Física y Química
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3 Física y Química
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Física y Química
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Presentación Este material, dirigido a los alumnos que cursan la materia de Física y Química en 3.º de ESO, tiene como objetivo principal facilitar la adquisición de los contenidos y el desarrollo de las competencias en el ámbito de esta materia. Este material lo configuran los temas correspondientes a los siguientes bloques de contenidos: El trabajo científico, El estudio de la materia, La estructura de la materia, Las transformaciones de la materia, Las fuerzas y sus efectos: movimientos rectilíneos, Electricidad y magnetismo. En el desarrollo de cada tema se abordan los contenidos fundamentales y se trabajan las competencias clave. Todos los bloques incorporan de forma muy sucinta una serie de contenidos, a los que les siguen actividades para resolver. De este modo, se favorece la consolidación de dichos contenidos. Cada bloque temático finaliza con actividades de aplicación, una lectura científica acompañada de actividades, una sección para investigar con el ordenador y una autoevaluación.
Índice
El trabajo científico............................................................................................... 4 El método científico ............................................................................................... 4 Las magnitudes básicas y derivadas ....................................................................... 4 El Sistema Internacional de unidades ..................................................................... 4 El tratamiento de datos ......................................................................................... 5
El estudio de la materia ....................................................................................... 11 Las propiedades de la materia ............................................................................... 11 Los estados de la materia ...................................................................................... 11 Los cambios de estado .......................................................................................... 11 La teoría cinético-molecular ................................................................................... 12 Las leyes de los gases ............................................................................................ 12 Sustancias puras y mezclas .................................................................................... 13 Separación de mezclas .......................................................................................... 13 Disoluciones. Solubilidad y concentración de una disolución .................................. 14
La estructura de la materia ................................................................................. 22 El átomo ............................................................................................................... 22 Los modelos atómicos ........................................................................................... 22 Número atómico y número másico ........................................................................ 23 Isótopos ................................................................................................................ 23 Elementos y compuestos ....................................................................................... 23 La tabla periódica .................................................................................................. 24 Los compuestos químicos: fórmulas ...................................................................... 24 Masa atómica y masa molecular ............................................................................ 25 El concepto de mol ............................................................................................... 25 Las transformaciones de la materia .................................................................... 33 Cambios físicos y químicos .................................................................................... 33 Velocidad de las reacciones químicas ..................................................................... 33 Ley de conservación de la masa ............................................................................. 33 La ecuación química .............................................................................................. 34 Reacciones de interés ............................................................................................ 34
Las fuerzas y sus efectos ..................................................................................... 40 Las fuerzas y sus efectos ........................................................................................ 40 Fuerzas de especial interés .................................................................................... 40 Composición de fuerzas ........................................................................................ 40 El movimiento: desplazamiento y velocidad ........................................................... 41 Tipos de movimientos rectilíneos ........................................................................... 41
Electricidad y magnetismo .................................................................................. 46 La electrización y la carga eléctrica ........................................................................ 46 Las fuerzas eléctricas. Ley de Coulomb .................................................................. 46 Corriente eléctrica ................................................................................................. 47 La inducción electromagnética .............................................................................. 47 Los circuitos eléctricos ........................................................................................... 47 Las magnitudes de la corriente eléctrica. Ley de Ohm ............................................ 48 Cálculos en circuitos. Energía y potencia ............................................................... 48 Producción y transporte de la corriente ................................................................. 49
El trabajo científico El método científico El método científico es el procedimiento sistemático que permite estudiar un fenómeno observado y establecer los modelos y leyes por los que se rige. El método científico comenzó a usarse a partir del siglo xvii, dando lugar a la ciencia tal como la conocemos actualmente. Consta de cuatro fases principales: • Observación. Ante un fenómeno determinado, recabamos la mayor cantidad posible de datos, tanto numéricos como cualitativos. • Formulación de hipótesis. A continuación, proponemos una explicación razonada del fenómeno, esto es, una hipótesis. • Experimentación. Para verificar la validez de la hipótesis, deducimos de ella una serie de predicciones que han de comprobarse mediante experimentos realizados en el laboratorio. Si el resultado de dichos experimentos está de acuerdo con las predicciones, la hipótesis puede considerarse válida; en caso contrario, deberá ser modificada o rechazada. • Elaboración de conclusiones. La hipótesis validada se convierte en ley científica, la cual suele expresarse mediante una fórmula matemática. Un conjunto de leyes constituyen una teoría. Tanto las leyes como las teorías serán válidas mientras concuerden con las experimentaciones.
Las magnitudes básicas y derivadas Una magnitud es toda propiedad que puede medirse. Las magnitudes pueden clasificarse en dos tipos: • Magnitudes básicas: no se expresan en función de otras. Son las más sencillas y de uso más frecuente. Por ejemplo, longitud, masa, tiempo, temperatura, etc. • Magnitudes derivadas: se expresan a partir de las magnitudes básicas. Por ejemplo, concentración, velocidad, superficie, etc.
El Sistema Internacional de unidades Medir es asignar un valor a una cantidad de una magnitud comparándola con otra cantidad de la misma magnitud, a la que llamamos unidad de medida. La medida es muy importante en el método científico, tanto en la fase de observación como durante la experimentación. Puesto que pueden usarse muchas unidades de medida diferentes, es necesario adoptar un acuerdo al respecto. Este acuerdo es el Sistema Internacional (SI) de unidades, que utiliza el metro (m), 4
El trabajo científico
el segundo (s) y el kilogramo (kg) para medir la longitud, el tiempo y la masa, tres de las magnitudes fundamentales más utilizadas. Si las cantidades medidas son muy grandes o muy pequeñas, recurrimos al uso de múltiplos y submúltiplos. En el SI son los siguientes:
Símbolo Prefijo
Equivalencia Símbolo Prefijo
Equivalencia
T-
Tera-
1012
d- Deci-
10–1
G-
Giga-
109
c- Centi-
10–2
M-
Mega-
106
m- Mili-
10–3
k-
Kilo-
103
µ- Micro-
10–6
h-
Hecto-
10
n- Nano-
10–9
da-
Deca-
10
p-
10–12
2
Pico-
El tratamiento de los datos Los valores de las magnitudes asociados a un fenómeno se organizan en tablas. A partir de ellas, se construyen gráficas y se obtienen fórmulas, que indican la relación matemática entre dichas magnitudes.
Si un coche se mueve en línea recta a una velocidad constante, podemos medir el espacio que recorre en el transcurso del tiempo. Con esos valores de tiempo (t, en s) y de espacio (s, en m) recogidos en una tabla, es posible construir la gráfica, que en este caso será una línea recta, y a partir de ella, obtener una fórmula.
Tiempo (s)
Espacio (m)
0
0
2
30
4
60
6
90
8
120
Espacio (m)
Las gráficas y fórmulas son muy útiles en el trabajo científico. Las primeras ofrecen información visual y rápida sobre el fenómeno objeto de estudio, mientras que las segundas permiten calcular los valores de una magnitud a partir de las otras.
120 s = 15 . t
90 60
30
30
30 : 2 = 15
2
0 0
2
4
6
8 10 Tiempo (s)
Actividades 1 Explica brevemente por qué la experimentación es la etapa clave del método científico. 2 ¿Puede considerarse válida de forma indiscutible una determinada hipótesis o teoría? Razona tu respuesta, teniendo en cuenta en qué consiste el método científico. El trabajo científico
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3 Hace cuatro siglos se pensaba que el calor era un fluido que pasaba de los cuerpos calientes a los fríos: lo llamaban «calórico». Sin embargo, en el siglo xviii, el conde de Rumford observó que, durante la fabricación de los cañones, tanto la boca del cañón como la pieza perforadora adquirían elevadas temperaturas. Contesta en tu cuaderno: a) Identifica las fases del método científico para la explicación de este fenómeno. b) Si el calor fuera un fluido, ¿podrían calentarse a la vez los dos cuerpos en contacto? ¿Por qué? c) En el caso de la fabricación de los cañones, ¿por qué se origina el calor?
4 Escribe en tu cuaderno hipótesis para explicar los siguientes fenómenos. Si necesitas información, puedes encontrarla fácilmente en enciclopedias o en internet. a) Los objetos de plata se ennegrecen con el tiempo. b) En primavera, se produce el deshielo en las montañas. c) La gripe se contagia rápidamente. d) El fuego se apaga cuando las llamas se cubren completamente con espuma.
5 El laboratorio desempeña un papel fundamental en el método científico, ya que es el lugar especialmente diseñado para llevar a cabo la fase de experimentación. Con ayuda de tu libro de texto, trata de identificar el siguiente material de laboratorio, indicando para qué se usa.
A
B
C
6 Escribe en tu cuaderno, al menos, tres unidades diferentes para medir cada una de las siguientes magnitudes: a) Tiempo
b) Longitud
c) Volumen
7 Teniendo en cuenta la tabla de múltiplos y submúltiplos, indica en qué unidad sería más adecuado medir estas longitudes: a) La distancia entre dos ciudades. b) El diámetro de una bacteria. c) La distancia entre la Tierra y el Sol.
8 Expresa en metros las siguientes longitudes:
6
a) 530 mm
c) 0,0024 hm
e) 3 · 10–4 Mm
b) 0,002 Mm
d) 2 500 dam
f) 2 · 103 nm
El trabajo científico
9 Usa la notación científica para expresar: a) 15 mg en kilogramos
b) 36,5 minutos en microsegundos
10 Realiza estas conversiones de unidades: a) 30 cm/min a m/s
b) 5 g/L a kg/cm3
11 Los datos de la siguiente tabla representan el volumen contenido en un recipiente cilíndrico en función de la altura que el líquido alcanza en él: Altura (cm)
0 3 5 8 10
Volumen (cm ) 0 36 60 96 120 3
Elabora en tu cuaderno una gráfica adecuada y deduce la fórmula que relaciona el volumen con la altura en este caso. A partir de esa fórmula, calcula la altura que alcanzará el líquido si su volumen es de 420 cm3.
12 Representa mediante gráficas estas tablas de datos y señala si la dependencia entre las magnitudes es o no lineal. a)
Tiempo, t (s) 0 2 3 4 5 Espacio, s (m) 0 8 18 32 50
b)
Profundidad, h (m) 0
1
2
3
4
Presión, p (atm) 1 1,16 1,32 1,48 1,64
13 Despeja a partir de estas fórmulas las magnitudes que se indican: a) F = m · a. Despeja la aceleración (a) y la masa (m). b) v = v0 – a · t. Despeja la velocidad inicial (v0 ) y el tiempo (t).
14 Mediante un experimento, estudiamos la fuerza necesaria para alargar un muelle. Para ello, colgamos de él pesas de distinta masa y medimos el alargamiento que se produce. Hemos obtenido los siguientes datos: Masa, m (g)
0 100 200 300 400 500 600 700
Alargamiento, Δl (cm) 0 1,3 2,6 3,9 5,2 6,5 7,8 9,1
a) Dibuja en tu cuaderno una gráfica, situando el alargamiento en el eje de abscisas y la masa en el de ordenadas. ¿Qué tipo de gráfica se obtiene? b) Deduce una fórmula que indique la dependencia entre masa y alargamiento. c) Calcula el alargamiento que se producirá al colgar una masa de 480 g. El trabajo científico
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Aplica tus conocimientos 15 Como ya sabes, la observación es la primera fase del método científico. Elabora un breve informe científico donde trates de explicar los siguientes fenómenos cotidianos: a) Oxidación de los metales. b) Condensación del vapor de agua. c) Cocción de los alimentos.
16 Al igual que ocurre en el laboratorio, también en nuestro entorno usamos aparatos de medida. Enumera tres de ellos, indicando la magnitud que miden y su resolución, es decir, la mínima cantidad que son capaces de apreciar. Por ejemplo, un reloj de pulsera mide el tiempo (t) con una resolución de 1 segundo. 17 Cuando cocinamos un caldo, podemos ver que se empañan los cristales de la ventana de la cocina. ¿Puedes elaborar una hipótesis para explicar esta observación? 18 Marta ha medido la temperatura máxima que se alcanza en el patio de su casa durante todos los meses del último año y ha recogido los resultados en una tabla. En tu cuaderno, dibuja una gráfica de coordenadas, situando los meses en el eje de abscisas y la temperatura en el de ordenadas.
Ene. Febr. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Sept. Oct. Nov. Dic.
9 °C
8 °C
15 °C
17 °C
25 °C
30 °C
33 °C
32 °C
26 °C
18 °C
11 °C
7 °C
a) ¿Qué información podemos extraer de la gráfica? b) ¿Es posible, en este caso, obtener una fórmula? ¿Por qué?
19 En las pruebas de aceleración de un coche de carreras, los mecánicos miden la velocidad alcanzada por el vehículo en los primeros segundos tras la arrancada. Esta es la tabla de valores que obtienen: Tiempo, t (s)
0 2 4 6
Velocidad, v (km/h) 0
30
60
90
8 10 12 120 150
180
Elabora una gráfica con estos datos, representando el tiempo en el eje de abscisas y la velocidad en el eje de ordenadas. a) ¿Qué tipo de gráfica es? b) Deduce la fórmula que relaciona la velocidad y el tiempo. c) ¿Qué velocidad habrá alcanzado el vehículo cuando hayan transcurrido 3 segundos desde el momento de la arrancada?
20 En los últimos años, se ha incorporado al método científico la simulación por ordenador (modelos computacionales que, mediante miles de variables, intentan predecir la variación del comportamiento en un modelo y plantear propuestas alternativas de mejora). ¿Qué ventajas puede aportar? 8
El trabajo científico
Practica la lectura científica
La existencia del tiempo es algo que todos podemos percibir con facilidad, pues continuamente observamos cambios a nuestro alrededor y en nuestro propio cuerpo. Por ello, la medida del tiempo, como magnitud, es tan necesaria para el ser humano como antigua. La forma más inmediata de medir el tiempo consiste en ligarlo a fenómenos periódicos del entorno: por ejemplo, a la sucesión de los días y las noches. Esta debió de ser la manera utilizada por nuestros antepasados más remotos. No obstante, se sabe que los primeros relojes —los relojes de sol— ya se utilizaban en el antiguo Egipto, hace más de 3 000 años. Lejos de ser reemplazados, este tipo de relojes adquirieron un gran desarrollo y se utilizaron durante siglos, coexistiendo con los relojes de agua (clepsidras), los de arena e incluso los primeros modelos mecánicos. Precisamente estos últimos se inventaron en Europa durante la Edad Media, aunque es prácticamente imposible establecer una fecha y lugar concretos para su invención. A partir de esa época, aparecieron los primeros relojes de torre: el de Barcelona y el de Sevilla datan de finales del siglo xiv. A la par que se reducía su tamaño, la complejidad y perfección técnica de los relojes mecánicos aumentó en los siglos siguientes; se les incorporaron ruedas dentadas, muelles y péndulos, y surgió una auténtica industria relojera en Suiza, Alemania y Holanda. Los relojes eléctricos, que utilizaban pilas, irrumpieron en el siglo xix. Como consecuencia, en pocos años se hizo realidad el reloj de pulsera, inicialmente como símbolo de distinción social, aunque pronto pasó a ser una necesidad para quienes vivían en las sociedades industrializadas. La precisión de los relojes también ha aumentado de forma exponencial. Los primeros relojes de sol medían las horas: el día solar se dividía en 12 horas, con lo cual la duración de estas era variable según la época del año. Hasta el siglo xiii no se introdujeron las horas de duración constante, tal como las conocemos en la actualidad. La división de la hora en 60 minutos y del minuto en 60 segundos fue introducida en el siglo xvii, cuando el progreso científico y tecnológico exigió la medida de fracciones de tiempo más pequeñas. Se trata de un sistema sexagesimal (basado en el 60), que solo se usa para la medida del tiempo y de los ángulos. Hoy día disponemos de relojes de alta precisión, como el de cuarzo, inventado en 1930 e incorporado a los modelos de pulsera en la década de 1960. Pero incluso estos relojes son superados por el reloj atómico, basado en la emisión de ondas electromagnéticas de frecuencias exactas cuando se producen transiciones electrónicas en ciertos átomos.
