Física y Química 4º ESO Andalucía PD

DEMO

4 ESO

FÍSICA Y QUÍMICA J. M . V í l chez, A. M .ª M o r al es , G. Vil l al o b o s , P. T o n d a, L . Gar r i d o

propuesta didáctica

SUMA

piezaS

3

SUMA

piezaS

. e j a z i d n e r p a u y construye t Un proyecto sustentado en el aprendizaje competencial y en el desarrollo de compromisos del alumnado con la realidad de su tiempo

Suma Piezas propone un nuevo enfoque competencial, con el máximo rigor curricular y una secuenciación de contenidos coherente y coordinada entre todas las áreas a lo largo de la etapa. Favorece la competencia en comunicación lingüística, primordial para acceder al conocimiento que permite comprender el mundo que nos rodea y desarrollar habilidades de convivencia.

De manera flexible, Suma Piezas brinda la posibilidad de incorporar metodologías activas, utilizar estrategias cooperativas y de pensamiento, fomentar las habilidades personales y sociales para la gestión de las emociones y el desarrollo del emprendimiento y atender la orientación académica y profesional, apostando por la igualdad y la inclusión. Y todo ello, dentro del marco de los Objetivos de Desarrollo Sostenible, que han de ser nuestro horizonte en los próximos años.

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LAS CLAVES DEL PROYECTO ODS

Compromiso ods Los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) establecen el marco a partir del cual articular aprendizajes competenciales que refuercen en el alumnado su preparación hacia una ciudadanía comprometida.

Plan Lingüístico Contribuye al desarrollo de habilidades orales y escritas y al aprendizaje de los diferentes aspectos relacionados con el uso del lenguaje.

Desarrollo del pensamiento Las estrategias de pensamiento fomentan la competencia de aprender a aprender; contribuyen a que el alumnado tome conciencia de sus procesos mentales y a que actúe de forma reflexiva y crítica.

Aprendizaje cooperativo La aplicación de técnicas cooperativas favorece el aprendizaje e incrementa la participación y el sentido de responsabilidad del alumnado para generar capacidades de comunicación y cooperación.

Educación emocional Proporciona al alumnado pautas para la gestión emocional de sus situaciones de aprendizaje diarias, ayudándoles a que, a nivel intrapersonal, identifiquen y reconozcan las emociones, las regulen y las gestionen; y a nivel interpersonal, adquieran habilidades de relación con las personas.

Cultura emprendedora Promueve las distintas habilidades de emprendimiento en sus tres dimensiones, personal, social y productiva, de manera transversal en todas las áreas a través de una secuencia progresiva de actividades a lo largo de toda la etapa.

TIC Integra el uso de las TIC como recurso para obtener información, seleccionarla y utilizarla con una finalidad concreta, desarrollar la ciudadanía digital y las competencias de planificación, gestión y elaboración de trabajos, pasando a tener un uso para el aprendizaje y el conocimiento (TAC).

Orientación académica y profesional Facilita el desarrollo de habilidades que le ayudarán a conocerse a sí mismo, a entender el entorno y a tomar decisiones académicas y profesionales que le permitan entrar en el mercado laboral y prosperar en él.

Evaluación Incorpora estrategias que permiten al alumnado participar en la evaluación de su aprendizaje analizando «qué ha aprendido» y «cómo ha aprendido», acompañando su análisis con el uso del portfolio y de otros instrumentos que faciliten una valoración objetiva.

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nuestro proyecto para el área Los libros del alumnado Los libros presentan los contenidos y las actividades ajustados al desarrollo curricular de nuestra comunidad. Bajo una metodología competencial, permiten responder de una manera creativa e innovadora a nuestro compromiso con los Objetivos de Desarrollo Sostenible y posibilitan el crecimiento de las habilidades y las aptitudes que exige nuestra sociedad, cada vez más diversa.

Los libros se acompañan de la obra Dualfocus, especialmente diseñada para que el alumnado pueda acercarse a los contenidos del área en inglés.

EL PROYECTO DIGITAL para el profesorado La web www.anayaeducacion.es La web del profesorado es una herramienta que facilita y enriquece la labor docente. Con ella, podrá adaptar los contenidos a las necesidades de los estudiantes a través de recursos adicionales o reforzar aspectos didácticos que considere relevantes: • Programación, propuesta didáctica y documentación del proyecto.

•D iversidad e inclusión, para atender a la diversidad de motivaciones, inte­reses, ritmos y estilos de aprendizaje del alumnado. Ofrece: - Recursos teóricos para la adaptación curricular.

- Fichas de ejercitación.

- Fichas de profundización y para el desarrollo de competencias.

- Tareas, talleres y otros recursos.

• La evaluación, pilar fundamental del proyecto, presenta: - Herramienta digital para evaluar: aplicación que permite conocer el grado de adquisición de las competencias clave respecto a los criterios de evaluación y los estándares de aprendizaje evaluables del currículo de Andalucía.

- Generador digital de pruebas de evaluación por contenidos y estándares de aprendizaje.

- Pruebas y registros de evaluación prediseñados.

- Documentación específica.

- Fondo de herramientas de evaluación.

- Herramienta digital de entrenamiento de pruebas externas.

• Banco de recursos, con una gran variedad de recursos digitales tales como: Qué debes saber • Para estudiar • Aprende jugando • Laboratorios virtuales y simulaciones • Vídeos • Presentaciones • Autoevaluaciones • Soluciones.

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las Propuestas didácticas para el profesorado Una propuesta didáctica para cada libro del alumnado en castellano con las soluciones de las actividades, orientaciones metodológicas, sugerencias para aplicar las claves del proyecto, etc.

2

Para cada epígrafe, los criterios de evaluación y los estándares de aprendizaje.

Las soluciones y orientaciones de los Dualfocus se encuentran recogidas en la web.

el libro digital Los libros de todos los cursos disponen de una versión digital. Podrá descargar el libro completo o por unidades, con todos sus recursos o en su versión ligera (sin los recursos digitales más pesados), lo que posibilita su uso en condiciones offline y online. Los recursos de cada unidad se agrupan por tipologías y permiten un acceso directo al banco de recursos de la web y a la propuesta didáctica.

¿y para el al umnado?

Banco de recurs

os en www.a nayaeduc acion.es • Recurso con: s relacio n ados con del proye las clave cto. s • Recurso s destaca dos de la • Recurso materia. s para ca da unida d.

Libro dig ital Una vers ión digit al del lib que pod ro de te rán desc xto a rgar com unidades; p leto o p con todo or s sus rec descarga ursos o u ligera (sin n a los recurs más pesa os digitale dos). s

índice Suma Piezas y las claves del proyecto Nuestro proyecto para el área

Unidades La actividad científica

1. El átomo y el sistema periódico 2. Enlace químico y fuerzas intermoleculares 3. Los compuestos del carbono 4. Reacciones químicas: fundamentos 5. Algunas reacciones químicas de interés 6. Cinemática 7. Leyes de Newton 8. Fuerzas en el universo

9. Fuerzas en fluidos. Presión 10. Energía mecánica y trabajo 11. Energía térmica y calor Criterios de evaluación y estándares de aprendizaje del currículo de Andalucía

9

4

reacciones químicas: fundamento

ää Presentación de la unidad El tercer bloque de contenidos del currículo dedicado a los cambios se trata en la presente unidad y en la siguiente. En esta primera unidad, abordamos los aspectos fundamentales de las reacciones químicas que corresponden a los cinco primeros criterios de evaluación del currículo y sus correspondientes estándares de aprendizaje.

Los contenidos de este bloque son continuación de los iniciados en el primer ciclo de la ESO, pero su enfoque es aquí menos fenomenológico y más cuantitativo. Se establecen las bases del cálculo estequiométrico, contenido fundamental de la materia química, se tratan aspectos cualitativos de cinética química y se aborda, por primera vez, la relación entre reacciones químicas y energía. Este último aspecto se profundizará en el primer curso de bachillerato.

ää Recursos y materiales Para el tratamiento de la unidad, además del libro del alumnado y la propuesta didáctica, le serán de utilidad los recursos digitales disponibles en la web de Anaya, simulaciones de reacciones químicas, material de laboratorio y medios informáticos de consulta.

ää Sugerencias generales Ideas previas y dificultades de aprendizaje Aunque el estudio de las reacciones químicas se inició en el primer ciclo de la ESO, es probable que algunas de las ideas previas sean erróneas y que las dificultades de comprensión de los fenómenos implicados persistan al inicio de esta unidad. Una de las principales dificultades puede ser la no asimilación de que en una reacción química se conservan determinadas partículas (átomos), pero no otras (moléculas o iones), lo que, unido a la percepción de una disminución de masa cuando se desprende un gas, puede dificultar la comprensión de la conservación de la masa.

