Física y Química 4º ESO. Andalucía

DEMO

INCLUYE

PROYECTO DIGITAL BANCO DE RECURSOS Y LIBRO DIGITAL

4 ESO

A C I S FÍ A C I M Í U Q Y s,

e ª Moral .

M .

A do , lchez . Garri L , a d n J.M. Ví To

alob G. Vill

o s , P.

SUMA

piezaS

ASÍ ES

tu libro Apertura de unidad

2

zas Enlace químico y fuer intermolecularesquímico Una historia sobre

Cada unidad comienza con un breve texto que pretende acercar al alumnado las relaciones entre ciencia, tecnología y sociedad a través de algún hecho relevante relacionado con los contenidos que se van a desarrollar.

LOS Recursos en la web DE ESTA UNIDAD VÍDEOS

el enlace

ENTOS DOCUM

ENLACE QUÍMICO Y FUERZAS INTERMOLECULARES

Cómo aplicar las técnicas: «Cabezas numeradas» y «Piensa y comparte en pareja».

Objetivos de Desarrollo Sostenible.

en la en esbozar una hipótesis s uno de los primeros unidas a las pequeña Isaac Newton fue tipo de fuerza» mantenía más tarde, xviii. Tres siglos que intuía que «algún a inicios del siglo en el centro partículas. Esto ocurrió ción desarrollada 2012, una investiga los enlaces concretamente en r por primera vez permitió visualiza do la técnica emplean les IBM de Zúrich (Suiza) s en moléculas individua químicos existente atómica. fuerza de s de microscopía participaron científico , en el que también y del CNRS Gracias a este hallazgo Compostela (España) de Santiago de detalle la nade la Universidad explorar con más . No ad científica podrá intermoleculares francés, la comunid químicos y las fuerzas mos al turaleza de los enlaces s han avisado de que «nos aproxima científico ía actual». obstante, varios nos brinda la tecnolog que ades ía están límite de las posibilid la ciencia y la tecnolog nos evidencia que permiticientífico descrito Este pequeño relato as. Así, el avance llegará una estrechamente vinculad ico, pero ¿cuándo el desarrollo tecnológ Recordemos rá continuar con límites de la actual? que traspase los ha permitido nueva tecnología instrumento que de fuerza atómica, que el microscopio en 1986. diseñado fue , este avance científico

Una historia sobre el enlace químico

TACIÓN PRESEN

Qué necesitas saber.

1

ENTOS DOCUM

Cómo aplicar las técnicas: «Considerar todos los factores (CTF)» y «Mesa redonda».

2 El enlace iónico

ENTOS DOCUM

3

Cómo aplicar las técnicas: «Folio giratorio» y «Sumamos».

EN DOCUM

ENTOS DOCUM

El enlace químico

Cómo aplicar las técnicas: «Esquema a cuatro bandas» y «Rueda lógica».

on los or visual c Organizad lacioigitales re recursos d ado. cada apart n a d o s co n

VÍDEOS

Objetivos de Desarrollo Sostenible.

El enlace covalente

4

TO

ENTOS DOCUM

Fuerzas intermoleculares

Textos argumentativos.

5 El enlace metálico

ENTO DOCUM

6

Cómo aplicar la técnica: «Cabezas pensantes».

Compromiso ODS. Actividades para reflexionar en grupo y proponer acciones para alcanzar las metas de desarrollo sostenible propuestas en cada una de las unidades.

Cómo aplicar las técnicas: «1-2-4», «Pienso, me interesa, investigo» y «¿Qué te hace decir eso?».

EN DOCUM

Resumen de las propiedades de los compuestos químicos

TO

Cómo aplicar la técnica: «Comprobamos».

Orientaciones para la resolución de problemas Cómo resolver un ejercicio de enlace químico

COMPROMISO ODS

Mánchester la Universidad de de científicos de forman cómo los actínidos En 2016 un equipo ó en mayor medida significar un (Inglaterra) descubri os, lo cual puede es con otros element enlaces covalent radioactivos. el reciclaje de residuos ión y la gran avance para ntate sobre la producc Documé as.

Cabezas numerad 1 nucleares. en gestión de los residuos implicaciones tendría e en pareja. ¿Qué ividad Piensa y compart rebajar la radioact 2 biente y la industria menos la salud, el medioam respuestas con al s? Relaciona tus r nucleare consulta de los residuos ámbitos (puedes ODS relativos a estos metas). tres metas de los las sobre es los vídeos en anayaeducacion.

TIC Hojas de cálculo y recursos web

MENTOS DOCU

Cómo aplicar las técnicas: «Interpretación compartida», «Círculo de puntos de vista», «Razonas-pones pegas-contestassintetizas (RPPCS)» y «Lápices al centro».

EN DOCUM

Taller de ciencias

DOCUMENTO

«Para estudiar» y «Aprende jugando».

Trabaja con lo aprendido

Organizador gráfico: «Mapa conceptual sistémico».

TO

Consejos para elaborar tu portfolio.

Tipos de sustancias Determinación del tipo de enlace

Y ADEMÁS… Soluciones de todas las actividades numéricas

consulta la presentación estudiar esta unidad, Antes de empezar a . en anayaeducacion.es «Qué necesitas saber»

Desarrollo de los contenidos y actividades Dos tipos de actividades: Comprende, piensa, investiga… Actividades para afianzar el aprendizaje y relacionar conocimientos.

1

Unidad

ä 1.1 Conceptos básicos

CAMBIOS QUÍMICOS

En una reacción química se parte de unas sustancias denominadas reactivos, presentes antes del cambio, y se obtienen otras nuevas como consecuencia del cambio, denominadas productos de la reacción.

Para que se produzca el cambio químico, los reactivos han de estar en contacto entre sí. Durante el proceso también se producen cambios físicos que los evidencian, como se muestra a continuación.

Evidencias físicas de un cambio químico: ejemplos

4

ä 1.3 Expresión de una reacción química: la ecuación química Para expresar cuantitativamente los cambios químicos utilizamos ecuaciones químicas.

Las ecuaciones químicas expresan la relación entre los reactivos y los productos durante una reacción química, y la proporción que guardan entre sí sus unidades elementales mediante coeficientes estequiométricos.

En ocasiones, también informan de los estados de agregación de las sustancias, de la temperatura o de la presión a la que tienen lugar.

Ajustar una ecuación química consiste en elegir los valores de los coeficientes de modo que el número de átomos de cada elemento sea el mismo en los reactivos que en los productos.

3

Unidad

11

Expresión y ajuste de ecuaciones químicas Utilizaremos como ejemplo la reacción entre el amoníaco y el Cuando oxígeno molecuun sistema material gana o pierde energía térmica, debido a que lar, que tiene como productos el nitrógeno molecular y el agua. recibe o pierde energía en forma de calor, puede experimentar diferentes

EFECTOS DEL CALOR

1 Escribimos las fórmulas de los reactivos y de los productos, separándolos tipos de cambios.

por una flecha que marca el sentido de la reacción:

Intercambio de energía.

Cambio de color.

NH3 + O2 8 N2 + H2O

Cambio de estado.

ä 3.1 Dilatación

2 Elegimos los valores de los coeficientes estequiométricos para hacer que

ä 1.2 Teoría atómica de las reacciones químicas La aparición de sustancias nuevas como resultado de una reacción química se basa en un reordenamiento de los átomos de los reactivos. Para que este tenga lugar, las unidades elementales que forman los reactivos deben colisionar entre sí. Como resultado de estas colisiones se rompen enlaces y se forman enlaces nuevos, teniendo así nuevas sustancias.

Al tratarse de una reordenación de átomos, la masa total de las sustancias antes y después del cambio químico no varía; por tanto, podemos decir que:

Trabaja con la imagen

gen. on la ima Trabaja c paa c ará tu Desarroll ión c a rv obse cidad de . n ió tac e interpre

Los ejercicios resueltos permiten el aprendizaje de procesos de razonamiento y estrategias de resolución de problemas.

A partir de la información de la ilustración, deduce qué enlaces se han roto y cuáles se han formado en el cambio químico que se representa.

Durante un cambio químico, la masa se conserva; es decir la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. Este enunciado se conoce como ley de la conservación de la masa.

+

aumento en su volumen cuando se eleva su temperatura. Puede enconCOEFICIENTES DE DILATACIÓN LINEAL 2.1 Ajustamos, losMETALES coeficientes de las sustancias trarse no elementales: DE primero, ALGUNOS una explicación sencilla a este hecho si tenemos en cuenta que la + OC2 –1 8 N2 + 3 H2O 2 NH3 a/°

energía que reciben las partículas provoca que estas se muevan más vioComo consecuencia, se producen separaciones más grandes 2.2 A continuación, los de las1,2sustancias elementales.lentamente.

Si es preciso, Hierro · 10–5 corregiremos los coeficientes3,0 ya· elegidos, tanteando. entre Es posible utilizar las partículas, y por tanto, estas ocuparán un volumen mayor entre Plata 10–5 números fraccionarios: todas.

Oro 1,5 · 10–5 Comprende, piensa, investiga…

2 NH3 + 3/2 O2–58 N2 + 3 H2O Si tenemos una varilla de un material sólido, o una columna de un líquido, Plomo 3,0 · 10 1 termómetro, 1-2-4. Dibuja un esquema como si se eleva como puede ser la de un su longitud aumentará Cinc 2,6 · 10–5 el anterior para la siguiente reacción: su temperatura.

–5 nitrógeObserva que el coeficiente estequiométrico Aluminio 2,4 · 10del no molecular es 1, por lo que no se escribe.

2 Ouna CO2 + 2o Hcolumna CH4 + –5 2 8 varilla 2O Experimentalmente se determina que líquida de Material

Cobre

1,7 · 10

–5 También, podemos multiplicar la ecuación química para inicial que no L0, tendrá ¿Cuántos una longitud final, L, de aumentar su longitud y cuáles sondespués los enlaces Grafito 0,79por · 10dos haya coeficientes fraccionarios: temperatura, DT, igual a: que se han roto y cuántos y cuáles

2 NH3 + 3/2 O2 8 4

Teoría atómica y conservación de la masa En la ilustración de la izquierda, se representa la reacción de oxidación del monóxido de nitrógeno para dar dióxido de nitrógeno.

+ 2 NO

el número de átomos de cada elemento sea el mismo en La los mayoría reactivos de y enlos sistemas materiales sólidos y líquidos experimentan un los productos. Para ello:

O2

2 NO2

Como podemos observar, durante la reacción se produce una reordenación de los átomos y la masa se conserva durante todo el proceso.

3

son los que se han formado?

L = L0 · (1 + a · DT) 2 Indica qué significan los coeficientes En esta ecuación, a es el coeficiente de dilatación lineal,del cuyo valor deestequiométricos en la reacción

N2 + 3 H2O 2

6

y queanterior. consideraremos constante para cualejercicio 3 Por último, comprobamos, elemento a elemento, que elpende númerodel detipo áto- de sustancia, quier temperatura. mos que aparece en los reactivos es el mismo que el que aparece en los productos: Elementos Dilatación de unaReactivos columna líquidaProductos átomos de H

4 NH3 (4 · 3 = 12)

6 H2O (6 · 2 = 12)

átomos de N

4 NH3 (4 · 1 = 4)

2 N2 (2 · 2 = 4)

átomos de O

3 O2 (3 · 2 = 6)

6 H2O (6 · 1 = 6)

3

Comprobamos. Ajusta las siguientes reacciones químicas:

Ejercicio a) resuelto CO2 + H2O 8 H2CO3 –5 + Al –1 8 Al O + Cr c) ·Cr . ¿Cuánto aumentará la longitud a = 2,4 10 2O3 °C 2 3 de un d) listón 22O m,8medidos 2 °C, cuando se caNO2de +H HNO3 + aNO lienta e) hasta C H45 °C? + O 8 CO + H O 2

2

2

2

El aumento de temperatura que experimenta el listón de aluminio es: DT = 45 – 2 = 43 °C

124

125

La longitud del listón a 45 °C es: L = L0 · (1 + a · DT ) = 2 · (1 + 2,4 · 10–5 · 43) › 2,002 m Por consiguiente, la longitud ha aumentado en 2 milímetros.

DL = L – L0 = 2 – 2,002 = 0,002 m = 2 mm

Los iconos incluidos en algunas actividades sugieren la clave del proyecto que puede aplicarse en cada caso.

Cuando un sistema material recibe energía mediante calor, experimenta un aumento de su temperatura. Pero no todas las sustancias aumentan su temperatura de igual manera al recibir una determinada cantidad de energía, pues depende de cómo sean sus partículas y de las fuerzas que las unen en cada material.

Se define el calor específico, c, de una sustancia en un determinado estado de agregación, como la cantidad de energía que hay que aportar a un gramo de esa sustancia para elevar su temperatura un grado Celsius.

El calor específico es, por tanto, una propiedad característica de la materia, ya que para cada sustancia tiene un valor concreto.

Utilizando este coeficiente, se puede calcular la energía necesaria, Q, para elevar la temperatura desde T0 hasta T de una masa m de una sustancia de calor específico c: Q = m · c · (T – T0) Una energía positiva indica energía absorbida, y negativa, energía cedida.

CALORES ESPECÍFICOS Sustancia

Estado

Agua

Sólida

Agua

Líquida

Calor específico/(J/(g · °C)) 2,114 4,186

Agua

Gas

2,080

Hierro

Sólido

0,450

Cobre

Sólido

0,385

Aluminio

Sólido

0,897

Oro

Sólido

0,129

Se define una caloría (cal) como la cantidad de energía que hay que proporcionar a un gramo de agua líquida para elevarle su temperatura un grado Celsius; es decir, una caloría es el calor específico del agua. Su equivalencia con el julio, J, es: 1 cal = 4,186 J Para determinar experimentalmente el calor específico de una sustancia, se utiliza el calorímetro. Es un dispositivo especialmente diseñado para medir la energía aportada a una muestra y el aumento de temperatura que le produce.

Ejercicios resueltos

b) NO + O NO2 28 1 El coeficiente de dilatación lineal del aluminio es

2

ä 3.2 Calor específico

Comprende, piensa, investiga…

2 Para calentar un trozo de hierro de 300 g desde 4 °C

3 Se desea medir el calor específico del diamante. Para

Para resolver el ejercicio, primero necesitamos consultar el calor específico del hierro sólido.

En primer lugar, realizamos un cambio de unidad y expresamos la energía en julios: 4, 186 J Q = 0, 912 cal $ - 3, 818 J 1 cal

hasta 36 °C, detemina cuál es la cantidad de energía habría que suministrarle. Expresa el resultado que obtengas en calorías.

Después aplicamos la expresión estudiada: Q = m · c · (T – T0) = 300 · 0,450 · (36 – 4) = 4 320 J Ahora, realizamos un cambio de unidad de julios a calorías: Q = 4 320 J $

1 cal - 1 032 cal 4, 186 J

ello, se dispone un trozo de diamante de 1,5 g en un calorímetro. Si son necesarios 0,912 cal para elevar su temperatura 5 °C. ¿Cuánto es el calor específico?