21 Resume en tu cuaderno las ideas principales del texto sobre los siguientes aspectos: a) Los primeros intentos de medir el tiempo en la antigüedad. b) Los tipos de relojes que han existido a lo largo de la historia. c) El aumento de la precisión en la medida del tiempo.
22 Aunque medir es una de las operaciones características de la actividad científica, también se hace continuamente en el ámbito cotidiano. Enumera tres situaciones reales de tu vida en las que se mida el tiempo, citando el aparato de medida empleado en cada caso. El trabajo científico
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23 En la lectura se indica que, en un principio, las horas no duraban lo mismo en todas las épocas del año, pues el día solar se dividía en 12 horas. ¿Por qué era variable esa duración? 24 ¿Crees que el progreso científico tiene repercusión en la vida cotidiana o, por el contrario, se limita al ámbito del conocimiento? Apoya tus argumentos con ejemplos. 25 ¿Qué relación tiene el uso del reloj con el método científico? 26 Expresa en segundos la edad estimada del universo: 15 000 millones de años. Utiliza para ello la notación científica y redondea adecuadamente.
Trabaja con el ordenador 27 Investiga, con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital, la respuesta a estas cuestiones: a) ¿Qué significa el término «serendipidad»? b) ¿Cómo se define actualmente el metro, unidad de longitud del Sistema Internacional? c) ¿Qué magnitudes relaciona esta fórmula de Einstein: E = m c2? ¿En qué teoría se encuadra? Más información en internet Tradicionalmente, la ciencia se ha considerado una actividad muy seria y solo al alcance de unos pocos privilegiados. En esta dirección conocerás anécdotas y curiosidades que te aportarán otro punto de vista sobre la actividad científica. http://ciencianet.com/anecdotas.html
Autoevaluación 1 ¿Qué es el método científico? 2 Pon un ejemplo de hipótesis válida para explicar un fenómeno determinado. 3 ¿Cómo se define una magnitud? 4 Expresa una masa de 370 g en microgramos usando la notación científica. 5 Dibuja la gráfica correspondiente a esta tabla de datos y obtén la fórmula que relaciona sus magnitudes. Voltaje, V (voltios)
10
0 3 6 9 12
Intensidad, I (amperios) 0 0,5 1 1,5 2,0
Calcula, con la fórmula anterior, la intensidad que produce un voltaje de 21 voltios.
El trabajo científico
El estudio de la materia Las propiedades de la materia La materia es todo aquello que posee masa y volumen, es decir, todo lo que se puede pesar y ocupa un lugar en el espacio. La masa y el volumen son propiedades generales de la materia, de modo que puede haber sustancias diferentes que tengan la misma masa o el mismo volumen. Por ejemplo, un niño y un saco de naranjas pueden tener ambos una masa de 10 kg. Sin embargo, hay otras propiedades, como la densidad, que se consideran características porque su valor es diferente para cada sustancia pura. Por ejemplo, la densidad del agua pura es 1 g/cm3, y no hay otra sustancia pura que tenga el mismo valor de densidad. La densidad es una propiedad característica de la materia, y se define como el cociente entre la masa y el volumen de una sustancia. Sus unidades son g/cm3 o kg/m3.
d=
m V
Los estados de la materia La materia presenta tres estados de agregación: • Sólido. Tiene forma fija y definida, y no se puede comprimir. • Líquido. Toma la forma del recipiente que la contiene, pero no se puede comprimir. • Gas. Toma la forma del recipiente y se comprime con facilidad.
Una misma sustancia se puede presentar en los tres estados de agregación. Por ejemplo, el agua: por debajo de 0 ºC (punto de fusión), se encuentra en estado sólido (hielo); por encima de 100 ºC (punto de ebullición), está en forma de gas (vapor); y entre ambos valores se encuentra en estado líquido.
Los cambios de estado
Sublimación inversa Solidificación
Existen seis cambios de estado posibles:
Sólido
Condensación
Líquido
Fusión
Gas
Vaporización Sublimación
El punto de fusión es la temperatura a la que se produce el cambio de estado entre sólido y líquido, y el punto de ebullición es la temperatura a la que tiene lugar el paso de líquido a gas. El estudio de la materia
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La teoría cinético-molecular La teoría cinético-molecular surgió, en un principio, para explicar el comportamiento de los gases. • Los gases están formados por partículas microscópicas que se mueven continuamente y al azar, chocando entre ellas y con las paredes del recipiente que las contiene. • Las partículas aumentan su velocidad promedio al calentar el recipiente que contiene el gas. • La presión del gas se debe al choque de las partículas contra las paredes del recipiente, de modo que, si aumenta el número de choques por segundo, aumenta la presión.
Sin embargo, la teoría cinético-molecular también explica las propiedades de los líquidos y los sólidos, al considerar que, en todos los casos, las sustancias están formadas por partículas con mayor o menor capacidad de movimiento. Sólido Partículas fuertemente unidas que tan solo pueden vibrar, sin perder su posición.
Líquido Partículas que se mueven libremente deslizándose unas sobre otras sin perder el contacto entre sí.
Gas Partículas que se mueven con total libertad chocando entre ellas y con las paredes del recipiente.
Las leyes de los gases El estudio experimental del comportamiento de los gases permite establecer dos relaciones matemáticas de gran importancia entre las diferentes variables. Son las leyes de Boyle y de Gay-Lussac.
Presión (Pa)
p1V1 = p 2V2
Ley de Boyle. Cuando disminuye el volumen que ocupa un gas contenido en un recipiente, aumenta la presión. A temperatura constante, presión y volumen son inversamente proporcionales. p1 · V1 = p2 · V2
Ley de Gay-Lussac. Si se calienta un recipiente que contiene un gas manteniendo el volumen constante, aumenta la presión. A volumen constante, presión y temperatura son directamente proporcionales. p1 p = 2 T1 T2
3
Volumen (m )
Presión (Pa)
p p1 = 2 T2 T1
Temperatura (K)
Ambas leyes establecen fórmulas mediante las cuales es posible calcular el valor de una de las magnitudes (presión, volumen o temperatura) a partir de las otras. 12
El estudio de la materia
Sustancias puras y mezclas Existe una infinidad de sustancias, que se clasifican en dos grandes grupos: sustancias puras y mezclas. Una sustancia pura es aquella que no puede descomponerse en otras más simples por procedimientos físicos. En cambio, una mezcla se puede descomponer en dos o más sustancias diferentes.
Las sustancias puras pueden clasificarse, a su vez, en elementos y compuestos: • En los elementos (hierro, oxígeno, etc.), las partículas están formadas por un mismo tipo de átomos y no pueden separarse en otras sustancias más simples. • En los compuestos (agua, sal, etc.), las partículas están formadas por la unión de varios tipos de átomos, y sí pueden dar lugar a otras sustancias más simples.
Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas: • Las mezclas homogéneas (como el agua salada) son aquellas cuyos componentes no se pueden distinguir a simple vista. • Las mezclas heterogéneas (como el granito) son aquellas en las que es posible distinguir sus componentes con facilidad.
Existen millones de sustancias. Para clasificarlas correctamente, es necesario tener clara la diferencia entre unas y otras, tanto desde el punto de vista macroscópico (propiedades observables) como microscópico (constitución).
Separación de mezclas Los componentes de una mezcla se pueden separar mediante procedimientos físicos. Los procedimientos físicos son aquellos que no alteran la naturaleza de las sustancias; es decir, pueden cambiar su estado o su forma pero no su composición química.
El método más conveniente de separación dependerá del tipo de mezcla. Para mezclas heterogéneas se pueden usar los siguientes procesos físicos de separación: • Filtración, para separar un sólido de un líquido mediante un filtro. • Decantación, para separar dos líquidos inmiscibles de distinta densidad. • Tamizado, para separar dos sólidos con partículas de diferente tamaño.
En los casos de las mezclas homogéneas, los métodos más adecuados son: • Cristalización, para separar un sólido de un líquido evaporando este último. • Destilación, para separar dos líquidos con distinto punto de ebullición. El estudio de la materia
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Disoluciones. Solubilidad y concentración de una disolución Una disolución es cualquier mezcla homogénea; esto es, una mezcla en la que no se distinguen sus componentes. El componente que está en mayor cantidad se llama disolvente, y el que está en menor cantidad, soluto. Para expresar la cantidad de soluto disuelto, se usa la concentración, que puede expresarse como porcentaje en masa o como masa por unidad de volumen. • Porcentaje en masa: cantidad de soluto por cada 100 g de disolución.
% masa =
masa de soluto masa de disolución
· 100
• Masa por unidad de volumen: cantidad de soluto en 1 L de disolución. c=
masa (g) volumen (L)
Si en una disolución hay muy poca cantidad de soluto con respecto al disolvente, se dice que está diluida, pero si existe una gran cantidad de soluto, es una disolución concentrada. Cuando la cantidad de soluto es la máxima que un disolvente puede admitir, se habla de disolución saturada. La solubilidad de una sustancia pura se define como la máxima cantidad de soluto, expresado en gramos, que se disuelve en 100 gramos de disolvente a una temperatura dada.
Actividades 28 Explica por qué el agua y el aire son materia. 29 ¿Cuál será la densidad de una sustancia de 200 g de masa y 40 cm3 de volumen? 30 Una sustancia metálica tiene un volumen de 40 cm3 y su masa es de 60 g. a) ¿Cuál será su densidad? b) ¿Cuál será el volumen de una porción de esa sustancia de 0,3 kg de masa?
31 Si se tienen en un recipiente 0,05 dm3 de aceite, cuya densidad es 0,8 g/cm3, ¿qué cantidad de aceite, expresada en gramos, hay en el recipiente? Recuerda que 1 dm3 = 1 000 cm3. 14
El estudio de la materia
32 Una bola presenta una densidad de 4,7 g/cm3. ¿Cómo podríamos determinar su volumen si tan solo disponemos de una balanza y, al pesarla, obtenemos un valor de 540 g? Hemos encontrado un nonius y, al medir el diámetro de la bola, resultó ser de 3,02 cm. Con este dato, comprueba si tu cálculo del volumen fue correcto. Si no recuerdas la fórmula para averiguar el volumen de la esfera, investiga en algún libro de matemáticas. 33 Al calentar una sustancia y representar los datos de temperatura frente al tiempo, obtenemos la siguiente gráfica: Temperatura (°C)
125
Gas
o
100 C 75 50 25 o
0C –25
Sólido
–50 10
20
30
40
50
60
Tiempo (min)
a) ¿Qué representan los tramos horizontales? b) ¿A qué temperatura ocurre el cambio de estado entre sólido y líquido? ¿Cómo se llama esa temperatura? c) ¿Cuál es el punto de ebullición? ¿Entre qué estados se produce? d) ¿Cuál es la sustancia del experimento?
34 Escribe en tu cuaderno el nombre de los siguientes cambios de estado: a) Se enfría la lava de un volcán. b) Se forman gotas de agua en un cristal durante un día de invierno.
35 Si nos dicen que una sustancia se encuentra en un estado tal que toma la forma del recipiente que la contiene y se comprime con facilidad, ¿podrías decir cómo será la temperatura a la que se encuentra con respecto a su punto de fusión o de ebullición? 36 Razona si es correcta o no la afirmación: «El punto de fusión es el paso de sólido a líquido». 37 Al investigar, hemos encontrado que el punto de fusión del hierro es 1 580 ºC y su punto de ebullición es 3 000 ºC. Contesta razonadamente en tu cuaderno: a) Si calentamos una pieza de hierro hasta una temperatura de 350 ºC, ¿en qué estado se hallará? ¿Por qué? b) ¿A qué temperatura, como mínimo, deberá calentar un trabajador una pieza de hierro si quiere fundirla? ¿Por qué? c) Si en el Sol se alcanzan temperaturas muy superiores a los 3 000 ºC, ¿en qué estado se encontraría el hierro allí? El estudio de la materia
15
38 Al calentar una sustancia, se comprueba que esta pasa de estado sólido a líquido a 286 K de temperatura. Además, el cambio de estado de líquido a gas se produce a 65 ºC. Recuerda: T (ºC) = T (K) – 273,15. a) ¿Cuál es el punto de fusión expresado en ºC? b) ¿Cuál es el punto de ebullición expresado en ºC? c) ¿En qué estado se encontrará la sustancia cuando su temperatura sea de 10 ºC?
39 Un recipiente contiene un gas a 300 K de temperatura y a 1 200 Pa de presión. Calcula la presión del gas si la temperatura aumenta hasta 400 K y hasta 500 K. 40 Un gas confinado ejerce presión sobre las paredes del recipiente. a) ¿A qué se debe esa presión? b) Si calentamos el recipiente que contiene el gas, ¿cómo variará la presión? c) ¿Cómo se explica, desde el punto de vista de la teoría cinético-molecular, dicha variación de la presión al calentar el recipiente que contiene el gas?
41 Cuando calentamos una sustancia, como el agua, esta puede pasar del estado sólido al líquido y, si seguimos calentando, del estado líquido al gaseoso. Observa los dibujos y explica lo que ocurre en cada paso de acuerdo con la teoría cinético-molecular. A
B
C
42 Un gas contenido en un depósito de 0,5 m3 se encuentra a una presión de 1 200 Pa. Si se trasvasa a otro depósito, cuyo volumen es 1,5 m3, sin que varíe la temperatura, ¿cuál será la presión que ejercerá el gas? 43 Se tiene un gas contenido en un recipiente, a una cierta presión y temperatura. En un momento dado, el gas se comprime para disminuir su volumen y, al mismo tiempo, se calienta el recipiente. ¿Es posible aplicar la ley de Boyle para calcular la presión que ejerce el gas en estas nuevas condiciones? 44 ¿Cómo se explica, según la teoría cinético-molecular, el comportamiento de los gases descrito por la ley de Boyle? 45 Una botella de 600 cm3 de volumen está llena de aire comprimido a una presión de 800 Pa. Si se transfiere ese aire a otro recipiente cuyo volumen es de 4 dm3, ¿cuál será la presión ejercida por el gas? ¿Qué ley has utilizado para calcularlo? ¿Por qué? 16
El estudio de la materia
46 Un gas que se encuentra a 600 K de temperatura y a 3 000 Pa de presión se enfría hasta una temperatura final de 150 K. a) ¿Qué ley se puede aplicar en este caso para conocer la presión del gas? b) ¿Cómo será la presión del gas a la temperatura final, mayor o menor? c) ¿Está de acuerdo la respuesta anterior con la teoría cinético-molecular?