Además, en este curso se introduce el concepto de cantidad de sustancia y su unidad, el mol, que presenta grandes dificultades de comprensión, pues los alumnos y las alumnas tienden a confundirlo con la masa, y de manejo, al relacionarlo con las unidades fundamentales a las que se refiere, debido a la propia magnitud del número de Avogadro.

Tareas relacionadas Recomendamos realizar la primera parte de la primera tarea del apartado de TIC al finalizar el epígrafe 1, y la segunda parte, dedicada a reactivos, productos y sobrantes, al finalizar el epígrafe 4. La segunda tarea del apartado TIC se llevará a cabo una vez se termine la unidad.

Una vez terminada la unidad, el alumnado es capaz de continuar el proyecto de investigación, «Una tierra sin hierro», propuesto en la unidad inicial.

Además, puede ser de gran utilidad acudir al laboratorio del centro escolar e intentar reproducir algunas prácticas de laboratorio para afianzar los contenidos relacionados con las evidencias físicas de reacción y los factores que afectan a la velocidad de reacción.

Educación en valores En esta unidad recomendamos el trabajo colaborativo y reparto de tareas en el trabajo práctico y en las actividades TIC. Además, sugerimos realizar pequeñas coevaluaciones a lo largo de ella para fomentar el espíritu autocrítico y el respeto por el trabajo de los demás.

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CC: competencias clave, CCL: comunicación lingüística, CMCT: competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología, CD: competencia digital, CAA: aprender a aprender, CSYC: competencias sociales y cívicas, SIEP: sentido de iniciativa y espíritu emprendedor y CEC: conciencia y expresiones culturales.

Contenidos y competencias Contenidos de la unidad

Competencias clave

Página inicial • Introducción • Compromiso ODS • Cuando el milagro pasó a ser ciencia

CCL CMCT CD CAA

Cambios químicos • Conceptos básicos • Teoría atómica de las reacciones químicas • Expresión de una reacción química: la ecuación química

CCL CMCT CD CAA

Velocidad de reacción • Teoría de colisiones • Factores que influyen en la velocidad de reacción • Catalizadores

CCL CMCT

Cantidad de sustancia • Cantidad de sustancia • Concentración molar o molaridad

CCL, CMCT CD, CAA CSYC

Cálculos estequiométricos • Cálculos estequiométricos masa-masa • Cálculos con reactivos en disolución • Cálculos de reacciones entre gases

CCL CMCT CD CAA

La energía en las reacciones químicas • Reacciones endotérmicas y exotérmicas • Diagramas de energía y catalizadores • Intercambio de energía.

Calores de reacción • Ecuaciones termoquímicas

CCL CMCT CD CAA

Resolución de problemas • Cómo resolver un ejercicio de estequiometría

CCL CMCT CAA

TIC • Simulaciones sobre reacciones químicas Taller de ciencias • Reacción de oxidación del hierro • Factores que afectan a la velocidad de reacción

CCL, CMCT CD, CAA CSYC, SIEP

Trabaja con lo aprendido • Organizo mi mente • Los cambios químicos • Velocidad de reacción • Cantidad de sustancia • Cálculos estequiométricos • La energía en las reacciones químicas • Química cotidiana: calor portátil

CCL CMCT CD CAA CSYC SIEP

Compromiso ODS Le recomendamos que sugiera al alumnado visualizar los vídeos explicativos de las metas relacionadas con los Objetivos de Desarrollo Sostenible disponibles en anayaeducacion.es y buscar información sobre dichos objetivos, antes de responder a las cuestiones propuestas.

TIC

piezas clave Compromiso ODS • Metas 3.9, 6.3, 12.4, 12.8, 13.3, 14.1, 15

El apartado «Qué necesitas saber» recoge los conceptos que nuestro alumnado debería conocer antes de iniciar la unidad.

Aprendizaje cooperativo Sugerimos recomendar al alumnado el recurso «Rompecabezas»,disponible en anayaeducacion.es, para conocer las bases para aplicar esta técnica de aprendizaje cooperativo y utilizarla en la resolución de la actividad 1.

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Plan Lingüístico • Destreza: escribir (texto argumentativo)

reacciones químicas: fundamentos Cuando el milagro pasó a ser ciencia

Desarrollo del pensamiento Técnicas: • Piensa y comparte en pareja • Intuyo y deduzco • ¿Qué te hace decir eso?

Organizo mi mente: • Mapa conceptual sistémico

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?

LOS Recursos en la web DE ESTA UNIDAD VÍDEOS

Objetivos de Desarrollo Sostenible.

PRESENTACIÓN

Qué necesitas saber.

DOCUMENTO

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

PRESENTACIÓN

La cantidad de sustancia.

DOCUMENTO

Cómo aplicar la técnica: «Intuyo y deduzco».

DOCUMENTO

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.

Textos argumentativos.

DOCUMENTO

Cómo aplicar la técnica: «Lápices al centro».

DOCUME

NTOS

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

DOCUMENTO

Organizador gráfico: «Mapa conceptual sistémico».

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

Aprendizaje cooperativo • Rompecabezas • 1-2-4 • Comprobamos • Folio giratorio • Mesa redonda • Lápices al centro • Asamblea de ideas • Interpretación compartida

Cultura emprendedora • Creatividad y creación (dimensión personal)

TIC • Simulaciones: «Ajuste de ecuaciones químicas».

• Vídeo: «Cambios químicos».

• Presentaciones: «Cantidad de sustancia y el mol», «Qué necesitas saber» y «Para estudiar».

• Actividades lúdicas: «Aprende jugando».

• Y además: Actividades interactivas, vídeos y presentaciones para repasar y ampliar los contenidos.

REACCIONES QUÍMICAS: FUNDAMENTOS DOCUMENTO

Cuando el milagro pasó a ser ciencia

1 Cambios químicos

2 Velocidad de reacción

3 Cantidad de sustancia

4 Cálculos estequiométricos

5

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

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 Taller de ciencias Reacción de oxidación del hierro Factores que afectan a la velocidad de reacción Trabaja con lo aprendido

Y ADEMÁS… Soluciones de todas

DOCUMENTO

Consejos para elaborar tu portfolio.

«Para estudiar» y «Aprende jugando».

las actividades numéricas

Página inicial CE.3.2. (EA.3.2.1.) CE.3.4. (EA.3.4.1.)

Cuando el milagro pasó a ser ciencia Los estándares de aprendizaje que corresponden a este bloque temático, dedicado a los cambios, son variados. Además, en este curso se produce un avance significativo en los contenidos de este bloque. El alumnado tendrá que ser capaz de asimilar nuevos conceptos que serán clave si continúa el estudio de la materia en cursos superiores, como la idea de cantidad de sustancia o de calor de reacción. Por ello, destacamos que, debido al tipo de contenidos de esta unidad, fundamentalmente de procedimiento, el alumnado puede percibir que estén lejos de su realidad, y que no le resultarán útiles. Por tanto, se ha procurado que los enunciados de algunas actividades se refieran a situaciones cotidianas y comunes.

Por otro lado, la unidad termina con la relación entre energía y reacciones químicas. El currículo explicita que se utilice el criterio del calor de reacción para diferenciar reacciones endotérmicas y exotérmicas. En este punto del curso no se ha abordado todavía, por ello, sugerimos anticipar algunos de los conceptos como son las diferencias entre calor, temperatura y energía térmica.

Compromiso ODS Se recomienda responder en grupo a las preguntas de este apartado, en agrupamientos de no más de tres estudiantes para que los tiempos de discusión no sean grandes, permitiendo así una adecuada puesta en común de conclusiones con toda la clase.

1 Esta actividad pretende que el alumnado conozca en qué consiste el Mildiu

y los efectos nocivos de los fungicidas sobre el medio ambiente y la salud humana. Se recomienda dividir la actividad en dos búsquedas de acuerdo con la técnica sugerida.

2 Apoyándose en la búsqueda de información anterior, deberán: (1) reflexionar Orientación profesional • Buscar y analizar información

Evaluación • Trabaja con lo aprendido • Elaboración del portfolio

sobre las metas de los ODS relacionadas con la problemática planteada, algunas de estas metas pueden ser la 3.9, 6.3, 12.4, 12.8, 13.3, 14.1 o 15.1; (2) justificar la necesidad de cumplir estas metas; y (3) diseñar la infografía con la información requerida. Se recomiendan las herramientas web gratuitas Canva, Visual.ly o Infogram para el diseño de la infografía.

Los recursos en la web de esta unidad En este apartado se muestran los contenidos que se van a abordar en la unidad en forma de esquema, así como la relación de recursos digitales disponibles en la web del alumnado y que se recomiendan consultar en cada paso de la unidad.

