Física y Química 3 ESO AVANZA
El libro Física y Química AVANZA para 3.º de ESO es una obra colectiva concebida, diseñada y creada en el departamento de Ediciones Educativas de Santillana Educación, S. L., dirigido por Enrique Juan Redal. En su realización ha participado el siguiente equipo: María del Carmen Vidal Fernández Fernando de Prada P. de Azpeitia José Luis de Luis García Rocío Pichardo Gómez ASESOR
Rafael García Molina ADAPTACIÓN PEDAGÓGICA
Miguel Ángel Madrid Rangel EDICIÓN
Raúl Carreras Soriano EDITOR EJECUTIVO
David Sánchez Gómez DIRECCIÓN DEL PROYECTO
Domingo Sánchez Figueroa
Las actividades de este libro deben ser realizadas por el alumno en un cuaderno. En ningún caso deben realizarse en el mismo libro.
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Índice
1
La ciencia: la materia y su medida
1. La ciencia: la materia y su medida......................... 5
En esta fotografía se mide la cantidad de combustible y la velocidad.
¿Qué indicador crees que es más exacto?
1. La materia y sus propiedades...................................................... 6 2. La medida.................................................................................... 8 3. Ordenación y clasificación de datos........................................... 14 4. Normas de seguridad en el laboratorio...................................... 16
EXPERIMENTA Y PIENSA: medir el volumen 1
2
3
¿Serías capaz de medir el volumen de una diminuta bola de plomo?
¿Qué ha ocurrido con el nivel de agua en la probeta?
Necesitas una probeta graduada con un poco de agua.
Te proponemos una forma muy fácil.
Pero debes tener un poco de paciencia y contar las bolitas…
5
2
La materia: estados físicos
2. La materia: estados físicos....................................... 19
Las bajas temperaturas que existen a la altura a la que vuela el avión provocan que el vapor de agua que sale al exterior se congele rápidamente, formando pequeños cristales de hielo.
1. Los tres estados de la materia..................................................... 2. La teoría cinética y los estados de la materia.............................. 3. Leyes de los gases........................................................................ 4. Los cambios de estado................................................................
¿Por qué los aviones dejan estela?
EXPERIMENTA Y PIENSA: realizar un termómetro de manos -Tengo las manos heladas. -Seguro que yo las tengo más heladas que tú. -¿Lo medimos? -Pero… ¿cómo podemos medir esta sensación?
1
2
20 22 24 30
Realicemos un termómetro de manos Es fácil. En un matraz introducimos una sustancia con bajo punto de ebullición (alcohol o éter), lo tapamos y atravesamos el tapón con un fino tubo. ¿Qué ocurre si la mano de tu compañero está más caliente? ¿Y si está más fría? ¿Y si ponemos las dos manos sobre el matraz?
3
La explicación es que, al poner la mano en el matraz, damos calor al líquido. Este se dilata y asciende por el tubo.
19
La materia: cómo se presenta
3. La materia: cómo se presenta................................. 35
El monte Etna, situado en Sicilia (Italia), es el volcán más grande de Europa. Esta erupción es del 24 de noviembre de 2006.
1. La materia: sustancias puras y mezclas....................................... 2. Mezclas homogéneas: disoluciones............................................ 3. La solubilidad.............................................................................. 4. Métodos de separación de mezclas homogéneas........................ 5. Métodos de separación de mezclas heterogéneas....................... 6. Teoría atómico-molecular de Dalton..........................................
¿En qué estados se presenta la materia en un volcán?
EXPERIMENTA Y PIENSA: la materia Te proponemos un juego. Echa en un matraz aceite. ¿Cómo sacarías el aceite sin tocar el matraz, sin moverlo del sitio…?
1
2
3
4
36 38 42 44 46 48
¿En qué propiedad de la materia nos hemos basado para realizar esta experiencia?
35
4
La materia: propiedades eléctricas y el átomo
4. La materia: propiedades eléctricas y el átomo.... 51 1. Fenómenos eléctricos: electrostática.......................................... 2. Las partículas que forman el átomo............................................ 3. Modelos atómicos....................................................................... 4. ¿Qué caracteriza a los átomos?................................................... 5. Radiactividad...............................................................................