47 ¿Qué tipo de sustancia es el agua destilada según la clasificación de la materia? 48 En un recipiente se han mezclado agua, sal y aceite. ¿Cómo podríamos separar estas tres sustancias? Diseña un procedimiento para ello y explícalo. 49 En el supermercado hemos encontrado las siguientes mezclas. Clasifícalas en tu cuaderno como homogéneas o heterogéneas, indicando el criterio utilizado para ello. a) Refresco de cola
d) Mayonesa
b) Macedonia de frutas
e) Especias para carne
c) Vino
f) Leche
50 Fíjate bien en estos dibujos, que corresponden a la representación microscópica de diferentes sustancias. Clasifica cada una de ellas de acuerdo con lo que ya sabes sobre las sustancias puras y las mezclas, explicando en cada caso tu respuesta. A
B
C
D
51 En cierto modo, la cocina es una especie de laboratorio casero. Si observas con atención, comprobarás que ciertas actividades cotidianas están muy relacionadas con todo aquello que acabamos de estudiar. Indica, en cada uno de los casos, qué método de separación de mezclas se está utilizando: a) Preparamos un caldo casero y lo dejamos reposar mientras se enfría para poder quitar con una cuchara algo de grasa sobrenadante (es decir, que queda flotando). b) En el aceite que acabamos de usar para freír, hay partículas en suspensión; las retiramos mediante un colador antes de guardarlo. c) Para eliminar los grumos de una crema de verduras, la hacemos pasar por un tamiz, que retiene los trozos más gruesos.
52 Se han disuelto 50 g de una sustancia en 200 g de agua, de modo que el volumen final de la disolución preparada es de 250 mL. Calcula su concentración como porcentaje en masa y en masa por unidad de volumen, e interpreta los resultados obtenidos. El estudio de la materia
17
53 Cada método de separación utiliza un determinado material de laboratorio. Investiga cómo se llama y en qué método se utiliza cada uno de estos aparatos: A
B
C
54 Diseña el procedimiento más adecuado para separar los componentes de estas mezclas, y explícalo con detalle. a) Agua, azúcar y arena. b) Agua, alcohol y aceite (recuerda que el alcohol es miscible con el agua, pero no con el aceite).
55 Juan quiere preparar varias disoluciones de sal en agua. Sabe que, por cada 100 g de agua, puede disolver, como máximo, 36 g de sal (pues ese es el límite de solubilidad de la sal en agua). ¿Qué tipo de disoluciones obtendrá en cada uno de estos casos? a) Si añade 0,2 g de sal a 400 g de agua. b) Si añade 72 g de sal a 200 g de agua. c) Si añade 30 g de sal a 200 g de agua.
56 Calcula la concentración como porcentaje en masa de una disolución preparada disolviendo 32 g de soluto en 168 g de agua. Interpreta el resultado. 57 Se disuelven 15 g de soluto en 200 mL de agua. Calcula la concentración en masa por unidad de volumen y explica el resultado. 58 Se sabe que el tanto por ciento en masa de cloruro de potasio (KCl) en una disolución es del 1 %. ¿Qué cantidad de esta sustancia se debe disolver en 990 gramos de agua? 59 Si disolvemos 3 g de cloruro de potasio (KCl) y 7 gramos de nitrato de sodio (NaNO3) en 90 gramos de agua destilada, ¿cuál será el tanto por ciento en masa de cada soluto en la disolución? 60 El alcohol desinfectante contiene 96 mL de etanol por cada 100 mL de disolución, siendo el resto agua. Sabiendo que la densidad del etanol es de 0,79 g / mL, calcula la concentración en g / l de etanol en un bote de alcohol desinfectante. 61 Una disolución acuosa contiene 25 g de glucosa en 250 ml de disolución. La densidad de esta disolución es de 1,022 g /cm3. Calcula la concentración en g / l y en tanto por ciento en masa. 18
El estudio de la materia
Aplica tus conocimientos 62 Es un hecho habitual que, mientras se cocina un guiso en un día de invierno, se formen pequeñas gotas de agua en el cristal de las ventanas. ¿Cómo explicarías este fenómeno desde el punto de vista científico? 63 Es frecuente que, tras abrir y cerrar repetidas veces el congelador, se forme nieve en sus paredes interiores. Explica en tu cuaderno por qué sucede esto. 64 Seguro que alguna vez has perfumado una habitación con un espray y te has dado cuenta de que, aunque pulverices el ambientador en una esquina de la habitación, poco después el aroma invade toda la estancia. ¿Cómo lo explicarías utilizando la teoría cinético-molecular? 65 Imagina que arrojamos dos objetos al agua: un tronco de madera de 4 700 cm3 y 4 kg de masa, y un tornillo de 2 cm3 y 15,8 g de masa. El tronco de madera, a pesar de ser mucho más pesado y voluminoso, flota, mientras que el tornillo se hunde con facilidad. Calcula la densidad de ambos objetos y explica lo observado considerando que la densidad del agua es de 1 g/cm3. 66 Una de las técnicas para separar los componentes de una mezcla es la separación magnética. ¿Para qué puede ser útil esta técnica? Describe algún ejemplo cotidiano, ya sea del ámbito doméstico o industrial. 67 En las ciudades vemos frecuentemente estatuas de bronce que, en ocasiones, adquieren una tonalidad verdosa con el paso del tiempo. Investiga y explica en tu cuaderno qué tipo de sustancia es el bronce y por qué adquiere ese color verde en determinadas condiciones. 68 Las disoluciones están muy presentes a nuestro alrededor y, en muchas de ellas, viene indicada la concentración de soluto; por ejemplo, en las botellas de agua mineral o en los envases de los medicamentos. Imagina que vas al médico y te receta un jarabe cuya concentración de principio activo es de 30 mg/mL. Si el prospecto te informa de que una persona, por cada 10 kg de peso, debe tomar 15 mg de principio activo, ¿qué cantidad de jarabe deberás ingerir si pesas 60 kg? 69 La etiqueta de un almíbar de frutas te informa de que la concentración de azúcar en el mismo es del 40 %. Si has tomado 150 g de almíbar, ¿qué cantidad de azúcar has ingerido? 70 La etiqueta de una botella de agua mineral nos informa que el agua embotellada contiene 0,8 mg/L de calcio. ¿Qué cantidad de calcio hay en una botella de 33 cL? ¿Qué volumen de agua habría que beber para ingerir la cantidad diaria recomendada de calcio, que es de 1 g al día para un adulto medio? 71 Imagina que debes diseñar un procedimiento para separar una mezcla de agua, acetona y limaduras de hierro. a) ¿Podrán separarse los tres componentes con una sola técnica? Explícalo. b) Sabiendo que el agua y la acetona son inmiscibles y que el hierro tiene propiedades magnéticas, indica qué procedimiento seguirías para lograr la separación. El estudio de la materia
19
Practica la lectura científica
En la antigüedad, la única sustancia gaseosa conocida era el aire que respiramos. Sus extrañas propiedades hicieron que los griegos lo considerasen un elemento, junto con la tierra, el fuego y el agua. Sin embargo, esta noción de elemento es totalmente distinta a la que tenemos hoy día, que data del siglo xvii. Durante los siglos posteriores, los alquimistas solían obtener «vapores» de forma habitual en los procesos químicos que llevaban a cabo, pero eran sustancias difíciles de caracterizar y estudiar. Hubo que esperar hasta finales del siglo xvi para que el médico Jean Baptiste van Helmont (1577-1644) se interesara de forma científica por dichos vapores, a los que bautizó con la palabra «gas», derivada del término griego chaos. Uno de los gases que obtuvo Van Helmont fue el gas de madera, actualmente conocido como dióxido de carbono. Desde entonces, el avance en el estudio de los gases fue imparable. La aplicación del método científico, a través de mediciones precisas, proporcionaba nuevos datos continuamente. Por ejemplo, en 1622, el químico inglés Robert Boyle publicó la ley que lleva su nombre; algunos años antes había propuesto la definición moderna de elemento químico como una sustancia simple que no puede descomponerse en otras mediante procedimientos químicos. Más de un siglo después, el químico escocés Daniel Rutherford (1749-1819) descubrió el nitrógeno, sometiendo una cantidad de aire confinado a una combustión exhaustiva; acababa de conseguir la primera evidencia de que el aire era, en realidad, una mezcla. El descubrimiento del oxígeno, el otro gran componente del aire, se produjo en 1774; el químico inglés Joseph Priestley lo obtuvo calentando óxido de mercurio, antes logrado calcinando mercurio en el aire. En la actualidad sabemos que el aire atmosférico es una mezcla compleja de gases. Contiene en torno a un 78 % de nitrógeno y un 21 % de oxígeno; el resto se compone de dióxido de carbono, vapor de agua y trazas de gases nobles. De todos ellos, solo el oxígeno es útil para la mayoría de los seres vivos de la Tierra. Una de las mayores preocupaciones del ser humano actual es poder mantener esa composición del aire, que es la que ha permitido la vida, pues la actividad industrial amenaza con alterar, en poco tiempo, este equilibrio de millones de años. Así, el uso masivo de combustibles fósiles ha incrementado peligrosamente la proporción de dióxido de carbono en el aire. Con ello, se potencia el efecto invernadero, que provoca el calentamiento global. Además, en la atmósfera han aparecido nuevos componentes, como los temidos clorofluorocarbonos, responsables de la destrucción del ozono, un gas que nos protege de los efectos nocivos de los rayos ultravioletas procedentes del sol.
72 Resume las ideas principales del texto sobre los siguientes aspectos: a) El conocimiento de los gases hasta el siglo
xvi.
b) El aire como mezcla de gases.
73 En la lectura se mencionan el cambio climático y la destrucción de la capa de ozono. ¿Qué sabes sobre estos dos importantes problemas medioambientales? Si no los conoces, busca información en algún libro, enciclopedia o revista, o bien en internet. 74 El término gas procede del griego chaos, que equivale al castellano «caos», sinónimo de «desorden». Según la teoría cinético-molecular, ¿te parece una denominación acertada? 20
El estudio de la materia
Trabaja con el ordenador 75 Investiga, con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital, la respuesta a las siguientes cuestiones: a) ¿Hasta qué temperatura hay que enfriar el nitrógeno para que pase a estado líquido? b) ¿De qué elementos están compuestas las siguientes aleaciones? – Latón – Acero – Oro de 18 quilates c) Averigua cuánto CO2 emitió cada ciudadano español a la atmósfera, por término medio, en el transcurso del año pasado. d) ¿Puede hervir el agua a una temperatura inferior a 100 ºC? ¿En qué condiciones?
Más información en internet En la siguiente dirección encontrarás una descripción de los procesos de depuración del agua potable y de las aguas residuales. Fíjate bien y descubrirás algunos de los procesos de separación de mezclas que has estudiado a lo largo de este bloque. http://www.youtube.com → Buscar «EDAR aqualia»
Autoevaluación 1 Responde en tu cuaderno a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué es la materia? b) ¿Qué tipo de propiedad es la densidad? c) ¿Qué es la concentración de una disolución? d) ¿Cuándo decimos que una disolución está saturada? e) ¿A qué se denomina solubilidad?
2 Calcula la densidad de una pieza de aluminio de 0,54 kg cuyo volumen es 200 cm3. 3 El punto de fusión de una sustancia es 65 ºC, y su punto de ebullición, 180 ºC. ¿En qué estado se hallará si la calentamos hasta 50 ºC? Según la teoría cinético-molecular, ¿cómo se encontrarán las partículas de dicha sustancia cuando alcance dicha temperatura? ¿Y si la calentamos hasta 200 ºC? 4 ¿Cómo podríamos separar los componentes de las siguientes mezclas? a) Agua y sal
b) Aceite y agua
5 Si disolvemos 30 g de una sustancia en 270 g de agua, ¿cuál será la concentración de la disolución resultante, expresada como porcentaje en masa? El estudio de la materia
21
La estructura de la materia El átomo Aunque hace más de dos mil años que se apuntó por primera vez la idea de la existencia de los átomos, no fue hasta principios del siglo xix cuando surgió la primera teoría científica al respecto, gracias al químico inglés John Dalton. Según la teoría atómica de Dalton: • Los elementos químicos están formados por pequeñas partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos. • Los átomos de un mismo elemento son todos iguales en masa y propiedades; los átomos de elementos diferentes poseen masa y propiedades distintas. • Los átomos de los elementos se combinan entre sí en una relación de números enteros sencillos para formar compuestos químicos.
Hoy día sabemos con certeza que el átomo existe y que en su interior tiene otras partículas aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas: los electrones, los protones y los neutrones. • Los electrones (e–) son partículas de masa muy pequeña en comparación con los protones o neutrones, y tienen carga negativa. • Los protones (p+) son partículas cuya masa es aproximadamente 1 800 veces mayor que la de un electrón, y tienen una carga del mismo valor que la de los electrones, pero positiva. • Los neutrones (n) son partículas sin carga con una masa similar a la de los protones.
Los modelos atómicos Desde que se constató la existencia del electrón, los científicos dedicaron todo su esfuerzo a desarrollar modelos que ayudaran a comprender cómo es un átomo por dentro. Entre los primeros modelos, destacaron el de Thomson y el de Rutherford, si bien actualmente tenemos otra visión del átomo: • Modelo de Thomson El átomo sería una esfera compacta de carga positiva, en la cual se encontrarían incrustados los electrones, con carga negativa. Considerado en su conjunto, el átomo sería neutro. • Modelo de Rutherford El átomo tendría un pequeño núcleo positivo en el centro, alrededor del cual girarían los electrones a gran velocidad, formando la corteza. Según este modelo, el conjunto sería también neutro, pero ahora el átomo se hallaría casi vacío. • Modelo actual El átomo tiene un núcleo central muy pequeño, cargado positivamente, en el que se encuentran los protones y los neutrones. Alrededor de él, en la corteza, se sitúan los electrones en capas concéntricas, girando a velocidades muy grandes.
22
La estructura de la materia
Número atómico y número másico Los átomos se diferencian unos de otros en su número de protones, neutrones y electrones. Para caracterizar los átomos, se utilizan el número atómico y el número másico. • El número atómico (Z) es el número de protones que tiene en el núcleo un átomo de determinado elemento. Todos los átomos del mismo elemento tienen el mismo número atómico. En el caso de los átomos neutros, sin carga eléctrica, el número de protones es igual al número de electrones.
A zX Nomenclatura de los átomos neutros
• El número másico (A) es el número de partículas (protones y neutrones) que tiene en su núcleo el átomo de un elemento. El número de neutrones que tiene un átomo viene determinado por la fórmula N = A – Z.
Isótopos Aunque Dalton afirmó que todos los átomos de un mismo elemento son iguales en masa y en propiedades, realmente no es así. Los isótopos son átomos de un mismo elemento que presentan distinta masa; es decir, son átomos que tienen el mismo número atómico, pero distinto número másico. Por ejemplo, los isótopos del hidrógeno son: • El protio: 11H o hidrógeno-1 • El deuterio: 12H o hidrógeno-2 • El tritio: 13H o hidrógeno-3
Elementos y compuestos Desde mediados del siglo xvii, los químicos ya eran capaces de distinguir entre elementos y compuestos, gracias a la definición de elemento químico del inglés Robert Boyle. Con posterioridad, el descubrimiento del átomo permitió otras formas de diferenciar los elementos de los compuestos. Un elemento es una sustancia pura a partir de la cual no pueden obtenerse otras diferentes por procedimientos físicos ni químicos, ya que está formada por un solo tipo de átomos. Un compuesto es una sustancia formada por diferentes tipos de átomos, por lo que es posible obtener otras sustancias diferentes a partir de él mediante procesos químicos. En la actualidad se conocen más de un centenar de elementos químicos, la mayoría de los cuales son metales. Algunas de las propiedades de los metales son: • Tienen un brillo metálico característico. • Sus puntos de fusión y ebullición suelen ser altos. • Son dúctiles (se pueden hacer hilos) y maleables (forman láminas). • Reaccionan químicamente con no metales como el oxígeno (se oxidan).
