Guia Docente-Fisicoquimica 3 ES-Huellas

huellas

1 ]]ESES [3 © 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 López Gleiser, Marcela Guía docente fisicoquimica 3 ES . - 1a ed. - Boulogne : Estrada, 2015.

E-Book.- (Huellas ) ISBN 978-950-01-1719-7 1. Guía Docente. I. Título CDD 371.1

Índice

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

© Editorial Estrada S. A. 2014

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

-Comprender la ley de la conservación de la energía, e interpretar procesos de intercambios de energía en el marco de dicha ley.

-Conocer los distintos tipos de energía potencial, de qué dependen, sus similitudes y diferencias, y por qué solo se ponen en evidencia cuando se transforman.

-Entender de qué depende la energía cinética, y cómo puede intercambiarse con las energías potenciales.

-Interpretar las expresiones matemáticas de la energía cinética y la potencial gravitatoria, y efectuar cálculos utilizando las unidades adecuadas.

-Analizar los intercambios de energía cinética y potencial en sistemas conservativos y no conservativos.

-Comprender el efecto que produce la fuerza de rozamiento sobre los intercambios de energía.

-Entender el concepto de energía térmica y diferenciarlo del concepto de temperatura.

-Analizar las distintas situaciones en las que se intercambia energía térmica, y sus consecuencias (aumento o disminución de la temperatura, aumento o disminución de la energía potencial química, etcétera).

Que los alumnos puedan:

Expectativas de logro

Capítulo 1. Intercambios de energía térmica

Ejes Los intercambios de energía -Características generales sobre la energía.

-Formas de energía: energía cinética, energía potencial (gravitatoria, elástica, eléctrica, química).

-Conservación de la energía: sistemas conservativos y no conservativos.

Energía mecánica, intercambio de energía cinética y potencial.

-Energía térmica. Diferencia entre calor y temperatura. Unidades de la energía: caloría y Joule.

-La energía térmica, la temperatura y los materiales: el calor específico.

Calor específico del agua.

-Intercambios de calor. Interpretación a nivel particular.

-Trabajo y calor. Máquinas térmicas.

-El calor y los cambios de estado: calor latente de fusión y vaporización.

-El calor y los cambios químicos.

Contenidos

Planificación

© Editorial Estrada S. A. 2014

-Análisis de los intercambios de energía en los juegos de los parquesde diversiones, con base en el Estudio de caso.

-Interpretación de los resultados del experimento histórico de Joule, en el que se obtiene el equivalente mecánico del calor.

-Determinación del calor específico de una sustancia, mediante una experiencia en la que se pone en evidencia el intercambio de energía térmica y la variación de la temperatura.

Situaciones de enseñanza

3

-Comprender la relación entre la frecuencia, la longitud de onda, la velocidad y la energía de las ondas, y conocer las unidades específicas de cada magnitud.

-Distinguir entre las ondas que deben propagarse en un material y las ondas electromagnéticas.

-Entender la forma en la que se generan las ondas electromagnéticas.

-Relacionar la longitud de onda o la frecuencia con la clasificación de las ondas electromagnéticas dentro del espectro.

-Conocer las características específicas de cada tipo de radiación eletromagnética (visible, UV, X, gamma, radio, microondas, IR) y sus aplicaciones.

Que los alumnos puedan:

-Interpretar los intercambios de energía térmica a nivel de las partículas.

-Comprender la relación entre el calor específico de los materiales, el intercambio de energía térmica y la temperatura.

-Diferenciar el efecto de la energía que produce un trabajo y la que genera una variación en la energía térmica.

-Conocer el equivalente mecánico del calor y la relación entre la unidad “caloría” y la unidad “Joule”.

-Analizar lo que sucede con la energía térmica en los cambios de estados.

-Conocer la relación entre la energía térmica y los cambios químicos de la materia.

Expectativas de logro

Los intercambios de energía

Ejes

Contenidos

-La energía y las ondas.

-Propiedades de las ondas: frecuencia, longitud de onda, velocidad de la propagación.

-Tipos de ondas. Ondas electromagnéticas. Generación de las ondas electromagnéticas.

-Espectro electromagnético: luz visible, rayos ultravioletas, rayos X, rayos gamma, microondas, rayos infrarrojos, ondas de radio.

-La radiación y la temperatura.

-Los espectros luminosos, la espectroscopía y las aplicaciones astronómicas.

-Efectos de la radiación electromagnética. Absorción y emisión.

Efecto fotovoltaico. Efecto fotoquímico. © Editorial Estrada S. A. 2014

2. Intercambios de energía por radiación

Capítulo

-Interpretación de los resultados del experimento histórico de Rontgen sobre los rayos X. -Interpretación de los resultados del experimento histórico de Newton sobre la descomposición de la luz por acción de prismas.

-Construcción de un espectroscopio y descomposición de luz proveniente de distintas fuentes.

Situaciones de enseñanza

4

-Comprender el modelo de estructura particular de la materia y sus formas de representarlo.

-Conocer las partículas que conforman a los átomos (protones, neutrones y electrones), la carga que poseen, y de qué modo se distribuyen.

-Conocer, diferenciar y obtener de la Tabla Periódica el número atómico y el número másico de un elemento.

-Identificar variedades de los átomos respecto al número de neutrones (isótopos), o al número de electrones (iones).

- Reconocer y diferenciar los dos tipos de iones (cationes y aniones).

-Relacionar el valor de la masa atómica con el número másico, y conocer la unidad específica de medición (uma).

-Trabajar con el concepto de mol y el número de Avogadro, y su relación con la masa atómica expresada en gramos.

Que los alumnos puedan:

-Comprender el fenómeno de la descomposición de la luz, su aplicación en la espectroscopía y la determinación del tipo de material.

-Analizar los efectos que producen las radiaciones electromagnéticas sobre los materiales y sus aplicaciones.

-Conocer la relación entre la absorción y la liberación de radiación y el color de los objetos, y distinguirlo de los colores de la luz visible.

Expectativas de logro

La estructura de la materia

Ejes

3. Las estructura de los átomos

Capítulo

Contenidos

-La estructura de la materia.

-La estructura y la variedad de los átomos.

-Los isótopos. Los iones.

-La masa atómica y el concepto de mol.

-Evolución histórica de los modelos del átomo: Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Sommerfeld, actual.

-Mecánica cuántica.

-Los números cuánticos: principal, azimutal, magnético, spin.

-El principio de exclusión de Pauli.

-Forma y tipo de orbitales.

Configuración electrónica de los átomos. Regla de las diagonales.

Configuración electrónica externa.

-Descomposición de la luz. Los colores, los materiales, la absorción y la reflexión de las ondas.

© Editorial Estrada S. A. 2014

-Interpretación de los resultados del experimento histórico de Rutherford, y de la relación con el modelo que este científico propuso.

-Observación y comparación de espectros de diferentes elementos químicos, de forma experimental.

Situaciones de enseñanza

5

-Comprender las distintas propuestas de ordenamiento de los átomos.

-Conocer el criterio del ordenamiento en la Tabla Periódica, y la relación entre la configuración electrónica y el grupo y período al que pertenecen los elementos (bloques s, p, d y f).

-Relacionar la configuración electrónica externa con la clasificación de los elementos en representativos, de transición y de transición interna, y sus propiedades fisicoquímicas.

-Conocer, en detalle, las propiedades de los grupos que pertenecen a los distintos bloques y sus aplicaciones.

Que los alumnos puedan:

-Conocer los distintos modelos atómicos que se propusieron a lo largo de la historia y los experimentos a partir de los cuales estos fueron planteados, hasta llegar al modelo atómico actual.

-Comprender el concepto de “cuanto” de energía, y su relación con la estructura atómica.

-Diferenciar los distintos tipos de orbitales respecto de su forma, capacidad, y nivel de energía al que pertenecen.

-Conocer los cuatro números cuánticos de los electrones, la propuesta de Sommerfeld y el principio de exclusión de Pauli, y su relación con su ubicación en la nube electrónica.

-Hallar la configuración electrónica de los elementos utilizando la regla de las diagonales.

Expectativas de logro

La estructura de la materia

Ejes

Contenidos

-Ordenamiento periódico de los elementos. Propuesta de Dobereiner.

Propuesta de Mendeléiev.

-Masa atómica promedio y relativa.

-La configuración electrónica externa y el ordenamiento de los elementos.

-La Tabla Periódica: grupos y períodos.

-Tipos de elementos. Elementos representativos: alcalinos, alcalinotérreos (bloque s), familia del boro, familia del carbono, familia del nitrógeno, familia del oxígeno, halógenos y gases nobles (bloque p).

Elementos de transición. Elementos de transición interna: lantanoides y actinoides.

© Editorial Estrada S. A. 2014

4. La Tabla Periódica

Capítulo

-Utilización de tablas periódicas online para obtener información.

-Interpretación de los resultados de los experimentos de Dobereiner y su propuesta para el ordenamiento de los átomos.

-Reconocimiento de elementos disueltos en agua a través de la realización de una actividad experimental.

Situaciones de enseñanza

6

-Comprender por qué los elementos tienden a unirse, respetando la regla del octeto.

-Conocer el concepto de electronegatividad y su relación con la unión entre los átomos.

-Diferenciar el modo en que se lleva a cabo un enlace iónico entre átomos y un enlace covalente.

-Caracterizar, a partir de las propiedades fisicoquímicas, los compuestos iónicos y los covalentes.

-Identificar los distintos tipos de compuestos binarios, hallar el número de oxidación de los átomos que los conforman, y nombrarlos siguiendo las reglas de la nomenclatura.

-Representar las uniones iónicas y covalentes utilizando la estructura de Lewis.

-Conocer los postulados de la Teoría de Repulsión de Pares Electrónicos de Valencia (TRePEV), y cómo se aplican a distintos compuestos covalentes para inferir su geometría molecular.

Que los alumnos puedan:

-Comprender en qué se basan las propiedades que varían de forma periódica (carga nuclear, efecto de apantallamiento, carácter metálico, radio atómico, energía de ionización), y cómo se relacionan entre sí.

Expectativas de logro

La estructura de la materia

Ejes

5. Las uniones químicas

Capítulo

Contenidos

-Las uniones entre átomos. La regla del octeto.

-Los iones monoatómicos (cationes y aniones) y las uniones químicas.

-La electronegatividad y su relación con el tipo de uniones químicas entre los átomos.

-Clasificación de las uniones químicas: iónicas y covalentes.

- Características del enlace iónico.

Propiedades de los compuestos iónicos.

-Característica del enlace covalente.

Enlaces simples, dobles, triples y dativos o coordinados. Propiedades de los compuestos covalentes.

-Fórmulas químicas.

-Nomenclatura de los compuestos.

Números de oxidación y numeral de stock.

-Tipos de compuestos binarios, y su nomenclatura específica.

-Estructuras de Lewis y fórmula desarrollada para los compuestos iónicos y covalentes.

-Teoría de repulsión de pares electrónicos de valencia, y la geometría molecular de moléculas con uniones covalentes simples, dobles, triples y dativas.

-Propiedades periódicas: aumento de la carga nuclear, efecto de apantallamiento, carácter metálico, radio atómico, energía de ionización.

© Editorial Estrada S. A. 2014

-Interpretación de los resultados de un experimento hipotético para deducir la relación entre la estructura de los compuestos iónicos y la conducción de la electricidad.

-Construcción de modelos moleculares, con plastilina y palillos, para representar, de forma tridimensional, moléculas con distintas geometrías.

Situaciones de enseñanza

7

-Construir la noción de cambio químico como destrucción de unos enlaces y formación de otros.

-Utilizar modelos con íconos para representar la ruptura de enlaces en los reactivos y la formación de enlaces en los productos.

-Interpretar las ecuaciones químicas y balancearlas de forma correcta.

-Distinguir los distintos tipos de reacciones, teniendo en cuenta sus características particulares.

-Reconocer las ecuaciones químicas correspondientes a los distintos tipos de reacciones, de acuerdo con sus características.

-Relacionar las reacciones químicas con procesos biológicos (fotosíntesis y respiración celular).

-Identificar las aplicaciones de algunas reacciones químicas (reacciones redox en las pilas y las baterías).

-Identificar las variables que pueden modificar la velocidad de una reacción química.

-Clasificar las reacciones químicas de acuerdo con la energía, e interpretar gráficos que representen la variación de la energía a lo largo del tiempo.

-Identificar ácidos y bases de uso cotidiano utilizando indicadores.

-Relacionar el valor del pH con la acidez o la basicidad.

Que los alumnos puedan:

Expectativas de logro 6. Las reacciones químicas

Las transformaciones de la materia

Contenidos -Características de las reacciones químicas: los reactivos y los productos.

-Representación de las reacciones químicas: las ecuaciones químicas.

Balance de ecuaciones.

-Clasificación de reacciones químicas: síntesis o combinación química, descomposición, sustitución o desplazamiento, óxido reducción, ácido-base.

- Los agentes oxidantes y agentes reductores. Las reacciones de óxido reducción y las pilas. Las reacciones de óxido reducción en los seres vivos: fotosíntesis y respiración celular. La combustión.

- Las reacciones de ácido-base. Los ácidos y las bases fuertes y débiles.

Indicadores de ácidos y bases, pH, lluvia ácida.

-Las reacciones y la energía: reacciones endergónicas y exergónicas.

-La velocidad de las reacciones químicas. Factores que influyen en la velocidad de las reacciones.

© Editorial Estrada S. A. 2014

Capítulo

Ejes -Realización de modelos gráficos para la representación de la ruptura de las uniones de los átomos en los reactivos y la formación de enlaces en los productos.

-Análisis de un experimento hipotético sobre las reacciones de óxido reducción, y el principio de funcionamiento de las pilas.

-Análisis de un experimento hipotético sobre el reconocimiento de ácidos y bases mediante el uso de indicadores.

-Realización de una experiencia sencilla para comprobar la capacidad antiácida del bicarbonato de sodio, aplicando conceptos en torno a las reacciones químicas de tipo ácido-base.

Situaciones de enseñanza

8

-Comprender de qué depende la energía contenida en el núcleo de los átomos.

-Conocer por qué los procesos nucleares ocurren de forma natural con algunos isótopos.

-Diferenciar los distintos tipos de radiaciones en cuanto a sus características (carga, alcance, etcétera).

-Comprender por qué ocurre el decaimiento radiactivo, y de qué forma se puede utilizar para la datación.

-Distinguir los procesos de fusión y fisión nuclear, identificar su presencia en la naturaleza, y conocer las aplicaciones generadas por el ser humano.

-Valorar críticamente los usos de la radiactividad y la energía nuclear, y sus implicancias ambientales y sociales.

Que los alumnos puedan:

Expectativas de logro

Capítulo 7. Las reacciones nucleares

Ejes Las transformaciones de la materia

Contenidos -Estructura del núcleo atómico e isótopos.

-La fuerza nuclear fuerte.

Comparación con la fuerza eléctrica entre las partículas subatómicas.

-Radiactividad. Desintegración y vida media de los isótopos radiactivos, y aplicaciones.

-Masa y energía en las reacciones nucleares.

-Unidades de medición en física nuclear.

-Energía de enlace de los núcleos.

Procesos de fisión y fusión.

-Energía de enlace y estabilidad nuclear.

-Tipos de radiaciones nucleares: alfa, beta, gamma, neutrones.

Características de cada una de ellas.

-Fisión nuclear. Reacción en cadena.

Aplicaciones de la fisión nuclear: las centrales núcleo-eléctricas.

Funcionamiento de los reactores de fisión.

-Accidentes nucleares.

Inconvenientes con los residuos nucleares.

-Fusión nuclear. Desarrollo del reactor de fusión.

© Editorial Estrada S. A. 2014

- Construcción de modelos gráficos nucleares para comprender los procesos de fusión y fisión, y la generación de los distintos tipos de radiaciones.

-Análisis de un experimento histórico de Pierre y Marie Curie sobre la radiactividad del uranio en distintos materiales.

Análisis de la probabilidad de decaimiento radiactivo.

Situaciones de enseñanza

9

GuĂ­a de respuestas y orientaciones para el trabajo en clase

Š Editorial Estrada S. A. 2014

10

11

Capítulo 1 | Intercambios de energía térmica Este capítulo comienza con una introducción sobre las características de la energía. Describe la energía cinética y las energías potenciales (gravitatoria, eléctrica, elástica y química). También se analizan los intercambios de energía en el marco de la ley de la conservación, y la acción de fuerzas no conservativas y su efecto sobre la energía.

Se define la energía térmica en particular, se la vincula con los procesos relacionados con el intercambio de energía, y se la distingue de la temperatura. Se analiza la influencia del tipo de material en el intercambio de energía térmica,

© Editorial Estrada S. A. 2014

estudio de caso

que se pone de manifiesto en el calor específico. Se analiza el fenómeno del intercambio de energía térmica de acuerdo con el modelo de partículas, y sus distintos efectos. Se hace una distinción entre el calor y el trabajo, y se la explica desde la perspectiva del modelo de partículas.

Se plantean las fórmulas que representan lo que sucede con el calor recibido o entregado por una sustancia durante un estado o durante un cambio de estado, y modelos para realizar cálculos de equilibrios térmicos establecidos entre dos sustancias.

[ ]

Máquinas para divertirnos Al comenzar el capítulo ¿Qué es lo que hace que el carrito acelere cuando está en un trayecto descendente? ¿De dónde sale la energía que permite que el carro tome cada vez más velocidad?

El carro, cuando está elevado, tiene energía acumulada (energía potencial gravitatoria); a medida que el carrito desciende, dicha energía se transforma en energía cinética, debido a eso, la velocidad es cada vez mayor.

Los visitantes que observan las montañas rusas en funcionamiento desde abajo (muchos porque no se animaron a subir…) ven que se producen chispas entre las ruedas de los carritos y la montaña rusa, ¿cómo explican estas chispas?

Las chispas se producen por acción de la fuerza de rozamiento entre las ruedas y los rieles; la energía mecánica se transforma en energía térmica.

Los carritos tienen un motor que los impulsa hasta las partes altas del recorrido. ¿Creen que estos carritos podrían funcionar sin ningún motor? ¿Cómo?

El motor es imprescindible para el primer ascenso de la montaña rusa; sin energía externa, los carritos no podrían subir. Con el primer descenso, la energía potencial de cada carro se transforma en energía cinética que le permite volver a cierta altura y recuperar energía potencial, y así sucesivamente. Sin embargo, como siempre parte de la energía se transforma en térmica por acción del rozamiento, las subidas y bajadas durante el recorrido serían cada vez menores, hasta que finalmente se detendría. No pueden funcionar sin un motor.

Al final del capítulo Vuelvan a leer el Estudio de caso del comienzo del capítulo y respondan las siguientes preguntas: 1. Al comenzar este capítulo, se explica lo que sucede con la energía en un tramo de descenso en la montaña rusa. ¿Qué ocurrirá durante el ascenso?

En el tramo de ascenso, la velocidad irá disminuyendo, y será cada vez menor la energía cinética, mientras que, al aumentar la altura, irá aumentando el valor de la energía potencial gravitatoria.

2. ¿Cómo podrían explicar, a partir del intercambio de energía, que los carros no se caen cuando llegan al punto máximo del rulo?

La altura máxima en el rulo es tal que no toda la energía cinética se transforma en energía potencial; como el carro tendrá velocidad al llegar al punto máximo, seguirá moviéndose.

3. El recorrido de la montaña rusa finaliza en el punto más bajo, y el carro se detiene. ¿Qué creen que sucedió con la energía, y por qué?

La energía mecánica se transformó en energía térmica durante el recorrido, por acción del rozamiento entre el carro y las vías.

4. Busquen ejemplos de otras máquinas de parques de diversiones, y expliquen su funcionamiento a partir de intercambios de energía.

De elaboración personal del alumno.

También se les puede pedir a los alumnos que trabajen con los juegos de la plaza (hamaca, subibaja, etcétera).

Página 13

vitatoria se iría transformando en energía cinética, y la roca se movería cada vez más rápidamente.

1. Un automóvil de 1.000 kg que marcha a 40 km/h. Expresen su energía cinética en joules. Si la rapidez del auto fuera el doble, ¿cuánto aumentaría su energía cinética?

2. A un resorte apoyado en una mesa se le coloca una bolita en la punta.Alguien comprime el resorte y luego lo suelta. La bolita sale disparada y choca contra unas fichas de dominó que estaban paradas sobre la mesa.

Luego, otra persona repite el experimento. En el primer caso, 4 fichas son derribadas; en el segundo, solo 2. a. ¿Cómo podrían usar el dato de la cantidad de fichas derribadas para saber cuánto se había estirado el resorte?

Cuanto más se comprima el resorte inicialmente, más energía potencial elástica acumulará el resorte, más energía cinética adquirirá la bolita y, por lo tanto, más fichas se podrán derribar.

Se podría encontrar una relación entre la longitud del resorte al comprimirse y la cantidad de fichas derribadas. b. Escriban las instrucciones para alguien que va a usar las fichas como medidoras de energía potencial elástica.

Si luego de repetir muchas veces el experimento se llegara a encontrar una relación entre la longitud del resorte comprimido y la cantidad de fichas derribadas, se podría armar un instructivo que dijera: “comprima x mm y derribará x fichas”.

E. cinética = ½ . 1.000 kg . (40 km/h)2 = ½ . 1.000 kg.

(11,11 m/s)2 = 61.728,4 J Si la rapidez se duplica, la energía cinética se cuadruplica, ya que, como se ve en la expresión, la rapidez está elevada al cuadrado, y 22 = 4.

Es posible que los docentes tengan que orientar a los alumnos en el pasaje de la rapidez expresada en km/h a m/s. Una opción sencilla es trabajar con el cambio de la unidad de distancia y de la de tiempo y luego, realizar la división.

40 km x 1.000 = 40.000 m h x 3.600 = 3.600 s Entonces, 40.000 m/3.600 s = 11,11 m/s.

2 . ¿De qué dos maneras se puede guardar energía en un resorte?

Estirándolo o comprimiéndolo. Se “guardaría” en forma de energía potencial elástica.

3 . La pólvora de un explosivo, ¿contiene energía cinética o potencial?

La energía de las sustancias químicas es energía potencial que guardan las uniones e interacciones entre las partículas que las componen. Estas uniones son de naturaleza electromagnética, la energía química es energía potencial electromagnética.

4. ¿Cómo podrían guardar energía potencial con los imanes?

Página 16 1 . ¿Qué tipo de energía es la que mantiene unidos a los átomos que forman una molécula?

1 . Expliquen por qué una roca en la cima de una montaña tiene energía.

Es energía potencial electromagnética. a. Mencionen ejemplos en los que las personas aprovechemos esa energía.

En las pilas, la energía potencial eléctrica se transforma en energía cinética (desplazamiento de los electrones). La reserva de energía en nuestro organismo está en forma de energía química, y se transforma en mecánica y térmica cuando hacemos ejercicio. b. ¿Qué transformaciones de energía se producen al cocinar comida en una olla con agua y al comerla?

La energía química de los alimentos se transforma en térmica cuando se rompen algunas uniones; en el sistema digestivo, la energía química que siguen teniendo los alimentos vuelve a transformarse en térmica cuando estos se degradan.

Una roca elevada en la cima de una montaña tiene energía acumulada en forma de energía potencial gravitatoria. Esta se podría poner en evidencia si se cayera: al disminuir su altura, la energía potencial gra-

2 . Imaginen que un proyectil impacta contra un electrón y lo ‘arranca’ del átomo al que pertenece. ¿El electrón separado tendrá más o menos energía potencial que cuando estaba unido al átomo?

Los imanes pueden atraerse o repelerse, de acuerdo con los polos que se enfrenten: si se enfrentan polos opuestos, la fuerza es de atracción; mientras que si se enfrentan polos del mismo signo, la fuerza es de repulsión. Cuando dos imanes se atraen, se acumula energía potencial en el sistema si se los distancia; mientras que si la fuerza es de repulsión, se acumula energía potencial cuando se los acerca.

Página 15

© Editorial Estrada S. A. 2014

12

13

Tendrá menos energía potencial, ya que esa energía potencial se habrá transformado en cinética.

Página 19 1. ¿Qué diferencia existe entre el calor y la temperatura?

Página 17 1 . ¿Qué sucede con la energía cinética de una pelota que rueda por el suelo y termina frenándose?

La energía cinética se convierte en energía térmica que se transmite a las superficies que rozan (el suelo, la pelota en sí y el aire), lo que se evidencia en el aumento de temperatura de estas.

2 . Elaboren un esquema para describir y explicar qué transformaciones de energía se producen desde que se enciende la mecha de la cañita hasta que alcanza la altura máxima y vuelve al suelo.

© Editorial Estrada S. A. 2014

Producción personal. A continuación, se describen las características que se espera que tenga el esquema que realicen los alumnos.

Ascenso: i-Encendido: la energía química del combustible se transforma en energía cinética. La cañita comienza a subir. ii-Ascenso: la energía cinética se va transformando en potencial gravitatoria mientras sube y además, como aún queda combustible, más energía química se transforma en cinética. iii-Se acaba el combustible. La energía cinética va disminuyendo, y se transforma en energía potencial gravitatoria. iv-Altura máxima: la cañita se detiene. Toda la energía se transformó en potencial gravitatoria.

Descenso: v-La cañita comienza a bajar. A medida que desciende, la energía potencial gravitatoria disminuye, y se va transformando en cinética. vi-Cuando la cañita llega al piso, toda la energía potencial gravitatoria se transformó en energía cinética.

3. Un carrito se desliza hacia abajo desde lo alto de una loma, ¿llegará a la misma altura del otro lado? Expliquen la respuesta usando los conceptos de energía cinética, potencial gravitatoria, energía térmica y rozamiento.

La energía potencial gravitatoria del carrito elevado se transforma en energía cinética a medida que desciende. La transformación inversa se produce en el ascenso. Si no hubiera rozamiento, alcanzaría la misma altura a ambos lados, pero el rozamiento es inevitable, y una porción de la energía del carro se transforma en energía térmica durante el trayecto.

Por este motivo, el carro alcanza una altura menor en cada subida.

La temperatura tiene que ver con el estado de un cuerpo, y el calor se relaciona con el proceso de intercambio de energía entre ese cuerpo y otro, o con su entorno. El calor viaja desde un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura, hacia un cuerpo que se encuentra a menor temperatura.

2 . Si una persona toca el mango de la sartén, ¿hacia dónde fluye la energía térmica? ¿Qué ocurre con la temperatura del mango y de la mano?

Como el mango de la sartén se encuentra a mayor temperatura que la mano, la energía viaja desde el mango hacia la mano. El mango pierde energía, y la mano la toma, y la energía viaja hasta que las temperaturas del mango y de la mano se equiparan.

3 . ¿En qué casos un cuerpo gana energía pero no toma calor?

Cuando un cuerpo es alzado y colocado a una mayor altura, aumenta su energía (ya que adquiere energía potencial gravitatoria), pero no cambia su temperatura.

4 . ¿Cómo se define una caloría? Busquen un envase de algún alimento y calculen cuántos de estos se necesitaría ‘quemar’ para que la temperatura de 500 g de agua aumente 1 ºC (utilicen una regla de tres simple para hacer el cálculo).

Una caloría es el equivalente a la cantidad de calor necesaria para que 1 g de agua aumente 1 ºC su temperatura.

A continuación, se toma como ejemplo una golosina de dulce de leche de 25 g, en cuyo envase se indica que aporta 82 calorías.

Para que 500 g de agua aumenten 1 ºC, se necesitan 500 calorías.

82 calorías 1 tableta 500 calorías x = 6,1 tabletas Respuesta: un poco más de 6 tabletas.

(Sería conveniente que los docentes aclaren que la unidad en los alimentos es la Kcal pero que, a los fines del cálculo, se considerarán como “calorías”, que es la forma en la que se habla de ellas cotidianamente).

Página 20 1 . Dos cuerpos iguales se calientan sobre dos mecheros idénticos durante el mismo lapso. El cambio de temperatura del cuerpo A es mayor que el del

14

Página 21 1. Un proyectil de 100 g que se mueve con una rapidez de 900 m/s se detiene al incrustarse en una pared, ¿qué cantidad de energía térmica se generó en el proceso?

E = ½ 0,1 kg (900 m/s)2 = 40.500 J Sería adecuado que el docente aclare que, para que el resultado se obtenga en Joules, debe trabajarse en kg y en m/s, motivo por el cual se debe hacer un cálculo previo para expresar la masa en kg.

2 . Una persona incorpora 750 cal al comer una porción de torta. Expliquen qué sucederá con dicha cantidad de energía en su cuerpo.

Los alimentos poseen energía potencial química. Al metabolizarse y combinarse con el oxígeno que respiramos, liberan energía térmica, que produce un aumento de la temperatura en el interior del cuerpo. Es una transformación de energía química en energía térmica.

Página 22 1 . Expliquen qué ocurre con el movimiento de las partículas de cada material en los siguientes casos. a. Se lija una madera.

Los átomos de las superficies de la lija y la madera, durante la acción del lijado, chocan entre sí y aumenta su agitación en todas las direcciones, motivo por el cual aumenta la temperatura.

b. Se coloca agua en el freezer.

El agua se encuentra a mayor temperatura que el entorno dentro del freezer, motivo por el cual sus partículas tienen mayor energía cinética. En las zonas de contacto entre la superficie del agua y el aire del freezer, las partículas del agua chocan contra las del aire, y les transfieren energía cinética.

2 . ¿Qué ocurre con la temperatura en los casos mencionados en el punto 1?

Tanto la temperatura de la lija y de la madera aumenta (la persona que lija transfiere energía mecánica, que se transforma en térmica), mientras que en el segundo caso, la temperatura del agua disminuye, y la del interior del freezer debería aumentar (aunque, debido al funcionamiento del freezer, por transformación de la energía eléctrica, se logra mantener la temperatura constante, liberando la energía térmica hacia el exterior).

3 . Realicen un esquema de lo que ocurre sobre la base del modelo de partículas.

De realización personal del alumno. No obstante, se le puede sugerir al estudiante que se base en los esquemas que figuran en esta página del libro, y que trabaje con colores distintos para representar los distintos materiales (madera y lija, o agua y aire).

CIencia en acción

[ ]

¿Cuál es la temperatura más baja?

1. ¿Por qué es tan difícil alcanzar la temperatura del cero absoluto?

Porque es muy difícil que un sistema quede totalmente aislado del entorno; y un mínimo contacto, por ejemplo, con luz (energía radiante), aumenta la energía del sistema.

2. ¿Qué hizo posible que la temperatura del gas cuántico de los investigadores alemanes bajara tanto? Relacionen su respuesta con el movimiento de las partículas.

Estos científicos trabajaron con un gas especial (el gas cuántico), cuyos átomos, en vez de repelerse, se atraían, de modo que formaron una red muy ordenada y quieta y, por lo tanto, de muy baja temperatura (la temperatura depende del movimiento de las partículas; cuanto menor es el movimiento, menor es la temperatura).

© Editorial Estrada S. A. 2014

cuerpo B. Señalen si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y expliquen por qué: a. El cuerpo A recibe más energía que el cuerpo B. Falsa, si los mecheros son idénticos, liberan la misma cantidad de energía en lapsos iguales. b. El calor específico del cuerpo A es menor que el del cuerpo B. Verdadera, si las masas son iguales y la cantidad de energía térmica absorbida es la misma, el cuerpo de mayor calor específico aumenta menos de temperatura. c. Para que el aumento de temperatura sea igual, habría que calentar una masa mayor del cuerpo B. Falso. Habría que calentar una masa mayor de A, que es el que tiene más calor específico.

Cuanto mayor es la masa, la energía térmica se distribuye entre más materia y, por lo tanto, aumenta menos la temperatura.

15

Página 25

Página 27

1 . Para cada proceso de la siguiente lista, decidan si corresponde a un trabajo o a un intercambio de energía térmica: a. Una piedra cae desde un balcón.

Trabajo realizado por la fuerza peso. b. Un cubo de hielo se derrite al Sol. Debido a la diferencia de temperatura entre el hielo y el Sol, el hielo absorbe energía de la radiación solar. Es un intercambio de energía térmica. c. Un hacha parte una madera.

La caída del hacha es un proceso en el cual la fuerza peso realiza trabajo. La modificación de la estructura de la madera involucra el trabajo de separar sus moléculas y también, un calentamiento de los materiales, en consecuencia, un intercambio de energía térmica.

1. ¿En todos los casos en los que a un cubo de hielo se le entrega calor, este se derrite? Expliquen la respuesta.

© Editorial Estrada S. A. 2014

2 . ¿Por qué el agua es adecuada para los sistemas de calefacción como los radiadores de agua caliente?

Cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre dos cuerpos, más rápido es el intercambio de energía térmica entre ellos. Si se quiere que un aparato de calefacción ceda energía térmica al ambiente, conviene que el aparato se enfríe lo menos posible.

El agua es un material de gran calor específico, y su cambio de temperatura es relativamente pequeño cuando intercambia energía térmica con el ambiente.

Si el hielo está a 0 ºC y a presión atmosférica, al absorber calor se funde, y su temperatura no cambia.

Si el hielo está a temperatura menor y absorbe calor, el único efecto es que su temperatura aumenta, permaneciendo sólido.

2 . ¿Por qué las quemaduras con vapor de agua a 100 ºC son más severas que las producidas por agua líquida a 100 ºC? El vapor de agua a 100 ºC, al entrar en contacto con un cuerpo a menor temperatura, se condensa. Cada gramo de vapor de agua que pasa al estado líquido libera unas 540 cal y, recién líquida, comienza a enfriarse. Por este motivo, el vapor de agua intercambia más energía térmica con la piel.

3 . Expliquen por qué el calor latente de evaporación aumenta si la temperatura es menor.

Para que las moléculas puedan escapar del líquido, deben vencer las fuerzas de atracción de sus vecinas.

Esto solo lo consiguen moléculas con energía cinética suficiente. A mayor temperatura, las moléculas se agitan más y deben absorber menos energía para liberarse de la atracción.

Taller de Ciencias Determinación del calor específico de un metal El objetivo de esta actividad es hallar el calor específico de un material, a partir del establecimiento del equilibrio térmico con el agua, sustancia cuyo calor específico es conocido.

Para llevar a cabo la experiencia, los alumnos deberán solucionar algunas cuestiones técnicas como, por ejemplo, cómo medir la masa del agua con la balanza (qué recipiente usar, y cómo descontar el valor de su masa).

Sería interesante que los alumnos propusieran una explicación de cómo se genera el intercambio de energía térmica dentro del calorímetro, y entre qué superficies, para aplicar conceptos adquiridos durante el capítulo. También sería importante que discutieran acerca de la naturaleza de los materiales que se usan en la experiencia (envases de telgopor, lata, agua).

Actividades 1 . Al repetir la experiencia, tal vez obtuvieron resultados diferentes, ¿por qué? ¿Qué factores habrán influido en el valor obtenido?

En primer lugar, el calorímetro no es perfectamente adiabático, sino que permite un pequeño intercambio de energía con el ambiente, así como también los ma-

teriales del calorímetro intercambian calor con el sistema agua-metal. Además, hay un tiempo entre que se retira el objeto de metal en equilibrio a 100 ºC y se lo sumerge en el agua del calorímetro. Cuanto más se demore en ese recorrido, más bajará su temperatura, variará la temperatura de equilibrio dentro del calorímetro, y el cálculo del calor específico dará distinto.

16

El calor específico será menor, ya que la temperatura final del sistema habría sido más elevada, si la lata y el ambiente no hubieran tomado calor.

3 . Supongan que una persona quiere tomar una taza de café con leche. Diseñen un experimento para determinar si es mejor añadir leche fría y después esperar 5 minutos antes de tomarlo o dejar que el café negro se enfríe durante 5 minutos y después echarle la leche. ¿En qué situación estará el café más frío después de los 5 minutos?

En el primer caso, se debería tomar la temperatura inicial del café y de la leche fría, luego se los debería colocar juntos, y después de haber pasado cinco minutos en contacto con el ambiente, se debería medir la temperatura de equilibrio.

En el segundo caso, en cambio, debería tomarse la temperatura del café recién hecho, dejarlo en contacto con el ambiente durante cinco minutos. Luego, se debería tomar la temperatura del café nuevamente, y también la temperatura de la leche fría; ambos líquidos deberían colocarse juntos, y se debería tomar la temperatura (una vez que se estabilice en un valor).

En el primer caso, se enfriaría luego de haber alcanzado un equilibrio térmico con la leche fría; la temperatura inicial de la mezcla antes del enfriamiento será menor que en el segundo caso, la temperatura del café solo que se deja enfriar.

Cuando al café solo frío se lo mezcle con la leche fría, llegarán a una temperatura de equilibrio probablemente mayor que en el primer caso.

4 . Utilicen el calorímetro casero para realizar esta experiencia con metales de distinto tipo. Comparen los resultados obtenidos y elaboren un cuadro comparativo entre todos los metales según sus respectivos calores específicos.

De elaboración personal del alumno. Podrían trabajar con una chinche, un alfiler, una aguja, e incluso con materiales puros que no sean metálicos, como por ejemplo, una gema de vidrio. Sería interesante que buscaran los valores estándar de los calores específicos de los materiales, y compararan con los resultados obtenidos. También sería interesante que reflexionaran acerca de las diferencias obtenidas entre los materiales que utilizaron (por ejemplo, los menores calores específicos corresponden a los metales).

5 . Propongan un método para medir cuánto calor puede haber absorbido el calorímetro durante la experiencia (sugerencia: utilicen agua para realizar este cálculo).

Podría realizarse de la siguiente manera: primeramente, el calorímetro debería estar vacío. Se debería colocar una masa conocida de agua caliente (tratando de que sea la misma que la que se usó en la experiencia), previamente midiendo su temperatura (considerada temperatura inicial). Luego, debería tomarse el valor de la temperatura de equilibrio, considerada temperatura final del agua. Como el calor liberado por el agua es el mismo que el calor tomado por el calorímetro, conociendo la masa, el calor específico y las temperaturas inicial y final del agua, se puede calcular la cantidad de calor liberada por el agua y tomada por el calorímetro.

6 . Expliquen por qué al colocar un recipiente de telgopor dentro de otro más grande, tal como sugiere el procedimiento de la Parte I, se incrementa el aislamiento térmico. Tengan en cuenta la influencia del aire que queda entre los potes. ¿Qué función cumple este gas en este experimento?

El aire entre los potes actúa como amortiguador, ya que la energía térmica que logre pasar el primer recipiente será absorbida por este y, por lo tanto, será menor la energía que pase el segundo recipiente.

Sería interesante que los alumnos averiguaran cómo es la estructura interna de los termos, y que analicen la presencia de la doble pared y del vacío entre ellas.

Propuesta de actividades 5. Resuelvan los siguientes problemas. a. Una motocicleta cuya masa es de 120 kg se mueve a 60 km/h. Calcular la energía cinética que contiene.

Para resolver este problema, es necesario pasar la velocidad a m/s: 60 km/h = 16,67 m/s, el cálculo de energía cinética entonces resulta: Energía cinética =1/2 m.V2

EC=16.673 J b. La masa de una pelota es de 1,50 kg y, luego de patearla, acumula una energía cinética de 13,50 J. ¿Cuál era su rapidez en ese instante?

Usando la misma fórmula que en el ejercicio anterior y despejando el módulo de la velocidad, se obtiene que la rapidez es de 3 m/s.

© Editorial Estrada S. A. 2014

2. Al calcular experimentalmente el CE del metal, no se consideró que parte del calor liberado por el metal es absorbido por la lata del calorímetro y por el ambiente. Teniendo esto en cuenta, ¿el CE real será mayor o menor que el verdadero valor? ¿Por qué?

17

6. Discutan en pequeños grupos las siguientes preguntas y redacten una respuesta para cada una: a. ¿Hay flujo de temperatura entre dos objetos en contacto que están a distinta temperatura? ¿Son iguales los cambios de temperatura de los dos objetos?

Sí, inevitablemente hay flujo de temperatura, el cuerpo a mayor temperatura cede energía al otro. La temperatura del primero disminuye y la del segundo, aumenta. Aunque la cantidad de energía que pierde uno es igual a la que gana el otro, la magnitud del cambio de temperatura puede no ser igual. Depende de la masa de cada cuerpo y del material que constituye cada uno. Si tuvieran la misma masa y estuvieran hechos del mismo material, la variación de la temperatura sería igual. b. ¿A qué se llama equilibrio térmico?

Se llama equilibrio térmico a la ausencia de intercambio neto de energía térmica, situación que se produce siempre que no haya diferencia de temperatura entre diferentes cuerpos o regiones en un sistema. c. ¿En qué unidades se mide el calor?

El calor se mide en unidades de energía, como por ejemplo joules (J) y calorías (cal). d. ¿Qué es el calor específico de una sustancia?

El calor específico es la cantidad de calor que una determinada cantidad de masa de la sustancia debe intercambiar para que el valor de su temperatura aumente en una unidad.

7. Teniendo en cuenta que un gas está formado por billones de partículas rapidísimas, expliquen por qué: a. Cuando se calienta un gas encerrado en un recipiente rígido, aumenta la presión.

Los billones de partículas empujan las paredes contra las que chocan, en consecuencia, las presionan. La energía térmica que absorbe un gas al calentarse se distribuye entre sus partículas en forma de energía cinética. Esto se traduce en un incremento del valor promedio de la energía cinética con que se trasladan.

En consecuencia, los choques de las partículas contra las paredes se hacen más frecuentes y violentos. Estos dos incrementos producen el aumento en la presión del gas encerrado.

b. Si se reduce el volumen de un gas, su presión aumenta.

Al reducir el volumen de un recipiente, las partículas están más juntas y, por lo tanto, aumenta el número de choques en cada sector de la superficie del recipiente. Además, las partículas demoran menos en ir de una pared a otra, y la frecuencia de las colisiones también aumenta. Por ende, la presión aumenta. c. Cuando se calienta un gas en un recipiente con paredes móviles, se expande.

Al calentarse el gas, aumenta la energía cinética promedio de las partículas y, como estas se mueven más rápidamente, chocan más veces contra las paredes del recipiente. Si estas paredes son móviles y estaban en equilibrio, se moverán hacia fuera cuando el gas se caliente.

8. Indiquen cuál es la respuesta correcta en esta experiencia. Dos muestras de distinto material e igual masa se encuentran a la misma temperatura. Si el calor específico de A es mayor que el calor específico de B y se entrega a las muestras la misma cantidad de calor, se verifica que: a. La muestra A alcanza mayor temperatura que la B. b. La muestra A alcanza menor temperatura que la B. X c. Las muestras alcanzan la misma temperatura.

Cuanto mayor es el calor específico, menos se modifica la temperatura con la misma cantidad de calor.

9. En el gráfico se muestran los datos recogidos al medir la temperatura del agua encerrada en un recipiente hermético colocado sobre una llama, en la medida que transcurría el tiempo. Identifiquen qué tramos del gráfico corresponden a los siguientes estados: a. Estado gaseoso. b. Condensación. c. Estado líquido. d. Solidificación. e. Estado sólido.

140

estado gaseoso

120 100

temperatura (°C)

© Editorial Estrada S. A. 2014

c. ¿De cuántos kg será la masa de una piedra si al arrojarla con una rapidez de 2 km/h acumula una energía de 0,50 J? En este ejercicio hay que pasar la rapidez de km/h a m/s; 2km/h = 0,56m/s Usando la misma fórmula de la EC, y despejando la masa, se obtiene un valor de 1,59 kg.

80 60 40

fusión / solidificación

estado líquido

vaporización / condensación

20 0 -20 -40

estado sólido tiempo

Nota aclaratoria: como se trata de una curva de calentamiento, debería decir “vaporización” en lugar de “condensación”, y “fusión” en vez de “solidificación”.

18

Sustancia

Calor específico

Agua

1

Hielo

0,53

Vapor de agua

0,48

Aluminio

0,22

Cobre

0,092

Hierro

0,12

Vidrio

0,201

a. Si ponemos sobre dos hornallas iguales, durante 1 minuto, una olla de cobre y una de hierro, ¿cuál de las dos alcanzará la mayor temperatura? ¿Pueden explicar por qué?

Alcanzará mayor temperatura la olla de cobre, ya que su calor específico es menor. b. Una barra de aluminio se halla a 20 °C. Absorbe 2 Kcal y llega a los 150 °C. ¿Qué masa tiene?

Convendría aclarar que, como el calor específico de la tabla está expresado en cal/g ºC, hay que pasar las Kcal a cal, teniendo en cuenta que 1 kcal = 1.000 cal.

Se recomienda también orientar a los alumnos en la simplificación de las unidades en esta serie de ejercicios.

Q = m.Ce (Tf-Ti) Q/ Ce (Tf-Ti) = m = 2.000 cal / 0,22 cal/g ºC.(150 ºC-20 ºC) = 69,93 g c. Un trozo de vidrio de 500 g que se encuentra a 15 °C absorbe 3 Kcal. Calculen su temperatura final.

Q = m.Ce (Tf-Ti) 3.000 cal = 500 g. 0,201 cal/ g ºC . (Tf- 15 ºC) Tf = 44,85 ºC d. Un bloque de cobre de 350 g absorbe 8 Kcal.

Inicialmente, su temperatura es de 30 °C, ¿qué temperatura final alcanza?

Q = m.Ce (Tf-Ti) 8.000 cal = 350 g . 0,092 cal/g ºC.(Tf- 30 ºC) Tf = 278,45 ºC

11. Un trozo de vidrio (CE = 0,16 cal/g ºC) cuya masa es de 200 g tiene una temperatura de 150 ºC y se introduce en un recipiente que contiene 800 g de agua que está a 10 ºC. Calculen la temperatura final del sistema.

Qvidrio = Q agua m.Ce (Tf-Ti) = m.Ce (Tf-Ti) 200 g.0,16 cal/g ºC . (150 ºC - tf) = = 800 g. 1 cal/g ºC(Tf-10 ºC) Despejando se obtiene Tf = 15,38 ºC.

1 2 . Si el oxígeno contenido en una botella a -183 ºC (temperatura de vaporización) absorbe 400.000 J de energía térmica, ¿cuánto oxígeno se evapora?

Para resolver este problema, hay que buscar el calor latente de vaporización del oxígeno.

Calor de vaporización: 106,56 J/g Q = m. CLvaporización Q: CLvaporización = m 400.000J : 106,56 j/g= m 3.753,75 g= masa de oxígeno evaporada

1 3 . ¿Cuánto calor se necesita para fundir 18 kg de plata que inicialmente están a 20 °C (temperatura de fusión de la plata = 962 ºC)?

Aquí hay que hacer dos cuentas. Primeramente, el calor que toma la plata para pasar desde los 20 ºC hasta su temperatura de fusión (962 ºC), y luego, el calor que necesita tomar para fundir totalmente, siendo la temperatura constante 962 ºC. Además, se debe trabajar la masa en g.

Datos: Calor latente de fusión (CLF) de la plata: 21 cal/g Ce plata: 0,056 cal/g ºC Primer paso: Q = m.Ce (Tf-Ti) Q = 18.000 g. 0,056 cal/g ºC.(962 ºC-20 ºC) Q = 949.536 cal Segundo paso: Q = m. CLF Q = 18.000 g . 21 cal/g Q = 3.780.000 cal Q total = suma de los dos = 4.729.536 cal

1 4 . Un bloque de hielo se saca del freezer a -27 °C. ¿Qué cantidad de calor debe absorber para transformarse en agua líquida a 42 °C? Aquí hay que hacer tres cuentas. El primer paso es el aumento de la temperatura del hielo desde los -27 ºC hasta los 0 ºC. Luego, se debe calcular el calor que toma el hielo para pasar totalmente al estado líquido, siendo la temperatura constante 0 ºC, y luego debe calcularse el calor que necesita el agua para pasar de 0 ºC a 42 ºC.

© Editorial Estrada S. A. 2014

10. Observen los valores de calor específico que muestra la siguiente tabla y luego, resuelvan las consignas.

19

Se debe tener en cuenta: Ce hielo = 0,5 cal/g ºC (aprox.)

Ce agua = 1 cal/g ºC CLF = 80 cal/g

Primeramente, hay que pasar la energía térmica a calorías:

Fe de erratas: a este problema le falta el dato de la masa del hielo. Agregar, como dato, masa hielo = 100 g.

Despejando: Tf = 5,14 ºC

300 J = 71,8 cal Q = m. Ce agua (Tf-Ti)

1 6 . Una patinadora de 57 kg se mueve a 8 m/s y se desliza sobre el hielo hasta detenerse. Si el hielo está a 0 °C y absorbe el 50% del calor generado por la fricción, ¿cuánto hielo se fundirá?

Q1 = m.Ce hielo (Tf-Ti) Q1 = 1.350 cal Q2 = m. CLF Q2 = 8.000 cal

En primer lugar, hay que hallar la energía cinética.

Como se detiene por completo, se debe considerar que toda la energía cinética se transformó en calor por fricción.

EC = 1.824 J = 436,36 cal. El 50% de esa cantidad (la mitad) = 218,18 cal.

Y, entonces, trabajar con Q = m. CLF Tomando el valor CLF = 80 cal/g, se obtiene que la masa es 2,73 g.

Q3 = m.Ce agua (Tf-Ti) Q3 = 4.200 cal Qt = Q1 +Q2 +Q3= 13.550 cal

© Editorial Estrada S. A. 2014

1 5 . ¿Cuál será la temperatura final de 500 g de agua líquida a 5 ºC, si toma 300 J del medio?

[red conceptual] Los cambios

Se transforma

se relacionan con la

no se crea ni se destruye

Energía

si se entrega a un cuerpo

es clasificada por la física en

Radiante

Energía térmica o calor

Mecánica

como la proveniente del Sol

de forma ordenada, genera

de forma desordenada, genera

que es la suma de las energías

que los físicos definen como tiene un equivalente numérico al transformarse en energías

Trabajo Cualquier tipo de energía vinculado a cambios de temperatura

Cambios de estado por ejemplo

Cinética

y

si esta suma es constante, se trata de un

Cambios químicos

Potencial

Gravitatoria la cual puede ser

Elástica Sistema

conservativo

Eléctrica

un tipo particular de esta se llama

Energía química

20

Capítulo 2 | Intercambios de energía por radiación Este capítulo aborda, en especial, los intercambios de energía que ocurren por radiación. Se analizan, primeramente, las características generales de las ondas (frecuencia, longitud de onda, velocidad), y se distinguen las ondas mecánicas (como el sonido) de las electromagnéticas. Se presenta el espectro electromagnético, y se profundiza en las características particulares cada grupo (ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, UV, rayos X, rayos gamma). Se estudia la relación entre la temperatura y la radiación, y los efectos de la radiación sobre los materiales, como el efecto fotoeléctrico, fotovoltaico

[ ]

Cuando calienta el Sol Al comenzar el capítulo ¿Qué forma de energía llega desde el Sol? ¿Cómo viaja?

La energía que proviene del Sol es radiante (parte de la energía radiante es térmica), y viaja por el espacio en forma de ondas. ¿Por qué creen que los dispositivos que aprovechan la energía solar tienen espejos y vidrios?

Los espejos reflejan los rayos del Sol y, de acuerdo con la ubicación de los espejos, permite direccionarlos.

En este caso, los rayos se reflejan en los espejos y se concentran en el interior del horno. Los vidrios dejan pasar los rayos, y retienen la energía térmica.

Las ollas que se ponen en los hornos solares son negras o transparentes. ¿Por qué?

Las ollas transparentes tienen el mismo efecto que los vidrios, y las ollas negras, debido al color, no reflejan ningún color, y retienen más energía.

Los pueblos de la puna son poco accesibles, motivo por el cual es costoso llevar hasta allí combustibles como el gas o la leña. ¿Qué ventaja tendrá usar la energía solar?

Las ventajas son varias: la mayor parte del año hay sol, por lo que la energía solar se puede aprovechar al máximo. Por otro lado, se trata de una forma de energía inagotable, gratuita, y no contaminante. Por último, reemplaza a los combustibles como el gas o la leña, que son difíciles de transportar, tienen un costo y además, su uso tiene un impacto ambiental.

Al final del capítulo 1. En la puna la energía solar también se suele utilizar para producir energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos. ¿Cómo se comporta el material del que están hechos los paneles frente a la luz, y cómo se llama dicho efecto?

La radiación excita los electrones de los átomos que constituyen los paneles, los separa de su núcleo y genera una corriente eléctrica.

Este fenómeno se conoce con el nombre de efecto fotoeléctrico.

2. Los hornos solares tienen estructuras en forma de caja con una tapa vidriada, en cuyo interior se coloca la comida por preparar. ¿Qué sucede con las radiaciones que vienen del Sol cuando atraviesan el vidrio? Si el interior se va calentando, ¿qué radiación es la que queda retenida?

Las radiaciones atraviesan el vidrio; la luz visible también se refleja y vuelve a salir, mientras que la radiación infrarroja atraviesa el vidrio, pero no sale, y queda retenida.

3. El interior de los hornos solares suele ser negro. Expliquen por qué se usa este color de acuerdo con lo que sucede con la absorción y la reflexión de la radiación.

El color negro implica que todos los colores de la luz se absorben, y ninguno se refleja. El color negro absorbe más el calor que otros colores.

© Editorial Estrada S. A. 2014

estudio de caso

y fotoquímico. Por último se analiza la absorción y la emisión de la radiación por parte de los distintos materiales y, en especial, la absorción y la emisión de la luz visible y su relación con los colores de los materiales.

Cabe destacar que es conveniente una revisión acerca del trabajo con la notación científica, puesto que los cálculos de las frecuencias y las longitudes de onda pueden dar resultados muy elevados o muy pequeños, que se deben trabajar con ese tipo de notación.

También se recomienda hacer una revisión de las unidades de longitud y de los cambios de unidades.

21

Página 35

Página 39

1 . ¿En qué se diferencian las ondas que se producen en el agua al caer una gota o las ondas sonoras de las ondas electromagnéticas? ¿Por qué podemos ver el Sol pero no escuchar las poderosas explosiones que se producen en él?

1 . ¿Cómo llegó Rontgen a la conclusión de que ciertos materiales absorben los rayos X? ¿Qué aplicación tiene eso en medicina?

Las ondas que se producen en el agua al caer una gota o las ondas sonoras necesitan un medio para desplazarse; en cambio, las ondas electromagnéticas pueden viajar en el vacío.

Podemos ver el Sol, ya que la luz es un conjunto de ondas electromagnéticas y pueden transmitirse en el espacio vacío. Los sonidos, en cambio, existen si hay un material elástico que pueda vibrar y transmitirlos.

El espacio vacío no permite la transmisión del sonido.

2. Ordenen, en forma creciente, las siguientes ondas según la frecuencia. Luego, ubíquenlas en forma decreciente según la longitud de onda. Comparen las dos series ordenadas e indiquen si son iguales o no y por qué. © Editorial Estrada S. A. 2014

Orden creciente de frecuencias: ƒD < ƒA = ƒB = ƒC Orden decreciente de longitud de onda: λD> λA= λB = λC El orden resulta el mismo, pues, para ondas que viajan a la misma velocidad en un mismo medio, mayor frecuencia implica menor longitud de onda, de acuerdo con la relación: V = λ . ƒ.

Página 37 1 . ¿Cómo se determinan las distintas zonas del espectro electromagnético?

El espectro electromagnético abarca una variedad de ondas electromagnéticas, ordenadas de forma creciente respecto de su frecuencia y de forma inversa, respecto de la longitud de onda. Cada zona corresponde a un grupo de ondas con alguna característica especial, asociada a su descubrimiento y/o aplicación. Por ejemplo, la zona correspondiente a la luz visible coincide con el rango de ondas que nuestros ojos pueden percibir como luz (que no es igual en todos los seres vivos; las abejas, por ejemplo, “ven” rayos ultravioletas también).

2 . Ordenen las siguientes zonas del espectro de forma creciente, de acuerdo con la energía: microondasluz visible-ultravioleta-rayox X- infrarrojo-ondas de radio.

A mayor frecuencia, mayor energía. Por eso, el orden creciente correcto es: ondas de radio-microondas-infrarrojo-luz visible-ultravioleta-rayos X.

Rongten interpuso, entre la fuente y la pantalla, distintos materiales. Aquellos que absorbían los rayos X no permitían que estos impactaran sobre la pantalla; por el contrario, si los dejaban pasar, permitían que apareciera una impronta. De este modo descubrió que los rayos X son absorbidos por los huesos, y no por las partes blandas, lo que se utilizó para desarrollar una aplicación fundamental en la medicina: la radiografía.

2 . Un rayo gamma emitido en una reacción nuclear tiene una frecuencia 2.1020 Hz, ¿cuál es su longitud de onda al viajar en el vacío?

Es recomendable que los docentes, para trabajar en Hz (1/s), trabajen con la velocidad de las ondas electromagnéticas expresada en m/s (300.000.000 m/s) V= λ. ƒ V= λ f λ = 300.000.000 m/s / 2 .1020 1/s λ = 1,5 . 10 -12 m

Página 40 1 . Investiguen acerca de otras aplicaciones de la radiación infrarroja, diferentes a las que se describen en esta página.

De elaboración personal del alumno. Si hace una buena búsqueda, probablemente encuentre que la radiación infrarroja tiene muchas aplicaciones: -en controles remotos -en puertas automáticas -en el control de las construcciones -en los invernaderos y hornos solares (que retienen la radiación infrarroja) -en la medicina Algunas aplicaciones figuran en el siguiente link: http://www.quiminet.com/articulos/usos-y-aplicaciones-de-la-termografia-infrarroja-44170.htm

2 . Calculen la frecuencia de las ondas que tienen las siguientes longitudes: 10 μm 450 μm 1 μm

22

Se debe trabajar con la velocidad de las ondas electromagnéticas expresada en m/s (300.000.000 m/s), y utilizar la fórmula V= λ. ƒ. Cabe destacar que los alumnos deberán pasar los μm a m, teniendo en cuenta que 1 μm = 1. 10 -6 m Si se despeja ƒ = V/ λ Para 10 μm = 1 . 10 -5 m ƒ = 3.1013 Hz Para 450 μm = 4,5 . 10 -4 m ƒ = 6,67.1011 Hz Para 1 μm = 1 . 10 -6 m ƒ = 3 . 1014 Hz

3 . Teniendo en cuenta las longitudes de onda del punto anterior, respondan:

[ ]

La radiación infrarroja,

aliada contra la gripe h1n1 1. ¿Qué tipo de radiación infrarroja detecta el escáner? ¿La infrarroja lejana o cercana?¿Por qué?

Detecta la infrarroja lejana, ya que es la que se percibe como calor.

La radiación infrarroja se suele clasificar en tres subregiones: cercana, media y lejana. Corresponden a rangos de longitudes de onda diferentes.

Según la temperatura del cuerpo que la emite, la radiación infrarroja corresponde a alguna de estas subregiones, tal como se muestra en la tabla: Subregión infrarrojo

Longitud de onda (nm)

Temperatura cuerpo emisor (ºC)

Cercano

700 / 5.000

470 / 5.000

Medio

5.000 / 40.000

-140 / 470

Lejano

40.000 / 300.000

-250 / -140

2. En la imagen del monitor del aeropuerto se pueden ver distintos colores para cada región

Página 43 • Expliquen cómo se separan los colores cuando la luz solar pasa a través de un prisma o de las gotas de agua suspendidas en la atmósfera.

La luz blanca está formada por siete colores. Todos

corporal de las personas. ¿Cuáles son las zonas más frías del cuerpo? ¿Por qué?

Las zonas más frías son las extremidades. Las más calientes son donde están los órganos relacionados con la digestión y la respiración, procesos que metaboliza la mayor cantidad de nutrientes incorporados.

Cabe destacar que en la imagen del libro no está claro. Los alumnos podrían responder esta pregunta de forma grupal junto con su docente, o buscar otras imágenes en las que se vea con mayor claridad.

3. Los escáners térmicos son útiles para detectar la actividad de las células cancerosas, ya que estas son muy activas y producen mucho calor. ¿Por qué un escáner térmico sería útil en este caso?

Cuanto mayor es la actividad de las células cancerosas, mayor será la marca roja que detectará el escáner. No solo detecta su presencia, sino su ubicación.

Este método sirve entonces como una aproximación al diagnóstico de cáncer, pero deberá ser confirmado realizando un análisis más profundo de las células de la zona de mayor actividad detectada.

tienen la misma velocidad en el vacío (300.000 km/s, la velocidad de las ondas electromagnéticas), pero dentro de los materiales, cada uno tiene una velocidad menor y distinta. Según las características y forma del material que atraviesen, estos colores pueden salir del material por separado. Esto es lo que ocurre en los prismas y en las gotas de agua.

© Editorial Estrada S. A. 2014

CIencia en acción

a. ¿A qué tipo de radiación infrarroja corresponde cada una de esas ondas?

La primera corresponde al infrarrojo medio; la segunda, al infrarrojo lejano, y la tercera, al infrarrojo cercano, ya que 1 μm = 1.000 nm.

Quizás resulte conveniente que los docentes, para la resolución de estos ejercicios, aclaren las distintas unidades para submúltiplos (mili, micro y nano). b. ¿Cuál es la utilidad de expresar la longitud en micrómetros (μm) en lugar de nanómetros, en el caso de las ondas infrarrojas y las de menores frecuencias?

Si se trabajara en nanómetros, el número sería muy grande, ya que 1 μm = 1.000 nm. Por ejemplo, 1.000 μm, que es el límite del infrarrojo lejano, expresado en nanómetros, sería 1.000.000 nm.

23

1 . Se suele decir que el rojo es un color cálido y el azul, frío. ¿Está esto de acuerdo con la temperatura de los cuerpos incandescentes?

2 . ¿Por qué un cuerpo verdaderamente caliente no se ve violeta sino blanco? ¿Qué explica esto acerca las velocidades de las cargas eléctricas que se agitan en un cuerpo caliente?

La luz de un cuerpo muy caliente se ve blanca porque contiene todas las frecuencias visibles, desde el rojo hasta el violeta. Superpuestas, producen la sensación de blanco, como la luz solar. Esto significa que las velocidades con que se agitan las moléculas se distribuyen en un rango amplio de valores. Las más lentas, emiten radiación de menor frecuencia (roja); las más rápidas, radiación violeta.

Página 46 Con un espectroscopio se obtiene el espectro de la luz de la lámpara que se muestra en la figura.

0.0025

Página 47 El siguiente gráfico muestra la distribución espectral de la radiación de una lámpara. Indiquen la opción correcta en cada caso.

100

0 300

600

900

Longitud de onda (nm)

a. La frecuencia emitida con mayor intensidad corresponde al... ultravioleta. infrarrojo. X todo el espectro visible. b. La luz de la lámpara es de tono... violáceo. blanquecino. X verde. anaranjado.

Nota: blanquecino, ya que la emisión de las ondas de luz visible de todos los colores es más o menos igual.

El pico de infrarrojo no se ve.

0.0020 0.0015

Energía

© Editorial Estrada S. A. 2014

No, es justamente al revés. La distribución de energía en el espectro de radiación térmica depende de la temperatura del cuerpo que la emite. A temperaturas bajas (alrededor de 300 °C), predomina la radiación infrarroja de longitudes de onda entre 800 y 4.000 nm aproximadamente, que es invisible para el ojo humano. A temperaturas altas (más de 700 °C), en el espectro aparecen longitudes de onda más cortas (400 – 800 nm), que corresponden a la parte visible y ultravioleta del espectro. A la temperatura de 700 °C, el cuerpo emite suficiente energía y parece rojo. A 3.000 °C la energía radiante contiene muchas ondas de longitud de onda más corta, y el cuerpo parece prácticamente blanco (emite todos los colores). El azul tiene más frecuencia (y menos longitud de onda) que el rojo y, por lo tanto, se emitirá a mayor temperatura (es más cálido).

nm y 550 nm también corresponden a longitudes de onda intensas en esta radiación. b. ¿Emite radiaciones no visibles?

Sí, todas las que están fuera del intervalo 380– 750 nm de longitud de onda. Por ejemplo, la mayor parte del espectro coloreado en azul oscuro en la figura es energía no visible. c. ¿De qué color se verá la luz de esta lámpara?

Mayormente azulada (de acuerdo con las longitudes de onda que predominan).

Porcentaje

Página 44

Página 49

0.0010 0.0005 250

350

450

550

650

750

Longitud de onda (nm)

a. ¿Qué longitudes de onda predominan?

Las que representan mayor área coloreada en la figura. Son las comprendidas entre los 300 y 380 nm, aproximadamente. Los picos en 440

1 . La Tierra está a mayor temperatura que el espacio que la rodea, ¿emite o absorbe radiación del espacio? ¿Por qué la Tierra absorbe radiación del Sol? La Tierra absorbe y emite: absorbe la radiación del Sol, porque está a menor temperatura que este, y emite radiación hacia el espacio, ya que este tiene menor temperatura.

24

2 . ¿Por qué se suele usar ropa clara en verano y oscura en invierno?

fleja. Las plantas absorben, sobre todo, en frecuencias que no corresponden al verde (rojo y azules).

Porque la ropa oscura absorbe más radiación que la clara. En invierno, la ropa oscura absorbe más el calor del Sol, y en verano, la ropa clara lo refleja.

Espectro de absorción de la clorofila

a

400

500

600

700

Longitud de onda (nm)

Página 51

3 . ¿Cómo se obtiene luz de todos los colores en los monitores actuales?

1 . ¿Por qué vemos un objeto de color rojo, por ejemplo? ¿Qué sucede con la luz en este caso?

Se obtiene con un conjunto de lamparitas pequeñas llamadas leds, que pueden ser rojas, verdes o azules.

La mezcla de estos tres colores lumínicos origina todos los colores.

Vemos un objeto de color rojo, ya que absorbe el resto de los colores, y el rojo lo refleja. Si se iluminara un objeto rojo con luz que no fuera blanca ni roja, se vería negro (no habría ningún color reflejado).

2 . ¿A qué color de luz corresponden las longitudes de onda que absorben principalmente las plantas? ¿Por qué se ven verdes?

Las plantas poseen un pigmento llamado clorofila. Es verde, porque este es el color que mayormente re-

4. ¿Qué es un fotoconductor? ¿Qué aplicaciones tiene?

Son materiales cuyas partículas adquieren energía suficiente como para vencer la atracción eléctrica de sus cargas vecinas, pero no para escapar del material. Se comportan como semiconductores, y se los utiliza, por ejemplo, en las células fotoeléctricas que controlan el encendido y el apagado del alumbrado público.

Taller de Ciencias ¿Cómo se compone la luz?

El objetivo de esta experiencia es construir un espectroscopio casero, utilizando como red de difracción un cd viejo, y comparar la composición de la luz natural y de distintos tipos de luces artificiales. Mediante esta actividad sencilla, se puede trabajar con muchos de los temas trabajados durante el capítulo, como los colores de la luz visible, la descomposición de la luz y la espectroscopía, para conocer la composición de las estrellas.

Actividades Hace un par de siglos, Auguste Comte, un filósofo francés, dijo que el ser humano jamas podría conocer las propiedades de las estrellas y los cuerpos celestes.

Hoy conocemos muchas cosas de las estrellas, las nebulosas y las galaxias, pero ¿de dónde sacamos tanta información, si apenas hemos pisado la Luna?

Como se ha visto a lo largo del capítulo, a la Tierra llegan muchas radiaciones del espacio, que pueden ser analizadas. Los radiotelescopios detectan e interpretan las ondas de radio. La espectroscopía permite analizar la composición de las estrellas mediante el análisis del espectro de emisión.

© Editorial Estrada S. A. 2014

La nieve se ve blanca porque refleja todas las frecuencias de la radiación solar. El polvo oscuro, en cambio, absorbe la radiación solar y experimenta un aumento de temperatura. Al estar en contacto con la nieve, le transmite energía térmica que favorece su fusión.

b

Eficiencia en la absorción

3 . ¿Por qué la nieve sucia con polvo se derrite antes al rayo del Sol que la nieve limpia?

25

Propuesta de actividades 4 . Cuando ha llovido recientemente y en poco tiempo brilla la luz del Sol, se forma en el cielo un arcoíris. Expliquen este fenómeno utilizando el vocabulario específico que se usa en el capítulo, y dibujen un arcoíris con la secuencia de colores que corresponda. Pueden utilizar como ayuda una foto de un arcoíris tomada por ustedes.

Las gotas de agua actúan como prismas. La luz del Sol (luz blanca, que contiene todos los colores) atraviesa las gotas y se descompone en siete colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta.

© Editorial Estrada S. A. 2014

5. Un grupo de estudiantes apoyó sobre la mesada del laboratorio tres bolas de pool: una blanca, una amarilla y una negra. Luego, las expusieron a luces de diferentes colores y a continuación, las dejaron en completa ausencia de luz. Discutan los resultados que pudieron haber obtenido estos alumnos e indiquen en el siguiente cuadro de qué color vieron cada bola en cada caso.

Luz solar

Luz amarilla

Sin luz

Bola blanca

Blanca

Amarilla

Negra

Bola amarilla

Amarilla

Amarilla

Negra

Bola negra

Negra

Negra

Negra

Solo hay color si hay luz. Sin luz, todo es negro. La bola blanca refleja todos los colores; si solo se la ilumina con luz amarilla, refleja el amarillo, y se la ve amarilla. La bola amarilla, con luz amarilla, sigue reflejando el amarillo.

6 . Ordenen las siguientes ondas de menor a mayor energía transportada por ellas: a. Ondas de TV. 2 b. Rayos X. 5 c. Luz azul. 4 d. Ondas de radio. 1 e. Luz roja. 3 f. Rayos gamma. 6 7. El lugar en el que ustedes se encuentran en este momento está atravesado por diferentes ondas electromagnéticas. Mencionen 5 de ellas ordenándolas de menor a mayor según su frecuencia.

Ordenadas de menor a mayor frecuencia: -Ondas de radio (de la transmisión radial).

-Microondas (por ejemplo, de la telefonía celular).

-Luz visible (del Sol).

-Ultravioleta (del Sol).

-Rayos cósmicos (provenientes del espacio).

8. Actualmente, se puede conseguir en el mercado una gran variedad de lámparas para iluminar. Las hay de luz “fría” y de luz “cálida”, por ejemplo. Busquen imágenes de estos dos tipos de lámparas e indiquen cuál de estos gráficos corresponde a una lámpara de luz fría y cuál al de una de luz cálida. Justifiquen sus respuestas.

Se suele llamar “cálidas” a las lámparas que tienen luces rojizas o amarillentas y “frías”, a las azuladas. Sin embargo, este adjetivo responde a la sensación que producen, y no verdaderamente a la temperatura, ya que se comportan al revés: las lámparas rojizas o amarillentas están a menor temperatura que las azuladas.

El primer gráfico corresponde a una lámpara rojizoamarillenta, ya que las frecuencias más abundantes son las de esos colores, mientras que el segundo gráfico corresponde a una lámpara con colores azulados.

9. Observen el dial de un aparato de radio y, suponiendo que se transmiten en el vacío, calculen: De investigación personal del alumno. Conviene que el docente recuerde o enseñe los múltiplos de las unidades (kilo y mega). a. Entre qué valores de frecuencia se sintoniza la AM. Entre 540 y 1.600 kHz, es decir, entre 540.000 Hz y 1.600.000 Hz, o escrito en notación científica, entre 5,4.105 Hz y 1,6.106 Hz. b. Entre qué valores de longitud de onda se sintoniza la FM. Entre 88,1 y 108,1 MHz. En Hz sería de 8,1.1010 Hz hasta 1,081.1011 Hz.

1 0. Escriban en sus carpetas las definiciones de cada una de las palabras que aparecen en el siguiente crucigrama.

De elaboración personal del alumno. Aquí se presenta una propuesta: a-Conjunto de todas las ondas electromagnéticas ordenadas de menor a mayor frecuencia. b-Onda electromagnética que puede ser captada y vista por el ser humano. c-Liberación de ondas por parte de un cuerpo. d-Cantidad de perturbaciones que se desplazan en un determinado tiempo. e-Efecto que produce la radiación sobre ciertos materiales, separando electrones de los átomos. f-Rama de la química que estudia los espectros de emisión y absorción de las sustancias. g-Cada uno de los componentes de la luz visible.

(uno de los extremos).

Para hacer la cuenta, hay que pasarla a m = 495. 10 -9 = 4,95 . 10 -7 y trabajar la velocidad como 300.000.000 m/s (o bien 3.10 8 m/s).

Utilizando la fórmula V = λ . ƒ ƒ = 6,06.1014 Hz b. Frecuencia de la luz azul.

Según el capítulo, se conoce la λ = 450 nm (uno de los extremos).

Para hacer la cuenta, hay que pasarla a m = 450. 10 -9 = 4,5 . 10 -7 y trabajar la velocidad como 300.000.000 m/s (o bien 3 . 10 8 m/s) Utilizando la fórmula V = λ . ƒ ƒ = 6,67 . 1014 Hz c. La longitud de onda de las microondas de 3 . 1010Hz. Utilizando la fórmula V = λ . ƒ λ = 0,01 m d. La longitud de onda de radio de frecuencia modulada de 95,2 .106 Hz Utilizando la fórmula V = λ . ƒ λ = 3,15 m e. La longitud de onda de radiación con una frecuencia de 4. 10 26 Hz. Utilizando la fórmula V = λ . ƒ λ = 7,5 . 10 -19 m

h-Un tipo de onda electromagnética, cuya longitud de onda está en el rango de los micrómetros, y se utiliza, por ejemplo, para cocinar. i-Un tipo de onda electromagnética, producida por átomos radiactivos. j-Cuanto mayor es la frecuencia de una onda, mayor es la que transporta. k-Los gases moleculares emiten espectros discretos de formados por franjas de colores separadas por zonas oscuras. l-Unidad de la frecuencia. m-Dispositivo que se utiliza para producir energía eléctrica a partir de la energía celular, llamado “célula ”. n-Radiación electromagnética que está inmediatamente después del violeta en el espectro electromagnético. ñ-Efecto que produce la luz sobre los materiales semiconductores. o-Científico que demostró, de forma experimental, que la luz blanca se podía descomponer en siete colores.

1 1 . Busquen los datos necesarios en el capítulo que acaban de leer y calculen: a. Frecuencia de la luz verde.

Según el capítulo, se conoce la λ = 495 nm

[red conceptual] Longitud de onda (λ)

se caracteriza por

cuya relación es

V= λ .ƒ

Frecuencia (f)

Oleaje del mar Materiales

ONDAS

como

Sonido

Velocidad (v) Electromagnéticas se utiliza en

•• Química •• Astronomía

Emisión

de

Espectro

Espectroscopía

•• Radio •• Microondas •• Infrarrojo

Luz visible

Fotoquímico

Ondas de alta energía •• Ultravioleta •• Rayos X •• Rayos gamma

Del rojo al violeta produce

Efectos

Fotoeléctrico

Temperatura

Absorción

se divide en

Ondas de baja energía

Fotovoltaico

se relaciona con la

se agrupan en un

su análisis se llama

si se refleja totalmente

Cuerpo blanco

si se absorbe totalmente

Cuerpo negro

© Editorial Estrada S. A. 2014

26

27

Capítulo 3 | La estructura de los átomos En este capítulo se define la estructura atómica, los números característicos de los elementos y se distinguen los isótopos de los iones. Se relaciona el número másico con la masa atómica, se define el concepto de mol y el valor de la masa atómica relativa de cada átomo.

Se hace una revisión de la evolución del modelo atómico hasta llegar a la descripción del modelo atómico actual.

estudio de caso

[ ]

La poesía y los átomos Al comenzar el capítulo

© Editorial Estrada S. A. 2014

Se definen los números cuánticos. Se explicita el concepto de orbital, presentando los tipos de orbitales y sus características particulares, y cómo estos orbitales se relacionan con los números cuánticos de los electrones. Por último, se define la configuración electrónica de los elementos, de acuerdo con los orbitales y con los números cuánticos de los electrones que se ubican en ellos.

La imagen de la página 56 es una representación de una galaxia, ¿por qué creen que se la eligió para ilustrar este capítulo?

Respuesta posible: como menciona el texto, los átomos surgen con el surgimiento del Universo. ¿Por qué el poeta se refiere a los átomos como sistemas solares en miniatura?

Probablemente los alumnos, debido a lo estudiado en el nivel de Fisicoquímica de segundo año, ya conozcan las partículas subatómicas que componen a los átomos, y puedan decir que los electrones que giran alrededor del núcleo se asemejan a los planetas que giran alrededor del Sol. En el extracto del poema, marquen palabras u oraciones que les llamen la atención y traten de explicarlas con sus propias palabras.

De elaboración personal del alumno. un posible análisis e interpretación: los polos son las cargas de signo contrario (electrones y protones), “que generan la diversidad” (la variedad de átomos que existen debido a las distintas cantidades de partículas subatómicas), “sumando vueltas” (hace alusión al movimiento de los electrones alrededor del núcleo).

Investiguen cuál es el símbolo utilizado para representar la energía nuclear. ¿Por qué creen que tiene esta forma? ¿Qué representa?

De elaboración personal del alumno.

Al final del capítulo Vuelvan a leer el texto del Estudio de caso del comienzo del capítulo. Respondan nuevamente las preguntas que están a continuación. ¿Cambió alguna de sus respuestas? ¿Cuál? ¿Qué respondieron esta vez?

De elaboración personal de los alumnos. Se espera que sus respuestas cambien.

1. ¿A qué modelo atómico se parece más la representación del átomo que se hace en el poema citado en el Estudio de caso? Expliquen en qué consiste dicho modelo.

Se parece al modelo de Rutherford, que planteaba que el átomo tenía partículas positivas, acumuladas en un núcleo, y electrones (negativos), girando en órbitas alrededor del núcleo, como los planetas alrededor del Sol. 2. ¿Cuál fue el modelo anterior? ¿En qué se diferencia con el modelo del punto 1? ¿Cuál fue el experimento que permitió pasar de un modelo al otro?

El modelo anterior fue el de Thomson. El experimento de Rutherford, con la lámina de oro y los rayos alfa (positivos), permitió pasar de un modelo a otro.

3. Cuando se compara un átomo con un sistema planetario, se hace una analogía entre los planetas y los electrones. El comportamiento de los planetas se explica mediante la mecánica clásica. a-¿Sucede lo mismo con el comportamiento de los electrones?

No, a nivel de los electrones se debe utilizar la mecánica cuántica. b-¿Rigen las mismas leyes físicas para estas partículas que para cuerpos con tanta masa como un astro? ¿Por qué?

Las leyes no son las mismas. Las partículas subatómicas parecen comportarse de otro modo, y por eso se desarrollaron leyes que explican su comportamiento.

4. ¿Cuál es la diferencia entre la representación de un átomo como un sistema planetario y el modelo cuántico actual?

El modelo actual propone que los electrones no se ubican en órbitas, sino en orbitales, que son regiones del espacio donde hay mayor probabilidad de encontrarlos. No se conoce el recorrido exacto del electrón.

28

1 . Respondan las siguientes preguntas: a. Un átomo tiene 23 protones en su núcleo, ¿cuántos electrones tiene?

Si no se trata de un ion, es decir, de un átomo eléctricamente neutro, la cantidad de electrones es igual a la de protones, esto es, 23. b. Para arrancar un electrón de este átomo, hay que gastar energía (y dársela al electrón, por ejemplo, chocándolo con un proyectil). ¿Por qué?

Porque entre el electrón y el núcleo actúa una fuerza eléctrica de atracción que determina una energía potencial eléctrica. El proyectil le transfiere energía cinética al electrón, y esta debe superar un determinado valor para vencer la fuerza de atracción.

2 . Analicen la siguiente frase y, luego, explíquenla: “Se necesita más energía para separar un electrón que está cerca del núcleo que la necesaria para separar otro electrón que está más lejos del núcleo”.

Los electrones que están más cerca del núcleo tienen fuerzas de atracción más intensas que los que están más lejos. Este tema se vio en el nivel de Fisicoquímica 2; la fuerza eléctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Cuanto más lejos del núcleo, menos influencia nuclear y por lo tanto, se vence más fácilmente la fuerza de atracción (con menor energía).

3 . ¿Qué carga eléctrica total tiene un átomo al que se le han arrancado tres electrones?

Tiene tres cargas positivas sin compensar, es decir, su carga es “+3”.

Página 61 1 . ¿Cuál es la diferencia entre los números atómico y másico? ¿Cuál de los dos caracteriza un elemento químico?

El número atómico es la cantidad de protones que tiene un átomo, y el número másico es la cantidad total de partículas nucleares, es decir, la suma de los protones y los neutrones. Lo característico de los elementos es su número atómico, es decir, su cantidad de protones.

2 . El numero atómico (Z) coincide con el número de electrones. ¿Es correcta esta afirmación? ¿Por qué?

Si no se trata de iones, los átomos son eléctricamente neutros, es decir, tienen sus cargas positivas y ne-

gativas compensadas. Por este motivo, la cantidad de electrones coincide con la cantidad de protones y, por ende, con el número atómico.

3 . Expliquen si es posible que: a. Un átomo con Z = 8 y 6 neutrones tenga A = 14.

Es posible, ya que A es la suma de los protones y los neutrones. Si Z = 8, tiene 8 protones + 6 neutrones = 14. b. Un catión o ion positivo posea más electrones que protones.

No es posible. Los cationes tienen cargas positivas sin compensar, porque tienen menos electrones que protones. c. Un anión tenga más protones que electrones.

No es posible. Los aniones poseen más electrones que protones; por eso tienen cargas negativas sin compensar. d. Dos átomos de igual número Z, pero distinto número A, pertenezcan al mismo elemento químico.

Sí es posible, ya que lo característico de un elemento es su Z. Existen variedades de un mismo elemento que tienen distinto A (porque tienen distinta cantidad de neutrones), llamadas isótopos.

CIencia en acción

[ ]

Importancia y uso de los isótopos 1. ¿Qué diferencia existe entre un isótopo estable y uno radiactivo?

Los isótopos estables no emiten radiación, y suelen tener igual cantidad de neutrones que de protones en su núcleo, mientras que los isótopos radiactivos se transforman emitiendo energía en forma de radiación, y suelen tener mayor cantidad de neutrones que protones en su núcleo.

2. ¿Cómo se puede determinar la edad de un resto fósil a partir del análisis de la presencia de un isótopo del carbono?

Conociendo la edad media de la emisión del isótopo radiactivo del carbono, se puede estimar cuándo ingresó en el organismo (el organismo dejó de incorporar C14 una vez que murió).

3. Investiguen otros usos de los isótopos radiactivos, además de los mencionados en el texto.

De elaboración personal de los alumnos. Por ejemplo, se usa un isótopo radiactivo del yodo para el tratamiento de cáncer de tiroides.

© Editorial Estrada S. A. 2014

Página 59

29

Página 63 1 . ¿Qué masa tiene un mol de moléculas de agua?

La fórmula química del agua es H2O. La masa de un mol de moléculas entonces se obtiene mediante la suma de las masas de los moles de los átomos que la constituyen: 2 moles de H + 1 mol de O = 2. 1 g + 16 g = 18 g

2 . El sodio tiene 11 protones y 12 neutrones, ¿cuál es la masa de un mol de átomos de sodio?

La masa de un mol de átomos de sodio es 23 g (ya que A = 11+12).

Página 64

© Editorial Estrada S. A. 2014

1 . ¿Qué es un modelo? ¿Qué ventajas y limitaciones tiene?

Un modelo es una representación simplificada de una porción del Universo que se corresponde con los datos o las evidencias con las que se cuenta acerca de dicha porción. Los modelos son útiles para explicar fenómenos de la naturaleza, pero son solo representaciones, no son el fenómeno en sí.

2 . En la Antigua Grecia, ya existía la idea de que la materia estaba formada por átomos. Uno de los pensadores griegos relacionado con este tema es Demócrito de Abdera. Investiguen cómo era su “modelo” atómico y qué relación hay entre la forma de los átomos y los sabores.

De elaboración personal de los alumnos. Según Demócrito, los átomos eran las partículas más pequeñas de la materia, indivisibles, indestructibles. Cada material estaba hecho de un gran número de átomos individuales. Los átomos tenían distinta forma y características, y eso les confería a los materiales sus propiedades, entre ellas, el sabor.

Página 65 ¿En qué se diferencian el modelo de Thomson y el de Rutherford? ¿Cómo llegó Rutherford a proponer un modelo diferente?

Thomson descubrió que el átomo respondía a la electricidad, y por lo tanto tenía cargas eléctricas, pero propuso que las cargas eléctricas negativas estaban insertas en una masa positiva, es decir, las cargas estaban juntas, y el átomo era macizo. A este

modelo se lo llamó “budín de pasas”. Rutherford, en cambio, propuso un modelo en el que la masa positiva se hallaba concentrada en una zona central llamada núcleo, y los electrones giraban alrededor del núcleo como los planetas alrededor del Sol. Por este motivo, se lo llamó “modelo planetario”, las cargas se hallaban separadas, y la mayor parte del átomo era vacío. Rutherford realizó un experimento en el que demostró que la radiación positiva a veces rebotaba, lo que implicaba que había cargas positivas concentradas.

Página 67 1 . Lean la siguiente afirmación y luego indiquen cuál de todas las opciones es la correcta. La energía de un fotón de frecuencia 2,85.1012 Hz es: Para resolver este ejercicio, se debe usar la fórmula E = h.f , donde h es la constante de Planck = 6,6 . 10-34J.s. a. 2,32.10-46 J b. 6,97.10-38 J c. 1,89.10 -21 J X d. 4,30.1045 J

2. ¿Por qué es correcto decir que cuando vemos una luz verde estamos absorbiendo cuatrillones de fotones?

La luz verde está constituida por fotones de frecuencia correspondiente al color verde. El sistema de visión humano tiene una sensibilidad limitada, no percibe un estímulo luminoso si este transporta muy poca energía. Unos pocos fotones que lleguen a la retina del ojo no producen una sensación suficientemente intensa para ser percibida. Si vemos luz verde es porque llegaron muchísimos fotones de esta frecuencia a la retina. Un mol de fotones, por ejemplo, son casi 1024 fotones, un cuatrillón de fotones. Las sensaciones visuales son producidas por fotones en cantidades de ese orden de magnitud.

3 . Indiquen cuántas líneas tendrá el espectro de emisión luminoso de un átomo en el cual un electrón puede ocupar tres niveles de energía diferentes.

El átomo puede emitir fotones de frecuencia correspondiente a cada una de las transiciones posibles.

Si los niveles de energía son tres, entonces resultan tres transiciones posibles.

Página 69 1 . Elijan la opción correcta: Para el número cuántico m de un electrón en el orbital 4p:

30

2. Para un electrón que tiene números cuánticos n = 3 y m = 2, ¿cuál de las siguientes opciones es correcta? a. Debe tener l = 1. b. Puede tener l = 0, 1 o 2. X c. Debe tener l = 2. d. Puede tener l = 3 o 4.

Página 71 1 . ¿Cuál de las siguientes configuraciones electrónicas corresponde al átomo de cobre (Cu), de número atómico 29? a. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4p1. b. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2. c. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1. X 2 . ¿Qué orbitales del átomo con Z = 35 influyen en sus propiedades químicas? ¿Por qué?

Son los electrones de los orbitales más externos los que participan en la unión entre los átomos.

Los orbitales más externos corresponden a los ni-

veles de mayor energía, es decir, de mayor n. La configuración electrónica para Z = 35 es: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5 El mayor n en esta configuración es 4, son los 7 electrones de ese nivel los que definen las propiedades químicas de este elemento (el cloro).

3 . Elaboren las configuraciones electrónicas de los átomos con Z = 20, Z = 24, Z = 26, Z = 29 y Z = 30.

Compárenlas y establezcan semejanzas y diferencias entre ellas.

Z = 20 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 Z = 24 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4 Z = 26 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 Z = 29 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9 Z = 30 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 En todas ellas el nivel de energía (número n) más alto es el 4, pero difieren en el número de electrones que ocupan el orbital 3d. El elemento cuyo Z = 20 no tiene electrones en el orbital 3d.

Taller de Ciencias ¿Qué relación existe entre el espectro de emisión y la estructura de un átomo?

Esta experiencia sencilla permite comprobar la emisión de cantidades discretas de energía por parte de los átomos, lo que apoya la teoría cuántica. Además, se conecta con lo visto en el capítulo anterior acerca de la descomposición de la luz y del uso de la espectroscopía para la identificación de sustancias.

Actividades 1. ¿Por qué es importante limpiar cuidadosamente el alambre de nicromo antes de cada nuevo ensayo?

Porque si queda un poco de la sustancia que se usó anteriormente, los resultados van a ser incorrectos, ya que esas trazas van a emitir luz, aunque en menor medida.

2. ¿Qué diferencia hay entre el espectro de la luz blanca y el de las llamas de los elementos?

El espectro de la luz blanca está formado por los siete colores. El de las llamas proviene de los saltos de los electrones de los distintos niveles de ener-

gía de cada átomo, y no tiene todos los colores.

Para cada elemento, el espectro de emisión es específico; es por eso que esta técnica puede ser utilizada para identificarlos.

3. Sobre la base de lo que leyeron en este capítulo acerca de la mecánica cuántica y los niveles de energía de los orbitales, elaboren una explicación acerca de lo que observaron en esta experiencia.

Los electrones deben tomar una cantidad discreta de energía para saltar de un nivel inferior a uno superior. Cada salto tiene asociada una determinada cantidad de energía (cuanto). Los electrones que toman

© Editorial Estrada S. A. 2014

a. Puede ser + ½ o - ½. b. Toma cualquier valor entre +2 y -2. c. Puede ser 4. d. Puede ser 3. e. Las opciones anteriores son incorrectas. X Por ser p, el m oscila entre -1 y 1.

31

energía se excitan, y suben a los niveles de mayor energía; cuando regresan a su nivel original, es decir, a su estado fundamental, liberan energía en forma de luz. Esta luz es una radiación con una determinada longitud de onda, es decir, con un determinado color. Los espectros revelan la energía asociada entre los distintos niveles en cada átomo.

4 . Observen la siguiente imagen e identifiquen las llamas correspondientes a los elementos sodio, po-

tasio y estroncio. Investiguen a qué elementos corresponden los otros dos colores.

Rojo: podría ser calcio Naranja: potasio Amarillo: sodio Verde: podría ser cobre Violeta: estroncio

© Editorial Estrada S. A. 2014

Propuesta de actividades 5 . ¿Cuál es la masa en gramos en los siguientes casos? a. 3 moles de moléculas de CO2.

12 + 2.16 = 44 Un mol 44 g x 3 = 132 g b. 6 moléculas de CO2.

1 mol de CO2 6,02.1023 moléculas 44 g 6 moléculas x = 4,39.10 -22 g c. 5 moles de átomos de Fe. 1 mol 56 g x 5 = 280 g d. 7 átomos de Fe. 1 mol de Fe 6,02.10 23 átomos 56 g 7 átomos x = 6,51.10 -22 g 6 . En qué se parecen y en qué se diferencian: a. Los orbitales 1s y 2s de un átomo.

Tienen la misma forma (esférica) y capacidad (albergan dos electrones), pero el 2s es de mayor radio. Los electrones que están en estos orbitales tienen mismo número cuántico azimutal (l), pero distinto número cuántico principal (n). b. Los orbitales 2px y 2py de un átomo.

Tienen la misma forma y capacidad, pero tienen orientaciones espaciales diferentes (son perpendiculares). Los electrones ubicados en estos orbitales tienen el mismo número cuántico principal y acimutal, pero tienen distinto número cuántico magnético.

7. ¿Qué son los números cuánticos? ¿Cuáles de los siguientes números cuánticos (listados en el orden n, l, m y s) son imposibles para un electrón en un átomo?

Los números cuánticos son un conjunto de números que caracterizan el estado de un electrón en un átomo.

a. 4; 2; 0; +1.

Imposible, un electrón puede tener s = +1/2 o – 1/2. b. 3; 3; -3; -1/2.

Imposible, si n = 3, l solo puede tomar valores 0, 1 y 2; no puede ser l = 3. c. 2; 0; +1; +1/2.

Imposible, si l = 0, m debe ser 0 también. d. 4; 3; 0; +1/2.

Posible.

8 . Completen los valores en la tabla correspondiente a cada átomo neutro N.ro protones

Z

N.ro neutrones

A

N.ro electrones

Isótopo

13

14 13

13 14

27

13

27 Al

11

11

10

21

11

21 Na

15

15

15

30

15

30 P

Fe de erratas: en el átomo de aluminio, hay un error.

Debería decir Z = 13, y número de neutrones=14.

9 . La figura muestra el espectro de la luz emitida por un electrón de un átomo que experimenta una transición entre diferentes niveles de energía. a. ¿Cuál es la línea que corresponde a la transición con mayor diferencia de energía? ¿Y a la menor?

La de mayor energía es la de mayor frecuencia, la línea azul. La de menor energía, o menor frecuencia, la roja. b. ¿Cuántos niveles de energía diferentes existen para el electrón de ese átomo?

Seis transiciones posibles implican 4 niveles de energía diferentes, sin que ninguna de las diferencias de energía entre un par de niveles sea igual a la diferencia entre otros dos.

32

Para calcular la energía de un fotón, se debe conocer el valor de su frecuencia. Se debe pasar la longitud de onda a m.

Según la relación c = λ . ƒ, se tiene: 300.000.000 m /s = 5,4.10-7 m . f 5,5.1014 1 /s = f La energía de este fotón resulta: E = h . f = 6,63 10-34 J.s . 5,5.1014 1 /s = 3,64 . 10-19 J Un mol (6,02 . 1023) de estos fotones transporta una energía de 6,02 . 1023 . 3,64 . 10-19 J = 219.128 J

11 . Agrupen las siguientes configuraciones electrónicas en parejas que representen átomos con propiedades químicas semejantes. a. 1s2 2s2 2p5. b. 1s2 2s1. c. 1s2 2s2 2p6. d. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5. e. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1. f. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6.

Tienen iguales propiedades químicas los átomos que tienen la misma cantidad de electrones en el mismo tipo de orbitales en el último nivel de energía. Resultan los pares: a y d; b y e; c y f.

1 2 . La siguiente tabla muestra los niveles de energía de un electrón que pertenece a un átomo de helio ionizado (un núcleo con dos protones, dos neutrones y solo un electrón alrededor).

Nivel de energía

Energía (eV)

1

-54,4

2

-13,6

3

-6,04

4

-3,4

5

-2,176

a. Hagan una tabla con todas las transiciones que puede experimentar el electrón entre estos niveles. b. Señalen para cada una: • La diferencia de energía entre los estados final e inicial del electrón.

• La frecuencia de la radiación emitida, su longitud

de onda y a qué zona del espectro electromagnético corresponde.

[Dato: 1 eV (electrón volt.) = 1,6 . 10-19 joules] Cambio Frecuencia Nivel de Nivel de de energía emitida (hz) llegada partida (eV)

Longitud de onda (m)

Tipo de radiación

n=1 n=2

40,8

9,855 . 1015 3,04 . 10-8

ultravioleta

n=3

48,36

1,168 . 1016 2,57 . 10-8

Ultravioleta

n=4

51,0

1,232 . 1016 2,32 . 10-8

Ultravioleta

n=5

52,224

1,261 . 1016 2,38 . 10-8

Ultravioleta

n=2 n=3

7,56

1,826 . 1015 1,64 . 10-7 Ultravioleta cercano

n=4

10,2

2,464 . 1015 1,22 . 10-7 Ultravioleta cercano

n=5

11,424

2,759 . 1015 1,09 . 10-7 Ultravioleta cercano

n=3 n=4

2,64

6,377 . 1014 4,70 . 10-7

Violeta visible

n=5

3,864

9,333 . 1014 3,21 . 10-7 Ultravioleta cercano

n=4 n=5

1,224

2,956 . 1014 1,01 . 10-6 Ultravioleta cercano

13. Para arrancar el más externo y último electrón del sodio, se requiere la sexta parte de energía que se necesita si se quiere arrancar el anteúltimo. ¿Estarán en el mismo nivel energético ambos electrones? Comprueben y justifiquen la afirmación anterior sobre la base de la configuración electrónica de este elemento.

Después de extraer un electrón, el número de protones excede en 1 al de electrones, este exceso de cargas positivas hace que los electrones se sientan atraídos más fuertemente al núcleo.

La configuración electrónica del sodio (símbolo químico Na, Z = 11) es: 1s2 2s2 2p6 3s1. Este átomo tiene un solo electrón en la última capa. Una vez que se lo arranca, el resto de los electrones llenan los orbitales por completo, y esta estructura es muy estable, cuesta bastante arrancar un segundo electrón del sodio (tiene la configuración electrónica del gas noble más cercano, el Ne).

1 4 . Deducir de qué ion se trata en cada caso: a. El catión trivalente que es isoelectrónico con el anión monovalente del flúor.

Al+3 b. El catión divalente, isoelectrónico con el cromo.

Fe+2

© Editorial Estrada S. A. 2014

1 0. La longitud de onda de un fotón de luz verde es de 5,4.10-5 cm. Calculen la energía de un mol de fotones de luz verde.

Datos: h = 6,63 . 10-34 J. s; c = 3.108 m/s.

33

c. El anión trivalente que tiene 10 electrones menos que el catión divalente del cinc.

P-3 d. El catión monovalente, isoelectrónico con el neón.

F-1 e. El catión divalente que tiene 10 electrones más que el oxígeno.

Ca+2 f. El anión monovalente que tiene 10 electrones menos que el catión monovalente del cobre.

Cl-1

1 5 . La energía de un fotón es de 46,8 .10-20 J. Calcular su frecuencia e indicar a qué color podría corresponder dicho fotón (constante de Planck (h) = 6,6 .10-34 J.s).

Primero, se calcula la frecuencia con la fórmula E = h.f, y se obtiene que la frecuencia es 7,09 . 1014.

Para saber a qué color puede corresponder, se puede usar la fórmula c = λ.f Para hallar la longitud de onda λ = 4,23 . 10 -7 m = 423 nm, corresponde al color violeta.

[red conceptual] si es el mismo para dos átomos

Número atómico (Z) con distinto

Núcleo

constituido por

Neutrones (0)

Número másico (A) ÁTOMO

© Editorial Estrada S. A. 2014

Protones (+)

en el que se encuentran se caracteriza por

se trata de

Zona extranuclear

se representó a través de la historia con

Isótopos se cuantifican por

donde están los

Modelos átomicos

Mol

si un átomo los pierde, se transforma en

Catión

Electrones (-) si un átomo los gana, se transforma en

Dalton

Anión

que equivale a

6,02. 10 23

puede ser

1 mol de átomos pesa el equivalente a

Masa atómica x gramos

Thomson

puede ser

1 mol de moléculas

Rutherford

pesa el equivalente a

Bohr

Masa molecular x gramos

Sommerfeld ocupados según el

Números cuánticos •• n •• I •• m •• s

Orbitales de distinta

Principio de exclusión de Pauli

Energía esto determina la

Configuración electrónica que se puede armar usando la

Regla de las diagonales

34

Capítulo 4 | La Tabla Periódica Este capítulo aborda el ordenamiento de los elementos en la Tabla Periódica. Se conecta con la unidad anterior, y también con los temas vistos en Fisicoquímica 2. Se analiza la perspectiva histórica del ordenamiento de los átomos con menos profundidad que en el segundo nivel, pero se establece una relación entre la configuración electrónica y la ubicación de los átomos en la Tabla Pe-

[ ]

Detectives de elementos Al comenzar el capítulo En el sueño, se hace referencia a la explosión de un dirigible debida al hidrógeno. Investiguen de qué dirigible se trataba y por qué ocurrió el incidente.

De investigación personal del alumno. Se trata del dirigible Hindeburg, en 1937, que usaba hidrógeno, un gas altamente inflamable.

Los elementos químicos emiten luces características al acercarlos al fuego. Investiguen el color del potasio, del calcio, del magnesio y del bario.

Esta pregunta se conecta con la experiencia del capítulo anterior. Para alguno de los elementos, entonces, ya van a haber hecho la prueba. El potasio tiene color naranja; el calcio, rojo ladrillo, y el bario, verde. El magnesio no da color. ¿Habrá alguna relación entre dichas luces y los fuegos artificiales? ¿Cuál?

Esta pregunta también se conecta con el capítulo anterior.

Hay una relación, ya que la explosión de la pólvora de los fuegos artificiales genera liberación de energía, que es tomada por los electrones de ciertos elementos, que saltan a niveles superiores y cuando regresan a su nivel fundamental liberan luz. Sucede algo similar a lo que pasa en el ensayo de la llama (actividad experimental del capítulo 3).

Al final del capítulo Vuelvan a leer el Estudio de caso en el comienzo del capítulo. Respondan nuevamente las preguntas que están a continuación. ¿Cambiaron sus respuestas?

1. Busquen el elemento sodio en la Tabla Periódica.

Indiquen cuál es su símbolo, su número atómico y cuáles son sus puntos de fusión y ebullición.

Símbolo: Na Z = 11 Punto de fusión = 97,72 ºC Punto de ebullición = 882,8 ºC a. ¿Está en lo correcto Iván? ¿Este elemento es sólido a temperatura ambiente?

Sí, ya que la temperatura ambiente (20 ºC aproximadamente) es menor a la temperatura de fusión del sodio (cercana a los 98 ºC). b. ¿Cuál es el color que da el sodio si se lo pulveriza sobre una llama?

Amarillento. Se vio en el capítulo anterior. c. ¿Conocen compuestos que formen el sodio? ¿Cuáles?

El más conocido es el cloruro de sodio (la sal de mesa). Otro que puede ser que los alumnos conozcan es el bicarbonato de sodio, que se puede usar para la cicatrización de llagas en la boca; el fluoruro de sodio, presente en la pasta dental, entre otros. d. ¿Qué tipo de elemento es el sodio? (metal, no metal, gas noble).

Es un metal alcalino.

2. Expliquen el fenómeno que hace posible que los fuegos artificiales tengan diferentes colores.

Tienen compuestos con distintos metales, que al recibir energía emiten luces de distintos colores, de acuerdo con el espectro de emisión de cada átomo (el color que se ve es la suma de los distintos colores emitidos debido a todos los saltos de los electrones; este tema se vio en el capítulo 3).

Fe de erratas: los ítems a y b corresponden a las preguntas sobre el Estudio de caso del capítulo anterior (está repetida).

© Editorial Estrada S. A. 2014

estudio de caso

riódica. Se describen las características particulares de cada tipo de compuestos (los 8 grupos representativos, los metales de transición, y los elementos de transición interna: lantánidos y actínidos). Por último, se definen ciertas propiedades periódicas: radio atómico, energía de ionización, carácter metálico, y se analiza su variación a lo largo de la tabla, así como su interrelación.

35

Página 79 1 . ¿Cómo se calcula la masa atómica promedio de un elemento? ¿Qué relación existe entre la masa atómica promedio y la masa atómica relativa?

La masa atómica promedio se calcula como el promedio ponderado de las masas atómicas de cada isótopo de un elemento, teniendo en cuenta su abundancia relativa. La masa atómica relativa es un valor sin unidades, que coincide numéricamente con la masa atómica promedio.

2 . ¿Cómo se determina la CEE de un átomo, partiendo de su CE?

© Editorial Estrada S. A. 2014

Para escribir la CEE de un átomo, se detallan los electrones que se ubican a partir del subnivel s de mayor energía de la CE (este incluido). Si hubiera electrones en subniveles d o f que estén completos, estos no se consignan, a menos que no haya más subniveles.

3 . ¿En qué se diferencian los elementos representativos de los de transición? ¿Y los de transición con respecto a los de transición interna?

Los elementos representativos son aquellos cuyo electrón diferenciador se ubica en un subnivel s o p; los de transición son aquellos cuyo electrón diferenciador se ubica en un subnivel d; mientras que el electrón diferenciador de los elementos de transición interna ocupa un subnivel f.

4 . Escriban la CEE de los elementos de número atómico 11, 26, 49 y 67, indiquen el período y si es representativo, de transición o transición interna.

Número atómico

CEE

Período

Clasificación

11

3s1

3

Representativo

26

4s2 3d6

4

Transición

49

5s2 5p1

5

Representativo

67

6s2 4f11

6

Transición interna

Página 83 1 . ¿Por qué a los elementos del grupo VIII A o 18 se los denomina gases nobles o inertes?

A estos elementos se los denomina gases nobles o inertes ya que son muy poco reactivos.

2 . Mencionen propiedades químicas y/o físicas comunes de los metales alcalinos.

Los metales alcalinos son sólidos a temperatura ambiente, muy blandos, brillantes y de color plateado.

Presentan la tendencia a formar compuestos en los que participan como iones monopositivos.

3 . ¿Todas las propiedades de los elementos de un mismo grupo son similares? En caso de responder negativamente, citen ejemplos de elementos que no compartan las mismas propiedades.

No todas las propiedades de los elementos de un mismo grupo son similares. Por ejemplo, el color a la llama de cada uno de los elementos alcalinos es diferente al del resto: el sodio es amarillo; el potasio es violeta; el rubidio, rojizo, y el cesio, azul.

4 . Averigüen, consultando en la biblioteca de la escuela y en páginas de internet confiables, qué son las aguas duras, y cuál es la influencia de la presencia de calcio y magnesio en su composición.

Las aguas duras son aquellas que en su composición contienen gran cantidad de minerales disueltos en forma de iones, como por ejemplo los alcalinos y alcalinostérreos, principalmente calcio y magnesio. Cuando están presentes en grandes proporciones estos iones en el agua, se dice que esta es dura. Los iones de calcio y magnesio, combinados con ciertos aniones, generan sales poco solubles en agua, que precipitan y se acumulan en forma de sarro en cañerías, lavarropas, pavas y otros recipientes. Además, las aguas duras “cortan” los jabones, disminuyendo su capacidad de lavado y limpieza.

Página 84 1 . Elijan tres elementos de cada uno de los grupos presentes en las tablas de esta página e investiguen sus usos y cómo se los encuentra en la naturaleza.

De investigación personal del alumno.

Se sugiere, por ejemplo, la página http://ciencianet. com/tabla.html. Tiene una Tabla Periódica en la que pueden hacer clic sobre los átomos de estos grupos, y averiguar algunas características.

2 . En muchos relatos de ciencia ficción, se especula con la existencia de vida sobre la base de cadenas de silicio. ¿Por qué creen que los escritores eligen este elemento como alternativa al que forma los compuestos orgánicos conocidos?

El silicio está en el mismo grupo que el carbono, y por lo tanto tiene propiedades similares, entre las que se encuentra la capacidad de formar cuatro uniones totales, y la capacidad de unirse consigo mismo y formar cadenas largas (el tema de las uniones lo verán en el siguiente capítulo). Los compuestos orgánicos conocidos

36

están formados por largas cadenas de átomos de carbono unidos entre sí; se especula que podrían existir compuestos similares a base de silicio (de hecho, las siliconas son compuestos fabricados artificialmente, similares a los orgánicos, pero con silicio, en lugar de carbono).

Página 86

Página 85

Los metales de transición interna se presentan en los períodos 6 y 7 y se componen de 14 elementos cada uno.

• ¿Por qué, si los subniveles d aparecen en el nivel 3, no hay elementos de transición en el período 3?

Porque el subnivel 3d aparece luego del subnivel 4s de acuerdo con la regla de las diagonales (el subnivel 3d tiene mayor energía que el 4s). Los elementos que tienen su electrón diferenciador en el subnivel 3d pertenecen al cuarto período.

2 . ¿Cuáles son las características comunes de los lantanoides?

Los lantanoides o tierras raras son metales sólidos, blandos y densos, buenos conductores del calor y la electricidad. Sus puntos de fusión son cercanos a los 1.000 ºC.

[ ]

Elementos semiconductores en electrónica 1. ¿Qué condición tienen los electrones de un material para conducir la corriente eléctrica?

Para que la conducción de la electricidad sea posible, es necesario que haya electrones que no estén ligados a un enlace determinado, es decir, que sean capaces de desplazarse por el cristal, a través de la llamada banda de conducción.

2. ¿Qué es un semiconductor? ¿Qué elementos pueden actuar como semiconductores?

Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante de la corriente eléctrica, dependiendo de la temperatura del ambiente en la que se encuentre.

Los elementos semiconductores más importantes son el silicio y el germanio.

3. ¿Qué elementos pueden ser impurezas en los semiconductores de tipo n y tipo p?

Tipo n: la impureza puede ser un átomo del

grupo V A o 15: P, As o Sb. Tipo p: la impureza puede ser un átomo del grupo III A o 13: Al, B, Ga 4. Expliquen qué son los diodos, los transistores y los termistores.

Los diodos son dispositivos que se emplean como rectificadores para la conversión de la corriente alterna en continua y como pequeñas lamparitas o LED. Los transistores son dispositivos que amplifican señales o abren o cierran circuitos. Los termistores son semiconductores sensibles a los cambios de temperatura.

5. Mencionen por lo menos 3 aplicaciones de los materiales semiconductores en aparatos, dispositivos y/o instrumentos utilizados en la vida cotidiana.

Los LED, que se utilizan para detectar si un aparato electrónico está o no encendido; los circuitos digitales de los microprocesadores de las computadoras; los termostatos de los equipos de aire acondicionado.

Página 89

2 . Expliquen en qué consiste el efecto de apantallamiento electrónico en los átomos.

1 . ¿Por qué se emplea el valor de Z para explicar las variaciones de las propiedades periódicas?

Las capas intermedias de electrones disminuyen la atracción entre el núcleo y los electrones exteriores.

No se emplea para explicar las variaciones de las propiedades periódicas a lo largo de un período, ya que la variación de este efecto es más notable en los elementos del mismo grupo, pero aproximadamente constante para todos los elementos de un mismo período.

Se emplea el valor de Z para explicar las variaciones de las propiedades periódicas ya que la Tabla Periódica moderna está construida en función de ese parámetro.

© Editorial Estrada S. A. 2014

CIencia en acción

1 . ¿En qué períodos hay metales de transición interna? ¿Cuántos elementos tiene, en total, cada uno de esos períodos?

37

Página 91 1. Comparen tres elementos e indiquen: a. El de mayor energía de ionización. b. El de mayor carácter metálico. c. El de mayor radio atómico.

De elaboración personal del alumno.

Por ejemplo, para la tríada F, Ca, Cs. a. El de mayor energía de ionización es el F. b. El de mayor carácter metálico es el Cs. c. El de mayor radio atómico es el Cs.

2. Expliquen, en función de la atracción nuclear sobre los electrones, por qué cuando aumenta el radio atómico disminuye la energía de ionización.

El aumento del radio atómico es consecuencia de la disminución de la atracción del núcleo positivo hacia los electrones (negativos). Por consiguiente, si el electrón más externo está más lejos del núcleo y es menos atraído por aquel, habrá que entregar menor cantidad de energía para ionizarlo, es decir, para arrancarle el electrón más débilmente unido.

Taller de Ciencias

© Editorial Estrada S. A. 2014

¿Qué elementos están presentes en el agua corriente?

El objetivo de esta actividad es poner en práctica el reconocimiento de elementos químicos (en este caso, el cloro en forma iónica), a través de alguna propiedad. En esta experiencia, la propiedad que permite reconocer la presencia de cloruros es su capacidad de formar una sal insoluble en agua con el ion positivo de la plata, motivo por el cual precipita en el fondo del recipiente.

Actividades 1 . ¿Por qué es necesario emplear una solución testigo y un blanco de agua destilada?

Aniones: bicarbonato, sulfato, fluoruro.

Cationes: sodio, calcio, magnesio.

Para asegurarse de que el método realmente responde a la presencia o ausencia de cloruros. La solución testigo es una solución que seguro tiene cloruro, y correspondería con el resultado que seguro es positivo. La solución blanco es agua destilada, motivo por el cual no tiene iones, y daría el resultado que seguro es negativo.

5 . Ubiquen en la Tabla Periódica todos los elementos con los que trabajaron en este taller. Indiquen sus números atómicos, a qué bloque pertenecen y por lo tanto, cuál es el nivel electrónico más externo ocupado por electrones.

2 . Comparen, observando la cantidad de cloruro de plata obtenido, la proporción de cloruros en el agua de la canilla con respecto al agua mineral.

Depende del resultado de la experiencia.

3. En función de los resultados obtenidos, ¿podría decirse que el agua de la canilla es agua (H2O) pura?

No es una sustancia pura. Tiene iones disueltos, entre ellos el cloruro, y por eso se obtuvo cloruro de plata en el tubo del agua de la canilla.

4. Averigüen, leyendo las etiquetas de los envases de diferentes clases de aguas, qué otros elementos químicos en forma de iones están presentes en las aguas minerales.

Elemento

Z

Bloque

Nivel más externo

Ag

79

d

6

Cl

17

p

3

H

1

p

1

O

8

p

2

Cabe destacar que el O y el H están juntos formando la molécula de agua, mientras que la plata y el cloro están en forma iónica monoatómicos.

Estos cuatro son los únicos elementos que se mencionan en el taller (aunque como se contestó en las preguntas de las actividades, hay otros elementos).

38

Propuesta de actividades

4 . Sabiendo la cantidad de isótopos estables de los siguientes elementos y el porcentaje de abundancia de cada uno de estos isótopos en la naturaleza, calculen la masa atómica promedio de los elementos mencionados. a. Cloro: tiene 2 isótopos estables, el 35Cl (75,77% de abundancia) y el 37Cl (24,23% de abundancia).

(35 . 75,77 + 37 . 24,23) / 100 = 35,4849 b. Litio: tiene 2 isótopos estables, el 6Li (7,5% de

abundancia) y el 7Li (92,5% de abundancia).

(6 . 7,5 + 7 . 92,5) / 100 = 6,925 c. Cromo: tiene 4 isótopos estables, el 50Cr (4,35% de abundancia), 52Cr (83,79 %), 53Cr (9,5%) y 54Cr (2,36%).

(50 . 4,35 + 52 . 83,79 + 53 . 9,5 + 54 . 2,36) / 100 = 52,0552

5 . Relacionen los conceptos de las siguientes columnas según corresponda.

Elemento de transición interna

electrón diferenciador en p

Elemento de transición

electrón diferenciador en f

Elemento representativo

electrón diferenciador en d

Elemento Grupo

Período

CE

CEE

Clasificación

K

4

1

1s2 2s2 2p5 3s2 3p6 4s1

4s1

Representativo

Ba

2

6

1s2 2s2 2p5 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2

6s2

Representativo

F

17

2

1s2 2s2 2p5

2s2 2p5

Representativo

Ga

13

4

1s2 2s2 2p5 3s2 3d10 4s2 4p1 Representativo 3p6 4s2 3d10 4p1

7

1s2 2s2 2p5 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 5p6 7s2 4f4

U

actinoide

7s2 4f4

Transición interna

7. Observen la Tabla Periódica y propongan ejemplos de elementos que cumplan con las siguientes condiciones: a. Elemento representativo líquido. Br b. Lantánido de menos de 59 electrones. Ce c. Elemento representativo gaseoso con más de 8 electrones. Cl d. Gas noble con menos de 40 electrones. He e. Halógeno sólido. I

© Editorial Estrada S. A. 2014

3 . Reúnanse en grupos y respondan las siguientes preguntas. a. ¿Cómo varía el carácter metálico a lo largo de un grupo?, ¿y a lo largo de un período?

El carácter metálico aumenta a mayor Z a lo largo de un grupo, pero disminuye a mayor Z a lo largo de un período. b. ¿Qué es la masa atómica promedio?, ¿cómo se calcula?

La masa atómica promedio es aquella que surge del promedio ponderado de las masas atómicas de cada uno de los isótopos de un elemento. Se calcula como la suma de las masas atómicas de cada isótopo multiplicadas por su abundancia relativa porcentual, dividido 100. c. ¿Qué característica común presentan los elementos de un mismo período?

Los elementos de un mismo período presentan como característica común que todos sus electrones están distribuidos en el mismo número total de niveles de energía. d. ¿Cómo se determina la configuración electrónica externa (CEE) de un átomo dado?

La CEE se determina partiendo de los electrones ubicados en el subnivel s de mayor energía.

Si hubiera electrones en subniveles d o f que estén completos, estos no se consignan, salvo que no haya más subniveles. e. ¿Por qué los gases nobles son muy poco reactivos?

Los gases nobles son muy poco reactivos ya que su último nivel electrónico está completo, por lo que no presentan tendencia a ganar, perder o a compartir electrones. f. ¿Por qué los metales alcalinos tienden a formar iones monopositivos?

Los metales alcalinos tienden a formar iones monopositivos ya que su CEE es ns1, es decir, perdiendo un electrón alcanzan la CE del gas noble más cercano (respecto de su número atómico).

39

a. Elemento de CEE 3s2 3p6. Ar b. Elemento de masa atómica promedio 63,54. Cu c. Elemento del grupo 1 período 4. K d. Metal de 80 electrones. Hg e. Elemento de CE 1s2 2s2 2p4. O f. Tercer elemento halógeno. Br g. Elemento gaseoso que tiene 5 electrones en su nivel más externo. N

8 . Ubiquen los elementos de la lista en la Tabla Periódica y ordénenlos de menor a mayor según las siguientes características. a. Su radio atómico. b. Su carácter metálico.

• Aluminio, fósforo y bario.

Radio atómico F; Al; Ba. Carácter metálico F; Al; Ba. • Oxígeno, carbono y cobre.

Radio atómico O; C; Cu Carácter metálico O; C; Cu • Hierro, cromo y sodio.

Radio atómico Fe; Cr; Na Carácter metálico Fe; Cr; Na

1 1 . A partir de los elementos que indicaron en el punto 10, indiquen: a. El más metálico. K b. El gas noble. Ar c. El de menor energía de ionización. O 12. Existe una versión de la Tabla Periódica que fue confeccionada en una tarea colectiva en la que intervinieron 97 artistas plásticos de 7 países diferentes.

Este emprendimiento, de la iniciativa Printmaking proyect, dio como resultado una composición en la que se representa, para cada elemento, una obra artística que muestra alguna característica o propiedad que lo distingue. Ingresen en el siguiente sitio web para observar en detalle cómo está confeccionada la Tabla Periódica mencionada: http://goo.gl/gFUB3u

© Editorial Estrada S. A. 2014

9 . En la Tabla Periódica, hay cinco casos de elementos con mayor Z, pero con menor masa atómica que el elemento que ocupa el lugar anterior. Es decir, cinco “inversiones”. Una de estas inversiones es: Argón-Potasio.

Encuentren las otras cuatro.

Co y Ni Te y I Th y Pa U y Np

Se les podría sugerir a los alumnos que realicen, en forma colectiva, su propia versión de la Tabla Periódica, usando una idea similar.

1 0. Indiquen a qué elementos corresponden las siguientes características:

[red conceptual] TIPOS DE ÁTOMOS

que son

en ellos los

Elementos químicos

Electrones

fueron ordenados por

según el

Dmitri Mendeléiev

se ubican en distintos

Niveles de energía

Número atómico

determinando una lo que resultó en la

Configuración electrónica

Grupos

ordenada en

TABLA PERIÓDICA

cuyos niveles más alejados del núcleo forman la

Propiedades periódicas Períodos

Configuración electrónica externa

Radio atómico

cuyo

Electrón diferenciador determina los

si está en el nivel

Bloques

s

es un

Elemento representativo

p d f

a lo largo de los que varían las

es un

es un

Elemento de transición Elemento de transición interna

Alcalinos térreos Trielos Tetrelos Pentelos Calcógenos Gases nobles

Lantánidos Actínidos

Energía de ionización

Carácter metálico

40

Capítulo 5 | Uniones químicas En este capítulo se relacionan ciertas propiedades de los átomos, como la electronegatividad, con la tendencia a intercambiar o compartir electrones y formar moléculas.

Se definen y distinguen las uniones iónicas de las covalentes en cuanto a los átomos que participan, lo que sucede con los electrones y las características fisicoquímicas de los compuestos que tienen este tipo de enlaces.

Se define el número de oxidación y se plantean las reglas

[ ]

Neruda y la sal Al comenzar el capítulo ¿Por qué el poeta se refiere a la sal como una gema, como un cristal del mar? ¿Qué otras características de la sal menciona?

Porque la sal forma cristales blancos, y está disuelta en el mar. Hace mención a su uso en la alimentación. ¿Cómo está compuesta la sal a la que hace referencia el poema?

El poema hace referencia a la sal de mesa, el cloruro de sodio. ¿Cómo se relaciona su composición con las propiedades eléctricas de la materia a la que hace referencia el texto?

Está formada por iones (átomos que perdieron o tomaron electrones), y tienen carga eléctrica neta. ¿La sal de mesa es la única sal que existe? ¿A qué creen que se llama sal?

Los alumnos probablemente puedan decir que no es la única sal, y quizás mencionen que el aspecto en común que tienen todas las sales es el de estar formadas por cristales.

Al final del capítulo Vuelvan a leer el Estudio de caso en el comienzo del capítulo. Respondan nuevamente las preguntas que están a continuación de aquel. ¿Cambiaron sus respuestas?

1. ¿Por qué creen que la sal está en estado sólido a temperatura ambiente? ¿Alguna vez vieron sal en estado líquido?

Porque las fuerzas de atracción entre los iones (que son los enlaces iónicos) son muy fuertes, y se requiere mucha energía para romperlas. Para ver sal en estado líquido, se requiere elevar la temperatura a valores cercanos a 1.500 ºC 2. El azúcar también es un sólido con forma de cristales, al igual que la sal, sin embargo al recibir calor se derrite fácilmente. ¿A qué creen que se debe esto? Para responder esta pregunta, recuerden el modelo de partículas que explica el interior de la materia y cómo están las partículas en cada estado de esta.

El azúcar no es un compuesto iónico, sino covalente. Las fuerzas que mantienen atraídas a las moléculas son más débiles que los enlaces covalentes y, por lo tanto, se rompen más fácilmente.

No obstante, cabe destacar que el azúcar no llega a pasar al estado líquido en forma de azúcar, puesto que ocurre un cambio químico en el que se rompen, no solo las interacciones entre las moléculas, sino ciertas uniones entre los átomos, y el azúcar se convierte en caramelo. a- Investiguen sobre el uso que se le daba a la sal en los pueblos de la Antigüedad, por ejemplo en nuestro país en el siglo xvi.

La sal se usaba para conservar los alimentos.

Este uso es previo a la llegada de los españoles, ya que era una costumbre de los pueblos andinos el disecar la carne y conservarla con sal, lo que se conoce con el nombre de “charqui”. b- ¿Alguno de dichos usos se siguen aplicando en la actualidad?

Sí, por ejemplo en ciertas conservas (como el caso de las aceitunas, que se conservan en salmuera).También se sigue haciendo charqui en algunas provincias del noroeste argentino, como por ejemplo, en Jujuy.

© Editorial Estrada S. A. 2014

estudio de caso

para la asignación de los números de oxidación de los elementos en los compuestos. Se desarrollan las reglas para la adjudicación de nombres de compuestos binarios, con la nomenclatura tradicional y con la de IUPAC. Por último, se analizan los postulados de la Teoría de Repulsión de pares electrónicos de valencia, y se utilizan para predecir la geometría electrónica y molecular de diversos compuestos covalentes.

41

Página 99 1 . ¿Cómo logra estabilizarse un átomo según la teoría de Lewis y Kossel?

Según la teoría de Lewis y Kossel, un átomo se estabiliza cuando logra completar con ocho electrones su nivel electrónico externo.

2 . Según la regla del octeto, ¿por qué el flúor (F) es más electronegativo que el sodio (Na)?

El flúor dispone de 7 electrones en su nivel más externo, por lo que tenderá a ganar un electrón para estabilizarse; mientras que el sodio dispone de un solo electrón en su nivel exterior, y se estabilizará perdiéndolo.

3 . ¿Cuántas clases de iones se conocen? ¿En qué se diferencian?

© Editorial Estrada S. A. 2014

Hay dos tipos de iones: los aniones y los cationes.

Los aniones tienen carga negativa (son átomos que tomaron electrones), y los cationes tienen carga positiva (son átomos que perdieron electrones).

4 . ¿Cómo se determina teóricamente si una unión química es covalente o iónica?

Si la diferencia entre las electronegatividades de los átomos que participan de una unión química (en el caso de compuestos binarios) es mayor o igual a 2, se postula que la unión es iónica; en caso contrario, la unión es covalente.

5 . Escriban dos ejemplos de iones isoelectrónicos con el gas neón.

F- y Na+ son ejemplos de iones isoelectrónicos con el Ne (los tres tienen 10 electrones totales).

6 . Investiguen acerca de la función de los iones calcio (Ca2+) y hierro (II) (Fe2+) en las células animales.

El ion calcio actúa en el metabolismo celular cumpliendo múltiples funciones, entre ellas la regulación de la actividad de las enzimas y la contracción muscular. El ion hierro es imprescindible en el metabolismo de la sangre, y forma parte de la hemoglobina, la proteína presente en los glóbulos rojos, encargada de captar y transportar el oxígeno.

nos electronegativo (un metal que pierde uno o más electrones) y el átomo más electronegativo (un no metal que gana uno o más electrones).

2 . ¿En qué consiste el enlace covalente y entre qué tipo de átomos ocurre?

El enlace covalente es aquel en el que los átomos participantes comparten pares de electrones. Ocurre entre elementos no metálicos, que tienen electronegatividad alta.

3. ¿Cuál es la diferencia entre los enlaces simple, doble y triple?

En el enlace simple, dos átomos comparten un par de electrones, mientras que en los enlaces doble y triple se comparten, respectivamente, dos y tres pares de electrones.

4 . ¿Por qué los compuestos iónicos son sólidos de altos puntos de fusión?

Los compuestos iónicos son sólidos de altos puntos de fusión, ya que forman redes tridimensionales muy estables, en las que se alternan cationes y aniones, generando fuerzas de atracción muy fuertes y por lo tanto, difíciles de romper.

5 . Investiguen en qué condiciones un compuesto iónico puede conducir la corriente eléctrica.

Un compuesto iónico puede conducir la corriente eléctrica cuando está disuelto en un solvente como el agua, o bien si se encontrara en estado líquido (que sería a una temperatura muy elevada).

6 . Averigüen cuántos átomos forman la molécula sintética de futboleno, y a qué debe su nombre.

El futboleno es una molécula formada por 60 átomos de carbono. Debe su nombre a su forma de pelota de fútbol.

Página 103 1 . ¿Cuáles son los dos tipos de nomenclatura de compuestos químicos que se utilizan en la actualidad?

Se emplean en la actualidad la nomenclatura tradicional y la moderna (según reglas de la IUPAC).

Página 101

2 . ¿Con qué fin se utilizan los prefijos y sufijos?

1 . ¿En qué consiste el enlace iónico y entre qué tipo de átomos ocurre?

Los prefijos y sufijos se utilizan con el fin de nombrar y distinguir compuestos formados por los mismos tipos de átomos, pero con fórmula química diferente.

El enlace iónico es aquel en el que ocurre transferencia completa de electrones entre el átomo me-

3. ¿Qué son los numerales de Stock? ¿En qué casos se emplean?

42

4. ¿Por qué es incorrecto nombrar a la sustancia KBr como “potasio de bromuro”?

Es incorrecto el nombre potasio de bromuro, ya que en los compuestos binarios se nombra primero la parte más electronegativa; en este caso, el nombre correcto es bromuro de potasio.

5 . ¿Cuál de las siguientes es la forma correcta de escribir la fórmula empírica de la sustancia sulfuro de litio: Li2S o SLi2?

Li2S es la forma correcta, ya que se escribe primero el símbolo del elemento menos electronegativo.

6. Determinen el número de oxidación del O en la sustancia H2O2, teniendo en cuenta las reglas de adjudicación.

El hidrógeno tiene número de oxidación +1 y, como la suma de los números de oxidación multiplicados por la atomicidad debe ser 0, el oxígeno tiene número de oxidación -1.

2. 1 + 2. N.º oxidación oxígeno = 0 2. 1 + 2. (-1) = 0 En los peróxidos (como la sustancia H2O2 –agua oxigenada–), el oxígeno tiene número de oxidación -1, que es una excepción, ya que en el resto de los compuestos binarios con oxígeno, este tiene número de oxidación -2.

Página 105 1 . Con el fin de nombrarlo, ¿en qué casos un compuesto de formula AB se considera iónico?

A los fines de la nomenclatura, el compuesto AB resulta iónico si A es un metal y B, un no metal.

2 . ¿En qué aspectos difieren la nomenclatura tradicional de la IUPAC en cuanto a los nombres de los compuestos iónicos binarios?

Si el metal presenta más de un número de oxidación, según la nomenclatura IUPAC, se distinguen los compuestos mediante los numerales de Stock, mientras que en la nomenclatura tradicional se utilizan los sufijos -oso (cuando el metal presenta su menor número de oxidación) o -ico (cuando el metal presenta su mayor número de oxidación).

3 . Con el fin de nombrarlo, ¿en qué casos un compuesto de fórmula YX se considera molecular?

El compuesto YX se considera molecular cuando tanto Y como X son no metales.

4 . De acuerdo con la nomenclatura tradicional, ¿cómo se nombran los óxidos moleculares cuando el no metal tiene cuatro números de oxidación?

Cuando el no metal presenta cuatro números de oxidación, se consigna el nombre de su óxido de menor número de oxidación con el prefijo hipo- y el sufijo -oso. El siguiente óxido en orden creciente de número de oxidación se designa con el sufijo -oso; el óxido con el tercer número de oxidación en orden creciente se designa con el sufijo -ico; mientras que el óxido con el mayor número de oxidación se nombra anteponiendo al nombre del no metal el prefijo per- y consignando el sufijo -ico.

CIencia en acción

[ ]

Compuestos binarios como contaminantes de la atmósfera 1. Nombren los tres gases de nitrógeno y los dos de azufre citados en el texto.

Los gases de nitrógeno: óxido de dinitrógeno, dióxido de nitrógeno y monóxido de nitrógeno. Los gases de azufre: dióxido de azufre y trióxido de azufre.

2. ¿Por qué el dióxido de carbono es considerado un contaminante de la atmósfera?

El dióxido de carbono se considera un contaminante de la atmósfera, pues el aumento de su concentración favorece el efecto invernadero, causa principal del calentamiento global del planeta.

3. Investiguen acerca de los problemas ambientales derivados de la contaminación del aire. ¿Cuáles son las acciones que deberían llevarse a cabo para evitar el aumento de los daños ocasionados?

Pueden considerarse problemas ambientales derivados de la contaminación del aire: el calentamiento global, la lluvia ácida, la contaminación acústica, la contaminación electromagnética, el esmog y la disminución de la capa de ozono estratosférico.

Entre las acciones que deberían llevarse a cabo, valen destacar: • No emitir contaminantes a la atmósfera.

• Reducir el uso de combustibles fósiles.

• Reducir los niveles de ruidos que provocan los vehículos.

• Retirar torres y equipos de alta tensión y/o que generen radiación electromagnética de las zonas pobladas.

© Editorial Estrada S. A. 2014

Los numerales de Stock son números romanos que se consignan entre paréntesis. Se emplean para indicar el número de oxidación positivo de un átomo en un compuesto químico.

43

Página 107

Página 109

1 . ¿Qué ventajas presentan las estructuras de Lewis frente a las fórmulas empíricas en cuanto a la información que aportan?

1 . ¿Qué información acerca de las moléculas brinda la aplicación de la TRePEV?

Las representaciones de Lewis permiten apreciar en cada átomo cuál es el número de electrones presentes en su nivel de energía más externo y cuáles de estos electrones forman uniones químicas con otros átomos.

Las fórmulas empíricas solo aportan información acerca del tipo de átomos y la proporción entre estos.

2 . ¿En qué casos se emplean las formulas desarrolladas y para qué clase de compuestos no se utilizan?

© Editorial Estrada S. A. 2014

Se utilizan fórmulas desarrolladas cuando se quiere representar únicamente los pares de electrones que participan de una unión covalente: cada par de electrones compartido se simboliza con un guion ubicado entre los átomos. Las uniones covalentes simples se indican con un solo guion; las dobles, con dos guiones, y las triples, con tres guiones. Se emplean para sustancias moleculares.

Página 108 1 . ¿Cómo se representa la estructura de Lewis de un compuesto iónico binario?

En la estructura de Lewis de un compuesto iónico binario, el no metal se representa como anión, escribiendo su símbolo, sus ocho electrones exteriores alrededor, un corchete, y fuera de aquel la carga eléctrica negativa que adquiere. El metal se representa con su símbolo seguido de la carga eléctrica positiva que adquiere.

2 . Indiquen la formula desarrollada del Br2 (el bromo pertenece al grupo VII A de la Tabla Periódica).

Br-Br.

3 . ¿Qué diferencia existe entre un enlace covalente común y uno dativo?

En el enlace covalente común, cada átomo aporta el par de electrones compartido, mientras que en el enlace covalente dativo, uno solo de los átomos aporta el par de electrones compartido.

4 . Para la molécula Cl2O3, indiquen el número de enlaces covalentes simples, dobles, triples y/o dativos.

O Cl–O–Cl O En este caso, existen dos uniones covalentes simples y dos uniones covalentes dativas.

La TRePEV permite identificar la geometría de una molécula de acuerdo con la distribución espacial de sus pares de electrones externos.

2 . ¿Por qué es lineal la molécula de cloruro de berilio (BeCl2)?

Porque el átomo central posee dos pares electrónicos totales, y ambos compartidos. La forma en la que se encuentran más lejos es formando entre sí un ángulo de 180º.

Página 111 1 . Indiquen cuáles de los postulados de la TRePEV se emplean en la determinación de la geometría molecular de las siguientes sustancias hipotéticas, todas de fórmula AX3: Una sugerencia para trabajar con esta actividad es que los alumnos hagan una fórmula desarrollada de los compuestos hipotéticos y, a partir de esta, traten de reconstruir cuántos pares de electrones debe tener el átomo central. a. A cumple el octeto y presenta una unión covalente doble y dos dativas.

Primero, segundo y cuarto postulado. b. A cumple el octeto y presenta 3 uniones covalentes simples.

Primero, segundo y tercer postulado.

2. Analicen cuál o cuáles de las siguientes geometrías moleculares son posibles para una molécula tetraatómica: a. Plana trigonal.

Es posible para una molécula tetraatómica cuyo átomo central cumple el octeto y no tiene pares de electrones sin compartir, con una unión covalente doble y dos uniones dativas. b. Tetraédrica.

Es imposible esta geometría molecular para una molécula tetraatómica, ya que debe haber un átomo central y cuatro a su alrededor, es decir, cinco átomos en total. c. Piramidal.

Es posible para una molécula tetraatómica cuyo átomo central cumple el octeto y tiene un par de electrones sin compartir, con tres uniones covalentes simples.

44

Taller de Ciencias Construcción de modelos moleculares Esta actividad tiene como objetivo trabajar con modelos de moléculas covalentes, de modo que se puedan visualizar las distintas geometrías según TRePEV. Cabe destacar que el o la docente puede considerar realizar esta actividad cuando se introduce el tema de la geometría electrónica y molecular, de modo de favorecer el aprendizaje, ya que a veces este tema resulta un poco abstracto, y se corre el riesgo de que se aprenda de forma memorística.

Actividades 2 . Comparen los modelos construidos de H2O y CO2 con las fórmulas desarrolladas. ¿Qué similitudes y diferencias encuentran entre ellos?

En ambas moléculas, el oxígeno es el átomo central. Sin embargo, en el agua, la geometría es angular, y existe un ángulo de 109,5º entre los hidrógenos, mientras que en el dióxido de carbono, la geometría es lineal, y el ángulo es de 180º.

3 . Construyan modelos moleculares con palillos y esferas de plastilina de diferentes colores para representar las moléculas de sulfuro de hidrógeno (H2S) y amoníaco (NH3).

De elaboración personal del alumno.

El sulfuro de hidrógeno tiene geometría molecular angular (con dos pares libres en el átomo central), mientras que el amoníaco tiene geometría molecular piramidal (con un par libre en el átomo central).

Propuesta de actividades 3. Transformen las siguientes proposiciones falsas en verdaderas, reemplazando únicamente una palabra de cada una de ellas. a. En los compuestos moleculares, los átomos se unen entre sí mediante enlaces iónicos.

En los compuestos moleculares, los átomos se unen entre sí mediante enlaces covalentes. b. La electronegatividad es la tendencia de un átomo a perder electrones para conformar un enlace químico.

La electronegatividad es la tendencia de un átomo a ganar electrones para conformar un enlace químico. c. Los compuestos iónicos son líquidos a temperatura ambiente.

Los compuestos iónicos son sólidos a tempe-

ratura ambiente. d. En la nomenclatura tradicional de óxidos metálicos, se utiliza el sufijo -ico para indicar el menor número de oxidación del metal.

En la nomenclatura tradicional de óxidos metálicos, se utiliza el sufijo -ico para indicar el mayor número de oxidación del metal. e. En el enlace covalente común, el par de electrones compartido lo aporta uno de los átomos.

En el enlace covalente dativo, el par de electrones compartido lo aporta uno de los átomos. f. El cuarto postulado de la TRePEV se refiere a los pares de electrones no compartidos.

El tercer postulado de la TRePEV se refiere a los pares de electrones no compartidos.

© Editorial Estrada S. A. 2014

1 . ¿Qué tipo de geometría molecular presenta cada una de las representaciones construidas? a. Indiquen en cada caso si existen electrones sin compartir en el átomo central y cómo influye esto en la geometría.

CH4: Geometría molecular tetraédrica.

El átomo central no tiene pares sin compartir.

H2O: Geometría molecular angular.

El átomo central (el oxígeno) tiene dos pares sin compartir.

CO2: Geometría molecular lineal.

El átomo central (el oxígeno) no posee pares libres. Las uniones dobles cuentan como simples.

BH3: Geometría molecular plana trigonal.

El átomo central (el boro) no posee pares libres.

45

g. Las moléculas de agua tienen geometría molecular con ángulos de 120° entre el oxígeno y los hidrógenos.

Las moléculas de agua tienen geometría molecular con ángulos de 109,5° entre el oxígeno y los hidrógenos.

4 . Escriban las estructuras de Lewis de las siguientes sustancias iónicas. a. CuS d. Na2O [Cu]2+ [ S ] b. Cs2O

[Na]+ [ O ]2 e. LiBr2

[Cs] + [ O ] c. MgCl2

[Li] + 2 [ Br ] f. BaF2

© Editorial Estrada S. A. 2014

2[Mg]2+ [ CI ]

[Ba]2+ 2 [ F ]-

5 . Calculen la diferencia de electronegatividades entre los átomos de los siguientes compuestos y, con base en los resultados obtenidos. Luego, ubíquenlos en la tabla que está a continuación. a. Cl2 3,0 - 3,0 = 0 Covalente. b. CaO 3,5 - 1,0 = 2,5 Iónica. c. CH4 2,5 - 2,1 = 0,4 Covalente. d. MgBr2 2,8 - 1,2 = 1,6 Covalente. e. NaCl 3,0 –- 0,9 = 2,1 Iónica. f. O3 3,5 - 3,5 = 0 Covalente. g. AgI 2,5 - 1,9 = 0,6 Covalente. h. Fe2S3 2,5 - 1,8 = 0,7 Covalente. i. HBr 2,8 - 2,1 = 0,7 Covalente.

Compuestos iónicos

Compuestos covalentes

CaO

Cl2

NaCl

CH4 MgBr2 O3 AgI Fe2S3 HBr

Cabe destacar que en este ejercicio se usó el criterio de la diferencia de electronegatividades, y en varios casos se obtuvo que un metal y un no metal se unen de forma covalente.

6 . De los compuestos del ejercicio anterior, elijan 2 que cumplan con las siguientes condiciones. Justifiquen su elección.

• Son solubles en agua. NaCl y CaO. Los compuestos iónicos son parcialmente solubles en agua.

• Tienen altos puntos de fusión. NaCl y CaO. Los compuestos iónicos tienen altos puntos de fusión y de ebullición.

• No conducen la corriente eléctrica. Cl2 y O3.

Porque los compuestos covalentes no conducen la electricidad.

7. Completen el siguiente cuadro con los nombres y/o con las fórmulas de las sustancias.

Fórmula empírica o molecular

Nombre según IUPAC

Nombre tradicional

Nombre por atomicidad

N2O5

Óxido de nitrógeno (V)

Óxido nítrico

Pentóxido de dinitrógeno

SO3

Óxido de azufre (VI)

Óxido sulfúrico

Trióxido de azufre

Cl2O

Óxido de cloro (I) Óxido hipocloroso

Monóxido de dicloro

Co2S3

Sulfuro de cobalto Sulfuro cobáltico (III)

------

PbF2

Fluoruro de plomo Fluoruro plumboso (II)

------

HBr

Bromuro de hidrógeno

Ácido bromhídrico

------

Aclaración: a los fines de la nomenclatura tradicional, se suelen considerar solo dos números de oxidación del nitrógeno (el 3 y el 5).

8 . Apliquen las reglas vistas en este capítulo y calculen el número de oxidación de cada elemento en las siguientes sustancias: +2 - 2 a. S r O

+2 - 2 e. B a O

+3 - 2 i. Fe2O3

+2 -1 b. C a F 2

-3+1 f. NH 3

+4 -2 j. C O 2

+1 - 2 c. N a 2 S

+3 - 2 g. P 2 O 3

-4 + 1 k. C H 4

+3 - 2 d. Co2O3

+1 - 1 h. H C l

46

b. PH3 Geometría electrónica: piramidal.

Geometría molecular: tetraédrica.

9 . Indiquen, en cada caso, sin hacer la estructura de Lewis, el tipo de geometría molecular.Tengan en cuenta que A, X y B cumplen el octeto. a. Molécula de fórmula AX4.

Geometría molecular tetraédrica. b. Molécula de fórmula AX3; A forma uniones covalentes simples con cada átomo de X y presenta un par de electrones sin compartir.

Geometría molecular piramidal. c. Molécula de fórmula AX3; A forma una unión covalente doble con X y dos uniones dativas con los otros átomos de X. Geometría molecular plana trigonal. d. Molécula de fórmula AX2; A forma una unión covalente doble con X, otra dativa con X, y presenta un par de electrones sin compartir.

Geometría molecular angular. e. Molécula de fórmula AX2; A forma dos uniones covalentes dobles.

Geometría molecular lineal.

H

P H H

c. SO3 Geometría electrónica: plana trigonal.

Geometría molecular: plana trigonal.

O O S O d. BeF2 Geometría electrónica: lineal.

Geometría molecular: lineal.

F Be F e. BH3 Geometría electrónica: plana trigonal.

Geometría molecular: plana trigonal.

1 0 . Escriban las estructuras de Lewis de las siguientes sustancias moleculares y luego determinen sus geometrías electrónica y molecular. a. CCl4 Geometría electrónica: tetraédrica.

Geometría molecular: tetraédrica.

H B

© Editorial Estrada S. A. 2014

H H

f. KH Es un compuesto iónico.

Cl Cl Cl Cl Cl

[red conceptual] entre

ÁTOMOS

Uniones químicas

entre los que existe una

dan origen a

de la que depende la

que se denominan de acuerdo con diferentes

Nomenclatura

Iónico

• -oso • -ico

3 números de oxidación

• -oso • -ico • per- -ico

Compuestos químicos

Diferencia de electronegatividad

si es mayor a 2, es

2 números de oxidación

si es menor a 2, es

Tradicional

Nomenclaturas

4 números de oxidación

Covalente

se generan

Cationes y aniones que constituyen

Compuestos iónicos se identifican con una

Fórmula empírica

en el que hay

IUPAC

Pares de electrones compartidos tienen una

y se forman

Covalentes se identifican con una

Fórmula molecular

Estructura de Lewis

que se determina según

Geometría

tr epev

Atomicidad

Números de Stock

• hipo- -oso • -oso • -ico • per- -ico

47

Capítulo 6 | Reacciones químicas Este capítulo también se relaciona con el segundo nivel de Fisicoquímica, pero trabaja los temas con mayor profundidad. Primeramente, se hace una revisión del concepto de reacción química, y su diferencia con los cambios físicos, y también cómo se representan las reacciones en forma de ecuaciones, y cómo y por qué se balancean.

Luego, se aborda las características de distintos tipos de reacciones (síntesis, descomposición, sustitución simple

estudio de caso

[ ]

Holmes y el luminol, y otras hierbas

Al comenzar el capítulo © Editorial Estrada S. A. 2014

y doble, óxido reducción, neutralización). Se profundiza sobre los procesos de óxido reducción, sus aplicaciones (pilas, baterías), su presencia en la naturaleza (fotosíntesis, respiración), y sobre los procesos ácido-base y la utilidad de los indicadores de pH. Por último, se menciona la relación entre las reacciones y la energía (reacciones endergónicas y exergónicas), y los factores que influyen en la velocidad de las reacciones.

¿De qué tipo de transformación está hablando Holmes, química o física? ¿Por qué?

Se trata de una transformación química, ya que la hemoglobina se modifica químicamente por acción del reactivo. ¿Qué significa que la hemoglobina precipite? Investiguen qué es una reacción de precipitación.

La hemoglobina, al modificarse por acción del reactivo, deja de estar disuelta y se va al fondo, lo que se conoce como precipitación. Las reacciones de precipitación se basan en la generación de un producto insoluble, que se va al fondo del recipiente en el que ocurre la reacción. ¿Escucharon alguna vez hablar de sustancias alcalinas? ¿Dónde? ¿Pueden decir qué son?

Los alumnos pueden haber escuchado la palabra alcalina en las pilas. Son sustancias que se comportan de modo contrario a los ácidos.

Den ejemplos de reacciones químicas que conozcan. ¿Pueden identificar reactivos y productos en ellas?

En Fisicoquímica 2 ya trabajaron con las reacciones químicas. Puede que recuerden alguna de las que vieron, como por ejemplo la combustión.

Al final del capítulo Vuelvan a leer el texto del comienzo del capítulo.

Respondan nuevamente las preguntas que están a continuación de este. ¿Cambiaron las respuestas?

1- El luminol se oxida. ¿Qué significa que una sustancia o un material se oxiden? ¿Conocen algún ejemplo? ¿Cuál?

Como se vio en el capítulo, las sustancias que se oxidan pierden electrones, y hay elementos cuyo número de oxidación aumenta. De la vida cotidiana, el hierro se oxida, el gas natural se oxida en la hornalla. a- Si el luminol reacciona con la hemoglobina de la sangre, ¿qué le sucede a la hemoglobina en este proceso? ¿Qué parte de la molécula está involucrada?

Si el luminol se oxida, la hemoglobina se reduce. Participa el hierro de la hemoglobina. b- Investiguen acerca de esta reacción y planteen las ecuaciones del proceso.

H2O2 H2N

condiciones alcalinas H2N

O C C

NH

OC O

NH

NH O

C

NH

COOluminiscencia COO-

O-

O luminol

H2N

grupo hemo

Fe2+

2- Investiguen acerca de la energía involucrada en los ejemplos de reacciones que dieron al principio. ¿Cuáles son exotérmicas y cuáles son endotérmicas?

La reacción del gas es exotérmica.

48

1 . Definan qué es una reacción química y en qué se diferencia de un cambio físico (como el movimiento de un cuerpo o un cambio de estado).

Una reacción química es una transformación en la que se rompen y se forman enlaces entre los átomos, de modo que las sustancias iniciales, llamadas reactivos, dan origen a sustancias químicamente distintas, llamadas productos. En los cambios físicos, como el movimiento de un cuerpo o un cambio de estado, las sustancias inciales y finales son las mismas.

2 . ¿Qué estructura tiene una ecuación química y qué indica cada elemento en ella?

Tiene dos miembros separados por una flecha. El miembro de la izquierda contiene el o los reactivos, y el de la derecha tiene el o los productos. Si hay más de un reactivo o de un producto, los compuestos se separan entre sí con un signo “+”. La flecha indica el sentido de la reacción química.

Página 120 1 . ¿Por qué no son sinónimos reacción y ecuación química?

Una reacción química es la transformación que efectivamente ocurre en la práctica, mientras que la ecuación química es la representación de esa reacción en un papel.

2 . ¿Por qué se balancean las ecuaciones químicas?

Se ajustan las ecuaciones químicas de modo que se cumpla la ley de la conservación de la masa: las masas de los reactivos deben igualarse con las masas de los productos.

3 . Ajusten las siguientes ecuaciones: a. HCl H2+ Cl2 2HCl H2+ Cl2 b. Cu(OH)2 + HF CuF2 + H2O Cu(OH)2 + 2HF CuF2 + 2H2O c. Cl2 + O2 Cl2O7 2Cl2 + 7O2 2Cl2O7 d. H2O + N2O5 HNO3 H2O + N2O5 2HNO3 4 . Indiquen qué tipo de reacción se produce: a. Si + Cl2 SiCl4 Síntesis.

KNO3 + H2O b. HNO3 + KOH Sustitución doble. c. Zn + 2HCl ZnCl2+ H2 Sustitución simple. d. 2 NH4NO3 N2+ 4 H2O + O2 Descomposición.

Página 122 1 . ¿Por qué las reacciones de oxidación y reducción siempre se producen acopladas?

Porque se basan en un intercambio de electrones entre dos especies químicas; la que se oxida pierde electrones, y la que se reduce los toma.

2 . ¿Cómo es posible obtener electricidad a partir de una redox?

Si se separa la oxidación de la reducción (cada una de ellas se lleva a cabo en una celda electroquímica), y los electrones viajan de una celda a la otra a través de un conductor.

3 . ¿Cómo se puede aprovechar el proceso contrario: utilizar una redox a partir de energía eléctrica?

Por ejemplo, para la galvanización (bañado de objetos en algún metal).

4 . ¿Qué función cumple el puente salino en una celda electroquímica?

Permite el flujo de iones para recuperar la neutralidad de las cargas en las soluciones de las celdas electroquímicas.

Página 123 1 . Mencionen tres ejemplos de la vida cotidiana en los que haya reacciones químicas redox.

Las combustiones (el encender un fósforo, por ejemplo), la respiración celular y la fotosíntesis son ejemplos de reacciones redox.

2 . Investiguen qué ventajas y desventajas tiene el uso de gas dihidrógeno (H2) como combustible para automóviles. Escriban la ecuación redox balanceada que represente su reacción de combustión con oxígeno cuyo producto es el agua.

Ventajas: • Puede obtenerse de diversas fuentes, como

© Editorial Estrada S. A. 2014

Página 119

49

el gas natural, el carbón, la biomasa, el agua, etcétera.

• Su combustión no favorece el efecto invernadero, ya que no produce dióxido de carbono.

• Su combustión es limpia, no forma productos secundarios indeseables.

Desventajas: • Su obtención requiere de un proceso altamente consumidor de energía, y por ahora es muy costoso.

• El transporte de hidrógeno gaseoso por ductos es menos eficiente que para otros gases.

2H2 + O2 2 H2O

Página 125

© Editorial Estrada S. A. 2014

1 . ¿Qué se considera agente oxidante y qué agente reductor?

El agente oxidante es aquel que contiene al átomo o ion que al tomar electrones se reduce, y permite que otra especie se oxide. El agente reductor, por el contrario, es aquel que contiene el átomo o ion que se oxida, pierde electrones, y permite que la otra especie se reduzca.

2 . ¿Qué transformación experimentan, en términos de las reacciones redox, estos dos tipos de agentes?

El agente oxidante se reduce, y el agente reductor se oxida.

Página 127 1 . Clasifiquen en endotérmicas o exotérmicas las siguientes transformaciones. a. Combustión del gas de una estufa.

Exotérmica. b. Fusión de un cubito de hielo.

Endotérmica. c. Síntesis de una molécula orgánica compleja.

Endotérmica.

2 . Las reacciones químicas de electrólisis suministran electricidad a un sistema, como por ejemplo, las baterías de autos y celulares. Indiquen si la electrólisis es endergónica o exergónica. Justifiquen su elección.

La electrólisis es una reacción química endergónica, ya que se produce como consecuencia de recibir energía en forma de electricidad.

3. Averigüen en qué consiste la electrodeposición de metales, y cuáles son sus aplicaciones en la industria automotriz.

La electrodeposición es una reacción redox que produce la reducción de un metal a estado de oxidación cero, mediante el pasaje de corriente eléctrica. Se usa en la industria automotriz para depositar metales antioxidantes como el cromo, sobre la superficie de las carrocerías.

Página 129 1 . ¿Qué es la energía de activación? ¿Cómo se relaciona la energía de activación con la chispa necesaria para encender el fuego de un encendedor?

La energía de activación es la cantidad mínima de energía necesaria para que choquen las partículas de los reactivos, de modo y manera de que pueda comenzar la reacción. La chispa de un encendedor aporta precisamente esa energía de activación para que comience la reacción de combustión.

2 . Indiquen si la siguiente afirmación es correcta y justifiquen su elección: “Las reacciones que necesitan energía de activación son endergónicas”.

La proposición es incorrecta, ya que todas las reacciones necesitan energía de activación, sean endergónicas o exergónicas.

3 . Expliquen en qué casos es necesaria la presencia de un catalizador negativo.

Los catalizadores negativos son necesarios para los casos en los que se desea disminuir la velocidad de la reacción.

4 . Busquen información en internet acerca de las enzimas digestivas cuyos nombres terminan con el sufijo ‘-asa’, como por ejemplo la peptidasa. Mencionen los nombres de tres de ellas y sus funciones.

Las enzimas digestivas con el sufijo -asa se encargan de descomponer las macromoléculas de los nutrientes para transformarlos en moléculas más pequeñas, que puedan ser asimiladas por los órganos del sistema digestivo.

• Peptidasas: degradan los péptidos.

• Amilasas: degradan los almidones.

• Lipasas: degradan los lípidos.

50

Página 131 CIencia en acción

[ ]

1 . ¿Qué diferencia existe entre un ácido fuerte y un ácido débil? ¿Cómo se representa la ecuación de disociación de una base débil en agua?

Los convertidores catalíticos

Un ácido fuerte está completamente ionizado en agua, mientras que la disociación en iones de un ácido débil en agua es parcial.

1. ¿Qué reacciones favorece el catalizador de oxidación? ¿Qué metales emplea?

B + H2O

BH+ + HO-

2 . ¿En qué consiste la neutralización?

La neutralización es la combinación entre un ácido y una base, para obtener como productos sal y agua.

3 . Investiguen acerca de los cuidados y precauciones para la manipulación de ácidos y de bases fuertes.

Debido a su causticidad y corrosividad, deben extremarse los cuidados en el manejo de estas sustancias: utilizar guantes, lentes de seguridad, no acercarlos a los ojos, no pipetearlos directamente. En el caso del ácido sulfúrico, nunca agregarle agua (realizar el proceso inverso, es decir, agregar este ácido al agua si se necesita diluirlo).

El catalizador de oxidación produce la oxidación del monóxido de carbono y los hidrocarburos no quemados en la combustión; en ambos casos, mediante una reacción de combustión completa, se convierten en dióxido de carbono y agua.

Está formado por los metales platino y/o paladio.

2. ¿Qué reacciones favorece el catalizador de reducción? ¿Qué metales emplea?

El catalizador de reducción contribuye a reducir los óxidos de nitrógeno. Como productos se obtienen dioxígeno y dinitrógeno. Emplea los metales platino y/o rodio.

3. Escriban la ecuación balanceada de descomposición del monóxido de nitrógeno, que produce N2 y O2.

2 CO + O2

2 CO2

Taller de Ciencias ¿El bicarbonato de sodio puede funcionar como antiácido?

Esta actividad tiene como objetivo llevar a la práctica un tipo de reacción (la reacción de neutralización), y poner en evidencia la acción de los indicadores de pH en la determinación de la acidez y/o basicidad de las soluciones.

Actividades 1 . ¿Cuál es el nombre del proceso a través del cual se mezclan una solución ácida y una base hasta llegar a pH 7? ¿Qué aplicaciones tiene este tipo de procedimiento en los laboratorios en los que se trabaja con ácidos y bases?

Se llama neutralización. Puede utilizarse para conocer la concentración de una base o un ácido, usando una solución ácida o básica de concentración conocida (titulación ácido-base).

2 . Un grupo de científicos realizó un ensayo en el que le agregaron un antiácido a base de hidróxido de magnesio (Mg[OH]2) a una solución de ácido estomacal. El resultado se muestra en la imagen. ¿Consideran que esta sustancia es un buen antiácido? ¿Por qué?

Es un buen antiácido, ya que el color verde del indicador se corresponde con una solución neutra.

© Editorial Estrada S. A. 2014

Representación de la disociación de una base débil B:

para automóviles

51

Propuesta de actividades 3 . Clasifiquen cada una de las siguientes ecuaciones según sean de síntesis, sustitución o descomposición, indicando además si son redox o no. a. 4 K + O2 2K2O Síntesis. b. 2 HI H2+ I2

2CO + O2 b. H2 + Br2

Descomposición. c. Zn + 2HBr ZnBr2 + H2

4 . Completen la siguiente tabla, indicando con una cruz los tipos de intercambio de energía involucrados en las reacciones que se indican a continuación:

© Editorial Estrada S. A. 2014

Fotosíntesis

Toma calor Libera calor Necesita luz Emite luz X

Genera electricidad

X

Funcionamiento de una pila Cocción de un huevo

X

X

X

5. La lluvia ácida es un fenómeno que se produce debido a la liberación, por parte de diversas actividades industriales, de gases de azufre y nitrógeno.

Estos gases, en contacto con el vapor de agua de la atmósfera, se transforman en ácidos fuertes que modifican los ambientes y dañan la vegetación. Las siguientes ecuaciones representan algunas de las reacciones que producen lluvia ácida, ajusten los coeficientes hasta que queden balanceadas. a. SO2 + O2 SO3 (formación de óxido sulfúrico).

2 SO2 + O2

2 SO3

b. SO3 + H2O sulfúrico).

SO3 + H2O

Al (OH)3 + 3HCl d. H2S S + H2

H2SO4 (formación de ácido H2SO4 (está balanceada)

c. N2O5 + H2O nítrico).

N2O5 + H2O d. HNO3 + CaCO3 2HNO3 + CaCO3

HNO3 (formación de ácido 2 HNO3 Ca(NO3)2 + CO2 + H2O Ca(NO3)2 + CO2 + H2O

3H2O + AlCl3

H2S S + H2 (está balanceada). e. Fe + HCl H2 + FeCl3 2Fe + 6HCl f. H2S + Na(OH)

3H2 + 2FeCl3 H2O + Na2S

H2S + 2Na(OH) 2H2O + Na2S g. MgCO3 CO2 + MgO MgCO3 h. C + O2

X

Vela encendida

2CO2 HBr

H2 + Br2 2HBr c. Al(OH)3 + HCl H2O + AlCl3

Sustitución simple.

Reacción/ proceso

6 . Las ecuaciones que aparecen a continuación no se encuentran balanceadas. Obsérvenlas con atención y escriban delante de cada fórmula el coeficiente estequiométrico que permite igualarlas. a. CO + O2 CO2

C + O2

CO2 + MgO (está balanceada).

CO2 CO2 (está balanceada).

7. Completen, con las letras que identifican a las ecuaciones del ejercicio anterior, las siguientes consignas. a. Dos reacciones de descomposición d y g. b. Dos reacciones de síntesis a y b. c. Dos reacciones de doble desplazamiento c y f (son también reacciones de ácido base). d. Una reacción de desplazamiento simple e. e. Cuatro reacciones de óxido-reducción b, c, e, h. f. Una combustión No hay.

8 . Lean las siguientes afirmaciones e indiquen cuáles son las correctas. En todos los casos, justifiquen su elección. a. Las reacciones químicas ocurren cuando se rompen uniones en los reactivos y se forman nuevas uniones en los productos.

Correcta. En las reacciones químicas, se rompen uniones en las sustancias iniciales, y los átomos se reorganizan para dar origen a las sustancias finales.

52

a. Sustancia X, que en agua libera iones H+. A b. Sustancia Y, cuya fórmula es H2O. N c. Sustancia Z, líquido que cambia el color del papel de tornasol rojo a azul. B d. Sustancia W, que es usada para combatir la acidez estomacal. B

b. Las ecuaciones químicas son una forma de representar a las reacciones químicas.

Verdadero. Se escriben las fórmulas de las sustancias iniciales a la izquierda, y de las sustancias finales a la derecha, y entre ellas se coloca una flecha que indica el sentido de la transformación. También se utilizan coeficientes estequiométricos que permiten que se cumpla la ley de la conservación de la masa. c. En las ecuaciones químicas no hace falta ajustar las cantidades y tipos de átomos que intervienen.

Falso. Justamente hay que agregar coeficientes estequiométricos de modo que se cumpla la ley de la conservación de la masa (que la masa de los reactivos sea igual a la masa de los productos). d. Las reacciones exotérmicas son aquellas que al producirse liberan energía en forma de calor, luz o electricidad.

Las reacciones exotérmicas son las que liberan energía en forma de calor.

1 0 . Observen los valores de pH de las siguientes soluciones y agrúpenlas en ácidas y alcalinas. pH

Jugo de limón

2.37 ácida

Vino tinto

3.5 ácida

Leche

6.6 ácida

Soda

4.2 ácida

Jabón de tocador

9.8 alcalina

Lluvia ácida

5.6 ácida

Sangre

7.4 alcalina © Editorial Estrada S. A. 2014

9 . Clasifiquen, en ácidas (A), básicas (B) o neutras (N), las siguientes sustancias incógnita.

Solución

[red conceptual]

Ley de conservación de la masa

para que se correspondan con la

Endotérmicas

Exotérmicas

Balancear

se agrupan en

Energía

en distintos miembros se colocan

se deben

Síntesis

desde el punto de vista de la

Reactivos Ecuaciones

Descomposición

REACCIONES QUÍMICAS

para que se correspondan con las

Productos

Sustitución simple Doble sustitución Redox Neutralización

que son dos tipos de reacciones acopladas

Combustión

que ocurre entre

como la

Oxidación

Reducción

Pérdida de electrones

Ganancia de electrones

Aumenta el n.º de oxidación

Disminuye el n.º de oxidación

Ácido

Base

En solución acuosa libera H+

En solución acuosa toma H+

que se da cuando hay

Combustible

Comburente

53

Capítulo 7 | Reacciones nucleares Este último capítulo trabaja, en particular, sobre los procesos nucleares. Se analiza brevemente el desarrollo histórico que llevó al descubrimiento de la radiactividad. Se explican los distintos tipos de radiaciones: alfa, beta, gamma, sus características y las ecuaciones que las describen. Se definen los conceptos de vida media y semivida. También se explicita la relación entre la masa y la energía en los procesos nucleares, y se

estudio de caso

[ ]

No hay mal que por bien no venga

© Editorial Estrada S. A. 2014

Al comenzar el capítulo ¿De dónde creen que provenían los rayos que emitían las sales de uranio?

De los átomos presentes en las sales de uranio.

De acuerdo con el experimento fallido de Becquerel, ¿hacía falta algún tipo de estímulo para que estos rayos se produjeran?

Aparentemente, los rayos se producían por sí mismos, sin necesidad de que recibieran luz solar u otro tipo de radiación o energía. ¿Cómo se les ocurre que podrían modificar el experimento de Becquerel para verificar si estos rayos son absorbidos por algún material en particular?

Se podría interponer objetos de distintos materiales entre las sales de uranio y la placa fotográfica, y se podría ver si la impronta cambia.

Página 141 • Cada figura representa maneras diferentes de ordenar los mismos protones (azules) y neutrones (rojos). Indiquen en cada caso cuál es el ordenamiento que se desarmaría más fácilmente, es decir, el más inestable.Tengan en cuenta las fuerzas y las distancias entre cada par de partículas. i.

1a ii.

1b 2a

desarrollan ejemplos de aplicaciones del modelo matemático que la describe.

Se analizan los procesos de fusión y fisión, sus características, su presencia en la naturaleza y sus aplicaciones. Se analiza la aplicación de la fisión para la producción de la energía eléctrica en centrales nucleoeléctricas y por último, se analizan el problema de los residuos y los riesgos de los accidentes.

1c 2b

Al final del capítulo Vuelvan a leer el Estudio de caso en el comienzo del capítulo. Respondan nuevamente las preguntas que están a continuación de aquel. ¿Cambiaron sus respuestas?

1- ¿A qué se debía la impronta que dejaba el uranio en las muestras de Bequerel?

Se debía a la radiactividad del uranio.

2- ¿Se trataba de un proceso natural y espontáneo?

Sí, era natural y espontáneo. a- ¿Cuál era dicho proceso?

Desintegración radiactiva. b-¿Qué tipo de radiación puede emitir el uranio durante este?

Emite radiación tipo alfa.

La cercanía entre protones contribuye a la inestabilidad del conjunto, solo compensada por la atracción nuclear, de intensidad considerable exclusivamente entre vecinos inmediatos. De acuerdo con esto, las configuraciones más inestables serían la 1a, 1c y 2a. Pero en la 1c ambos protones están junto a un neutrón, con el que se atraen.

En cambio en la 1a, el protón del extremo izquierdo no experimenta la atracción de ningún neutrón, por lo que la estructura 1a resulta más inestable que la 1c.

Página 143 1 . La bomba nuclear arrojada sobre Hiroshima en 1945 liberó 5.1013 Joules, lo que equivale a la explo-

54

b. La cantidad de masa que se transformó en energía: De acuerdo con la ecuación: E = m .c2, se tiene: 5 x 1013 J = m . (3 . 108 m/s)2 5 x 1013 J = m . 9 . 1016 m2/s2 5 x 1013 J = m 9 . 1016 m2/s2 0,00055 kg = m 0,55 g = m

Página 145 1 . En una reacción de fusión, un núcleo de tritio (31H) de masa 2.808,944 MeV y otro de deuterio (21H), de masa 1.875,628 MeV, se funden y forman un núcleo de helio (42He) de masa 3.727,409 MeV, más un neutrón libre, de masa 939,573 MeV. Si la energía cinética inicial de los núcleos es despreciable, ¿cuánta energía libera esta reacción?

Se debe evaluar la diferencia entre las energías de los reactivos y los productos de la reacción.

Se tiene 2808,944 MeV + 1875,628 MeV = 3727,409 MeV + 939,573 MeV + Energía 17,59 MeV = Energía

2. ¿Cuánta energia hace falta para arrancar un neutrón de un núcleo de 2He, dejando 2He además del neutrón?

(La masa del 2He es 2.808,41 MeV).

La reacción se puede representar así: He + energía = 32He + 10 n, si se reemplaza la masa 2 de cada núcleo por su equivalente en unidades de energía, se tiene: 3.727,409 MeV + energía = 2.808,41 MeV + 939,573 MeV Energía = 20,574 MeV. 4

Página 147 ¿Cuál fue la importancia de los descubrimientos de Marie Curie? ¿Qué resultado llamó su atención? ¿Por qué?

Marie Curie descubrió que había una relación directa entre la cantidad de radiación emitida y la concentración de uranio en las muestras, motivo por el cual concluyó que la radiación provenía del uranio.

El resultado que le llamó la atención fue el que obtuvo con el material llamado Pechblenda, que demostró tener mucha más radiactividad que la que debería haber tenido, dada su concentración de uranio. Este resultado llamativo la llevó a descubrir otros dos átomos radiactivos más: el polonio y el radio.

Página 150 1. Expliquen el funcionamiento de una central nucleoeléctrica.

La fisión del combustible ocurre dentro del núcleo del reactor. La energía que se libera calienta agua pesada, y esta, a su vez, transfiere el calor a otra masa de agua común, que pasa al estado gaseoso. El vapor se mueve y desplaza una turbina, que está asociada a un generador eléctrico. El vapor es refrigerado y condensado por intercambio de calor con una masa de agua externa, y vuelve al circuito en estado líquido.

Sería conveniente que los alumnos buscaran una imagen para acompañar la explicación.

2 . Investiguen acerca de las consecuencias de los accidentes en las centrales nucleares de Chernobyl y Fukushima. ¿Se pudieron haber prevenido? ¿Cómo?

De investigación personal del alumno.

CIencia en acción

[ ]

Los residuos nucleares 1. ¿Por qué son peligrosos los residuos radiactivos de alta actividad? ¿En qué procesos se generan?

Los residuos de alta actividad provienen del combustible gastado de centrales nucleares o partes de bombas y armamentos. Resultan muy peligrosos porque tienen alta actividad radiactiva, la cual conservan por miles de años.

2. ¿Por qué, por el contrario, no se consideran peligrosos los residuos de baja actividad? ¿Qué actividades, principalmente, generan estos residuos?

© Editorial Estrada S. A. 2014

sión de 12.000 toneladas de trinitrotolueno (TNT).

La energía liberada se originó en la fisión de núcleos de 92U, cada una de las cuales libera 208 MeV . A partir de los datos indicados en el enunciado, estimen: a. La cantidad de núcleos que se fisionaron. b. La cantidad de masa que se transformó en energía. a. Si llamamos N al número de núcleos que se fisionaron, resulta N = 5 x 1013 J/ 208 MeV como 1 MeV = 1,6 . 10 -13 J, Entonces N = 5 . 1013 J/ 208 . 1,6 . 10-13 J = 0,015 . 1026 = 1,5 . 1024

55

Los residuos de baja actividad, generados en la minería, en aplicaciones médicas o en la operación de los reactores, emiten un nivel de radiación relativamente bajo, por lo que resultan más sencillos de confinar y de guardar en recintos blindados.

3. ¿De qué maneras pueden ser tratados los residuos nucleares de alta actividad? Expliquen cada una de estas maneras en sus carpetas.

Una alternativa es encerrarlos en contenedores especiales y colocarlos en un entorno que impida la propagación de sus radiaciones.

Pueden ser piscinas o enterramientos subterráneos. La otra alternativa es reprocesarlos en plantas especiales de tratamiento.

4. ¿Existe una solución definitiva para estos residuos?

No.

© Editorial Estrada S. A. 2014

5. ¿Qué propuesta principal se evalúa para deshacerse de estos desechos? ¿Cuál es su riesgo?

Enterrarlos a gran profundidad en depósitos vítreos en zonas geológicamente estables.

Página 153 1 . Expliquen en sus carpetas y con sus propias palabras las diferencias entre la fusión y la fisión nucleares.

La fisión es la división de un núcleo grande en fragmentos menores; la fusión, la unión de dos núcleos pequeños.

2 . ¿Cuáles serían las ventajas de poder aprovechar la fusión nuclear en lugar de la fisión para la generación de energía?

La fusión podría conseguirse con núcleos presentes en el agua, material muy abundante y barato comparado con los minerales radiactivos, y con 1 kg de agua se obtendría 100 veces más de la energía que se obtiene con las actuales centrales de fisión. Además, la fusión no produce residuos radiactivos.

3 . ¿Qué complicación posee la fusión nuclear que impidió hasta el momento emplearla como forma de obtener energía?

Es complicado mantener la reacción de fusión de manera controlada durante un período prolongado.

Principalmente, las altas temperaturas que alcanza la materia en fusión hacen que sea muy difícil aislarla de su entorno. Hasta ahora, solo se ha conseguido hacerlo invirtiendo más energía de la que se obtiene.

4. La composición isotópica natural del hidrógeno es 99,985% de 1H y 0,018% de 1H. Determinen la energía total que se liberaría si todo el deuterio contenido en el agua existente en la Tierra se fusionara (la masa de los océanos es aproximadamente 1,34.1021 kg).

Si consideramos la reacción de fusión del deuterio y las masas de las especies que en ella participan, se tiene: H +

2 1

H

2 1

3

2

He + n

1.875,628 MeV + 1.875,628 MeV = 2.808,415 MeV + 939,573 MeV + energía De esta ecuación resulta: energía = 3,268 MeV Esta es la energía que se libera al fusionar 2 núcleos de H. Un mol de estos núcleos, es decir, 6,02 .1023 núcleos, tiene una masa de 2 g.

Entonces, si se fusionan 24 g de 21H, se liberan: E = 6,02 . 1023 . 3,268 MeV = 1,97 . 1023 Mev En 1 kg hay 250 veces 4 g, la fusión de 1 kg de 21H libera entonces: 250 . 1,97 . 1023 Mev = 4,92 . 1025 MeV Considerando que el 0,015% del hidrógeno del agua es deuterio, en los mares de la Tierra hay una masa de deuterio aproximadamente igual a M = 1,34 . 1021 kg . 0,015/100 = 2,01 . 1017 kg Si esta masa de deuterio se fusiona por completo, libera: E = 2,01 . 10 17 . 4,92 . 10 25 MeV = 9,89 . 1042 Mev Como 1 MeV = 1,6 . 10 -13 J, la cantidad de energía liberada equivale a E = 9,89 . 1042 Mev = 9,89 . 10 42 . 1,6 . 10-13 J = 1,58 . 10 30J

56

Taller de Ciencias ¿Cuán probable es el decaimiento radiactivo de un elemento?

Actividades

No habría cambiado el resultado del experimento. La elección del “número de la muerte” es arbitraria. Cada número, del 1 al 6, tiene la misma probabilidad de salir.

2. En el mismo número de tirada de cada serie, ¿el número de dados vivos coincide con el de las otras series?

El número exacto no, pero sí la proporción de vivos y de muertos es aproximadamente la misma.

3 . ¿Podría predecirse el número exacto de dados vivos en cada tirada?, ¿por qué?

Se podría predecir, teniendo en cuenta la proporción (los dados vivos van a ser 5/6, y los muertos, 1/6).

4 . ¿Cuál es la vida media de los dados? ¿Y la semivida de la muestra?

La vida media es el promedio de vida de los átomos. Según la hipótesis, es cercana a las 12 tiradas.

La semivida, entonces, será de 6 tiradas.

5 . Una vez conocida la vida media de los dados, ¿podrían predecir el número de dados vivos en la tirada numero 16?, ¿cuál es? ¿Por qué?

Si para la tirada 12 ya no quedara ninguno vivo, entonces en la 16 no habrá ninguno vivo tampoco.

Propuesta de actividades 3 . Comparen las reacciones de fusión y fisión nuclear y completen el siguiente cuadro.

Fusión nuclear

Fisión nuclear

Tipo de combustible

Hidrógeno.

Uranio.

Características de los residuos Etapa de desarrollo en la actualidad

Núcleos más grandes (helio), no radiactivos.

Núcleos más pequeños, radiactivos.

En desarrollo.

En aplicación.

4 . Completen las siguientes reacciones nucleares. a. 226 R 88

226 89

b. 209 Po 84

Ac + 1e- (+ antineutrino)

205 82

Pb + 42He

c. 21H + 94Be d. 42He + 27 Al 13 e. 42He + 147147N

1 0

n + 105B 1 0

n + 30 P 15 17 8

O + 11H

5. Escriban la reacción nuclear correspondiente a la absorción de un protón por el talio (73Ta) con la emisión de cinco neutrones. ¿En qué isótopo se convierte?

a. 11p + 181 Ta 73

5 10

n + 177 W 74

El núcleo resultante de la reacción debe tener número atómico 74, es el wolframio.

6 . El neptunio (239Np) emite una partícula beta.

El núcleo resultante es radiactivo y se desintegra, dando 235U. Escriban las ecuaciones del proceso e identifiquen la partícula emitida.

La cantidad de carga eléctrica antes y después de la reacción debe ser la misma. La emisión de una partícula beta (electrón) implica que también se debe haber creado un protón, de acuerdo con la reacción: 1 0

n

p + 1e - + antineutrino

1 1

En el decaimiento del 23993Np, el protón producido en el decaimiento beta de un neutrón queda integrado al núcleo producido: 239 93

Np

1e- + 239 Pu 94

235 92

U + 42He

7. Los siguientes núcleos son inestables y emiten las partículas indicadas: 5B (alfa); 84Po (alfa); 6C (beta); 2He (beta). Expliquen y escriban las reacciones.

© Editorial Estrada S. A. 2014

1 . Si hubieran escogido otro valor para el número de la muerte, ¿habría cambiado el resultado del experimento? Pueden comprobar su respuesta experimentalmente.

57 12 5

B

210 84 14 6

© Editorial Estrada S. A. 2014

6 2

8 3

B

Li + 42He

206 82

C

14 7

He

Pb + He 4 2

N + 1e- + antineutrino

6 3

9. Comprueben si se desintegraría espontáneamente el núcleo de 3Li en tritio y partículas alfa 3Li = 1H + 2He Masas: 3Li = 7,01601 uma; 2He = 4,00260 uma; 1H =3,01603 uma.

Comparamos las masas de cada lado de la posible reacción.

Li

4 2

He + 31H

7,01601 uma 7,01863 uma

4,00260 uma + 3,01603 uma =

Los productos de la reacción suman más masa que los reactivos, lo que indica que la reacción no es posible si los reactivos no absorben energía. En consecuencia, la reacción no se produce espontáneamente.

1 0. Completen el siguiente cuadro acerca de los distintos tipos de radiación.

Alfa

Cuando un núcleo emite una partícula beta, se convierte en otro de número atómico 1 unidad mayor.

Li + 1e- + antineutrino

8. Calculen la energía de enlace por nucleón del 25Mn. Datos: Masas isotópicas (en uma) 0n = 1,008665; -1e = 0,000545; 1p = 1,007277; 25Mn = 54,9381; 1 uma = 931 MeV. Primero, calculamos la suma de las masas de los componentes del núcleo por separado, resulta: 25 protones + 30 neutrones + 25 electrones = = 25 . 1,007277 + 30 .1,008665 + 25 . 0,000545 = 55, 4555 Ahora calculamos la diferencia con la energía del núcleo compuesto por ellos: • E = 55, 4555 - 54,9381 = 0,5174 Para expresarla en MeV, multiplicamos el valor anterior por 931, resulta: • E = 0,5174 . 931 MeV = 481,699 MeV La energía de enlace por nucleón resulta de dividir el valor calculado por el número total de nucleones de este núcleo (55): • E = 481,699 MeV / 55 = 8,758 MeV

7 3

Beta

Son electrones nucleares que proceden de la desintegración de un neutrón.

Cuando un núcleo emite una partícula alfa, se Son núcleos de He convierte en otro de formados por 2 protones número atómico 2 + 2 neutrones. unidades menos y número másico 4 unidades menos.

Gamma

Cuando un núcleo emite Es radiación electromag- rayos gamma, sus númenética. ros másicos y atómicos no cambian.

1 1 . Lean el siguiente texto y contesten las preguntas que están a continuación. a. ¿De qué manera puede haber intervenido la radiación cósmica en la evolución de las especies?

La radiación cósmica, de longitud de onda menor que el tamaño de las moléculas que guardan la información genética, puede ocasionar cambios en estas estructuras cuando choca contra ellas. Un cambio en la información genética, que se conoce con el nombre de mutación, se puede transmitir a los descendientes de ese organismo, si ocurre en las células que dan origen a las células sexuales. Las mutaciones pueden resultar favorables para la adaptación al medio y presentar ventajas que facilitan la supervivencia de los seres que las heredan, y fomentar la aparición de nuevas especies, seleccionadas por el ambiente. b. En la actualidad, ¿influye de la misma manera que hace millones de años? ¿Por qué?

En la actualidad, la atmósfera, inexistente en los comienzos del planeta, frena gran parte de las radiaciones cósmicas e impide que alcancen la superficie terrestre. También el campo magnético terrestre desvía estas radiaciones y nos protege de su efecto nocivo. c. ¿Cómo podría protegerse un viajero espacial de la radiación cósmica?

Para blindarse de la radiación que surca el espacio, alcanza con una pared de unos pocos metros de espesor. Pero resulta demasiado peso para llevar a bordo de una nave. Las naves espaciales están blindadas con una gruesa capa de aluminio. El plan de futuras misiones tripuladas a Marte, o de una base habitada en la Luna, encuentra en la radiación un obstáculo insalvable hasta el momento. Los ingenieros deberán encontrar una manera de evitar que lleguen a los tripulantes las altas dosis de radiación a las que estarían sometidos en el espacio.

12. En una reacción nuclear, se liberan 2,8 . 1012 Joules.

Calcular la masa de combustible que, de acuerdo a la ecuación de Einstein, se transformó en dicha energía.

58

1 3 . Un grupo de científicos prueban una bomba en la que se fisionarán 8 .1026 núcleos de 238U. Calculen la energía que se liberará en la prueba.

La masa atómica del uranio es 238.

Un mol (6,02.1023) núcleos tendrán una masa de 238 g.

6,02 .1023 238 g 8.1026 x = 3,16279. 105 g = 316,279 kg E = m c2 = 316,279 kg (3 .108 m/s)2 = 2,85 . 1019 J

1 4 . Suponiendo que la pérdida de masa cuando estalla una bomba de fisión de plutonio es cerca del 0,05%, calculen: a. La energía desprendida cuando estalla una bomba que contiene 100 kg de plutonio.

El 0,05% de 100 kg son 0,05 kg, si esta cantidad de masa se transforma completamente en energía, equivale a: E = m.c2 = 0,05 kg (3 .108 m/s)2 = 4,5 . 1.013 J

b. La masa de carbón, que tuviese un poder calorífico de 32 kJ/kg, que tendría que quemarse para obtener la misma cantidad de energía.

32.000 J/kg . m = 4,5 . 1013 J m = 4,5 . 10 13 j/32.000 j/kg m = 1,41 . 10 9 kg unos 1.400 millones de kilogramos de carbón.

1 5 . Se tiene una muestra de radio de 2 kg, cuya semivida es 1.620 años. Cuando han pasado 6.480 años: a. ¿Cuántas semividas han pasado?

6.480 / 1.620 = 4 vidas medias. b. ¿Cuánto se ha desintegrado?

24 = 16, queda 1/16 de la cantidad inicial de núcleos radiactivos.

1 6 . Mediante un contador Geiger, se mide el número de desintegraciones por minuto de una fuente radiactiva de 131I cada cuatro días. Se obtienen los siguientes valores: 200, 141, 100, 71. Calculen su vida media.

Su vida media es de 8 días. © Editorial Estrada S. A. 2014

E= m.c2 2,8.1012J = m .(3.108m/s)2 3,11. 10 -5 kg= m

[red conceptual] Radiactividad

la energía nuclear emitida se llama

en el

Rayos alfa

Masa 4 Sin carga

Rayos beta

Masa 1 Carga + o -

Rayos gamma

No son partículas Son ondas

REACCIONES NUCLEARES

Núcleo atómico

energía de los enlaces expresada por la ecuación

se mantiene unido por

Fuerza nuclear fuerte

E = m . c2 vinculada a

Plutonio Uranio

cuyos combustibles pueden ser

Fisión nuclear en

(*)

cuyo combustible es

Hidrógeno

Fisión nuclear en

libera

libera

Residuos radiactivos Neutrones Energía

Reactores nucleares

Estrellas

Residuos no radiactivos de mayor tamaño Rayos gamma

(*) Fe de erratas: donde dice “Fisión”, debe decir “Fusión”.