En la fotografía se muestran átomos de silicio (Si). ¿Cómo crees que se ha obtenido esta imagen?
EXPERIMENTA Y PIENSA: ¿cómo separarías la sal de la pimienta? 1
2
52 54 56 58 62
¿Serías capaz de separarlas sin tocarlas, solo con una varilla de vidrio y un pañuelo de seda…? Observa las fotografías: ¿qué propiedad de la materia hemos utilizado?
51
2
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5
Elementos y compuestos químicos
5. Elementos y compuestos químicos...................... 65 1. Los elementos químicos.............................................................. 66 2. El sistema periódico de los elementos........................................ 68 3. Los elementos químicos más comunes...................................... 70 4. Cómo se presentan los elementos: átomos, moléculas
Los colores de esta nebulosa son debidos a los diferentes elementos químicos que la forman; el color azul se debe a la presencia de helio, el verde, al oxígeno, y el rojo, al nitrógeno. ¿Qué importancia tiene entonces el estudio de los colores de los astros?
EXPERIMENTA Y PIENSA: compuestos y elementos Introducimos un clavo de hierro (Fe) en una disolución de sulfato de cobre (CuSO4). Pasados unos minutos, el cobre de la disolución se ha depositado en el clavo.
1
y cristales..................................................................................... 72
2
Fe
5. Los compuestos químicos más comunes.................................... 74 6. El sistema periódico con imágenes............................................. 76
CuSO4
● ¿Qué sustancia es un compuesto? ● ¿Y cuál está formada por un solo elemento?
65
6
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Cambios químicos
6. Cambios químicos.................................................... 79
La cabeza de la cerilla contiene fósforo rojo. Al frotarla sobre el rascador, este se transforma en fósforo blanco que se inflama instantáneamente.
1. Cambios físicos y químicos......................................................... 2. Las reacciones químicas.............................................................. 3. Masa molecular y mol................................................................. 4. La ecuación química................................................................... 5. Cálculos en las reacciones químicas...........................................
¿A qué crees que se debe el olor que se desprende al encender la cerilla?
EXPERIMENTA Y PIENSA: la serpiente del faraón Con azúcar y bicarbonato realizamos esta experiencia que se denomina la serpiente del faraón. Cuenta la leyenda que la hacían los brujos callejeros en los mercados. ¿Qué crees que sucede? ¿Se produce un cambio físico o químico? Cilindro de cartón
1
2
3
Arena
● Lo colocamos;
● le prendemos fuego…
80 82 84 86 92
● … y ¡aparece la serpiente!
79
7
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Química en acción
7. Química en acción.................................................... 95
Gracias a las pilas disponemos de energía eléctrica transportable.
1. Reacciones químicas de interés.................................................. 96 2. La química y el medio ambiente................................................. 98 3. La química en la sociedad actual................................................ 102
¿Por qué crees que se agotan las pilas? ¿Qué es lo que ocurre en su interior?
EXPERIMENTA Y PIENSA: cambio de color La lombarda es un indicador ácido-base perfecto. Hemos agitado unos trocitos en un poco de agua y mira qué color morado tan bonito. Pero al soplar…, ¡cambia de color!
1
2
● ¿Qué crees que ha pasado? ● ¿Qué tipo de reacción
se ha producido?
95
8
La electricidad
8. La electricidad............................................................ 105 1. Movimiento de cargas eléctricas................................................. 106 2. La corriente eléctrica................................................................... 108 3. Magnitudes eléctricas.................................................................. 110 4. Ley de Ohm................................................................................. 112 5. Efectos de la electricidad............................................................. 114 6. Energía y potencia eléctricas....................................................... 118 7. La electricidad en casa................................................................ 120
Las líneas de alta tensión transportan la electricidad. ¿En qué cambiaría tu vida si no existiese la electricidad?