La estructura de la materia
23
La tabla periódica En 1869, el ruso Dimitri Mendeleiev y el alemán Lothar Meyer clasificaron los elementos químicos conocidos hasta entonces tomando como criterio la masa atómica en orden creciente. Aquella clasificación periódica, precedente de la actual, logró organizar los elementos en función de la similitud de sus propiedades.
La tabla periódica contiene todos los elementos químicos conocidos, ordenados por su número atómico. Está formada por 18 grupos (columnas) y 7 períodos (filas). Los elementos que presentan propiedades químicas similares se sitúan en el mismo grupo. 2
1
3
6
5
4
7
8
10
9
11
12
13
14
16
15
17
18
2
1 1
H
2
Li 1 H11 Na3 Li19 K11 Na37 Rb19 K55 Cs37 Rb87 Fr55 Cs
1 3
1 3 2 4 3 5 4 6 5 7 6
He 2 4
Be
Fr
7
8
10
9
Mg4 Be20 Ca12 Mg 38 Sr20 Ca56 Ba38 Sr88 Ra56 Ba
21
Sc
Los semimetales aparecen colocados 25 y los 26 23 los 24 27 entre metales no metales. 28
V
Cr
Mn
40
41
42
43
Y21 Zr22 Sc57 Ti72 La39 Hf40 Y89 Zr 104 Ac57 Rf72 La Hf
Nb 23 V73 Ta41 Nb 105 Db73 Ta
Mo 24
Tc25 Mn 75 Re43 Tc 107 Bh75 Re
104
105
89
Ac
Ce 90
ACTÍNIDOS
22
Ti
39
58
LANTÁNIDOS
12
13 5
B
14 6
C
Rf 59
Pr 91
Db 60
Nd 92
Cr74 W42 Mo 106 Sg74 W 106
107
Sg
Bh
61
62
Pm Sm 93
94
Fe
Co
44
Ni
45
46
Ru Rh 26 27 Fe76 Co77 Os44 Ir45 Ru Rh 108 109 Hs76 Mt77 Os Ir
Pd28
108
109
Hs
Mt
63
Eu
64
Gd
95
96
Ni78 Pt46 Pd 110 Ds78 Pt 110
Ds 65
Tb 97
15 7
N
16 8
O
14
15
16
Al5 Si 6 B31 C32 29 30 Cu Zn Ga13 Ge14 Al49 Si50 48 47 Ag Cd30 In31 Sn32 29 Cu79 Zn80 Ga81 Ge82 Au47 Hg48 Tl49 Pb50 Sn In Ag Cd 111 112 113 114 Rg79 Cn80 Nh81 Fl82 Au Hg Tl Pb
P7 N33 As15 P 51 Sb33 As83 Bi51 Sb 115 Mc83 Bi
S8 O34 Se16 S 52 Te34 Se84 Po52 Te 116 Lv84 Po
13
88
Ra
11
Los elementos de la zona alta son abundantes en la naturaleza.
12
87 7
6
5
4
3
111
Rg 66
Dy 98
112
Cn 67
Ho 99
113
Nh 68
Er 100
114
115
Fl
Mc
69
70
Tm Yb 101
102
116
Lv
17 9
F
17
18 10
Ne2 He18 Ar10 Ne36 Kr18 Ar54 Xe36 Kr86 Rn54
Cl 9 F 35 Br17 Cl53 I 35 Br85 At53 I117 Xe 118 Ts85 Og86 At Rn 117
Ts
118
Og
71
Lu 103
Cm Bk65 Cf66 Es67 Fm68 Md Th58 Pa59 U60 Np61 Pu62 Am No70 Lr71 63 64 69 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
La importancia de la tabla en Cm su utilidad predecir Bk Cf para Th periódica Pa U Npreside Pu Am Es Fm Md No lasLr propiedades de los elementos químicos, que se repiten periódicamente al ordenarlos según su número atómico. 90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
Los compuestos químicos: fórmulas La unión de los átomos da lugar a los compuestos químicos, que pueden ser inorgánicos u orgánicos. Se conocen millones de compuestos químicos, por tanto, es necesario disponer de unas reglas precisas para nombrarlos. Gracias a ellas, es posible asignar un nombre inequívoco a cada compuesto a partir de su fórmula, y también puede obtenerse la fórmula a partir del nombre.
En el caso de los compuestos inorgánicos, existen varias nomenclaturas diferentes. La más utilizada es la nomenclatura sistemática, que se basa en el uso de prefijos numerales para indicar el número de átomos del compuesto, y sufijos o palabras clave para hacer referencia al tipo de compuesto del que se trata.
24
La estructura de la materia
Para los compuestos inorgánicos binarios (formados por dos elementos distintos), las reglas de nomenclatura se resumen a continuación: • El número de átomos de cada tipo se indica con prefijos numerales:
di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, hepta-, octa-, nona-… • Según el tipo de compuesto, seguimos unas sencillas reglas que puedes ver explicadas en esta tabla:
Compuesto
Tipo de combinación
Regla
Ejemplo
Óxido
Unión de un elemento con el oxígeno
Se nombra el oxígeno como óxido
Fe2O3 Trióxido de dihierro
Hidruro metálico
Elemento metálico unido a hidrógeno
Se nombra el hidrógeno como hidruro
CaH2 Dihidruro de calcio
Hidruro no metálico
Hidrógeno combinado con elemento no metálico
Se nombra el no metal terminado en -uro
H2S Sulfuro de dihidrógeno
Sal binaria
Unión de un metal con un no metal
Se nombra el no metal terminado en -uro
FeCl3 Tricloruro de hierro
Masa atómica y masa molecular La masa de los átomos es una magnitud muy importante en Química que se mide en unidades de masa atómica (u). Esta unidad se tuvo que definir expresamente para cuantificar la masa de las partículas microscópicas, para las cuales las unidades habituales de masa resultan demasiado grandes y poco convenientes. La unidad de masa atómica (u) se define como la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12, el cual tiene 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones. Equivale a 1,6607 · 10–27 kg. Cuando los átomos se combinan, dan lugar a compuestos químicos formados por moléculas o por otras agrupaciones atómicas. • La masa atómica de un elemento químico es la media ponderada de las masas atómicas de los isótopos que posee. • La masa molecular o masa fórmula de un compuesto es la suma de las masas atómicas de los elementos que lo componen.
La tabla periódica recoge, entre otros muchos datos, la masa atómica de todos los elementos químicos. Con estos valores de masa atómica, podemos calcular la masa molecular o masa fórmula de cualquier compuesto a partir de su fórmula.
El concepto de mol La masa molar indica la masa en gramos de una sustancia que corresponde a 1 mol (6,022 · 1023) de partículas de la misma. Se expresa en g/mol. El mol es la unidad que sirve para medir la cantidad de materia del Sistema Internacional. Equivale a una cantidad de partículas igual a 6,022 · 1023, conocida como el número de Avogadro. La estructura de la materia
25
El mol establece la correspondencia entre las cantidades que podemos manipular en el laboratorio y el mundo microscópico de los átomos.
H2O Masa molecular H2O = 18 u
Así, si conocemos la masa molecular de una sustancia, expresada en unidades de masa atómica, sabemos que su masa molar tiene el mismo valor expresada en g/mol, un dato clave para saber cuántas moléculas de esa sustancia hay en una determinada porción de materia.
Masa molar H2O = 18 g/mol
18 g H2O
1 mol H2O
6,022 · 1023 moléculas H2O
Actividades 76 Analiza cada uno de los enunciados e indica si son correctos o no, justificando en cada caso tu respuesta. a) Todos los átomos de oro son idénticos, con independencia del lugar donde se localicen. b) Un protón y un electrón son dos partículas que no tienen nada en común.
77 Para Dalton, los átomos eran indivisibles e indestructibles. Si nos basamos en los datos de los que disponemos actualmente, ¿podemos afirmar que Dalton tenía razón o, por el contrario, estaba equivocado? Justifica tu respuesta. 78 Aunque existen poco más de un centenar de elementos químicos, se conocen millones de compuestos diferentes. ¿Cómo podríamos explicar este hecho? 79 Indica, en cada uno de los casos, las semejanzas y diferencias entre las partículas subatómicas: a) Electrón y protón
b) Protón y neutrón
80 El tamaño de un átomo es del orden de 10–11 m. ¿Cuántos átomos deberíamos colocar en línea uno junto a otro para completar una distancia de 1 cm? 81 Señala las semejanzas y diferencias entre el modelo de Thomson y el de Rutherford. 82 Según los datos actuales, el átomo no es exactamente como lo describió Rutherford. ¿Qué diferencias observas entre el modelo atómico de Rutherford y el actual? 83 ¿Aparecían los protones en los primeros modelos atómicos? ¿Por qué? 84 ¿Qué tienen en común y en qué se diferencian los átomos 26
La estructura de la materia
Cu y
63 29
Cu ?
65 29
85 Escribe una definición adecuada para cada uno de los siguientes términos: a) Átomo
b) Núcleo
c) Electrón
86 Indica en tu cuaderno si las siguientes afirmaciones son correctas o incorrectas, explicando en cada caso el porqué de tu respuesta: a) En los átomos siempre existe una parte cuya carga es positiva. b) En la actualidad se sabe que los electrones del átomo se encuentran incrustados en una esfera compacta y positiva. c) Los electrones y los neutrones se localizan en la corteza.
87 El número atómico de un átomo de arsénico (As) es 33 y su número másico es 75. Deduce el número de protones, neutrones y electrones que posee, considerando que se trata de un átomo neutro. 88 Deduce el número de protones, neutrones y electrones que poseen los siguientes átomos, considerando que en todos los casos se trata de átomos neutros: 11 5
B;
39 19
K;
50 23
V;
Ni;
58 28
Kr;
80 36
Ag
107 47
89 Un átomo de cierto elemento presenta 54 protones, 74 neutrones y 54 electrones: a) ¿Cuál es su número atómico? ¿Por qué? b) ¿Cuál es su número másico? ¿Por qué? c) ¿Se trata de un átomo neutro? ¿Por qué?
90 Uno de los datos que aparece en cualquier tabla periódica es el número atómico de los elementos químicos. Indica, para cada uno de los átomos representados, cuáles son sus números atómico y másico, y, consultando una tabla periódica, detalla a qué elemento pertenece cada uno. 22 e– 22 p+ 26 n
30 e– 30 p+ 34 n
56 e– 56 p+ 82 n
78 e– 78 p+ 116 n
91 ¿Cuáles de estos objetos pueden considerarse metálicos en función de sus propiedades? Contesta en tu cuaderno justificando tu respuesta. a) Colgante de plata
b) Hoja de papel
c) Armazón de hierro
d) Gota de mercurio
92 Al hacer pasar una corriente eléctrica a través del agua, se observa que se desprenden dos gases diferentes en el cátodo y el ánodo. Clasifica el agua, de acuerdo con esta información, como elemento o como compuesto. 93 Explica para qué sirve la tabla periódica y qué datos de los elementos químicos podemos consultar en ella. La estructura de la materia
27
94 Los siguientes dibujos representan dos sustancias diferentes. Indica razonadamente a qué tipo de sustancia corresponde cada uno: a) Si sometemos ambas sustancias a procesos físicos, ¿podemos obtener otras sustancias diferentes? b) ¿Y si las sometemos a procesos químicos?
95 Indica si las siguientes afirmaciones son correctas o incorrectas, justificando en cada caso tu respuesta: a) El número de elementos químicos es similar al de compuestos. b) Mediante un proceso químico no es posible obtener varias sustancias a partir de un elemento. c) Todos los metales sin excepción presentan elevados puntos de fusión y ebullición.
96 Busca en una tabla periódica la información sobre el símbolo, el nombre, el grupo, el período, el número atómico y la masa atómica de los elementos que aparecen numerados.
1
5 4
3
2 6 7 8
97 Escribe el nombre y el símbolo de los tres primeros elementos: a) Del grupo 16.
b) Del período 3.
98 Para las siguientes parejas de elementos, ¿cuál de ellos tiene un mayor número de protones en el núcleo? Justifica cómo has llegado a esa conclusión. a) S / Al.
b) Y / Cr.
c) I / Eu.
99 Contesta brevemente a estas cuestiones, justificando en cada caso tu respuesta: a) ¿Qué elemento tiene un mayor carácter metálico, el aluminio o el talio? b) ¿Cuál presenta átomos de mayor tamaño, el magnesio o el bario? c) Indica, comparándolos entre sí, cómo son el carácter metálico y el tamaño del titanio y el cobre.
100 Escribe el nombre del siguiente compuesto, de acuerdo con las reglas establecidas para los compuestos inorgánicos binarios: P2O5. 101 Nombra cada compuesto e indica en tu cuaderno de qué tipo es y qué átomos lo integran:
28
a) P2O3
c) HBr
b) AlCl3
d) CoH3
La estructura de la materia
Aplica tus conocimientos 102 La idea de la existencia de los átomos como partículas microscópicas indivisibles surgió, inicialmente, de manera intuitiva. Trata de pensar en cómo pudieron razonar los antiguos filósofos griegos para llegar a esa conclusión basándose en sus observaciones de las sustancias materiales que los rodeaban. 103 Desde que se supo que el átomo no era indivisible, se comenzaron a desarrollar los modelos atómicos. Algunos de ellos, como el de Rutherford y los que le sucedieron, se conocen como «modelos planetarios», pues se asemejan a un sistema solar en miniatura. Describe el modelo atómico de Rutherford, comparándolo con nuestro sistema solar. 104 El conocimiento de los isótopos ha permitido desarrollar aplicaciones tecnológicas de gran importancia. Así, sabemos que en los organismos vivos existe una proporción fija del isótopo carbono-14 ( 146 C), el cual, cuando los organismos mueren, se va transformando en el isótopo más abundante del carbono, el carbono-12 (126 C ), en un proceso que dura miles de años. Como los científicos conocen la velocidad de esta transformación, pueden establecer la antigüedad de ciertos materiales arqueológicos. a) ¿Qué semejanzas y diferencias existen entre los átomos de ambos isótopos? b) La cantidad de carbono-14 de una muestra se reduce a la mitad cada 5 700 años. Si un pergamino antiguo ha pasado a contener la cuarta parte de la proporción inicial de carbono-14, ¿cuántos años de antigüedad tendrá aproximadamente?