De la expresión matemática del calor específico, se deduce su valor: Q = m $ c $ (T – T0) 3, 818 J Q c= = - 0, 509 1, 5 $ 5 g $ °C m $ (T – T0)

Comprende, piensa, investiga…

23 Determina la longitud que tendrá un raíl de acero

25 Determina el coeficiente de dilatación lineal del plo-

27 Disponemos de 10 cm3 de agua líquida a 2 °C. Si se

29 Un trozo de hierro de 1 kg está a 10 m de altura. Cuando

24 Un material de a = 10–4 ºC–1 tiene una longitud de

26

28 Una masa de 28 g de aluminio se enfría desde 30 °C

30

(a = 1,2 · 10–5 °C–1) de 15 m cuando aumente su temperatura 50 °C. 12,00 m a 30 °C. ¿Cuál será su longitud a una temperatura de 5 ºC?

mo si al incrementar la temperatura de una varilla de 1,5 metros en 30 °C, se dilata 1,35 mm.

¿Qué crees que sucederá si incrementamos la temperatura de una plancha de plomo en la misma cantidad que en el ejercicio anterior? ¿Y si es un cubo?

calienta gracias a un aporte de energía de 800 J, ¿qué temperatura alcanzará? hasta –10 °C. ¿Cuánta energía se desprende durante el proceso?

caiga va a transformar toda la energía potencial en térmica. ¿Cuántos grados se va a calentar cuando esto ocurra?

Cabezas pensantes. ¿Qué se calienta más fácilmente, el agua líquida o el hierro sólido? Justifica tu respuesta.

327

326

Las claves

del proyecto

ODS Compromiso ODS

Plan Lingüístico

Desarrollo del pensamiento

Aprendizaje cooperativo

Descubre los Objetivos de Desarrollo Sostenible y forma parte activa de nuestro compromiso para lograr un mundo más igualitario y habitable.

Pon en práctica tus destrezas comunicativas en los diferentes tipos de texto que te proponemos. El lenguaje siempre está presente, ¡comunícate!

Trabaja estrategias de pensamiento: reflexiona sobre los contenidos que estás aprendiendo, genera ideas, organízalas, priorízalas, arguméntalas, exponlas…

Implícate en tu aprendizaje y participa en el de todo el grupo; comprobarás que cooperar mejora el rendimiento y la convivencia en clase.

tic Orientaciones para la

resolución de probleMAs es para la

Orientacion

resolución de

Unidad

EJEMPLO 2

1

2

3

4

PASOS

RESOLUCIÓN

ENTIENDE EL ENUNCIADO Y EXTRAE DATOS • Analiza el enunciado teniendo en cuenta que, normalmente, los ejercicios de energías exponen procesos, y no situaciones estáticas.

• Extrae los datos del enunciado: – Busca datos numéricos y anótalos.

– Asígnales símbolos a las magnitudes.

– Expresa los datos en el SI. – Anota el valor de las constantes.

• Encuentra cuál es la incógnita en el problema.

• Estamos ante un ejercicio de energías. Observa que se utilizan términos como rozamiento, velocidad y altura, por lo que existen Ec y Ep.

REALIZA UN DIBUJO DE LA SITUACIÓN Representa toda la información mediante un dibujo, en el que debes incluir los puntos donde comienza y termina el proceso, A y B. Sitúa el nivel mínimo de energía potencial gravitatoria, ese nivel debe corresponder con la altura 0.

Encuentra la velocidad y la altura para los puntos A y B.

A N1 A

B L–x

VB

sen 30º =

Dr =

hC sen 30º

VA = 0 hA

m· g vA = 8 m/s

L = 1,2 m g = 9,8 m/s 2

hB = 0

• Al aplicar el principio de conservación de la energía mecánica resulta:

vB = 8 m/s

A

R

N1

vA = 8 m/s m· g Dx = 8 m

hA = hB = 0

Se trata de un proceso en el que intervienen las energías cinética y potencial. Existen rozamientos, pero solo en el plano inclinado. Aplica, por tanto, el PCE:

• Entre los puntos A y B no existen rozamientos.

Al no existir pérdida de energía, la velocidad del cuerpo durante el trayecto AB permanece constante 8 vA = vB = 8 m/s.

8 EcA + EpA = EcB + EpB 8

1 8 0 + m · g · hA = · m · v2B + 0 8 vB › 1,47 m/s 2 • La velocidad máxima se alcanza en el punto más bajo de la trayectoria, donde toda la energía potencial se ha transformado en energía cinética.

Es así porque los momentos en sentido horario (producidos por los pesos que se colocan a la derecha) coinciden con los momentos en sentido antihorario (20 · g · 2 = 5 · g · 8 = 10 · g · 4). En cualquier otra situación, los momentos no se anulan, y el balancín gira.

Se puede concluir que, a igualdad de deformación, se necesita la misma intensidad de fuerza para estirar un muelle que para comprimirlo. Además, la fuerza que ejerce el muelle es igual en módulo a la que se aplica sobre él, y actúa en la misma dirección y sentido contrario al de aquella. Por este motivo, se llama fuerza recuperadora o elástica.

Sigue probando con distintas masas y posiciones.

Cuando creas que has entendido bien la ley de la palanca, selecciona la opción «Game» y enfréntate a retos de distinto nivel que tendrás que resolver con esta ley, muy presente en tu vida cotidiana.

8 hC › 2,4 m

Coloca el objeto en la posición 0,0 y define un coeficiente de rozamiento estático ne = 0,5, una masa de 50 kg, e indica que la experiencia se lleva a cabo en la Tierra.

Con estos valores, según has estudiado en la unidad, se necesita ejercer una fuerza horizontal un poco mayor de 245 N para empezar a mover el objeto. Pon este valor en la casilla de la fuerza y pulsa play; verás que el objeto no se mueve, pero si subes el valor a 245,01… ¿qué ocurre?

1 ¿Cuánto se comprime un muelle de constante elástica 350 N/m al aplicarle una fuerza de 50 N?

2 En el applet del balancín, en el cuadro donde están los

ladrillos, hay una flecha que apunta hacia la derecha.

Púlsala hasta que encuentres la caja misteriosa H, y determina el valor de su masa.

3 En el simulador de movimiento, pestaña Gráficas, elimina el rozamiento, pon muelles en los extremos y empuja el objeto y tira de él varias veces. ¿Cuándo aparece aceleración? Compara las gráficas con las que has estudiado.

221

1 1 8 · m · v2B – · m · v2A = –n · N1 · Δx 8 vB › 5,7 m/s 2 2 • Y al aplicarlo entre los puntos B y C: DEm = WR 8 EmC – EmB = WR 8 8 (Ecc + EpC ) – (EcB + EpB ) = R · cos 180° · Dr 8 1 · m · vB2 = –n · N2 · Δr 8 8 m · g · hC – 2 hc 1 · m · v2B = –n · N2 · 8 m · g · hC – sen 30° 2 8 hC › 1,2 m.

• La altura alcanzada por el cuerpo en su ascenso sobre el plano es de 2,4 m.

FUERZAS Y MOVIMIENTO Con este applet, que encontrarás bajo el mismo nombre, podrás repasar los contenidos de esta unidad. Ejecútalo y selecciona la pestaña Fricción en la parte superior.

Utilizando los interactivos que se han presentado en estas páginas, responde a las siguientes cuestiones.

h A = hB = 0

220

• Al aplicar el PCE entre los puntos B y C se tiene: DEm = WR 8 EmC – EmB = WR 8 8 (Ecc + Epc ) – (EcB + EpB ) = W · cos 180° · Dr 8 1 · m · v2B = –n · N2 · Dr 8 m · g · hC – 2 hc 1 · m · v2B = –n · N2 · 8 m · g · hC – sen 30° 2

ΔEm = 0 8 EmB – EmA = 0 8 EmA = EmB 8

m· g · cos 30º hB vB

7

Habrás comprobado que los simuladores se han programado para respetar las leyes físicas, por lo que se pueden considerar laboratorios virtuales en los que experimentar con fenómenos desde casa.

Comprende, piensa, investiga…

h = hmáx ?

B vB = ?

¿Y si se comprime? Deja la misma constante elástica e impón una fuerza de –63 N.

vC = 0

X

Se trata de un proceso con energías cinética y potencial y diferentes rozamientos en cada tramo. AplicaSelecciona todas las casillas delindependiente: cuadro superior deremos el PCE cada tramo de forma recho para que se represente la fuerza aplicada (en DEm = Wroz rojo), la ejercida por el muelle (azul), la elongación (verde), la posición de equilibrio y los valores de estas • Almagnitudes. aplicar el PCE entre los puntos A y B resulta: DEm = WR 8 EmB – EmA = WR 8 8 (EcB + EpB ) – (EcA + EpA ) = R · cos 180° · Dx 8

DEm = WR

Por tanto, podemos aplicar el principio de conservación de la energía mecánica entre los puntos A y B: DEm = 0

D Y N2

R

hC = hmáx ?

B

hC Dr

· cos

OBTÉN EL RESULTADO Y ANALIZA SU VALIDEZ

• Plantéate la coherencia de los resultados que has obtenido.

vC = 0 X

m · g · cos 30º

Se trata de un proceso de oscilación en el que la energía cinética y potencial se transforman una en otra, sin pérdidas por rozamientos.

• Sustituye los datos en las expresiones matemáticas que las expresan y obtén resultados.

C

Dr Y N2 R

25º

IDENTIFICA LAS LEYES FÍSICAS QUE INTERVIENEN • Analiza qué tipos de energía intervienen y si lo hacen en presencia o en ausencia de fuerzas no conservativas, como el rozamiento.

• Piensa qué leyes pueden intervenir en el ejercicio: – Definiciones de W, Ec , Ep , P. – Teorema de las fuerzas vivas, de la energía potencial y PCE.

• Trabaja con las leyes elegidas sin sustituir datos hasta tener despejada tu incógnita.

N1 = m· g N2 = m· g · cos 30º = 84,9 N hC hC sen 30º = Dr = Dr sen 30º

Con esta aplicación podrás comprobar, por ejemplo, que para equilibrar 20 kg en la posición 2 de la izquierda, se necesitan 5 kg en la posición 8 derecha, o 10 kg en la posición 4 (los soportes se quitan deslizando hacia la derecha el botón inferior).

Esta ley relaciona la fuerza, F, que se ejerce sobre un RESOLUCIÓN cuerpo elástico con la elongación, Dl, que este sufre:

• El ejercicio pregunta por la altura máxima alcanzada sobre el plano inclinado.

vA = O ; hB = O ; vB = ?

De las tres secciones que ofrece, selecciona «Balance Lab» para estudiar la ley de la palanca. Marca las casillas de los cuadros de la derecha para que muestre las etiquetas de masa, las fuerzas y la posición de equilibrio; señala las posiciones con marcas.

Aparte de las que aquí comentamos, hay muchas otras.

Te invitamos a que las descubras y aprendas con ellas.

• El enunciado describe la F =subida k · Dl de un cuerpo por un plano inclinado con rozamientos.

La constante k, que depende de las características del • Los datos elástico, en unidades SI son: v =constante 8 m/s; m = 10 kg; sistema se denomina elástica. a = 30°; nc = 0,2; g = 9,8 m/s2.

Cuando ejecutas el applet, aparece una pantalla con • Latres incógnita es laSelecciona altura máxima que alcanza secciones.

Intro para accederela un lacuerpo sobre el plano inclinado. boratorio virtual en el que podrás estudiar el comportamiento de un sistema elástico muy común en nuesvidas: corresponden N1 = m·tras g = 98 N el muelle (las otras secciones C N2= m·agcontenidos · cos 30º = 84,9 deNpróximosr cursos).

• Los datos en unidades SI son: v = 8 m/s; m = 10 kg; a = 30°; nc = 0,2; g = 9,8 m/s2.

hA = L – x = L – L· cos 25º = 0,11 = 11 cm

x

10

Lanzamos un cuerpo de 10 kg, a una velocidad de 8 m/s, por un plano horizontal. Tras recorrer un es- LEY DE HOOKE pacio de 8 m, el cuerpo sube por un plano inclinado 30°, Aunque hasta que parándose.

Calcula los acaba efectos deformadores de la lasaltura fuerzas no Con los cursores, el pistón al que está unido el muelle, o máxima alcanzade el cuerpo sobre es el plano incli- que son que contenido este curso, interesante con las flechas de las casillas de la constante del muelle nado.

Ten en cuenta existe rozamiento en todo recuerdes la ley que de Hooke, que estudiaste en cursos y la fuerza aplicada, comprueba qué le ocurre a un mueel recorrido. = 9,8 m/s2. tus estudios c = 0,2; pasados,Datos: pues tenserá útilgpara continuar lle de k = 270 N/m cuando se aplica una fuerza de 63 N. de física.

RESOLUCIÓN • Es un ejercicio de energías. Hay términos como velocidad y altura, por lo que existen Ec y Ep.

• El ejercicio pregunta por la velocidad de la esfera en el punto más bajo, B. Esa es nuestra incógnita.

L

En estas páginas se presentan tres programas interactivos con los que podrás repasar algunos contenidos de la unidad y de cursos pasados. Puedes localizarlos en la web de la Universidad de Colorado (http://phet. colorado.edu/es/), en el enlace «Juega con las simulaciones», apartado «Física 8 Movimiento».

EJEMPLO 3

Lanzamos un cuerpo de 10 kg a una velocidad de 8 m/s por un plano horizontal sin rozamiento. Tras recorrer un determinado espacio, por un plano inclinado 30°, en el que sí existe rozamiento, hasta que acaba parándose. Calcula la altura máxima que alcanza el cuerpo sobre el plano inclinado. Datos: nc = 0,2; g = 9,8 m/s2.

• Los datos numéricos que proporciona el enunciado, expresados en unidades del SI, son: L = 1,2 m; a = 25°; g = 9,8 m/s2.

Para que se produzca equilibrio, no basta con que la fuerza neta sea cero, sino que también ha de serlo la suma de los momentos. Es en esta segunda condición en la que se centra este applet, que encontrarás bajo el nombre «Balancing Act».

zamiento, etc., que tenemos que tener en cuenta en experimentos reales.

Con ellos, además, podemos despreocuparnos de algunas fuentes de error en las medidas, como la calibración de instrumentos, pulido de superficies para eliminar ro-

EJEMPLO 1

En cada unidad, se incluye la resolución de diferentes problemas, se analizan los enunciados y se discuten los resultados obtenidos.

Desde que las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) irrumpieron en nuestra sociedad, nuestras vidas han cambiado, y también lo han hecho las posibilidades de experimentar con fenómenos físicos.

Ante la dificultad que puede suponer diseñar experimentos para corroborar las leyes de la naturaleza, podemos utilizar programas informáticos que los simulan.

Una pequeña esfera se ata a una cuerda fina de 1,2 m de longitud y se suspende verticalmente. A continuación, se separa de su posición de equilibrio un ángulo de 25° hasta una altura h y se deja en libertad, describiendo un arco circular. Despreciando los efectos del rozamiento, calcula la velocidad con la que la esfera pasa por el punto más bajo de su trayectoria. Dato: g = 9,8 m/s2.

LEY DE LA PALANCA

EL LABORATORIO EN EL ORDENADOR

cómo resolver problemas de energía

probleMAs

Unidad

simuladores de fenómenos físicos

TIC

• La altura alcanzada sobre el plano es de 1,2 m.

En el estudio de la física y la química, el empleo de las TIC merece un tratamiento específico.

307

306

Las experiencias del apartado Taller de ciencias permiten recordar lo estudiado en la unidad inicial del libro y, a la vez, aplicar de forma creativa los contenidos desarrollados en la unidad.

Trabaja con lo aprendido TALLER DE CIENCIAS Ciencia RECREATIVA

IAS

TALLER DE CIENC

ar el material .

Recuerda seleccionunidad para tu portfolio esta de trabajo de

TRABAJA CON LO

ORGANIZO MI MENTE

INTRODUCCIÓN El espectro de una luz es el conjunto de líneas de colores que se obtienen cuando esa luz se dispersa, y el instrumento utilizado para conseguirlo recibe el nombre de espectroscopio.

CALOR LATENTE DE FUSIÓN DEL AGUA

2 Completa el esquema conceptual inferior con los contenidos que has estudiado en esta unidad, además de los señalados con las letras A, B, C, D y E.

6

Película o detector Prisma

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ¿Cómo se podría obtener en el laboratorio el calor latente de fusión del agua?

• Es conveniente verter el agua caliente en el termo con antelación, hasta que se alcance el equilibrio térmico.

• Debemos asegurarnos de que el hielo está a 0 °C al ponerlo en el agua; por ello, lo haremos cuando veamos que comienza a derretirse.

Espectro de emisión

3

EXPERIMENTO

CONSTRUYE Hay un modo sencillo de construir un espesctroscopio casero sin más que introducir un CD en una caja y observar por un extremo la luz que entra por una rendija situada en el otro extremo.

1

Con mucho cuidado, con ayuda de un adulto, corta el CD de modo que encaje en la caja de cerillas, y fíjalo al fondo. Después, abre una pequeña rendija en un extremo de la tapa, como se muestra en la imagen, y observa por el otro extremo la luz que entra por esta rendija. ¡Así de fácil!

2 3

• Calentamos unos 250 cm de agua destilada a una temperatura que esté unos 5 °C por encima de la temperatura ambiente.

• Con el termo sobre la balanza, vertemos unos 200 g del agua caliente. Anotamos la masa exacta de agua que hemos puesto, ma.

• Dejamos el termo sobre la mesa con el termómetro dentro, hasta que que el agua se enfríe un par de grados para que pueda calentar el vaso del termo.

• Sacamos el cubito de hielo del congelador y lo pesamos, anotando la masa, mh. Seguidamente, lo ponemos sobre un papel y esperamos a que comience a fundirse.

NECESITAS • Una caja de cerillas grande • Un CD

energía de reacción

E

• Habrá que ir levantando ligeramente el corcho y remover la mezcla con la Fevarilla para uniformar la temperatura y observar cuánto queda para C que se funda todo el hielo.

• En el mismo instante en el que todo el hielo se funda, anotamos la temperatura, T. + • Ya solamente nos queda hacer cálculos para obtener Lf :

3

Concentración/(mol/L)

0

2,32

400

1,72

• A partir de esta expresión, podremos determinar cuál es el valor del Lf .

negativa

a) MgCl2 + Li2CO3 8 MgCO3 + LiCl

+ CO2

2 O2

N2

2 H2O

+

+ 3 H2

0,39

2 800

0,28

Explica cuáles son las ventajas de utilizar catalizadores en reacciones que requieran de condiciones extremas de presión y/o temperatura.

Cantidad de sustancia 10 Indica si estas afirmaciones son verdaderas o falsas:

1-2-4. A partir de la información del enunciado, indica qué enlaces se rompen y se forman en estos cambios químicos:

CH4

0,54

2 400

8 Explica cómo afecta la temperatura a la velocidad de una reacción química según la teoría cinética.

9

c) MgI2 + Mn(SO3)2 8 MgSO3 + MnI4 d) C3H6O + O2 8 CO2 + H2O e) SeCl6 + O2 8 SeO2 + Cl2

4 Comprueba que se cumple la ley de conservación de la masa en las reacciones químicas anteriores considerando la masa de los átomos que forman las sustancias presentes en estas.

+

0,98 0,73

2 000

b) Representa los datos de concentración frente al tiempo. La pendiente del gráfico en cada punto es una medida de la velocidad de reacción. ¿Aumenta o disminuye la velocidad de reacción según avanza la reacción? Explica tu observación.

b) P4 + O2 8 P2O3

5

1,3

1 200 1 600

a) ¿Se trata de un reactivo o de un producto?

Comprobamos. Ajusta estas ecuaciones:

mh · Lf + ma · c · (T – T0) + mh · c · (T – T0) = 0

2 NH3

Recuerda que dispones de las soluciones de todas las actividades numéricas en anayaeducacion.es.

142

Si enfocas el espectroscopio a diferentes luces, como la llama de una vela, un tubo fluorescente, los faros de un coche, o luz solar (sin enfocar directamente al Sol) podrás comprobar que no todas las luces son iguales, y que cada una tiene su «huella dactilar».

Se muestran algunos ejemplos en la imagen de la izquierda.

D

estado de agregación de los componentes

2 Escribe en cada caso la ecuación química que representa cada uno de estos cambios químicos, descritos a nivel molecular: • Cuando veamos que el hielo va a empezar a fundirse, anotamos la temperaturaCudel agua caliente, T0, e introducimos con cuidado el hielo. + Tapamos con el tapón Cu de corcho.

O O

• Un cúter

LED 5 W

que nos informa sobre

MATERIAL • Termo • Termómetro de laboratorio • Trozo de corcho o corcho blanco para poder tapar el termo con un agujero para el termómetro cambios químicos • Varilla de madera para Los agitar • Balanza • Agua destilada caliente • Cubito de hielo de agua destilada.

1 Asamblea de ideas. Enumera cinco cambios químicos que ocurren en tu día a día, de los que seas consciente.

PROCEDIMIENTO

Tiempo/s

800

C

productos

NUESTRA PROPUESTA rompen B Vamos a utilizar el «método de las mezclas». Pondremos un cubito de hielo a 0 °C en una cantidad de agua líquida conocida a una temperatura también conocida, y mediremos la temperatura que alcanza la mezcla en el mismo instante en el que se funda todo el hielo, esto es, en el equilibrio térmico.

Una vez comprendidos los aspectos anteriores, se pueden seguir estos pasos:

Obtención del espectro de emisión de una fuente de luz.

Explica cómo afecta la concentración de los reactivos a la velocidad de reacción, utilizando para ello la teoría de las colisiones.

7 Medimos la concentración de una sustancia en una reacción química y obtenemos los datos:

se expresa mediante su

TU PROPUESTA Recuerda los contenidos estudiados en la unidad y propón un métocuyos enlaces se do práctico que te permita obtener dicho dato.

El espectro de una luz nos permite identificar los materiales de los que está formado el objeto que la emite; se podría decir que es como la «huella dactilar» de esa luz.

Fuente de luz

está formada por

A

ORIENTACIONES

Así, podríamos decir que el arcoíris es el espectro de la luz solar, y el espectroscopio, las gotas de lluvia.

Bombilla fluorescente

Mapa conceptual sistémico

1 Explica, rotulando tus propios dibujos, los factores que afectan a la velocidad de reacción y la diferencia entre una reacción endotérmica y una Unidad 11 exotérmica.

trabajo práctico

4

13 Completa la tabla para 20 mol de agua:

Velocidad de reacción

Una reacción química

construcción de un ESPECTROSCOPIO

Bombilla incandescente

Unidad

APRENDIDO

Cantidad de sustancia/ mol H2O

Átomos o moléculas

Masa/g

Masa molar/ (g/mol)

20

18

H

1

O

16

14 Escribe la fórmula y calcula las masas molares de estas sustancias con los datos de masas atómicas promedio que se recogen en la tabla periódica. a) Cloruro de calcio. e) Dicloro. b) Plata. f) Tricloruro de aluminio. c) Trióxido de dihierro. g) Ácido sulfhídrico. d) Ozono. h) Ácido sulfúrico.

15 Calcula la molaridad de estas disoluciones con las masas atómicas promedio de la tabla periódica. a) 200 g de hidróxido de sodio en un volumen total de 500 mL. b) 20 g de nitrato de sodio en agua hasta completar un volumen de 250 mL. c) Una disolución de ácido nítrico en agua cuya densidad es 1,12 g/cm3 y riqueza (% en masa) del 80 %. d) Una disolución preparada a partir de 200 mL de una disolución 2 M de ácido clorhídrico y agua hasta completar un volumen de 500 mL. 16 Calcula la cantidad de sustancia de ácido clorhídrico que presenta la disolución del apartado (d) del ejercicio anterior y la que había antes de que se llevara a cabo el proceso de dilución; ¿qué observas?

17 Se ha medido la concentración de una disolución con un procedimiento de análisis, obteniéndose:

a) En un mol de agua hay el mismo número de moléculas que en un mol de butano.

Medida

Concentración/(mol/L)

b) En un mol de agua hay el mismo número de átomos de hidrógeno que en un mol de butano.

1

0,012

2

0,015

3

0,017

c) En un mol de agua hay un mol de átomos de oxígeno y dos mol de átomos de hidrógeno.

4

0,020

d) En un mol de agua hay 1,8066 · 10 átomos.

5

0,023

e) En un mol de agua hay 1,8066 · 1024 moléculas.

6

0,014

24

11 Indica cuántos átomos hay en 360 g de cobre.

12 Calcula el número de átomos de hidrógeno que contienen unas muestras de un gramo de amoníaco, cloruro de hidrógeno e hidróxido de calcio. ¿Qué masa de hidrógeno contiene cada una de las muestras?

Expresa la concentración media, junto con su error absoluto.

18 Calcula la molaridad de una disolución de 70 g de cloruro de amonio en 500 mL de disolución. ¿Cuántos átomos de H contiene?

anayaeducacion.es Consulta los apartados «Para estudiar» y «Aprende jugando» en el banco de recursos.

143

Extrae conclusiones...

1 ¿Eres capaz de explicar la expresión matemática que

3 Realiza una lista de errores que hemos podido cometer

2 Compara el valor obtenido con el que aparece en los

4 ¿Por qué crees que es mejor no calentar demasiado el

hemos utilizado? libros.

y cómo podríamos minimizarlos. agua?

340

341

Organizador visual de los contenidos, cuestiones sobre los aspectos esenciales de la unidad y actividades para afianzar lo estudiado utilizando diferentes estrategias de trabajo.

Educación emocional

Cultura emprendedora

TIC

académica y profesional

Evaluación

Aprende a conocerte; identifica las situaciones que te generan emociones bloqueantes y gestiónalas con experiencias de autoafirmación constructiva.

Confía en tus aptitudes y conocimientos, desarrolla la creatividad, adáptate a las situaciones cambiantes y ten una actitud proactiva y responsable.

Aprende a obtener información, seleccionarla y aplicarla; a planificar, gestionar y elaborar trabajos; a colaborar en Red de forma ética y segura.

Valora tus capacidades personales, descubre y despierta tu vocación, entrénate en la toma de decisiones y aprende a orientarte entre distintas opciones.

Descubre diversas estrategias para analizar qué has aprendido y cómo lo has aprendido; entrénate para asumir compromisos o superar dificultades.

Orientación

ASÍ ES

el proyecto

digital www.anayaeducacion.es

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Regístrate en www.anayaeducacion.es. Solo necesitas tener un correo electrónico, el código que se indica en la primera página de este libro y el permiso de tu padre, madre, tutor o tutora legales. Así podrás acceder al banco de recursos y descargar el libro digital.

Una versión digital de tu libro, que podrás usar en condiciones offline y online, con acceso a los recursos digitales tanto agrupados por tipologías como asociados a los contenidos de cada unidad.

Un espacio con recursos, técnicas y actividades, diseñado para afianzar tus conocimientos.

Más sobre las claves

Recursos relacionados con LAS CLAVES del proyecto ODS

Compromiso ODS, con microvídeos que te ayudarán a conocer cuáles son las metas para alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible trabajadas en el proyecto.

Plan Lingüístico, con infografías que te darán las pautas para abordar el trabajo por medio de distintos tipos de textos (descriptivo, narrativo, expositivo, etc.).

Desarrollo del pensamiento, donde se incorporan explicaciones sobre cómo aplicar las distintas estrategias de pensamiento planteadas en el proyecto.

Aprendizaje cooperativo, que incluye la descripción de las técnicas de aprendizaje cooperativo propuestas en el proyecto.

Educación emocional, con orientaciones para superar la inquietud generada en diferentes situaciones de tu proceso de aprendizaje (inicio del curso, enfrentarte a un examen, etc.).

TIC, mediante fichas que reforzarán tu uso saludable, correcto y seguro de las tecnologías de la información y la comunicación.

Orientación académica y profesional, con información sobre diferentes profesiones vinculadas a los contenidos tratados en la asignatura.

0:40/1:33

Evaluación, se presentan orientaciones para hacer tu portfolio, así como rúbricas y dianas que facilitan tu autoevaluación.

Recursos DESTACADOS de la materia Contenidos autonómicos Qué necesitas saber Para estudiar Aprende jugando Laboratorios virtuales y simulaciones Autoevaluaciones Soluciones de las actividades numéricas

Recursos clasificados por unidades

Todos los recursos clasificados para que puedas localizar fácilmente los relacionados con cada apartado de tu unidad.

ASÍ SON

LOS contenidos del curso LA ACTIVIDAD CIENTÍFICA

Pág. 8

Una historia para conocer cómo es la actividad científica....................................................................................... 8 1. Investigación científica....................................................... 10 2. Magnitudes físicas y unidades......................................... 16 3. Medida de magnitudes físicas. Errores......................... 20 4. Análisis de datos experimentales................................... 24 Orientación para la resolución de problemas Resolución de problemas....................................................... 26

3

LOS COMPUESTOS DEL CARBONO

Pág. 96

Carbono, con «c» de conveniente..................................... 96 1. El átomo de carbono........................................................... 98 2. Formas alotrópicas del carbono..................................... 100 3. Fórmulas y modelos moleculares................................... 102 4. Hidrocarburos........................................................................ 106 5. Compuestos de carbono oxigenados y nitrogenados....................................................................... 109 6. Moléculas de especial interés........................................... 112

Taller de ciencias Proyecto de investigación...................................................... 28 Experimentos mentales........................................................... 34 ¿Se puede hablar de «la densidad» de la plastilina?.... 35

TIC. Las TIC te ayudan a fijar conocimientos.................. 114

Trabaja con lo aprendido ...................................................... 36

Trabaja con lo aprendido ...................................................... 118

1

EL ÁTOMO Y EL SISTEMA PERIÓDICO

Pág. 38

Una historia para la complejidad del átomo................. 38 Recuerda que.............................................................................. 40 1. Los primeros modelos atómicos..................................... 42 2. Los espectros atómicos y el modelo de Bohr........... 44 3. Modelo cuántico del átomo.............................................. 46 4. El sistema periódico de los elementos químicos...... 49 5. Masas atómicas...................................................................... 52 Orientación para la resolución de problemas Cómo resolver un ejercicio de abundancia isotópica.. 53 TIC. Modelos atómicos............................................................. 54 Taller de ciencias Las petites Curie......................................................................... 56 Rayos catódicos y tubos de descarga............................... 57

Taller de ciencias Modelos moleculares................................................................ 116 Solubilidad del corcho blanco............................................... 117

4

REACCIONES QUÍMICAS: FUNDAMENTOS

Pág. 122

Cuando el milagro pasó a ser ciencia.............................. 122 1. Cambios químicos................................................................ 124 2. Velocidad de reacción......................................................... 126 3. Cantidad de sustancia......................................................... 128 4. Cálculos estequiométricos................................................ 130 5. La energía en las reacciones químicas......................... 133 Orientación para la resolución de problemas Cómo resolver un ejercicio de estequiometría............... 136 TIC. Simulaciones sobre reacciones químicas................ 138

Trabaja con lo aprendido ...................................................... 58

Taller de ciencias Reacción de oxidación del hierro........................................ 140 Factores que afectan a la velocidad de reacción.......... 141

Apéndice. Formulación y nomenclatura química......... 62

Trabaja con lo aprendido ...................................................... 142

2

ENLACE QUÍMICO Y FUERZAS INTERMOLECULARES

Pág. 72

Una historia sobre el enlace químico............................... 72 1. El enlace químico.................................................................. 74 2. El enlace iónico...................................................................... 76 3. El enlace covalente............................................................... 78 4. Fuerzas intermoleculares................................................... 82 5. El enlace metálico................................................................. 85 6. Resumen de las propiedades de los compuestos químicos................................................................................... 86

5

ALGUNAS REACCIONES QUÍMICAS DE INTERÉS

Pág. 146

Una reacción química, dos posturas y el nacimiento de la química moderna.......................... 146 1. Ácidos y bases....................................................................... 148 2. Reacciones de combustión............................................... 152 3. Importancia de las reacciones de combustión.......... 153 4. Reacciones de síntesis........................................................ 156

Orientación para la resolución de problemas Cómo resolver un problema de enlace químico............ 87

Orientación para la resolución de problemas Ejercicios de aplicación de reacciones químicas........... 158

TIC. Hojas de cálculo y recursos web................................. 88

TIC. Representaciones gráficas............................................ 160

Taller de ciencias Tipos de sustancias................................................................... 90 Determinación del tipo de enlace....................................... 91

Taller de ciencias Indicadores caseros de pH..................................................... 162 Identificación del CO2 en una reacción............................. 163

Trabaja con lo aprendido ...................................................... 92

Trabaja con lo aprendido ...................................................... 164

6

CINEMÁTICA

Pág. 168

Caída libre, pero libre de verdad....................................... 168 1. Sistema de referencia.......................................................... 170 2. Magnitudes del movimiento............................................. 172 3. Tipos de movimientos......................................................... 179 4. Movimientos rectilíneos...................................................... 180 5. Movimientos circulares....................................................... 186 6. Interpretación de representaciones gráficas............. 190 Orientación para la resolución de problemas Ejercicios de cinemática.......................................................... 192 TIC. Hojas de cálculo para el estudio de movimientos.......................................................................... 194

9

FUERZAS EN FLUIDOS. PRESIÓN

Pág. 258

Bílbilis, evidencias del conocimiento del concepto de presión........................................................ 256 1. Presión...................................................................................... 258 2. Ley fundamental de la hidrostática............................... 2 60 3. Principio de Arquímedes................................................... 2 64 4. Ley de Pascal.......................................................................... 267 5. Presión atmosférica............................................................. 268 6. Conceptos meteorológicos............................................... 272 Orientación para la resolución de problemas Ejercicios relacionados con la presión y el empuje...... 274 TIC. Aplicación interactiva online........................................ 276

Taller de ciencias El factor tiempo en las fuerzas............................................. 196 ¿Es movimiento uniformemente acelerado?................... 197

Taller de ciencias La presión atmosférica............................................................ 278 El tonel de Pascal....................................................................... 279

Trabaja con lo aprendido ...................................................... 198

Trabaja con lo aprendido ...................................................... 2 80

7

LEYES DE NEWTON

10 Pág. 202

Una manzana que cayó por su peso................................. 202 1. Fuerzas..................................................................................... 2 04 2. Fuerzas cotidianas................................................................ 2 08 3. Leyes de Newton.................................................................. 210 4. Leyes de Newton en movimientos cotidianos........... 214 Orientación para la resolución de problemas Ejercicios de aplicación de las leyes de Newton........... 217 TIC. Simuladores de fenómenos físicos............................. 2 20 Taller de ciencias El rozamiento............................................................................... 222 Coeficiente de rozamiento por desplazamiento............ 223 Trabaja con lo aprendido ...................................................... 224

8

Pág. 284

De la «vis viva» al concepto actual de energía........... 284 1. Energía...................................................................................... 286 2. Trabajo...................................................................................... 2 90 3. Potencia.................................................................................... 295 4. Energía cinética..................................................................... 296 5. Energía potencial.................................................................. 299 6. Conservación de la energía mecánica.......................... 302 7. Transporte de energía mediante ondas mecánicas... 3 04 Orientación para la resolución de problemas Cómo resolver problemas de energía................................ 3 06 TIC. Trabajo con la hoja de cálculo..................................... 3 08 Taller de ciencias El Sol como fuente de energía renovable......................... 310 Conservación de la energía mecánica............................... 311 Trabaja con lo aprendido ...................................................... 312

11 FUERZAS EN EL UNIVERSO

ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO

ENERGÍA TÉRMICA Y CALOR

Pág. 316

El universo, un gran desconocido...................................... 228 1. Evolución histórica del estudio del universo.............. 2 30 2. Fuerzas gravitatorias........................................................... 235 3. Aplicaciones de la ley de gravitación universal........ 238 4. Satélites artificiales en órbita........................................... 243

Calor, ¿una materia invisible o transferencia de energía?.................................................................................. 316 1. Energía térmica. Temperatura.......................................... 318 2. Equilibrio térmico. Calor y propagación...................... 322 3. Efectos del calor................................................................... 326 4. Motor térmico......................................................................... 3 30 5. Degradación de la energía................................................ 332

Orientación para la resolución de problemas Cómo resolver un ejercicio de gravitación....................... 246

Orientación para la resolución de problemas Resolución de problemas de calentamiento................... 335

TIC. Stellarium............................................................................. 248

TIC. Geogebra............................................................................. 336

Taller de ciencias Simulación de la teoría de la gravedad de Einstein...... 2 50 Localización de los astros....................................................... 251

Taller de ciencias Construcción de un espectroscopio................................... 3 40 Calor latente de fusión del agua.......................................... 341

Trabaja con lo aprendido ...................................................... 252

Trabaja con lo aprendido ...................................................... 342

Pág. 228

4

reacciones químicas: fundamentos Cuando el milagro pasó a ser ciencia La evidencia más antigua de la producción y el consumo del vino, una vasija de cerámica hallada en los montes Zagros (actuales Irán e Irak), data del 5400 a. C. Tradicionalmente, el vino y su proceso de producción se han relacionado con el misterio y lo divino. Tanto que, primero, la cultura griega y, después, la romana disponían de un dios del vino y de los viñedos: Dionisos y Baco, respectivamente.

Estas creencias se han ido modificando y desapareciendo debido a la lógica y la curiosidad. Así, en el Medievo se afirmaba que el vino se producía debido a la descomposición de la materia (zumo de uva o mosto), mientras que en el siglo xix se descubrió que el vino se producía gracias a una reacción química: la fermentación.

El químico francés Louis Pasteur fue quien explicó la fermentación y, en consecuencia, dotó de una base científica al proceso de producción del vino. Este cambio químico consiste en la transformación del azúcar (glucosa) del mosto en alcohol etílico y dióxido de carbono y ocurre gracias a la actividad de levaduras (hongos) tales como candida, pichia, zygosaccharomyces o la popular saccharomyces cerevisiae.

Actualmente, existe una ciencia especializada en el estudio de estos procesos químicos; ¿sabes de cuál se trata?

COMPROMISO ODS El año 2020 ha sido desastroso para los viñedos de Galicia, Cataluña, Cas­tilla-La Mancha y Andalucía, por una plaga del hongo plasmopara viticola, causante del mildiu, que suele conllevar tratamientos con fungicidas por parte de los agricultores para salvar la cosecha.

1

Rompecabezas. Busca información sobre la enfermedad mildiu y las consecuencias de la utilización de fungicidas en la agricultura.

2

Realiza una infografía para los agricultores en la que: (1) se expongan las metas de los ODS relacionados con este problema, y se justifique la necesidad de cumplirlos; y (2) se explique, al menos, un tratamiento alternativo/natural para combatir el mildiu.

Antes de empezar a estudiar esta unidad, consulta la presentación «Qué necesitas saber» en anayaeducacion.es.

LOS Recursos en la web DE ESTA UNIDAD VÍDEOS

Objetivos de Desarrollo Sostenible.

PRESENTACIÓN

Qué necesitas saber.

Cuando el milagro pasó a ser ciencia

1

DOCUMENTO

Cómo aplicar las técnicas: «1-2-4» y «Comprobamos».

Cambios químicos

2 Velocidad de reacción

PRESENTACIÓN

La cantidad de sustancia.

3 Cantidad de sustancia

DOCUMENTO

Cómo aplicar la técnica: «Intuyo y deduzco».

DOCUMENTO

Textos argumentativos.

DOCUMENTO

Cómo aplicar la técnica: «Lápices al centro».

DOCUME

REACCIONES QUÍMICAS: FUNDAMENTOS

4 Cálculos estequiométricos

5

La energía en las reacciones químicas Orientaciones para la resoluc ión de problemas Cómo resolver un ejercicio de estequiometría

DOCUMENTO

Cómo aplicar la técnica: «Rompecabezas».

VÍDEOS

Evidencias de una reacción química.

DOCUMENTO

Cómo aplicar la técnica: «Folio giratorio».

DOCUMENTO

Cómo aplicar la técnica: «Piensa y comparte en pareja».

SIMULACIÓN

Ajuste de ecuaciones químicas.

DOCUMENTO

Cómo aplicar la técnica: «Mesa redonda».

TIC Simulaciones sobre reacciones químicas

NTOS

Cómo aplicar las técnicas: «Asamblea de ideas», «¿Qué hace decir eso?», e «Interpreta te ción compartida».

DOCUMENTO

Taller de ciencias Reacción de oxidación del hier Factores que afectan a la velo ro cidad de reacción Trabaja con lo aprendido

Organizador gráfico: «Mapa conceptual sistémico»

.

Y ADEMÁS… Soluciones de todas

DOCUMENTO

Consejos para elaborar tu portfolio.

«Para estudiar» y «Aprende jugando».

las actividades numéricas

1

ää 1.1 Conceptos básicos

CAMBIOS QUÍMICOS

En una reacción química se parte de unas sustancias denominadas reactivos, presentes antes del cambio, y se obtienen otras nuevas como consecuencia del cambio, denominadas productos de la reacción.

Para que se produzca el cambio químico, los reactivos han de estar en contacto entre sí. Durante el proceso también se producen cambios físicos que los evidencian, como se muestra a continuación.

Evidencias físicas de un cambio químico: ejemplos

Intercambio de energía.

Cambio de color.

Cambio de estado.

ää 1.2 Teoría atómica de las reacciones químicas La aparición de sustancias nuevas como resultado de una reacción química se basa en un reordenamiento de los átomos de los reactivos. Para que este tenga lugar, las unidades elementales que forman los reactivos deben colisionar entre sí. Como resultado de estas colisiones se rompen enlaces y se forman enlaces nuevos, teniendo así nuevas sustancias.

Trabaja con la imagen

Al tratarse de una reordenación de átomos, la masa total de las sustancias antes y después del cambio químico no varía; por tanto, podemos decir que:

A partir de la información de la ilustración, deduce qué enlaces se han roto y cuáles se han formado en el cambio químico que se representa.

Teoría atómica y conservación de la masa En la ilustración de la izquierda, se representa la reacción de oxidación del monóxido de nitrógeno para dar dióxido de nitrógeno.

+ 2 NO

124

Durante un cambio químico, la masa se conserva; es decir la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. Este enunciado se conoce como ley de la conservación de la masa.

+

O2

2 NO2

Como podemos observar, durante la reacción se produce una reordenación de los átomos y la masa se conserva durante todo el pro­ceso.

Consulta en anayaeducacion.es los vídeos en los que te mostramos las evidencias de un cambio químico.

Unidad

4

ää 1.3 Expresión de una reacción química:

la ecuación química

Para expresar cuantitativamente los cambios químicos utilizamos ecuaciones químicas.

Las ecuaciones químicas expresan la relación entre los reactivos y los productos durante una reacción química, y la proporción que guardan entre sí sus unidades elementales mediante coeficientes estequiométricos.

En ocasiones, también informan de los estados de agregación de las sustancias, de la temperatura o de la presión a la que tienen lugar.

Ajustar una ecuación química consiste en elegir los valores de los coeficientes de modo que el número de átomos de cada elemento sea el mismo en los reactivos que en los productos.

Expresión y ajuste de ecuaciones químicas tilizaremos como ejemplo la reacción entre el amoníaco y el oxígeno molecuU lar, que tiene como productos el nitrógeno molecular y el agua.

1 Escribimos las fórmulas de los reactivos y de los productos, separándolos

por una flecha que marca el sentido de la reacción: NH3 + O2 8 N2 + H2O

2 Elegimos los valores de los coeficientes estequiométricos para hacer que

el número de átomos de cada elemento sea el mismo en los reactivos y en los productos. Para ello: 2.1 Ajustamos, primero, los coeficientes de las sustancias no elementales: 2 NH3 + O2 8 N2 + 3 H2O 2.2 A continuación, los de las sustancias elementales. Si es preciso, corre­giremos los coeficientes ya elegidos, tanteando. Es posible utilizar números fraccionarios: 2 NH3 + 3/2 O2 8

N2 + 3 H2O

Comprende, piensa, investiga…

1

Observa que el coeficiente estequiométrico del nitrógeno molecular es 1, por lo que no se escribe.

CH4 + 2 O2 8 CO2 + 2 H2O ¿Cuántos y cuáles son los enlaces que se han roto y cuántos y cuáles son los que se han formado?

También, podemos multiplicar por dos la ecuación química para que no haya coeficientes fraccionarios: 2 NH3 + 3/2 O2 8

4

1-2-4. Dibuja un esquema como el anterior para la siguiente reacción:

N2 + 3 H2O

2 Indica qué significan los coeficientes

3 2 6

estequiométricos en la reacción del ejercicio anterior.

3 Por último, comprobamos, elemento a elemento, que el número de áto-

mos que aparece en los reactivos es el mismo que el que aparece en los productos: Elementos

Reactivos

Productos

átomos de H

4 NH3 (4 · 3 = 12)

6 H2O (6 · 2 = 12)

átomos de N

4 NH3 (4 · 1 = 4)

2 N2 (2 · 2 = 4)

átomos de O

3 O2 (3 · 2 = 6)

6 H2O (6 · 1 = 6)

3

Comprobamos. Ajusta las siguientes reacciones químicas: a) CO2 + H2O 8 H2CO3 b) NO + O2 8 NO2 c) Cr2O3 + Al 8 Al2O3 + Cr d) NO2 + H2O 8 HNO3 + NO e) C2H2 + O2 8 CO2 + H2O

125

2 VELOCIDAD DE REACCIÓN

La velocidad a la que transcurre una reacción química se define en función del tiempo que tarda en desaparecer un reactivo o en aparecer un producto.

En ocasiones, también se puede determinar por la variación de otra propiedad en el lugar donde ocurre la reacción química.

ää 2.1 Teoría de colisiones Como hemos visto, en una reacción química se rompen y se forman enlaces como resultado de las colisiones que tienen lugar entre las unidades elementales de los reactivos.

No todas las colisiones dan lugar a la ruptura o a la formación de enlaces; no todas las colisiones son efectivas. Solo lo son las que tienen energía suficiente y en las que las moléculas tienen una orientación adecuada.

ää 2.2 Factores que influyen en la velocidad

de reacción

Diversos factores influyen en la velocidad de reacción en mayor o menor medida según el estado de agregación de los reactivos. Estos son: Temperatura En las reacciones en las que intervienen sustancias en estado líquido o gaseoso, un incremento de la temperatura hace que aumente la velocidad de las unidades elementales de los reactivos. Esto causa un mayor número de colisiones con suficiente energía para que la reacción progrese.

Concentración de reactivos

Trabaja con la imagen

En reacciones que ocurren en disolución acuosa, un aumento de la concentración de los reactivos implica una mayor probabilidad de que se produzcan colisiones, aumentando así la velocidad de reacción.

Supón que el lado del cuadrado de la figura mide 1 cm. Calcula cuánto valdría la superficie disponible en los tres casos. Obtén una regla general en función del número de divisiones.

Grado de división de los reactivos En el caso de que uno de los reactivos se encuentre en estado sólido, el tamaño de las porciones de este es determinante en la velocidad del cambio químico (figura inferior).

Teoría atómica y conservación de la masa La figura explica el porqué del incremento de la velocidad de reacción que se produce en función del tamaño de las porciones del reactivo sólido.

Observa que según aumenta el grado de división del reactivo sólido, aumenta la superficie de contacto entre él y el otro reactivo (que puede ser gaseoso o líquido). El número de choques efectivos entre las moléculas de ambos reactivos será mayor y, por tanto, aumen­tará la velocidad de reacción.

126

Unidad

4

ää 2.3 Catalizadores En muchas ocasiones, para poder modificar la velocidad de una reacción química debemos variar tanto ciertos factores que no resulta rentable. En ese caso, se suelen utilizar catalizadores.

Los catalizadores son sustancias químicas que modifican la velocidad de una reacción química sin alterar la naturaleza ni de los reactivos ni de los productos.

Además de esta característica, presentan otras dos propiedades: • Son extremadamente específicos. Generalmente, para cada reacción química existe un catalizador determinado. Su presencia provoca que ocurra una reacción química en concreto, y no otra que fuera posible.

• Participan en la reacción química sin sufrir cambios permanentes. La mayoría de los catalizadores se recuperan al finalizar la reacción; por ello, no se incluyen en la ecuación química como reactivos o productos.

Enzimas como catalizadores Formadas por E N

Características

Z

Aminoácidos (combinaciones de H, C, O, N, S)

Determinan su

Estructura y su función

• Varían la velocidad de reacción.

• Son muy específicas.

• Actúan a pH y T determinadas.

I

• Sistema digestivo.

• Degradación de

M A

Biológicas

S

moléculas.

• Respiración celular.

• Transporte de energía y señales.

Aplicaciones

Industriales

• Fármacos.

• Producción de

alimentos.

• Desarrollo de biocombustibles.

Las enzimas son moléculas que actúan como catalizadores dentro de los organismos.

Su acción es muy específica; existe prácticamente una enzima para cada reacción química que se produce en el interior de un ser vivo.

En el caso de los seres humanos, su presencia es vital, pues si su efecto catalítico no se desarrolla adecuadamente, la termorregulación, la presión arterial o la formación del ADN podrían verse afectados.

La imagen muestra la estructura tridimensional de una enzima. Hay enzimas de muchos tamaños y formas.

Comprende, piensa, investiga…

4 Al mezclar una disolución de ácido sulfúrico concentra-

do con agua, siempre se ha de añadir, gota a gota, el ácido sobre el agua, y no al revés. Dado que entre ellos reaccionan violentamente, explica por qué tomamos esta precaución. ¿Con qué factor físico que afecta a la velocidad de reacción lo relacionarías?

5

Busca información sobre la lactasa y por qué algunas personas no digieren bien la leche. ¿Conoces otra enzima que si no funciona repercute en la no digestión de alimentos? ¿Cómo pueden remediarse estos hechos?

6

Folio giratorio. ¿Qué crees que ocurriría si las reacciones químicas que se producen en el interior de nuestro cuerpo no se llevaran a cabo con enzimas catalíticas?

7

Busca imágenes de enzimas de nuestro organismo.

Dibújalas en tu cuaderno y explica diferencias y semejanzas en sus formas y tamaños. ¿A qué crees que se deben?

8 ¿Por qué la carne picada se estropea antes que un trozo de carne de las mismas características que no se haya picado? ¿Con qué factor físico lo relacionas?

127

3

ää 3.1 Cantidad de sustancia

CANTIDAD DE SUSTANCIA

En una reacción química conviene conocer cuántas unidades elementales, N, de cada sustancia intervienen. Para ello, utilizamos una magnitud denominada cantidad de sustancia.

Análisis de 1 mol de H 2 O 1 mol de H2O

contiene

6,022 · 1023 moléculas

tiene una masa de

cada una tiene una masa de

18 g

18 u

de los cuales

de las cuales

16 g son de O

2 g son de H

16 u son de O

2 u son de H

La cantidad de sustancia, n, es una medida del número de unidades elementales que contiene una determinada porción de una sustancia. Su unidad en el SI es el mol.

Al ser la masa de los átomos del orden de 10–27 kg, el número de unidades elementales de 1 kg de cualquier sustancia es muy grande. Tomando como referencia la masa del isótopo de carbono-12, se establece que en un mol de sustancia hay 6,022 · 1023 unidades elementales. Este valor es constante y se conoce como número de Avogadro, NA. Un mol de una sustancia contiene el número de Avogadro de unidades elementales (NA = 6,022 · 1023 unidades elementales/mol), y es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas unidades elementales como átomos hay en 0,012 kg de carbono-12.

Así, la cantidad de sustancia, n, queda determinada por la expresión: N n= NA Masa y volumen molares La cantidad de sustancia se cuantifica de forma indirecta midiendo la masa o el volumen de una sustancia y estableciendo relaciones: • La masa molar, M, de una sustancia es la masa, m, expresada en gramos, de un mol de sustancia. Su unidad es g · mol–1, y su valor coincide con la masa molecular o de la unidad fórmula de la sustancia. m (g) n (mol) = M (g $ mol–1) • El volumen molar es el que ocupa un mol en ciertas condiciones de presión y temperatura. En condiciones normales, c. n. (273 K y 1 atm), el volumen molar de cualquier gas es, aproximadamente, de 22,4 L/mol.

Ejercicio resuelto 1 Obtén el valor de la constante de Avogadro, NA. Un mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kg de C-12, y este número coincide con el NA: NA = 6,022 · 1023 unidades elementales/mol Dado que el isótopo de C-12 tiene una masa de 12 u, esto es, de 1,9932 · 10–26 kg (1 u = 1,661 · 10-27 kg), la cantidad de isótopos de C-12 presentes en una muestra de 0,012 kg de C-12 será: N=

128

0, 012 kg –26

1, 9932 $ 10

kg/isótopo C-12

8 N - 6, 022 $ 1023 unidades = NA

Consulta la presentación sobre la magnitud cantidad de sustancia y su unidad, el mol, disponible en anayaeducacion.es.

Unidad

4

ää 3.2 Concentración molar o molaridad Muchas reacciones químicas tienen lugar en disolución acuosa, por lo que resulta conveniente expresar la concentración de reactivos y productos en concentración molar, o molaridad.

La molaridad, M, de una disolución es la cantidad de sustancia de soluto que contiene un litro de disolución. Su unidad en el SI es mol/L. Conocer este parámetro es útil para relacionar directamente el volumen de la disolución con la cantidad de sustancia que contiene, lo que nos permitirá realizar cálculos de las sustancias reaccionantes de forma rápida.

Así, la relación matemática es: nsoluto (mol) M= Vdisolución (L)

Ejercicios resueltos 2 Calcula el número de moléculas y de átomos que

contiene una muestra de 77 g de dióxido de carbono. ¿Qué volumen ocupa en condiciones normales?

Datos: M (C) = 12 g/mol; M (O) = 16 g/mol.

Primero, calculamos la masa molar del CO2: MCO2 = 12 $ 1 + 16 $ 2 = 44 g $ mol–1 A continuación, hallamos la cantidad de sustancia que corresponde a los 77 g de CO2: 77 g m n= = = 1, 75 mol M 44 g/mol Por tanto, el número de moléculas de CO2 es: 6, 022 $ 1023 moléculas 1 mol NCO2 - 1, 054 $ 1024 moléculas

NCO2 = 1, 75 mol $

En cada molécula de CO2 hay dos átomos de oxígeno y uno de carbono, luego: NC = NCO2 = 1, 054 $ 1024 átomos de carbono

3 Calcula la molaridad de una disolución de hidróxido

de sodio sabiendo que 500 mL contienen 120 g de NaOH. Datos: M (Na) = 23 g/mol; M (O) = 16 g/mol; M (H) = 1 g/mol.

En primer lugar, determinamos cuál es la masa molar del NaOH: MNaOH = 23 $ 1 + 16 $ 1 + 1 $ 1 = 40 g $ mol–1 A partir de la masa molar, calculamos la cantidad de sustancia presente: 120 g m n= = = 3 mol M 40 g $ mol–1 Expresamos el volumen de la disolución en las unidades adecuadas: Vdisolución = 500 mL = 0, 5 L Así, podemos calcular la molaridad de la disolución de hidróxido de sodio como:

NO = 2 $ NCO2 = 2, 108 $ 1024 átomos de oxígeno Así, si 1 mol de cualquier gas en c. n. ocupa 22,4 L: 22, 4 L Vm = 1, 75 mol $ = 39, 2 L 1 mol

M=

3 mol =6M 0, 5 L

Observa que expresamos la molaridad como su valor seguido de la letra M.

Comprende, piensa, investiga…

9 Calcula la masa molar del amoníaco, el cloruro de hidrógeno y el hidróxido de calcio.

10

Piensa y comparte en pareja. ¿Cuál de las sustancias de la actividad anterior contendrá mayor cantidad de sustancia en un kilogramo de masa?

11

Busca información acerca de la determinación del número de Avogadro y elabora un pequeño informe.

12 Calcula la cantidad de sustancia que hay en 250 mL de una disolución 2 M de NaOH. ¿Variará el resultado si la disolución es de Ca (OH)2?

129

4 CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS

Para poder realizar cálculos estequiométricos en una ecuación química, debemos ajustarla primero. Para ello, utilizamos los coeficientes estequiométricos, que relacionan la cantidad de sustancia, tanto de reactivos como de productos, que intervienen en ella. Observa que si multiplicamos estos coeficientes por el NA, podemos conocer el número de unidades elementales de las sustancias que intervienen.

ää 4.1 Cálculos estequiométricos masa-masa Con ellos, se calcula la masa de una de las sustancias (sustancia incógnita) que interviene en la reacción, a partir de la masa de otra de ellas (sustancia dato). Los pasos que debemos seguir se recogen en el siguiente ejemplo.

Ejercicio resuelto 4 El clorato de potasio, KClO3, se descompone en cloruro de potasio

y oxígeno. Calcula la masa de oxígeno obtenida al descomponerse 86,8 g de clorato de potasio por la acción del calor.

Datos: M (K) = 39,1 g/mol; M (Cl) = 35,5 g/mol; M (O) = 16,0 g/mol.

1 Para relacionar la cantidad de sustancia que reacciona y que se forma

de cada especie, ajustamos estequiométricamente la reacción: 2 KClO3 (s) 8 2 KCl (s) + 3 O2 (g)

2 Identificamos la sustancia dato y la sustancia incógnita:

2 KClO3 (s) 8 2 KCl (s) + 3 O2 (g)

mKClO3 = 86, 8 g

3 Calculamos las masas molares de las sustancias dato e incógnita:

MKClO3 = 122, 6 g/mol ; MO2 = 32, 0 g/mol 4 Calculamos la cantidad de la sustancia dato con su masa molar:

nKClO3 =

86, 8 g 122, 6 g $ mol–1

- 0, 708 mol

5 Calculamos la cantidad de sustancia incógnita con los coeficientes

estequiométricos:

nO2 = 0, 708 mol KClO3 $

3 mol O2 8 nO2 = 1, 062 mol O2 2 mol KClO3

6 Hallamos la masa de la sustancia incógnita con su masa molar:

mO2 = 1, 062 mol $ 32, 0 g $ mol–1 = 33, 984 g

Comprende, piensa, investiga…

13 Calcula la masa de cloruro de potasio que se obtiene en la reacción del ejemplo.

14 Calcula la cantidad de sustancia de PCl3 que se obtiene si reaccionan 426 g de Cl2 según la reacción: Cl2 + P4 8 PCl3

15 Calcula la cantidad de sustancia de P4 que es necesaria en la reacción de la actividad anterior.

130

16

Comprobamos. Se hace reaccionar carbonato de calcio con ácido clorhídrico según la siguiente reacción.

CaCO3 + 2 HCl 8 CaCl2 + H2O + CO2 Calcula la masa de cloruro de calcio que se obtiene a partir de 350 g de carbonato de calcio.

17 ¿Qué volumen de ácido clorhídrico se necesita en la reacción anterior suponiendo condiciones normales?

Recuerda cómo realizar el ajuste de una ecuación química trabajando con la simulación que te ofrecemos en anayaeducacion.es.

Unidad

4

ää 4.2 Cálculos con reactivos en disolución Como ya hemos indicado, muchas reacciones químicas tienen lugar en disolución acuosa en las que el agua actúa como disolvente. Para aquellas sustancias, tanto reactivos como productos, que intervienen en la reacción y que están en disolución, este hecho se indica haciendo acompañar en la ecuación química a las sustancias de la abreviatura (aq).

Sin embargo, el agua, en ocasiones, participa en la reacción como reactivo o como producto. Veamos un ejemplo en el siguiente ejercicio resuelto para entenderlo mejor.

Ejercicio resuelto 5 Calcula el volumen de una disolución de ácido clor-

hídrico 0,2 M necesario para que reaccionen completamente 250 mL de una disolución de hidróxido de calcio 0,1 M. Los productos de esta reacción química son cloruro de calcio y agua.

Al igual que en el ejercicio resuelto de la página anterior, seguiremos esta secuencia de pasos: 1 Partiremos de la ecuación química ajustada e iden-

En nuestro caso: nCa (OH) 2 = 0, 1 M $ 0, 250 L = 0, 025 mol 4 A continuación, calculamos la cantidad de sustancia

incógnita correspondiente a partir de los coeficientes estequiométricos: 2 HCl 1 mol Ca (OH) 2 nHCl = 0, 050 molHCl

nHCl = 0, 025 mol Ca (OH) 2 $

tificamos la sustancia dato y la sustancia incógnita: 2 HCl (aq) + Ca (OH) 2 (aq) 8 2 H2O + CaCl2 (aq)

Observa que el agua es, además del disolvente, un producto de la reacción.

2 Escribimos los datos del enunciado junto con la

ecuación química:

2 HCl (aq) + Ca (OH) 2 (aq) 8 2 H2O + CaCl2 (aq) ¿VHCl? ;

VCa (OH) 2 = 250 mL = 0, 250 L

3 Calculamos la cantidad de sustancia dato a partir de

la definición de molaridad: M=

n (mol) V (L)

8 n (mol) = M $ V (L)

5 Por último, calculamos el volumen de la disolución

incógnita a partir de la definición de molaridad: M=

n (mol) V (L)

8 V (L) =

n (mol) M

En nuestro caso, los datos de que disponemos son los siguientes: nHCl = 0,050 mol

;

M = 0,2 mol/L

Por tanto, el volumen necesario de ácido clorhídrico para que reaccionen completamente los 250 mL de la disolución del enunciado será:

V (L) =

0, 050 (mol) –1

0, 2 mol $ L

= 0, 250 L = 250 mL

Comprende, piensa, investiga…

18 Calcula el volumen necesario de una disolución de ácido clorhídrico 2,5 M para que reaccionen 0,2 mol de cinc según esta reacción: 2 HCl + Zn 8 ZnCl2 + H2

19

Infórmate sobre otras formas de expresar la concentración de una disolución. ¿Qué ventaja tiene usar la molaridad frente a otras para realizar cálculos estequiométricos?

20 ¿Qué volumen de una disolución 2 M de una sustancia

A será necesario para hacer reaccionar completamente 3 mL de otra disolución 2 M de una sustancia B si los coeficientes estequiométricos de A y B son iguales?

21 Calcula el volumen de disolución de ácido clorhídrico del ejercicio resuelto de esta página si la concentración de este reactivo fuera 0,1 M. ¿Cuál es la relación entre ambos resultados?

131

4 CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS

ää 4.3 Cálculos de reacciones entre gases La cantidad de sustancia de un gas se puede relacionar con el volumen que ocupa si conocemos sus condiciones de presión y temperatura. La ecuación que relaciona estas magnitudes, considerando el gas ideal, es: p $V =n $R $T

donde p es la presión; V, el volumen; n, la cantidad de sustancia; T, la temperatura, y R, la constante de los gases ideales, cuyo valor depende de las unidades en que esté expresada. Habitualmente utilizamos este valor: atm $ L R = 0, 082 K $ mol Según la ley de Avogadro, dos sustancias gaseosas en las mismas condiciones de presión y temperatura ocupan el mismo volumen. Por tanto: Las relaciones entre los coeficientes estequiométricos, en reacciones entre gases, son las mismas que entre los volúmenes de gas, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura.

Ejercicio resuelto 6 Demuestra que la relación entre los volúmenes de

los gases de esta reacción química es la misma que la que obtenemos entre los coeficientes estequiométricos, si se miden en las mismas condiciones de presión y temperatura.

2 N2 (g) + 3 H2 (g) 8 2 NH3 (g)

La relación entre los coeficientes estequiométricos es: 2 mol de N2 reaccionan con 3 mol de H2 para obtener 2 mol de NH3. Supongamos que las condiciones de presión y temperatura son p y T.

Los volúmenes se calcularían con la ecuación: n $R $T V= p Utilizando la relación estequiométrica tenemos: R $T R $T R $T VN2 = 2 $ p ; VH2 = 3 $ p ; VNH3 = 2 $ p Como (R · T/p) no varía, se puede concluir que 2 L de N2 reaccionan con 3 L de H2 para producir 2 L de NH3, obser­vándose la misma relación que entre los coeficientes estequiométricos.

Comprende, piensa, investiga…

22 Calcula la cantidad de gas metano que hay en un reci-

piente de 3 litros si p = 1,2 atm y T = 27 °C. Si enfriamos el recipiente hasta los 10 °C, ¿cuál será el nuevo valor de la presión?

26 Calcula el volumen de CO2 desprendido en c. n. en cada caso, al quemarse: a) 5 mol de propano. b) 3 mol de butano.

23 Calcula el volumen de hidrógeno (H2), medido a 25 °C

y 0,98 atm, que se desprende cuando una muestra de 41,4 g de sodio reacciona con agua, como se representa en la ecuación química siguiente: 2 Na (s) + 2 H2O 8 2 NaOH (aq) + H2 (g)

24

Comprueba que el valor de la constante de los gases ideales, expresado en unidades del SI, es de 8,31 J · K–1 · mol–1.

25 Comprueba que un mol de cualquier gas medido en

c. n. (273 K y 1 atm) ocupa un volumen aproximadamente igual a 22,4 L.

132

c) 2 mol de metano.

27

Intuyo y deduzco. A partir de las reacciones de combustión de los cuatro primeros alcanos, indica el volumen y la masa de CO2 que se desprende al quemarse un litro de cada uno de ellos, medido en c. n.

CH4 +2 O2 8 CO2 + 2 H2O C2H6 +

7 O 8 2 CO2 + 3 H4O 2 4

C3H8 + 5 O2 8 3 CO2 + 4 H2O C4H10 +

13 O2 8 4 CO2 + 5 H2O 2

5

Unidad

4

ää 5.1 Reacciones endotérmicas y exotérmicas

LA ENERGÍA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

Cuando tiene lugar una reacción química, al igual que sucede en otros procesos, se intercambia energía entre el sistema sobre el que se está produciendo el cambio y sus alrededores.

Este tipo de energía que se transforma durante una reacción química se denomina energía química.

La energía química es la que está asociada con los enlaces químicos y las atracciones intermoleculares.

La energía química del conjunto de las sustancias que reaccionan se modifica, pues se rompen unos enlaces para formar otros nuevos, dando lugar a los productos.

Podemos tener dos situaciones diferentes, una en la que a los reactivos les corresponda mayor energía que a los productos de la reacción, y la contraria.

En el primer caso se tratará de una reacción exotérmica y en el segundo de una reacción endotérmica.

Podemos cuantificar la energía química de un cambio químico a partir de la variación de la energía de los reactivos y de los productos: DE = Eproductos – Ereactivos El signo de la variación de energía para una reacción endotérmica será positivo, mientras que, por el contrario, para una reacción exotérmica el signo de la variación de energía será negativo.

Existen reacciones químicas muy exotérmicas; por ejemplo, las combustiones. En ellas se libera energía química mediante calor.

Por el contrario, algunas reacciones químicas absorben energía del ambiente, enfriándolo; son las reacciones endotérmicas.

Tipos de reacciones Reacciones exotérmicas

Reacciones endotérmicas

E

E

PRODUCTOS

REACTIVOS

PRODUCTOS AVANCE DE LA REACCIÓN

En una reacción exotérmica, la energía de los reactivos es mayor que la de los productos, siendo por este motivo negativa la variación de energía de la reacción.

REACTIVOS AVANCE DE LA REACCIÓN

Sin embargo, en una reacción endotérmica, la energía de los reactivos es menor que la de los productos, haciendo que la variación de la energía de la reacción sea positiva.

133

ää 5.2 Diagramas de energía y catalizadores

5 LA ENERGÍA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

En los diagramas de energía que mostramos en la página anterior, solo se informa sobre la energía de los estados inicial y final de una reacción química. Sin embargo, la evolución del sistema durante la reacción es más compleja. Recuerda que no todos los choques entre las moléculas de reactivos son efectivos, pues no todos tienen la orientación y la energía suficiente.

Durante el transcurso de una reacción química se alcanza un estado de transición energético entre los reactivos y los productos con una energía mayor que la de ambos. En este punto se forma el complejo activado.

Independientemente de si la reacción es endotérmica o exotérmica, en toda reacción química se pasa por este estado de energía.

Energía de activación. Catalizadores E

Reacción sin catalizar Energía de activación sin catalizador, Ea

REACTIVOS

Energía de activación con catalizador, Ea' Reacción catalizada

PRODUCTOS AVANCE DE LA REACCIÓN

Comprende, piensa, investiga…

28 Si tocamos un vaso en el que está ocurriendo una reacción endotérmica, ¿qué sensación tendremos?

29

Busca ejemplos de reacciones exotérmicas y endotérmicas y cita sus aplicaciones en productos cotidianos.

30 ¿Qué puedes decir de una reacción química, si Qr = –287,9 kJ/mol? ¿Y si fuera de signo contrario?

31

Folio giratorio. La presencia de un catalizador, ¿altera el valor de Qr?

32 Dibuja un esquema en el que representes las situaciones de intercambio de energía tanto en reacciones endotérmicas como exotérmicas.

134

La diferencia de energía entre los reactivos y la del estado de transición se denomina energía de activación.

Esta energía supone una barrera que solo será rebasada por las moléculas de reactivo que tengan suficiente energía y choquen de forma efectiva.

Cuando esta energía es muy alta, y los reactivos no pueden superarla, se utilizan catalizadores. Estas sustancias disminuyen la energía de activación y proporcionan una ruta energética más favorable, haciendo de este modo que los reactivos puedan transformarse en los productos.

ää 5.3 Intercambio de energía. Calores

de reacción

Un intercambio de energía entre un sistema y sus alrededores, o entre dos sistemas, se puede producir mediante calor o trabajo. Al ocurrir una reacción química, se produce una variación de la energía del sistema que reacciona. La medimos con la energía de reacción, o calor de reacción.

El calor de reacción, Qr , es la energía intercambiada en forma de calor entre un sistema en el que ocurre una reacción química y sus alrededores.

El calor de reacción nos permitirá diferenciar entre una reacción endotérmica y una exotérmica. Para ello, definimos previamente un criterio de signos: • Reacciones endotérmicas. Al producirse estas reacciones la energía del sistema aumenta. El intercambio de energía mediante calor ocurre desde los alrededores hacia el sistema; el calor de reacción DE es positivo.

• Reacciones exotérmicas. Al darse estas reacciones, la energía del sistema disminuye. El intercambio de energía mediante calor ocurre desde el sistema hacia los alrededores; el calor de reacción es negativo.

Unidad

4

ää 5.4 Ecuaciones termoquímicas Llamamos ecuación termoquímica a aquella que nos informa no solo de cuáles son las sustancias que intervienen en una reacción química, sino también de sus estados de agregación y de qué cantidad de energía se pone en juego. El valor del calor de reacción que aparece en una ecuación termoquímica depende de: • El estado de agregación de reactivos y productos, pues un cambio de estado implica una variación de energía.

Proyecto de investigación Una vez estudiados los contenidos de esta unidad, estás en condiciones de continuar el proyecto de investigación, realizando la actividad 4.

• La cantidad de sustancia que reaccione, por lo que hay que fijarse en los valores de los coeficientes estequiométricos que se hayan utilizado.

Por ejemplo, la siguiente ecuación termoquímica nos informa de que en la combustión de un mol de butano gaseoso, C4H10, se liberan 2 877 kJ si obtenemos CO2 en estado gaseoso y agua líquida: 13 O2 (g ) 8 4 CO2 (g ) + 5 H2O (l ) Qr = –2 877 kJ 2 Para las reacciones de combustión, como la del ejemplo, el calor de reacción se denomina calor de combustión y está referido a un mol del combustible.

C4H10 (g ) +

En ocasiones, podemos encontrar el calor de reacción integrado dentro de la ecuación química; estará sumado a los reactivos, si se trata de una reacción endotérmica, o a los productos si es exotérmica.

En el apartado «Itinerarios Académicos y Profesionales» de tu banco de recursos encontrarás información sobre los grados superiores relacionados con el desarrollo de energías renovables.

Ejercicio resuelto 7 Calcula la cantidad de energía que se libera al hacer reaccionar un kilogramo de butano y la que se desprende cuando reacciona un kilogramo de metano. Datos: Qr (CH4) = –890 kJ/mol; Qr (C4H10) = –2 877 kJ/mol; M (C) = 12 g/mol, M (H) = 1 g/mol.

Los calores de combustión vienen referidos a un mol de combustible. Por tanto, debemos calcular la cantidad de sustancia de cada uno de ellos sumado a los reactivos.

Previamente, necesitamos conocer las masas molares, que calcularemos a partir de las fórmulas moleculares: MCH4 = 12 $ 1 + 1 $ 4 = 16 g/mol

Calculamos la cantidad de sustancia de cada uno de los combustibles: 1 000 g nCH4 = = 62, 5 mol 16 g/mol nC4H10 =

1 000 g - 17, 2 mol 58 g/mol

Y por último, el calor desprendido por cada uno de ellos en su combustión: 890 kJ Qc (CH4) = 62, 5 mol $ - 5, 56 $ 104 kJ 1 mol Qc (C4H10) = 17, 2 mol $

MC4H10 = 12 $ 4 + 1 $ 10 = 58 g/mol

2 877 kJ - 4, 95 $ 104 kJ 1 mol

Comprende, piensa, investiga…

33

Razona si una reacción es endotérmica o exotérmica si el calor de reacción en su ecuación termoquímica es de signo positivo sumado en los reactivos.

34 Calcula la energía necesaria para la formación de 75 g de monóxido de nitrógeno según la reacción:

N2 (g) + O2 (g) + 181 kJ 8 2 NO (g)

35

Mesa redonda. El calor de combustión del ácido benzoico es –26,42 kJ/g: a) ¿Es una reacción endotérmica o exotérmica? b) ¿Qué cantidad de energía en forma de calor se desprende en la combustión de 3 mol de ácido benzoico (C7H6O2)?

135

nes para la

Orientacio

resolución de

probleMAs

cómo resolver un ejercicio de estequiometría EJEMPLO 1

Una muestra de aluminio puro se hace reaccionar con 150 mL de una disolución de ácido clorhídrico (HCl) de concentración 5 M. Se forma cloruro de aluminio (AlCl3) y se desprende hidrógeno gaseoso (H2). ¿Qué masa tenía la muestra de aluminio? ¿Qué volumen de hidrógeno se ha desprendido si se mide en c. n.? Datos: M (Al) = 27g/mol.

PASOS 1

2

3

4

136

RESOLUCIÓN

ENTIENDE EL ENUNCIADO Y EXTRAE DATOS Busca el significado de los términos que no entiendas y que consideres relevantes. Tras una segunda lectura, extrae los datos que se proporcionan e identifica qué se pide. Recuerda expresar las magnitudes con su símbolo e intenta utilizar subíndices para las distintas sustancias.

• El enunciado describe una reacción química.

REALIZA UN DIBUJO DE LA SITUACIÓN Se trata de un problema de estequiometría, pues nos dan datos de sustancias que reaccionan. Debemos escribir la ecuación química ajustada, junto con los datos y las masas molares de las sustancias.

La ecuación química ajustada es:

• Diferenciamos entre los tipos de datos: – Sustancia dato: ácido clorhídrico: VHCl = 150 mL; 5 M = 5 mol/L –S ustancias incógnita: mAl y VH2 en c.n.

2 Al (s) + 6 HCl (aq) 8 2 AlCl3 (aq) + 3 H2 (g) mAl V = 150 mL MAl = 27 g/mol

VH2 , c. n.

5M

Por tanto, 2 mol de Al se combinan con 6 mol de HCl y dan 2 mol de AlCl3 y 3 mol de H2.

IDENTIFICA LAS LEYES FÍSICAS QUE INTERVIENEN • Masa molar, cantidad de sustancia y masa: m (g) n (mol) = M • Ley de los gases ideales, P · V = n · R · T, si hay reactivos o productos gaseosos.

• Definición de molaridad: n (mol) M= V (L) • Definición de calor de reacción.

En este caso, debemos seguir esta secuencia:

OBTÉN EL RESULTADO Y ANALIZA SU VALIDEZ • Realiza los cálculos que sean necesarios para llevar a cabo tu estrategia de resolución del problema y recuerda mantener coherencia en las unidades de las magnitudes implicadas.

• Analiza el resultado y coméntalo si es necesario.

Calculamos la cantidad de HCl: mol nHCl = 5 $ 0, 15 L = 0, 75 mol L Con este valor, hallamos la cantidad de Al y H2: 2 mol Al nAl = 0, 75 mol HCl $ = 0, 25 mol 6 mol HCl 3 mol H2 nH2 = 0, 75 mol HCl $ = 0, 375 mol 6 mol HCl Calculamos la masa de Al y el volumen de H2: mAl = 0, 25 mol $ 27 g/mol = 6, 75 g atm $ L 0, 375 mol $ 0, 082 $ 273 K K $ mol VH2 = - 8, 39 L 1 atm

1. Calcular la cantidad de sustancia dato: n (mol) = M · V (L) 2. A partir de la relación estequiométrica, se calcula la cantidad de sustancia de cada compuesto incógnita.

3. Calcular la masa y el volumen de las sustancias incógnita a partir de la masa molar y de la ecuación de los gases, respectivamente.

Unidad

4

EJEMPLO 2 Calcula la energía que se desprende en forma de calor cuando reaccionan 440 g de propano con la cantidad suficiente de oxígeno. Dato: Qr = –2 218,8 kJ/mol.

RESOLUCIÓN • El enunciado describe una reacción exotérmica y la energía liberada en forma de calor.

• Datos que extraemos: – Sustancia dato: propano, C3H8: mC3H8 = 440 g – Calor de reacción: Qr = –2 218,8 kJ/mol

Comprende, piensa, investiga…

36 Calcula la masa de cloruro de aluminio que se ha formado a partir de la reacción química del primer ejemplo resuelto. Dato: M (Cl) = 35,5 g/mol.

37 Calcula el volumen de hidrógeno desprendido del

primer ejemplo resuelto si se mide a 25 °C. ¿Será mayor o menor que el del ejemplo?

38 Calcula la cantidad de oxígeno necesaria para la

combustión completa de la cantidad de propano del segundo ejemplo.

39

Lápices al centro. El hidruro de calcio reacciona con agua según la siguiente reacción química: CaH2 (s) + H20 (l ) 8 Ca(OH)2 (s) + H2 (g)

La ecuación química ajustada es: C3H8 + 5 O2 8 3 CO2 + 4 H2O Qr = –2 218,8 kJ MC3 H8 = 44 g/mol Lo que significa que en la combustión de un mol de propano se liberan 2 218,8 kJ.

En este caso, debemos seguir esta secuencia: 1. Calcular la cantidad de sustancia dato: m (g) n (mol) = M 2. Calcular la energía liberada en forma de calor a partir de la ecuación termoquímica.

a) Ajusta la ecuación química. b) Calcula la cantidad de hidruro de calcio que reaccionarán con 3,6 mol de agua. c) Calcula la masa de hidróxido de calcio que se forma con la misma cantidad de agua. d) ¿Qué volumen de hidrógeno, medido a 300 K y 1,2 atm, se desprende a partir del agua que reacciona?

Datos: M (Ca) = 40 g/mol; M (O) = 16 g/mol; M (H) = 1 g/mol.

40 ¿Qué energía se desprende cuando reaccionan 330 g

de C2H4O2 con la cantidad suficiente de oxígeno? Si la reacción se diera en c. n., ¿qué volumen de CO2 se formaría? ¿Y de agua? Qc = –875,4 kJ/mol.

Datos: M (C) = 12 g/mol; M (O) = 16 g/mol; M (H) = 1 g/mol.

41 Una muestra de hierro se mezcla con 200 mL de áci-

Calculamos la cantidad de C3H8, dividiendo por la masa molar (M ), que podemos expresar como: 440 g nC3H8 = = 10 mol 44 g/mol Calculamos la energía liberada: (–2 218,8 kJ) Energía = 10 mol C3H8 $ = –22 188 kJ 1mol C3H8 Expresamos el resultado con signo negativo para indicar que se trata de energía liberada.

do sulfúrico, H2SO4, de concentración 3,5 M. En esta reacción se forman: hidrógeno en estado gaseoso y sulfato de hierro (II). ¿Qué masa tenía la muestra de hierro? ¿Qué volumen de hidrógeno se desprende medido a 30 °C y 0,95 atm?

Datos: M (Fe) = 55,8 g/mol; M (S) = 32 g/mol; M (O) = 16 g/mol; M (H) = 1 g/mol.

42 Una de las formas de obtener hidrógeno es el reformado del metano:

CH4 + H2O 8 CO + H2 a) Ajusta la ecuación química. b) Calcula el volumen de metano, medido a 100 ºC y 1 atm, necesario para producir 150 m3 de hidrógeno medido en las mismas condiciones. c) ¿Cuántos moles de CO se producirían?

137

TIC

simulaciones sobre reacciones químicas INTERPRETAMOS ECUACIONES QUÍMICAS

En esta primera página te mostramos dos herramientas que te servirán para practicar el ajuste de reacciones químicas y para comprender cómo es la proporción de las sustancias que reaccionan teniendo en cuenta la can-

AJUSTANDO REACCIONES QUÍMICAS Utilizaremos una aplicación disponible en la web de Anaya. Esta aplicación tiene dos partes: Introducción y Juego.

• En esta aplicación se trata de una forma visual e intuitiva el ajuste de reacciones químicas llevando la cuenta de forma inmediata del número de átomos de cada elemento presentes en los reactivos y en los productos. Para empezar, utiliza la parte Introducción; activa en la esquina superior derecha la herramienta que te permite visualizar la balanza de elementos.

tidad de productos y reactivos que nos encontramos al finalizar la reacción. Esto nos ayudará a comprender claramente en los próximos cursos el concepto de reactivo limitante.

REACTIVOS, PRODUCTOS Y SOBRANTES Utilizaremos ahora una aplicación complementaria a la anterior, que puedes descargar en https:// phet.colorado.edu/es/simulation/reactants-products-and-leftovers.

Parte de un ejemplo de estequiometría 2:1; la fabricación de un sándwich que requiere de 2 rebanadas de pan y 1 loncha de queso.

Aunque te parezca muy simple, esta es la idea que vamos a utilizar para predecir qué reactivo sobra.

• Observa que el número de moléculas, o unidades fundamentales, que permite usar esta aplicación debe ser un número entero.

• Utiliza ahora el Juego para ajustar ecuaciones en nivel de dificultad creciente. Si no realizas bien alguno de los ejercicios, la aplicación te da la opción de averiguar por qué y hacer un nuevo intento, como mostramos en la figura siguiente.

Comprende, piensa, investiga…

1 Explica por qué el último coeficiente que se debe ajustar es el que corresponde a sustancias elementales o sustancias simples.

2 Del mismo modo que cuando tenemos cuatro rebaUna vez que hemos trabajado con esta aplicación, demos un paso más allá y veamos qué ocurre en una situación en la que las unidades fundamentales de los reactivos no se encuentran en proporción estequiométrica; es decir, que de uno de ellos sobrará cierta cantidad.

138

nadas de pan y una sola loncha de queso, este ingrediente «limita» la preparación de dos bocadillos (solo se puede hacer uno), en estequiometría se utiliza el concepto de «reactivo limitante», que estudiarás en profundidad en cursos posteriores. Si tomamos como ejemplo la reacción de formación del amoníaco y tenemos dos mol de nitrógeno (N2) y tres de hidrógeno (H2), ¿cuál es el reactivo limitante?

Unidad

4

SIMULACIONES SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN En esta unidad hemos estudiado los diferentes factores que afectan a la velocidad de una reacción química.

Utilizaremos un simulador de reacciones químicas para observar cómo es el efecto de la temperatura, de la concentración de reactivo y un catalizador.

La simulación tiene tres partes: Colisión única, muchas colisiones y experimentos de velocidad de reacción. En los tres casos se trata una reacción reversible, es decir, que una vez que se forman los productos de reacción, estos interaccionan entre sí dando lugar de nuevo a los reactivos.

Existen muchas reacciones químicas en las que esta situación tiene lugar. Decimos entonces que se ha alcanzado el equilibrio químico.

COLISIÓN ÚNICA En esta parte de la simulación puedes observar el efecto que tienen la orientación relativa de las dos moléculas de reactivo y la energía de la colisión.

Para observar cómo la orientación relativa hace que la colisión sea, o no, efectiva debes seleccionar en las opciones del lanzador (esquina superior derecha) tiro oblicuo y lanzar la molécula de reactivo con energía suficiente.

Ahora utilizaremos una aplicación disponible en: https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/reactions-and-rates.

Para poder trabajar con ella, deberás descargártela y ejecutarla haciendo uso de Java.

EXPERIMENTOS DE VELOCIDAD DE REACCIÓN Aquí, la aplicación permite variar el número de moléculas de los reactivos. En la parte derecha tenemos las opciones para controlar el experimento: • Selección de la reacción. Podemos utilizar una de las reacciones, o bien diseñar una, basándonos en el diagrama de energía. Son editables los valores de energía de reactivos y productos, para tener reacciones endotérmicas o exotérmicas, y el valor de la energía de activación, que nos permitirá simular la presencia de un catalizador.

• Número de moléculas al inicio. Nos permite variar el número de moléculas de reactivos y productos al inicio de la reacción.

• Temperatura inicial.

• Opciones de gráficos. El gráfico de barras da una idea de las cantidades de reactivos y productos presentes y el denominado gráfico de cinta, sobre el avance de la reacción.

Comprende, piensa, investiga…

1 Realiza experimentos con una sola colisión variando la

energía y el ángulo de lanzamiento. Extrae conclusiones de la probabilidad de que se produzca una colisión efectiva y los factores de los que depende.

2 Haz un experimento de velocidad de reacción con la El efecto de la energía de colisión se puede observar haciendo tiros, ampliando más o menos el ángulo del lanzador. Observa que si la energía del tiro es inferior a la energía de activación de la reacción no obtendrás una colisión efectiva. Para visualizar el diagrama de energía de la reacción, debes activar la opción gráfico de energía.

primera reacción ofrecida variando la cantidad de moléculas de los reactivos. Activa el cronómetro y el diagrama de evolución de la reacción para ver el tiempo que tarda esta en estabilizarse. Recoge tus resultados en una tabla y extrae conclusiones sobre la influencia de la concentración de reactivos. ¿Por qué decimos que el equilibrio químico es dinámico?

3 Realiza la misma experiencia variando ahora la temperatura. Extrae conclusiones.

139

IAS

C TALLER DE CIEN

REACCIÓN DE OXIDACIÓN DEL HIERRO

Ciencia RECREATIVA INTRODUCCIÓN Una de las reacciones químicas que más se emplea como ejemplo es la oxidación del hierro, puesto que en circunstancias de pH neutro se forma un precipitado de óxido de hierro(III) hidratado (herrumbre), de llamativo color pardo rojizo, lo que permite observar el cambio químico por cambio de color.

Te proponemos una experiencia en la que se actúe sobre algunos de los factores que influyen en la velocidad del proceso de oxidación. Para llevarla a cabo necesitas: clavos de hierro, agua fuerte (o salfumán, que es una disolución de ácido clorhídrico de venta en droguerías), agua, cloruro de sodio (sal común), vinagre, aceite, hidróxido de sodio, cuatro recipientes de gran superficie y poca profundidad.

Vamos a realizar una serie de experimentos para observar de forma cualitativa cómo el ambiente químico (pH y presencia de sales) afecta a la oxidación de los clavos de hierro.

Clavos de hierro oxidados.

Para poder comparar los resultados necesitamos un experimento de referencia, blanco, que haremos con agua hervida, para eliminar parte del oxígeno disuelto.

EXPERIMENTO

PREPARACIÓN DE LOS RECIPIENTES • Recipiente 1: un clavo + agua hervida.

• Recipiente 2: un clavo + una disolución de cloruro de sodio.

Agua hervida (BLANCO)

• Recipiente 3: un clavo + una disolución de ácido clorhídrico.

• Recipiente 4: un clavo + vinagre.

• Recipiente 5: un clavo +agua y aceite.

Disolución de NaCl (Ambiente marino)

Disolución de HCl o vinagre (pH ácido)

Agua y aceite (Ambiente aislado)

Con estos experimentos reproducimos en parte el ambiente químico que hay en las zonas costeras, en situaciones de pH ácido y en lugares más secos.

OBSERVACIÓN TRAS 24 HORAS La oxidación en el recipiente 2 da como resultado la formación de óxido de hierro(III) que queda suspendido en el agua en forma de precipitado coloidal. ¿Observas ese precipitado pardo rojizo en el resto de los recipientes? Si no es así, no tiene por qué indicar que no se ha oxidado el hierro, sino que el óxido de hierro(III) ha quedado disuelto, pues en medio ácido no precipita.

Para comprobar si hay o no oxidación añade unas gotas de disolución de hidróxido de sodio; si se forma el precipitado es que se había producido antes la oxidación.

Después de haber realizado esta actividad, ¿cuál es tu opinión acerca de limpiar los restos de herrumbre con ácido clorhídrico?

140

Unidad

trabajo práctico FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN PROCEDIMIENTO Medidas de seguridad En ambas reacciones se observará el desprendimiento de gases. Utiliza gafas de seguridad para evitar proyecciones.

Experiencia 1.

Grado de división de un reactivo sólido • Coloca en un tubo de ensayo una masa conocida de caliza pulverizada, y en otro la misma masa de mármol troceado. Añade agua a cada tubo hasta sumergir el trozo de mármol, y obtener una suspensión, en el caso de la caliza pulverizada.

• Coloca en otros dos tubos de ensayo una cantidad de la disolución de ácido clorhídrico, la misma en los dos.

• Con cautela, añade las disoluciones de ácido clorhídrico sobre los tubos de ensayo con los trozos de mármol y con la caliza pulverizada. Anota lo que ocurre.

4

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Analizar el efecto que tienen el grado de división de un reactivo sólido, la concentración y la presencia de catalizadores sobre la velocidad de reacción.

Para ello, te proponemos que realices experimentos con estas dos reacciones químicas: Reacción 1: CaCO3 (s) + 2 HCl (aq) 8 CaCl2 + CO2 (g) + H2O Reacción 2: Zn (s) + H2SO4 (aq) 8 ZnSO4 + H2 (g) TU PROPUESTA Diseña una práctica para comprobar cualitativamente cómo afectan la concentración y el grado de división del reactivo sólido a la velocidad de reacción de la primera, y la presencia de un catalizador en la segunda.

NUESTRA PROPUESTA En ambas reacciones se desprende un gas. Por tanto, la velocidad de burbujeo del gas puede dar una idea de la velocidad de reacción.

Solo debe variar el factor estudiado en cada caso.

MATERIAL • Caliza pulverizada • Trozos de mármol • Disolución de ácido clorhídrico • Virutas de cobre y de cinc • Disolución de ácido sulfúrico diluido • Tubos de ensayo • Gradilla • Matraz aforado • Agua destilada.

Experiencia 2.

Concentración de un reactivo • A partir de la disolución de ácido clorhídrico de partida prepara otras dos más diluidas hasta que su concentración sea la mitad que la inicial.

• Procede de modo análogo a lo realizado en la experiencia 1, pero solo con la muestra de mármol en agua destilada. Realiza tres veces la experiencia, una para la disolución de ácido clorhídrico inicial, y las otras dos para las diluidas.

Experiencia 3.

Presencia de un catalizador • En un tubo de ensayo pon unas virutas de cinc y cúbrelas con una disolución de ácido sulfúrico diluida. Observa y anota lo que ocurre.

• En otro tubo de ensayo pon, junto con las virutas de cinc, otras de cobre y añade la misma cantidad de ácido sulfúrico diluido. Observa y anota lo que sucede.

Extrae conclusiones...

1 Elabora una tabla en la que recojas las condiciones de cada experiencia junto con las observaciones que hayas realizado y extrae conclusiones.

2 A partir de la experiencia 3, experimenta añadiendo solo el catalizador, el cobre y el ácido. ¿Qué observas?

3 ¿Obtendríamos resultados análogos a la experiencia

3 si en vez de utilizar cobre usáramos un compuesto como el sulfato de cobre? ¿Podríamos decir que el sulfato de cobre cataliza la reacción? Explica tu respuesta.

141

material leccionar el folio.

Recuerda se para tu port ad id un ta es de jo ba tra de

O AP TRABAJA CON L

RENDIDO

ORGANIZO MI MENTE

Mapa conceptual sistémico

1 Explica, rotulando tus propios dibujos, los factores que afectan a la velocidad de reacción y la diferencia entre una reacción endotérmica y una exotérmica.

2 Completa el esquema conceptual inferior con los contenidos que has estudiado en esta unidad, además de los señalados con las letras A, B, C, D y E.

Una reacción química

está formada por

se expresa mediante su C

productos

A

que nos informa sobre cuyos enlaces se rompen

B

D

estado de agregación de los componentes

energía de reacción

E

Los cambios químicos 1

3

b) P4 + O2 8 P2O3

químicos que ocurren en tu día a día, de los que seas consciente.

Cu

+

Cu

O O

c) MgI2 + Mn(SO3)2 8 MgSO3 + MnI4 d) C3H6O + O2 8 CO2 + H2O e) SeCl6 + O2 8 SeO2 + Cl2

4 Comprueba que se cumple la ley de conservación de la masa en las reacciones químicas anteriores considerando la masa de los átomos que forman las sustancias presentes en estas.

5

Fe C

Comprobamos. Ajusta estas ecuaciones:

a) MgCl2 + Li2CO3 8 MgCO3 + LiCl

Asamblea de ideas. Enumera cinco cambios

2 Escribe en cada caso la ecuación química que representa cada uno de estos cambios químicos, descritos a nivel molecular:

negativa

1-2-4. A partir de la información del enunciado, indica qué enlaces se rompen y se forman en estos cambios químicos:

+

+ +

CH4

CO2

2 O2

+

+ N2

142

2 H2O

3 H2

2 NH3

Recuerda que dispones de las soluciones de todas las actividades numéricas en anayaeducacion.es.

Unidad

13 Completa la tabla para 20 mol de agua:

Velocidad de reacción 6

Cantidad de sustancia/ mol

Explica cómo afecta la concentración de los

reactivos a la velocidad de reacción, utilizando para ello la teoría de las colisiones.

7 Medimos la concentración de una sustancia en una reacción química y obtenemos los datos: Tiempo/s

Concentración/(mol/L)

0

2,32

400

1,72

800

1,3

1 200

0,98

1 600

0,73

2 000

0,54

2 400

0,39

2 800

0,28

a) ¿Se trata de un reactivo o de un producto? b) Representa los datos de concentración frente al tiempo. La pendiente del gráfico en cada punto es una medida de la velocidad de reacción. ¿Aumenta o disminuye la velocidad de reacción según avanza la reacción? Explica tu observación.

8 Explica cómo afecta la temperatura a la velocidad de una reacción química según la teoría cinética.

9

4

Explica cuáles son las ventajas de utilizar catalizadores en reacciones que requieran de condiciones extremas de presión y/o temperatura.

Cantidad de sustancia 10 Indica si estas afirmaciones son verdaderas o falsas:

H2O

Átomos o moléculas

Masa/g

Masa molar/ (g/mol)

20

18

H

1

O

16

14 Escribe la fórmula y calcula las masas molares de estas sustancias con los datos de masas atómicas promedio que se recogen en la tabla periódica. a) Cloruro de calcio. e) Dicloro. b) Plata. f) Tricloruro de aluminio. c) Trióxido de dihierro. g) Ácido sulfhídrico. d) Ozono. h) Ácido sulfúrico.

15 Calcula la molaridad de estas disoluciones con las masas atómicas promedio de la tabla periódica. a) 200 g de hidróxido de sodio en un volumen total de 500 mL. b) 20 g de nitrato de sodio en agua hasta completar un volumen de 250 mL. c) Una disolución de ácido nítrico en agua cuya densidad es 1,12 g/cm3 y riqueza (% en masa) del 80 %. d) Una disolución preparada a partir de 200 mL de una disolución 2 M de ácido clorhídrico y agua hasta completar un volumen de 500 mL. 16 Calcula la cantidad de sustancia de ácido clorhídrico que presenta la disolución del apartado (d) del ejercicio anterior y la que había antes de que se llevara a cabo el proceso de dilución; ¿qué observas?

17 Se ha medido la concentración de una disolución con un procedimiento de análisis, obteniéndose:

a) En un mol de agua hay el mismo número de moléculas que en un mol de butano.

Medida

Concentración/(mol/L)

b) En un mol de agua hay el mismo número de átomos de hidrógeno que en un mol de butano.

1

0,012

2

0,015

c) En un mol de agua hay un mol de átomos de oxígeno y dos mol de átomos de hidrógeno.

3

0,017

4

0,020

d) En un mol de agua hay 1,8066 · 1024 átomos.

5

0,023

e) En un mol de agua hay 1,8066 · 1024 moléculas.

6

0,014

11 Indica cuántos átomos hay en 360 g de cobre.

12 Calcula el número de átomos de hidrógeno que contienen unas muestras de un gramo de amoníaco, cloruro de hidrógeno e hidróxido de calcio. ¿Qué masa de hidrógeno contiene cada una de las muestras? anayaeducacion.es Consulta los apartados «Para estudiar» y «Aprende jugando» en el banco de recursos.

Expresa la concentración media, junto con su error absoluto.

18 Calcula la molaridad de una disolución de 70 g de cloruro de amonio en 500 mL de disolución. ¿Cuántos átomos de H contiene?

143

O AP TRABAJA CON L

RENDIDO

Cálculos estequiométricos 19 El carbonato de calcio se descompone por la acción del calor en óxido de calcio y dióxido de carbono. a) Escribe la ecuación química ajustada. b) Calcula cuánto dióxido de carbono se forma si reaccionan 150 g de carbonato de calcio.

20 El hidróxido de litio reacciona con bromuro de hidrógeno para dar bromuro de litio y agua. a) Escribe la ecuación química ajustada. b) Calcula la cantidad de bromuro de hidrógeno que es necesaria para que reaccionen 5 mol de hidróxido de litio. c) ¿A qué masa corresponden los resultados obtenidos en el apartado anterior? d) Calcula la masa de productos que se obtiene a partir de los 5 mol de hidróxido de litio. e) Verifica, con los datos del ejercicio, que se cumple la ley de conservación de la masa.

24 Los metales reaccionan con los ácidos liberando hidrógeno. a) Escribe la reacción del cinc y el ácido clorhídrico. b) ¿Qué volumen de ácido clorhídrico 3 M es necesario para que reaccionen 60 g de Zn? c) Calcula el volumen de hidrógeno que se desprenderá si lo medimos a 1 atm y 298 K. d) Calcula las masas de todas las sustancias implicadas en esta reacción y verifica que se cumple la ley de conservación de masa.

La energía en las reacciones químicas 25

siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) La energía asociada a los enlaces químicos y a las fuerzas intermoleculares es energía cinética. b) La variación de energía que se produce en una reacción endotérmica es positiva. c) La energía de activación es la diferencia de energía entre los reactivos y los productos de una reacción química.

21 Se tienen 250 mL de una disolución de ácido sulfúrico 3 M. Calcula el volumen de disolución de hidróxido de sodio 1,5 M necesario para que reaccione por completo la disolución de ácido sulfúrico.

d) El calor de reacción siempre es positivo. e) Todas las reacciones necesitan superar una barrera de energía para iniciarse.

22 El blanco litopón o blanco de bario (ZnS + BaSO4) es un pigmento que se utiliza en acuarelas y que se prepara por precipitación de sales solubles a partir de sus disoluciones, según esta reacción química: BaS (aq) + ZnSO4 (aq) 8 ZnS (s) + BaSO4 (s)

f) La energía del complejo activado es mayor que la energía de los reactivos y que la de los productos.

26

Estado de transición

Energía libre

b) Calcula la masa de litopón que se obtiene cuando se hacen reaccionar 300 mL de una disolución de sulfato de cinc 0,2 M con la cantidad suficiente de una disolución 0,3 M de sulfuro de bario. c) Calcula el volumen de la disolución de sulfuro de bario que ha sido necesario. d) Busca información acerca del motivo por el cual no se puede utilizar este pigmento en pinturas al óleo.

144

Interpretación compartida. Indica en el dia-

grama cuál es la representación de la reacción catalizada. ¿Se trata de una reacción endotérmica o exotérmica?

a) Nombra todos los compuestos que aparecen en esta reacción química. ¿Cuáles son los reactivos y cuáles los productos?

23 Calcula el volumen de amoníaco, medido a 68 °C y 704 mmHg, que se obtiene si reaccionan 27,4 L de nitrógeno, medidos en las mismas condiciones, con el suficiente hidrógeno según la reacción:

¿Qué te hace decir eso? Explica por qué las

Progreso de reacción

27

Piensa y comparte en pareja. Escribe el calor

de reacción a partir de esta información:

N2 (g) + 3 H2 (g) 8 2 NH3 (l )

a) N2 (g) + O2 (g) + 181 kJ 8 2 NO (g)

¿Qué cantidad de hidrógeno sería necesaria para que se produjera la reacción?

b) C (s) + O2 (g) 8 CO2 (g) + 393,5 kJ ¿Son reacciones endotérmicas o exotérmicas?

Unidad

28 Se ha medido el calor de combustión de un combustible y se han obtenido los siguientes datos: Medida

Calor combustión/ (kJ/mol)

Medida

Calor combustión/ (kJ/mol)

1

–2 190,3

4

–2 144,6

2

–2 202,7

5

–2 210,1

3

–2 180,5

6

–2 165,2

30 A partir de los datos de la actividad anterior, calcula el calor que se desprende al reaccionar 71 g de HCl (g) según la reacción del apartado d).

31 El calor de combustión de algunos hidrocarburos saturados es el que se muestra en la tabla: PC/(kJ/mol)

Calcula el calor de combustión y su error absoluto.

29 A partir de estas ecuaciones termoquímicas: a) CH3OH (g) 8 CH2O (g) + H2 (g) Qr = 54,5 kJ b) C2H6 (g) + 7/2 O2 (g) 8 2 CO2 + 3 H2O (l) Qr = –3 119,6 kJ c) CO (g) + H2 (g) 8 CH2O (g) Qr = 21,3 kJ/mol d) HCl (g) + NH3 (g) 8 NH4Cl (g) Qr = –1 75,9 kJ ¿Cuáles son endotérmicas y cuáles exotérmicas?

4

Metano

879

Propano

2 192

Butano

2 850

Octano

5 438

Hexadecano

10 663

a) Calcula la cantidad de dióxido de carbono desprendido en la combustión de un mol de cada hidrocarburo. b) Calcula la energía en forma de calor que se libera en la combustión de un mol de cada hidrocarburo y realiza un gráfico en el que compares la cantidad de dióxido emitido con la energía liberada. ¿Qué observas?

Química cotidiana: calor portátil Hoy en día, el consumo de comidas y bebidas en cualquier lugar y momento es un hecho cotidiano. Nos hemos acostumbrado a disponer de forma casi inmediata de productos listos para consumir. Incluso podemos calentarlos o enfriarlos antes de consumirlos. Es el caso de las bedidas autoenfriables o autocalentables.

En una bebida autocalentable, el envase está provisto de un depósito que, sin estar en contacto directo con la bebida, es la zona donde tiene lugar la reacción exotérmica.

El punto clave del diseño del envase es hacer que la reacción comience cuando se vaya a consumir la bebida, y que el intercambio de calor entre el compartimento donde tiene lugar la reacción y el que contiene la bebida que se ha de calentar sea suficiente para poder consumir la bebida a la temperatura óptima.

En el momento de tomar la bebida, el consumidor ha de romper la separación que existe entre los compartimentos que contienen los reactivos, haciendo de este modo que comience la reacción exotérmica que calentará su bebida y permitirá que esta esté lista para su consumo.

CHOCOLATE

Tapa Bebida CaO Lámina de aluminio Agua Cazoleta con pistón

En la web • Busca información sobre el diseño de los envases para bebidas autocalentables. Haz un esquema e indica en qué compartimento se halla la bebida y en cuál los reactivos de la reacción exotérmica.

• ¿Podríamos utilizar una reacción endotérmica para tener frío instantáneo? Busca información sobre la reacción entre el nitrato de amonio y el agua.

Actividad • Organizad, en grupos, una exposición de carteles en la que informéis al resto de la clase de tu centro educativo sobre el fundamento del enfriamiento y el calentamiento instantáneos en productos como compresas de frío o bebidas autocalentables.

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