos radiactivos.

•

•

Isótopos

Con el aprendizaje y las prácticas estarás en condiciones de: • • • •

Exhibir disposición al trabajo metódico y organizado.

Relacionarte con las demás personas de forma colaborativa.

Mostrar una conciencia social ante las situaciones de tu entorno.

Favorecer tu pensamiento crítico.

Valorar las aportaciones de los diferentes modelos atómicos como parte de un proceso histórico que contribuye a la comprensión del modelo actual.

Aplicar los principios básicos de las configuraciones electrónicas y su relación con los números cuánticos para comprender el comportamiento del átomo.

Contrastar en diferentes campos del conocimiento, el uso de isótopos radiactivos, reconociendo sus beneficios y riesgos en el medio ambiente.

¿Qué tanto sabes?

Contesta las preguntas siguientes.

1. ¿Qué significa átomo?

2. ¿Qué entiendes por nivel de energía?

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3. Observa el siguiente esquema de la estructura del átomo y, en cada línea, escribe el nombre de las subpartículas y su carga.

4. Define número atómico.

5. ¿Qué entiendes por masa atómica?

6. ¿Qué entiendes por número de masa?

7. ¿Qué son los números cuánticos?

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Química I

8. ¿Qué es la radiactividad?

9. ¿Qué entiendes por isótopo?

10. Menciona tres aplicaciones de los radioisótopos en la medicina.

Práctica 1.

I. Lee el siguiente texto.

Generalmente relacionamos la energía atómica con armamento y desastres originados por centrales nucleares, sin embargo, existen más aplicaciones del átomo en beneficio de la Humanidad de lo que podemos imaginar. Vamos a platicarte sobre el uso de esta energía en uno de los campos más fascinantes que ha desarrollado el hombre que es la medicina nuclear.

Algunos de los grandes problemas que aquejan a la Humanidad es la presencia del cáncer, enfermedades neurológicas, dificultades cardiacas, entre las más representativas y que, tan solo la primera de ellas ha causado cerca de 85 millones de muertes, en un periodo de 15 años contabilizados a partir del año 2000, en todo el mundo. Cuando el cáncer es detectado a tiempo, es decir, antes de que las células cancerosas invadan otros órganos por vía linfática o sanguínea, se puede controlar y en algunos casos incluso eliminar, por lo tanto, la detección temprana es vital para su tratamiento. Para esto se ha desarrollado el PET (Tomografía por Emisión de Positrones) ciclotrón, cuya función es diagnosticar el funcionamiento de los órganos internos, glándulas, huesos o articulaciones aplicando material radiactivo.

Pero, ¿cómo funciona este método de detección?

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El átomo al servicio de la Humanidad

Cáncer. Grupo de enfermedades que producen un exceso de células malignas que se dividen y crecen de forma descontrolada.

Primeramente, se emplean sustancias conocidas como radiofármacos o trazadores que se inyectan directamente en la vena del paciente, siendo absorbidos por los órganos que se desean estudiar. Entre los trazadores que se utilizan con más frecuencia se encuentran el yodo radioactivo, el tecnecio 99 y el talio 201. Al alojarse estos trazadores en los tejidos de los órganos la energía que emiten es captada por un aparato que rodea al paciente (ciclotrón), transformando las señales del átomo en señales eléctricas donde una computadora las convierte en imágenes que permiten diagnosticar el Bloque III. Modelo atómico y aplicaciones

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Química I

funcionamiento de los órganos. La diferencia esencial de este método de diagnóstico con los otros procedimientos como los rayos X y las tomografías, las cuales generan imágenes tanto verticales como transversales, es que utilizan radiación que no se genera en el núcleo del átomo, proviniendo de los electrones que se ubican en las órbitas; quedando el paciente en la condición de ser “bombardeado”.

La ventaja de este sistema, incluso por arriba de la resonancia magnética, reside en permitir analizar la eficiencia del órgano más que la apariencia. Este aspecto es de suma importancia, ya que la forma de los órganos y sus funciones son cosas distintas; podemos ver claramente la forma y tamaño de un riñón, logrando determinar si tiene lesiones o tumores, pero no es posible saber si la sangre se filtra adecuadamente y se eliminan las toxinas, o en su caso saber por qué una persona orina con menor frecuencia. La técnica del PET (Tomografía

de Emisión de Positrones) ciclotrón no genera gráficos tan claros, pero sí ayuda a conocer qué tan bien funciona el cuerpo humano.

Es importante recalcar que esta técnica permite conocer el funcionamiento del hígado, riñón, páncreas, glándulas, vesícula biliar, venas, arterias, la calidad de irrigación sanguínea, entre muchas otras aplicaciones, sin que existan riesgos en su aplicación, pues las reacciones alérgicas son de 1 caso entre 15 000 o 20 000, y el paciente no requiere de ninguna preparación especial, tan solo de un ayuno de seis horas aproximadamente.

Los trazadores empleados tienen una vida media de entre 15 y 20 minutos en el organismo, siendo la exposición muy baja y el método más seguro. Cabe señalar que las radiaciones que se generan son muy pequeñas y que no provocan problema alguno al organismo, resultando más riesgosa una exposición prolongada a los rayos solares.

II. Después de realizar la lectura y reflexionar sobre la misma, responde de forma individual las siguientes preguntas.

1. ¿Cómo hemos podido manipular el átomo de esta manera?

2. ¿Qué es el átomo?

3. ¿Quién o quiénes lo descubrieron?

4. ¿Hace cuánto tiempo?

5. ¿Cómo está formado el átomo?

6. ¿Qué características tienen sus elementos estructurales?

7. ¿Qué propiedades puedes reconocer del átomo?

8. ¿Qué otras aplicaciones tiene el átomo?

Bloque III. Modelo atómico y aplicaciones

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III. Reúnete con tus compañeros y discute las preguntas formuladas arriba para conocer qué tanto sabes del átomo y sus propiedades, así como de su historia. Te sugiero elaborar un cuadro donde señales el grado de conocimiento que tienes al respecto, tratando de ser más específico en tus conocimientos (marcando nombres, términos, procesos, propiedades, leyes, teorías, etc.) sin que para ello asignes un número o calificación. Por ejemplo, podrías escribir si sabes mucho, regular, poco o nada. ¿Cuál es el grado de conocimiento acerca de…?

Mucho

Regular

Poco

Nada

El átomo.

Cómo está formado el átomo.

Qué características tienen sus elementos estructurales.

Qué propiedades puedes reconocer del átomo.

Qué otras aplicaciones tiene el átomo.

Quién descubrió el átomo y hace cuánto tiempo.

Cómo se ha podido manipular el átomo.

Aplicaciones del átomo.

Para cada uno de los términos identifica tu grado de conocimiento y márcalo con una 4

Autoevaluación Observaciones Desempeño Identifiqué las ideas principales del tema.

Localicé la información específica del texto planteado.

Utilicé la información contenida para desarrollar la evaluación diagnóstica.

Relacioné los conocimientos previos con el tema que se va a revisar en el bloque.

Realicé los ejercicios con honestidad y en el tiempo requerido.

Solicité ayuda del profesor (a), para que me orientara.

Sí

No

¿Qué me faltó?

¿Qué debo hacer?

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Química I

◗ Modelos atómicos

Modelo. Representación abstracta de un sistema o proceso del Universo, que nos permite hacer predicciones de su comportamiento.

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Primeras aproximaciones al modelo atómico actual Muchas de las propiedades de la materia descritas en el bloque anterior tienen su explicación a nivel atómico. Los átomos son, en la escala de lo pequeño, los “ladrillos del Universo” como señalaba Isaac Asimov, y es precisamente ahí donde haremos un viaje para explorar el interior del átomo.

Cada sustancia del Universo, incluyéndonos a nosotros, está formada por átomos. Muchos de los procesos químicos que ocurren en la naturaleza o que son generados en los laboratorios tienen una explicación a nivel microscópico, y para entenderlos tenemos que partir del conocimiento de la estructura y comportamiento del átomo.

En la actualidad, conocemos mucho de la estructura y propiedades de los átomos, pero ¿cómo se ha llegado a esto? Imaginemos que tenemos una caja en la cual se encuentran objetos de diversa índole, pero que no nos es permitido abrirla. ¿Qué harías para saber su contenido? Posiblemente recurrirías a realizar una serie de pruebas como agitar la caja de diferentes formas, escuchar los sonidos que se generan al moverla, sentir algún objeto pesado empleando el tacto, etc. A partir de estas acciones tendrías una idea del contenido de la caja y seguramente te atreverías a precisar el nombre de algunos objetos e incluso hacer predicciones del comportamiento de la caja.

Puesto que no podemos ver el contenido de la caja, al igual que no podemos ver un átomo, lo que hacemos es emplear nuestros sentidos e intelecto para crear un modelo que explique el contenido de la caja. De la misma manera, los científicos crean modelos que les permiten formular predicciones que los llevan al planteamiento de teorías sobre la naturaleza de un fenómeno llamado átomo.

Un modelo no es una estructura rígida, sino todo lo contrario, se puede perfeccionar, cambiar o desechar si se vuelve obsoleto y ya no cumple la función para la que fue propuesto.

Ahora, haremos un breve recorrido a través de los 2 500 años que tiene el concepto de átomo, citando a los personajes y los momentos en que se produjeron los cambios más notables y los hechos experimentales que los indujeron.

Hablar de las diferentes teorías del átomo significa remontarnos al siglo V a. C., cuando en la antigua Grecia, cuna de la civilización, comenzaron los primeros cuestionamientos científicos que llevaron al hombre a percatarse de que en la naturaleza existen leyes que rigen el comportamiento de la materia, y que esta no obedece a mandatos o designios divinos. Fueron los filósofos griegos Leucipo y su discípulo Demócrito de Abdera quienes en aquella época sugirieron que la materia estaba compuesta por diminutas partículas indivisibles llamadas átomos, palabra que significa en griego indivisible. Ellos creían que las sustancias se podían dividir hasta cierto límite, y que este llegaba preci-

Bloque III. Modelo atómico y aplicaciones

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samente hasta los átomos, los cuales ya no se podían dividir. Esta teoría no fue muy aceptada en su tiempo, incluso filósofos de la jerarquía de Aristóteles no la aceptaron, y desde la época de los romanos, y durante más de 2 000 años se consideró que toda sustancia estaba formada por la combinación de cuatro elementos: aire, fuego, tierra y agua.

El modelo atómico actual no es un producto de la casualidad. Su concepción tiene un pasado maravilloso que abordaremos a continuación, porque para entender el presente hay que conocer su historia, la cual está repleta de personajes, acontecimientos, experimentos y teorías que dieron forma a lo que hoy conocemos del átomo. El conocimiento del átomo nos ha llevado a explorar el espacio exterior, nos ha proporcionado una vida más cómoda y placentera, y nos ha permitido conocer lo más íntimo del cuerpo humano. Este y muchos otros aspectos son los beneficios de conocer la estructura atómica y sus propiedades. Empecemos entonces a conocer esa asombrosa historia.

◗ Modelo atómico de Dalton

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El desarrollo de la química tomó un nuevo giro a partir de las investigaciones de Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), quien realizó los primeros experimentos químicos realmente cuantitativos. Lavoisier demostró que en una reacción química la cantidad de materia es la misma al comienzo y final de la reacción.