105 Explica qué propiedades de los metales presentan estos objetos: a) Grifo cromado del baño
b) Hilo de cobre de un cable
c) Lámina repujada de estaño
106 Calcula la masa molecular o masa fórmula de cada uno de los siguientes compuestos químicos, que podemos encontrar con facilidad en nuestra cocina. Para ello, busca los datos que necesites en una tabla periódica. a) Sal común (NaCl) b) Gas butano (C4H10) c) Ácido acético del vinagre (CH3COOH)
107 ¿Cuál será el valor de la masa molar del gas butano de la actividad anterior? Interpreta el significado de dicha magnitud. 108 Durante la respiración, una persona que se encuentra en reposo puede inspirar alrededor de 0,5 litros de aire, lo cual equivale, aproximadamente, a 5 · 10–3 moles de oxígeno (O2). Calcula cuántas moléculas de oxígeno introduce en sus pulmones esa persona en cada inspiración. 109 Escribe el nombre sistemático e indica qué tipo de compuestos son los siguientes: a) Calcopirita (contiene CuS)
c) Herrumbre (Fe2O3)
b) Borano (BH3)
d) Agua fuerte (disolución de HCl) La estructura de la materia
29
110 Indica qué tipo de compuesto corresponde a cada una de las siguientes fórmulas: a) KCl
d) PbH4
g) HBr
b) MgO
e) FeH2
h) CaS
c) Al2O3
f) SiO2
i) MgBr2
111 Un vaso contiene 72 g de agua. Sabiendo que la masa molar del agua es 18 g/mol, calcula el número de moles y de moléculas de agua contenidos en el vaso. 112 Escribe en tu cuaderno el nombre de los siguientes compuestos químicos binarios: a) CO2
e) PbO
i) FeO
b) LiH
f) BaBr2
j) SrH2
c) SO3
g) AlH3
k) Zn3N2
d) MgH2
h) KF
l) CaO
113 Dado el nombre, escribe en tu cuaderno la fórmula de los siguientes compuestos químicos: a) Dióxido de silicio
d) Dihidruro de cobre
b) Tricloruro de níquel
e) Difluoruro de calcio
c) Yoduro potásico
f) Óxido de disodio
114 El ácido fosfórico es un aditivo que se utiliza en los refrescos de cola como acidulante y para favorecer la conservación. Su fórmula es H3PO4. Calcula la masa molecular de esta sustancia. 115 Busca los datos necesarios en la tabla periódica y calcula la masa molecular de las siguientes sustancias químicas, expresada en unidades de masa atómica: a) Pentaóxido de dinitrógeno (N2O5)
c) Trinitrotolueno (C6H3N3O6)
b) Fenilamina (C6H7N)
d) Butanol (C4H10O)
116 Si la unidad de masa atómica se ha definido como la doceava parte de la masa del isótopo carbono-12, explica la siguiente afirmación: «Una unidad de masa atómica (u) equivale, aproximadamente, a la masa de un protón o de un neutrón». 117 Si expresamos la masa de los átomos en unidades macroscópicas, como el kilogramo, obtendremos un número extraordinariamente pequeño. Sabiendo, por ejemplo, que la masa de un átomo de aluminio es 27 u, calcula: a) La masa de ese átomo en kilogramos. b) El número de átomos de aluminio que hay en 1 kg de esa sustancia.
118 Calcula el número de moléculas que hay en las siguientes cantidades de sustancia: a) 2 mol de H2
30
La estructura de la materia
b) 0,5 mol de CO2
Practica la lectura científica
Uno de los grandes descubrimientos de la historia de la ciencia fue, sin duda, el de la radiactividad. Sucedió alrededor de 1896, por azar, cuando el químico francés Henri Becquerel, que por aquel entonces se dedicaba a estudiar las emisiones de rayos X de ciertas sustancias fluorescentes, observó que algunas muestras de material de uranio velaban las placas fotográficas al situarlas cerca de estas. Sin comprender del todo en qué consistía el fenómeno, pensó que se trataría de una radiación invisible emanada del uranio, a la que denominó radiactividad, nombre propuesto por su discípula, Marie Curie. Por este importante descubrimiento, ambos científicos recibieron el Premio Nobel de Física en 1903. Marie Curie, de origen polaco, se encontraba en esas fechas trabajando con Becquerel y su esposo, Pierre Curie. Dedicó sus esfuerzos al estudio de estas nuevas radiaciones y de las sustancias que las emitían. En 1898 descubrió dos nuevos elementos químicos: el polonio, al que bautizó así en honor a su tierra natal, y el radio, del cual consiguió aislar casi un gramo en estado puro tras procesar toneladas de mineral, lo cual le valió para ser de nuevo reconocida, en 1911, con el Premio Nobel, esta vez de Química. Hoy sabemos que la radiactividad es un proceso en el cual tiene lugar la ruptura de un núcleo atómico inestable de gran tamaño, como el de los isótopos uranio-235 (235 92 U) o Ra radio-226 (226 ), entre otros. En este proceso de desintegración se producen tres tipos 88 de emisiones: la emisión alfa, formada por partículas que contienen dos protones y dos neutrones; la emisión beta, formada por haces de electrones, y la emisión gamma, que es una radiación ionizante de alta energía, capaz de atravesar los tejidos con gran facilidad y de provocar la destrucción celular. A partir de la segunda mitad del siglo xx, el fenómeno de la radiactividad ya se conocía con bastante profundidad y los científicos se afanaban en desarrollar nuevas aplicaciones tecnológicas. En 1943, en el Estado norteamericano de Nuevo Méjico se puso en marcha el laboratorio de Los Álamos, dirigido por el físico Robert Oppenheimer, con la finalidad de desarrollar la primera bomba atómica. Esta poderosa arma de destrucción iniciaría una nueva era en la historia bélica. Afortunadamente, han sido más numerosas las aplicaciones de la radiactividad en la mejora del bienestar de las personas. Entre ellas, destacan aplicaciones médicas como la radioterapia y la quimioterapia. En la primera, se irradian tejidos tumorales con la finalidad de destruir las células cancerosas, mientras que, en la segunda, se administra al paciente un isótopo radiactivo que su organismo absorbe provocando la destrucción de ciertos tejidos de manera selectiva.
119 En la lectura son nombrados varios científicos relevantes. ¿Cuál fue la contribución de cada uno? 120 Resume en tu cuaderno, en no más de tres líneas, cómo se descubrió la radiactividad. 121 Indica el número de protones y neutrones que poseen en el núcleo los átomos de los siguientes isótopos radiactivos. ¿En qué datos te has basado para deducir la respuesta? a) 235 U 92
b) 226 Ra 88
c)
109 48
Cd
U sufre un proceso de desintegración radiactiva, puede transformarse 122 Cuando el isótopo 235 92 Pb. ¿Qué transformación global ha sufrido el átomo de uranio? en un átomo del isótopo 207 82 La estructura de la materia
31
Trabaja con el ordenador 123 Investiga, con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital, la respuesta a las siguientes cuestiones: a) ¿Cuándo se descubrió el elemento químico llamado curio? b) ¿Quién fue su descubridor y por qué lo llamó así? c) ¿Para qué se usa el titanio? d) ¿Dónde y en qué fecha nació el químico Amedeo Avogadro, en cuyo honor se nombró el número de partículas que forman un mol?
Más información en internet En la siguiente dirección web encontrarás una tabla periódica interactiva. Pulsando en el elemento químico deseado, obtendrás abundante información sobre él: desde datos relativos a su número atómico o su masa hasta su descubridor o sus propiedades físico-químicas. https://www.lenntech.es/periodica/tabla-periodica.htm
Autoevaluación 1 Responde brevemente a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué es un elemento químico? b) ¿Cómo son, según Dalton, los átomos de un mismo elemento? c) ¿Qué son los grupos y los períodos de la tabla periódica? d) ¿Dónde se sitúan los metales en la tabla periódica?
2 Explica cómo concebía Rutherford la estructura del átomo. 3 Responde en tu cuaderno justificando tu respuesta: a) ¿Qué partículas sabemos en la actualidad que integran el átomo? b) Explica cómo es un átomo de
23 11
Na .
4 Calcula las masas molecular y molar del gas metano (CH4), e indica el número de moléculas de dicho gas que hay en un recipiente que contiene 3 moles. (Nota. Las masas atómicas del C y del H son 12 y 1, respectivamente). 5 Escribe en tu cuaderno el nombre de los siguientes compuestos químicos binarios: a) CO2
c) AlH3
b) PbO
d) BeCl2
6 Una sustancia está constituida por unidades en las que hay un átomo de N y tres átomos de H. ¿Está formada por moléculas o por cristales? ¿Es un elemento o un compuesto? ¿De qué sustancia se trata? Calcula su masa molecular. (Nota. Las masas atómicas del N y del H son 14 y 1, respectivamente). 32
La estructura de la materia
Las transformaciones de la materia Cambios físicos y químicos Si prestamos atención a nuestro entorno, podemos observar que las sustancias sufren continuas transformaciones: • Un cambio físico es aquel que no altera la naturaleza de las sustancias. • Un cambio químico es aquel por el que se obtienen nuevas sustancias.
Las reacciones químicas son procesos en los cuales, a partir de unas sustancias iniciales llamadas reactivos, se obtienen otras completamente diferentes, denominadas productos. A nivel microscópico, los átomos que componen los reactivos se reagrupan para dar lugar a los productos. No siempre es fácil reconocer cuándo se producen reacciones químicas, aunque a menudo van acompañadas de fenómenos indicadores característicos; por ejemplo, cambios de color inesperados, variaciones bruscas de temperatura, desprendimiento espontáneo de gases o aparición de sustancias sólidas (precipitados) al mezclar dos líquidos.
Velocidad de las reacciones químicas Los cambios químicos son muy diversos y no suceden todos a la misma velocidad. Así, mientras la explosión de la pólvora de un cohete sucede en décimas de segundo, un objeto de hierro puede tardar semanas o meses en oxidarse. La velocidad a la que se produce una reacción química es una magnitud importante y se ve influenciada por varios factores, que pueden hacer que aumente o disminuya en determinadas condiciones para un mismo proceso. Los factores que influyen en la velocidad de una reacción química son: • Estado de agregación de los reactivos
• Concentración de los reactivos
• Superficie de contacto
• Catalizadores
• Temperatura
Ley de conservación de la masa El estudio cuantitativo de las reacciones químicas se remonta a finales del siglo xviii, cuando se empieza a aplicar el método científico y surgen las primeras leyes de la química. Una de estas leyes fue enunciada por el francés Antoine-Laurent de Lavoisier, y se conoce como la ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier. Ley de conservación de la masa. En toda reacción química, la masa total de los reactivos iniciales es igual a la masa total de los productos que se generan. Las transformaciones de la materia
33
La ecuación química Para representar simbólicamente una reacción química, se utilizan las ecuaciones químicas. En ellas, los reactivos y los productos aparecen representados por sus fórmulas e indicando su estado de agregación; entre ambos, una flecha señala el sentido del proceso. Además, delante de las fórmulas se escriben los coeficientes estequiométricos, unos números que indican la cantidad de moléculas de cada sustancia que intervienen en la reacción. Estos coeficientes se obtienen mediante el ajuste de la ecuación. El ajuste de ecuaciones químicas se realiza por tanteo de acuerdo con los siguientes pasos: • Contamos el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos. • Vamos rectificando los coeficientes necesarios hasta conseguir igualar el número de átomos de cada elemento a ambos lados de la ecuación.
Las relaciones de estequiometría establecen la proporción fija en la que los reactivos y productos se combinan para dar lugar a las diversas reacciones químicas. Esta proporción puede expresarse de varias formas: • Relación de estequiometría en moles, dada por los coeficientes estequiométricos. • Relación de estequiometría en masa, obtenida multiplicando los coeficientes estequiométricos por las masas molares. • Relación de estequiometría en volumen, en reacciones donde intervienen gases.
Reacciones de interés Se conocen millones de reacciones químicas, pero solo algunos tipos de ellas tienen interés práctico. Así, destacan por su importancia: • Las reacciones ácido-base: son reacciones de neutralización en las cuales un ácido reacciona con una base para producir una sal y agua. Son muy frecuentes, tanto en el medio natural como en la industria y en el ámbito doméstico. Ácido + Base → Sal + H2O
• Las reacciones de combustión: ocurren entre una sustancia llamada combustible y el oxígeno del aire. Sus productos son dióxido de carbono y agua, y liberan gran cantidad de calor. Combustible + O2 → CO2 + H2O + Calor
El interés de las reacciones de combustión reside precisamente en el calor producido, que se aprovecha con distintos fines. En cuanto a los productos que origina, ambos son inocuos, si bien la acumulación de grandes cantidades de dióxido de carbono en la atmósfera está aumentando el efecto invernadero global, lo que puede desembocar en un cambio climático de consecuencias imprevisibles. 34
Las transformaciones de la materia
Actividades 124 Indica razonadamente si los siguientes procesos son de tipo físico o químico: a) Modelar un trozo de plastilina.
c) Encender un mechero.
b) Disolver una pastilla efervescente en agua.
d) Hervir agua.
125 Al mezclar en el laboratorio una disolución incolora de cloruro de sodio con otra disolución incolora de nitrato de plata, en el líquido resultante se forma un precipitado de color blanco grisáceo que, rápidamente, tiende a depositarse en el fondo. ¿Qué tipo de proceso ha tenido lugar? Justifica tu respuesta. 126 Cuando cocinamos arroz, solemos añadir un colorante alimentario para que el caldo adquiera un tono amarillo intenso. Este hecho parece poner de manifiesto uno de los indicadores de las reacciones químicas: los cambios de color. ¿Crees que se trata de un proceso físico o químico? Explica tu respuesta. 127 Observa la ilustración e interpreta, a escala microscópica, la reacción química que da lugar al amoníaco, una sustancia de gran importancia industrial. Hidrógeno (H2) +
H H
H H
H
H
Nitrógeno (N2)
N N
→
Amoníaco (NH3)
H
N
H
H
H
N
H
H
128 En la industria química es habitual el uso de catalizadores para llevar a cabo determinados procesos químicos. ¿Por qué crees que se recurrirá al uso de catalizadores, a pesar de que su coste suele ser elevado? 129 Uno de los factores que influyen en la velocidad de reacción es el estado de agregación de los reactivos. Explica por qué, en estado gaseoso, las reacciones químicas suelen ser más rápidas que en fase líquida o sólida. 130 Al calentar el clorato de potasio (KClO3) en un horno a cierta temperatura, se transforma en cloruro de potasio (KCl) debido a que parte del oxígeno se desprende como O2. En el horno de un laboratorio, se colocan 245,2 g de clorato de potasio y, tras el proceso, se recogen 149,2 g de cloruro de potasio. ¿Qué cantidad de oxígeno se ha desprendido? 131 En la industria metalúrgica, se quema sulfuro de hierro para obtener hierro. Esta reacción desprende grandes cantidades de dióxido de azufre (SO2), que, tras ser sometido a varios procesos de oxidación e hidratación, da lugar a ácido sulfúrico (H2SO4). El proceso global de formación de este ácido podría resumirse así: Azufre + Oxígeno + Agua → Ácido sulfúrico
Sabiendo que por cada 122 kg de mineral procesado, que contiene 64 kg de azufre, se utilizan 96 kg de oxígeno y 36 kg de agua, ¿qué cantidad de ácido se obtendrá? Las transformaciones de la materia
35
132 Representa mediante una ecuación la reacción química entre el hidrógeno (H2) y el cloro (Cl2) para formar cloruro de hidrógeno (HCl). Dibuja las moléculas implicadas, ajusta la ecuación e interprétala. 133 Ajusta la siguiente ecuación química y realiza su interpretación microscópica. SO2 + O2 → SO3
134 Ajusta en tu cuaderno las siguientes ecuaciones químicas: a) I2O5 + CO → I2 + CO2
c) FeS + O2 → Fe2O3 + SO2
b) CO + Fe2O3 → Fe + CO2
d) H2SO4 + NaOH → Na2SO4 + H2O
135 Analiza la siguiente ecuación ajustada, correspondiente a un proceso químico:
Dióxido de azufre
2 SO2
Oxígeno
+
Trióxido de azufre
→
O2
2 SO3
a) Interpreta su relación de estequiometría en moles. b) Calcula la cantidad de oxígeno para que reaccionen completamente 10 moles de SO2.