EXPERIMENTA Y PIENSA: efecto Joule Hay un efecto de la corriente eléctrica que es fundamental en las aplicaciones de la electricidad. Se denomina efecto Joule en honor a su descubridor, James P. Joule.
1
2
¡B
OOM
!
Observa lo que ocurre en el circuito, a ver si puedes enunciar lo que dijo Joule en el año 1840.
105
Anexos............................................................................ 123 Anexo I. Sistema Internacional de unidades............................. 124 Anexo II. Normas de seguridad en el laboratorio. Material básico en un laboratorio................................126
Anexos I. Sistema Internacional de unidades
Anexo III. Cambios físicos y químicos en el laboratorio............. 130
II. Normas de seguridad en el laboratorio. Material básico en un laboratorio III. Cambios físicos y químicos en el laboratorio
Anexo IV. Sistema periódico de los elementos............................ 132
IV. Sistema periódico de los elementos V. Formulación
Anexo V. Formulación................................................................ 132
VI. Grandes científicos
Anexo VI. Grandes científicos...................................................... 140 123
3
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Esquema de la unidad Página de introducción a la unidad
2
Número y título de la unidad. Pie de foto. Explicación de la fotografía con preguntas relacionadas con algún aspecto de esta.
La materia: estados físicos
Las bajas temperaturas que existen a la altura a la que vuela el avión provocan que el vapor de agua que sale al exterior se congele rápidamente, formando pequeños cristales de hielo. ¿Por qué los aviones dejan estela?
EXPERIMENTA Y PIENSA: realizar un termómetro de manos 1
-Tengo las manos heladas. -Seguro que yo las tengo más heladas que tú. -¿Lo medimos? -Pero… ¿cómo podemos medir esta sensación?
2
Realicemos un termómetro de manos Es fácil. En un matraz introducimos una sustancia con bajo punto de ebullición (alcohol o éter), lo tapamos y atravesamos el tapón con un fino tubo. ¿Qué ocurre si la mano de tu compañero está más caliente? ¿Y si está más fría?
La explicación es que, al poner la mano en el matraz, damos calor al líquido. Este se dilata y asciende por el tubo.
¿Y si ponemos las dos manos sobre el matraz?
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Páginas de desarrollo de los contenidos Destacados. Los contenidos fundamentales aparecen destacados sobre fondo de color.
2
Actividades
La teoría cinética y los estados de la materia
6. Señala si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:
Para explicar los distintos estados de la materia, sus propiedades y los cambios de estado, los científicos idearon la teoría cinética.
RECUERDA La densidad de un cuerpo es la cantidad de materia que tiene en relación con el espacio que ocupa. Cuando decimos que un sólido es más denso que un líquido estamos diciendo que, en el mismo volumen, el sólido tiene mayor cantidad de materia (partículas) que el líquido.
Según la teoría cinética: • La materia (sólidos, líquidos y gases) está formada por pequeñas partículas en continuo movimiento. Entre las partículas hay vacío. • Las partículas se mueven más o menos libremente dependiendo del estado. • Cuando las partículas se mueven más rápidamente, es porque la temperatura es mayor.
Los tres estados de la materia según la teoría cinética Sólido
Ilustraciones. Todas trabajan y refuerzan la comprensión de los contenidos desarrollados en la unidad, las gráficas son muy claras y, para que sean fácilmente reproducibles, están realizadas con la misma cuadrícula del cuaderno de trabajo.
Líquido
Experimenta y piensa. En esta sección se plantean sencillas y curiosas experiencias que servirán como punto de partida para entender lo que se va a estudiar en la unidad.
V
F Los sólidos, como los gases, tienen forma propia.
V
F En los líquidos las partículas se mueven libremente; por eso ocupan todo el espacio disponible y no tienen volumen ni forma fijos.
V
F Las partículas que constituyen los sólidos son capaces de vibrar un poco, pero no pueden desplazarse.
V
F La expansión de un gas consiste en el aumento de la distancia entre sus partículas para ocupar un volumen mayor.
V
F La compresión de un gas consiste en el aumento de la distancia entre sus partículas para ocupar un volumen menor.
