Guia Docente-Fisicoquimica 2 ES-Huellas

huellas

[ 21 ]]ESES © Editorial Estrada S. A. 2014

fisicoquímica

guía docente Planificación, Guía de respuestas y orientaciones para el trabajo en clase Este material para el docente es un proyecto realizado por el Departamento Editorial de Estrada S. A.

Autoría: Marcela Gleiser Edición: Luz Salatino Diagramación: Silvana M. López Gleiser, Marcela Fisicoquímica 2 ES : guía docente . - 1a ed. - Boulogne : Estrada, 2015.

E-Book.

ISBN 978-950-01-1708-1 1. Física. 2. Química. 3. Guía del Docente. I. Título CDD 371.1

- (Huellas )

Índice

Planificación................................................................................................................... 3

© Editorial Estrada S. A. 2014

Guía de respuestas y orientaciones para el trabajo en clase..........10

-Reconocer y diferenciar las propiedades generales de la materia (masa y volumen) de las propiedades específicas (densidad).

-Conocer y trabajar con las unidades y los cambios de unidades de la masa, el volumen y la densidad.

-Distinguir los estados de la materia a partir de sus características.

-Entender el modelo de partículas, y explicar las características de los distintos estados de la materia a partir de dicho modelo.

-Conocer los distintos cambios de estado, los factores de los que dependen, y explicarlos a partir del modelo de partículas.

-Clasificar sistemas materiales, y distinguir fases y componentes.

-Analizar las características de los distintos métodos de separación de fases y fraccionamiento de componentes.

Que los alumnos puedan:

Expectativas de logro La naturaleza corpuscular de la materia

Ejes 1. Estados de la materia

Capítulo -Las propiedades de la materia: la masa, el volumen y la densidad.

-Los estados de la materia: características y propiedades.

-El modelo de partículas y los estados de la materia.

-Los cambios de estado.

-Los sistemas materiales: homogéneos y heterogéneos.

-Métodos de separación de fases y fraccionamiento de componentes de los sistemas materiales.

Contenidos

Planificación

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-Interpretación de resultados de experimentos hipotéticos que ponen de manifiesto el modelo atómico de partículas.

-Comprobación de las características de los estados de la materia y del modelo de partículas a partir de experimentos sencillos.

Situaciones de enseñanza

3

-Conocer las características generales de todas las soluciones, y los distintos tipos de soluciones, de acuerdo con el estado del solvente y del soluto, y de acuerdo con la concentración.

-Comprender y aplicar las distintas formas de expresar la concentración de una solución en cálculos de preparación de soluciones.

-Distinguir soluciones saturadas e insaturadas.

-Analizar los factores que influyen en la solubilidad de un soluto en un solvente.

Que los alumnos puedan:

-Analizar los descubrimientos que llevaron a conocer los gases presentes en el aire, a lo largo de la historia.

-Conocer y utilizar las distintas unidades de las magnitudes características de los gases (la presión, el volumen y la temperatura).

-Deducir y comprender las leyes de los gases sobre la relación entre la presión, el volumen y la temperatura (Boyle-Mariotte y Charles y Gay Lussac).

-Trabajar con el modelo matemático que relaciona las tres leyes de los gases.

-Conocer por qué el modelo se aplica a “gases ideales”, y cuál es la diferencia con los “gases reales”.

Que los alumnos puedan:

Expectativas de logro

La naturaleza corpuscular de la materia

La naturaleza corpuscular de la materia

Ejes

Contenidos

- Qué es una solución.

-Componentes de una solución.

-Tipos de soluciones: sólidas, líquidas y gaseosas.

-Soluciones concentradas y diluidas.

-Concentración de las soluciones.

Formas de expresar la concentración: %m/m, %m/v y %v/v.

-Cálculos con las formas de expresar la concentración de una solución.

-Factores que determinan e influyen en la solubilidad de un soluto en un solvente.

-Soluciones insaturadas y saturadas.

-Características del estado gaseoso.

-Los gases y la teoría cinético molecular.

-Magnitudes de los gases: presión, volumen y temperatura.

-Unidades específicas de la presión, el volumen y la temperatura.

Cambios de unidades.

-Relación entre la presión, el volumen y la temperatura: leyes de Boyle-Mariotte, Charles y Gay Lussac.

-Diferencias entre los gases ideales y los reales.

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3. Las soluciones

2. Los gases

Capítulo

- Utilización de recursos de animaciones online para realizar experimentos cibernéticos, y deducir factores que influyen en la solubilidad de los solutos (temperatura, tipo de soluto).

-Análisis de las aplicaciones industriales de los métodos de fraccionamiento (fraccionamiento del petróleo y del aire).

-Relación entre distintos conceptos sobre las soluciones (concentración, solubilidad, métodos) y la industria de los perfumes.

-Interpretación de resultados de un experimento hipotético que pone en evidencia que las variables en un gas están relacionadas.

-Comprobación de las leyes de los gases a partir de experimentos sencillos.

-Aplicación de las leyes de los gases para la comprensión del funcionamiento de dispositivos como, por ejemplo, la heladera o el aire acondicionado, y ciertos medios de transporte, como los globos aerostáticos y los dirigibles.

Situaciones de enseñanza

4

-Analizar las distintas ideas y descubrimientos acerca de la composición de la materia que llevaron a la postulación de la composición atómica y del modelo atómico actual.

-Conocer los números característicos de los átomos (atómico y másico), y su relación con la cantidad de partículas subatómicas.

-Obtener la estructura atómica –partículas subatómicas de cada tipo– a partir de conocer el número atómico y el número másico.

-Conocer el origen de los nombres de los átomos y de sus símbolos químicos.

-Distinguir las variedades de átomos respecto de las variaciones en la cantidad de partículas subatómicas –los isótopos y los iones–, y comprender por qué los isóbaros no son variedades de un mismo átomo.

-Reconocer la diferencia entre los elementos y las sustancias, y analizar el significado de las fórmulas químicas de las sustancias.

Que los alumnos puedan:

-Interpretar curvas de solubilidad.

-Realizar cálculos respecto del valor de la solubilidad a distintas temperaturas.

-Comprender el principio de los métodos de fraccionamiento que permiten separar los componentes de las soluciones.

Expectativas de logro

El carácter eléctrico de la materia

Ejes

4. La estructura de la materia

Capítulo

Contenidos

- Perspectiva histórica acerca de la composición de la materia.

Las primeras ideas: Empédocles, Aristóteles, Leucipo y Demócrito.

Ideas de Dalton.

-La estructura de los átomos. Las partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones.

-Número atómico y número másico de los elementos.

-Variedades de los átomos de acuerdo con las partículas subatómicas: iones e isótopos.

Isóbaros.

-Los nombres de los átomos.

-Diferencia entre átomos y sustancias.

-Desarrollo histórico de la clasificación y el ordenamiento de los átomos: Dobereiner, Newlands y Mendeléiev.

-Tabla Periódica de los Elementos.

Grupos y períodos de elementos.

-Las propiedades periódicas: radio atómico, energía de ionización, electronegatividad.

-Formas de expresar la solubilidad, y cálculos. Curvas de solubilidad.

-Separación de los componentes de una solución. Métodos de fraccionamiento: destilación simple, destilación fraccionada y cromatografía.

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-Utilización de animaciones online para la confección de distintos átomos o moléculas.

-Análisis de un experimento histórico (Moseley) y su impacto en la comprensión del ordenamiento de los elementos en la Tabla Periódica.

-Comprobación de las propiedades de los elementos metálicos y no metálicos a través de la realización de experimentos sencillos.

Situaciones de enseñanza

5

-Reconocer los cambios de la materia que ocurren en la vida cotidiana.

-Conocer en qué se basan las distintas clasificaciones de los cambios, y sobre todo, la diferencia entre los cambios físicos y químicos.

-Clasificar los cambios o reacciones químicas de acuerdo con su comportamiento respecto de la energía.

-Distinguir entre cambios reversibles e irreversibles, y comprender que puede tratarse tanto de cambios físicos como de cambios químicos.

-Identificar distintos tipos de reacciones: combustión, descomposición, corrosión.

-Conocer algunas aplicaciones industriales de los cambios químicos.

Que los alumnos puedan:

-Analizar las distintas propuestas de ordenamiento de los átomos respecto de sus propiedades, hasta llegar al ordenamiento actual (Tabla Periódica de Elementos).

-Comprender la relación entre la ubicación de los átomos en la Tabla Periódica y sus propiedades.

-Analizar la variación del radio atómico, la energía de ionización y la eletronegatividad a lo largo de la Tabla, y su relación con la clasificación de los elementos en metálicos, no metálicos y gases nobles o inertes.

Expectativas de logro

La naturaleza corpuscular de la materia

Ejes

Contenidos

-Los cambios en la vida cotidiana.

-Clasificación de los cambios: cambios físicos y químicos.

-Reacciones químicas: reactivos y productos.

-Las reacciones y la energía: endotérmicas y exotérmicas.

-Cambios reversibles e irreversibles.

-Tipos de reacciones: combustión, descomposición.

-Cambios químicos industriales: metalurgia, siderurgia.

- Clasificación de los átomos y propiedades periódicas: metales, no metales y gases nobles o inertes.

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5. Los cambios de la materia

Capítulo

-Utilización de modelos gráficos de esferas para la comprensión de las ecuaciones químicas y el abordaje del balanceo.

-Análisis de un experimento histórico (Lavoisier) acerca de las características de la combustión.

-Verificar qué factores influyen en la corrosión del hierro, de forma experimental.

Situaciones de enseñanza

6

-Reconocer la presencia de las fuerzas en la vida cotidiana, y sus efectos.

-Distinguir entre magnitudes escalares y vectoriales.

-Analizar los elementos de las magnitudes vectoriales, y comprender por qué las fuerzas entran dentro de esta categoría.

-Reconocer la relación entre los elementos de las fuerzas (módulo, dirección y sentido), y su efecto sobre el movimiento de los cuerpos.

-Entender cómo las leyes de Newton explican el efecto de las fuerzas sobre los movimientos.

-Distinguir las fuerzas de contacto y las de distancia, profundizando en las características de algunas de ellas (normal, rozamiento, gravitatoria).

-Conocer la diferencia entre la masa y el peso.

-Comprender el concepto de campo, y su relación con las fuerzas a distancia.

-Identificar similitudes y diferencias entre los campos gravitatorios, eléctricos y magnéticos.

-Entender por qué la presión no es una fuerza, pero depende de ella, y conocer sus unidades de medición.

Que los alumnos puedan:

Expectativas de logro Fuerzas y campos

Ejes 6. Fuerzas y campos

Capítulo

Contenidos -Concepto de fuerza.

-Representación de las fuerzas.

-Magnitudes escalares y vectoriales.

-Efectos de las fuerzas.

-Leyes de Newton.

-Tipos de fuerzas. Fuerzas de contacto: normal, de rozamiento.

Fuerzas a distancia: eléctrica, magnética y gravitatoria. La fuerza peso.

-Concepto de campo. Campo gravitatorio, campo eléctrico y campo magnético.

-La presión y su relación con la fuerza. Unidades de la presión.

Presión atmosférica.

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-Análisis de un experimento histórico (Galileo) acerca de la aceleración en la caída de los cuerpos.

-Análisis sobre la aplicación de las leyes de Newton en la industria espacial.

-Realización de una experiencia sencilla para poner en evidencia la relación entre la presión, la altura y la velocidad de la caída.

Situaciones de enseñanza

7

-Comprender la diferencia entre las distintas formas de electrización de los materiales: fricción, contacto e inducción.

-Diferenciar el comportamiento frente a las cargas que tienen los materiales buenos conductores de los malos conductores.

-Entender el concepto de potencial eléctrico, la unidad en la que se mide, y su relación con la corriente eléctrica.

-Conocer la diferencia entre la corriente continua y la alterna.

-Analizar el funcionamiento de las fuentes de la corriente eléctrica.

-Comprender la relación entre la diferencia de potencial, la corriente y la resistencia, y la ecuación que la representa –ley de Ohm–.

-Reconocer el efecto Joule en artefactos que se utilizan en la vida cotidiana.

-Distinguir los elementos que constituyen un circuito, y las características de los circuitos en serie y en paralelo.

-Aplicar la ley de Ohm a cálculos sencillos en circuitos eléctricos.

-Analizar el funcionamiento de las distintas centrales de producción de energía eléctrica.

Que los alumnos puedan:

Expectativas de logro El carácter eléctrico de la materia

Ejes

Contenidos -El átomo y la electricidad. Las cargas eléctricas en los átomos. Iones.

-La electrostática. Formas de electrización: contacto, fricción e inducción.

-La corriente eléctrica.

-El potencial eléctrico.

-Tipos de corriente: continua y alterna.

-Fuentes de corriente eléctrica: las pilas y los generadores.

-La ley de Ohm: relación entre la resistencia, la intensidad de corriente y la diferencia de potencial. La resistencia y el efecto Joule.

-Los circuitos eléctricos. Elementos de los circuitos. Tipos de circuitos: en serie y en paralelo.

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7. La electricidad

Capítulo -Análisis de un experimento histórico (Volta) acerca de la generación de electricidad a partir de una reacción química.

-Construcción de circuitos eléctricos en serie y en paralelo, y verificación de las diferencias.

Situaciones de enseñanza

8

-Reconocer las características de los imanes, y su relación con la ley de Coulomb.

-Diferenciar el comportamiento de los distintos materiales magnéticos (ferromagnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos).

-Comprender cómo y por qué se forman las líneas de campo magnético, y cómo se pueden poner en evidencia.

-Entender cómo funciona el campo magnético terrestre, por qué los polos magnéticos en este momento no coinciden con los polos geográficos, y cómo funciona una brújula respecto de dicho campo.

-Entender la relación entre la electricidad y el magnetismo, y el funcionamiento de distintos dipositivos que dependen de esta relación: el motor eléctrico, el electroimán, el generador eléctrico y el transformador.

-Analizar los experimentos de Oersted y Faraday, y las conclusiones que llevaron a la generación de electromagnetismo.

-Analizar la aplicación del magnetismo en la construcción de medios de transporte – tren de levitación–.

Que los alumnos puedan:

Expectativas de logro

Capítulo 8. El magnetismo

Ejes El magnetismo y la materia

Contenidos -Los imanes: características y propiedades.

-Los materiales magnéticos: los materiales ferromagnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos.

-El campo magnético. Las líneas de campo.

-Las brújulas. Origen y funcionamiento.

-El campo magnético terrestre y el funcionamiento de las brújulas. El efecto sobre los seres vivos.

-Relación entre la electricidad y el magnetismo: el electromagnetismo.

-Funcionamiento del electroimán y del motor eléctrico.

-Inducción electromagnética.

-Generadores y transformadores eléctricos.

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-Análisis de un experimento histórico (Gilbert) acerca del funcionamiento de la brújula.

-Construcción de un modelo experimental para poner a prueba el experimento de Oersted.

Situaciones de enseñanza

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GuĂ­a de respuestas y orientaciones para el trabajo en clase

Š Editorial Estrada S. A. 2014

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Capítulo 1 | Estados de la materia En este capítulo se abordan las características de la materia, sus propiedades generales y específicas. Se trabaja fundamentalmente sobre las características de los tres estados de la materia que se estudian en los libros de texto: sólido, líquido y gaseoso. Se lo hace desde una perspectiva macroscópica y de acuerdo con la teoría cinético-molecular y el modelo de partículas. A través de este modelo, también se explican los cambios de estado, el modo en el que ocurren y los factores que los determinan. Se hace mención especial del plasma (una condición especial del estado gaseoso, que puede ser considerada un cuarto estado de la materia). Por último, se desa-

estudio de caso

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El crimen perfecto © Editorial Estrada S. A. 2014

rrolla brevemente el tema de sistemas materiales, su clasificación y algunos métodos para separar fases y componentes (los métodos de fraccionamiento se amplían en el capítulo 3).

En este primer capítulo se espera, fundamentalmente, que los alumnos comprendan y apliquen el modelo de partículas para describir las características de la materia en sus distintos estados, los cambios de estado y su capacidad de formar mezclas.

Cabe destacar que, al comienzo del capítulo, se hace una revisión de unidades y cambios de unidades de masa y volumen, que puede resultar de suma importancia para los capítulos posteriores.

Al comenzar el capítulo ¿Por qué era necesario hacer un molde para conseguir monedas de hielo? ¿Cómo creen que usaron la cera para hacer los moldes? ¿Por qué no usaron monedas de cera para activar los radiadores?

Se espera que los alumnos puedan responder que el agua en estado líquido no tiene forma propia, sino que adquiere la forma del recipiente, y que usando un molde para enfriar el agua se logra hielo con una forma determinada. La cera se debe derretir para que rodee a las monedas y, al igual que lo que dijeron sobre el hielo, cuando la cera se enfría, adquiere la forma de las monedas. Por último, si bien la cera (al igual que el hielo) se derrite a la temperatura de la estufa, probablemente no se evapore por completo, y deje residuos que los pondría en evidencia frente al recaudador.

Las monedas de hielo tenían el mismo tamaño que las monedas reales. ¿Tendrían el mismo peso? ¿A qué característica creen que respondían los radiadores: al peso o al tamaño?

Los alumnos probablemente reconozcan que, como el molde reproduce el tamaño (volumen), los radiadores estarían respondiendo a esta característica, y no al peso, debido a que una moneda metálica pesa más que una moneda de hielo.

Los colectivos tienen máquinas que funcionan con monedas, y reconocen el valor de cada una por su peso. ¿Podrían haberse utilizado monedas de hielo en ese caso? ¿Por qué?

En contraste con la situación anterior, si se usaran monedas de hielo para las máquinas del colectivo, tendrían la misma forma, pero no el mismo peso, y no funcionarían.

Al final del capítulo

1. ¿En qué tipo de propiedades se diferencia el material de las monedas y el hielo? ¿Qué propiedad comparten?

Se diferencian en las propiedades específicas, ya que se trata de materiales diferentes. En este caso, comparten el volumen, que se trata de una propiedad general de la materia.

2. Expliquen la ventaja de haber utilizado monedas de agua sólida utilizando los términos: temperatura de fusión y vaporización.

Producción personal. Se espera que mencionen la temperatura de fusión y la temperatura de vaporización cuando describen lo que ocurre dentro del radiador. Cabe destacar que, en este caso, es probable que la vaporización se produzca por evaporación y que el agua no llegue a hervir.