136 El hidrógeno gaseoso puede reaccionar con el gas de cloro para formar cloruro de hidrógeno:
Hidrógeno
H2
Cloro
+
Cl2
Cloruro de hidrógeno
→
2 HCl
a) Calcula la masa molar de cada una de estas sustancias y la relación de estequiometría en masa que corresponde a este proceso. b) Calcula la cantidad de HCl que se obtendría a partir de 6 g de H2.
137 Uno de los problemas medioambientales más graves actualmente a nivel mundial es el cambio climático. Investiga sobre él y contesta: a) ¿En qué consiste exactamente el cambio climático? b) ¿Qué relación existe entre este problema y las reacciones de combustión? c) ¿Qué medidas deberían adoptarse para combatirlo?
138 Ajusta las siguientes ecuaciones químicas:
36
a) H2 + Cl2 → HCl
d) C + H2O → CO + H2
g) HgO → Hg + O2
b) Sn + O2 → SnO
e) Fe + O2 → Fe2O3
h) C2H4 + O2 → CO2 + H2O
c) HCI + Fe → FeCI2 + H2
f) CO + O2 → CO2
i) HCI + AI → AICI3 + H2
Las transformaciones de la materia
Aplica tus conocimientos 139 El primer paso en la digestión de los alimentos es la masticación. No son pocas las veces que se nos ha dicho que masticar bien los alimentos facilita su digestión. ¿Podrías justificar esta afirmación desde el punto de vista químico? 140 Si se declara un incendio de combustibles y arde, por ejemplo, la gasolina de un depósito que se ha derramado por el suelo, los bomberos no apagan las llamas con agua, sino que vierten espuma. ¿Por qué extinguen el incendio de esta manera? Explícalo considerando que se trata de una reacción química de combustión. 141 Si añadimos una pastilla efervescente de 2 g de masa a un vaso que contiene 50 g de agua, tras un tiempo desprendiendo burbujas, la pastilla efervescente acaba por disolverse. a) ¿La disolución de la pastilla es un proceso de tipo químico? ¿Por qué? b) ¿Podemos afirmar que, una vez disuelta toda la pastilla, el contenido del vaso será de 52 g de masa total? ¿Por qué?
142 Nuestros antepasados desarrollaron un proceso artesanal para obtener cal viva. Consistía en calentar a altas temperaturas, en unos hornos fabricados en la propia montaña, la roca caliza; de este modo, el carbonato de calcio producía óxido de calcio: cal viva. Al mezclar esta cal viva con agua, el óxido se transformaba en hidróxido de calcio, o cal apagada, desprendiendo gran cantidad de calor. Carbonato de calcio → Óxido de calcio + Dióxido de carbono
Si al calentar 200,2 kg de roca caliza, compuesta por carbonato de calcio en un 50 %, se desprenden 44 kg de dióxido de carbono, ¿qué cantidad de cal viva se obtiene? Explica en qué ley te has basado para realizar el cálculo.
143 La lluvia ácida es un tipo de precipitación, provocada por la quema de combustibles a gran escala, que contiene pequeñas cantidades de sustancias ácidas. ¿Por qué crees que este tipo de lluvia deteriora especialmente los monumentos de mármol? 144 Cuando el hierro se encuentra a la intemperie durante un período de tiempo prolongado, se oxida transformándose en un polvo ocre que recibe el nombre de herrumbre. ¿Se trata de un proceso físico o químico? Razona tu respuesta. 145 Cuando depositamos una pequeña vela encendida en el fondo de un vaso alto, observamos que se apaga espontáneamente en breves segundos. ¿Qué explicación podemos darle a este fenómeno, teniendo en cuenta en qué consiste la reacción de combustión? 146 Al calentar 50 g de una piedra caliza (carbonato de calcio, CaCO3), se producen 28 g de un residuo sólido. ¿Por qué parece que no se cumple la ley de conservación de la masa en este caso?
Las transformaciones de la materia
37
Practica la lectura científica
El estudio de las transformaciones químicas ha suscitado el interés de filósofos y científicos desde tiempos remotos, ya sea por el simple hecho de averiguar el porqué de las cosas o por las aplicaciones que de las conclusiones obtenidas se pueden derivar. Entre los estudiosos de los procesos químicos, destaca uno de los más grandes alquimistas de la historia: el sabio persa Jabir ibn-Hayyan, que vivió entre los siglos viii y ix. Médico de la corte del califa Harún Al Raschid, este alquimista defendía las teorías de Empédocles de Agrigento, un filósofo griego del siglo v a. C., según las cuales todo lo que nos rodea está formado por cuatro elementos: aire, agua, tierra y fuego. Jabir ibn-Hayyan también estaba convencido de que, combinando adecuadamente algunas sustancias, como azufre, mercurio y aire, el plomo podría transformarse en oro. Tras la quimera de una transformación como esta, numerosos alquimistas dedicaron su vida a la búsqueda de la combinación perfecta; obviamente, no lo consiguieron, pero por el camino acumularon abundante información sobre los procesos químicos, si bien no sabían explicar por qué ocurrían. El trabajo de los alquimistas dio paso al estudio científico de los procesos químicos. Así, en el siglo xvii, el químico Robert Boyle introdujo el concepto de elemento químico, y, desde finales del siglo xviii, científicos como Lavoisier, Proust, Dalton, Richter o Avogadro, entre otros, sentaron las bases de la química moderna. No obstante, el desarrollo más espectacular se produjo, sin duda, tras descubrirse el átomo y las partículas subatómicas, a principios del siglo xx. Actualmente conocemos millones de reacciones químicas y podemos explicar con detalle cómo se combinan entre sí los átomos en estos procesos. Utilizamos las reacciones a nivel industrial, para la fabricación de multitud de productos y la obtención de infinidad de materiales (metales, fibras textiles, plásticos, gomas, productos farmacéuticos…). Asimismo, las reacciones químicas están muy presentes en nuestra actividades cotidianas: cuando conectamos el motor del coche o encendemos el calentador a gas, cuando disolvemos una pastilla efervescente o, simplemente, cuando cocemos un huevo. Y no solo eso. El conocimiento que tenemos de las reacciones químicas nos ha permitido adentrarnos en los secretos del funcionamiento de los organismos vivos, desentrañando las claves de procesos metabólicos vitales, como la respiración celular o la fotosíntesis. Los medios de que disponemos son tan sofisticados que incluso los científicos estudian desde la Tierra los procesos químicos que tienen lugar en los confines del espacio. Y, aun con todo lo que sabemos, debemos admitir que nos queda todavía mucho por descubrir.
147 Responde a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué teoría defendía el griego Empédocles? b) ¿Cuándo surgió el concepto de elemento químico? ¿Quién lo introdujo?
148 Busca en el diccionario la definición de «alquimia» y contesta: a) ¿Podemos considerar a los alquimistas como científicos? ¿Por qué? b) ¿Qué importancia tuvo la alquimia para la Química actual?
149 Completa una cronología con los hitos clave para el desarrollo de la Química. 38
Las transformaciones de la materia
Trabaja con el ordenador 150 Investiga estas cuestiones con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital y contesta razonadamente: a) ¿Qué catalizador se utiliza en la síntesis industrial de amoníaco? b) ¿A qué nos referimos cuando hablamos de un proceso enzimático? c) ¿Qué se entiende en química por una «reacción reversible»? Más información en internet En esta dirección web encontrarás una completa unidad didáctica sobre las reacciones químicas. También podrás practicar mediante ejemplos la diferencia entre los procesos físicos y químicos, y el ajuste de las ecuaciones químicas. Todo ello con actividades y simulaciones muy interesantes. http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/35_las_reacciones_quimicas/curso/index.html
Autoevaluación 1 Explica la diferencia entre un cambio físico y un cambio químico, e indica razonadamente a cuál de ellos pertenecen los siguientes fenómenos: a) Un objeto cae desde cierta altura.
e) Una varilla de metal se dilata al calentarla.
b) Al calentar bromuro de plata se obtiene bromo líquido y plata metálica.
f) La combustión del propano.
c) Un algodón empapado en gasolina arde.
g) Se disuelve azúcar en agua.
d) La evaporación del alcohol.
h) Se oxida una barra de cobre.
2 Indica dos formas de aumentar la velocidad de una reacción química. 3 Ajusta la siguiente ecuación química e interpreta el significado de los coeficientes estequiométricos:
Acetileno
Oxígeno
C2H2
+
O2
Dióxido de carbono
→
CO2
Vapor de agua
+
H2O
4 Contesta brevemente: a) ¿Qué dice la ley de conservación de la masa? b) ¿Cuáles son las propiedades de una sustancia ácida?
5 Considerando la relación de estequiometría de la reacción de oxidación del hierro, calcula la cantidad de trióxido de dihierro que se formará a partir de 200 g de hierro:
Hierro
4 Fe
223,2 g
Oxígeno
+
3 O2 96 g
Trióxido de dihierro
→
2 Fe2O3 319,2 g Las transformaciones de la materia
39
Las fuerzas y sus efectos Las fuerzas y sus efectos Una fuerza es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un sistema material o de producir deformaciones. La unidad de medida de las fuerzas en el Sistema Internacional es el newton (N). Las fuerzas se representan mediante vectores o flechas. Por tanto, para caracterizar una fuerza, tenemos que considerar cuatro aspectos: • Punto de aplicación: lugar exacto donde se aplica la fuerza. • Dirección: recta que indica la dirección en la que actúa. • Sentido: dada una dirección, señala hacia dónde apunta la fuerza. • Módulo o intensidad: valor de la fuerza.
Fuerzas de especial interés Podemos distinguir dos tipos de fuerzas: • Fuerzas de contacto: se ejercen entre sistemas materiales que están en contacto. • Fuerzas a distancia: actúan entre sistemas materiales sin que haya un contacto directo.
Algunos ejemplos de fuerzas son: • La fuerza gravitatoria: es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, que tiene su origen en la masa de los cuerpos. La fuerza gravitatoria con que la Tierra atrae a un cuerpo es su peso (P = m · g). • La fuerza normal: es la fuerza de contacto que una superficie ejerce sobre un cuerpo apoyado sobre ella. • La fuerza elástica: es la fuerza que experimenta un cuerpo elástico que ha sido deformado. • La fuerza de rozamiento: es la fuerza de contacto que se opone al movimiento de un cuerpo sobre una superficie o en el seno de un fluido.
Composición de fuerzas En el caso de que sobre un sistema material actúen simultáneamente varias fuerzas, se suele calcular la fuerza resultante, que representa los efectos de dichas fuerzas. Dadas varias fuerzas que actúan simultáneamente sobre un sistema, llamamos fuerza resultante (FR) a aquella cuyo efecto es equivalente al causado por el conjunto de fuerzas. La resultante se calcula mediante un proceso de composición de fuerzas, considerando el valor del módulo, la dirección y sentido de cada una de las fuerzas implicadas. 40
Las fuerzas y sus efectos
El movimiento: desplazamiento y velocidad Además de la deformación, un efecto muy destacado de las fuerzas es el movimiento. Se dice que un cuerpo o sistema material se encuentra en movimiento cuando cambia su posición con respecto a un punto fijo, llamado punto de referencia. En caso contrario, diremos que se encuentra en reposo.
El punto de referencia puede ser cualquier objeto o posición con respecto al que estudiamos el movimiento de un cuerpo. Para describir el movimiento de un cuerpo, es preciso considerar: • La posición (x): es la posición en la que se encuentra el móvil respecto al punto de referencia. • La trayectoria: es la línea que se obtiene al unir todas las posiciones por las que ha pasado el móvil. • El desplazamiento (Δx): es la diferencia entre dos posiciones del móvil. • El espacio recorrido (s): es la distancia que ha recorrido el móvil en un intervalo de tiempo, medida sobre la trayectoria. • La velocidad media (vm): se calcula como el cociente entre el desplazamiento experimentado por un móvil y el tiempo invertido en dicho desplazamiento. Se mide en m/s. vm =
Δx x – x1 = 2 Δt t2 – t1
Tipos de movimientos rectilíneos Cuando la trayectoria de un móvil es una línea recta, decimos que tiene un movimiento rectilíneo. El movimiento rectilíneo puede ser de dos tipos: • Movimiento rectilíneo uniforme (mru): es aquel en el cual la trayectoria es una línea recta y la velocidad es constante. En un movimiento de este tipo, la posición del móvil se puede calcular a partir de su posición inicial (x0) y la velocidad, y las gráficas de posición frente al tiempo son líneas rectas.
En un movimiento rectilíneo uniforme (mru) la posición del móvil viene dada por: x = x0 + v · t
• Movimiento rectilíneo uniformemente variado (mruv): cuando la trayectoria es una línea recta y la velocidad se incrementa o disminuye de forma constante al transcurrir el tiempo. En el caso de movimientos de este tipo, se define una nueva magnitud, la aceleración:
La aceleración en un movimiento variado, es decir, cuya velocidad no es constante, se define como el cociente entre la variación de velocidad experimentada por el móvil y el intervalo de tiempo invertido en dicha variación. La unidad de aceleración en el Sistema Internacional es el m/s2. a=
Δv v – v1 = 2 Δt t2 – t1
Las fuerzas y sus efectos
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Actividades 151 Describe dos ejemplos de situaciones en la se ejerzan fuerzas de contacto, y otros dos en los que las actúen fuerzas a distancia. 152 Dibuja mediante un vector las fuerzas que actúan en las situaciones que se indican a continuación y señala en cada caso cuál es el punto de aplicación, así como la dirección y el sentido. a) Una manzana cae hacia el suelo. b) Un hombre empuja un carro de la compra.
153 Calcula el peso de los siguientes cuerpos, teniendo en cuenta que el valor de la gravedad (g) en la superficie terrestre es de 9,8 m/s2. No olvides expresar la masa en kg, para que el resultado obtenido venga dado en la unidad de fuerza del Sistema Internacional (N). a) Un camión, cuya masa es de 4,2 toneladas. b) Una pequeña esfera de corcho, de 0,75 g de masa.
154 ¿A qué se denomina fuerza resultante? Explícalo, y calcula la fuerza resultante que corresponde a cada uno de los siguientes casos: a) Sobre un cuerpo actúan dos fuerzas de 150 N y 45 N, de la misma dirección pero sentido contrario. b) En un sistema actúan simultáneamente tres fuerzas, una de 18,3 N, otra de 650 mN, y otra de 0,025 kN, con la misma dirección y sentido.
155 Tu libro de texto se encuentra en reposo sobre la mesa de estudio. Contesta: a) ¿Podemos afirmar que sobre el libro de texto no actúa ninguna fuerza? b) ¿Cómo explicas entonces que no se mueva?