Realizando un experimento con agua, pudo determinar que su peso, antes y después de una prolongada ebullición, era el mismo. Claro que bajo condiciones controladas, como un sistema cerrado, en el que no hubiera escapes de vapor, lo que le permitía realizar cálculos con gran precisión.

Antoine Laurent Lavoisier realizó los primeros experimentos químicos realmente cuantitativos.

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Química I

A partir de este y otros experimentos enunció su ley conocida como ley de la conservación de la materia, la cual establece que la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma. Por ello, Lavoisier es considerado el padre de la química moderna. Posteriormente, Joseph Louis Proust (1754-1826), químico francés, propuso la ley de las proporciones definidas, también conocida como ley de la composición constante. Esta ley establece que los elementos se combinan para formar compuestos, y siempre lo hacen en proporciones definidas. Proust realizó mediciones muy cuidadosas en las que comprobó que el cobre, el oxígeno y el carbono, que forman el carbonato de cobre II, CuCO3, se combinaban en las mismas proporciones de peso, 5 unidades de cobre por 4 de oxígeno por 1 de carbono, y se hiciera lo que se hiciera la proporción siempre sería 5:4:1, lo que le llevó a pensar que no se trataba de una receta de cocina, donde ponemos una “pizca” de algún ingrediente o le quitamos otro. La proporción del CuCO3 es inmutable.

Otra ley fue establecida por alemán Jeremias Benjamin Richter (1762-1807) en 1792 llamada ley de las proporciones recíprocas, la cual establecía que: [...] la relación de masas de dos elementos, que se combinan con una cantidad fija de un tercero, es la misma con la cual se combinan para formar un compuesto.

Pero ¿qué quiere decir esto? Bueno, veámoslo con un ejemplo.

H2O 1: 8

Cl2O 17: 8

HCl 1: 17

Observa que en el primer compuesto el hidrógeno (H) se combina con el oxígeno en una proporción 1:8, y en el segundo compuesto el cloro (Cl) también se combina con el oxígeno, pero en una proporción de 17:8. En estos dos primeros compuestos el oxígeno permanece constante en cantidad, mientras que los otros dos elementos varían. Pero cuando el hidrógeno (H) y el cloro (Cl) se combinan, lo hacen en la misma proporción que lo hicieron con el oxígeno, formando un tercer compuesto.

Actividad 1 Pon en práctica tu capacidad de relación y análisis, demuestra la ley de las proporciones recíprocas con las siguientes moléculas: CO2, H2O y CH4.

Bloque III. Modelo atómico y aplicaciones

Una tercera ley fue postulada por el químico y físico británico John Dalton (1766-1844), en 1803, la cual señalaba que los elementos se pueden combinar en más de una proporción, y que cada conjunto corresponde a un compuesto diferente. Esta ley es conocida como ley de las proporciones múltiples. Por ejemplo, el hidrógeno y el oxígeno se combinan en proporciones diferentes para convertirse por un lado en agua, H2O, y por otro lado en agua oxigenada, H2O2. El primero es un constituyente esencial para los seres vivos tanto en su naturaleza biológica como en las actividades humanas, mientras que el segundo compuesto se emplea como antiséptico general, oxidante, neutralizante, en la decoloración del cabello, en la limpieza de dentaduras y desinfección bucal, así como para blanquear pieles. Como verás, ambos compuestos están formados por los mismos elementos, pero el hecho de que el oxígeno se haya combinado en doble proporción hizo que se formaran dos compuestos con propiedades totalmente distintas.

Actividad 2 1. Pon en práctica tu capacidad de relación y análisis, investiga por lo menos cinco moléculas que cumplan con la ley de las proporciones múltiples.

Fíjate en los ejemplos.

Elemento 1

Símbolo

Elemento 2

Símbolo

Compuesto 1

Símbolo

Compuesto 2

Hidrógeno

H

Oxígeno

O

Agua

H2O

Agua oxigenada

H2O2

Carbono

C

Oxígeno

O

Monóxido de carbono

CO

Dióxido de carbono

CO2

2. Comenten reunidos en equipo de dos a tres integrantes, la importancia de las leyes ponderales.

Símbolo

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Química I

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John Dalton.

Al conjunto de estas leyes se les conoce como leyes ponderales o leyes de las combinaciones químicas, puesto que rigen la proporción de la masa y el volumen en los compuestos.

Entre 1808 y 1810, John Dalton publicó su obra titulada Un nuevo sistema de filosofía química, en la cual establece su teoría atómica a partir del estudio de las propiedades físicas del aire atmosférico y de otros gases. Asimismo, Dalton incluyó en ese trabajo la masa atómica de varios elementos y compuestos conocidos. Aunque sus masas no eran muy precisas, esto constituyó una aportación importante en la clasificación de los elementos. También proporcionaba una simbología para representar a los elementos químicos y las moléculas.

Dalton estableció los siguientes postulados, que son la esencia de su teoría atómica:

• Los elementos se componen de partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos.

• Los átomos de un mismo elemento son todos iguales entre sí en propiedades, incluida la masa; los átomos de elementos diferentes son diferentes entre sí y tienen propiedades distintas.

• Los átomos de un elemento no se crean ni se destruyen en una reacción química, sino simplemente se reordenan.

1. La formación de compuestos resulta de la combinación de dos o más áto-

mos y siempre lo hacen en proporciones fijas de números enteros positivos.

Tabla de Dalton

Con su teoría atómica, Dalton hizo referencia a las leyes ponderales anteriormente descritas, y estableció una diferencia entre los compuestos formados por un solo elemento y los formados por dos o más elementos diferentes, a los que llamó moléculas. Esta teoría ayudó a explicar el comportamiento de la materia en diversas situaciones, de manera conjunta con algunos hechos experimentales.

Lo cierto es que esta teoría presentaba algunas imprecisiones, pues como veremos más adelante, el átomo sí se puede dividir, y sí existen elementos iguales, pero con masa distinta; por ello Dalton no llegó a presentar una propuesta clara de la constitución estructural del átomo pero sí de algunas propiedades.

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Modelo atómico de Thompson

Alessandro Volta descubrió que dos metales en cierta solución conectados entre sí tenían la capacidad de producir una corriente eléctrica utilizando su pila, conocida como pila de Volta.

En el proceso histórico del desarrollo de las teorías y modelos atómicos resulta imprescindible hacer un recorrido por aquellos experimentos que fueron cambiando la concepción del átomo. Desde Alessandro Volta hasta Bohr y Sommerfeld existe un camino de más de 200 años de consolidación de la teoría atómica moderna, en la cual se van reuniendo una serie de acontecimientos en la física y la química modernas que dieron forma a lo que hoy conocemos como átomo.

Uno de los fenómenos estudiados por la física, que aportó valiosa información y tuvo diversas aplicaciones en la química debido al desarrollo de los modelos atómicos fue el fenómeno de la electricidad. En al año de 1800, Alessandro Volta (1745-1827), empezó a experimentar con el carácter eléctrico de

Pila. Generador de corriente eléctrica a partir de la energía desprendida de una reacción química.

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la materia y descubrió que dos metales en cierta solución conectados entre sí tenían la capacidad de producir una corriente eléctrica.

De esta manera, Volta descubrió la pila electroquímica a través de una reacción química. Un año más tarde, el físico efectuó ante Napoleón una demostración de su generador de corriente. Impresionado, el emperador francés nombró a Volta conde y senador del reino de Lombardía. Este descubrimiento fue utilizado más tarde por Humphrey Davy (1778-1829) para el hallazgo de elementos como el magnesio, calcio y sodio. La pila de Volta sirvió como base para otros muchos descubrimientos científicos asociados con la electricidad, como el electromagnetismo, descubierto por el físico danés Hans Christian Oersted, o la electrólisis —descomposición química por medio de la corriente eléctrica— descubierta por Faraday. La pila de Volta ha sido el modelo para el desarrollo de las pilas utilizadas hasta nuestros días, aunque por lo general hoy se basan en una reacción entre el cinc y los cloruros.