3. Para un mismo tamaño, las monedas de distintos materiales tienen distinto peso. ¿Por qué?

Porque tienen distinta densidad (distinta relación entre la masa y el volumen), que es una propiedad específica. Cabe destacar que, aunque en el texto del estudio de caso se habla de “peso” (ya que en la vida cotidiana lo llamamos así), no se trata del peso, sino de la masa.

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1 . Qué tipo de propiedades caracterizan un material, ¿las específicas o las generales?

Las propiedades específicas son las que caracterizan al material, puesto que dependen del tipo de material del que se trate.

2 . La densidad es una relación entre la masa y el volumen, ambas propiedades generales que dependen de la cantidad de materia, y sin embargo es una propiedad específica. ¿Cómo lo podrían explicar?

Si bien la masa y el volumen son propiedades que varían con la cantidad de materia, la densidad es la relación entre la masa y el volumen, es decir, independientemente de la masa y el volumen de una sustancia; esta relación es constante (bajo determinadas condiciones de presión y temperatura) y es propia del tipo de material. Eso hace que sea una propiedad específica.

3 . Consigan un envase de pasta dentífrica o algún otro producto en el que se indique su volumen (o la capacidad del envase) y su masa. Luego, calculen su densidad.

Pueden trabajar también con una botella de champú o de acondicionador, que muchas veces trae la información tanto de la masa como del volumen. Se puede aprovechar esta actividad para trabajar con las unidades de densidad, según las unidades en las que estén expresadas las magnitudes en los recipientes.

Página 15 1 . Observen nuevamente la tabla de la página 13.

Comparen los valores de densidad de las sustancias en estado sólido, líquido y gaseoso. ¿Podrían explicar estas diferencias de acuerdo con las propiedades de los estados? ¿Hay algún valor que les llame la atención?

Los sólidos son los que tienen la mayor densidad; esto se debe a que se trata del estado en el que la materia está en el máximo nivel de compactación y organización. Los líquidos tienen una densidad bastante menor, debido a que la materia se encuentra menos organizada. Los gases son los que tienen la densidad más pequeña; dado que la materia casi no está organizada, ocupa todo el espacio del recipiente que la contiene, y la relación entre la masa y el volumen es muy pequeña. El valor que llama la atención es el del mercurio para el cual, pese a estar en esta-

do líquido, la densidad es mayor que algunas sustancias que se encuentran en estado sólido. El mercurio es la sustancia en estado líquido más densa del planeta.

2 . El gas natural que se almacena en las garrafas está muy comprimido. ¿Qué sucede cuando se abre la válvula y se lo deja salir? ¿Con qué propiedad de los gases relacionan este fenómeno?

Cuando se lo deja salir, el gas se expande, ya que tiende a ocupar todo el espacio.

3 . El aceite se desplaza más lentamente que el agua, y flota sobre esta. ¿En qué propiedades se diferencian?

Es frecuente que los alumnos contesten mal esta pregunta, ya que suelen asociar la viscosidad con la densidad, y suelen decir que el aceite “pesa más” que el agua. El aceite y el agua se diferencian en la densidad y la viscosidad: el aceite tiene una densidad menor, y por eso flota, pero dada su mayor viscosidad, se desplaza más lentamente.

CIencia en acción

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El estado de Plasma 1. ¿Cuáles son las diferencias entre el estado gaseoso y el del plasma?

El estado de plasma posee partículas cargadas positivamente, en forma de cationes (*) y electrones libres, mientras que el estado gaseoso tiene partículas sin carga; por este motivo, el estado de plasma conduce la electricidad, y el estado gaseoso no. (*) Fe de erratas: en el texto aparece la palabra aniones, debido a un error. Debería decir cationes.

2. ¿Por qué los plasmas son buenos conductores de la electricidad? ¿Sucede lo mismo con la materia en estado gaseoso?

Como se mencionó en la pregunta anterior, los plasmas conducen la electricidad, porque poseen todas sus partículas cargadas.

3. ¿Qué propiedades de los plasmas “se aprovechan” en las aplicaciones mencionadas en el texto? Averigüen al menos dos aplicaciones tecnológicas de los plasmas.

La característica fundamental de las aplicaciones que se mencionan en el texto es que se genera energía en forma de luz. Los plasmas tienen otras aplicaciones como, por ejemplo, en la obtención de energía a partir del proceso de fusión termonuclear.

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Página 13

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Página 19 1. Diseñen una prueba mediante la cual puedan identificar una sustancia sabiendo su punto de ebullición a presión atmosférica.

Producción personal. Sería adecuado que trabajen con una sustancia en estado líquido, como el aceite, el vinagre, el alcohol o el quitaesmalte, y que la calienten.

2. Cuando hacemos una actividad física, uno de los mecanismos que tiene nuestro cuerpo para bajar la temperatura es la eliminación de sudor. ¿Qué sucede con el sudor? ¿A qué cambio de estado corresponde? ¿Por qué piensan que genera sensación de frío?

El sudor se evapora, ya que se trata de un fenómeno superficial; no es ebullición. Cuando se evapora, toma calor de la piel, y por eso genera sensación de frío.

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3. Los encendedores utilizan los gases propano y butano, que se hallan almacenados en estado líquido.

Averigüen de qué forma se consiguen el gas propano y butano en estado líquido.

Actividad de investigación. Se espera que averigüen que los gases pueden licuarse cuando se los comprime (y por consecuencia, baja la temperatura). Esta actividad puede servir como adelanto para la unidad siguiente.

Página 21 1. Para los siguientes sistemas, determinen: la cantidad de componentes, la cantidad de fases, y clasifíquenlos en homogéneos o heterogéneos.

Nota aclaratoria: acordar con los alumnos si consideran el recipiente que contiene el sistema y el aire o no. a. Un café instantáneo preparado con agua y endulzado con azúcar.

Sistema homogéneo. Una sola fase. Tres componentes: el café instantáneo, el agua y el azúcar. b. Un frasco que contiene tuercas, tornillos y chinches.

Sistema heterogéneo. Tres fases: las tuercas, los tornillos y las chinches. Tres componentes: las tuercas, los tornillos y las chinches. c. Un vaso de soda.

Sistema heterogéneo. Dos fases. Dos componentes: el agua (con dióxido de carbono disuelto) y las burbujas de dióxido de carbono. d. Un globo inflado con helio.

Sistema homogéneo. Una fase y un componente: el helio.

2. Los sistemas homogéneos tienen una sola fase. ¿Qué sucede con las propiedades específicas en todo el sistema?

Las propiedades específicas son iguales en todo el sistema. Los sistemas homogéneos siempre se comportan como si fueran una única sustancia.

3. ¿Por qué ‘fase’ y ‘componente’ no son sinónimos?

Den dos ejemplos en los que una sola fase esté formada por varios componentes Producción personal. Ejemplo: el agua de mar está formada por una única fase, pero tiene muchos componentes: agua y muchas sales disueltas.

Página 23 1. ¿Con qué método/s de separación o fraccionamiento aislarían las fases y los componentes de los siguientes sistemas? a. Una muestra que tiene agua, arena y pedazos de corcho.

Se podría utilizar el método de tría para separar los pedazos de corcho y, luego, con el método de filtración, se podría separar el agua de la arena. b. Sal, clavos de hierro y granos de maíz.

El primer método podría ser la imantación, para separar los clavos de hierro. Luego, se podría utilizar el método de tamización, a través del cual los granos de maíz quedarían retenidos en el tamiz. c. Agua y nafta.

Quizás sería conveniente que el docente aclare que el agua y la nafta no forman una solución. El método que habría que usar es la decantación. d. Una muestra que tiene agua salada y piedras.

A través del método de filtración, las piedras quedarían retenidas en el filtro, y el agua salada pasaría. Para separar el agua de la sal, habría que usar un método de fraccionamiento: la destilación.

2. Identifiquen métodos de separación en las siguientes acciones cotidianas. a. Cuando colamos los fideos. Filtración. b. Cuando preparamos café en una cafetera que usa papel de filtro. Filtración. c. Cuando retiramos la nata de una taza de leche caliente. Tría. d. Cuando retiramos el saquito de té o de mate cocido, una vez que la infusión ya está lista. Tría.

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Taller de Ciencias Los estados, la temperatura y la presión El objetivo de esta actividad es poner en evidencia, a partir de experiencias sencillas, la relación entre la velocidad de las partículas y la temperatura, y la relación entre los cambios de estado y la presión atmosférica.

Actividades

Actividad de elaboración del alumno. Se les puede sugerir que relacionen la experiencia con la que figura en el Experimento en papel de la página 16.

Allí se plantea la relación entre la temperatura y la velocidad de las partículas de un material.

2. En la parte B del taller, ¿por qué la presión del lí-

quido baja al bajar el émbolo? ¿Qué hay en el espacio que se genera donde no hay líquido?

En el espacio que se genera donde no hay líquido no hay nada (es vacío). Por este motivo baja la presión.

3. ¿Qué sucederá si ustedes dejan de tapar el orificio cuando bajan el émbolo? ¿Por qué?

Entrará aire en la jeringa, la presión no disminuiría (seguirá siendo igual a la presión atmosférica), y el agua no hervirá.

Propuesta de actividades 4. ¿A qué estado o estados de la materia corresponden las siguientes características? a. Las partículas pueden moverse en cualquier dirección.

Gaseoso. b. El nivel de agregación es máximo.

Sólido. c. Se puede variar su volumen cambiando la presión (es compresible).

Gaseoso. d. Ocupa el volumen del recipiente que lo contiene.

Gaseoso. e. Adquiere la forma del recipiente que lo contiene.

Líquido y gaseoso. f. Puede tener estructura cristalina.

Sólido. g. Las partículas únicamente pueden vibrar.

Sólido. h. No se puede comprimir.

Sólido y líquido. i. Es el de menor densidad.

Gaseoso.

5. Completen las siguientes oraciones con una sola palabra en cada espacio. a. Según la teoría cinético-molecular, cuanto mayor es la temperatura, mayor es la velocidad de las partículas, lo que resulta en una menor atracción entre ellas. b. En el estado sólido, las partículas están muy organizadas. Las fuerzas de atracción entre ellas son máximas, y no se pueden desplazar; solamente pueden vibrar. Por este motivo, el estado sólido tiene forma y volumen propios. c. Cuando una sustancia en un estado pierde calor, disminuye la energía cinética de sus partículas, y se pasa a un estado de mayor organización.

6. Es frecuente observar, en los días calurosos, que cuando se saca una lata o una botella de la heladera y se la deja a temperatura ambiente, luego de un tiempo, aparecen pequeñas gotas de agua fuera de la botella. ¿De dónde salen estas gotas? ¿Se trata de un cambio de estado? ¿Cómo ocurre y por qué?

Estas gotas no vienen del interior de la botella. El vapor de agua atmosférico, en contacto con la superficie fría de la botella, se enfría y se condensa.

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1 . ¿Cómo podrían explicar el resultado obtenido en la parte A del taller, en función de la teoría cinéticomolecular? Para explicarlo, realicen un esquema que represente lo que sucede a nivel de las partículas.

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7. En las ciudades y pueblos que se ubican en la montaña, el agua tiene una temperatura de ebullición menor a 100 °C. ¿A qué creen que se debe esa diferencia? Si no se les ocurre, averigüen qué condiciones atmosféricas se modifican con la altura.

A mayor altura, disminuye la presión atmosférica; por este motivo, la temperatura de ebullición del agua es menor.

8 . El hielo seco, que es dióxido de carbono sólido, se utiliza para refrigerar el helado cuando debe ser transportado. Si observaron alguna vez este material, habrán visto que es diferente al hielo hecho con agua. ¿Qué los diferencia? ¿Qué cambio de estado le ocurre al hielo seco a temperatura ambiente? ¿Y al hielo de agua?

Destilación fraccionada Componentes

Líquido de liquido

Diferencias en los puntos de ebullición

Agua y alcohol

Imantación

Fases

Sólido de sólido

Diferencias en la capacidad de magnetización

Arena y clavos

Decantación

Fases

Líquido de líquido

Diferencias en la densidad

Agua y aceite

Filtración

Fases

Sólido de liquido

Diferencias de tamaño

Agua y arroz

10. Observen la siguiente tabla.

• Suponiendo que la temperatura ambiente es de 25 °C, ¿en qué estado se encuentra cada sustancia y por qué?

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9. Completen la siguiente tabla tomando como referencia los dos primeros ejemplos.

Ejemplo sistema que Se basa en deseunresuelve por este método

Método

¿Qué separa?

Estado de los materiales que separa

Tamización

Fases

Sólido de sólido

Diferencias de tamaño

Arroz y harina

Destilación simple

Componentes

Sólido de líquido

Diferencias de puntos de ebullición

Agua y sal

Mercurio

Temperatura fusión -38,8 °C

Temperatura ebullición 356,7 °C

13,6 g/ml

Hierro

1.535 °C

2.740 °C

7,9 g/ml

Cloro

-102 °C

-34 °C

0,0032 g/ml

Sustancia

El hielo seco se llama así porque no se derrite; pasa directamente del estado sólido al gaseoso, es decir, se volatiliza.

El mercurio se encuentra en estado líquido, ya a 25 ºC se superó el valor de su temperatura de fusión, pero no el valor de su temperatura de ebullición.

El hierro se encuentra en estado sólido, puesto que su temperatura de fusión es mucho mayor que 25 ºC. El cloro se encuentra en estado gaseoso, debido a que la temperatura de ebullición es menor que 25 ºC.

[red conceptual] •• Masa • Volumen

MATERIA se presenta en

Sistemas materiales

Heterogéneos

tienen más de una

tienen una sola

Fase

para separarlos se usan métodos de

Separación

para separarlas se usan métodos de

Fraccionamiento

• Punto de fusión •• Densidad

•• Sólido •• Líquido •• Gaseoso

se explican con la

pueden pasar de uno a otro a través de

Cambios de estado se clasifican entre los que

Toman calor •• Fusión •• Vaporización •• Volatilización

La cantidad de materia

Específicas

Estados de agregación los más comunes son

Homogéneos

dependen de

Generales

tienen propiedades se estudian como

Densidad

Liberan calor •• Solidificación •• Condensación •• Sublimación

no dependen de

Teoría cinético-molecular

16

Capítulo 2 | Los gases Este capítulo profundiza acerca de las características del estado gaseoso. Partiendo de lo trabajado en el primer capítulo, a partir del modelo de partículas, se abordan las leyes de los gases ideales de Boyle-Mariotte y de Charles y Gay Lussac, que vinculan la presión, el volumen y la temperatura. Se propone un trabajo cauteloso

[ ]

El crimen perfecto Flotar en el aire Al comenzar el capítulo De acuerdo con la prueba que realizaron los hermanos Montgolfier en la plaza de Annonay, ¿qué creen que sucede con el aire cuando se calienta? ¿Por qué se eleva el globo?

Se espera que los alumnos deduzcan que el volumen del aire aumenta cuando aumenta la temperatura; en cuanto a la elevación, podrán deducir también que el aire caliente “pesa” menos (en verdad, disminuye la densidad). Si se los orienta, podrían relacionarlo con el capítulo anterior, y deducir que al aumentar el volumen, para la misma cantidad de gas, no disminuye la masa, sino la relación entre la masa y el volumen, es decir, la densidad.

Esta situación la pueden relacionar con la experiencia cotidiana de que, en un ambiente calefaccionado, los pisos de arriba están más calientes que el de abajo porque el aire caliente “tiende a subir”.

Quizás hayan observado que los globos colgados al Sol, luego de un tiempo, explotan. ¿Cómo pueden explicarlo?

En relación con la pregunta anterior, el aire dentro de los globos, al calentarse, tiende a ocupar más espacio y, como está dentro del globo, hace presión contra el material hasta que lo rompe.

Para ciertos eventos importantes, se realizan sueltas de globos inflados con el gas helio. ¿Qué sucede con estos globos?

Los globos de helio, cuando no se los sujeta, suben naturalmente. Los alumnos pueden llegar a deducir que el helio es “más liviano” que el aire (en verdad, menos denso), y por eso flota (al igual que el aire caliente).

Al final del capítulo

1. ¿Con qué ley o leyes de los gases se relaciona el globo aerostático diseñado por los hermanos Montgolfier? Expliquen la forma en la que se infla la bolsa a partir de los enunciados de las leyes y la teoría cinético-molecular.

Se relaciona con la ley de Charles y Gay Lussac, de volumen y temperatura de los gases a presión constante. Cuando aumenta la temperatura, aumenta la energía cinética de las partículas, que se mueven más rápidamente, y tienden a ocupar más espacio, motivo por el cual se infla la bolsa.

2. El hidrógeno es un gas muy inflamable, es decir, arde muy fácilmente. Hoy día los globos aerostáticos se fabrican con otro gas, llamado helio. Averigüen para qué se utilizan los globos aerostáticos hoy día y qué características tiene el helio por las que se lo prefiere frente al hidrógeno.

Producción personal. La ventaja de utilizar helio en lugar de hidrógeno es que el primero es un gas muy poco reactivo (es un gas inerte o noble), en cambio, el hidrógeno es muy reactivo con oxígeno y puede provocar grandes explosiones.

3. ¿Qué diferencias existen entre un globo aerostático hecho de tela y un globo de látex? ¿Qué variable se mantiene constante por más tiempo al calentar el aire dentro del globo en uno u otro caso? ¿Por qué?

El látex es más flexible que la tela, motivo por el cual el volumen aumenta en mayor medida que en un globo de tela (debido a la capacidad de expansión del material), y la presión se mantiene constante por más tiempo.

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estudio de caso

con las unidades que corresponden a cada magnitud, para luego poder emplear los modelos matemáticos correspondientes a cada una de las tres leyes por separado, y la expresión que combina las tres. También se muestran y analizan los gráficos en ejes cartesianos que representan las leyes.

17

Página 31 1. ¿Por qué los gases no tienen forma ni volumen propios?

Debido a que las partículas se pueden separar y ocupar todo el espacio disponible. Es por eso que un gas adquiere la forma y tiene el volumen del recipiente que lo contenga.

2. De acuerdo con las características del estado gaseoso, según la teoría cinético-molecular, y el resultado del Experimento en papel, respondan: ¿qué relación existe entre la temperatura y el volumen? ¿Entre el volumen y la presión?

A mayor temperatura, mayor volumen; por eso, en la situación de Experimentos en papel, el globo se infla.

A menor volumen, mayor presión; por eso, cuando se lo comprime, se siente que aumenta la presión en el interior del globo, e incluso puede llegar a explotar.

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3. ¿Qué relación habrá entre la temperatura y la presión?

En este caso, 451 ºF equivalen a 232,78 ºC y, sumando 273, se obtiene que el valor en la escala absoluta es 505,78 K.

Página 35 1. Los aerosoles suelen tener una leyenda que dice “no arrojar al fuego”. ¿Por qué?, ¿con qué ley de los gases se relaciona?

Como el volumen del recipiente es constante, cuando se lo arroja al fuego, la temperatura del gas que se encuentra en el interior del envase aumenta y, por lo tanto, aumenta también su presión (aumenta la velocidad de las partículas y hay más choques por unidad de tiempo), y puede explotar el recipiente (ley de Charles y Gay Lussac, de presión y temperatura a volumen constante).

2. Expliquen los resultados del Experimento en papel de la página 31, teniendo en cuenta las leyes de los gases.

Página 33

Cuando se comprime un globo, disminuye el volumen del aire que se encuentra dentro y, por lo tanto, aumenta su presión. Es la ley de Boyle-Mariotte.

Cuando se sumerge la botella dentro del agua caliente, aumenta la temperatura del aire dentro de la botella, y aumenta su volumen. Es la ley de Charles y Gay Lussac de volumen y temperatura a presión constante.

1. Realicen las siguientes conversiones: 120 °C a K; 2,5 atm a hPa; 2.000 mmHg a atm, y 400 K a °C.

3. Expliquen las leyes de los gases desde el punto de vista de la teoría cinético-molecular

393 K

Ley de Boyle-Mariotte: cuando se reduce el volumen de un recipiente que contiene una determinada cantidad de gas, a temperatura constante, las partículas tienen menos espacio para moverse y chocan más veces contra las paredes del recipiente, lo que se manifiesta en un aumento de presión.

Se espera que los alumnos puedan imaginar que, cuando aumenta la temperatura, aumenta la cantidad de choques contra las paredes del recipiente, y por lo tanto, aumenta la presión.

2535,5 hPa 2,63 atm 127 ºC

2. El título de la novela Farenheit 451, de Ray Bradbury, hace referencia a la temperatura a la que se quema el papel de los libros. ¿A qué temperatura equivale en escalas Celsius y Kelvin?

Será conveniente que el docente oriente al alumno en la resolución de esta actividad. Entre los valores que se corresponden con 0 ºC y con 100 ºC, en la escala Farenheit no hay 100 unidades, sino que hay 180. La fórmula para la transformación a ºC es ºF-32 ºC = 180 100

Primera ley de Charles y Gay Lussac: a presión constante, si se aumenta la temperatura de un gas, aumenta la velocidad de las partículas y, por lo tanto, tienden a separarse más y a ocupar más espacio, motivo por el cual aumenta el volumen.

Segunda ley de Charles y Gay Lussac: si se aumenta la temperatura de un gas, manteniendo un volumen constante, aumenta la energía cinética de las partículas, que se mueven más rápidamente y chocan con mayor frecuencia y a mayor velocidad contra las paredes del recipiente, motivo por el cual aumenta la presión.

18

Página 36 1 . Un gas se encuentra a CNPT en un tanque de 40 litros. Si la temperatura aumenta a 25 °C, y el volumen permanece constante, ¿cuál es la nueva presión que ejerce el gas?

2. Un globo tiene un volumen de 1.500 ml y contiene una determinada cantidad de gas que ejerce una presión de 1.013 hPa y a 20 °C. Si al colocarlo en la heladera el volumen se reduce a 1 litro, y la presión disminuye a 506,5 hPa, ¿cuál es la nueva temperatura del gas?

La nueva presión que ejerce el gas es de 1,09 atm.

La nueva temperatura del gas es de 91 K.

CIencia en acción

[ ]

1. ¿Con qué ley de los gases podrían explicar el aumento de temperatura generado por la compresión? ¿Por qué?

Según la ley de Boyle-Mariotte, cuando se reduce el volumen, aumenta la presión, y según la segunda ley de Charles y Gay Lussac, a mayor presión, mayor temperatura.

2. ¿Con qué ley de los gases podrían explicar el descenso de temperatura que resulta de la expansión? ¿Por qué?

Se puede explicar de forma similar al ejercicio anterior. Cuando se produce la expansión, disminuye la presión porque aumenta el volumen (Boyle y Mariotte) y, por lo tanto, disminuye la temperatura (segunda ley de Charles y Gay Lussac).

3. Investiguen cómo funciona un artefacto de aire acondicionado y compárenlo con el funcionamiento de la heladera. ¿Se parece?

Producción personal. Lo que ocurre en un acondicionador de aire es similar a lo que ocurre en una heladera. El acondicionador de aire toma calor del interior de una habitación y, a través de un ciclo de compresión y expansión de un gas, libera calor al exterior.

Taller de Ciencias Poniendo a prueba las leyes de los gases El objetivo de este taller es que los alumnos pongan a prueba las leyes de los gases de forma sencilla y con elementos que se consiguen con facilidad.

Actividades 1. ¿Qué variable permaneció constante durante el experimento de la jeringa? ¿Cuáles manipularon? ¿Cuál se modificó a causa de dichas manipulaciones?

calor, aunque las condiciones en las que el experimento está planteado no lo modifican ¿Qué sucedería si usaran agua lo suficientemente caliente como para deformar este material? ¿Qué variable se modificaría? ¿Cómo se vería afectado el resultado del experimento?

En principio, podría llegar a considerarse que la temperatura se mantiene relativamente constante (aunque, como no se está forzosamente manteniendo constante, siempre que se modifica un parámetro, se modifican los otros). La magnitud que se manipuló fue el volumen, y en consecuencia se modificó la presión.

El volumen permaneció constante. Si la temperatura deformara el material de la pelota, el volumen se modificaría, y por lo tanto no se podría evidenciar la relación entre la temperatura y la presión.

2. ¿Qué variable permaneció constante durante el experimento de la pelotita? El plástico con el que fue fabricada la pelota de ping-pong es sensible al

3. ¿Qué ocurrió cuando destaparon el agujero? En ese caso, ¿la cantidad de gas dentro de la jeringa era constante? ¿Por qué?

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La refrigeración y las leyes de los gases

19

Al destapar el agujero, el aire puede entrar y salir, con lo cual la cantidad de gas no es constante. Por este motivo no se puede verificar la ley de Boyle-Mariotte.

4. ¿Qué sucedió cuando repitieron el procedimiento con la bombita de agua? ¿Pudieron bajar el émbolo más o menos que cuando tapaban el agujero?

Se pudo bajar más, ya que la bombita ofrecía mayor volumen para el gas dentro del recipiente.

5. Diseñen un experimento, diferente a los vistos en el capítulo, para poner a prueba la primera ley de Charles-Gay Lussac.

De realización personal del alumno. Sería interesante que trabajaran en grupos, que planteen la hipótesis, una predicción y el diseño experimental, y que lo pongan a prueba en clase, de forma experimental.

6. Realicen esquemas, de acuerdo con el modelo de partículas, que representen lo que sucede en cada etapa de ambos experimentos.

De realización personal del alumno. Se espera que realicen un dibujo con las partículas dentro del globo o jeringa, y expliquen al lado lo que está sucediendo.

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Propuesta de actividades 4 . Decidan si los siguientes enunciados son verdaderos o falsos. Justifiquen su elección en todos los casos. a. Un gas a 30 °C se halla a mayor temperatura que uno a 240 K. Falso. 30 ºC equivalen a 303 K. b. Los choques contra las paredes del recipiente disminuyen cuando la temperatura de un gas desciende.

Verdadero. Cuando baja la temperatura, disminuye la energía cinética de las partículas y chocan menos veces contra las paredes del recipiente. c. En un gas cuya presión es de 800 mmHg, las partículas chocan menos veces contra las paredes del recipiente que en un gas cuya presión es de 1,5 atm.

Falso. 800 mmHg equivalen a 1,05 atm. d. Un recipiente de 5 l lleno de gas tiene igual volumen que en el que el gas ocupa 5.000 cm3.

Verdadero. 5 litros equivalen a 5.000 ml, y 5.000 ml se corresponden con 5.000 cm3. e. Cuanto mayor es la energía cinética de las partículas, mayor espacio tienden a ocupar.

Verdadero. Cuando aumenta la temperatura, las partículas se mueven a mayor velocidad, y tienden a ocupar más espacio. f. En un gas a -10 °C, las partículas tienen menor energía cinética que en un gas a 273 K. Verdadero. 273 K equivale a 0 ºC, y a mayor temperatura, mayor energía cinética.

5 . Resuelvan las siguientes situaciones problemáticas utilizando las leyes de los gases (solas o combinadas).

En el caso de que se trate de una sola, indiquen a qué ley corresponde. a. Un tanque posee 20 l de un gas a 10 °C y ejerciendo 1 atm de presión. ¿Cuál es la nueva presión cuando la temperatura aumenta hasta los 25 °C? Consideren que el volumen es constante.

La nueva presión será de 1,09 atm. Corresponde a la ley de Charles y Gay Lussac de presión y temperatura a volumen constante. b. Una jeringa vacía contiene 300 ml de aire, que ejerce una presión de 700 mmHg a 20 °C. Si se baja el émbolo (con el orificio tapado) hasta que el aire ocupe 200 ml, y la temperatura se mantiene constante, ¿cuál es la nueva presión?

La nueva presión es de 1.050 hPa. Corresponde a la ley de Boyle-Mariotte. c. Un globo contiene 50 dm3 de un gas a 20 °C y con una presión de 1.013 hpa. Si la temperatura se eleva hasta 60 °C, y la presión aumenta al doble, ¿cuál es el nuevo volumen?

El nuevo volumen es 28,41 dm3. Corresponde a la combinación de las tres leyes. d. En un recipiente de volumen variable, hay 0,5 dm3 de un gas en cnpt, si el gas se expande hasta ocupar un litro y medio, y la presión disminuye a la mitad, ¿cuál es la nueva temperatura?

La temperatura final es de 409,5 K. Corresponde a la combinación de las tres leyes.

6. Expliquen las siguientes situaciones a partir de alguna de las tres leyes de los gases, teniendo en cuenta los postulados de la teoría cinético-molecular. a. Si se coloca una olla con agua al fuego con la tapa puesta, cuando el agua comienza a hervir, la tapa se empieza a mover.

Al hervir, empieza a aumentar la cantidad de agua en estado gaseoso dentro de la olla; también empieza a aumentar la temperatura del vapor. Aumenta la energía cinética de las partículas, que se mueven más rápidamente, y chocan con mayor frecuencia e intensidad contra la tapa, y la hacen mover. Es la ley de Charles y Gay Lussac a volumen constante.

20

b. En una fogata se puede ver que pequeñas partículas y cenizas suben con el aire caliente.

A mayor temperatura, las partículas se mueven más rápidamente, y tienden a ocupar más espacio.

Se relaciona con la ley de Charles y Gay Lussac. c. Si se aprieta mucho un globo inflado, revienta.

Cuando se aprieta el globo, se reduce su volumen, aumenta la cantidad de choques de las partículas contra las paredes. Es la ley de Boyle-Mariotte. d. Si se coloca un recipiente de plástico con comida caliente en la heladera, cuando se enfría, la tapa se hunde.

Cuando se enfría el aire dentro del recipiente, se reduce su volumen, y por eso la tapa se hunde. Es la ley de Charles y Gay Lussac de temperatura y volumen a presión constante.

283

1

293

1,035

1,106

8. Elijan la o las opciones correctas en cada caso. Justifiquen su elección. a. Si a un gas se lo comprime a temperatura constante…

• aumenta la energía cinética de las partículas.

• disminuye la cantidad de choques contra las paredes del recipiente.

Ninguna es correcta. b. Según la segunda ley de charles-Gay Lussac…

• cuando aumenta la energía cinética de las partículas, aumenta la cantidad de choques contra las paredes del recipiente. x • cuando aumenta la presión, la energía cinética de las partículas es mayor. c. Si se aumenta la temperatura de un gas, a presión constante…

• disminuye el espacio que ocupan las partículas.

• las partículas se alejan y ocupan más espacio. x

[red conceptual] se caracterizan por

LOS GASES

cuyo comportamiento se explica por la

tienen propiedades interdependientes que son

No tener forma propia

Teoría cinético-molecular Volumen

Ocupar todo el volumen disponible Poca interacción entre sus partículas Libertad de movimiento de sus partículas

se mide en

•• m3 •• litros

Presión se mide en

se mide en

•• Atm •• mmHg •• hPa estas propiedades se

Temperatura

•• °C •• F •• K

relacionan mediante

Leyes de los gases que son

De Boyle-Mariotte

Primera de Charles-Gay Lussac

Segunda de Charles-Gay Lussac

A temperatura constante, la presión y el volumen son inversamente proporcionales

A presión constante, la temperatura y el volumen son directamente proporcionales

A volumen constante, la presión y la temperatura son directamente proporcionales

combinadas, se pueden expresar como

P1.V1 P 2 .V2 = T1 T2

Modelo de gas ideal

© Editorial Estrada S. A. 2014

Presión (atm)

1,071

313

• ¿Cuál de los dos gráficos representa los resultados de la tabla?, ¿por qué?

El primer gráfico. La temperatura y la presión son magnitudes directamente proporcionales.

7. Se realiza un experimento en el que se mide la variación de la presión al aumentar la temperatura de un gas que se encuentra en un recipiente de volumen fijo. Los resultados se muestran en la siguiente tabla: Temperatura (K)

303

21

Capítulo 3 | Las soluciones Este capítulo profundiza sobre un tipo particular de sistemas materiales homogéneos: las soluciones. Se aborda la clasificación de las soluciones según distintos criterios. Se estudian los factores que modifican la so-

estudio de caso

[ ]

Dime cómo hueles…

Al comenzar el capítulo

© Editorial Estrada S. A. 2014

lubilidad en las soluciones. Por último, se amplían los métodos de fraccionamiento y se hace una mención especial acerca de la aplicación industrial de la destilación fraccionada.

¿Por qué creen que las hojas y otras partes de las plantas liberaban al agua su fragancia y su color?

Se espera que los alumnos puedan deducir que algunas de las sustancias que les dan olor y color a las hojas y a otras partes de las plantas pueden disolverse parcialmente en agua, como ocurre con las sustancias presentes en las hojas de té o de mate.

Los árabes agregaron alcohol a los aceites vegetales para disolverlos en agua. ¿Qué tipo de sistema forma el agua con los aceites y qué sistema forma cuando se añade el alcohol?

El agua y el aceite forman un sistema heterogéneo de dos fases. En cambio, el alcohol se disuelve en agua, y a su vez disuelve los aceites. Al agregar alcohol, se forma un sistema homogéneo.

En Egipto se fabricaban conos de grasa perfumados. ¿Por qué creen que la grasa podía absorber los aceites aromáticos?

Porque la grasa tiene afinidad con los aceites. ¿En qué se diferencian los preparados perfumados actuales?

Los preparados perfumados se diferencian entre sí de acuerdo con el porcentaje de esencias perfumadas.

Al final del capítulo

1. ¿Cuáles son los mejores solventes para la mayor parte de las esencias con las que se fabricaron los perfumes a lo largo de la historia?

Muchas de las esencias no son solubles en agua; por eso, el alcohol y la grasa son mejores solventes.

2. ¿Qué descubrieron los árabes en cuanto a la solubilidad de las fragancias? ¿Estas eran todas totalmente insolubles en agua? ¿El alcohol forma una solución con el agua?

Los árabes añadieron alcohol, que permitió disolver los aceites, y a su vez disolverse en agua.

3. Investiguen acerca de la elaboración de perfumes a partir de flores en la actualidad. ¿Se utiliza alguna de las técnicas vistas en este capítulo? ¿Cuáles y con qué fin?

De producción personal. Es muy probable que, al investigar, averigüen que se utiliza la destilación, que permite extraer de la solución del extracto de muchas plantas, los aceites esenciales con los que se elaboran los perfumes.

4. Una de las primeras aplicaciones que tuvo la destilación fue la obtención de aceites en la perfumería. Esta destilación tiene un efecto especial llamado “arrastre de vapor”. La mezcla de agua con fragmentos vegetales se calienta, el agua se evapora, y los aceites esenciales se evaporan en parte también, y viajan junto con el vapor de agua; cuando condensan, no se mezclan entre sí, y queda la capa de aceites flotando sobre el agua líquida. a. ¿Qué tipo de sistema forman los aceites evaporados con el agua, y qué sistema forman cuando condensan?

En estado gaseoso forman un sistema homogéneo, pero cuando condensan, forman un sistema heterogéneo. b. La capa de aceite es una mezcla de sustancias que pueden ser aisladas utilizando otra técnica. ¿Cuál será dicha técnica?

La otra técnica puede ser la destilación fraccionada. c. Un perfume caro tiene un 40% v/v de esencias, mientras que el agua de colonia posee solo 5% v/v. Comparen el volumen de esencia presente en un frasco de 500 ml de cada tipo de producto.

El perfume caro tiene 200 ml de esencias en un frasco de 500 ml, mientras que el agua de colonia tiene 20 ml. d. ¿Cómo harían para elaborar una colonia a partir de un perfume?

A partir de un perfume, el agua de colonia se podría producir agregando agua.

22

Página 45

das, indicar la cantidad de soluto que precipita, y si están insaturadas, indicar cuánto soluto podría seguir disolviéndose:

• Hagan un listado de todas las soluciones con las que pueden tener contacto en un día. Clasifiquen dichas soluciones en sólidas, líquidas o gaseosas, e indiquen en qué estado se encuentran el o los solutos.

• Una solución de clorato de potasio que se forma disolviendo 20 g de la sal en 200 g de agua a 50 ºC.

De elaboración personal del alumno. Ejemplo: jugo.

Solución líquida; solvente agua, soluto jugo en polvo (estado sólido).

Como en 200 g, a 50 ºC, la cantidad máxima que se puede disolver es 85,8 g, la solución está insaturada. Se puede seguir disolviendo 65,8 g más.