V
F En los gases las partículas se mueven con más libertad que en los líquidos y en los sólidos.
Gas
11. Colocamos un balón de goma a la intemperie durante varios días. Al observar el balón podemos ver que está deformado, hinchado o deshinchado según sea de día o de noche. a) ¿Qué crees que ha ocurrido? b) ¿Cómo lo explica la teoría cinética? 12. A partir de la teoría cinética, explica por qué para licuar un gas (transformarlo en líquido) se debe bajar la temperatura. a) Porque así las partículas tienen más libertad para moverse por todo el recipiente. b) Porque así las partículas se mueven más despacio y tienen menos libertad.
Actividades. Para practicar y reforzar el aprendizaje de los contenidos.
c) Porque así las partículas vibran más. d) Porque así hace más calor. 13. La densidad de una misma sustancia en estado sólido, ¿es siempre mayor que en estado líquido? ¿Por qué?
7. Utiliza la teoría cinética para explicar por qué razón los sólidos no se pueden comprimir.
14. Explica, basándote en la teoría cinética, por qué aumenta la fluidez de la miel al calentarla.
8. Según la teoría cinética, ¿por qué pueden moverse los líquidos y los gases fácilmente de un recipiente a otro? En los sólidos las partículas están fuertemente unidas y muy juntas. Al moverse no cambian de posición; solo pueden vibrar en torno a esas posiciones fijas. Por eso se mantiene la forma y el volumen.
Las partículas de los líquidos están menos unidas, más separadas y menos ordenadas que las de los sólidos. Pueden desplazarse unas sobre otras, lo que permite a los líquidos adaptarse a cualquier forma.
Las partículas de los gases no están unidas; existen grandes espacios vacíos entre ellas y se pueden mover libremente. Por eso los gases no tienen forma propia y ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene.
La densidad de los sólidos es mayor que la de los líquidos o los gases, pues sus partículas se encuentran muy próximas y ocupan poco volumen.
La densidad de los líquidos es menor que la de los sólidos porque las partículas están menos agrupadas y ocupan más volumen.
Los gases presentan la menor densidad, ya que sus partículas están más separadas ocupando el volumen máximo.
3
La presión que ejercen los gases es el Leyes de los gases resultado de los continuos choques de paredes estudiaron del relos siglos sus XVIIpartículas , XVIII y XIXsobre varioslascientíficos el comportalas partículas puede aumentar que contiene las el gas. miento de loscipiente gases y establecieron leyes de los gases. B para ocupar un volumen mayor Entre las partículas del gas las fuerzas son o disminuir para ocupar un volumen poco intensas; de ahí que se mue3.1 Ley demuy Boyle-Mariotte menor. van con total libertad. En un globo, por Por ello los gases, al contrario Robert Boyle y Edmé Mariotte estudiaron cómo variaba la presión de ejemplo, esto hace que las partículas del C y líquidos, que los sólidos un gas al modificar el volumen manteniendo la temperatura constante. gas choquen continuamente con las pase pueden expandir y comprimir. Observa el dibujo delglobo. cilindro con un émbolo en cuyo interior hay redes del un gas. • La temperatura es la misma en los tres recipientes. 24 • En el recipiente A el volumen es mayor. Las partículas están más separadas unas de otras y chocan con menor frecuencia con las paredes del recipiente. • En C el volumen es menor. Las partículas chocan más a menudo Al reducir el volumen la presión aumenta contra las paredes del recipiente. Por eso la presión es mayor. A
OBSERVA
Manómetro (indica presión) En Enlalos gases la distancia entre
(si la temperatura se mantiene constante).
Experiencias. Muestran procedimientos sencillos, a veces caseros, para comprender y completar el estudio de los conceptos.
La temperatura permanece constante en toda la experiencia. En la tabla de la izquierda se muestran los resultados de la experiencia. Con ellos construimos la gráfica. P (atm)
V (L)
P (atm)
P $ V
30
0,5
15
5,0
15
1,0
…
4,5 4,0 3,5
10
1,5
…
7,5
2,0
…
6,0
2,5
…
5,0
3,0
…
3,0
5,0
…
Calcula el producto de la presión por el volumen en cada medición y comprobarás que es constante.
Identifica variables inversamente proporcionales Dos variables son inversamente proporcionales cuando al aumentar una de ellas la otra disminuye y, además, se mantiene constante el producto entre los respectivos valores de las variables. En la experiencia de Boyle y Mariotte la presión y el volumen son inversamente proporcionales.
b) Porque las partículas vibran ligeramente. c) Porque las partículas tienen cierta libertad para moverse. d) Porque su densidad es muy baja. 9. ¿Por qué crees que un líquido, como el agua, puede adoptar la forma del recipiente que lo contiene?
Actividades
Todo lo que está multiplicando a la incógnita en un d) Porque líquido pueden dilatarse c) Cuando aumenta la temperatura de un gas, lado de la ecuación pasa al las otropartículas lado de ladel ecuación 1. Si puedes, utiliza papel cuadriculado. aumenta la velocidad / densidad de sus partículas. dividiendo. Observa:con facilidad. 2. Dibuja un sistema de ejes cartesianos. 6 d) Al aumentar la energía cinética, las partículas 3?x=6"x= 3. Elige un eje para cada variable. Pon, al final 3 en un recipiente que ya contiene 10. Si introducimos aire chocan con más frecuencia sobre del mismo, la letra que identifica la variable gas, ¿aumentará o disminuirá Todo lo que está otro dividiendo a la incógnita en un lado la depresión? las paredes del recipiente, aumentando y, entre paréntesis, su unidad. Por ejemplo, P (atm) la ecuación pasaExplica al otro lado multiplicando: su volumen / temperatura. tu respuesta. o V (L). x =4"x=4?3 4. Haz la escala para cada uno de los ejes. 3 Ten presente que tienes que poder representar 25 todos los valores de esa variable. Así, ten en cuenta cuáles son los valores mínimo y máximo de cada magnitud que se representará en la gráfica. 3. EJERCICIO RESUELTO
0
5
10
15
20
25
30
V (L)
6. Representa los puntos de cada pareja de datos de la tabla.
P1 ? V1 = P2 ? V2
7. Dibuja la línea que mejor se ajuste a los puntos. Recuerda que dicha línea no tiene que pasar necesariamente por todos y cada uno de los puntos representados.
Del enunciado del problema conocemos V1 (6 L), P1 (1,5 atm) y P2 (2 atm). A continuación tenemos que despejar V2 de la ecuación. Para ello pasamos P2 al otro lado de la ecuación. Como está multiplicando, pasará dividiendo:
8. También puedes emplear una hoja de cálculo para elaborar las tablas y dibujar las gráficas de manera automática.
19. Comprueba si los valores de la siguiente tabla tomados a temperatura constante cumplen la ley de Boyle-Mariotte.
La experiencia realizada es igual para todos los gases. Podemos sacar las siguientes conclusiones: • A mayor volumen, menor presión. Cuando disminuye el volumen, aumenta la presión. • Las variables P y V son inversamente proporcionales. Matemáticamente podemos expresar la ley de BoyleMariotte así: P ? V = cte. ; P1 ? V1 = P2 ? V2
16. Completa la siguiente tabla aplicando la ley de Boyle-Mariotte. P (atm)
P1 = 1
P2 = 2
V (L)
V1 = 2
V2 =
P3 = V3 = 0,25
Refuerzo de matemáticas Aquí aparecen contenidos matemáticos útiles para entender la unidad.
5. La escala de un eje no tiene por qué coincidir con la escala del otro. Por ejemplo, en el eje de las presiones, 1 cm puede representar 1 atm, mientras que en el eje de los volúmenes 0,5 cm pueden representar 1 L.
6 L de un gas se encuentran a la presión de 1,5 atmósferas. ¿Cuál será el nuevo volumen del gas si aumenta la presión a 2 atmósferas?
Ojo: no olvides nunca poner las unidades al acabar el problema.
1,5 1,0 0,5 0,0
a) Las fuerzas de atracción entre las partículas de los gases son muy intensas / muy débiles.
b) Debido a los grandes espacios que hay entre las partículas de los líquidos.
P1 ? V1 = P2 ? V2 " P1 ? V1 1,5 atm ? 6 L = = 4,5 L " V2 = 2 atm P2
3,0 2,5 2,0
15. Completa las frases relacionadas con la teoría cinética de los gases eligiendo la opción correcta.
a) Porque las partículas que constituyen los líquidos pueden desplazarse unas sobre otras.
Despeja incógnitas en los una ecuación Representa los de una tabla c) Porque líquidos se pueden expandir para ocupar b) datos La temperatura / densidad del gas depende en una gráfica de la rapidez con que se muevan sus partículas. un volumen mayor.
Como la temperatura es constante, empleamos la ley de Boyle-Mariotte:
EXPERIENCIA: Boyle-Mariotte Para hacer un estudio similar al de Boyle-Mariotte necesitamos un dispositivo como el de la figura de arriba. Subiendo o bajando el émbolo variamos el volumen y leemos la presión en el manómetro.
a) Porque las partículas están ocupando posiciones fijas.
P4 = 10 V4 =
17. En un recipiente de 5 L ( V1 ) se introduce gas oxígeno a la presión de 4 atm ( P1 ). ¿Qué presión ejercerá si duplicamos el volumen del recipiente ( V2 = 2 ? V1) sin que varíe su temperatura?
P (atm)
V (L)
0,10
5,00
0,25
2,00
0,50
1,00
0,75
0,67
1,00
0,50
P ? V
a) Fíjate en la tabla de la página 28 y construye una gráfica representando la presión en un eje y el volumen en el otro. ¿Qué forma tiene la gráfica?
Ejercicios resueltos. Paso a paso, para conseguir con éxito la resolución de las actividades propuestas.
b) ¿Cómo es el producto de la presión por el volumen?
18. Una masa de gas ocupa un volumen de 5 L ( V1 ) cuando la presión es de 1 atm ( P1 ). ¿Cuál será el nuevo volumen si la presión aumenta a 2 atm ( P2 ) y la temperatura no cambia?
c) ¿Cuál será la presión si el volumen es 0,1 L? d) ¿Cuál será el volumen del gas si la presión aumenta a 2 atm?
26
27
Resumen de la unidad
Resumen LOS ESTADOS DE LA MATERIA Características de los sólidos, líquidos y gases. Sólidos
Líquidos
Gases
¿Se expanden? ¿Se comprimen? ¿Cambian de forma en función del recipiente que los contiene? Ejemplos
Un resumen muy sencillo y esquemático. Se trata de completar los huecos que quedan en blanco o elegir la opción correcta para comprobar que se ha aprendido lo más importante.
LA TEORÍA CINÉTICA
. Según la teoría __________ toda la materia que nos rodea está formada por pequeñas
SÓLIDO
en continuo movimiento. Entre las partículas existen fuerzas que son más o menos intensas en función del
. En los gases las
físico de la materia. son menos intensas que en los líquidos. Por eso
las partículas de los gases se mueven con mayor
por todo el volumen
disponible en el recipiente.
LÍquIDO
. Cuando calentamos el gas de un recipiente cerrado las partículas se mueven más
y por eso
las partículas se mueven más
la presión del gas. Al enfriar el gas, y la presión
.
LAS LEYES DE LOS GASES
. Cuando la temperatura permanece constante, si aumentamos la presión de un gas el volumen
. GAS
. Cuando el volumen de un gas permanece fijo, al aumentar la temperatura la presión
.
. Si la presión de un gas permanece constante, cuando aumentamos su temperatura, su
aumenta.
LOS CAMBIOS DE ESTADO Nombres de los cambios de estado.
SÓLIDO
LÍQUIDO
GAS
36
4
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1
La ciencia: la materia y su medida
En esta fotografía se mide la cantidad de combustible y la velocidad.
¿Qué indicador crees que es más exacto?
EXPERIMENTA Y PIENSA: medir el volumen 1
2
¿Serías capaz de medir el volumen de una diminuta bola de plomo? Te proponemos una forma muy fácil.
Necesitas una probeta graduada con un poco de agua.
3
¿Qué ha ocurrido con el nivel de agua en la probeta?
Pero debes tener un poco de paciencia y contar las bolitas…
5
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1 NO OLVIDES Cada cuerpo puede estar constituido por distintas clases de materia a las que llamamos sustancias. Por ejemplo, en un lápiz podemos observar fácilmente dos sustancias diferentes: el grafito de la mina y la madera de la cubierta. En el lenguaje habitual suele utilizarse la palabra materiales como sinónimo de sustancia.
La materia y sus propiedades
Todo lo que nos rodea está formado por materia. Si miras a tu al rededor podrás observar que es materia el aire que respiras, el libro que estás leyendo, el lápiz, el agua, las nubes, etc. El ruido del lápiz al caer o el color azul del bolígrafo no son materia. La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un espacio, es decir, tiene volumen.
Las propiedades de la materia son todas aquellas que podemos medir. Se pueden clasificar en generales y específicas.
1.1 Propiedades generales
Madera
Los objetos que te rodean tienen una masa y ocupan un lugar en el espacio, es decir, tienen un volumen. Estas características, la masa y el volumen, son comunes a toda la materia. Las propiedades generales de la materia son comunes a toda la materia. No sirven para diferenciar unas sustancias de otras.
1.2 Propiedades específicas Grafito
Para diferenciar una sustancia de otra es necesario conocer las cuali dades que las caracterizan, como el color, el sabor, el estado físico, etc. Si el color rojo fuese una propiedad general de la materia, todos los cuerpos serían rojos; como no es así, el color rojo es una propiedad específica de la materia.
RECUERDA Cuando decimos que el aceite y el agua son inmiscibles indicamos que no se mezclan.
Las propiedades que permiten distinguir unas sustancias de otras se llaman propiedades específicas. El color, la densidad, la dureza, la solubilidad y la conductividad eléctrica son ejemplos de propiedades características.
Describiremos algunas propiedades específicas. Densidad La densidad es una magnitud que mide la cantidad de masa por unidad de volumen. m d= v Un material muy denso es el plomo, y uno poco denso, el corcho.
Dureza
Solubilidad en agua
Conductividad eléctrica
La dureza de un material determina su resistencia a ser rayado. Un material muy duro es el diamante, y uno muy blando, el talco.
La solubilidad en agua de una sustancia mide la masa de la misma que se puede disolver en 100 g de agua. El azúcar es muy soluble en agua, mientras que el aceite es insoluble e inmiscible.
La conductividad eléctrica de una sustancia mide su capacidad para transmitir una corriente eléctrica. Los metales son buenos conductores de la electricidad, mientras que los plásticos son aislantes.
6
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Actividades 1. Indica razonadamente si las siguientes afirmaciones son verdaderas o faslsas: a) El aire no es materia, pues no tiene masa. b) Todos los cuerpos, ya se encuentren en estado sólido, líquido o gaseoso, tienen masa. c) Una sustancia es un tipo de materia. d) Dos trozos de materia no pueden ocupar el mismo sitio. 2. Indica si los siguientes objetos y elementos son materia:
7. Una muestra de materia tiene una densidad de 1 g/mL y hierve a 100 ºC. Observa la tabla y razona de cuál de los siguientes materiales puede estar hecha la muestra: • Aceite.
• Oro.
• Aire.
• Helio.
• Agua.
Densidad (g/mL)
Temperatura de ebullición (°C)
Helio
0,126
-269
Oro
19,3
2970
Materiales
a) Pelota.
g) Frío.
Agua
1
100
b) Sol.
h) Calefactor.
Aceite
0,6
220
c) Movimiento.
i) Sensibilidad.
Alcohol
0,9
78
d) Oro.
j) Libro.
e) Sillón.
k) Vidrio.
f) