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UNIDAD 4 CORTEZA TERRESTRE, FUENTE DE MATERIALES ÚTILES PARA EL HOMBRE Propósitos de la unidad: 1. Detectar la importancia de los minerales en el desarrollo de la civilización. 2. Reconocer la riqueza que representan los minerales y el petróleo de México. 3. Reconocer la importancia de la petroquímica en la vida actual 4. Conocer qué es reducir, reutilizar y reciclar la basura.
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Introducción La corteza terrestre tiene un grosor de aproximadamente 40 kilómetros, sin embargo en la unidad sólo se estudiará la parte superficial de la misma, que es considerada la piel del planeta. En ella se encuentran los compuestos que van a servir de alimento a las plantas, las cuales a su vez, serán consumidas por animales y seres humanos para poder sobrevivir. De los elementos que se encuentran en la naturaleza, sólo 12 de ellos constituyen el 99.7% del peso de la corteza terrestre y en orden de mayor a menor abundancia, dichos elementos son: oxígeno (O), silicio (Si), aluminio (Al), hierro (Fe), calcio (Ca), magnesio (Mg), sodio (Na), potasio (K), titanio (Ti), hidrógeno (H), fósforo (P) y manganeso (Mn) . Naturalmente estos elementos no se encuentran solos, sino formando parte de compuestos, como en los minerales, los cuales tienen que ser procesados si se requiere obtener cualquiera de los elementos por separado, y en donde, para obtener los mejores rendimientos, deberá considerarse la aplicación de los cálculos estequiométricos. La corteza terrestre es un ejemplo relevante del estado sólido, que permite estudiar las características de dicho estado, la estructura cristalina de algunos minerales o las propiedades de algunos compuestos como las sales o los óxidos que permiten el estudio del enlace iónico, o los metales, en los que se estudia el enlace metálico. Se encontrará que dicha corteza terrestre es fuente de riqueza para nuestro país por los minerales y el petróleo que se encuentran en ella, que son recursos no renovables que deben ser cuidados para evitar su agotamiento y también para evitar la contaminación, lo cual lleva a la búsqueda y conocimiento de nuevos materiales y al reciclado o a la aplicación de las tres “R”.
4.1 Minerales ¿la clave de la civilización? Los minerales son compuestos químicos inorgánicos generalmente con estructura cristalina. Pueden encontrarse en forma de sales metálicas tales como: óxidos, sulfuros, carbonatos, etc., mezclados con rocas, o bien, minerales no metálicos como las arenas de sílice, asbesto, carbón y azufre nativo. La corteza terrestre está formada en un alto porcentaje por minerales. Los seres humanos observaron desde tiempos inmemoriales que hay minerales en el suelo y de donde se pueden extraer metales, gracias a lo cual florecieron las Edades de Bronce y de Hierro hasta la actual industria metalúrgica y metalmecánica. Metalurgia es el proceso de extracción de un metal. Al hablar de los procesos metalúrgicos, se deben definir los siguientes conceptos: • •
• • • •
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Ganga: parte rocosa que acompaña a los minerales. Mineral: compuesto químico que contiene en su molécula un elemento, generalmente metálico, de importancia económica o industrial. Veta: lugar donde se encuentran los minerales en mayor concentración. Mena: mineral usado comercialmente para la obtención de un metal. Escoria: Todos los residuos que quedan después de la extracción de un metal. Aleación: mezcla homogénea de dos o más metales, por ejemplo el bronce que se constituye de cobre y estaño.
Autoevaluación: 4.1 Las aleaciones son: A) compuestos químicos. C) minerales.
B) elementos. D) mezclas homogéneas.
4.2 El bronce es una aleación de: A) cobre y estaño. C) hierro y aluminio.
B) cobre y plomo D) oro y plata.
4.1.1. Principales minerales de la República Mexicana. Nuestro país ocupa el primer lugar mundial en producción de plata, arsénico, celestita (sulfato de estroncio) y fluorita (fluoruro de calcio) y el cuarto en azufre. Algunos minerales importantes y los estados donde existen yacimientos, son:
Minerales Fe3O4 (magnetita) Fe2O3, (hematita) Al2O3 (bauxita) Plata (nativa y como compuesto)
Producto obtenido Estados Fe Chihuahua, Coahuila, Colima y Michoacán Al Ag
Oro
Au
CaF2 (fluorita)
HF
Azufre Sal común SrSO4 (celestita)
S NaCl Sr
Guanajuato Chihuahua, Durango, Sinaloa, Zacatecas, San Luis Potosí, Sinaloa, Jalisco, Oaxaca, Hidalgo, Tlaxcala Oaxaca, Guerrero, Jalisco, Guanajuato, Hidalgo, Zacatecas, San Luis Potosí Chihuahua, Durango, Guanajuato, San Luis Potosí Tabasco, Veracruz Todos los estados que tienen litoral Baja California Sur, Chihuahua
Autoevaluación: 4.3 El sulfuro de plomo (II) forma el mineral llamado galena. Su fórmula es: A) PbS B) PbS2 C) Pb(SO4)2
D) PbSO4
4.4 El aluminio se obtiene por el proceso electrolítico (Proceso Hall) a partir de: A) Al2O3 B) Al2S3 C) Al2(SO4)3 D)AlCl3
4.1.2. Metales, no metales y semimetales Ubicación en la tabla periódica Como se trató en la Unidad II, en la tabla periódica los metales se localizan en el lado izquierdo y debajo de la escalera en donde se encuentran los semimetales y al lado derecho de dicha escalera están los no metales.
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Autoevaluación: 4.5 La mayoría de los elementos no metálicos se localizan, dentro de la tabla periódica en la parte: A) izquierda. B) central. C) superior derecha. D) inferior izquierda. 4.6 Son exclusivamente símbolos de metales: A) Li, Cl, Au. B) He, Ne, Ar
C) F, Cl, Br.
D) Na, Ca, Mg.
4.7 El diamante que se extrae de minas; químicamente es: A) metal. B) no metal. C) semimetal.
D) compuesto.
4.8 Los metales alcalinos pertenecen al grupo: A) I A. B) II A.
C) I B.
D) II B.
4.9 El boro, silicio y arsénico son ejemplos de: A) metales B) no metales
C) gases
D) semimetales
4.10 La mayor parte de los elementos de la tabla periódica son: A) gases B) semimetales C) no metales
D) metales
Propiedades físicas de metales y no metales PROPIEDAD Estado de agregación Apariencia Conducción del calor Conducción de la electricidad Resistencia a la deformación Densidad
METALES Sólidos, excepto el Hg, el Ga y el Cs, que tienen un punto de fusión inferior a 40ºC Brillantes
NO METALES Gases, líquidos o sólidos
Opacos excepto el yodo y el diamante (forma alotrópica del carbono) Buena Mala Buena Mala, excepto el selenio y el grafito (forma alotrópica del carbono) Buena, la mayoría dúctiles (pueden Mala. Son quebradizos y se formar alambres) y maleables rompen fácilmente, excepto (pueden formar láminas) el diamante (forma alotrópica del carbono) Generalmente alta Generalmente baja
Los semimetales o metaloides comparten algunas de las propiedades de metales y no metales, por tal razón son llamados anfóteros. Entre ellos están los semiconductores (Si, Ge y As), utilizados en transistores. Su conductividad eléctrica aumenta cuando se eleva la temperatura (al contrario de los metales).
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Autoevaluación 4.11 En condiciones ordinarias, sólo algunos elementos puros son líquidos; entre ellos se encuentran: A) Al y Fe. B) C y Na. C) H y O. D) Hg y Br. 4.12 La maleabilidad es una propiedad física de los: A) sólidos. B) halógenos. C) metales.
D) no metales.