De esta forma, se puede utilizar el esquema para ofrecer a los estudiantes la estructura general de los contenidos, con el fin de que les resulte más fácil integrarlos en el marco de sus conocimientos.

11

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.

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

Sugerencias metodológicas

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 Utilizaremos como ejemplo la reacción entre el amoníaco y el oxígeno molecular, 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: Intercambio de energía.

Cambio de color.

NH3 + O2 8 N2 + H2O

Cambio de estado.

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:

ä 1.2 Teoría atómica de las reacciones químicas

2.1 Ajustamos, primero, los coeficientes de las sustancias no elementales:

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.

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

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

1

2 NH3 + 3/2 O2 8

O2

2 NO2

3

2

6

estequiométricos en la reacción del ejercicio anterior.

Elementos

Reactivos

Productos 6 H2O (6 · 2 = 12)

átomos de H

4 NH3 (4 · 3 = 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

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

124

Esta primera doble página aborda contenidos que ya se han visto en el primer ciclo de la ESO. Pretendemos que el alumnado repase algunas de las ideas y procedimientos fundamentales que le serán necesarios para esta unidad.

CH4 + 2 O2 8 CO2 + 2 H2O

2 Indica qué significan los coeficientes

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

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

1-2-4. Dibuja un esquema como el anterior para la siguiente reacción: ¿Cuántos y cuáles son los enlaces que se han roto y cuántos y cuáles son los que se han formado?

N2 + 3 H2O

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

En la ilustración de la izquierda, se representa la reacción de oxidación del monóxido de nitrógeno para dar dióxido de nitrógeno.

+

2 NO

Comprende, piensa, investiga…

También, podemos multiplicar por dos la ecuación química para que no haya coeficientes fraccionarios:

4

+

N2 + 3 H2O

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

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.

Cambios químicos CE.3.1. (EA.3.1.1.)

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.

125

TIC Proponemos consultar el vídeo sobre las evidencias de un cambio químico en anayaeducacion.es, considerándolo un buen punto de partida para la unidad.

Se recuerda que en la web de alumnado se pueden consultar las soluciones de todas las actividades numéricas propuestas a lo largo de la unidad.

Aprendizaje cooperativo Las actividades 1 y 3 se pueden llevar a cabo mediante las técnicas de trabajo cooperativo «1-2-4» y «Comprobamos» respectivamente, que favorecerán la aparición de distintas ideas y su puesta en común en el grupo hará que se elija la más idónea como respuesta.

En primer lugar, ponemos de manifiesto que un cambio químico suele llevar asociado un cambio en una propiedad física del sistema. Sugerimos retomar esta idea al comenzar el epígrafe 2, dedicado a la velocidad de reacción, para indicar que la velocidad de reacción se puede medir como la variación de una propiedad física del sistema, como se indica en el texto.

La teoría atómica de las reacciones químicas ya ha sido abordada en el primer ciclo de la ESO. Se trata de hacer un repaso de uno de los aspectos fundamentales: ruptura y formación de enlaces, que implica una reordenación de átomos de la que se puede deducir la ley de conservación de la masa.

En la segunda página se repasa el ajuste de las ecuaciones químicas. Destacamos que el significado que damos aquí a la ecuación química es un significado a nivel atómico, pues nos referimos a la proporción de entidades elementales. El significado macroscópico y cuantitativo de la ecuación química, referido a la proporción de la cantidad de sustancia de cada reactante, se aborda una vez visto el significado de esta magnitud química.

Recomendamos utilizar aquí la primera de las aplicaciones a las que se refiere el apartado TIC de esta unidad, «Ajuste de reacciones químicas». Esta aplicación se puede abordar desde un enfoque de juego en el aula o como trabajo en casa, como veremos más adelante en el apartado que le dedicamos.

En el ejemplo del cuadro de la página 125 se ha utilizado una reacción que admite un ajuste con números fraccionarios para los coeficientes estequiométricos, de modo que el alumnado pueda ver las dos opciones que puede utilizar. Recomendamos que se utilicen números enteros a la hora de abordar los cálculos estequiométricos, porque permiten una identificación más sencilla de las proporciones de reactantes.

Soluciones Trabaja con la imagen (página de la izquierda) Los enlaces que se rompen son los de los que forman reactivos; el enlace del nitrógeno con el oxígeno en el caso del NO, y el del oxígeno con el oxígeno, en la molécula de O2. Los enlaces que se forman son los que unen un átomo de nitrógeno con dos de oxígeno, para obtener el NO2 como producto.

Comprende, piensa, investiga…

1 El esquema pedido es:

CH4

CO2

+

+

2 O2

2 H2O

Se rompen dos enlaces O–O y cuatro enlaces C–H. Se forman dos enlaces C–O y cuatro enlaces O–H.

2 Los coeficientes estequiométricos indican el número de moléculas de cada reactivo y producto

que intervienen en la reacción; en este caso, una molécula de metano, dos de oxígeno, una de dióxido de carbono y dos de agua.

3 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario.

2 VELOCIDAD DE REACCIÓN

Unidad

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.

ä 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.

ä 2.2 Factores que influyen en la velocidad de reacción

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.

Formadas por

Trabaja con la imagen

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.

126

12

N

Características

Z

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

I A

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.

S

Estructura y su función

• Sistema digestivo.

• Degradación de Biológicas

moléculas.

• Respiración celular.

• Transporte de energía y señales.

Aplicaciones

Grado de división de los reactivos Industriales

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).

Determinan su

• Varían la velocidad de reacción.

• Son muy específicas.

• Actúan a pH y T determinadas.

M

Concentración de reactivos

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.

Sugerencias metodológicas

• 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

E

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.

CE.3.2. (EA.3.2.1.)

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.

Temperatura

Teoría atómica y conservación de la masa

Velocidad de reacción

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.

Diversos factores influyen en la velocidad de reacción en mayor o menor medida según el estado de agregación de los reactivos. Estos son:

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.

4

ä 2.3 Catalizadores

• 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

Este epígrafe se ha dedicado al estudio fenomenológico de la velocidad de reacción. Se trata de abordar los contenidos relativos al estándar de aprendizaje 2.1 del bloque 3: La materia. Lo relacionado con el siguiente estándar, 2.2, que hace referencia a experiencias de laboratorio o aplicaciones virtuales interactivas, se trata en el trabajo práctico y en la tarea «Simulaciones sobre la velocidad de reacción» del apartado TIC. Recomendamos realizar el trabajo práctico y esta tarea TIC al finalizar el estudio y las actividades de este epígrafe.

Comenzamos este epígrafe definiendo la velocidad de reacción química de forma cualitativa, dejando el cálculo y la expresión de la velocidad de reacción como derivada de la concentración de reactivos respecto del tiempo para posteriores etapas, en las que se aborde de forma cuantitativa el estudio de la cinética química.

2

Unidad

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 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.

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

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.

ä 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.

ä 2.2 Factores que influyen en la velocidad de reacción

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

Diversos factores influyen en la velocidad de reacción en mayor o menor medida según el estado de agregación de los reactivos. Estos son:

Formadas por

Temperatura

Trabaja con la imagen

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

E

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.

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.

4

ä 2.3 Catalizadores

N

Características

Z

A

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.

S

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.

Estructura y su función

• Sistema digestivo.

• Degradación de

M

Concentración de reactivos

Determinan su

• Varían la velocidad de reacción.

• Son muy específicas.

• Actúan a pH y T determinadas.

I

Biológicas

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.

moléculas.

• Respiración celular.

• Transporte de energía y señales.

Aplicaciones

Grado de división de los reactivos Industriales

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).

• Fármacos.

• Producción de

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

alimentos.

• Desarrollo de biocombustibles.

Comprende, piensa, investiga…

Teoría atómica y conservación de la masa

4 Al mezclar una disolución de ácido sulfúrico concentra-

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.

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?

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.

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?

126

127

Aprendizaje cooperativo La actividad 6 se puede llevar a cabo mediante la técnica de trabajo cooperativo «Folio giratorio», que favorecerá la aparición de distintas ideas y su puesta en común en el grupo hará que se elija la más idónea como respuesta

El estudio de los factores que afectan a la velocidad de reacción se inició en el primer ciclo de la ESO. En ese momento, solo se abordó el efecto que tienen la concentración de los reactivos y la temperatura sobre la velocidad de reacción desde un punto de vista empírico y fenomenológico. En este curso se da un paso más allá, y se incluyen el grado de división de los reactivos sólidos y el efecto de los catalizadores. Además, se pide que el alumnado sea capaz de relacionar estos efectos con la teoría de colisiones y el modelo cinético-molecular de la materia.

Por ello, en el texto se menciona la velocidad de las entidades elementales, para relacionarlo con la teoría cinético-molecular, y la probabilidad de colisiones para hacerlo con la teoría de colisiones, que se expone casi al principio del epígrafe.

En relación con los catalizadores se aportan varias ideas generales, sin entrar en detalle, pues en esta etapa el alumnado solo debe conocer su existencia. A modo de ejemplo, se puede explicar que la oxidación del hierro con el oxígeno atmosférico solo se produce en presencia de agua; así esta sustancia, el agua, es un catalizador de la reacción de oxidación.

Incluimos una descripción sobre las enzimas porque pretendemos conseguir que el alumnado relacione los contenidos que aprende en otras materias con los de esta. Uno de los objetivos que se persigue con estos ejemplos, es dar un enfoque holístico a la ciencia, huyendo de esquemas que la compartimentalicen, desvirtuando así su propio carácter integrador.

TIC Se proponen actividades de búsqueda de información en Internet, prestando atención a hacerlo siempre en sitios web fiables.

Soluciones Trabaja con la imagen En el cuadro «Teoría atómica y conservación de la masa» no se aprecia bien el porqué del aumento de superficie, y con ello, de la velocidad de reacción. Tenemos que recordar que un cubo, al ser una figura con volumen, al dividirlo se obtienen más cubos de los que aparecen representados en esta imagen.

Es decir, si se divide el lado del cubo en dos partes iguales, se obtienen 8 cubos, el doble de los que aparecen en la imagen. Y si fuera en tres partes iguales, serían 27 cubos, tres veces más de los que vemos representados. Así, el área total en cada caso será: – Caso 1: A T = ( 1 · 1 ) · 6 · 1 = 6 cm2 – Caso 2: A T = ( 1/2 · 1/2 ) · 6 · 8 = 12 cm2 – Caso 3: A T = ( 1/3 · 1/3 ) · 6 · 27 = 18 cm2 Por tanto, una regla general para esto puede ser: A T = ( l/n )2 · 6 · n3 = 6 · l · n Siendo l la medida del lado del cubo de partida y n el número de divisiones iguales que se quieren hacer.

Puede proponerse que, con esta fórmula, se recalculen estos ejemplos y que lo hagan, también, para otras divisiones del cubo, y ver si se cumple de forma general.

Comprende, piensa, investiga…

4 a 8 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.

3

Unidad

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

16 g son de O

2 g son de H

de las cuales

16 u son de O

2 u son de H

ä 3.1 Cantidad de sustancia

ä 3.2 Concentración molar o molaridad

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

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 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.

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.

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.

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=

0, 012 kg 1, 9932 $ 10–26 kg/isótopo C-12

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

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 = = 3 mol n= M 40 g $ mol–1

6, 022 $ 1023 moléculas NCO2 = 1, 75 mol $ 1 mol NCO2 - 1, 054 $ 1024 moléculas

Expresamos el volumen de la disolución en las unidades adecuadas: Vdisolución = 500 mL = 0, 5 L

En cada molécula de CO2 hay dos átomos de oxígeno y uno de carbono, luego:

Así, podemos calcular la molaridad de la disolución de hidróxido de sodio como:

NC = NCO2 = 1, 054 $ 1024 átomos de carbono

8 N - 6, 022 $ 1023 unidades = NA

M=

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

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?

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

128

3 Calcula la molaridad de una disolución de hidróxido

Por tanto, el número de moléculas de CO2 es:

11

Cantidad de sustancia CE.3.4. (EA.3.4.1.)

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)

NO = 2 $ NCO2 = 2, 108 $ 1024 átomos de oxígeno

Ejercicio resuelto

4

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

TIC Proponemos consultar el vídeo sobre la magnitud cantidad de sustancia y su unidad, el mol, en anayaeducacion.es, considerándolo aclaratorio en este punto de la unidad.

Se proponen actividades de búsqueda de información en Internet, prestando atención a hacerlo siempre en sitios web fiables.

Desarrollo del pensamiento En la actividad 10 recomendamos al profesorado utilizar la técnica de pensamiento «Piensa y comparte en pareja» cuya descripción se puede consultar en anayaeducacion.es.

Sugerencias metodológicas La comprensión del significado de la magnitud cantidad de materia y la de su unidad, el mol, es quizás uno de los aspectos que conlleva más dificultades en este bloque dedicado a la química.

El currículo indica que el alumnado debe reconocer esta magnitud como magnitud fundamental (criterio de evaluación 4 del bloque 3: Los cambios) y debe realizar cálculos que relacionen la cantidad de sustancia con la masa atómica o molecular, y la constante de Avogadro (estándar de aprendizaje 4.1 del bloque 3: Los cambios). Sin embargo, no se alude a la comprensión del significado de la magnitud, lo que puede resultar poco conveniente para obtener un aprendizaje efectivo y significativo.

Para conseguir una comprensión del significado de la magnitud cantidad de sustancia, este epígrafe comienza con una definición en términos de número de entidades elementales (átomos, iones o moléculas).

A continuación, explicamos qué es un mol de dos formas distintas. La primera de ellas, conecta las ideas de cantidad de sustancia y constante de Avogadro. Incluimos la segunda porque habitualmente es la que se encontrará en otros textos de química, pero que resulta menos compresible.

El currículo solo alude a la masa molecular (o atómica) y no menciona la masa molar; esto implica una desconexión entre la descripción a escala atómica de la reacción química y el uso de la cantidad de sustancia a escala macroscópica. Para incidir en esta relación, que consideramos necesaria, definimos masa molar en función de la masa molecular (conocida desde el primer ciclo de la ESO por nuestros estudiantes) y la acompañamos con una figura que destaca el paralelismo entre masa molar y masa molecular. En este sentido se plantea la actividad 10. Utilizamos la denominación masa de la unidad fórmula para referirnos a sustancias no moleculares, como se vio en el curso anterior.

Por último, en este epígrafe dedicado a la cantidad de sustancia, incluimos la concentración molar o molaridad, que será necesaria para resolver problemas que impliquen cálculos estequiométricos entre reactivos en disolución, como veremos más adelante.

13

Soluciones Comprende, piensa, investiga…

9 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario.

10 La sustancia que contendrá mayor cantidad de sustancia, es decir, mayor número de unidades fundamentales, será la de menor masa molar, por tanto, aquella cuya unidad fundamental sea de menor masa; se trata del amoniaco.

11 Se puede acudir a la investigación de Jean Perrin o al experimento de Millikan.

12 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario.

4

Unidad

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.

ä 4.2 Cálculos con reactivos en disolución

ä 4.1 Cálculos estequiométricos masa-masa

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.

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

Ejercicio resuelto

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

5 Calcula el volumen de una disolución de ácido clor-

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

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

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

5 Por último, calculamos el volumen de la disolución

2 HCl (aq) + Ca (OH) 2 (aq) 8 2 H2O + CaCl2 (aq)

mKClO3 = 86, 8 g

incógnita a partir de la definición de molaridad:

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

MKClO3 = 122, 6 g/mol ; MO2 = 32, 0 g/mol 86, 8 g

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:

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

122, 6 g $ mol–1

incógnita correspondiente a partir de los coeficientes estequiométricos:

1 Partiremos de la ecuación química ajustada e iden-

M=

2 Escribimos los datos del enunciado junto con la

2 HCl (aq) + Ca (OH) 2 (aq) 8 2 H2O + CaCl2 (aq)

- 0, 708 mol

¿VHCl? ;

5 Calculamos la cantidad de sustancia incógnita con los coeficientes

M=

n (mol) V (L)

n (mol) M

;

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:

la definición de molaridad: 3 mol O2 8 nO2 = 1, 062 mol O2 2 mol KClO3

8 V (L) =

nHCl = 0,050 mol

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

3 Calculamos la cantidad de sustancia dato a partir de

estequiométricos:

n (mol) V (L)

En nuestro caso, los datos de que disponemos son los siguientes:

ecuación química:

4 Calculamos la cantidad de la sustancia dato con su masa molar:

nKClO3 =

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

Al igual que en el ejercicio resuelto de la página anterior, seguiremos esta secuencia de pasos:

de cada especie, ajustamos estequiométricamente la reacción: 2 Identificamos la sustancia dato y la sustancia incógnita:

V (L) =

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

0, 050 (mol) –1

0, 2 mol $ L

= 0, 250 L = 250 mL

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…

Comprende, piensa, investiga…

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

16

14 Calcula la cantidad de sustancia de PCl3 que se obtie-

Calcula la masa de cloruro de calcio que se obtiene a partir de 350 g de carbonato de calcio.

Cl2 + P4 8 PCl3 en la reacción de la actividad anterior.

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

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:

CaCO3 + 2 HCl 8 CaCl2 + H2O + CO2

ne si reaccionan 426 g de Cl2 según la reacción:

15 Calcula la cantidad de sustancia de P4 que es necesaria

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?