El físico inglés Michael Faraday (1791-1867), descubrió que existían algunas sustancias que se podían descomponer en sus componentes elementales haciendo pasar a través de ellas una corriente eléctrica. El mismo Faraday propuso el nombre de electrólisis, a la ruptura de moléculas por una corriente eléctrica, y llamó electrolitos a la solución a través de la cual fluía la corriente, y electrodos a las varillas de metal introducidas en la solución. Al electrodo positivo lo llamó ánodo y al negativo cátodo y a las cargas en movimiento a través de la solución les llamó iones, que en griego podría traducirse como vagabundo.

Michael Faraday.

Estos fenómenos eléctricos estudiados condujeron al descubrimiento del electrón. Pero ¿por qué son importantes los electrones? ¿Qué características tienen que los hacen especiales? El descubrimiento de los electrones es de relevante importancia, pues muchos de los fenómenos químicos, como los enlaces entre los elementos, las reacciones de oxidación y reducción entre las sustancias, los fenómenos electroquímicos, entre muchos otros, se explican a través del comportamiento de los electrones. Veamos entonces los pasos previos a su hallazgo.

El descubrimiento de los electrones nació de estudiar el paso de la electricidad a través de los gases. Si encerramos en un tubo un gas y hacemos pasar corriente eléctrica por medio de electrodos conectados a una fuente eléctrica no observaremos nada, pues los gases actuarán como aislantes en condiciones

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Bloque III. Modelo atómico y aplicaciones

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Química I

Fluorescencia. Propiedad de ciertas sustancias de absorber radiaciones de una frecuencia y reemitir radiaciones de una frecuencia menor.

naturales. Pero si generamos un vacío (disminuimos la cantidad de gas, es decir, reduciendo la presión) y se aumenta la corriente eléctrica, empezaremos a ver un hilo luminoso que pasa de un electrodo a otro y que al chocar con las paredes del recipiente produce una fluorescencia.

Una vez que había hecho sus estudios de electrólisis, Michael Faraday intentó producir descargas eléctricas en un recipiente en el que había producido un vacío parcial, observando una ligera fluorescencia, pero no pudo llegar a ninguna conclusión. En el año 1857 el alemán Heinrich Geissler (1814-1879) diseñó un tubo donde intensificó el vacío, que Faraday no pudo lograr, y conectando dos electrodos metálicos, uno negativo llamado cátodo y el otro positivo llamado ánodo a una fuente eléctrica de alto voltaje pudo observar la fluorescencia en las paredes del tubo que causaban los rayos. Observó que los rayos que se producían partían del cátodo y se transportaban hasta el ánodo, no importando el material de que estuviese hecho el cátodo, por lo que los llamó rayos catódicos.

Heinrich Geissler diseñó un tubo donde intensificó el vacío.

El inglés William Crookes (1832-1919) mejoró el tubo de Geissler, fue el primero en sugerir la naturaleza de los rayos catódicos, y que podría tratarse de moléculas de gas cargadas eléctricamente en el cátodo, las cuales eran repelidas posteriormente por un campo eléctrico colocado en el exterior del tubo. Los rayos eran desviados por la acción del campo eléctrico, y cuando chocaban con el vidrio producían la fluorescencia.

William Crookes mejoró el tubo de Geissler.