Propiedades químicas: La propiedad química más importante de los metales es su poder reductor, esto es, su capacidad para ceder electrones (oxidarse). Los no metales aceptan electrones de los metales (se reducen). Los hidróxidos de algunos metales como el aluminio, cromo y zinc, son capaces de reaccionar tanto con un ácido fuerte, como con un hidróxido fuerte. A los metales que forman estos compuestos se les llama anfóteros: Al(OH)3 + 3 HCl → AlCl3 + 3 H2O Al(OH)3 + NaOH → NaAl(OH)4 Serie de actividad de los metales: Algunos metales reaccionan con agua fría, otros con agua caliente o vapor de agua, otros con ácidos, lo cual permite ordenarlos en una serie de actividad química, relacionada con la tendencia del átomo a ceder electrones y formar cationes. En una reacción química un metal de mayor reactividad desplazará a un catión metálico de su sal, sólo si se encuentra más abajo que él en la serie electromotriz. Ejemplo K + RbCl → Rb + KCl Mg + CaCl2 → No hay reacción Serie electromotriz Mayor tendencia a ionizarse
K → K + Rb → Rb+ Ca → Ca2+ Mg → Mg2+ Al → Al3+ Mn → Mn2+ Zn → Zn2+ Cr → Cr 3+ Ni → Ni2+ Sn → Sn2+ Pb → Pb2+ Fe → Fe3+ H2
Menor tendencia a ionizarse
Bi Cu Ag Hg Au
→
2H+
→ Bi3+ → Cu2+ → Ag+ → Hg+ → Au3+ 81
Autoevaluación 4.13 De acuerdo a la serie de actividad de los metales, al combinar Mg + Zn(NO3)2 el resultado es: A) no hay reacción. B) Mg(NO3)2 + Zn(NO3)2. C) Mg (NO3)2 + Zn. D) Mg + NO2 + ZnO. 4.14 Si se deja caer un anillo de oro en un tanque de ácido sulfúrico, la ecuación que representa esto es: A) Au + H2SO4 → AuHSO4 + H+ B)2Au + H2 SO4 → Au2SO4 + H2 C) Au + H2 SO4 → No hay reacción D) 2Au + 6H2 SO4 → 2Au2 (SO4)3 + 6 H2
4.1.3 Estado sólido cristalino. Las partículas que forman los sólidos están muy cercanas entre sí y ocupan posiciones relativamente fijas, vibrando continuamente debido a las fuerzas intermoleculares que existen entre ellas. Esas fuerzas frecuentemente originan sólidos cristalinos, que son estructuras ordenadas de partículas; estos arreglos se repiten en todo el sólido, formando una red cristalina. A la parte más pequeña de una red cristalina se le denomina celda unitaria. Los cristales adoptan configuraciones geométricas determinadas, siempre limitadas por caras planas; aún cuando se trituren su fractura es cristalina, es decir, conservan superficies planas. Si no existe un arreglo ordenado se dice que la sustancia es amorfa. Las partículas que forman los sólidos cristalinos generalmente están unidas por enlace iónico o metálico.
Autoevaluación: 4.15 Una sustancia sólida cuyas unidades constitutivas no tienen un arreglo ordenado es A) amorfa. B) radiactiva. C) cristalina. D) iónica. 4.16 Los cristales son sustancias: A) coloidales. B) plasmas.
C) dispersas.
D) sólidas.
4.17 Un ejemplo de sólido cristalino es el agua a A) 32 ºC y presión atmosférica normal. B) 278 OC y 150 kPa de presión. C) 93 oC y 785 torr de presión. D) -10 oC y 760 mmHg de presión.
Modelo cinético molecular Según el modelo cinético, entre las partículas de los sólidos existen grandes fuerzas de atracción, lo que explica su estructura rígida pues al encontrarse muy cercanas entre sí, no pueden moverse libremente sino únicamente vibrar.
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Autoevaluación 4.18 En función del modelo cinético molecular, los sólidos: A) son muy compresibles. B) tienen alta energía cinética molecular. C) poseen elevado espacio intermolecular. D) son prácticamente incompresibles. 4.19 Los sólidos tienen forma definida debido a que las partículas que los forman: A) viajan a gran velocidad. B) presentan fuerzas de atracción débiles. C) se mueven libremente. D) presentas fuerzas de atracción elevadas.
Enlace Metálico Los electrones de valencia de los átomos metálicos se mantienen unidos débilmente al núcleo y son fácilmente compartidos por todos los átomos (electrones deslocalizados), lo que explica por qué los metales son dúctiles y maleables, conductores y presentan brillo. Autoevaluación: 4.20 Se tienen dos sustancias A (plata) y B (azúcar) a temperatura ambiente. Los átomos de A están unidos por enlace metálico, en tanto que los de B presentan enlace covalente. Debido a ello: A) A es amorfa y B un sólido. B) A conduce la electricidad y B no. C) A es quebradiza y B dúctil. D) Ambos son maleables. 4.21 Es una característica del enlace metálico la: A) formación de sales. B) formación de óxidos. C) conductividad eléctrica. D) densidad. 4.22 Debido al enlace metálico que une a sus átomos, el cobre: A) forma sales. B) es duro y quebradizo. C) es dúctil. D) forma minerales.
Enlace Iónico PARA PROFUNDIZAR EN ESTE TEMA CONSULTA EL CD ADJUNTO A ESTA GUÍA
Se presenta cuando un átomo metálico se une con un átomo no metálico, presentándose una transferencia de uno o más electrones del metal al no metal.
Propiedades físicas promedio de las sustancias iónicas Sólido cristalino a temperatura ambiente Punto de fusión comúnmente elevado (mayor de 200 ºC) Buena conductividad eléctrica cuando están fundidos Buena conductividad eléctrica en disolución acuosa Elevada solubilidad en agua Diferencia de electronegatividad* entre los elementos enlazados mayor a 2.1 *Electronegatividad (concepto y criterios para clasificar tipos de enlace, ver Unidad II) 83
Autoevaluación: 4.23 Si la electronegatividad de Na es 0.9 en tanto que la del Cl es 3.0, la sal de mesa (NaCl) es un compuesto que presenta enlace: A) metálico. B) covalente. C) coordinado. D) iónico. 4.24 Una propiedad física de las sustancias iónicas es: A) su elevado punto de fusión. B) su baja solubilidad en agua. C) su débil conductividad eléctrica. D) ser líquidas a temperatura ambiente. 4.25 De los siguientes ejemplos KCl, MgO, CCl4, H2O, los compuestos iónicos son: A) KCl, MgO, CCl4. B)KCl, MgO. C) KCl, H2O. D) KCl, CCl4 , H2O. 4.26 La diferencia de electronegatividad entre el potasio y el cloro es de 2.2, por lo que el cloruro de potasio (KCl) presentará como propiedades físicas el ser: A) insoluble en agua y no conducir la electricidad en ninguna condición. B) muy soluble en agua y no conducir la electricidad en disolución ni fundido. C) poco soluble en agua y conducir la electricidad en estado sólido únicamente. D) soluble en agua y conducir la electricidad en disolución acuosa y fundido. 4.27 Una de las características de los compuestos iónicos es su solubilidad en agua. ¿Cuál de las siguientes sustancias es soluble en agua? A) CCl4 B) C6H6 C) Au D) CsF
4.1.4 Cálculos estequiométricos PARA PROFUNDIZAR EN ESTE TEMA CONSULTA EL CD ADJUNTO A ESTA GUÍA
La estequiometría es la parte de la química que se ocupa de las relaciones cuantitativas entre reactivos y productos en una reacción química balanceada. Existen algunas relaciones útiles para resolver problemas de estequiometría:
número de moles = gramos de una sustancia / masa molar de la sustancia gramos de una sustancia = (No. de moles)(masa molar de la sustancia) número de moles = número de moléculas de una sustancia/ 6.022x1023 moléculas/mol número de moléculas de una sustancia = (número de moles)(6.02x1023 moléculas/mol) Cabe hacer notar que también se pueden resolver estos problemas utilizando reglas de tres.
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Autoevaluación: 4.28 ¿Cuántos moles de agua hay en 100 g de dicha sustancia? A) 0.55 B) 0.055 C) 5.55
D) 55.5
4.29 Calcula cuántos gramos de nitrato de potasio (KNO3) hay en 25 moles de dicha sustancia: masas atómicas: K = 39; N = 14; O = 16 A) 0.25 B) 101 C) 252 D) 2525 23 4.30 Calcula el número de moles que forman 9.3x10 moléculas de nitrato de calcio Ca(NO3)2 masas atómicas: Ca = 40; N = 14; O = 16 A) 6.4 B) 1.54 C) 0.64 D) 15.4 4.31 Calcula el número de moléculas que hay en 2.95 moles de Fe(CN)3 masas atómicas: C = 12 ; Fe = 56; N = 14 A) 3.47 x1023 B) 1.77x1024 C) 2.04 x1023 D) 3.58x1023 Relaciones mol – mol En estos problemas la masa de reactivos y productos se expresa en moles (moles de A→ moles de B).
Recuerda que siempre se parte de una ecuación balanceada. Ejemplo: ¿Cuántos moles de amoníaco gaseoso se obtienen al reaccionar 7 moles de nitrógeno con suficiente hidrógeno, a temperatura y presión elevadas? 1.- Escribe la ecuación balanceada. N2 + 3H2
2NH3
2.- Calcula la relación molar (divide los moles de sustancia problema entre los moles de la sustancia inicial). Recuerda: el número de moles de cada sustancia es el coeficiente que tiene cada una en la ecuación balanceada. 7 moles de N2/1 mol N2 inicial = 7 (relación molar) 3.- Calcula el número de moles de la sustancia solicitada en el problema multiplicando el número de moles que se da como dato en el problema por la relación molar. (2 moles NH3)(7) = 14 moles NH3 (cantidad solicitada) Para usar regla de tres, en el primer renglón se escriben los datos obtenidos de la ecuación balanceada y en el segundo, la incógnita y el dato proporcionado por el problema, cuidando de utilizar unidades semejantes en cada columna: 1 mol N2 ---------- 2 mol NH3 7 mol N2 ---------- x mol NH3 x mol NH3 = (7 mol N2)(2 mol NH3) / 1 mol N2 = 14 moles NH3 85
Autoevaluación: 4.32 ¿Cuántas moles de ácido sulfúrico se requieren para precipitar 5 moles de sulfato de bario en la reacción: H2SO4 + Ba(OH)2 BaSO4 + 2H2O ? A) 0.5 B) 1.0 C) 2.0 D) 5.0 4.33 ¿Cuántos moles de ácido nítrico se necesitan para producir 8.75 moles de monóxido de dinitrógeno de acuerdo con la siguiente ecuación? 4Zn + 10HNO3 → 4Zn(NO3)2 + N2O + 5H2O A) 1.0 B) 8.75 C) 10 D) 87.5 4.34 ¿Cuántos moles de hidróxido de litio se requieren para producir 27 moles de sulfato de litio según la ecuación 2LiOH + H2SO4 → Li2SO4 + 2H2O ? A) 5.4 B) 2.7 C) 27 D) 54
Relaciones masa-masa: Cuando se conoce la masa de cualquier reactivo o producto, se puede establecer la masa de cualquier otra sustancia que participe en la reacción. Ejemplo: ¿Cuántos g de Fe se obtienen mediante el calentamiento a 1200 oC de 710 g de FeO en presencia de CO según la ecuación FeO + CO Fe + CO2 masas atómicas: Fe = 56; C = 12; O = 16 1. Se calculan las moles de FeO a partir de los gramos de FeO moles FeO = (710 g FeO)(1 mol FeO / 72 g FeO) = 9.86 moles 2. Con las moles obtenidas anteriormente, se calcula la relación mol-mol para obtener las moles de Fe. De acuerdo a la ecuación balanceada, la relación mol-mol es: 1 mol FeO produce 1 mol Fe moles Fe = (9.86 moles FeO)(1 mol Fe/1 mol FeO) = 9.86 moles 3. Se transforman las moles de Fe obtenidas a gramos, al multiplicar por la masa molar. gramos Fe = (9.86 moles Fe )(56 g Fe/1 mol Fe) = 552 gramos
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Autoevaluación: 4.35 Una persona produce 7.5 g de HCl al día en el jugo gástrico. ¿Cuántas tabletas antiácidas, cada una con 400 mg. de Al(OH)3, se necesitan para neutralizar todo el HCl producido en un día? A1(OH)3 + 3HC1 → A1C13 + 3H2O Masas atómicas: A1 = 27; Cl = 35; O = 16 ; H =: 1 A) 1.5 B) 33 C) 10.6 D) 18 4.36.- ¿Cuántos gramos de fosfato de zinc se forman cuando se hacen reaccionar 10 g de zinc con ácido fosfórico según la ecuación balanceada siguiente? 3 Zn + 2 H3PO4 → Zn3(PO4)2 + 3H2 masas atómicas: Zn = 65; P = 31; O = 16; H = 1.0 A) 32 g B) 15.45 g C) 19.7 g D) 26.4 g
4.2 Petróleo, un tesoro de materiales y de energía. El petróleo crudo es un recurso natural no renovable que físicamente aparece como una mezcla negruzca. Está formado principalmente por hidrocarburos gaseosos, líquidos y sólidos, que van desde el metano (un gas) hasta sólidos de alto peso molecular (asfaltos). El 90% de la producción mundial de petróleo se utiliza para cubrir el 40% de la demanda de energía. El 10% restante se destina a la producción de plásticos, resinas, hule sintético, insecticidas, fibras sintéticas, fertilizantes, colorantes, disolventes, tintas comestibles, negro de humo, detergentes y muchísimos otros productos que están siempre a nuestro alrededor.
Autoevaluación 4.37 El petróleo es un ejemplo de: A) compuesto iónico C) mezcla heterogénea
B) mezcla homogénea D)compuesto covalente
4.38 Los sólidos de alto peso molecular que se obtienen del petróleo son: A) asfaltos B) gasolinas C) parafinas D) etilenos
4.2.1. Importancia del petróleo para México México ocupa el décimo sitio a nivel mundial en cuanto a reservas petrolíferas probadas, probables y posibles, con un estimado en el año 2007 de casi 45 376 millones de barriles (cada barril es igual a 159 litros). De acuerdo a la producción actual, se considera que las reservas probadas durarán de 10 a 12 años y, dado que es un recurso no renovable, es menester encontrar combustibles alternativos. Las divisas por venta del petróleo equivalen aproximadamente al 35% del PIB. En México se encuentran los siguientes tipos de crudo (petróleo directamente obtenido del yacimiento): a) Istmo.- Petróleo crudo ligero, proveniente del área de Chiapas y Tabasco. b) Maya – Petróleo crudo pesado, que se obtiene en las plataformas marinas ubicadas en la sonda de Campeche. c) Olmeca – Petróleo crudo muy ligero que se obtiene de los pozos del norte de Tabasco, y Reynosa, Tamaulipas.
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Recientemente se descubrieron grandes depósitos de gas natural en la llamada Cuenca de Burgos, situada en Coahuila. La gasolina es la fracción líquida del petróleo que tiene más demanda en el mundo; es una mezcla compleja de hidrocarburos, principalmente alcanos, entre 5 y 12 carbonos. En 1927 se estableció un estándar arbitrario de desempeño llamado índice de octano u octanaje. El cero se asignó al nheptano y el 100 al “isooctano”. Las gasolinas modernas tienen octanajes superiores a 100. A partir de la década de los 80, México exporta aproximadamente el 50% del crudo producido. Cuando un país produce y exporta petróleo crudo, como es el caso de México, obtiene menos divisas que las generadas por la industria petroquímica, ya que en ésta se producen muchos otros materiales que son la base del confort moderno. En nuestro país, la petroquímica es incipiente, por lo que es necesario tomar conciencia de ello y tratar de revertir la situación.
Autoevaluación 4.39 El número de átomos de carbono de los hidrocarburos que forman la gasolina va de: A) 2 a 4. B) 4 a 6. C) 5 a 12. D) 8 a 14. 4.2.2. Hidrocarburos El nombre genérico de las sustancias que mayoritariamente conforman el petróleo es: hidrocarburos, compuestos orgánicos que sólo contienen átomos de carbono e hidrógeno.
Alcanos, alquenos y alquinos Alcanos.- Hidrocarburos saturados, es decir, con enlaces sencillos entre C y C. Fórmula general: CnH (2n + 2) en la que n es el número de carbonos. Su nomenclatura depende del número de carbonos que forma la molécula con la terminación ano. Algunas veces se les llama parafinas debido a su poca reactividad química. Los primeros cuatro alcanos son gases; entre 5 y 16 carbonos son líquidos a 20oC y en adelante, sólidos Alquenos: Hidrocarburos insaturados, con uno o más dobles enlaces C=C. Cuando tiene un solo enlace doble, la fórmula general es Cn H(2n). Se les asigna nombre de manera parecida a los alcanos pero se debe cambiar la terminación ano por eno y MENCIONANDO LA POSICIÓN DEL DOBLE ENLACE. Alquinos: Hidrocarburos insaturados con uno o más (muy rara vez) triples enlaces entre C y C. La fórmula general es Cn H(2n-2). Se nombran igual que los alcanos, cambiando la terminación ano por ino y mencionando la posición del triple enlace. Los hidrocarburos se pueden representar por fórmulas: condensadas (indica el número de carbonos e hidrógeno), semidesarrolladas (muestran los enlaces entre carbonos) y desarrolladas (muestran todos los enlaces).
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Ejemplos de alcanos lineales Fórmula condensada CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22
Fórmula semidesarrollada
Nombre
CH4 metano CH3 – CH3 etano CH3 – CH2 – CH3 propano CH3 – CH2 – CH2 – CH3 butano CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 pentano CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 hexano CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2-CH3 heptano CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2- CH2 - CH3 octano CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2- CH2 – CH2 - CH3 nonano CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 - CH2- CH2 – CH2 –CH2 – CH3 decano
Autoevaluación 4.40 El nombre químico de: CH3 – CH2 – CH2 – CH3 es: A) 2-metil butano. B) butano. C)3-metil.-butano. 4.41 El número de carbonos que contiene el pentano es: A) 3. B) 4. C) 6.
D)neopentano. D) 5.
Ejemplos de alquenos
Fórmula condensada C2 H4 C3 H6 C4 H8
Fórmula semidesarrollada
Nombre
CH2 = CH2 CH2 = CH - CH3 CH2 = CH - CH2-CH3 CH3 – CH = CH - CH3
Eteno o etileno propeno 1-buteno 2-buteno
Autoevaluación 4.42 El nombre correcto de CH3 – CH = CH - CH2-CH3 es: A) pentano. B) 2-penteno. C) 3-penteno.
D) penteno.
Ejemplos de alquinos Fórmula condensada C2 H2 C3 H4 C4 H6
Fórmula semidesarrollada
Nombre
CH ≡ CH CH ≡ C – CH3 CH ≡ C - CH2-CH3 CH3 – C ≡ C - CH3
Etino o acetileno propino 1-butino 2-butino
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Autoevaluación 4.43 El número de átomos de carbono que contiene el acetileno es: A) 1. B) 2. C) 3. D) 4. 4.2.3. Combustiones y calor de combustión. Las combustiones son reacciones químicas en las cuales intervienen oxígeno y una sustancia que, al llegar a su punto de ignición, manifiesta su energía en forma de luz y calor (se quema). Los alcanos son las sustancias ideales para ilustrar las reacciones de combustión. La ecuación general de combustión de los alcanos es: CnH(2n + 2) + O2
chispa o ∆
CO2 + H2O + luz + calor
Autoevaluación 4.44 A la reacción en la que interviene el oxígeno y que se efectúa violentamente con emisión de luz y calor, se denomina de: A) concatenación B) hidrogenación C) combustión D) fisión 4.45 La ecuación balanceada de la combustión del metano es. A) CH4 + O2 chispa CO2 + H2O + luz + calor B) CH4 + O2
∆
2CO2 + H2O + luz + calor
C) CH3 – CH2 – CH3 + 5O2 D) CH4 + 2O2
chispa
∆
3H2O + luz + calor
CO2 + 2H2O + luz + calor
Calor de combustión. La cantidad de energía térmica que se desprende cuando se quema una cierta cantidad (p. ej. un gramo) de una sustancia es su calor de combustión. Cuando se quema un mol de sustancia, la energía térmica liberada se llama calor de combustión molar. Las unidades que se usan para medir la energía térmica liberada pueden ser calorías o Joules (1 caloria = 4.18 Joules). Autoevaluación 4.46.- La energía térmica liberada al quemar una sustancia, se denomina: A) calor de liberación. B) calor de fusión. C) calor de combustión. D) calor de evaporación. 4.47.- El calor de combustión molar se libera al quemar: A) 1 gramo de una sustancia. B) 100 gramos de una sustancia. C) 1 mol de una sustancia. D) una sustancia.
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4.2.4 Refinación del Petróleo Se llama refinación al conjunto de procesos físicoquímicos a los que se somete el petróleo crudo. Tiene como objetivos básicos: • •
•
•
Separar el crudo en distintas fracciones mediante la destilación fraccionada. Convertir las fracciones de menor demanda en el mercado en otros más redituables, fundamentalmente gasolinas, mediante el “craqueo” térmico. Modificar las estructuras de las cadenas de carbono de las gasolinas mediante el proceso de reformación, para obtener un índice de octano más alto. Purificar los productos obtenidos eliminando compuestos indeseables.
Las principales refinerías del país se encuentran en: Veracruz, Tabasco, Campeche, Tamaulipas y Guanajuato.
Autoevaluación: 4.48 El principal objetivo de la refinación del petróleo es: A) mezclar aceites lubricantes con disolventes orgánicos B) obtener alquenos y alquinos C) producir elastómeros por polimerización D) separar las distintas fracciones del petróleo crudo 4.49 Las principales refinerías del país se encuentran en: A) Sinaloa, Michoacán y Guanajuato B) Lázaro Cárdenas, Infiernillo y Malpaso C) Salina Cruz, Puerto Madero, Acapulco y D.F. D) Veracruz, Tabasco, Campeche y Tamaulipas
4.2.5. Fuente de materias primas Se llama materia prima a toda sustancia que sirve para obtener otros productos después de ser tratada. Además de los hidrocarburos provenientes directamente de la refinación, en los complejos petroquímicos se obtienen algunas materias primas como: Etileno (C2H4) y sus derivados primarios: acetaldehido, óxido de etileno, polietileno, oxígeno y nitrógeno. Propileno, butilenos e isobutilenos. Aromáticos: benceno, tolueno, xilenos, estireno, cumeno y sus derivados: dodecil benceno, fenol, bisfenol, ácido tereftálico, nitrotoluenos. •
• •
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Autoevaluación 4.50 El eteno o etileno cuya fórmula es CH2=CH2, se considera una materia prima, porque de él se obtiene: A) tolueno. B) polietileno. C) fenol. D) propileno. 4.51 El inciso que sólo contiene materias primas obtenidas de la refinación del petróleo, es: A) poliestireno, teflón. B) benceno, tolueno. C) trinitrotolueno, fenol. D) tereftalato de polietileno, cumeno 4.2.6. Alquenos y su importancia en el mundo de los plásticos. Los plásticos son materiales poliméricos formados por carbono y otros elementos como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno o flúor. Son sólidos en su estado final, pero en alguna etapa de su fabricación son suficientemente suaves para ser moldeados por medio de calor y/o presión. En la actualidad se calcula que por cada Kg de metal que se usa, ya sea en la industria o en el hogar, se utilizan 4 Kg de plástico y sus usos son innumerables: fibras textiles, juguetes, envases, tuberías, lentes, partes de automóviles, motores y aviones, utensilios de cocina, pegamentos, suelas de zapatos, colchones, aislantes, partes eléctricas, herramientas, artículos deportivos, etc. El etileno y el propileno son las sustancias más importantes de la química de los polímeros; el etileno es materia prima de un 30% de todos los productos petroquímicos.
Autoevaluación 4.52 En el etileno CH2=CH2 se encuentra presente un enlace A) triple. B) conjugado. C) sencillo. D) doble. 4.3 La nueva imagen de los materiales El hombre ha utilizado compuestos de silicio que se hallan en la corteza terrestre desde hace miles de años: la cerámica, el cuarzo y el vidrio son silicatos y bióxidos de silicio; sin embargo, la tecnología moderna los ha modificado y encontrado para ellos usos inimaginables para el hombre de siglos pasados. 4.3.1 Cristales líquidos: Sustancias cuyas propiedades, se encuentran entre las de los sólidos y las de los líquidos. Pueden fluir y sin embargo, sus moléculas están ordenadas siguiendo una orientación espacial común. Los cambios de temperatura o los campos eléctricos y magnéticos afectan la estructura de los cristales líquidos, que se traducen en cambios de color y otras propiedades físicas. Semiconductores. Son cristales de silicio, que en estado puro transmiten la electricidad con mucha menos eficiencia que los metales pero mayor que los no metales. Al impurificarlos (“doparlos”) con trazas de arsénico, aluminio o galio, se obtiene un transistor, que es capaz de amplificar y controlar pequeñas cantidades de electricidad en una sola dirección.
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Fibras ópticas.- Son cables finísimos de bióxido de silicio (SiO2) muy puro, obtenido por destilación de vidrio, dentro de los cuales se transmite información convertida en haces luminosos que viajan a 300 000 km/s. Las paredes internas de las fibras ópticas reflejan el 100% de la luz que incide (reflexión total), así la luz que entra por un extremo de la fibra sale por el otro sin pérdidas, no importando que las fibras estén dobladas o enrolladas. Debido a sus propiedades han sustituido a los cables de líneas telefónicas. Plásticos.- Se conoce con el nombre genérico de plásticos a una serie de macromoléculas obtenidas por el hombre mediante reacciones químicas de polimerización: polietileno, poliestireno, teflón, dacrón, nylon, acrílico, PVC, baquelita, uretanos, etc. Se dividen en termofijos y termoplásticos. Sus principales ventajas son: ligereza, elasticidad, aislamiento térmico, bajo costo, facilidad de obtención, resistencia a la corrosión, compresión y tensión. Entre sus desventajas: baja resistencia a la temperatura, baja resistencia a los rayos ultravioleta, poca dureza superficial, inflamabilidad, alto coeficiente de expansión térmica, no biodegradabilidad (termofijos), poca resistencia a la abrasión de algunos y diferentes grados de toxicidad. Cerámicas.– La fabricación de objetos de cerámica se cuenta entre las primeras tecnologías que desarrolló el ser humano. Sin embargo, la investigación ha permitido pasar de los cacharros de barro o porcelana a materiales cerámicos con resistencia térmica tan alta que se utilizan en los conos de puntas de cohetes espaciales; otros tienen propiedades magnéticas y sirven como elementos de memoria en computadoras; otros más tienen una conductividad eléctrica tan excepcional a la temperatura del nitrógeno líquido (-196°C) que se les conoce como superconductores, necesarios para construir los electroimanes que se usan en los aceleradores de partículas y en los trenes con levitación magnética. Autoevaluación: 4.53 Entre otros usos, las fibras ópticas han sustituido a: A) los lentes polarizados. B) las cámaras fotográficas. C) los cables telefónicos. D) los cables eléctricos. 4.54 Las cerámicas se caracterizan por su: A) alta resistencia térmica. B) color amarillo paja. C) bajo punto de fusión. D) alto coeficiente de expansión. 4.55 Los materiales superconductores trabajan a temperaturas de: A) 0 oC B) -40°C. C) 100°C. D) -196°C. 4.56 Las carátulas que muestran los números en los relojes digitales, tienen una capa de: A) cristal líquido. B) silicio. C) fibra óptica. D) polietileno.
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4.3.2.- Reacciones de polimerización para la obtención de resinas plásticas. Un polímero es una molécula de gran tamaño formada por la combinación de unidades simples más pequeñas llamadas monómeros. Existen dos tipos de polimerización: por adición y por condensación. Esquemáticamente, una polimerización por adición puede ser: monómero + monómerodímero dímero + monómerotrímero trímero + n monómeros polímero
Algunos polímeros de adición y sus monómeros de origen son: Monómero Fórmula representativa Polímero etileno propileno estireno
CH2 = CH2 CH2 = CH2- CH3 CH2 = CH
│
polietileno polipropileno poliestireno
C6H5
cloruro de vinilo
CH2 = CH
│
cloruro de polivinilo (PVC)
Cl
tetrafluoruro de vinilo
F2 ─ C = C ─ F2
teflón
acrilonitrilo
CH2 = CH
poliacrilonitrilo (orlón, acrilán)
│
CN 4.57 El monómero del teflón es: A) tetrafluoruro de vinilo. C) acrilonitrilo.
B) cloruro de vinilo. D) estireno
4.4 Suelo, soporte de la alimentación Los suelos son rocas desmoronadas por el intemperismo, mezclados con materia proveniente de vegetales y animales en descomposición, además de agua. De ellos se obtienen los nutrientes necesarios para la vida en el planeta. Los elementos indispensables para el desarrollo de los vegetales son N, P y K, conocidos como nutrientes básicos. Para recuperar su concentración en el suelo y lograr mejores cosechas, el hombres ha utilizado desde tiempos remotos sustancias que los contienen y liberan más o menos fácilmente, llamadas fertilizantes. Entre ellos podemos mencionar desde orina humana, usada en la prehistoria, pasando por estiércol, guano de aves o murciélagos hasta los fertilizantes industriales como NH3, NaNO3, Ca(NO3)2, (NH4)3PO4, NH4 NO3 y KNO3. 94
4.4.1. CHONPS en la naturaleza Carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre (CHONPS) son elementos que provienen de la descomposición de la materia orgánica, la que a su vez determina la fertilidad de los suelos. Cada uno de estos elementos tiene un ciclo biogeoquímico durante el cual suceden diversas transformaciones siendo aprovechados por los vegetales y los animales, quienes los devuelven a su lugar de origen.
Elemento C, H, O (humus) N P
Características del suelo de acuerdo a su CHONP Proveniente de Importancia Restos vegetales poco Determina las características físicas y degradables. químicas; intercambio de nutrientes y reserva de N fijado en el suelo. Aminoácidos, aminoazúcares, Fuente de N. Fertilidad del suelo. bacterias nitrificantes Ésteres fosfatados, Fuente de P para vegetales Fertilidad fosfolípidos. del suelo.
Autoevaluación 4.58 Son nutrientes básicos para los vegetales: A) I, K, O B) C, K, S. C) N, P, K
D) C, S, H.
Ciclo del carbono Una de las principales fuentes de carbono para la formación de cadenas, es el bióxido de carbono atmosférico, el cual se combina con el agua en las plantas, por medio de la luz solar, formando compuestos de carbono de largas cadenas, llamados carbohidratos. Éste proceso se conoce con el nombre de fotosíntesis y se representa con la siguiente ecuación: luz solar
C6H12O6 + 6 O2↑ glucosa Cuando un gran número de carbohidratos simples como la glucosa, se unen, resultan la celulosa y el almidón, carbohidratos complejos que constituyen gran parte de la estructura de las células de las plantas. Los animales comen plantas y en el cuerpo de los animales, los carbohidratos de las plantas son transformados en compuestos diferentes. Durante la respiración, el oxígeno de la atmósfera es transformado en bióxido de carbono, el cual interviene en la fotosíntesis, de acuerdo a lo expresado en párrafo precedente; sin embargo en las últimas décadas la quema excesiva de combustibles fósiles está elevando considerablemente las concentraciones del bióxido de carbono atmosférico, lo cual a su vez está provocando un cambio climático. Todo esto se percibe en el siguiente diagrama. 6 CO2 + 6 H2O
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Ciclo del carbono
Ciclo del oxígeno El oxígeno podemos encontrarlo bajo la forma de agua, en el aire como oxígeno molecular y en forma de CO2, así como en una diversidad de compuestos. El oxígeno es producido por los individuos fotosintéticos. Los individuos individuos aeróbicos necesitan oxígeno en mayor o en menor cantidad para llevar a cabo sus procesos metabólicos, además de que el oxígeno también es necesario para la combustión. Esto se observa en los siguientes esquemas. Oxígeno atmosférico
Consumo de oxígeno por respiración aeróbica y combustión
Asimilación del oxígeno Fotosíntesis
Agua
Oxígeno orgánico Descomposición del oxígeno orgánico
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Ciclo del nitrógeno El nitrógeno, es el ladrillo que construye la vida, es un componente esencial del ADN, del ARN y de las proteínas. Todos los organismos requieren nitrógeno para vivir y crecer. A pesar que la mayoría del aire que se respira es N2, la mayoría de este nitrógeno no está al alcance para el uso de los organismos, debido al fuerte triple enlace entre los dos átomos de nitrógeno de la molécula, por ello el nitrógeno es relativamente inerte. Para que las plantas y animales puedan usar el nitrógeno, tiene que ser convertido a una forma química disponible como el amonio (NH4+), el nitrato (NO3 ) o el nitrógeno orgánico, como la urea (NH2)2CO. La naturaleza inerte del N2 significa que el nitrógeno biológico disponible es a menudo escaso en los ecosistemas ec osistemas naturales. Cualquier proceso en el cual el nitrógeno del aire se convierte en compuestos nitrogenados en el suelo, se llama fijación de nitrógeno. El nitrógeno es fijado de forma natural durante las tormentas eléctricas y mediante bacterias del suelo. Los fertilizantes contienen nitrógeno fijado de manera artificial.
Autoevaluación 4.59 Los vegetales obtienen el oxígeno necesario para su metabolismo de: A) el agua. B) el suelo. C) los fertilizantes. D) el aire. 4.60 En la fotosíntesis se encuentran presentes los ciclos de: A) nitrógeno y azufre. B) fósforo y azufre. C) fósforo y carbono. D) carbono y oxígeno. 4.61 Durante el ciclo del carbono se ha incrementado el bióxido de carbono en el aire,debido a la: A) estabilidad del carbono en el compuesto. B) baja solubilidad del compuesto. C) quema excesiva de combustibles fósiles. D) afinidad del compuesto por el oxígeno
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4.62 Para que el nitrógeno pueda ser utilizado por animales y plantas, debe estar en forma de: A) N2 , NO31B) NH41+, NO31C) N , N2 D) NH3 , N 4.63 En el ciclo del nitrógeno, los gases liberados durante la combustión en vehículos son: A) NOx
C) NH41+
B) N2
D) NH3
4.64 La fijación del nitrógeno se efectúa de forma natural cuando: A) se tiene un día soleado. B) hay tormentas eléctricas seguidas de lluvia. C) se efectúa la combustión de hidrógeno. D) se presenta una combustión incompleta.
4.4.2. El pH y su influencia en los cultivos. pH del suelo 4.0 – 5.0
Acidez o alcalinidad Acidez muy alta
5.0 – 6.0
Acidez alta a moderada
6.0 – 6.7
Acidez ligera
7.1 – 9.0
De ligeramente alcalina a alcalina Fuertemente alcalino Excesivamente alcalino
9.0 – 10.3 10.3 – 11.0
Autoevaluación 4.65 El pH adecuado para la mayoría de los cultivos es de: A) 4.0-5.0 B) 5.0-6.0 C) 6.0-6.7 4.66 Un pH fuertemente alcalino es: A) adecuado para algunos cultivos C) apto sólo para el cultivo de berenjena
Tipo de cultivo nicamente sirve para cultivos de suelo ácido (berenjena) o bien requiere adición de Ca(OH)2. Algunos cultivos lo toleran; otros requieren adición de Ca(OH)2. Adecuada para la gran mayoría de cultivos. Aptos para muchos cultivos. Inadecuados para cultivos. Inadecuados para cultivos.
D)10.3-11.0
B) apto para todos los cultivos D) inadecuado para los cultivos
4.5. La conservación o destrucción de nuestro planeta. La sociedad acostumbrada a los artículos desechables, genera cantidades significativas de residuos sólidos cada día por lo que nos estamos quedando sin espacios disponibles para confinarlos. Por otro lado, los recursos del planeta se están agotando con tal rapidez, que es probable que en un futuro cercano enfrentemos escasez de los mismos.
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4.5.1. Consumismo – Basura – Impacto Ambiental. Los avances tecnológicos han permitido a los habitantes de los países industrializados y en menor escala a los de países pobres, disponer de una gran variedad de bienes de consumo. Las envolturas de plástico se convierten en basura, al igual que, poco tiempo después los propios artículos. Esto trae como consecuencia gravísimos problemas ambientales, pues los plásticos tardan más de 100 años en descomponerse, obstruyen el flujo del oxígeno en ríos y lagunas, contaminan el agua y la tierra. Cuando la basura sólida se arroja en tiraderos al aire libre los lugares se infestan de moscas, ratas, etc. Si se deposita en rellenos sanitarios (capas de basura cubiertas con tierra) contamina las aguas subterráneas y cuando se incinera a cielo abierto contamina el aire.
4.5.2. Reducción, reutilización y reciclaje de basura. Los residuos sólidos son todos aquellos materiales que ya no son de utilidad para quien los genera. Existen varias formas de solucionar el problema de la basura: Reducir, consiste en adquirir y utilizar menos cantidad de materiales desechables. Reutilizar, hacer un artículo lo suficientemente durable para soportar un uso repetido. Reciclar, consiste en dar a los materiales un segundo uso por medio de un proceso de transformación. Es un proceso que requiere energía y se pierde parte del material. Desde el punto de vista económico el reciclaje del aluminio y otros metales, es muy importante; sin embargo, desde el punto de vista ecológico lo más importante es el reciclaje del papel.
4.5.3. Responsabilidad en la conservación del planeta. Cada persona debe desarrollar una actitud responsable en cuanto al cuidado de las condiciones ambientales de su entorno. Autoevaluación 4.67 Por razones económicas, el material más importante para reciclar es: A) aluminio B) madera C) plástico D) papel 4.68 Por razones ecológicas, el material más importante para reciclar es: A) aluminio B) latón C) cobre D) papel 4.69 Las 3R cuando se habla de basura significan: A) resumir, reciclar, retomar B) reducir, reutilizar, reciclar C) recoger residuos retornables D) reacomodar, retener, reciclar
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RESPUESTAS 4.1.- D) mezclas homogéneas 4.2.- A) cobre y estaño 4.3.- A) PbS 4.4.- A) Al2O3 4.5.- C) superior derecha 4.6.- D) Na, Ca, Mg 4.7.- B) no metal 4.8.- A) I A 4.9.- D) semimetales 4.10.- D) metales 4.11.- D) Hg y Br 4.12.- C) metales 4.13.- C) Mg(NO3)2 + Zn 4.14.- C) Au + H2SO4 → no hay reacción 4.15.- A) amorfa 4.16.- D) sólidas 4.17.- D) -10 oC y 760 mm Hg de presión 4.18.- D) son prácticamente incompresibles 4.19.- D) presentan fuerzas de atracción elevadas 4.20.- B) A conduce la electricidad y B no 4.21.- C) conductividad eléctrica 4.22.- C) es dúctil 4.23.- D) iónico 4.24.- A) su elevado punto de fusión 4.25.- B) KCl, MgO 4.26.- D) soluble en agua y conducir la electricidad en disolución acuosa y fundido 4.27.- D) CsF 4.28.- C) 5.55 4.29.- D) 2525 4.30.- B) 1.54 4.31.- B) 1.77x1024 4.32.- D) 5.0 4.33.- D) 87.5 4.34.- D) 54 4.35.- C) 10.6 4.36.- C) 19.7 g 4.37.- C) mezcla heterogénea 4.38.- A) asfaltos 4.39.- C) 5 a 12 4.40.- B) butano 4.41.- D) 5 4.42.- B) 2- penteno 4.43.- B) 2 4.44.- C) combustión 4.45.- D) CH4 + 2 O2 chispa CO2 + 2H2O + luz + calor 4.46.- C) calor de combustión 100
4.47.- C) 1 mol de una sustancia 4.48.- D) separar las distintas fracciones del petróleo crudo 4.49.- D) Veracruz, Tabasco, Campeche y Tamaulipas 4.50.- B) polietileno 4.51.- B) benceno, tolueno 4.52.- D) doble 4.53.- C) los cables telefónicos 4.54.- A) alta resistencia térmica 4.55.- D) - 196 oC 4.56.- A) cristal líquido 4.57.- A) tetrafluoruro de vinilo 4.58.- C) N, P, K 4.59.- D) del aire 4.60.- D) carbono y oxígeno 4.61.- C) quema excesiva de combustibles fósiles 4.62.- B) NH41+, NO314.63.- A) NOx 4.64.- B) hay tormentas eléctricas seguidas de lluvia 4.65.- C) 6.0 – 6.7 4.66.- D) inadecuado para los cultivos 4.67.- A) aluminio 4.68.- D) papel 4.69.- B) reducir, reutilizar, reciclar
BIBLIOGRAFÍA Garritz, A., Chamizo, J.A. (1994) Química. Addison-Wesley Iberoamericana. México Hill,J., Kolb,D.(1999) Química para el nuevo milenio. Pearson. México Lewis,L., Waller, G. (1995) Química razonada. Editorial Trillas. México Mertz, E. (1971) Bioquímica. Publicaciones Cultural S.A. México Velasco, J.M. et al. (2000) Geología. Editorial Edites S.A. España Zumdahl,S. (1992) Fundamentos de Química.McGrawHill. México
www.lentech.com/espanolciclo-nitrogeno Harrison John Arthur, Ph.D. De Microbios y de Hombres. El Ciclo del Nitrógeno platea.pntic.mec.es/~cmarti3/CTMA/BIOSFERA/p.htm
www.peruecologico.com.pe/lib_c2_t10.htm
www.elergonomista.com/biologia/cicloo.htm
platea.pntic.mec.es/~cmarti3/CTMA/BIOSFERA/s.htm
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UNIDAD 5 ALIMENTOS, COMBUSTIBLE PARA LA VIDA Propósitos de la unidad: 1. Identificar en el organismo humano los minerales y vitaminas requeridos y su función, mediante investigación bibliográfica o experimental. 2. Identificar experimentalmente la presencia de algunos minerales y vitaminas en diversos alimentos. 3. Reconocer los carbohidratos, lípidos y proteínas con base en su estructura y grupos funcionales, identificándolos en la alimentación cotidiana. 4. Conocer diversos métodos en la conservación de alimentos.
Combustibles para la vida Carencia y exceso
Alimentos Minerales
Métodos de conservación
Fuente de
Macrominerales Biomoléculas
Proteínas
Minerales traza
Lípidos Carbohidratos
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Introducción Una vez que los conceptos fundamentales de la química se han revisado en las cuatro unidades anteriores, en esta quinta unidad se aplican dichos conceptos para comprender desde un punto de vista químico, biológico y social, lo que sucede con los alimentos que ingerimos. Existe la necesidad de buscar y utilizar métodos de conservación de alimentos, reconocer la presencia de algunos minerales y vitaminas en ellos, así como tener las bases químicas para entender la química de las biomoléculas. Se comienza con un análisis acerca de la carencia y exceso de los alimentos, haciendo referencia a las diversas situaciones de consumo alimenticio en los países desarrollados y subdesarrollados. Posteriormente se hace un estudio acerca de los minerales contenidos en los alimentos y su importancia en los seres humanos, clasificándolos en macrominerales y minerales traza de acuerdo a las cantidades presentes en los organismos. Una vez que se han estudiado los minerales, viene el estudio de las biomoléculas (carbohidratos, lípidos, proteínas y vitaminas), el cual consiste en reconocer los grupos funcionales presentes en dichas biomoléculas, su origen y su función en los organismos. La unidad termina con los métodos de conservación de alimentos. Se presentan los diferentes métodos existentes en la tecnología de alimentos, sus características, importancia y las ventajas que presentan unos respecto a los otros.
5.1 Elementos esenciales para la vida 5.1.1. Tragedia de la riqueza y de la pobreza; exceso y carencia de alimentos. En la mayoría de las culturas, las dietas con alguna nutrición equilibrada, se desarrollaron históricamente de manera natural de acuerdo a los recursos existentes en cada región. Las personas que no ingieren los nutrientes adecuados, tienen poco combustible que quemar, por lo cual entran en un estado de desnutrición, siendo más común en los países en vías de desarrollo, ya que a causa de la pobreza, no es posible tener buenos sembradíos, ni ganadería y pesca adecuadas. Cuando una persona no come lo suficiente, el cuerpo intentará satisfacer sus necesidades energéticas consumiendo las grasas corporales; si la desnutrición persiste, se comenzará a obtener energía de las proteínas estructurales de los tejidos del cuerpo y los órganos comenzarán a funcionar mal. Los más afectados por la desnutrición son los niños, ya que ellos requieren mayor cantidad de energía, pues la utilizan en el proceso de crecimiento. En los países más industrializados aunque hay abundancia de alimentos, muchos de ellos no contienen los requerimientos energéticos necesarios para el buen aprovechamiento y cuando no se eligen adecuadamente los alimentos, se presenta una mala nutrición.
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Autoevaluación 5.1. La desnutrición causa una tasa de muerte mayor en: A) hombres. B) mujeres. C) niños.
D) ancianos.
5.2. Los requerimientos energéticos en una persona con estado de desnutrición se tomarán primero de: A) grasas. B) proteínas. C) minerales. D) carbohidratos.
5.1.2. Sales minerales de: Na, K, Ca, P, S, Cl. Los minerales son importantes en nuestra dieta y de acuerdo a sus propiedades, algunos pasan a formar parte de las moléculas estructurales del cuerpo, otros ayudan a las enzimas a hacer su trabajo y algunos más, contribuyen a mantener la salud de dientes, huesos y órganos. Las sales de los elementos Na, K, Ca, P, S, Cl son denominados macrominerales. Una dieta que incluya estos minerales reducirá el riesgo de desarrollar osteoporosis, males cardiacos, deficiencias nerviosas, dolores de cabeza, mala memoria, entre otros padecimientos. A continuación se incluye una tabla con los macrominerales, los alimentos que los contienen y su función en el organismo.
Mineral Na+
Función Regulación y control de los líquidos corporales.
K +
Regulación de líquidos corporales y funciones celulares.
Ca P
S Cl-
Catión principal de los huesos, aísla los músculos. Presente en los lípidos de las células nerviosas, proporciona la energía para llevar a cabo las reacciones químicas en forma de ATP. Forma parte de las proteínas. Los compuestos azufrados (mercaptanos y tioles) son potentes agentes antioxidantes. Jugo gástrico, regulación de los líquidos corporales.
Fuente Sal, mariscos, carne, hongos, apio y otras verduras. Plátano, jugo de naranja, leche descremada, ciruelas pasas y carne. Leche, queso, mantequilla, carne y algunos vegetales. Pescado, mariscos, verduras y frutas. Ajo, cebolla, brócoli, coliflor, col, carne, leche, huevo. Sal, mariscos y carne.
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Autoevaluación 5.3. Una fuente importante de potasio es: A) leche. B) pescado. C) tortilla.
D) plátano.
5.4. El raquitismo en niños y la osteoporosis en adultos es debido a una deficiencia en: A) cloro. B) magnesio. C) potasio. D) calcio.
5.1.3. Trazas de minerales: Mn, Fe, I, F, Co y Zn A las sales de Mn, Fe, I, F, Co y Zn se les denomina minerales traza y están en cantidades relativamente pequeñas, menos de cinco gramos en un adulto promedio (60 – 70 Kg); no obstante, son tan importantes como los macrominerales; por ejemplo, la glándula tiroides necesita una minúscula cantidad de yodo (millonésimas de gramo) para producir la hormona tiroxina. El hierro es importante para la formación de hemoglobina, el manganeso es necesario para la generación de colágeno y reforzamiento de huesos; el flúor es necesario para la formación de los dientes y la retención del calcio en los huesos, con el cobalto se previene la anemia y el zinc es indispensable en el metabolismo de los aminoácidos. Autoevaluación 5.5. El elemento importante en el transporte de oxígeno en la sangre es: A) hierro. B) manganeso. C) yodo. D) cobalto. 5.6. Elemento importante para el buen funcionamiento de la tiroides es el: A) cobre. B) selenio. C) níquel. D) yodo. 5.7. Las sales de estos elementos son ejemplos de minerales traza: A) S y Ca B) Fe y Zn C) P y Mg D) Na y K
5.1.4. Vitaminas Las vitaminas son biomoléculas necesarias en cantidades reducidas para el crecimiento, la reproducción, la salud y la vida. Las vitaminas suelen clasificarse en: a) liposolubles, las que se disuelven en grasas. Ejemplos: vitaminas A, D, E, K y retinol. b) hidrosolubles, las que se disuelven en agua. Ejemplos: complejo B, ácido fólico, vitamina C y ácido pantoténico.
Autoevaluación 5.8. Un ejemplo de vitamina liposoluble es: A) retinol. B) cobalamina. C) niacina.
D) tiamina.
5.9. La vitamina C o ácido ascórbico se encuentra principalmente en: A) carnes. B) pollo. C) cítricos. D) hígado.
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5.2 Fuentes de energía y material estructural 5.2.1. Energéticos de la vida: carbohidratos, estructura y grupos funcionales. Los carbohidratos son compuestos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno. Por su estructura química se considera que son polialcoholes que pueden contener el grupo aldehído (R-CH=O) llamados aldosas, o el grupo funcional cetona (R 1-CO.- R 2) llamados cetosas. Los carbohidratos más simples se llaman monosacáridos, ejemplos de ellos son: glucosa, fructosa, ribosa. Cuando dos monosacáridos se unen, forman un disacárido, por ejemplo la sacarosa y la lactosa. La unión de muchas moléculas de monosacáridos da origen a polímeros llamados polisacáridos, por ejemplo, almidón (reserva energética en vegetales), glucógeno (reserva energética en animales) y celulosa (estructura de los vegetales). Los carbohidratos presentan la energía de disposición inmediata, considerando que un gramo de carbohidrato proporciona 4 calorías de energía.
Autoevaluación 5.10. Un ejemplo de monosacárido es: A) glucosa. B) lactosa.
C) sacarosa.
5.11. El polímero de reserva energética en los vegetales es: A) glucógeno. B) almidón. C) amilasa.
D) quitina. D) celulosa.
5.2.2. Almacén de energía: lípidos, estructura y grupos funcionales. Los lípidos suelen llamarse también grasas y son parte significativa de nuestra dieta. Están presentes en la carne, pescado, aves, productos lácteos, granos, semillas, aderezos para ensaladas y aceites. Al igual que los carbohidratos, los lípidos se componen de carbono, hidrógeno y oxígeno, pero contienen menos oxígeno que los carbohidratos y mayor energía almacenada. Un gramo de lípidos proporciona más del doble de energía que uno de carbohidratos. Son de naturaleza no polar y por tanto, insolubles en agua. La estructura de los lípidos es variable, pero un ejemplo típico, es el resultado de la condensación de la glicerina con tres moléculas de ácidos grasos para la obtención de un triglicérido (esterificación). Entre los grupos funcionales más característicos de los lípidos se encuentran: ésteres (R 1 –CO.O-R 2), alcoholes (R –OH), aminas (R-NH2) y amidas (R-CO.NH2)
Autoevaluación 5.12. Un triglicérido es un ejemplo de lípido formado por la condensación de tres moléculas de ácido graso y una de: A) aldehído. B) acetona. C) glicerina. D) anilina. 5.13. Grupo de sustancias que proporcionan por gramo más del doble de energía que los carbohidratos: A) lípidos. B) proteínas. C) vitaminas. D) minerales.
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5.2.3. Proteínas, estructura y grupos funcionales. Las proteínas son polímeros de aminoácidos constituidos por C, H, O, N y S. Las moléculas de proteínas, en comparación con las de carbohidratos y lípidos, son de mucho mayor tamaño. Poseen diversos grupos funcionales debido a la variedad de aminoácidos. Las proteínas cumplen una diversidad de funciones: constituyen la estructura de membranas, cartílagos y tejido conectivo, transportan el oxígeno en la sangre y músculos, dirigen reacciones biológicas en forma de enzimas, defienden al organismo contra infecciones y controlan los procesos metabólicos actuando como hormonas, inclusive pueden utilizarse como fuentes de energía. Son fuente de proteínas, el pescado, la leche, los huevos, la carne, así como diferentes tipos de frijol, garbanzos, soya y arroz.
Autoevaluación 5.14. Una fuente importante de proteínas es: A) jitomate. B) aceite. C) leche.
D) maíz.
5.15. Constituyen la estructura de membranas celulares, cartílagos y tejido conectivo: A) lípidos. B) carbohidratos. C) vitaminas. D) proteínas.
5.2.4. Requerimientos nutricionales PARA PROFUNDIZAR EN ESTE TEMA CONSULTA EL CD ADJUNTO A ESTA GUÍA
En general se llaman biomoléculas a los carbohidratos, lípidos, proteínas, vitaminas, minerales y agua; para que el organismo pueda tener un buen funcionamiento, es necesario ingerir una dieta balanceada, que incluya los seis tipos de biomoléculas mencionadas en las cantidades adecuadas. Cuando alguno de estos grupos escasea se presentan enfermedades y diferentes trastornos.
Autoevaluación 5.16. Una dieta balanceada incluye: A) malteada, papas fritas, hamburguesa y helado. B) pechuga de pollo, pan, papas, refresco y helado. C) sopa de verduras, agua, atún con arroz, tortilla y plátano. D) quesadilla, gordita, pambazo, agua de jamaica y taco.
5.3 Conservación de alimentos 5.3.1. Congelación, calor, desecación, salado, ahumado, edulcorado y al alto vacío Los principales métodos de conservación de alimentos son: congelación, calor, desecación, salado, ahumado, edulcorado y al alto vacío. El objetivo fundamental de estos métodos es evitar la formación de colonias microbianas, en especial la del microorganismo llamado Clostridium botulinum. 108
Métodos de conservación de alimentos y sus características. Método de conservación Aspecto relevante Congelación Se frena el metabolismo bacteriano, con lo cual se evita la reproducción de las bacterias Calor Se destruyen las colonias microbianas debido a la destrucción de paredes celulares y organelos Desecación Se inhibe el desarrollo de microorganismos por la reducción de los niveles de humedad, característicos tanto del tipo de microorganismo como la capacidad del alimento para guardar agua que no está disponible como humedad libre. Salado y edulcorado Se modifica la presión osmótica del medio en que se encuentran los microorganismos con lo que se provoca el estallamiento de las membranas celulares y por tanto, la destrucción de los microorganismos. Ahumado Se provoca la evaporación del agua necesaria para el crecimiento de las colonias microbianas además de proporcionar un sabor característico a los alimentos Alto vacío Se elimina la mayor cantidad de aire con lo cual se evita el crecimiento de los microorganismos aerobios. Autoevaluación 5.17. Método de conservación de alimentos mediante el cual se provoca el estallamiento de las membranas celulares de los microorganismos debido a la modificación de la presión osmótica del medio en que se encuentran. A) Congelación B) Salado C) Ahumado D) Alto vacío 5.18. Método de conservación de alimentos mediante el cual se destruyen paredes celulares y organelos de los microorganismos. A) Congelación B) Salado C) Ahumado D) Calor 5.3.2. Aditivos y conservadores Los aditivos son sustancias que se agregan durante el procesamiento de los alimentos para aumentar el valor nutritivo, el atractivo visual o la facilidad de producción. Entre ellos se encuentran: aglutinantes, blanqueadores, agentes colorantes, emulsificantes, agentes saborizantes, humectantes, leudantes (fermentadores de harinas y de masa) y edulcorantes.
Los conservadores son sustancias que se adicionan a los alimentos para aumentar su tiempo de vida media y de almacenamiento. Entre ellos se encuentran: agentes antioxidantes, antimicóticos y bactericidas. Autoevaluación 5.19. Ejemplo de aditivo de alimentos es un: A) bactericida. B) oxidante.
C) antioxidante.
5.20Ejemplo de conservador de alimentos es un: A) aglutinante. B) blanqueador. C) saborizante.
D) colorante.
D) antimicótico.
109
5.3.4. Cuidemos los alimentos En la actualidad se está abriendo un nuevo campo de estudio con respecto a los alimentos, dicho campo es la biotecnología. Con la biotecnología actualmente se utilizan técnicas de modificación del material genético tanto de vegetales como de animales, con la intención de obtener carne, pescado y legumbres de mejor calidad. Esto da paso a que la demanda de alimentos en la mayoría de los países industrializados esté saneada. Sin embargo, con el empleo de todas estas técnicas se va disminuyendo en algunos casos el valor nutritivo de algunos alimentos así como su aspecto físico. De hecho los pollos y carne que actualmente se consumen en las grandes ciudades contienen hormonas de crecimiento, las verduras y frutas no se pudren rápidamente debido a las técnicas biotecnológicas, sin embargo, el sabor no es bueno. Por otra parte, hay que considerar las grandes cantidades de alimentos que se desperdician por falta de métodos de conservación adecuados y de cultura para consumirlos adecuadamente y falta de políticas y legislación para prevenir esto. Lo anterior nos pone a reflexionar acerca del cuidado que debemos de tener con los alimentos, creando métodos que nos ayuden a conservarlos sin que se pierdan sus propiedades y generen efectos mutagénicos.
RESPUESTAS 5.1 C) niños 5.2 A) grasas. 5.3 D) plátano. 5.4 D) calcio. 5.5 A) hierro. 5.6 D) yodo. 5.7 B) Fe y Se 5.8 A) retinol. 5.9 C) cítricos. 5.10 A) glucosa. 5.11 B) almidón. 5.12 C) glicerina. 5.13 A) lípidos. 5.14 C) leche. 5.15 D) proteínas. 5.16 C) sopa de verduras, agua, atún con arroz, tortilla y plátano 5.17 B) Salado 5.18 D) Calor 5.19 D) colorante. 5.20 D) antimicótico. Bibliografía Adrian, J. ( 1990). La ciencia de los alimentos. Acribia, España. Badui, S. (1997). Diccionario de tecnología de alimentos. Alambra, México. Chang, R. (2002). Química. Mc Graw Hill, Colombia. Fachmann, W. (1989). Food composition and nutrition tables. Speyer, Germany. 110
1 H 1.0079
Tabla periódica de los elementos Grupo
1
2
I
II
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Z = número atómico A= masa atómica
13
14
15
16
17
18
III
IV
V
VI
VII
VIII
Periodo 1 2 3 4 5 6 7
1
2
H
He
1.0079
4.0026
3
4
5
6
7
8
9
10
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
6.941
10.811
12.011
14.007
15.999
18.998
20.180
11
12
13
14
15
16
17
18
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
22.990
24.305
26.982
28.086
30.974
32.065
35.453
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
39.948
39.098
40.078
44.956
47.867
50.942
51.996
54.938
55.845
58.933
58.693
63.546
65.38
69.723
72.64
74.922
78.96
79.904
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
85.468
87.62
55
56
Cs
Ba
132.91
137.33
87
88
Fr
Ra
-
La 150.36 Lantánidos 0.36* La 150.36 La 150.36 Actínidos La 150.3
9.0122
**
-
88.906 57-71
* 89-103
**
83.798
91.224
92.906
95.96
-
101.07
102.91
106.42
107.87
112.41
114.82
118.71
121.76
127.60
126.90
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
178.49
180.95
183.84
104
105
106
107
Rf
Db
Sg
Bh
-
-
-
186.21
-
190.23
192.22
195.08
108
109
110
Hs
Mt
Ds
-
-
196.97
200.59
204.38
207.2
208.98
-
-
131.29
-
-
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
138.91
140.12
140.91
144.24
-
150.36
151.96
157.25
158.93
162.50
164.93
167.26
168.93
173.05
174.97
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr
-
232.04
231.04
238.03
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
111
2.20 H
Tabla de electronegatividad Grupo
1 I
2 II
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13 III
14 IV
Electronegatividad Símbolo
15 V
16 VI
17 VII
18 VIII
Período
1 2 3 4 5 6 7
2.20 H 0.98 Li 0.93 Na
He
1.57 2.04 Be B 1.31 1.61 Mg Al 1.00 0.82 1.36 1.54 1.63 1.66 1.55 1.83 1.88 1.91 1.90 1.65 1.81 Ca K Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga
2.55 3.04 3.44 3.98 C N O F Ne 1.90 2.19 2.58 3.16 Si P S Cl Ar
0.82 Rb 0.79 Cs 0.70 Fr
1.78 In 2.04 Tl
1.96 Sn 2.33 Pb
2.05 2.10 2.66 Sb Te I Xe 2.02 2.00 2.20 Bi Po At Rn
1.22 Dy 1.30 Cf
1.23 Ho 1.30 Es
1.24 Er 1.30 Fm
0.95 1.22 1.33 1.60 2.16 1.90 2.20 2.28 2.20 1.93 1.69 Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd 0.89 1.30 1.50 2.36 1.90 2.20 2.20 2.28 2.54 2.00 * Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg 0.89 ** Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds
Lantánidos * Actínidos ** 112
1.1 La 1.10 Ac
1.12 Ce 1.30 Th
1.13 1.14 1.13 1.17 1.20 Pr Nd Pm Sm Eu 1.50 1.38 1.36 1.28 1.30 Pa U Np Pu Am
1.20 Gd 1.30 Cm
1.20 Tb 1.30 Bk
2.01 2.18 2.55 2.96 Ge As Se Br Kr
1.25 Tm 1.30 Md
1.10 Yb 1.30 No
1.27 Lu 1.30 Lr