2 HCl + Zn 8 ZnCl2 + H2

19

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

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

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?

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

130

Cálculos estequiométricos CE.3.5. (EA.3.5.1. - EA.3.5.2.)

En nuestro caso:

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.

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

nO2 = 0, 708 mol KClO3 $

4

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).

131

Aprendizaje cooperativo La actividad 16 se puede llevar a cabo mediante la técnica de trabajo cooperativo «Comprobamos», que favorecerán la aparición de distintas ideas y su puesta en común en el grupo hará que se elija la más idónea como respuesta.

TIC En anayaeducacion.es se puede utilizar una simulación sobre ajuste de ecuaciones químicas para reforzar lo aprendido durante el epígrafe.

Plan Lingüístico Consultar el apartado «Plan Lingüístico» propuesto en anayaeducacion.es para resolver la actividad 19 argumentando una respuesta.

Sugerencias metodológicas El epígrafe 4, que comprende estas páginas y la siguiente, se dedica a los cálculos estequiométricos, y se aborda utilizando ejemplos resueltos.

Sugerimos explicar la resolución de problemas con el objetivo de que el alumnado reflexione acerca de los procesos mentales implícitos en este proceso. Por ello, es conveniente pedir, como parte de la evaluación del trabajo personal de cada estudiante, la escritura de la estrategia seguida en la resolución de un problema.

En este sentido, puede resultar enriquecedor plantear un trabajo en pequeños grupos como dinámica en las sesiones dedicadas a esta parte de la unidad. Cada miembro del grupo expondrá al resto la resolución de los problemas que se hayan encargado como trabajo de casa, comentado su esquema de resolución y sus resultados. Una vez realizada la puesta en común, se elaborará por escrito la resolución del problema con la estrategia seguida en cada grupo. Por último, cada grupo corregirá la estrategia y los resultados de otro grupo. El docente supervisará las tareas y calificará el trabajo individual, la aportación de cada miembro al grupo y el trabajo de coevaluación. De este modo, fomentamos las tareas colaborativas, el espíritu autocrítico y la coevaluación.

Pueden resultar útiles las actividades 19 y 20 de la página 144, además de las de la página 130.

La concentración de una disolución es uno de los temas fundamentales en química. Su adecuado manejo implica que el alumnado haya interiorizado el significado de los términos razón y proporción.

Por ello, sugerimos incidir en estos conceptos antes de abordar los cálculos estequiométricos con reactivos en disolución.

Asimismo, recomendamos el uso de los factores de conversión tanto en el cálculo de cantidades a partir del valor de concentración (en g/L o molaridad) como en el cálculo de la cantidad de sustancia de la sustancia incógnita. Un planteamiento alternativo suele pasar por el uso de las reglas de tres, lo que resulta menos ágil y mucho más lento.

La resolución de problemas de estequiometría utilizando factores de conversión es el método que suele seguirse en etapas educativas posteriores. Por ello, debido al carácter propedéutico de este curso, sugerimos incidir en su uso.

Recomendamos abordar la primera parte del primer enunciado del epígrafe «Orientaciones para la resolución de problemas» al finalizar esta doble página.

Soluciones

Comprende, piensa, investiga…

13 a 18 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.

19 Las formas habituales de expresar la concentración son: % en masa o riqueza (masa de soluto en g

por cada 100 g de disolución), % en volumen (volumen de soluto en mL por cada 100 mL de disolución) y concentración en masa de soluto, en gramos, por cada litro de disolución. La ventaja de utilizar la molaridad en los cálculos estequiométricos es que una vez tengamos el volumen de disolución, podemos calcular la cantidad de sustancia fácilmente; el valor de esta magnitud es el necesario para llevar a cabo los cálculos.

20 Si la molaridad de ambas disoluciones es la misma, y la relación entre los coeficientes estequiomé-

tricos es 1:1, el volumen de disolución será el mismo, pues contendrá la misma cantidad de sustancia, que es la requerida para que reaccione completamente la cantidad de sustancia dato.

21 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario.

4 CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS

ä 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:

5

Unidad

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.

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:

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.

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.

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

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.

Podemos cuantificar la energía química de un cambio químico a partir de la variación de la energía de los reactivos y de los productos:

Los volúmenes se calcularían con la ecuación: n $R $T V= p

DE = Eproductos – Ereactivos

Utilizando la relación estequiométrica tenemos: R $T R $T R $T VN2 = 2 $ p ; VH2 = 3 $ p ; VNH3 = 2 $ p

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.

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.

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.

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?

Tipos de reacciones 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

14

4

ä 5.1 Reacciones endotérmicas y exotérmicas

LA ENERGÍA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

Reacciones exotérmicas

Reacciones endotérmicas

E

E

PRODUCTOS

REACTIVOS

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

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

La energía en las reacciones químicas CE.3.3. (EA.3.3.1.)

Sugerencias metodológicas Concluimos en esta primera página los cálculos estequiométricos abordando las reacciones entre reactivos gaseosos.

Incluimos la ecuación de estado del gas ideal, o ecuación de Clapeyron, que relaciona la cantidad de sustancia gaseosa con el volumen que ocupa en determinadas condiciones de presión y temperatura.

Sugerimos recordar al alumnado lo estudiado en relación a las leyes de los gases en los cursos precedentes. Resulta conveniente realizar este repaso e indicar que esta ecuación del gas ideal reúne la información contenida en las leyes de Boyle y Mariotte, y Charles y Guy-Lussac.

ä 4.3 Cálculos de reacciones entre gases

4 CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS

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:

5

Unidad

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.

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:

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.

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.

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

Ejercicio resuelto 6 Demuestra que la relación entre los volúmenes de

Podemos cuantificar la energía química de un cambio químico a partir de la variación de la energía de los reactivos y de los productos:

Los volúmenes se calcularían con la ecuación: n $R $T V= p

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.

DE = Eproductos – Ereactivos

Utilizando la relación estequiométrica tenemos: R $T R $T R $T VN2 = 2 $ p ; VH2 = 3 $ p ; VNH3 = 2 $ p

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.

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.

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.

Comprende, piensa, investiga…

Tipos de reacciones

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.

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:

Reacciones exotérmicas

Reacciones endotérmicas

E

E

PRODUCTOS

REACTIVOS

b) 3 mol de butano.

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

c) 2 mol de metano.

27

2 Na (s) + 2 H2O 8 2 NaOH (aq) + H2 (g)

24

4

ä 5.1 Reacciones endotérmicas y exotérmicas

LA ENERGÍA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

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.

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 +

13 O2 8 4 CO2 + 5 H2O 2

REACTIVOS

PRODUCTOS

7 O 8 2 CO2 + 3 H4O 2 4

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

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.

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

132

Desarrollo del pensamiento En la actividad 27 recomendamos al profesorado utilizar la técnica de pensamiento «Intuyo y deduzco» cuya descripción se puede consultar en anayaeducacion.es.

En algunos textos se aplica la ecuación de Clapeyron a gases en condiciones de presión muy superiores a 1 atm, lo que no es adecuado ni recomendable. En los nuevos currículos de bachillerato se incluyen, además de esta, otras ecuaciones de estado, como es la de Van der Waals. Por ello, debemos en este curso destacar las condiciones en las que podemos considerar que el comportamiento de un gas es el de gas ideal (sin interacción entre las partículas que lo forman). Esta consideración se ha tenido en cuenta en la elaboración de los enunciados de las actividades.

La segunda página corresponde al inicio del epígrafe 5, «La energía en las reacciones químicas».

Sugerimos anticipar los contenidos, aunque sea de modo muy esquemático, relativos a la diferencia entre calor, temperatura y energía térmica que se abordan en la unidad 11.

Los conceptos de reacción exotérmica y endotérmica no ofrecen especial dificultad; sin embargo, su representación en un esquema de energías puede resultar algo más complejo. Se puede poner algún ejemplo de reacción para facilitar la comprensión de los esquemas de esta página.

Recomendamos relacionar los contenidos de esta página con el texto del apartado «Química cotidiana» dedicado a aplicaciones de reacciones endotérmicas y exotérmicas en productos de consumo cotidiano.

Soluciones Comprende, piensa, investiga…

22 y 23 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.

24 Utilizando factores de conversión: atm $ L 101325 Pa 1 m 3 J $ $ - 8, 31 R = 0, 082 1 atm 1000 L K $ mol K $ mol 25 Para ello despejamos el volumen en la ecuación del gas ideal y sustituimos los valores de las magnitudes:

V=

n $ R $ T 1 mol $ 0, 082 atm $ L $ K –1 mol –1 $ 273 K = - 22, 4 L p 1 atm

26 y 27 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.

Unidad

5 LA ENERGÍA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

ä 5.2 Diagramas de energía y catalizadores

ä 5.4 Ecuaciones termoquímicas

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.

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:

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 repre-

sentes las situaciones de intercambio de energía tanto en reacciones endotérmicas como exotérmicas.

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.

ä 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 estado de agregación de reactivos y productos, pues un cambio de estado implica una variación de energía.

• 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.

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 C4H10 (g ) + 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.

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

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:

4

Proyecto de investigación

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

134

Orientación profesional El alumnado dispone en anayaeducacion.es de información de su interés sobre estudios y profesiones relacionadas con los grados superiores ligados al desarrollo de energías renovables.

TIC Se proponen actividades de búsqueda de información en Internet, prestando atención a hacerlo siempre en sitios web fiables.

Aprendizaje cooperativo Las actividades 31 y 35 se pueden llevar a cabo mediante las técnicas de trabajo cooperativo «Folio giratorio» y «Mesa redonda» respectivamente, que favorecerán la aparición de distintas ideas y su puesta en común en el grupo hará que se elija la más idónea como respuesta.

Plan Lingüístico Consultar el apartado «Plan Lingüístico» propuesto en anayaeducacion.es para resolver la actividad 33 argumentando una respuesta.

Sugerencias metodológicas Esta doble página cierra el epígrafe dedicado a energía y reacciones químicas. Incluimos algunas nociones sobre la teoría del complejo activado, la definición del calor de reacción y las ecuaciones termoquímicas.

En la primera página se completa la explicación del papel que juegan los catalizadores en la velocidad de una reacción química. Sugerimos que se aluda a lo visto en el epígrafe 2. La figura de esta página se refiere a una reacción exotérmica, aunque en el texto se indica que el estado de transición ocurre también en las reacciones endotérmicas. Por ello, sugerimos al docente que dibuje un esquema de la representación de la energía frente al avance de la reacción para este último tipo de reacciones.

El calor de reacción se incluye en el currículo, pues en el estándar 3.1 del bloque 3: Los cambios se alude a la interpretación del signo de esta magnitud. Por tanto, será preciso adoptar un criterio de signos para indicar si el tránsito de energía ocurre desde el sistema hacia los alrededores o viceversa. En este texto se ha utilizado el criterio más utilizado en textos de química general.

Asimismo, el currículo en el criterio de evaluación 3 del bloque 3: Los cambios indica que el alumnado debe interpretar ecuaciones termoquímicas. Estas ecuaciones incluyen el calor de reacción. Para interpretar esta información, se puede utilizar el signo del calor de reacción o bien, indicar si la energía correspondiente se suma en el lado de los reactivos o de los productos. Esta última opción se incluye en el texto, pero recomendamos utilizar como criterio el signo del calor de reacción para evitar incluir un criterio adicional.

En la interpretación de las ecuaciones termoquímicas es preciso tener en cuenta los estados de agregación de reactivos y productos, y los valores de sus coeficientes estequiométricos. Estos factores no se explicitan en el currículo, pero se incluyen en el texto dado el carácter propedéutico de este curso, puesto que en Bachillerato se estudiará y se ampliará en la parte de termoquímica.

Recomendamos trabajar el ejercicio resuelto de la página 135, pues el enunciado alude a la situación más común de utilización del valor del calor de una reacción química: el calor de combustión de un combustible. En este sentido, aconsejamos resolver la actividad 30 de la página 145, en la que se pide una comparativa entre la energía liberada en la combustión de cierta cantidad de varios combustibles y la cantidad de dióxido de carbono emitida, de modo que se potencie en el alumnado su capacidad de analizar datos y extraer conclusiones para tener así una opinión fundamentada ante ciertas cuestiones.

Soluciones Comprende, piensa, investiga…

28 Tendremos una sensación de frío, pues parte de la energía de nuestra mano se transmitirá al sistema, donde ocurre esta reacción endotérmica.

29 Se puede aludir a compresas de frío instantáneo, en las que se lleva a cabo la hidratación del nitrato de amonio, y a las bebidas autocalentables, a las que dedicamos la lectura del final de la unidad, en las que reacciona óxido de calcio con agua.

30 Se trata de una reacción exotérmica; si el signo fuese contrario sería una reacción endotérmica.

31 No, altera el valor de la energía de activación.

15

32 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario.

33 Si se trata de una reacción endotérmica el calor aparecerá sumado a los reactivos, pues el estado energético de los productos es mayor; por el contrario, el calor aparece sumado a los productos si se trata de una reacción exotérmica, pues se trata de energía que abandona el sistema.

34 y 35 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.

Orientaciones

resolución de

para la

probleMAs

Unidad

cómo resolver un ejercicio de estequiometría EJEMPLO 1

PASOS 1

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.

• El enunciado describe una reacción química.

• Diferenciamos entre los tipos de datos:

36 Calcula la masa de cloruro de aluminio que se ha

37 Calcula el volumen de hidrógeno desprendido del

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

• Datos que extraemos:

– Sustancia dato: ácido clorhídrico:

Comprende, piensa, investiga… formado a partir de la reacción química del primer ejemplo resuelto. Dato: M (Cl) = 35,5 g/mol.

RESOLUCIÓN

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.

4

EJEMPLO 2

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.

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.

– Sustancia dato: propano, C3H8: mC3H8 = 440 g

VHCl = 150 mL; 5 M = 5 mol/L

– Calor de reacción: Qr = –2 218,8 kJ/mol

– Sustancias incógnita: mAl y VH2 en c.n.

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)

2

3

4

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: mAl

V = 150 mL

a) Ajusta la ecuación química.

La ecuación química ajustada es:

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

C3H8 + 5 O2 8 3 CO2 + 4 H2O Qr = –2 218,8 kJ

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.

MC3 H8 = 44 g/mol Lo que significa que en la combustión de un mol de propano se liberan 2 218,8 kJ.

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:

En este caso, debemos seguir esta secuencia:

1. Calcular la cantidad de sustancia dato:

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.

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

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.

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 H 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 2

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) ¿Qué cantidad de CO (en mol) se produciría?

136

137

Orientaciones para la resolución de problemas CE.3.5. (EA.3.5.1. - EA.3.5.2.)

Cómo resolver un ejercicio de estequiometría El entrenamiento de estrategias para la resolución de problemas es uno de los temas centrales de esta materia en este nivel. En el bloque de contenidos de química, quizás sean los de esta unidad los más adecuados para el desarrollo de habilidades en la resolución de problemas.

Los ejemplos elegidos para este epígrafe son de dos tipos: problemas de cálculos estequiométricos con reactivos en disolución, reactivos sólidos y productos gaseosos, y problemas de cálculo de energía asociada a una reacción química.

El primero es un problema cuya resolución es uno de los aspectos centrales de este bloque de contenidos. Por ello, sugerimos darle mayor importancia que al segundo.

Aprendizaje cooperativo La actividad 39 se puede llevar a cabo mediante la técnica de trabajo cooperativo «Lápices al centro», que favorecerá la aparición de distintas ideas y su puesta en común en el grupo hará que se elija la más idónea como respuesta.

Para el primero destacamos que, como en todos los problemas de estequiometría, conviene, una vez leído el enunciado, indicar cuál es la sustancia dato y cuáles son las sustancias incógnita. Realizar esta rutina resulta conveniente pues, cuando en el siguiente curso se aborden los problemas de estequiometría en los que exista un reactivo limitante, el estudiante los identificará con rapidez.

En ambos casos, la identificación de leyes para resolver los problemas, se limita al uso de una definición, la de molaridad en el primer problema y la de masa molar en el segundo.

Podríamos completar el análisis del resultado del primer problema verificando que se cumple la ley de conservación de masa. Recomendamos trabajar esta actividad hasta su total comprensión y que se incluya en el portfolio.

Además, resulta conveniente pedir al alumno o alumna que proponga su propia estrategia de resolución de problemas, basada en el esquema en cuatro pasos con el que trabajamos en este texto.

Soluciones Comprende, piensa, investiga…

36 a 41 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.

TIC

Unidad

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: «Balanceo de ecuaciones químicas». 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, «Reactivos, productos y excedentes», que puedes descargar también en anayaeducacion.es.

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.

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.

• 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.

4

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

CE.1.8. (EA.1.8.1.) CE.3.2. (EA.3.2.1 – EA.3.2.2.) CE.3.5. (EA.3.5.2.)

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

Sugerencias metodológicas

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.

Presentamos dos herramientas de trabajo con reacciones químicas.

• 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

Comprende, piensa, investiga…

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.

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

2 Haz un experimento de velocidad de reacción con la

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?

TIC: Simulaciones sobre reacciones químicas

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

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?