Bloque III. Modelo atómico y aplicaciones

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En ese tiempo se sabía que un objeto cargado era afectado por un campo electromagnético, por lo que si los rayos catódicos presentaban carga, tendrían que ser desviados por esta fuerza. Entonces, Joseph J. Thomson (1856-1940) modificó el tubo de rayos catódicos, colocando dos placas cargadas eléctricamente y un campo magnético. Ajustando el voltaje de las placas con los efectos desviadores del campo magnético los rayos catódicos viajaban en línea recta hasta el ánodo sin ser desviados. Al darse una variación en el campo eléctrico Thomson pudo demostrar que los rayos sufrían una desviación hacia la placa positiva del campo eléctrico, mientras que la placa negativa lo repelía. Con esto se concluyó que los rayos catódicos eran partículas cargadas negativamente a las que posteriormente Stoney llamó electrones.

Joseph J. Thomson modificó el tubo de rayos catódicos.

Adicionalmente a esto, Thomson pudo determinar la velocidad de los electrones por una relación de cocientes entre los campos eléctricos y magnéticos al ser neutralizados, permitiendo que los rayos catódicos viajaran en línea recta.

Sin embargo, una de las cosas que más atrajo su atención de esta experiencia fue que el valor obtenido de la relación carga/masa (e/m) es siempre el mismo, independientemente del gas existente en el tubo, obteniendo un valor mil veces mayor que el valor de la partícula más ligera entonces conocida, que era el ion de hidrógeno en electrólisis.

Estos resultados sugieren la existencia de partículas más pequeñas que el átomo y que son un componente universal de la materia, a las que Thomson llamó corpúsculos y que actualmente llamamos electrones. En otras palabras, los átomos no son las unidades indivisibles más pequeñas de la materia que habían descrito Demócrito y Dalton.

Un cálculo más preciso acerca de la carga del electrón fue llevada a cabo, en 1909, por el físico estadounidense Robert Millikan (1867-1953), quien es considerado uno de los más ingeniosos de su época, realizando un experimento por el cual obtuvo el Premio Nobel). Con una cámara formada en su parte media por un juego de placas horizontales separadas a cierta distancia y conectadas a una fuente eléctrica, entre esas dos placas se tienen dos orificios, en donde por un lado se cuenta con un telescopio con escala en el ocular, por el otro, una fuente luminosa que permitirá observar el fenómeno, en la parte superior de las dos placas colocó un atomizador que contiene aceite. Con el atomizador se rocían

Ion. Átomos o agrupaciones de átomos que han perdido o ganado uno o más electrones.

Martínez

Química I

Esta edición de Química I tiene como finalidad contribuir a incrementar el nivel de eficacia y eficiencia del proceso educativo y facilitar el trabajo docente mediante la incorporación de actividades de aprendizaje que contribuyan al desarrollo de competencias y habilidades socioemocionales, todo ello desde un enfoque interdisciplinario y de transversalidad.

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Eduardo J. Martínez Márquez

Química I

Entre las características del libro, destacan las siguientes: • Presenta los temas de química como herramienta de vida, interrelación entre materia y energía, modelo atómico y aplicaciones, tabla periódica, enlaces químicos e interacciones intermoleculares, nomenclatura de compuestos inorgánicos y reacciones químicas.

• Incorpora secuencias didácticas prácticas que sugieren el uso de herramientas tecnológicas de información y comunicación (TIC), así como instrumentos de evaluación para el seguimiento sencillo y ordenado del desempeño escolar.

• Contiene información relevante para adentrarse en los fundamentos de química, lo que permite fortalecer habilidades, destrezas y actitudes para conectar lo aprendido con la vida cotidiana.

• Considera abordar el conocimiento y articularlo de manera plural con las habilidades y actitudes que permitan generar a la par evidencias de aprendizaje.

• En el desarrollo de la obra se consideró la valiosa opinión de docentes y egresados del bachillerato, así como interesantes expectativas de estudiantes acerca de cómo debía ser el formato ideal de un libro de texto para el curso.

• Favorece que el estudiante adquiera no sólo conocimientos nuevos (saber), sino que aprenda a aprender (saber hacer) y aprenda que puede aprender (saber ser) para beneficio propio y de los demás (saber convivir).