1 . Los sobrecitos de azúcar contienen 6,25 g de esta sustancia. Una persona pide un café en un bar y disuelve un sobrecito de azúcar entero en un pocillo. Si luego de disolverlo el volumen final del pocillo es de 150 ml, ¿cuál es la concentración de la solución expresada en % m/v?

La concentración de azúcar en la solución es de 9,375% m/v.

2 . Un pintor debe preparar la pintura disolviendo pintura concentrada en un solvente hasta alcanzar una concentración de 30% v/v. ¿Qué volumen de pintura concentrada debe disolver para preparar 2 litros de pintura?

En 400 g, la cantidad máxima para el nitrato de sodio, a 20 ºC, es 352. Esta solución tiene 160 g del soluto en 400 g de agua, y por ende está insaturada. Aún se podría disolver 192 g de soluto.

Página 51 • A partir de la siguiente tabla, confeccionen una curva de solubilidad.

Temperatura (°C)

Solubilidad (g soluto/100 g agua)

0

3,3

10

5,0

20

7,4

3 . Un bioquímico prepara una solución 25% m/m. Si utilizó 5 gramos de droga, ¿qué masa de agua debe haber utilizado?

30

10,5

40

14,0

En un total de 20 g de solución, si usó 5 g de droga, utilizó 15 g de agua.

50

19,3

60

24,5

Se deben disolver 600 ml de pintura.

• Estimen cuál será la solubilidad a 15 ºC y a 35 ºC.

Página 49

A 20 ºC, la cantidad máxima que se puede disolver en 200 g es 68 g.

A 50 ºC, la cantidad máxima que se puede disolver en 200 g es 85,8 g. b. ¿En qué estado se encuentran las siguientes soluciones (saturadas o insaturadas)? Si están satura-

30 Solubilidad (g st/100 g agua)

• Usen los valores de solubilidad que se presentan en la tabla y resuelvan los siguientes problemas. a. ¿Cuántos gramos de cloruro de potasio se podrán disolver como máximo en 200 g de agua a 20 ºC? ¿Y a 50 ºC?

25 20 15 10 5 0

0 10 20 30 40 50 60 70 Temperatura (ºC)

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Página 47

• 400 g de una solución de nitrato de sodio de concentración 40 g st/100 g agua, a 20 ºC.

23

CIencia en acción

[ ]

La destilación fraccionada en la industria

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1. ¿En qué se basa la destilación fraccionada industrial?

La destilación fraccionada industrial se realiza en una torre de fraccionamiento, y tiene el mismo principio que la destilación fraccionada de laboratorio: separa de acuerdo a los puntos de ebullición.

2. ¿Qué diferencia tiene la destilación fraccionada del petróleo respecto de la que se hace en un laboratorio? ¿Cuál es el gas que se obtiene primero en ambos casos: el de mayor o el de menor punto de ebullición?

En la destilación fraccionada industrial, no todos los gases suben hasta el final de la torre, como sucede con la columna de fraccionamiento en un laboratorio; el orden de las cámaras, de arriba hacia abajo, se corresponde con el orden en los puntos de ebullición. En la destilación fraccionada de laboratorio, todos los gases llegan hasta el final de la columna, y van saliendo en orden, de menor a mayor, respecto de su punto de ebullición.

3. ¿Para qué creen que pueden utilizarse las fracciones del aire? Averigüen.

De investigación personal del alumno. Pueden deducir que a través de la destilación fraccionada del aire, se puede obtener oxígeno puro (para los tanques de oxígeno) y nitrógeno (para generar tanques con nitrógeno líquido).

Taller de Ciencias ¿Qué factores modifican la solubilidad?

Este taller propone poner en práctica los conceptos vistos a lo largo del capítulo acerca de la solubilidad y de los factores que la modifican, como la temperatura, las características del soluto y las del solvente.

Actividades 1 . Clasifiquen las soluciones que prepararon en la primera parte del taller en saturadas o insaturadas.

De elaboración personal de cada alumno, de acuerdo a sus resultados. Seguramente para la sal, el azúcar y el café, con el agua caliente, la solución estará insaturada.

2. ¿Qué sucedió con la concentración de las soluciones saturadas con uno y otro volumen de agua en la segunda parte del taller? ¿Por qué?

La concentración de la solución saturada no cambió, porque no depende del volumen, sino de la temperatura.

3. Investiguen acerca de las características de las partículas de los solutos que eligieron en el simulador.

De investigación personal del alumno.

4. Elaboren un modelo, sobre la base de la teoría cinético-molecular, que explique por qué algunos solutos tienen mayor solubilidad que otros en agua.

De elaboración personal del alumno. Se espera que, con la orientación del docente, elaboren un modelo en el que tengan en cuenta los distintos grados de afinidad entre las partículas de agua y los diferentes solutos.

24

Propuesta de actividades 7. Realicen los siguientes cálculos a partir de la información que brindan los siguientes enunciados. a. Un veterinario debe preparar una solución de una droga que se encuentra en estado sólido. Si debe llegar a una concentración 3% m/v, y cuenta con un volumen total de medio litro, ¿cuántos gramos de droga deberá pesar para disolver en dicho volumen?

Deberá pesar 15 g de droga. b. Una aleación está formada por dos metales. La concentración del metal “A” es de 5% m/m. ¿Cuántos gramos de metal “A” y metal “B” hay en un objeto hecho de esta aleación, si su masa es de 1 kg?

En 1 kg (1.000 g) hay 50 g del metal A, y 950 g del metal B.

140

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8. Observen la curva de solubilidad para distintas sales, y luego respondan las preguntas que están a continuación.

AgNO3

120 Solubilidad (g st/100 g agua)

6. Decidan si los siguientes enunciados corresponden a afirmaciones correctas o incorrectas. Justifiquen su elección en todos los casos. a. Una solución no puede tener solvente gaseoso.

Falso. El aire es una solución formada por una mezcla de gases, en las cuales el solvente es el nitrógeno (que está en mayor proporción), y el resto de los solutos son gaseosos. b. No existen soluciones gaseosas con solventes sólidos.

Verdadero. Solo existen soluciones gaseosas con solventes y solutos gaseosos. c. El solvente de las soluciones líquidas siempre es el agua.

Falso. Muchas soluciones se hacen utilizando, por ejemplo, los llamados solventes orgánicos. No obstante, el agua se considera un solvente “universal”, porque muchas sustancias se disuelven en ella. d. La concentración de una solución saturada no se modifica con el volumen.

Verdadero. La concentración depende de la relación entre la cantidad de soluto y el volumen total. Ya sea que haya poco o mucho volumen de solución, si la solución está saturada, la concentración es la misma. e. La concentración de una solución saturada no varía aunque se agregue soluto.

Verdadero. La concentración de la solución saturada varía si cambia la temperatura. Si se agrega soluto, y la solución ya está saturada, el exceso se va al fondo. f. La concentración de una solución se expresa siempre respecto de la cantidad de solvente.

Falso. También se puede expresar respecto de la solución total. g. Los gases presentes en el aire se pueden obtener por separado mediante el método de destilación simple.

Falso. Mediante el método de destilación fraccionada. h. En una solución 4% m/v, hay 4 gramos de solvente cada 100 ml de solución.

Verdadero. El % m/v indica la cantidad de soluto (g) cada 100 ml de solución. i. La cantidad de gases disueltos en agua caliente es mayor que la que está disuelta en igual volumen de agua fría.

Falso. La solubilidad de los gases es mayor a menor temperatura; por eso hay mayor cantidad de gases disueltos en agua fría.

100 80 60 40

NaNO3 KNO3 KCl NaCl

20 0 20 40 60 80 100 Temperatura (ºC)

a. ¿Cuál es la sal cuya solubilidad es mayor a 0 ºC? La sal cuya solubilidad es mayor a 0 ºC es AgNO3. b. ¿Cuál es la sal cuya solubilidad se modifica en mayor grado con respecto a la temperatura? ¿Para cuál de ellas se modifica menos?

La que se modifica más es KNO3, y la que se modifica menos es la sal NaCl. c. ¿En qué estado se encuentra una solución de KNO3 a 40 ºC, si posee 20 g de sal en 100 g de agua?

Se encuentra insaturada (por debajo de la línea de la saturación). d. ¿A partir de qué concentración una solución de NaNO3 estará saturada a 0 ºC? Aproximadamente, por encima de los 70 g / 100 g de agua.

25

e. ¿Qué conclusiones respecto de la solubilidad de los solutos pueden sacar a partir de este gráfico? establezcan una relación con los resultados de la segunda actividad del taller de ciencias.

La solubilidad de los solutos sólidos, en mayor o en menor medida, aumenta con la temperatura. La solubilidad y su variación son propias del tipo de sustancia.

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9. Elijan la opción correcta en cada caso. a. en la destilación fraccionada…

• …tanto el soluto como el solvente pasan al estado gaseoso. X • …el solvente se evapora, y el soluto queda en el balón.

• …se obtiene primero el líquido de mayor punto de ebullición. b. en la cromatografía…

• …los solutos se disuelven en la fase estacionaria.

• …los solutos se mueven con la fase móvil de acuerdo con su punto de ebullición.

• …los solutos se disuelven en la fase móvil con distinta afinidad. X

10. Si prepararon gelatina alguna vez, sabrán que primero se mezcla con agua caliente y luego, se le agrega agua fría. ¿Qué sucedería si se invirtiera el orden? ¿Por qué?

Si se invirtiera el orden, no se lograría disolver bien la gelatina, ya que su solubilidad es mayor, cuanto mayor es la temperatura.

11. ¿Qué sucedería si a un té caliente saturado en azúcar lo pusieran en la heladera?

Al enfriarse el té, es decir, al perder calor, disminuiría la solubilidad del azúcar, motivo por el cual aparecería un precipitado.

[red conceptual] Solución insaturada

Solución saturada

Destilación simple Métodos de fraccionamiento

Destilación fraccionada Cromatografía

Solutos

se separan mediante están formadas por uno o más

y un

es el límite entre

no supera

las soluciones

se forman de acuerdo con la

se forman de acuerdo con la

Solubilidad

Concentración que se expresa de diversas formas

Sólidas por ejemplo

Aleación

Líquidas por ejemplo

Agua salada

Gaseosas por ejemplo

Aire

que se define como

depende de

Solvente

según su estado, las soluciones son

supera

Tipo de soluto

% m/m

Temperatura

% m/v

Presión

% v/v

Tipo de solvente

La cantidad máxima que se puede disolver en un solvente o solución a una temperatura dada

26

Capítulo 4 | La estructura de la materia

estudio de caso

la existencia de isótopos e isóbaros. También se distingue átomo o elemento y compuesto o sustancia, y se presenta una representación o esquema para los compuestos de acuerdo con su composición atómica.

Se hace un recorrido histórico respecto de los distintos criterios de clasificación y ordenamiento de los átomos, hasta llegar a la Tabla Periódica de Elementos moderna.

Se mencionan y explican las propiedades periódicas que se corresponden con el ordenamiento. Cabe destacar que no se trabaja con la configuración electrónica de los elementos, puesto que ese tema corresponde al tercer nivel de Fisicoquímica de secundaria básica.

[ ]

Secretos guardados en el cabello

Al comenzar el capítulo ¿Por qué el cabello se forma a partir de lo que se consume? ¿Qué tienen en común los alimentos, el agua y el cabello?

El cabello se forma a partir de lo que se consume, ya que toda la materia presente en el cuerpo es incorporada del ambiente. Los alimentos, el agua y el cabello están formados por materia. Puede ser que los alumnos mencionen a los átomos, ya que en el texto se habla del nitrógeno, el carbono y el oxígeno.

El texto menciona el carbono, el nitrógeno y el oxígeno. ¿Qué son?

El carbono, el nitrógeno y el oxígeno son átomos.

De acuerdo con las variedades de oxígeno proveniente del agua, los niños proceden de Puno, Perú. ¿Qué dato se debe conocer para poder sacar dicha conclusión?

Se debe conocer cuáles son las variedades del oxígeno que hay en el agua de Puno.

Al final del capítulo

1. En el texto se habla de variedades de carbono, nitrógeno y oxígeno. ¿De qué tipo de variedades se trata: iones, isótopos y isóbaros?

Son isótopos.

2. ¿Por qué creen que se puede saber cuál fue la alimentación aproximada de los niños de Llullaillaco de acuerdo con las variedades de átomos? ¿Cómo será cada alimento respecto de su composición química?

Los alimentos tienen una composición química fija, y de acuerdo con el tipo de alimento, prevalece uno u otro tipo de átomo.

3. Las variedades de otros átomos se utilizan, por ejemplo, para saber la edad de los cerámicos.

Averigüen de qué átomos se trata, y cómo funciona la determinación.

De investigación por parte del alumno.

Se utiliza la detección de variedades de potasio, y la técnica se llama datación por termoluminiscencia.

4. Investiguen en qué otro caso se utiliza el análisis de las variedades de átomos en el cuerpo de una persona para responder a un interrogante.

De investigación por parte del alumno.

Se puede utilizar en la medicina forense, para conocer lo que había ingerido una víctima antes de morir, por ejemplo.También se analiza la composición de isótopos del cabello de los cadáveres.

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Este capítulo aborda la composición atómica de la materia y la estructura interna de los átomos. Comienza con un breve recorrido histórico acerca de las concepciones en torno a la composición de la materia. No se trabaja en profundidad con la evolución del modelo atómico, que ese es un tema de Fisicoquímica del tercer año de secundaria básica. Se hace mención de las partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones, su ubicación respecto del modelo atómico actual, y su relación con las características particulares de los átomos (número atómico y el número másico). La variación de las partículas subatómicas se relaciona con la formación de iones, y con

27

Página 61

Página 65

1. De acuerdo con Empédocles y con Aristóteles, ¿de qué dependían las propiedades de la materia?¿Y de acuerdo con Leucipo y Demócrito?

• En cada caso, distingan si se trata de elementos o sustancias. En todos los casos, realicen un esquema o dibujo para representarlos. Si se trata de sustancias, usen colores diferentes para los distintos átomos. a . H2S sustancia e. P elemento b . NH sustancia f. P2O3 sustancia c . Fe elemento g. He elemento d . CCl4 sustancia h. CO sustancia

De acuerdo con Empédocles y Aristóteles, las propiedades de la materia estaban determinadas por el elemento (aire, agua, tierra o fuego) que se hallaba en mayor proporción. De acuerdo con Leucipo y Demócrito, las propiedades dependían de la forma en la que se agrupaban las partículas indivisibles que formaban la materia: los átomos.

2. De acuerdo con lo que se sabe actualmente de la composición de la materia, ¿es maciza? ¿Por qué?

La materia no es maciza, ya que los átomos tienen espacios vacíos entre el núcleo y la nube electrónica.

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3. ¿Los átomos son la porción más pequeña de la materia? ¿Son indivisibles? Justifiquen sus respuestas.

Los átomos no son indivisibles, ya que hay partículas más pequeñas en las que se podrían dividir: protones, neutrones y electrones.

Página 63

En cuanto a los esquemas, se espera que puedan distinguir los distintos tipos de átomos y, en el caso de las sustancias, dibujar los átomos de forma combinada.

Página 67 1. ¿Qué tuvieron en común los ordenamientos propuestos por Dobereiner, Newlands y Mendeléiev?

En los tres ordenamientos, se tuvo en cuenta, por un lado, un orden creciente de tamaño, y por otro lado, la similitud en las propiedades fisicoquímicas.

2. ¿Por qué Mendeléiev pudo predecir las propiedades de los átomos que aún no habían sido descubiertos?

1. ¿En qué se diferencian los átomos de los diferentes elementos que existen?

Porque según su ordenamiento, los elementos que quedaban en una misma columna tenían propiedades similares

Se diferencian en el número de protones que tienen en su núcleo.

3 . ¿Qué nuevo criterio en el ordenamiento de los átomos aportó el experimento de Moseley?

2. ¿Por qué el número másico no es característico de los elementos?

El experimento de Moseley permitió encontrar un correlato físico del número atómico (que se correspondía con la cantidad de cargas positivas en el núcleo).

Los átomos en la Tabla Periódica quedaron ordenados según su número atómico o cantidad de cargas positivas en el núcleo, y no por su peso atómico.

Porque hay átomos distintos que poseen el mismo número másico, esto ocurre porque el número másico es la suma de protones y de neutrones, y existen átomos del mismo tipo (con igual número de protones), pero que tienen distinto número de neutrones (isótopos).

3. ¿Los isótopos de un átomo son elementos diferentes? ¿Por qué?

Son variedades del mismo átomo porque poseen igual número de protones, pero que se diferencian en el número de neutrones.

4. ¿Por qué los isóbaros no son variedades de un mismo elemento?

Porque su número de protones es distinto.

Página 71 • Utilizando la Tabla Periódica de las páginas 68 y 69, comparen las propiedades periódicas para los siguientes pares de elementos, justificando la elección: Li y K; Mg y O; N y P; Ba y Ca. El litio tiene un radio atómico más pequeño que el K, puesto a que tiene menos niveles de energía ocupados por electrones. Esto hace que pertenezca a un período menor al del K. Por este motivo, posee una mayor electronegatividad y una mayor energía de ionización.

El O tiene menor radio atómico que el Mg, puesto que pertenecen al mismo período, pero tiene un número atómico mayor y, por lo tanto, mayor carga nuclear y mayor atracción sobre los últimos electrones. La electronegatividad es mayor, ya que es mayor la tendencia a atraer electrones, y mayor es la energía de ionización.

El P tiene un radio atómico mayor, porque pertenece al mismo grupo que el N, pero a un período mayor. Por este motivo, la electronegatividad es menor, y la energía de ionización, por ende, también es menor.

El Ba y el Ca pertenecen al mismo grupo, pero a distinto período. El Ba pertenece a un período mayor; por este motivo, su radio atómico es mayor, su electronegatividad es menor, y su energía de ionización también.

CIencia en acción

[ ]

Los aceleradores de partículas 1. ¿Qué hallazgos acerca de la estructura atómica se obtuvieron a partir del trabajo con los aceleradores de partículas?

Se descubrió que los átomos están formados por doce partículas elementales de dos tipos: quarks y leptones.