La primera muestra la interpretación a escala atómica de las ecuaciones químicas para, a partir de ella, elegir los coeficientes estequiométricos adecuados, es decir, para ajustar la ecuación química. Los estudiantes de este nivel educativo ya deberían tener bastante soltura en el ajuste de ecuaciones químicas.

No obstante, el alumnado puede utilizar esta herramienta como medio de entrenamiento autónomo.

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

139

La aplicación tiene además una parte lúdica, en la que el estudiante se enfrenta a una serie de ecuaciones químicas de complejidad creciente. Se puede utilizar esta herramienta dentro de una actividad de gamificación en el aula, que suele resultar motivadora para los estudiantes al proponer un contexto de aprendizaje distinto.

La segunda herramienta, «Simulaciones sobre la velocidad de reacción», es una aplicación basada en la teoría de colisiones.

Al principio de la exposición indicamos que se trata de reacciones reversibles, lo que ocurre, en mayor o menor extensión, en cualquier cambio químico. Esta característica de la herramienta permite introducir la idea de equilibrio químico como equilibrio dinámico, en el que las velocidades de la reacción directa e inversa se igualan. Aunque no se trata de un contenido propio de este curso, resulta adecuada su introducción aquí, pues el estudio del equilibrio químico que tiene lugar en etapas posteriores está muy dirigido a las relaciones cuantitativas de las magnitudes implicadas, corriéndose el riesgo de desvincular los procedimientos propios de su cálculo del significado del fenómeno que está teniendo lugar.

Con esta herramienta, podemos estudiar los factores que afectan a la efectividad de una colisión utilizando el modo «colisión única». Además, de una forma indirecta, se puede relacionar la energía del tiro con el significado del desplazamiento de la posición de equilibrio de un resorte. Sugerimos destacar que en este último caso se trata solo de una representación, que podremos relacionar con la energía cinética de las partículas, y esta con la energía térmica del sistema a través del valor medio.

Soluciones Comprende, piensa, investiga… (página 138) 1 y 2 La resolución de estas actividades se recoge en el solucionario.

16

Unidad

simulaciones sobre reacciones químicas

TIC

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-

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.

AJUSTANDO REACCIONES QUÍMICAS

REACTIVOS, PRODUCTOS Y SOBRANTES

Utilizaremos una aplicación disponible en la web de Anaya: «Balanceo de ecuaciones químicas». 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.

Utilizaremos ahora una aplicación complementaria a la anterior, «Reactivos, productos y excedentes», que puedes descargar también en anayaeducacion.es.

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.

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.

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

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.

• 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.

4

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

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

energía de la colisión.

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

EXPERIMENTOS DE VELOCIDAD DE REACCIÓN

2 Con esta actividad pretendemos por una parte atender el estándar de aprendizaje 2.2 del bloque

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.

3: Los cambios, en el que se alude al análisis del efecto de la concentración de reactivos, utilizando, entre otras, aplicaciones virtuales. Por otra parte, destacamos el carácter dinámico del equilibrio químico, con el objetivo que ya se ha mencionado.

• 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

Comprende, piensa, investiga…

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.

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

2 Haz un experimento de velocidad de reacción con la

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.

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?

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 Igual que que en el caso anterior, se pretende atender al estándar de aprendizaje 2.2.

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

139

138

AS

TALLER DE CIENCI

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.

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?

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.

EXPERIMENTO

140

Comprende, piensa, investiga… (página 139) 1 Esperamos respuestas que argumenten acerca de la orientación relativa de los reactivos y de la

• 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.

Taller de ciencias CE.1.8. (EA.1.8.1.) CE.3.1. (EA.3.1.1.) CE.3.2. (EA.3.2.1 – EA.3.2.2.) CE.3.3. (EA.3.3.1.) CE.3.5. (EA.3.5.2.)

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.

Ciencia recreativa

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.

Reacción de oxidación del hierro

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

El apartado «Ciencia recreativa» está pensado para que el alumnado aplique parte de los conocimientos adquiridos en la unidad en experimentos caseros que le permitan obtener sus propias conclusiones. Por otro lado, el tipo de prácticas seleccionadas combinan la aplicación de los contenidos con aspectos recreativos de la ciencia, dotando a este apartado de un carácter lúdico, incrementando el interés de nuestro alumnado por esta asignatura.

En esta unidad proponemos comprobar que la oxidación del hierro se da en unas condiciones determinadas, pues es la que se utiliza como ejemplo durante la unidad. Para ello, se utilizarán clavos de hierro que se pondrán en diferentes recipientes de gran superficie y se verterá un líquido distinto sobre cada uno. Recordamos la importancia de utilizar uno de ellos como blanco en la práctica, para poder comparar los resultados que se obtienen en los demás. Dado que es una práctica sencilla, creemos que puede realizarse durante una única sesión en el laboratorio, siempre bajo la supervisión de un profesor o profesora cualificado. Además, es un buen momento para que el alumnado aprenda a poner en práctica el método científico y que elabore un informe sobre lo que observa durante la elaboración del experimento.

Como la práctica tiene una segunda parte que hay que observar tras 24 horas en reposo, puede utilizarse una sesión en el aula para comentar lo que el alumnado espera encontrar y compararlo después con lo que realmente ha sucedido. Durante este diálogo podremos averiguar hasta qué punto el alumnado ha comprendido y asimilado los contenidos de la unidad y dónde se encuentran los errores más llamativos y hacer hincapié para solucionarlos.

Trabajo práctico Factores que afectan a la velocidad de reacción Este trabajo práctico se complementa con las actividades del apartado TIC. Se trata de estudiar los factores que afectan a la velocidad de reacción que no fueron tratados en el primer ciclo de la ESO. El trabajo requiere el manejo de ácidos fuertes, por lo que se recomienda el uso de gafas de seguridad para evitar accidentes.

Las dos primeras experiencias resultan bastante intuitivas una vez estudiados los contenidos de la unidad. Se trata de poner en práctica lo predicho en el trabajo con modelos sobre las reacciones químicas y de la dependencia de la velocidad de reacción.

Si el docente lo considera oportuno puede utilizar un esquema inverso; primero el trabajo práctico para luego obtener la explicación del fenómeno que brindan los modelos.

La tercera experiencia resulta menos intuitiva por el desconocimiento de los mecanismos de catálisis.

Al respecto solo se hace una alusión en la actividad 3, para cuya respuesta el alumnado debe inferir conclusiones acerca de conocimientos sobre el enlace químico.

Soluciones 1 Con esta actividad se trata de que el alumnado sea consciente de la necesidad de llevar a cabo un adecuado control de variables en la experiencia, como única forma de extraer conclusiones a partir de un trabajo práctico.

2 Es esperable que la reacción no tenga lugar, pues falta uno de los reactivos. Se trata de diferenciar el papel de los reactivos al del catalizador.

3 No se esperan los mismos resultados, pues la sustancia que cataliza es el cobre, no la presencia de iones cobre en la disolución.

17

el material Recuerda seleccionar para tu portfolio. esta unidad de trabajo de

TRABAJA CON LO

Unidad

APRENDIDO

ORGANIZO MI MENTE

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

1,3

1 600

D

estado de agregación de los componentes

3

2 000

energía de reacción

+

Cu

O O

Fe C

b) P4 + O2 8 P2O3 c) MgI2 + Mn(SO3)2 8 MgSO3 + MnI4 d) C3H6O + O2 8 CO2 + H2O

+

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

2 H2O

+

+ 3 H2

2 NH3

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

142

0,28

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

9

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

Cantidad de sustancia

e) SeCl6 + O2 8 SeO2 + Cl2

+

0,39

2 800

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.

negativa

Comprobamos. Ajusta estas ecuaciones:

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

0,73 0,54

2 400

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

a) MgCl2 + Li2CO3 8 MgCO3 + LiCl

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

Cu

1,72

0,98

E

1

2,32

1 200

que nos informa sobre

B

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

Concentración/(mol/L)

0 400 800

C

cuyos enlaces se

Los cambios químicos

Tiempo/s

se expresa mediante su

productos

A

rompen

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:

Una reacción química

está formada por

4

13 Completa la tabla para 20 mol de agua:

Velocidad de reacción

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.

10 Indica si estas afirmaciones son verdaderas o falsas: a) En un mol de agua hay el mismo número de moléculas que en un mol de butano. b) En un mol de agua hay el mismo número de átomos de hidrógeno que en un mol de butano. c) En un mol de agua hay un mol de átomos de oxígeno y dos mol de átomos de hidrógeno.

Cantidad de sustancia/ mol H2O

Átomos o moléculas

Masa/g

20

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?

Medida

Concentración/(mol/L)

1

0,012

2

0,015

3

0,017 0,020

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

0,023

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

6

0,014

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.

CE.3.5. (EA.3.5.1. - EA.3.5.2.)