156 Realiza las siguientes conversiones de unidades de velocidad: a) 120 km/h a m/s
b) 30 m/s a km/h
c) 90 cm/s a km/h
157 Una persona sale de su casa e inicia un paseo por una avenida recta. Cuando han transcurrido 20 s, pasa junto a un quiosco de prensa que está a 35 m de su portal, y 30 segundos después, llega a una parada de autobús, que se encuentra a 75 m del portal. Finalmente da la vuelta, para regresar a su casa. a) ¿Cuál ha sido el desplazamiento de esta persona entre el quiosco y la parada de autobús? b) Calcula la velocidad media a la que se ha desplazado la persona del quiosco a la parada. c) ¿Qué espacio habrá recorrido en total, desde que salió hasta su regreso?
42
Las fuerzas y sus efectos
158 Se hace circular un tren eléctrico de juguete por un carril rectilíneo, y se mide su posición en distintos instantes de tiempo, tomando como referencia el punto de partida, de modo que se obtiene la siguiente tabla de datos de posición y tiempo: Tiempo, t (s)
0 5 10 15 25 40 60
Posición, x (m) 0 2 4 6 10 16 24
Representa estos datos gráficamente, colocando los valores de posición en el eje de ordenadas, y los valores de tiempo en el de abscisas. a) ¿Qué tipo de movimiento describe el tren? Justifica tu respuesta. b) ¿Cuál es el desplazamiento del tren entre el instante t1 = 5 s y el instante t2 = 40 s? Calcúlalo. c) ¿Cuál es la velocidad media del tren entre los dos instantes anteriores? Calcúlala.
159 Calcula la aceleración de un coche que, en un intervalo de tiempo de 15 s, aumenta su velocidad desde un valor inicial de 45 km/h hasta un valor final de 20 m/s.
Aplica tus conocimientos 160 En nuestra vida cotidiana, solemos utilizar indistintamente los términos de masa y peso, aunque en realidad son conceptos diferentes. ¿Qué entiende la Química por masa de un cuerpo? Y, según la Física, ¿qué es el peso? Explica la diferencia y pon algún ejemplo. 161 Cuando viajas en tren, ¿estás en reposo o en movimiento? Razona tu respuesta. 162 Tres operarios que trabajan en una obra quieren levantar del suelo una máquina de 280 kg de masa. Teniendo en cuenta que cada uno de ellos será capaz de ejercer una fuerza de 650 N, ¿podrán levantar esta maquinaria entre los tres, o necesitarán ayuda adicional? Calcula el peso del objeto, y justifica razonadamente tu respuesta. 163 Un coche que circula por una carretera con movimiento rectilíneo uniforme a una velocidad de 72 km/h pasa junto a un panel publicitario, que se tomará como referencia. Contesta: a) ¿Qué significa que el movimiento del coche es rectilíneo y uniforme? b) ¿Cuál es la velocidad del coche, expresada en m/s? c) ¿A qué distancia del panel publicitario se encontrará el coche 40 s después de pasar junto a él?
164 Escribe la ecuación que describe el movimiento de un objeto que inicialmente se encuentra a una distancia de 4 m del punto tomado como referencia y se mueve con una velocidad constante de 2,5 m/s. ¿Qué tipo de movimiento describe el objeto? ¿Por qué?
Las fuerzas y sus efectos
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Practica la lectura científica
En el hipotético caso de que lográramos construir los prototipos de nave ideados por la NASA, capaces de moverse a velocidades relativistas, y reunir la inmensa cantidad de energía necesaria para propulsarlos, el trayecto no sería tan agradable como, en muchas ocasiones, se nos muestra en las películas de ciencia ficción. Y es que el principal impedimento de un viaje interestelar no es la parte tecnológica, que podríamos dominar en cuestión de siglos, sino el peligroso medio ambiente espacial, que pone de relieve, una vez más, la fragilidad del cuerpo humano. Si nos desplazáramos a la velocidad de la luz (300 000 km/s) a través del espacio exterior, moriríamos en cuestión de segundos. Si bien la densidad de partículas es muy baja en el vacío, a gran velocidad, los pocos átomos de hidrógeno por centímetro cúbico incidirían contra la proa de la nave con una aceleración similar a la que se alcanza en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), adquiriendo así una radiación de 10 000 sievert por segundo. Teniendo en cuenta que la dosis mortal para un ser humano es de unos 6 sievert, este haz de energía dañaría la nave y destruiría todo rastro de vida en su interior. Según las mediciones de los científicos de la Universidad Johns Hopkins, ningún blindaje frontal sería capaz de librarnos de la radiación ionizante. Un tabique de aluminio de 10 centímetros de grosor absorbería menos del 1 % de la energía, y su tamaño no podría aumentarse ilimitadamente sin comprometer con ello las necesidades energéticas del sistema de propulsión. Además del hidrógeno atómico, la nave tendría que resistir la erosión del polvo interestelar, con lo que las posibilidades de ver su estructura pulverizada aumentarían considerablemente. Como solución, habríamos de conformarnos con alcanzar velocidades de apenas un 10 % de la velocidad de la luz, que difícilmente nos permitirían viajar a la estrella más cercana en el transcurso de una vida humana, ya que los 4,22 años luz de distancia exigirían 40 años de viaje. La radiación cósmica es, por tanto, un obstáculo por el momento insalvable para los viajes a la velocidad de la luz. De ser superado en un futuro remoto, nos permitiría asistir al espectáculo más increíble de nuestra vida. A dicha velocidad, el tiempo se dilataría y envejeceríamos más despacio (los astronautas de la Estación Espacial Internacional envejecen 0,007 segundos menos cada 6 meses que la población de la Tierra). Además, nuestro campo de visión se curvaría, como si de un túnel se tratara, y avanzaríamos hacia un destello de luz blanca, sin rastro de estrellas, dejando atrás la más absoluta oscuridad.
165 Contesta las siguientes preguntas sobre las ideas principales del texto: a) ¿Cuál es el principal impedimento para un viaje interestelar? b) ¿A qué velocidad debes ir para igualar la velocidad de la luz? c) ¿Qué ocurriría si nos desplazáramos a la velocidad de la luz?
166 Según la lectura, ¿a qué velocidad máxima se podría viajar en el espacio exterior en el futuro? 167 ¿Qué es un año luz? ¿Qué distancia en kilómetros suponen 4,22 años luz? 168 Como conclusión, según el texto, ¿cuál es el gran obstáculo, por el momento insalvable, para los viajes interestelares a la velocidad de la luz? 44
Las fuerzas y sus efectos
Trabaja con el ordenador 169 Investiga, con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital, qué relación tiene la cinemática con el desarrollo de sistemas de seguridad vial como pueden ser el casco, el cinturón de seguridad o el airbag. Redacta un breve párrafo sobre la utilidad de estos dispositivos en la vida diaria. Más información en internet Uno de los factores de riesgo en la conducción es la velocidad excesiva o inadecuada. Gran parte de los accidentes de tráfico que se producen en nuestras ciudades y carreteras se relacionan directamente con este peligroso factor de riesgo. Consulta en la siguiente página web la relación entre la velocidad y el tiempo de reacción. http://www.dgt.es/PEVI/documentos/catalogo_recursos/didacticos/did_adultas/ velocidad.pdf
Autoevaluación 1 Calcula la fuerza resultante que corresponde a un objeto sobre el que actúan tres fuerzas, dos de 14,6 N y 800 mN, de la misma dirección y sentido, y otra de 6,8 N, de igual dirección pero sentido contrario. 2 Una persona tiene una masa de 60 kg. ¿Cuál será su peso? Calcúlalo, expresando el resultado en la unidad de fuerza del Sistema Internacional. 3 Señala si son verdaderas o falsas estas afirmaciones: a) La trayectoria viene dada por el desplazamiento de un móvil. b) El desplazamiento es la diferencia entre dos posiciones de un móvil. c) El desplazamiento siempre coincide con el espacio recorrido. d) A diferencia del desplazamiento, el espacio recorrido se mide sobre la trayectoria. e) La aceleración mide los cambios de posición con el tiempo en un movimiento. f) En un mru el módulo de la velocidad es constante. g) La aceleración se mide a partir de la variación de velocidad. h) La velocidad instantánea coincide con la velocidad media en un movimiento variado.
4 Un caracol recorre 8 cm en línea recta empleando 13 s. A continuación, gira 900 hacia la derecha y recorre 18 cm en 14 s. ¿Cuál ha sido la velocidad media en todo su recorrido? 5 En una envasadora de zumos, un bote que se encuentra sobre una cinta transportadora pasa frente a un primer detector 6 s después de salir de la etiquetadora, y 31 s después llega a un segundo detector. Considerando que los detectores se encuentran a 2,5 m y 15 m, respectivamente, de la etiquetadora, calcula la velocidad media del bote. 6 Un avión despega a una velocidad de 288 km/h tras recorrer 2 500 m por la pista de un aeropuerto. Si partió del reposo, e invirtió un minuto en completar la maniobra, calcula la aceleración del avión durante ese trayecto. Las fuerzas y sus efectos
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Electricidad y magnetismo La electrización y la carga eléctrica La electrización es un fenómeno bien conocido desde la antigüedad. Ciertos materiales, como el ámbar, el vidrio o la seda, al ser frotados adquieren la propiedad de atraer pequeños objetos. Este hecho revela la existencia de la electricidad. Los átomos que forman cualquier sustancia son eléctricamente neutros, pues poseen el mismo número de protones que de electrones. Pero si los átomos pierden o ganan electrones, la sustancia adquiere carga eléctrica. Si hay un exceso de electrones, el material queda cargado negativamente, y tendrá carga positiva en caso contrario. La carga eléctrica (q) es la cantidad neta de electricidad que posee un cuerpo. Puede ser de dos tipos: positiva o negativa. Las cargas del mismo signo se repelen y las de distinto signo se atraen. La carga eléctrica se mide en culombios (C) en el SI. La carga de un solo electrón es de –1,609 · 10–19 C.
Las fuerzas eléctricas. Ley de Coulomb Las fuerzas de atracción o repulsión son la manifestación más clara de la existencia de cargas eléctricas. Estas fuerzas, llamadas fuerzas eléctricas o electrostáticas, son fuerzas a distancia, es decir, se ejercen sin necesidad de que los cuerpos cargados estén en contacto. Las fuerzas eléctricas se representan mediante flechas o vectores, que indican su dirección, su sentido y también su valor, a través de la longitud. Experimentalmente se ha comprobado que el valor de las fuerzas eléctricas depende de las cargas, de la + distancia entre ellas y_ del medio en que se hallen.
_
+
_
Fuerzas de atracción _
_
Fuerzas de repulsión _
Ley de Coulomb. Dos cargas eléctricas puntuales se ejercen una fuerza de atracción o repulsión, según sus signos, en la dirección que las une que es directamente proporcional al producto de dichas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. F=K·
q1 · q2 d2
Como las fuerzas eléctricas se ejercen a distancia, una carga ejerce fuerzas sobre cualquier otra carga situada en sus inmediaciones. La región del espacio donde una carga o conjunto de cargas manifiestan fuerzas eléctricas sobre otras se denomina campo eléctrico. 46
Electricidad y magnetismo
Corriente eléctrica La corriente eléctrica es el movimiento ordenado de cargas a través de un conductor, en cuyos extremos se generan de forma continua cargas de distinto signo. El sentido de la corriente eléctrica se define, por convenio, desde la zona de carga positiva hacia la zona de carga negativa, aunque el movimiento real de los electrones es justamente el contrario. Para mantener una corriente eléctrica, por tanto, es necesario disponer de un generador de corriente, aparato que proporciona las cargas de distinto signo en los extremos del conductor.
La inducción electromagnética Cuando circula corriente eléctrica por un conductor, el movimiento de las cargas a través de este puede originar un efecto magnético, de modo que el conductor pasa a comportarse de forma similar a un imán. El efecto magnético, que no fue descubierto hasta el siglo xix, sirve para construir electroimanes, y a la inversa, también un imán puede producir corrientes eléctricas. Este importantísimo fenómeno, llamado inducción electromagnética, sirve para construir generadores de corriente.
Un imán produce un campo magnético a su alrededor. Si este campo magnético es variable, genera una corriente eléctrica en un conductor situado dentro de él.
Los circuitos eléctricos Para obtener una circulación continua de corriente, es preciso disponer de un circuito eléctrico. Un circuito eléctrico es el conjunto formado por un conductor conectado a un generador de corriente, en el que se suelen intercalar otros elementos como, por ejemplo, resistencias, bombillas, interruptores, condensadores o aparatos de medida (voltímetros y amperímetros). Los circuitos eléctricos se representan mediante símbolos:
Pila
Resistencia
Bombilla
Interruptor
Amperímetro
Voltímetro
Si los elementos de un circuito se colocan unos a continuación de otros, se dice que están en serie; por el contrario, si van colocados en ramas distintas que se unen entre sí, decimos que están en paralelo. Electricidad y magnetismo
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Las magnitudes de la corriente eléctrica. Ley de Ohm Para el estudio de los circuitos eléctricos, se utilizan las siguientes magnitudes: • Intensidad de corriente (I): es la carga que atraviesa un conductor en la unidad de tiempo, medida en amperios (A). q I= t • Voltaje o diferencia de potencial (ΔV): es la energía necesaria para transportar la unidad de carga de un punto a otro, medida en voltios (V). • Resistencia (R): es la dificultad de desplazamiento de las cargas debido al rozamiento, medida en ohmios (Ω).
Las tres magnitudes anteriores están relacionadas matemáticamente por una sencilla ley de proporcionalidad directa, descubierta en el siglo xix por el físico alemán Georg S. Ohm, muy útil para realizar cálculos relativos a circuitos eléctricos. Ley de Ohm. La intensidad de corriente que circula por un conductor es igual al cociente de la diferencia de potencial entre sus extremos y su resistencia. I=
ΔV R
Cálculos en circuitos. Energía y potencia La ley de Ohm puede servirnos también para realizar cálculos en circuitos más complejos. Cuando asociamos varias resistencias en serie, la resistencia equivalente es la suma de todas ellas. Cuando se disponen en paralelo, la inversa de la resistencia equivalente es la suma de las inversas de cada una de ellas. • En serie: Req = R1 + R2 + R3 + …
• En paralelo:
1 1 1 1 = + + +… Req R1 R2 R3
La circulación de las cargas por un circuito requiere un aporte energético; parte de esa energía se disipa en forma de calor debido a la resistencia que deben vencer las cargas. • La energía (E) transferida en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial, a la intensidad de corriente y al tiempo durante el que circula. Se mide en julios (J). E = ΔV · I · t
• La potencia (P) es la energía por unidad de tiempo. Se mide en vatios (W). P=
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Electricidad y magnetismo
E = ΔV · I t
Producción y transporte de la corriente La electricidad se ha convertido en un elemento imprescindible para mantener nuestra calidad de vida. Por ello, en los países desarrollados es necesario producir y suministrar electricidad a gran escala, tanto para la actividad industrial como para su consumo en los hogares. Además, año tras año, la demanda eléctrica no deja de crecer.
Una central eléctrica es una instalación en la que se convierte energía, obtenida a partir de otras fuentes de energía, en energía eléctrica. La producción de la corriente eléctrica se basa en la inducción electromagnética. En su transporte desde el lugar de producción al de consumo, la energía recorre grandes distancias a elevados voltajes e intensidades de corriente bajas; de este modo, se minimizan las pérdidas de energía durante el transporte. Al llegar a las industrias o viviendas, la tensión de la energía se reduce para que pueda ser utilizada, haciendo uso de transformadores.