2. En el 2010 se realizó una experiencia en el acelerador de partículas más grande del mundo, llamado LHC o gran colisionador de Hadrones, a la que se denominó mediáticamente “La máquina de Dios”. Averigüen en qué consistió el experimento. ¿Por qué creen que a un acelerador de partículas le pueden haber puesto un apodo así?

De elaboración personal del alumno. En marzo del 2010, se realizó una colisión de protones. Como resultado, se obtuvo una energía de 7 TeV (teraelectronvoltio), lo cual significó un récord para este tipo de ensayos.

En este video del sitio YouTube, se puede ver una explicación del funcionamiento del LHC: http://goo.gl/YZH2J7 Los experimentos del CERN se hacen, entre otras cosas, para obtener información acerca del Big Bang, a través del cual se originó el Universo. Es por esto que muchos medios la apodaron “La máquina de Dios”.

Taller de Ciencias ¿Solo los elementos metálicos conducen la electricidad?

Actividades 1 . ¿Qué propiedades tienen en común todos los metales? ¿Y los no metales? ¿Algún elemento tiene alguna característica que no se parezca a las de los metales o los no metales?

Los metales están en estado sólido; conducen bien la electricidad y el calor, tienen brillo y suelen tener color grisáceo. El magnesio sólido no existe en la naturaleza, sino que se fabrica con una técnica especial.

2. Si hubieran podido medir el valor del radio atómico, la energía de ionización y la electronegatividad, ¿cómo habrían resultado para los elementos metálicos y los no metálicos: ¿altos o bajos?

El radio atómico, grande para los metales y pequeño para los no metales. La electronegatividad sería alta para los no metales y pequeña para los metales, y lo mismo sucedería con la energía.

3. Si hubieran podido medir la capacidad de conducción del calor, ¿cuáles habrían resultado buenos conductores? ¿Se les ocurre de qué forma lo podrían medir?

Los metales habrían resultado buenos conductores. La forma de medición es una propuesta propia del alumno. Pueden pensar alguna forma en la que los objetos reciban y pierdan calor (colocarlos a baño maría en agua hirviendo, o colocarlos en la heladera), todos durante el mismo tiempo, y que luego se toquen los objetos para ver cuán calientes o fríos están. Sería bueno que el docente aclarara que tocar no es una buena forma de medir la temperatura, y que aconseje usar un termómetro.

4. ¿Cuáles son las sustancias que se muestran en la introducción de este taller? Clasifíquenlas como metálica y no metálica.

El fósforo es un no metal, y el sodio es un metal.

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Propuesta de actividades 5. Indiquen en cada caso a qué científicos y/o filósofos les corresponden las siguientes afirmaciones. a. La materia está formada por partículas muy pequeñas indivisibles.

Leucipo, Demócrito, Dalton. b. Los elementos se ordenan en la Tabla Periódica según su número atómico.

Mendeléiev. c. La materia está formada por una mezcla de aire, agua, tierra y fuego.

Empédocles. d. Los elementos se organizan según sus propiedades en tríadas.

Dobereiner. e. El valor de electronegatividad más elevado es el 4, y le corresponde al flúor.

Pauling. f. Existen cinco elementos: el aire, el agua, el fuego, la tierra y el éter.

Aristóteles. g. El número atómico equivale a la cantidad de cargas positivas que tiene el núcleo del átomo.

Moseley. h. Los elementos que tienen propiedades similares están en un mismo grupo de la tabla.

Mendeléiev. i. La materia es continua (no tiene espacios vacíos).

Empédocles, Aristóteles.

6. Trabajen con la Tabla Periódica de Elementos. Busquen el número atómico y el número másico de los siguientes elementos. Indiquen la cantidad de partículas subatómicas de cada tipo (número de protones, neutrones y electrones). Indiquen a qué grupo y a qué período pertenecen. a. As Z=33; A=75; protones=33; electrones=33; neutrones=42; grupo=15/VA; período=4 b. P Z=15; A=31; protones=15; electrones=15; neutrones=16; grupo=15/VA; período=3 c. Cs Z=55; A=133; protones=55; electrones=55; neutrones=78; grupo=2/IIA; período=6 d. Ar Z=18; A=40; protones=18; electrones=18; neutrones=22; grupo=18/VIIIA; período=3e.

Hg Z=80; A=201; protones=80; electrones=80; neutrones=121; grupo=11/IB; período=6

f. Si Z=14; A=28; protones=14; electrones=14; neutrones=14; grupo=14; período=3

7. ¿Cuáles son los átomos que tienen las siguientes características? a. Está en el grupo 2 y el período 3. Mg b. Es el tercer gas noble. Ar c. Es un elemento que posee un protón menos que el oxígeno. Cl d. Está en el período 4 y es del grupo VIII a. Kr 8 . ¿Cuáles de los siguientes son elementos y cuáles son compuestos? Expliquen por qué. a. Li2S compuesto d. N2 compuesto b. CCl4 compuesto e. Ni elemento c. Fe elemento f. Ni2O3 compuesto 9 . Observen los datos y luego busquen en la tabla en qué grupo y período se encuentran los elementos. a. ¿Cómo se relaciona con el criterio de ordenamiento de Mendeléiev?

Los elementos se encuentran en el mismo grupo, y tienen propiedades parecidas (alto punto de fusión y ebullición, tipo de sustancias de las que forman parte en la naturaleza). b. ¿Se cumple el criterio de las tríadas de Dobereiner?

Se cumple, ya que el promedio de las masas atómicas del berilio y el calcio da un valor cercano a la masa atómica del magnesio.

9,01 + 40,08 = 24 545 2 c. ¿Qué propiedades tienen en común?

Como se mencionó en la respuesta de la pregunta “a”, estos elementos tienen puntos de fusión y ebullición elevados y parecidos, y forman parte del mismo tipo de sustancias. d. De acuerdo con el criterio de Mendeléiev, si hubiera un átomo no descubierto que perteneciera a esta misma columna, ¿en qué tipo de compuestos formará parte en la naturaleza?

Debería formar parte del mismo tipo de compuestos, en este caso, óxidos y cloruros.

10. Observen los siguientes datos del cuadro. ¿De qué grupo de elementos se trata? ¿Hay alguna propiedad que se comporte de forma periódica?

Se trata de los elementos del grupo 18 u VIIIA (los gases nobles o inertes). La temperatura de ebullición y fusión aumentan a medida que,

30

d. Los isótopos se diferencian en el número de protones.

Falso. Se diferencian en el número de neutrones. e. Un átomo del período 6 y grupo 2 tiene menos electronegatividad que uno del período 6 y grupo 17.

Falso. Para un mismo período, cuanto mayor es el grupo, mayor es la electronegatividad. f. Los no metales se hallan a temperatura ambiente.

Falso. Los no metales se pueden hallar a otras temperaturas también. g. Los átomos se ordenan en la tabla según la cantidad de protones.

Verdadero, ya que se ordenan según el número atómico, que coincide con la cantidad de protones que tienen los átomos.

para un mismo grupo, aumenta el período del elemento. Es importante recalcar que, aunque los valores aumenten, son muy bajos.

11. Decidan si los siguientes enunciados son verdaderos o falsos. En todos los casos, justifiquen su elección. a. Los átomos pueden perder o tomar protones.

Falso. Los átomos pueden tomar o perder electrones. b. Los elementos de un mismo período tienen propiedades parecidas.

Falso. Los elementos de un mismo grupo tienen propiedades similares. c. Los metales tienen alta electronegatividad.

Falso. Los metales tienen baja electronegatividad, porque tienen gran radio atómico.

Nombre Sustancia o compuesto

al unirse forman

Símbolo

tienen un

Demócrito y Leucipo cuya existencia fue propuesta por

los átomos

se ordenan en la

Tabla Periódica

que se abrevió con un

Empédocles

están formados por

Partículas subatómicas las que se ubican en el

en oposición a

las que se ubican en la

Teoría de los cuatro elementos

de acuerdo con

Nube electrónica

Núcleo son

Número atómico

son

Protones

Neutrones juntos determinan el

se ubican en

Número másico

Grupos

Períodos

a lo largo de las que varían las

Propiedades

Electrones

si el átomo los pierde, pasa a ser un

si el átomo los gana, pasa a ser un

Catión

Anión

Isótopos

Radio atómico Energía de ionización Electronegatividad

Metales en función de las que se clasifican en

No metales Gases nobles

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[red conceptual]

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Capítulo 5 | Los cambios en la materia En este capítulo, se desarrolla el tema de los cambios de la materia y sus clasificaciones de acuerdo a distintos criterios: físicos o químicos, reversibles o irreversibles, endotérmicos o exotérmicos. Se explican sus características particulares retomando el modelo de partículas presentado en el primer capítulo, y la composición atómica de las sustancias, trabajada en el capítulo 4. Se desarrollan con profundidad las características de los cam-

estudio de caso

[ ]

Un pegamento inesperado © Editorial Estrada S. A. 2014

bios químicos; los distintos tipos de reacciones (como la combustión y la descomposición) la forma en la que se representan dichos cambios (las ecuaciones químicas), y se presentan algunas aplicaciones industriales de los cambios químicos (metalurgia, siderurgia). Se hace mención especial de ciertas reacciones químicas y de la contaminación, como la formación de la lluvia ácida y el calentamiento global.

Al comenzar el capítulo ¿Qué es un cambio o transformación para las Ciencias Naturales?

Esta pregunta tiene el objetivo de trabajar con los conocimientos previos de los alumnos. Seguramente los alumnos, orientados por el relato, puedan definir el concepto. ¿Qué cambios ocurren en el relato? Hagan una lista enumerándolos.

1. La separación del cuajo y el suero por el agregado de vinagre.

2. La obtención de la caseína pura por el agregado de bicarbonato de sodio.

Agrupen estos cambios de acuerdo con un criterio que elijan.

No olviden explicar el criterio que tuvieron en cuenta.

Para esta pregunta sería conveniente la orientación del docente. En ambos casos ocurren reacciones químicas (ácido-base), pero la precipitación de la caseína desnaturalizada es un cambio físico.

Investiguen qué es el engrudo y cómo se elabora.

Hagan una lista de los cambios que suceden en este proceso y clasifíquenlos de acuerdo con el criterio elegido por el grupo.

Conviene aclararles a los alumnos que el engrudo también puede actuar como un pegamento casero. El engrudo más sencillo se prepara con harina y agua, y se trata de un cambio físico, se produce una mezcla sin que ocurran cambios químicos en sus componentes.

Al final del capítulo

1. Relean el estudio de caso y las respuestas que elaboraron en grupo.

Se espera que los alumnos revisen sus respuestas respecto de las características de los cambios, y de las clasificaciones que propusieron.

2. Vuelvan a responder las preguntas que hacen allí.

Seguramente, podrán contestar las preguntas con mayor profundidad y con el uso de terminología específica; incluso podrán corregir aquellas que hayan respondido de forma incorrecta.

3. ¿El cambio que ocurre en la olla al separar la caseína del suero de la leche es endotérmico o exotérmico? Expliquen.

Es endotérmico, ya que se debe calentar (Uri pone la leche en una cacerola, le agrega el vinagre y calienta la mezcla).

4. ¿Qué tipo de cambio ocurre cuando agregan bicarbonato a la caseína? ¿Cómo lo dedujeron?

Es un cambio químico. Se deduce porque se liberan burbujas, señal de que se está produciendo una sustancia nueva en estado gaseoso.

32

1. Relean los textos de la página 80, marquen todos los cambios que se mencionan y completen un cuadro como el siguiente.

Cambio

provoca el ¿Es natural? ¿Lohumano?

¿Es lento?

¿El material ¿Es instantá- se transforma neo? en uno diferente?

Si bien puede ocurrir de forma natural, en Sí (el hombre de Hervor del este ejemplo lo genera, Depende cantidad agua dentro lo provoca colocando la dela agua que el hombre, olla sobre la de la olla. porque coloca hornalla). tenga la olla. la olla sobre la hornalla.

No.

Sí (depende de la cantidad que se prepare).

No.

Sí.

Formación de mayonesa

No.

Sí.

No, sigue siendo agua, solo que pasa al estado gaseoso.

Preparación ensalada de frutas

No.

Sí.

Sí.

No.

Aparición de una sustancia rojiza sobre los objetos metálicos.

No (la fruta es la misma, solo que cortada).

Sí.

No.

Sí.

No.

Sí (la sustancia rojiza es un óxido que se forma).

No.

Sí (puede ser considerado casi instantáneo, en comparación con los otros.

Se debe aclarar que, para que la disolución sea veloz, se debe revolver).

No (aunque no lo parezca, el azúcar sigue estando, solo que disuelta; no hay cambios en el tipo de sustancia).

No.

Sí.

Agregado de azúcar al café.

Digestión de un alimento.

No.

Sí.

Sí.

No (el hombre no lo hace voluntariamente).

Sí.

Página 83 1. ¿En qué se diferencian los cambios físicos y los cambios químicos?

En los cambios físicos, las sustancias son las mismas antes y después de la transformación. En cambio, en los cambios químicos, las sustancias se modifican: los átomos se reorganizan para formar sustancias diferentes a las iniciales. Este criterio de clasificación no está relacionado con la reversibilidad.

2. Den tres ejemplos de cambios físicos y tres de cambios químicos que no se mencionen en estas páginas.

De elaboración personal del alumno. Algunos de los ejemplos de cambios físicos podrían ser: ropa que se seca al Sol, una barra de metal que se dobla para que

adquiera otra forma. Son ejemplos de cambios químicos: formación de moléculas de agua a partir de oxígeno e hidrógeno molecular, procesos de digestión en el estómago gracias a los jugos gástricos.

3. Realicen un esquema, usando el modelo de partículas, que explique la disolución de sal en agua. Qué tipo de cambio es, ¿físico o químico? ¿Por qué?

De elaboración personal del alumno. El esquema quedará similar al que figura para la disolución del azúcar.

Página 85 1. Observen las siguientes imágenes y respondan: a. ¿Cuáles son cambios físicos y cuáles químicos? ¿Por qué?

El A y el C son químicos, ya que se modifican el azúcar y el pabilo de la vela, mientras que el B y el D son físicos, ya que no cambian las sustancias. b. ¿Cuáles son reversibles y cuáles irreversibles? ¿Por qué?

El único que podría llegar a ser reversible es el D, utilizando un método de fraccionamiento. Cabe señalar el hecho de que, en el caso B, es físico e irreversible ya que, aunque se pegue el vaso, nunca estará como en la situación inicial (a menos que se derrita el vidrio y se lo coloque en un molde nuevamente).

2. Raquel y Mónica realizaron un experimento en el laboratorio del colegio. Al finalizar la reacción química, tocaron el recipiente en el que se llevó a cabo la transformación. Sintieron que estaba más frío que al principio. ¿Qué tipo de reacción tuvo lugar, endotérmica o exotérmica? ¿Por qué?

Se trata de una reacción endotérmica ya que, al tomar energía del medio, enfría las paredes del recipiente.

Fe de erratas: en la página 84 de la primera edición del libro, hay un error respecto de la clasificación de la reacción entre el bicarbonato de sodio y el vinagre; es una reacción endotérmica, ya que cuando se lleva a cabo, las paredes del recipiente se enfrían, no se calientan.

Página 87 1. ¿Qué significa que una sustancia se descompone? ¿Por qué la descomposición constituye un cambio químico?

Una sustancia más compleja se transforma en sustancias más sencillas. Se trata de un cambio químico,

© Editorial Estrada S. A. 2014

Página 81

33

ya que las uniones entre los átomos se rompen y se forman nuevas sustancias.

2. ¿Para qué se usan las combustiones en la vida diaria? Mencionen ejemplos.

De elaboración personal del alumno. Seguramente, mencione la cocción de los alimentos con la cocina, la calefacción mediante estufas a gas, y la generación de agua caliente por calefones a gas.

3. ¿Qué significa comburente? ¿Cuál es el comburente más común?

Cabe aclarar que en el texto no aparece claramente una definición de comburente. Los alumnos podrán decir que es la sustancia que siempre reacciona con el combustible en una reacción de combustión.

El comburente más común es el oxígeno.

4. ¿Quién explicó la naturaleza de la combustión? ¿Qué afirmó acerca de la composición del aire?

© Editorial Estrada S. A. 2014

Antoine de Lavoisier. En el texto no se menciona algo específico acerca de la conclusión sobre la composición del aire. Los alumnos probablemente pue-

dan decir que a partir del experimento se puede deducir que el aire posee una sustancia (el oxígeno) que participa en la reacción de combustión.

CIencia en acción

[ ]

Reacciones químicas y contaminación

1. ¿Qué perjuicio produce la liberación en exceso de gases de invernadero? ¿Qué tipo de reacción los genera?

Los gases invernadero retienen el calor, e influyen sobre el calentamiento global. La reacción que los genera es, fundamentalmente, la combustión de productos del petróleo.

2. ¿Cómo se produce la lluvia ácida? Investiguen cómo son las reacciones involucradas.

De elaboración personal del alumno. Los docentes pueden sugerir libros o sitios de Internet confiables para que realicen su investigación.

Taller de Ciencias ¿Qué factores aceleran la corrosión?

En este taller se propone realizar experimentos que permitan observar la influencia de distintos factores en la cinética de una reacción química, como lo es la oxidación del hierro metálico.

Actividades 1 . Observen la siguiente imagen. En ella se muestran los resultados que observó un grupo de alumnos al hacer este experimento.

El aceite generó una película que actuó como aislante.

La sal higroscópica absorbió el vapor de agua presente en el aire. En estos tubos la oxidación no se evidenció.

2 . Identifiquen cuál fue el procedimiento que se llevó a cabo en cada tubo y numérenlos de la misma forma que lo hicieron con sus tubos.

5 . ¿En qué tubos no hay indicios de oxidación?

El tubo 1 se corresponde con el 1 del experimento; el tubo 2, con el tubo 3; el tubo 3, con el tubo 4 del experimento, y el tubo 4, con el tubo 2.

3 . ¿En qué se diferencian los tubos 1 y 2? ¿En cuáles de los tubos la oxidación fue más notable? Elaboren una hipótesis que explique estos resultados.

En el tubo 2, la oxidación fue mayor que en el tubo 1.

4. ¿Cuál fue el efecto de agregar aceite? ¿Y de agregar la sal higroscópica? ¿Cuál fue el resultado en estos tubos?

Como se mencionó en la pregunta anterior, no se evidenció la oxidación en los tubos 3 y 4.

6 . ¿La presencia de qué factores favoreció la oxidación?

La presencia de agua y de sal.

7. ¿Cómo explicarían lo que les ocurre a los metales a la intemperie?

Los metales se oxidan cuando reaccionan con el oxígeno atmosférico, sobre todo en presencia de vapor de agua.

34

Propuesta de actividades

Cambios físicos

Cambios químicos

Las sustancias se modifican (los Se produce una modificación que átomos se reorganizan). Hay reactivos no cambia el tipo de sustancia. Las sustancias siguen siendo las mismas que (sustancias iniciales) que se transforman antes de la transformación. Pueden ser en productos. Pueden ser reversibles o irreversibles. reversibles o irreversibles.

6 . Clasifiquen los siguientes cambios en físicos y en químicos. Justifiquen cada una de sus decisiones.

A. Físico. Se rompe el material del globo con el pinchazo, y el aire se libera, pero no se transforman las sustancias.

B. Químico. Es una reacción de combustión.

C. Químico. Hay un cambio en las sustancias.

D. Físico. El agua hierve y cambia de estado, pero sigue siendo agua.

7. En esta actividad representarán átomos y moléculas.

Para ello consigan plastilina de tres colores diferentes.

Armen esferitas pequeñas de cada color. Un color representará átomos de carbono (C); otro, átomos de hidrogeno (H), y el tercer color, átomos de oxígeno (O). a. Con las esferitas que hicieron, representen la siguiente reacción química: CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O De elaboración personal del alumno. b. ¿Por qué creen que se necesitan dos moléculas de oxígeno (O2) para reaccionar con una molécula de metano (CH4) y por qué se forman una molécula de dióxido de carbono (CO2) y 2 de agua (H2O)?

Se sugiere que el alumno tome la representación en plastilina de los reactivos, separe los átomos y los reordene como indica la reacción. Ahí comprenderá que la cantidad de átomos de cada tipo, en los reactivos y en los productos, debe ser la misma. c. ¿Qué hubiese ocurrido si se hubiera utilizado solo una molécula de cada compuesto?

Sería conveniente que trabajaran de la misma forma que se trabajó con la pregunta anterior.

Llegarían a la conclusión de que no alcanzaría la cantidad de átomos de oxígeno, y sobrarían átomos de hidrógeno. d. Cuenten los átomos de cada elemento que hay al principio y los que hay al final. ¿Qué sucede con la cantidad de átomos antes y después de la reacción?

La cantidad total de átomos de cada tipo al principio y al final es la misma.

8. Completen los espacios en blanco: Como resultado de los procesos del uso de hidrocarburos, la proporción de agua y de gases invernadero en el aire está aumentando. Este aumento y el de la proporción de otros gases de las combustiones de las industrias tienen como consecuencias dos problemas ambientales: el calentamiento global y la lluvia ácida.

La reacción por la cual se transforman los combustibles en gases que se liberan a la atmósfera se llama combustión.

9. En el laboratorio del colegio, los alumnos de segundo año realizaron la siguiente experiencia: (ver descripción de la experiencia en el libro del alumno). a. ¿Qué cambios ocurrieron durante este experimento?

1. El movimiento de las limaduras.

2. La reacción entre el azufre y las limaduras de hierro por acción del calor. b. Clasifíquenlos en físicos y en químicos. Expliquen el porqué.

El primero es físico, ya que no cambian las limaduras de hierro al ser atraídas y movidas. El segundo es químico, ya que se produce una sustancia nueva. c. ¿Qué tipo de cambio tuvo lugar en el recipiente, endotérmico o exotérmico?

Exotérmico.

10. Lean las siguientes oraciones y escriban correctamente aquellas que estén incorrectas. a. En los cambios físicos, aparecen sustancias nuevas.

Incorrecta. En los cambios físicos, no cambian las sustancias. b. Los cambios de estado son ejemplos de cambios físicos.

Correcta. c. En una combustión siempre hay presencia de oxígeno.

Incorrecta. El oxígeno es el comburente más frecuente. d. Lavoisier comprobó que el oxígeno no era necesario para que un material ardiera.

Incorrecta. Comprobó que era el oxígeno del aire lo que hacía que el material ardiera. e. El hierro se encuentra en la naturaleza en estado puro.

Correcta, aunque cabe aclarar que puede estar en estado puro o formando parte de otras sustancias como la hemetita, la magnetita, la pirita y el sulfuro de hierro.

© Editorial Estrada S. A. 2014

5. En el siguiente cuadro, anoten cuáles son las características de los cambios físicos y cuáles las de los cambios químicos.

35

Capítulo 6 | Fuerzas y campos Este capítulo es el primero que trabaja exclusivamente con contenidos de Física. Se presentan las características de las fuerzas, su clasificación (fuerzas de contacto o a distancia), y se describen algunas fuerzas específicas (como la fuerza normal, la fuerza de rozamiento y la fuerza gravitatoria). Se hace mención especial de la diferencia entre las magnitudes escalares y vectoriales, y se explica por qué las fuerzas son vectoriales. También se analiza la relación entre las fuerzas y el movimiento, y se deducen, a partir de ejemplos

estudio de caso

[ ]

Julio Verne y la Luna Al comenzar el capítulo © Editorial Estrada S. A. 2014

de la vida cotidiana, las leyes de Newton. Se mencionan aplicaciones de algunas de las leyes, como el despegue del cohete y el principio de acción y reacción, y cálculos a partir de la expresión de la segunda ley. Con relación a las fuerzas a distancia, se define el concepto de campo, y se describen las características de tres campos: gravitatorio, eléctrico y magnético (los últimos dos se amplían en los capítulos 7 y 8, respectivamente). Por último, se trabaja con la presión, sus características y unidades, y su relación con las fuerzas.

¿Por qué en el texto de Verne se plantea que la caída en la Luna será menos rápida que en la Tierra?

Porque el peso es seis veces menor en la Luna. ¿Las misiones espaciales que han ido hasta la Luna habrán tenido que vencer alguna fuerza para poder llegar? ¿Cuál o cuáles?

La fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la superficie terrestre, y la fuerza de rozamiento en la atmósfera. ¿Habrá alguna relación entre lo que hace que los objetos caigan hacia abajo y la fuerza para salir de la Tierra? ¿Cuál?

La fuerza para salir de la Tierra debe superar la fuerza que hace que los objetos caigan.

Al final del capítulo

1. ¿Por qué tenían miedo de que los expedicionarios no pudieran volver de la Luna?

Porque temían que la nave quedara orbitando alrededor de la Luna como si fuera un satélite.

2. ¿Por qué utilizaron un cañón para impulsar la nave? ¿Qué fuerza tendrían que vencer antes de iniciar el viaje?

Para impulsar a la nave y vencer la fuerza de gravedad.

3. Relean las respuestas que elaboraron al contestar las preguntas de la apertura. ¿Las cambiarían? ¿Cómo?

De elaboración personal del alumno.

Página 97

2. Mencionen los componentes o características de un vector.

1. Den cinco ejemplos, en los que se involucren las fuerzas, diferentes de los que se mencionan en el texto.

Los alumnos pueden responder dos de algunas de estas características: dirección, sentido, módulo o intensidad y punto de aplicación.

De elaboración personal del alumno. Algunos ejemplos pueden ser: un orfebre dándole forma a un metal a partir de golpes con un martillo; la extensión del elástico de la cintura de un pantalón, cuando se lo pone una persona; la caída de la lluvia; la permanencia de un imán en la puerta de la heladera. También pueden mencionar la atracción entre dos cargas eléctricas de distinto sigo, o el movimiento de los astros.

3. Investiguen sobre ejemplos de magnitudes escalares. ¿Qué diferencias existen entre ellas y las magnitudes vectoriales?

Algunos ejemplos de magnitudes escalares pueden ser: temperatura, longitud, presión. La diferencia es que las magnitudes escalares únicamente se expresan con un valor numérico y una unidad.

36

1. Mencionen cinco ejemplos de diferentes situaciones en las que se observa algún efecto posible de la aplicación de una fuerza.

De elaboración personal del alumno. Algunos ejemplos pueden ser: el estiramiento del látex de un globo al inflarlo, el hundimiento de la chapa de un auto debido al impacto del granizo, un objeto cayendo, etcétera.

2. ¿Qué condiciones deben ocurrir para que un cuerpo esté en reposo?

Debe recibir fuerzas en la misma dirección, con el mismo valor numérico y en sentidos contrarios. O deben permanecer sin la influencia de ninguna fuerza, aunque rara vez es posible. Se requiere que el cuerpo esté en gravedad cero y en el vacío.

Página 101 1 . Den cuatro ejemplos en los que intervengan fuerzas por contacto diferentes de las que se mencionan en este capítulo.

De elaboración personal del alumno. Algunos ejemplos podrían ser: una persona apoyada en una pared mientras espera el colectivo, una persona moviendo los extremos de una soga para saltar, la misma soga rozando con el piso, el impacto de los cuerpo de la persona cada vez que salta, etcétera.

2. Sobre qué superficie la ficha de tejo se desplazará más rápido, ¿sobre arena o sobre cerámica? ¿Por qué?

Se desplazará más rápido sobre la cerámica, porque tendrá menos fuerza de rozamiento que sobre la arena.

Página 102 1 . Marte tiene una masa tres veces menor que la Tierra; si se tira una pelota en Marte, ¿caerá más rápido o más lento que en la Tierra? ¿Por qué?

Caerá más lentamente, porque al tener una masa menor que la Tierra, la fuerza de gravedad (el peso) también es menor.

2 . Si ambas tienen gravedad, ¿cuál es el motivo por el que una taza cae al piso, pero la Tierra no “cae” hacia la taza?

La diferencia está en la aceleración; como la masa de la Tierra es tan grande, para la misma fuerza, la aceleración es muchísimo menor. Esto se explica mediante la segunda ley de Newton F=m.a, o despejada a=F/m (si la masa es muy grande, la aceleración es muy pequeña). Es recomendable que los docentes orienten a los alumnos para elaborar la respuesta a esta pregunta.

CIencia en acción

[ ]

Los cohetes 1. ¿Qué principio posibilita la propulsión de los cohetes?

El principio de acción y reacción o tercera ley de Newton.

2. ¿Qué fuerza tiene que contrarrestar un cohete para salir de la Tierra?

Debe contrarrestar la fuerza peso, y además la fuerza de rozamiento con el aire en la atmósfera.

3. En el espacio no hay aire, y por lo tanto no hay rozamiento. ¿Qué ocurre con la velocidad de una nave que apaga el motor de sus cohetes?

En ausencia de rozamiento, si apaga el motor, no hay acción de fuerzas, y por lo tanto mantiene su estado de inercia, y la velocidad es constante (primera ley de Newton).

Página 105 1 . ¿Qué tienen en común un campo magnético y un campo eléctrico?

En ambos casos, la intensidad del campo disminuye con la distancia.

2 . ¿Qué es la presión? ¿Es una magnitud vectorial o escalar? ¿Por qué?

Es la relación entre la intensidad de la fuerza y la superficie o área sobre la cual actúa. Es una magnitud escalar, ya que no tiene dirección, sentido y punto de aplicación.

3 . Calculen la presión de una fuerza de 10 N aplicada sobre una superficie con un área de 64 m2.

Sería adecuado que los docentes aclaren la fórmula de la presión que se deduce del texto: Presión=fuerza/superficie 10 N/64m2=presión 0,16 Pa=presión

© Editorial Estrada S. A. 2014

Página 99

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Taller de Ciencias Altura, presión y velocidad de caída en un fluido En este taller se propone analizar distintos principios físicos para averiguar si existe alguna relación entre la presión de un líquido y la rapidez con la que fluye.

Actividades 1 . ¿Qué diferencia se observa en los tiempos a los que sale el agua por los agujeros? ¿A qué se debe?

5 . Si la botella es mucho más alta que la que utilizaron, ¿saldrá con más fuerza el agua? ¿Por qué?

Cuanto más abajo está el agujero, la columna de agua es mayor, y por lo tanto mayor es la presión, y mayor es la velocidad con la que fluye el agua.

Saldrá con más fuerza, ya que la columna será mayor, y tendrá más presión.

2 . ¿Qué ocurre mientras está tapada la botella? ¿Por qué?

© Editorial Estrada S. A. 2014

La presión está equiparada a la atmosférica, y por eso está en equilibrio.

3 . ¿Qué conceptos del funcionamiento de un manómetro se ponen en juego en esta experiencia?

Que cuanto mayor es la presión, mayor es la columna de agua.

4 . ¿Se comprobó la hipótesis de trabajo? ¿Por qué?

Sí. El agua cayó más rápidamente desde los agujeros que están más abajo.

6. ¿La rapidez con la que sale el líquido dependerá también del tipo de líquido? La respuesta a esta pregunta será su nueva hipótesis de trabajo. Compruébenla utilizando alcohol y aceite en lugar de agua.

Depende del tipo de líquido, porque la rapidez está relacionada con la densidad. Es conveniente que los docentes orienten en el desarrollo de la respuesta a esta pregunta.

7. ¿Por qué creen que los tanques de agua se colocan bastante por encima de los techos de las casas?

Para que el agua salga con gran velocidad.

Propuesta de actividades 4. Respondan las siguientes preguntas en la carpeta. a. ¿Qué efectos tienen las fuerzas sobre un cuerpo? Den ejemplos.

Las fuerzas pueden provocar una modificación en la forma, posición o velocidad de un cuerpo. Los ejemplos son de elaboración personal de los alumnos. b. ¿Qué tiene que ocurrir para que un cuerpo modifique su velocidad?

Debe recibir una fuerza. c. ¿Qué fuerzas están involucradas cuando se arrastra un bloque sobre un piso de cemento?

La fuerza normal, la fuerza peso, la fuerza con la que se lo empuja y la fuerza de rozamiento. d. ¿Qué es una fuerza a distancia?, ¿en qué se diferencia de las fuerzas de contacto?

La fuerza a distancia ejerce su acción sin que haya contacto entre los objetos, en contraposición con las fuerzas de contacto que, como su nombre lo indica, ejercen su acción si hay contacto entre los cuerpos. e. ¿Qué tienen en común el campo gravitatorio, el magnético y el eléctrico? ¿En qué se diferencian?

Todos ellos dependen, de manera inversa, respecto de la distancia. El campo gravitatorio siempre genera fuerzas de atracción, mientras que el eléctrico y el magnético pueden generar fuerzas de atracción o de repulsión.

5. Observen las siguientes imágenes. a. Clasifiquen las fuerzas que actúan en fuerzas de contacto y a distancia.

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6 . Asocien los conceptos de los recuadros con cada uno de los conceptos que están debajo.

A

B

Dos fuerzas con igual dirección e intensidad, pero sentido contrario, que actúan sobre un cuerpo hacen que este esté en…

Aceleración

Cambio en la velocidad de un cuerpo.

Vector

Representación gráfica de las magnitudes en las que además de una intensidad puede indicarse una dirección y un sentido.

Reposo

Fuerza que aparece entre dos superficies en contacto que se desplazan una respecto de la otra.

Inercia

Tendencia que poseen los cuerpos a mantener el estado de movimiento que poseen.

Rozamiento

Tipo de fuerzas características entre los imanes.

A distancia

7. Indiquen si las siguientes afirmaciones son correctas. Justifiquen su elección en cada caso.

a. El único efecto que produce una fuerza es el cambio de velocidad de un cuerpo.

Incorrecta. Puede provocar una deformación o un cambio de posición. b. La fuerza es una magnitud vectorial al igual que la presión.

Incorrecta. La fuerza es vectorial, pero la presión no. c. Cuanto más lejos estén los objetos del campo gravitatorio, mayor es la intensidad que se genera.

Incorrecta. Cuanto más lejos estén los objetos, menor es la intensidad. d. A toda fuerza le corresponde otra de igual intensidad y sentido, pero de dirección opuesta.

Incorrecta. De sentido opuesto. e. Las fuerzas mencionadas en el punto anterior actúan sobre el mismo cuerpo.

Incorrecta. Los pares de acción y reacción o interacción actúan sobre cuerpos distintos. f. Las brújulas funcionan gracias al campo gravitatorio de la tierra.

Incorrecta. Funcionan gracias al campo magnético.

8. Observen las siguientes imágenes y expliquen por qué el segundo objeto es más adecuado para caminar en la nieve que el primero (no tengan en cuenta el abrigo o la elegancia).

El segundo par es el más adecuado; aunque parezca menos abrigado, la presión que se genera en la suela es menor, puesto que la fuerza se distribuye en todo el pie, y no se hunde. En los zapatos, en cambio, los tacos concentran la fuerza en una superficie muy pequeña, motivo por el cual la presión es mayor, y se hunde en la nieve.

9 . En el siguiente esquema, se muestran fuerzas de interacción entre distintos cuerpos. a. Indiquen cuáles son pares de interacción. Justifiquen su respuesta.

Pares de interacción: F5 y F6; F1 y F4. b. Indiquen cuáles son fuerzas de contacto y cuáles son a distancia.

F1, F4, F5 y F6 son a distancia. Las demás son de contacto. c. ¿Qué otros pares de fuerzas de contacto agregarían?

Se podría agregar la fuerza normal que actúa sobre el bloque 2, y la fuerza normal que actúa sobre el bloque 1.

1 0. Resuelvan los siguientes ejercicios. a. Calculen la fuerza necesaria para acelerar 5 m/s2 un cuerpo de 17 kg.

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A-Fuerza con la que se patea la pelota: de contacto.

B-Fuerza magnética: a distancia.

C-Fuerza eléctrica: a distancia.

D-Fuerza gravitatoria o peso: a distancia.

E-Fuerza con la que se martilla: de contacto.

F-Fuerza con la que se empuja el carro: de contacto. b. Elijan tres de los casos de las fotografías y hagan un esquema sencillo en el que indiquen las fuerzas que están aplicadas sobre el objeto. Háganlo mediante vectores.

De elaboración personal del alumno. Es recomendable que los docentes orienten a los alumnos en la resolución de esta actividad, para que reconozcan todas las fuerzas que actúan. c. Existe una fuerza que es muy intensa en todos los casos excepto en uno, ¿cuál es la excepción?

La fuerza gravitatoria. Si la imagen D es en el espacio, lejos de la acción de campos gravitatorios, no hay acción de fuerzas. En la imagen, no obstante, podría ser que estuviera cerca de la Tierra, motivo por el cual habría fuerza gravitatoria, pero menor que en los casos anteriores, por estar más lejos de la superficie terrestre.

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© Editorial Estrada S. A. 2014

Es un ejercicio que se resuelve con la segunda ley de Newton.

F=m.a F=17 kg.5 m/s2 F=85 N b. Dos objetos, uno de 5 Kg y otro de 10 Kg, son arrojados desde cierta altura en una cámara de vacío (sin aire) en la Tierra. ¿Cuál llega primera al suelo? ¿Y si el experimento se desarrolla en la Luna?

Los dos llegan al mismo tiempo, puesto que la aceleración es independiente de la masa. En la Luna caerían juntos también, pero con una aceleración seis veces menor. c. Calculen la fuerza necesaria para que la presión sobre una superficie sea de 850 pa.

Presión=fuerza/superficie.

A este problema le falta el dato de la superficie.

Si suponemos que la superficie es 1 m2, entonces: 850 Pa=fuerza/1 m2 850 Pa.1 m2= fuerza 850 N=fuerza

d. Un cuerpo apoyado sobre una superficie ejerce una presión de 1.500 pa. Si la masa de ese cuerpo es de 15 kg, ¿cuál es el área de la superficie?

Sería conveniente que los docentes asesoraran a los alumnos en la resolución de este problema. El objeto ejerce sobre la superficie una fuerza igual a su peso. Aplicando la segunda ley de Newton, se deduce la fórmula del peso: F=m.a Peso=m.g, donde g es 9,8 m/s2 (la aceleración de la gravedad sobre la superficie terrestre) Peso=15 kg.9,8 m/s2 Peso=147 N Con el dato del peso, se puede averiguar la superficie utilizando la fórmula de la presión: Presión=fuerza/superficie 1.500 Pa=147 N/superficie 1.500 Pa . superficie=147 N Superficie=147 N/1.500 Pa Superficie=0,098 m2

[red conceptual]

Cambio de forma

Vectores Isaac Newton

enunció

3 leyes

se representan por

Cambio de posición

provocan

LAS FUERZAS

estudiadas por

1.era ley

2.da ley

Cambio de rapidez

3.era ley

pueden ser

Rozamiento

representada por la ecuación

F = m.a conocida como

Principio de acción y reacción

como

Fuerza eléctrica

Fuerza magnética actúan a través de

Normal

Ley de inercia

A distancia

De contacto

como

también llamada

Campos

Fuerza gravitatoria o peso

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Capítulo 7 | La electricidad En relación con el capítulo 6, se amplían las características de la fuerza eléctrica y del campo eléctrico. Se retoma la composición atómica para explicar la composición eléctrica de la materia, y se distinguen los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas quietas (electrostática) y las cargas eléctricas en movimiento (corriente eléctrica). Se definen las distintas magnitudes en relación con la electricidad y sus unidades correspondientes (intensidad de corriente, diferencia de po-

[ ]

El agua serpenteante Al comenzar el capítulo ¿Qué creen que le pasa al agua cuando Mati acerca la regla? ¿Por qué se curva?

Esta pregunta apunta a recoger los conocimientos previos acerca de la electricidad. Se espera que mencionen el hecho de que a través de la frotación de la regla, esta se carga, y por eso el agua se curva. ¿Qué le pasaba al trozo de ámbar que Thales frotaba con piel? ¿Por qué el filósofo pensaba que le pasaba lo mismo que a un imán?

Luego de frotar el ámbar, este atraía pedacitos de madera, plumas o pelos. Lo relacionó con los imanes, puesto que también observaba fuerzas de atracción a distancia.

Repitan el “truco de magia” de Mati en sus casas: froten una regla de plástico con un trozo de lana y acérquenla al agua que sale por la canilla de la pileta de la cocina. Luego, repitan el procedimiento y acerquen la regla a trocitos pequeños de papel.

De producción personal. Puede ampliarse la actividad preguntando más acerca del comportamiento de los trocitos de papel (que llegan a pegarse a la regla y luego se desprenden), para inducir a los alumnos a deducir las tres formas de electrización.

Traten de explicar con sus palabras qué es lo que ocurre en los casos anteriores. ¿Por qué fue importante el descubrimiento de la estructura de la materia para entender estos fenómenos?

De elaboración personal del alumno. Esta pregunta también apela a los conocimientos previos de los alumnos respecto de la estructura de los átomos. ¿Qué usos importantes tiene la electricidad en la vida cotidiana? Investiguen con los adultos de sus casas.

De elaboración personal de los alumnos. Si esta actividad se realiza en el aula, pueden reflexionar acerca del uso de la electricidad en la escuela.

Al final del capítulo

1. Vuelvan al Estudio de caso del comienzo del capítulo y las respuestas que elaboraron en grupo.

De elaboración personal del alumno.

2. Vuelvan a responder las preguntas que se hacen allí.

De elaboración personal del alumno. Seguramente, ahora podrán realizar las respuestas de forma más completa.

3. Expliquen qué es lo que sucede entre la regla y el chorro de agua corriente, para que se produzca el “truco de magia”. a.¿Qué tipos de electrización se producen durante el proceso? Descríbanlos.

Se produce la electrización por fricción (entre la regla y el pulóver, ya que con el rozamiento intercambian cargas), y por inducción (entre la regla y el agua, puesto que la regla cargada induce la reorganización de las cargas del agua). b. ¿Creen que el truco podría haberse realizado con agua destilada (sin sales)?

Con agua con sales, el truco es mucho más evidente, puesto que las sales están formadas por iones que pueden desplazarse fácilmente cuando están disueltas en agua.

4. En el texto se mencionan distintos fenómenos relacionados con la electricidad. ¿Qué rama de la física estudia estos fenómenos? ¿Qué los caracteriza?

La electrostática estudia estos fenómenos, que se caracterizan por ser el resultado de la acción de cargas en reposo.

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estudio de caso

tencial o voltaje, resistencia). Se analizan las características de las distintas fuentes (pilas, baterías, generadores), los tipos de corriente (continua y alterna), las características de la resistencia (factores que influyen, y el efecto joule en la transformación de energía), y se presenta y explica la ley que vincula las tres magnitudes (diferencia de potencial, intensidad de corriente y resistencia): la ley de Ohm. Por último, se explican los distintos tipos de circuitos, su representación y sus aplicaciones.

41

Página 113

Página 117

1. Indiquen si la siguiente afirmación es correcta:

1 . Mencionen las fuentes de corriente eléctrica más conocidas.

“Los aniones se generan por ganancia de electrones, y los cationes, por ganancia de protones”. Justifiquen su respuesta.

Es incorrecta. Los aniones se generan por ganancia de electrones, pero los cationes se producen por pérdida de electrones, no por ganancia de protones.

2. Expliquen en qué consiste el proceso de electrización de un cuerpo. ¿Qué tipos de electrización existen?

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Un cuerpo adquiere cargas o tiene sus cargas redistribuidas, de modo que interactúa con otro cuerpo electrizado, a través de fuerzas de atracción o de repulsión. Hay tres tipos de electrización: por fricción, por contacto y por inducción.

3. Indiquen qué tipos de electrificación tienen lugar en el siguiente proceso. Se frota una regla de plástico con un paño de tela, la regla se aproxima al cabello de una persona, y este se eriza hacia la regla. Justifiquen su respuesta.

Al frotar la regla con el paño de tela, se produce electrización por fricción (intercambian cargas), mientras que el cabello se electriza por inducción al acercarle la regla cargada (la regla induce a que se reorganicen las cargas en el cabello, y que se enfrenten cargas opuestas).

Página 115 1. Si por medio de un conductor se ponen en contacto dos cuerpos que presentan la misma cantidad de electrones, ¿se producirá corriente eléctrica? ¿Por qué?

No se producirá corriente, puesto que no habrá diferencia de potencial.

2 . ¿Por qué se aconseja apoyarse sobre goma cuando se cambia una lamparita?

Porque la goma es un mal conductor de la electricidad.

3. ¿Qué tipo de corriente se utiliza en las casas? ¿Por qué?

Se utiliza la corriente alterna, ya que es el tipo de corriente que distribuye la red domiciliaria. La corriente alterna se obtiene a través de generadores eléctricos. La corriente alterna es menos costosa que la continua, y genera menos pérdida de calor.

Las pilas, las baterías y los generadores (que están en centrales eléctricas).

2 . ¿En qué se diferencian las pilas, las baterías y los generadores?

Las pilas y las baterías transforman energía química en eléctrica, mientras que los generadores transforman la energía mecánica en eléctrica.

3 . Investiguen de qué están hechas y cómo funcionan las pilas que se utilizan en los relojes.

De investigación personal del alumno. Son pilas de mercurio.

Página 119 1 . Expliquen qué es la intensidad de corriente y qué es la resistencia.

La intensidad de corriente es la cantidad de electrones que circulan por un conductor en un dado tiempo, y la resistencia es el freno que ofrece un material al paso de los electrones.

2 . ¿En qué consiste el efecto Joule? Mencionen artefactos en los cuales se utilice este efecto como modo de generar calor.

Es la transformación de la energía eléctrica en calor por acción de la resistencia de los materiales. En el texto se menciona la planchita de pelo y la tostadora. Otros ejemplos son los caloventores, las pavas eléctricas, o la plancha de la ropa.

3 . ¿Qué componentes tiene un circuito eléctrico? ¿Qué función tiene cada uno? Den ejemplos de fuentes y de resistencias.

Los componentes son cuatro: una fuente (que genera y pone en movimiento las cargas eléctricas), el conductor (que conecta los polos de la fuente con un dispositivo y permite el desplazamiento de las cargas), la resistencia (que transforma la energía eléctrica en otra forma de energía), y el interruptor (que permite o impide el paso de la corriente).

Fuentes: pilas, baterías, red domiciliaria. Resistencias: cualquier dispositivo que usa electricidad (heladera, licuadora, televisor, etcétera).

42

Página 120 CIencia en acción

En los circuitos en serie, las resistencias están conectadas una a continuación de la otra, mientras que en la conexión en paralelo, cada resistencia tiene una propia rama que se conecta directamente a la fuente.

En el texto solo se menciona que, en los circuitos en paralelo, si una resistencia deja de funcionar, el circuito no se corta, porque la corriente puede seguir circulando por las otras ramas, mientras que en el circuito en serie, si falla una resistencia, la corriente deja de circular en todo el circuito. En el texto no se mencionan otras ventajas o desventajas.

2 . Busquen en sitios de internet el esquema que represente cómo es por dentro una linterna. ¿La conexión es en serie o en paralelo? ¿Por qué?

De investigación personal del alumno. Si se trata de una linterna que tiene más de una pila, estas suelen estar colocadas en serie, lo que aumenta la diferencia de potencial.

3 . ¿Por qué en los domicilios los circuitos son en paralelo?

Porque si fueran en serie, si un artefacto se quemara, ningún otro podría funcionar, ya que se cortaría el paso de la corriente.

[ ]

Generación, transporte y

distribución de la electricidad 1. ¿Qué transformación de energía es común a todas las centrales eléctricas?

En todas las centrales, hay generadores eléctricos que transforman la energía mecánica en energía eléctrica.

2. ¿Qué importancia tienen los transformadores?

Permiten modificar el voltaje, y disminuirlo a los valores que se utilizan en las casas.

3. ¿Cuál es la importancia de los interruptores termomagnéticos? ¿Sobre qué fenómeno se basa su funcionamiento?

Detectan cualquier calentamiento de los circuitos por encima de los valores normales, y lo cortan. Su funcionamiento se basa en el efecto Joule.

4. Investiguen acerca de los daños que pueden ocasionar al ambiente las distintas fuentes de energía. Discutan cuál les parece que es el mejor método de generar energía eléctrica a gran escala.

De investigación y elaboración personal del alumno. Los docentes pueden sugerirle al alumno que realice un cuadro comparativo entre las distintas fuentes de energía (asociadas a la generación de energía eléctrica).

Taller de Ciencias ¿La intensidad depende del tipo de circuito?

En esta actividad se proponen una serie de experimentos que permitan observar el comportamiento de la intensidad, la resistencia y el voltaje en los dos tipos de circuitos eléctricos básicos: en paralelo y en serie.

Actividades 1. ¿El brillo de las lamparitas en el circuito en serie es igual al del primer circuito? ¿Y en el circuito en paralelo?

No, debería evidenciarse una diferencia. El brillo de la lamparita del primer circuito es el mayor (es mayor la corriente, porque es menor la resistencia). Y en el circuito en paralelo, la corriente se divide, y es mayor que la corriente total en el circuito de las dos lámparas en serie.

2. ¿La intensidad de corriente que atraviesa a la lamparita conectada en serie es mayor, menor o igual que la intensidad de corriente que atraviesa las lamparitas conectadas en paralelo? Justifiquen.

La intensidad de corriente que atraviesa a las lamparitas conectadas en serie es menor, puesto que juntas ofrecen más resistencia a todas las cargas; en los circuitos en paralelo, en cambio, la corriente se divide en cada rama, y la resistencia total del circuito es menor, motivo por el cual la corriente total es mayor.

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1. ¿Cuál es la diferencia entre un circuito en serie y uno en paralelo?¿Cuáles son las ventajas y las desventajas de cada uno de ellos?

43

3. ¿Qué ocurriría si el filamento de la lamparita conectada en serie se quemara? ¿Dejarían de brillar las otras? Hagan la prueba quitando una lamparita del portalámparas del circuito.

No brillaría ninguna, ya que dejaría de circular la corriente.

4. ¿Y si se quemara el filamento de una de las que están conectadas en paralelo? Hagan la prueba y anoten los resultados.

Las otras seguirían brillando; incluso, brillarían más, porque las cargas se repartirían entre las ramas del circuito que quedaron funcionando.

5. ¿Qué varía al trabajar con una pila en lugar de con dos?

El trabajo con dos pilas aumenta la diferencia de potencial o voltaje, si están conectadas en serie, y aumenta la corriente, si están conectadas en paralelo.

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6. ¿Qué plantea la ley de Ohm? ¿Se comprobó en esta experiencia? ¿Por qué?

La ley de Ohm plantea la siguiente relación V=R.I. Esta ley se comprobó ya que, cuanto menor es la resistencia para el mismo voltaje, mayor es la corriente. Cuando las lamparitas estaban en serie, la resistencia era mayor, y por lo tanto, para el mismo voltaje, la corriente fue menor. Se sugiere que, de ser necesario, los docentes aclaren lo que sucede con la ley de Ohm para cada resistencia en un circuito con resistencias en serie y en un circuito con resistencias en paralelo.

7. Las imágenes representan circuitos; indiquen cuáles son en serie; cuáles, en paralelo, y cuáles son incorrectos. Expliquen por qué son incorrectos.

A. Correcto. Ni en serie ni en paralelo, porque tiene una sola resistencia. B. Correcto. En serie. C. Correcto. En paralelo. D. Incorrecto.

Falta un interruptor (el circuito no está ce-

rrado). E. Incorrecto. No tiene interruptor, y tiene una rama de conductor que no está conectada a nada. F. Incorrecto. El circuito no está cerrado.

Propuesta de actividades 7. Indiquen si las siguientes afirmaciones son correctas o incorrectas. Justifiquen su elección en todos los casos. a. Los electrones tienen carga positiva.

Incorrecta. Los electrones tienen carga negativa. b. El núcleo de los átomos está formado por protones y neutrones.

Correcta. c. Los protones tienen carga postitiva.

Correcta. d. Los neutrones tienen carga negativa.

Incorrecta. Los neutrones no tienen carga. e. El átomo más simple que existe es el del oxígeno.

Incorrecta. El átomo más simple es el hidrógeno. f. En los circuitos en serie, la intensidad de corriente es la misma en todo el circuito.

Correcta. g. La corriente eléctrica es el desplazamiento de protones a lo largo de un conductor.

Incorrecta. Es el desplazamiento de cargas negativas (electrones).

Amperios • electrización por fricción • materiales aislantes • llaves térmicas • electrización por inducción • conductor • electrones • intensidad a. La electrización por inducción tiene lugar cuando se ponen en contacto un cuerpo cargado positivamente y un cuerpo neutro. b. La electrización por fricción tiene lugar cuando se frota un cuerpo contra otro. c. Los materiales aislantes no permiten el paso de la energía eléctrica. d. Las llaves térmicas abren el circuito para evitar sobrecargas de tensión. e. La corriente eléctrica es la circulación de electrones a través de un material conductor que une dos cuerpos con diferencia de potencial. Ahora bien, dicha cantidad no siempre es la misma. Es decir, por un conductor pueden pasar más electrones que por otro en el mismo tiempo. f. Se conoce como intensidad a la cantidad de electrones que circula por un conductor en un determinado tiempo. g. La intensidad de la corriente eléctrica se mide con una unidad llamada amperios.

8 . Cada una de las siguientes oraciones definen o establecen una característica relacionada con la electricidad. Completen con los conceptos correspondientes que se encuentran en la siguiente lista:

9 . Observen los siguientes ejemplos e indiquen si se trata de electrización por frotamiento, por inducción o si sucedieron ambas cosas. Justifiquen su elección.

44

A: Por frotamiento, puesto que cuando se pasa el peine por el pelo, estos intercambian electrones.

1 1 . Observen las imágenes y clasifíquenlas según el tipo de circuito del que se trate: en serie o en paralelo. En cada caso, realicen un esquema indicando los símbolos de cada componente.

B: Por frotamiento, entre la ropa del niño y el material del juego.

A: Paralelo. Dos resistencias en paralelo y una fuente, con dos interruptores, uno para cada resistencia.

C: Por inducción, entre la nube y el suelo.

D: Por inducción, entre el peine y los papeles (cabe aclarar que una vez que los papeles tocan el peine, se electrizan por contacto, y finalmente se separan porque adquieren la carga del peine).

B: Serie. Tres resistencias en serie y cuatro fuentes en serie, sin interruptor.

C: Serie. Tres resistencias en serie y una fuente, sin interruptor.

1 0. Dibujen el símbolo que corresponde a cada uno de los siguientes componentes de un circuito.

Los esquemas son de realización personal del alumno.

De elaboración personal del alumno. Puede guiarse con los símbolos que aparecen en la página 119 del libro.

[red conceptual]

electricidad

se genera a gran escala en

que pueden ser

Centrales

donde se transforma

Átomos

que constituyen la

Geotérmicas

Hidroeléctricas

en

Materia

Energía mecánica

Nucleares

está presente en los

Electrones

Neutra

mediante algunos procesos queda

al fluir generan

Corriente

Cargada eléctricamente

Térmicas

por

que tiene

Intensidad

Inducción

Fricción

Contacto

circula por

Circuitos

esto produce lo que se conoce como

Resistencia

En serie

Estática

Voltaje

En paraleo

producido por

Mixtos Fuentes

Pilas

Baterías

Generadores

© Editorial Estrada S. A. 2014

está presente en los

45

Capítulo 8 | El magnetismo Este capítulo se relaciona con el capítulo 6 y, en gran medida, con el capítulo 7, puesto que la electricidad y el magnetismo son dos propiedades físicas íntimamente vinculadas. En primera instancia, se describen las características de los materiales magnéticos y de los imanes, y su clasificación. Se profundiza el concepto de campo magnético trabajado en el capítulo 6, y se introduce el concepto de líneas de campo. Se ex-

estudio de caso

[ ]

Gire a la derecha… recalculando

Al comenzar el capítulo ¿Qué instrumento fabricó el profesor? © Editorial Estrada S. A. 2014

plica la relación entre la electricidad y el magnetismo (cómo una corriente genera un campo magnético, y un imán en movimiento genera una corriente), a través de los experimentos de Oersted y Faraday. Se explican distintas aplicaciones del electromagnetismo: el funcionamiento del motor eléctrico, los transformadores y los generadores eléctricos, con una mención especial sobre los trenes de levitación magnética.

El profesor fabricó una brújula casera. ¿Por qué estaba seguro de qué dirección seguir?

Porque las brújulas apuntan siempre al Norte, y el Este queda a la derecha del Norte. ¿Para qué creen que habrá usado el imán? Expliquen qué ocurrió con la aguja luego de ponerla en contacto con este objeto.

Esta pregunta apunta a recoger los conocimientos previos del alumno. Los docentes pueden orientar a los alumnos para que generen hipótesis, si es que no contaban con estos conocimientos.

Utilizó el imán para magnetizar a la aguja, que luego del contacto con este objeto, quedó con polos magnéticos. ¿Qué fuerza es la que hace que la aguja se mueva? ¿De dónde proviene esa fuerza?

Al igual que en la pregunta anterior, la intención es recopilar los conocimientos previos sobre el tema. La fuerza se llama magnética, y proviene de la interacción entre la aguja y el campo magnético terrestre.

Al final del capítulo

Vuelvan a leer el Estudio de caso del comienzo del capítulo, y respondan: 1.¿Cambiarían alguna de las respuestas que dieron al comenzar el capítulo? ¿Qué respuestas darían ahora?

Probablemente, amplíen las respuestas con los conocimientos adquiridos en el capítulo.

2. ¿Qué punto cardinal señaló la aguja del profesor?

La aguja señaló al Norte geográfico (que corresponde al sur magnético).

3. ¿Qué diferencia hay entre una brújula de fabricación casera y una de fabricación industrial?

Las brújulas industriales están construidas con un imán en forma de aguja, que gira libremente sobre una plataforma que tiene indicados los puntos cardinales; las brújulas caseras (como la que hizo el profesor), también tienen un imán, o una aguja magnetizada, colocada sobre una superficie que flota sobre agua y puede girar.

4. ¿Es confiable una brújula que no indique puntos cardinales? ¿Por qué?

Tiene que conocerse cuál es el polo norte y sur del imán de la brújula; de ese modo se sabrá que el polo norte del imán siempre apuntará al sur magnético terrestre (que es el Norte geográfico), y el polo sur del imán apuntará al norte magnético terrestre (que es el Sur geográfico).

5. ¿Qué información acerca del magnetismo terrestre debe haber necesitado Jorge para poder orientarse correctamente?

Jorge tiene que haber sabido que los polos magnéticos terrestres y los polos geográficos están invertidos.

6. ¿Confiarían en una brújula que se encuentra cerca de un artefacto eléctrico encendido? ¿Por qué?

No sería confiable, puesto que el aparato eléctrico encendido genera un campo magnético.

46

1. ¿Qué tipo de fuerza es la fuerza magnética?

Es una fuerza a distancia. a. ¿Qué características tiene esta fuerza?

Esta fuerza depende de manera inversa de la distancia, y de manera directa respecto de la masa. Es de atracción entre polos opuestos, y de repulsión entre polos iguales. b. Expliquen lo que observó Coulomb.

Coloumb descubrió que la fuerza disminuía respecto del cuadrado de la distancia entre los imanes, y aumentaba de forma directa respecto de las masas.

2. Comparen las fuerzas magnética, eléctrica y de gravedad. ¿En qué se parecen y qué las diferencia?

Para responder esta pregunta, se recomienda que el alumno relea el capítulo 6. Todas ellas dependen de forma inversa del cuadrado de la distancia, y de forma directa respecto de la masa (en el caso de la gravitatoria), de la carga (en el caso de la eléctrica), y de la masa magnética (en el caso de la magnética). La de gravedad siempre es de atracción, mientras que la magnética y la eléctrica pueden ser de atracción o de repulsión.

3. ¿Cómo se denominan las “zonas” donde se concentran las limaduras de hierro que se acercan a un imán? ¿Por qué creen que se los llama así?

Se llaman polos (norte o sur). Se los llama así por comparación con los polos terrestres.

4. Elaboren una hipótesis que explique cómo es que al cortar un imán en partes cada vez más pequeñas, estas siguen siendo imanes con dos polos.

De elaboración personal del alumno. Esto sucede porque cada átomo se comporta como un pequeño imán, y se conserva la orientación de los polos magnéticos en cada uno de ellos.

Página 131

son atraídos fuertemente, y quedan magnetizados; los segundos son repelidos transitoriamente, y los terceros son atraídos débilmente.

2. Expliquen qué es un campo magnético. ¿Qué representan las líneas de campo?

Es una zona de influencia que genera un imán a su alrededor, más intensa en las zonas más cercanas al imán, y más débil en las zonas más alejadas. Las líneas de campo representan la forma en la que ejerce su influencia el campo magnético. Estas se pueden poner en evidencia utilizando un imán debajo de un papel y sobre el papel, limaduras de hierro; las limaduras de hierro se ubican en las líneas de campo.

3. Elaboren una hipótesis acerca del funcionamiento de una brújula.

De elaboración personal del alumno (en las páginas siguientes, podrá contrastar su hipótesis). Seguramente, podrán deducir que hay alguna relación entre los imanes y los polos terrestres.

Página 133 1. Expliquen cómo funciona una brújula.

La aguja magnetizada se orienta respecto de los polos magnéticos de la Tierra, que funciona como un gran imán. El polo norte magnético de la aguja apunta al sur magnético de la Tierra, y viceversa.

2. ¿Es correcto decir que la aguja de una brújula apunta hacia el Polo Norte? ¿Por qué?

No es correcto, ya que la aguja apunta al polo sur magnético (que coincide con el Polo Norte geográfico).

3. Construyan una brújula casera. Para ello relean el Estudio de caso de la página de apertura de este capítulo. Prueben su funcionamiento.

De realización personal del alumno. Sería interesante que efectuaran esta actividad en clase, para que los alumnos puedan recibir el asesoramiento de los docentes.

1. ¿Qué es la magnetización de un material? ¿Cómo se comportan los distintos tipos de materiales magnetizables en las proximidades de un imán?

4. ¿Qué importancia tiene para los seres vivos que habitamos este planeta el campo magnético terrestre?

Es la capacidad de tener un comportamiento frente a un imán. Los materiales pueden ser ferromagnéticos, diamagnéticos o paramagnéticos; los primeros

Muchas especies, como aves migratorias, hormigas o tortugas marinas, se desplazan de acuerdo a las líneas del campo magnético terrestre.

© Editorial Estrada S. A. 2014

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47

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2. Investiguen en sus casas en qué electrodomésticos se utilizan transformadores y en cuánto modifican el voltaje.

1. ¿Cuál fue el fenómeno observado por Oersted? Investiguen acerca de los experimentos de André Marie Ampère vinculados al electromagnetismo.

En las computadoras. Se utilizan en los enchufes, que modifican el voltaje de 220 V, a 110 V.

CIencia en acción

2. Expliquen cómo está formado el electroimán. ¿En qué se diferencia de un imán permanente?

Trenes que funcionan

Un electroimán está formado por una bobina por la que circula electricidad, enrollada en una barra de un material ferromagnético. El electroimán funciona siempre y cuando circule electricidad por el alambre; en los imanes permanentes, los polos son fijos.

3. Construyan su propio electroimán. Para ello, observen el siguiente video del sitio YouTube y sigan las instrucciones que se dan allí: http://goo.gl/SbdjKn De realización personal del alumno. © Editorial Estrada S. A. 2014

[ ]

Oersted observó que las corrientes eléctricas generan campos magnéticos.

Página 136 1. ¿Sobre qué fenómeno se basa el funcionamiento de un transformador? ¿Cuál es su función?

Se basa en el fenómeno de inducción electromagnética.

con magnetismo

1. ¿Cuál es el principio por el cual se asienta el tren de levitación magnética?

Su funcionamiento es similar al de un motor eléctrico. Se basa en el principio de inducción electromagnética.

2. ¿Qué ventajas presenta este medio de transporte respecto de otros como el avión, el barco o los automóviles?

Como las partes sufren poco rozamiento (no se tocan, solo hay rozamiento con el aire), su desgaste es menor (requiere menos mantenimiento).

3. Investiguen en qué países se están utilizando estos trenes. ¿Hay algún proyecto en América latina para la construcción de estos trenes? ¿Cuál?

De investigación personal del alumno. Se están usando en China y en Japón. En Latinoamérica hay proyectos en Venezuela y en Brasil.

Taller de Ciencias ¿Es posible generar un campo magnético con electricidad?

El objetivo de este taller es reproducir la experiencia de Oersted a partir de la cual generó un campo magnético a través de corriente eléctrica.

Importante: a fin de evitar inconvenientes, sería adecuado no cerrar el circuito únicamente con el cable, ya que habría poca resistencia, y por lo tanto, riesgos de sobrecalentamiento. Por ejemplo, se podría agregar una pequeña lamparita, y utilizar otro cable para conectar la lamparita a un polo de la batería.

Actividades 1 . Escriban un texto breve explicando qué cambios observaron en la brújula y en la aguja imantada al abrir y cerrar el circuito.

De elaboración personal del alumno. Se espera que los alumnos indiquen que se modificó la posición de la aguja cuando el circuito se cerró, pero que cuando se abrió el circuito, la aguja quedó en

el mismo lugar, tanto en el caso de la brújula como en el de la aguja imantada.

2 . ¿Con la aguja imantada sucedió lo mismo que con la aguja de la brújula?

En ambos casos sucedió lo mismo, ya que tanto la aguja de la brújula como la imantada responden

48

3 . ¿Por qué se indica dejar flotando sobre el agua la aguja imantada?

Para que pueda moverse.

4 . ¿Por qué en ambos casos la aguja y la brújula deben estar apoyadas sobre una superficie plana?

Para asegurarse de que el movimiento responde exclusivamente a la acción del campo magnético producido por la corriente.

5 . Observen el esquema que realizaron en el punto 10 del procedimiento. Intenten dibujar las líneas de campo magnético a partir de este esquema.

De elaboración personal del alumno.

6. ¿Habría alguna diferencia en lo observado si pudieran variar el voltaje de la corriente? Diseñen la experiencia para corroborar la hipótesis y llévenla a cabo (para hacerlo pueden aumentar el número de baterías o usar baterías con mayor voltaje).

Este punto se conecta con el capítulo anterior.

Pueden discutir acerca de cómo aumentar el volta-

je. Seguramente, el resultado sería distinto, ya que para la misma resistencia, con mayor voltaje la corriente será mayor, y por ende más intenso el campo magnético que se genere.

7. En un laboratorio del colegio, un grupo de chicos realizó el siguiente experimento: fabricaron una bobina enrollando alambre de cobre alrededor de un tornillo y luego quitando el tornillo para que quede el alambre enrollado solo.

Luego, tomaron un imán de barra y probaron que pudiera pasar por el interior de la bobina.Tomaron los extremos del alambre de la bobina y lo conectaron a un amperímetro (aparato que mide el paso de corriente eléctrica).

Finalmente, pusieron el imán dentro de la bobina y observaron atentamente la aguja del amperímetro. a. ¿Qué habrán observado los chicos?

Que la aguja del amperímetro se movía al pasar el imán por el interior de la bobina. b. ¿Qué experiencia crucial estaban recreando? ¿Por qué?

El experimento de Faraday, ya que demostraron que un imán puede producir una corriente eléctrica.

Propuesta de actividades 7. Respondan en sus carpetas las siguientes preguntas. a. ¿Qué tipo de fuerza es la fuerza magnética?

Es una fuerza a distancia. b. ¿Qué son los polos magnéticos? ¿Qué nombre reciben?

8. Decidan si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. Justifiquen en cada caso la respuesta elegida. a. La fuerza de atracción o repulsión entre dos imanes depende, entre otras cosas, de la carga eléctrica de cada uno de ellos.

Reciben el nombre de polo norte y sur. c. ¿Cómo hay que enfrentar los polos de dos imanes para que se atraigan?

Falsa. Depende de la masa magnética. b. Si se parte un imán, se pierden las propiedades magnéticas.

En sus polos contrarios. d.¿Qué sucede con la fuerza de interacción entre imanes cuando aumenta la distancia entre ellos?

Falso. Se conservan las propiedades magnéticas, y se conservan las ubicaciones de los polos. c. Un tornillo se puede convertir en un imán en contacto con corriente eléctrica.

Disminuye de forma inversamente proporcional respecto del cuadrado de la distancia. e. ¿Qué es un campo magnético?

Es una zona de influencia que genera un imán, en la que podría manifestarse una fuerza magnética si hubiera otro imán.

Verdadero. Una corriente eléctrica genera un campo magnético (experimento de Oersted). d. Una corriente eléctrica puede generar un campo magnético, pero no puede suceder que un campo magnético produzca una corriente.

© Editorial Estrada S. A. 2014

al campo magnético que se genera cuando circula corriente.

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Falso. Esto lo demostró Faraday. e. La aguja de una brújula se orienta indicando el norte magnético.

Falso. Indica el sur magnético. f. La temperatura no afecta el magnetismo de un material.

Falso. La temperatura es un factor que afecta el magnetismo.

© Editorial Estrada S. A. 2014

9. Observen las siguientes imágenes e indiquen de qué tipo de material magnético se trata, mencionen también las características del tipo de material elegido.

c. ¿Hay un imán permanente en este sistema?

En ambos circuitos hay campos magnéticos y corriente eléctrica. En el primer caso, la corriente eléctrica genera un campo magnético, que magnetiza la barra de hierro. Por inducción, el campo magnético del primer circuito genera una corriente en el segundo, que a su vez produce un campo magnético que magnetiza a la barra de hierro. No son imanes permanentes (solo están polarizados mientras hay corriente).

12. Expliquen cómo funcionan los siguientes artefactos: a. Un motor eléctrico.

a. Paramagnético. Bajo la influencia de un campo magnético externo, se magnetiza y es atraído débilmente por imanes muy fuertes. b. Diamagnético. Tienen un magnetismo débil y no permanente, y persiste solo mientras se aplique un campo magnético externo. Es repelido por los imanes. c. Paramagnético. Bajo la influencia de un campo magnético externo, se magnetiza y es atraído débilmente por imanes muy fuertes. d. Ferromagnético. Es fuertemente atraído por los imanes.

Posee un imán permanente y un electroimán.

El sentido de la corriente en el electroimán va cambiando, lo que produce que cambie su polaridad, y que rote para alinearse con el imán permanente. b. Un electroimán.

10. En cada caso, indiquen cuál es o cuáles son la/s forma/s correcta/s de completar la afirmación. a. Un campo magnético no ejerce ninguna fuerza sobre… …una corriente eléctrica. …una barra de hierro.

La dínamo de disco posee un disco metálico giratorio, cuyo centro y borde están situados entre los polos de un imán de herradura. A medida que el disco gira, se produce una corriente inducida entre el borde del disco y su centro, debido al campo magnético generado por el imán.

…un objeto de goma. X b. La aguja de una brújula indica… … exactamente el Polo Norte geográfico. … exactamente el Polo Sur geográfico. … el polo norte magnético. … el polo sur magnético. X c. Si se enfrentan los dos polos iguales de dos imanes… … se repelen. X … se atraen. … no se observan cambios.

11. Observen el siguiente esquema e indiquen: a. Dónde hay campos magnéticos. b. Dónde hay una corriente eléctrica.

Está formado por una bobina enrollada sobre una barra ferromagnética, conectada a una fuente eléctrica. La corriente que circula por la bobina genera un campo magnético, y la barra se magnetiza. c. Una dínamo.

13. Miren la siguiente imagen y respondan. a. ¿De qué artefacto se trata? b. ¿Cómo funciona? ¿Qué aplicaciones tiene?

Es un transformador, y se utiliza para modificar el voltaje. Tiene dos circuitos eléctricos, uno principal y otro secundario, que poseen bobinas atravesadas por un mismo núcleo de hierro. La corriente que circula por el primer circuito genera un campo magnético que induce a que se genere corriente en el otro circuito; el voltaje del segundo circuito varía de acuerdo con la cantidad de espiras en la bobina.

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[red conceptual] Teoría cinéticomolecular

MAGNETISMO

vinculado a la

que postula la existencia de

Dominios magnéticos

Electricidad propiedad de los

genera

genera

Campo magnético

Electromagnetismo hizo posible

presentes en

Materiales magnéticos

Motor eléctrico

Imanes como el

sensibles a la

Temperatura

Campo geomagnético

Transformadores

Generadores

Ferromagnéticos

Diamagnéticos

Paramagnéticos

Brújulas que siempre apuntan al

Polo sur magnético

Notas

afecta a muchos

Seres vivos

barrera protectora contra

Viento solar © Editorial Estrada S. A. 2014

tiene efecto sobre las