Se incluyen aquí las soluciones de las actividades propuestas en las páginas finales de la unidad.

Aquellas cuya respuesta requiere de cálculo y representaciones gráficas se ofrecen, convenientemente desarrolladas, en el solucionario incluido en los materiales fotocopiables para el profesorado.

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

4

11 Indica cuántos átomos hay en 360 g de cobre.

Trabaja con lo aprendido CE.1.8. (EA.1.8.1.) CE.3.1. (EA.3.1.1.) CE.3.2. (EA.3.2.1 – EA.3.2.2.) CE.3.3. (EA.3.3.1.) CE.3.4. (EA.3.4.1.)

18

H

5

24

Masa molar/ (g/mol)

Organizo mi mente

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?

1 y 2 Sugerimos estas actividades como evidencias para el portfolio del alumnado.

143

Una reacción química

Evaluación La elaboración de un «Portfolio» es una propuesta autoevaluativa que le permite al alumnado reflexionar sobre los procedimientos que ha llevado a cabo para adquirir esos aprendizajes.

está formada por

se expresa mediante su

Desarrollo del pensamiento El «Mapa conceptual sistémico» permite que el alumnado pueda organizar y comprender las ideas sobre las reacciones químicas de manera significativa, y ver la estructura cognitiva del contenido objeto de aprendizaje.

reactivos

ecuación química

productos

que nos informa sobre

cuyos enlaces se

TIC Le sugerimos que recuerde a su alumnado que puede comprobar los resultados de las actividades numéricas consultando las soluciones que se ofrecen en anayaeducacion.es.

rompen

forman

estado de agregación de los componentes

proporción entre reactivos y productos

Aprendizaje cooperativo Las actividades 1, 3 y 5 se pueden llevar a cabo mediante las técnicas de trabajo cooperativo «Asamblea de ideas», «Comprobamos» y «1-2-4» respectivamente, que favorecerán la aparición de distintas ideas y su puesta en común en el grupo hará que se elija la más idónea como respuesta.

energía de reacción

positiva

negativa

Soluciones de las actividades Los cambios químicos 1 Cocinado de alimentos, formación de herrumbre, combustión, respiración celular, entre otros.

2 Cu +

1 O 8 CuO 2 2

2 Fe + C 8 Fe2C

3 a) MgCl2 + Li2CO3 8 MgCO3 + 2 LiCl b) P4 + 3 O2 8 2 P2O3 c) 2 MgI2 + Mn(SO3)2 8 2 MgSO3 + MnI4 d) C3H6O + 4 O2 8 3 CO2 + 3 H2O e) SeCl6 + O2 8 SeO2 + 3 Cl2

4 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario.

5 Se rompen cuatro enlaces C–H y dos enlaces O–O; se forman dos enlaces C–O y cuatro enlaces O–H.

Se rompen un enlace N–N y tres H–H; se forman 6 enlaces N–H.

Velocidad de reacción 6 Cuanto mayor es la concentración de los reactivos, mayor es la probabilidad de que se produzca una colisión efectiva; por tanto, mayor es la velocidad de la reacción.

7 a) Se trata de un reactivo, pues su concentración va disminuyendo. b) En la gráfica representada en el solucionario, se observa que la pendiente del gráfico va decreciendo, lo que indica que la velocidad de la reacción va siendo cada vez menor.

8 Un aumento de temperatura implica que ha ocurrido un aumento de la energía cinética de las par-

tículas; por tanto, al producirse un choque entre varias partículas, con la orientación adecuada, la probabilidad de que la energía sea suficiente para que este sea un choque efectivo aumenta. Por ello, aumenta la velocidad de reacción.

9 Los catalizadores rebajan la energía de activación, la necesaria para que un choque sea efectivo.

Por ello, se pueden dar choques efectivos en presencia de un catalizador a menor temperatura.

Cantidad de sustancia 10 a) Verdadera; b) Falsa; c) Verdadera; d) Verdadera; e) Falsa.

11 y 12 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.

13 En 20 mol de agua hay: H2O H O

18

Cantidad de sustancia (mol) 20 40 20

Átomos o moléculas Masa (g) Masa molar (g/mol) 360 18 1,2044 í 1025 40 1 2,4088 í 1025 320 16 1,2044 í 1025

14 a) CaCl 2 : 111 g/mol; b) Ag: 107 g/mol; c) Fe 2 O 3 : 160 g/mol; d) O 3 : 48 g/mol; e) Cl2: 71 g/mol; f) AlCl3: 133,5 g/mol; g) H2S: 34 g/mol; h) H2SO4: 98 g/mol.

15 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario.

16 Para calcular la cantidad de sustancia multiplicamos el volumen, expresado en litros, por la molari-

dad: 0,2 L · 2 M = 0,4 mol. Esta es la misma cantidad de sustancia que hay en la segunda disolución.

17 y 18 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.

TRABAJA CON LO

Unidad

APRENDIDO

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

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.

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

26

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

Interpretación compartida. Indica en el diagrama cuál es la representación de la reacción catalizada. ¿Se trata de una reacción endotérmica o exotérmica?

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.

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:

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

31 El calor de combustión de algunos hidrocarburos saturados es el que se muestra en la tabla:

Butano

879 2 192 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?

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?

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.

144

Cálculos estequiométricos 19 a 24 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.

PC/(kJ/mol) Metano Propano

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

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).

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)

¿Qué te hace decir eso? Explica por qué las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

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

CHOCOLATE

La energía en las reacciones químicas 25 a) Falsa; b) Verdadera; c) Falsa; d) Falsa; e) Verdadera; f) Verdadera.

26 La reacción catalizada es la que se representa en línea continua, pues es la que tiene menor ener-

gía de activación. Se trata de una reacción exotérmica, pues la energía de los productos es menor que la de los reactivos.

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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TIC En anayaeducacion.es el alumnado puede consultar el apartado «Para estudiar» para reforzar y estructurar sus conocimientos sobres los contenidos de la unidad. Además, dentro del apartado «Aprende jugando», el alumnado encontrará actividades de tipo lúdico con las que autoevaluar sus conocimientos.

Se incluyen aquí las soluciones de las actividades propuestas en las páginas finales: «Trabaja con lo aprendido». Aquellas cuya respuesta requiera de cálculo y representaciones gráficas, se ofrecen, desarrolladas, en el solucionario incluido en anayaeducacion.es.

Desarrollo del pensamiento En las actividades 25 y 27 recomendamos al profesorado utilizar las técnicas de pensamiento «Qué te hace decir eso» y «Piensa y comparte en pareja», respectivamente, cuya descripción se puede consultar en anayaeducacion.es.

Aprendizaje cooperativo La actividad 26 se puede llevar a cabo mediante la técnica de trabajo cooperativo «Interpretación compartida», que favorecerá la aparición de distintas ideas y su puesta en común en el grupo hará que se elija la más idónea como respuesta.

27 a) Qr = +181 kJ/mol; b) Qr = –393,5 kJ/mol. La primera es endotérmica y la segunda es exotérmica.

28 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.

29 Las reacciones exotérmicas son la b) y la d), pues su calor de reacción es negativo.

30 y 31 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.

Química cotidiana. Calor portátil Uno de los aspectos tratados en la unidad es la energía asociada a las reacciones químicas.

Esta lectura pretende conectar la experiencia sensorial de calor y de frío con el intercambio de energía de un sistema en el que ocurre una reacción química con sus alrededores. También queremos que el alumnado reflexione sobre la relación entre el flujo de energía y la sensación que se tiene en el caso de enfrentarnos a una reacción endotérmica y exotérmica.

El concepto físico de frío no existe, pues se trata de un flujo de calor en sentido inverso al que provoca la sensación de calor. Si el sistema transfiere energía en forma de calor al exterior, la sensación que se tiene al ponerse en contacto con él es la de calor; por el contrario, cuando el flujo de energía ocurre desde el exterior al sistema, la sensación que se percibe es la de frío.

La falta de conexión entre la explicación del fenómeno y la percepción que de este se tiene es, en muchas ocasiones, origen de confusión y de la no comprensión de algunos fenómenos físicos, como en este caso el de la percepción del frío.

Con las actividades intentamos por una parte que el alumnado perciba que para calentar un líquido no es preciso que esté en contacto directo con el foco de calor, y por otra que reflexione sobre la utilidad del conocimiento sobre la relación entre energía y reacciones químicas.

Se puede completar este trabajo con el análisis de una compresa o bolsa de frío instantáneo, que se puede adquirir en tiendas de equipamiento deportivo, y en cuyo interior se encuentra una bolsa con agua y nitrato de amonio.

ANOTACIONES

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Estándares de aprendizaje y criterios de evaluación currículo de andalucía

Unidad 4

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