Actividades 170 ¿Cómo sabemos que existen dos tipos de carga? Señala cómo son las fuerzas que se ejercen entre sí. 171 Calcula cuántos electrones necesitaríamos para disponer de una carga total de –1 C. (Nota. Para hacer el cálculo necesitarás recordar la carga de un electrón medida en culombios). 172 El norteamericano Benjamin Franklin supuso en el siglo xviii que la electricidad era un fluido que se transfería de unos cuerpos a otros. Se trataba de una hipótesis errónea, como pudo comprobarse en múltiples experimentos. ¿Cuál es la hipótesis correcta sobre la electrización y la naturaleza de la electricidad? ¿Por qué crees que no se descubrió hasta el siglo xx? 173 El culombio es una unidad de carga bastante grande, por lo que es habitual usar submúltiplos de esta unidad para medir cargas reales. Expresa las siguientes cargas eléctricas en culombios, usando la notación científica. a) – 0,8 mC
b) 350 pC
c) 15 mC
d) – 4 nC
174 Define qué son las fuerzas eléctricas y enuncia la ley de Coulomb, explicando el significado de las magnitudes que aparecen en su fórmula. 175 Dos cargas de + 5 μC y – 3 μC están situadas a 2 cm de distancia en el vacío. Calcula la fuerza entre ellas, sabiendo que la constante k tiene un valor de 9 · 109 N m2 /C2.
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176 Teniendo en cuenta la expresión de la ley de Coulomb, razona qué ocurre con el valor de la fuerza eléctrica en cada uno de estos casos. Supón que todas las magnitudes mantienen su valor excepto la que se indica. a) Una de las cargas se duplica. b) Las dos cargas se reducen a la mitad. c) La distancia se hace el doble.
177 Calcula la fuerza que se ejercen dos cargas de + 45 μC y +53 mC situadas a 2 m de distancia en el aire. No olvides escribir todos los datos en unidades del SI, e interpreta el resultado mediante un dibujo en el que se muestren las fuerzas. 178 ¿Puede hacerse cero la fuerza entre dos cargas si las separamos a gran distancia? Explica tu respuesta basándote en la fórmula de la ley de Coulomb. 179 Explica la diferencia entre los siguientes términos: a) Electrón y carga eléctrica.
b) Carga eléctrica y corriente eléctrica.
180 Existen dos tipos de corriente eléctrica: continua y alterna. Busca información al respecto y responde: a) ¿En qué se diferencian ambos tipos de corriente? b) ¿Cuál de las dos es la que se suministra a través de la red eléctrica doméstica? c) Cita dos aparatos que funcionen con corriente continua y otros dos con corriente alterna.
181 ¿En qué efecto de la corriente eléctrica se basan los electroimanes? Busca la información necesaria y explica qué se necesita para construir un electroimán. 182 Los imanes se conocen desde hace mucho tiempo; en cambio, la corriente eléctrica es un descubrimiento relativamente reciente. ¿Qué relación existe entre los imanes y la corriente eléctrica? 183 Un generador de corriente contiene en su interior un imán y una espira (circuito) que gira. Investiga en libros o en internet e indica qué papel desempeñan estos elementos en la producción de corriente eléctrica. 184 Además del generador, existen otros dispositivos capaces de generar corriente que se utilizan en el ámbito doméstico. Piensa en los aparatos eléctricos de tu entorno y describe algunos de estos generadores. 185 ¿Qué función tienen los siguientes elementos, habituales en los circuitos eléctricos? a) Voltímetro
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Electricidad y magnetismo
b) Condensador
c) Amperímetro
d) Pila
186 Dibuja los circuitos que se describen a continuación: a) Una pila en serie con dos resistencias y un interruptor. b) Dos pilas en paralelo, conectadas a una resistencia.
187 Las bombillas emiten luz gracias a un delgado filamento que, al paso de la corriente eléctrica, se pone incandescente. Cuando una bombilla se funde, dicho filamento se rompe y el paso de la corriente es interrumpido. Ahora, imagina que tenemos varias bombillas y queremos encenderlas todas con una sola pila. a) ¿Qué ocurrirá si las colocamos en serie y se funde una de ellas? b) ¿Qué ventaja podría tener colocarlas en paralelo? c) ¿Por qué crees que en la instalación eléctrica de los hogares las lámparas están conectadas en paralelo?
188 La corriente eléctrica circula, por convenio, desde el polo positivo de la pila, o cátodo, hacia el polo negativo de la pila, o ánodo. Considerando esto, dibuja un circuito con una pila, una resistencia y un interruptor en serie, y señala el sentido de la corriente. 189 Por un conductor pasa una carga de 4,5 C en 2,5 min. a) Calcula la intensidad de corriente que circula por dicho conductor. b) Halla la carga total que pasa en 6 min.
190 A partir de la fórmula que expresa la ley de Ohm, despeja la diferencia de potencial y explica con palabras la relación que se obtiene. 191 Por un circuito, formado por una pila de 1,5 V y una resistencia de valor desconocido, circula una carga de 6 C cada minuto. a) Calcula el valor de la resistencia intercalada en el circuito. b) Si cambiamos la pila por otra de 4,5 V, ¿qué intensidad mediremos en el circuito? c) Calcula la resistencia equivalente en estos dos circuitos. 5Ω
B
A +
—
7Ω
2Ω
4,5 Ω
+
— 8Ω
192 Una estufa eléctrica, que tiene una resistencia de 40 Ω, se conecta a una tensión de 220 V. Calcula: a) La potencia
b) La energía que consumirá en 6 horas expresada en J y kW·h Electricidad y magnetismo
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193 Un circuito está formado por una batería de 6 V y dos resistencias en serie de 3 Ω. a) Calcula la intensidad de corriente. b) Halla la energía transformada en el circuito durante un minuto y la potencia del circuito.
194 Tenemos una pila de 4,5 V y dos resistencias de 2 Ω, que podemos conectar en serie o en paralelo, y deseamos que la intensidad de corriente que circule por el circuito sea máxima. Realiza los cálculos y elige la mejor opción de conexión para lograrlo. 195 Disponemos un circuito con tres resistencias conectadas en paralelo, de valores R1 = 10 Ω; R2 = 15 Ω; R3 = 20 Ω, con una diferencia de potencial de 350 V. a) Calcula la resistencia equivalente. b) Halla la intensidad de corriente que circula por él. c) Calcula la intensidad de corriente que atraviesa cada resistencia.
196 Si una estufa eléctrica está conectada a 220 V y por ella pasan 15 A de corriente durante 60 segundos, ¿qué cantidad de energía se desprenderá en forma de calor? 197 La resistencia de un conductor, que es una medida de su oposición al paso de la corriente, depende del material del que está hecho y también de su longitud y grosor. Razona cómo se modificará la resistencia de un hilo conductor si: a) Se aumenta su longitud.
b) Se aumenta su grosor.
198 Cuatro resistencias de 2 Ω, 5 Ω, 6 Ω y 7 Ω se conectan en serie a un generador de 60 V. Calcula: a) La intensidad de corriente.
b) La diferencia de potencial en cada resistencia.
199 Tres resistencias de 4 Ω, 10 Ω y 30 Ω se conectan en paralelo a una diferencia de potencial de 9 V. Calcula: a) La resistencia equivalente. b) La intensidad de corriente en cada resistencia. c) Si las resistencias se conectan en serie, ¿cuál sería el valor de la resistencia total? ¿Cuál será la intensidad de corriente en el circuito?
200 Un calentador eléctrico de 20 litros de capacidad tiene una resistencia de 40 Ω y está conectado a una tensión de 220 V. a) Calcula la energía consumida durante una hora de funcionamiento. b) Otro calentador de 50 L requiere una resistencia de 60 Ω. ¿Qué energía consumiría en el mismo tiempo?
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Electricidad y magnetismo
Aplica tus conocimientos 201 Explica estos fenómenos cotidianos: a) El polvo se adhiere fácilmente a la pantalla del televisor. b) Al frotar un globo inflado, se queda pegado al techo durante un tiempo.
202 En muchos museos y parques de ciencias se puede encontrar un dispositivo espectacular: una bola metálica cargada eléctricamente, que, al ser tocada por una persona, hace que se le erice el pelo por largo que sea. ¿A qué se debe este fenómeno? 203 Los gases en general, y el aire en particular, suelen ser aislantes de la corriente eléctrica. Sin embargo, durante las tormentas, es frecuente observar descargas eléctricas en forma de rayos debido a la elevada carga que se acumula en ciertas zonas, capaz de ionizar las moléculas del aire. a) ¿Por qué es peligroso refugiarse bajo un árbol durante una tormenta? b) ¿Cuál es el fundamento de los pararrayos que se colocan sobre los edificios?
204 La electricidad que usamos en casa se produce en centrales eléctricas mediante generadores. a) Enumera cinco tipos de centrales eléctricas. b) ¿Qué diferencia unas centrales de otras? c) ¿En qué tipo de energía basa su funcionamiento una central térmica?
205 El circuito eléctrico de un juguete luminoso está compuesto por tres pilas alcalinas de 1,5 V, un interruptor y cuatro bombillas de colores, todo ello conectado en serie. Representa el circuito, utilizando los símbolos apropiados. 206 Nuestro organismo es muy sensible al paso de la corriente eléctrica; una intensidad de corriente de tan solo 30 mA ya puede resultar peligrosa para la salud. Calcula la cantidad de carga que nos atravesaría en un minuto si recibimos una descarga de esa intensidad. 207 Una bombilla tiene una potencia de 25 W y se conecta a un voltaje de 220 V. Calcula: a) La intensidad de corriente que circula por ella. b) La resistencia de la bombilla (aplica la ley de Ohm y básate en el resultado anterior).
208 Desde hace unos años, se recomienda sustituir las bombillas incandescentes por bombillas y leds de bajo consumo, para favorecer el ahorro energético. Si una bombilla de bajo consumo tiene una potencia de 11 W, frente a los 60 W de una bombilla normal, justifica mediante un cálculo por qué se ahorra energía utilizando la primera.
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Practica la lectura científica
Si bien la electricidad estática es conocida desde hace mucho tiempo, la corriente eléctrica, imprescindible para mantener nuestra calidad de vida, es un descubrimiento bastante reciente. Uno de los primeros hitos relacionados con el estudio de la corriente se produjo en 1786. Como ocurre con cierta frecuencia en la historia de la ciencia, partió de una observación casual. El médico y fisiólogo italiano Luigi Galvani fue testigo de cómo se contraía la pata de una rana al tocar sus nervios con unas tijeras durante una tormenta. Posteriormente, comprobó que podía reproducir el fenómeno con chispas eléctricas e incluso con una pinza de cobre sujeta a una barra de hierro, tanto en animales vivos como muertos. De estos experimentos sacó la conclusión de que existía una fuerza vital de carácter eléctrico. Esta hipótesis le condujo a una sonada controversia con un compatriota suyo, el físico Alessandro Volta. Este último sostenía que la causa de la electricidad estaba en los metales y, en 1800, logró demostrar su afirmación al construir la primera pila eléctrica. Estaba formada por láminas alternas de plata y zinc, entre las cuales se introducían trapos mojados en una solución salina. Con ella realizó una demostración ante Napoleón Bonaparte en 1801, lo que le valió grandes honores y un título nobiliario. Aunque es cierto que los nervios transmiten impulsos nerviosos, la hipótesis de Volta era más acertada. Ahora sabemos que el contacto entre diferentes metales es la causa de la corriente eléctrica. Como cada metal tiene distinta tendencia a ceder o ganar electrones, cuando ponemos en contacto, por ejemplo, la plata y el zinc, se produce una reacción química por la cual el zinc se va oxidando y va pasando a la disolución salina, en tanto los iones de plata de esta disolución se van reduciendo y depositando en forma de plata metálica. Los electrones puestos en juego en este proceso forman la corriente eléctrica. Las pilas y baterías comerciales que utilizamos en la vida cotidiana mantienen el mismo principio de la pila de Volta. Su uso nos permite disponer de la corriente eléctrica necesaria para hacer funcionar muchos pequeños aparatos que utilizamos a diario (radios, teléfonos móviles, tabletas, ordenadores portátiles…). Sin embargo, el empleo masivo de pilas y baterías también plantea serios problemas, sobre todo para el medioambiente. Por ejemplo, las baterías de coche usan plomo, un metal altamente contaminante si se vierte al entorno. Lo mismo sucede con las habituales pilas de botón de los relojes y calculadoras: contienen mercurio, tóxico si su presencia es superior a un miligramo por litro de agua. Además, estos metales pesados se combinan con compuestos orgánicos y son ingeridos por animales, introduciéndose así en la cadena alimentaria. Por tanto, nuestra responsabilidad como consumidores es depositar las pilas y baterías agotadas en los puntos limpios para su recogida selectiva y posterior reciclaje.
209 Resume las ideas principales del texto acerca de los siguientes aspectos: a) La hipótesis de Galvani para explicar la corriente eléctrica. b) La primera pila construida por Volta.
210 En la lectura se mencionan las pilas y baterías. Enumera cinco tipos distintos de pilas o baterías comerciales, indicando para qué se utilizan. 211 ¿Cómo se produce la corriente eléctrica en una pila? Explícalo brevemente. 54
Electricidad y magnetismo
212 En el texto se alude a la toxicidad del mercurio. Sabiendo que una pila de botón de 2 g contiene un 30 % de mercurio, calcula cuántos litros de agua pueden quedar contaminados por el vertido de una sola pila de estas características. 213 Elabora en tu cuaderno un breve informe sobre los efectos que puede tener el desechar gran cantidad de pilas cada día.
Trabaja con el ordenador 214 Investiga, con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital, la respuesta a las siguientes cuestiones: a) ¿Cuál es el origen del término «electricidad»? b) ¿Quién fue el primer científico en proponer que existían dos tipos de cargas diferentes? ¿Quién las bautizó como «negativa» y «positiva»? c) ¿Cómo medía Coulomb las fuerzas eléctricas? d) ¿Qué es el electromagnetismo? Más información en internet En la siguiente dirección web podrás recordar, de forma resumida, lo que has aprendido en este bloque, con ayuda de sencillas animaciones. http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material081/index.html
Autoevaluación 1 Explica qué dos tipos de cargas eléctricas existen y cómo son las fuerzas que se ejercen entre ellas. ¿De qué magnitudes depende la fuerza eléctrica y cómo es esa dependencia? 2 Calcula la fuerza que se ejercen dos cargas de –1 mC y 4 mC separadas en el vacío por una distancia de 5 m. 3 ¿Qué es la corriente eléctrica? 4 ¿Cómo se consigue generar la corriente eléctrica? 5 Un circuito eléctrico consta de una pila de 4,5 V, dos resistencias en serie de 2 y 4 Ω y un interruptor. Calcula la intensidad de corriente que circula por él y la energía que se disipa en forma de calor durante cinco minutos. 6 Un hilo conductor transporta 2 550 C en 6 min al aplicarle una diferencia de potencial de 51 V. ¿Cuál es su resistencia? Electricidad y magnetismo
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Todas las actividades de este material deben realizarse en un cuaderno aparte, nunca en el mismo material. © de esta edición: Grupo Editorial Bruño, S. L., 2020 Juan Ignacio Luca de Tena, 15 28027 Madrid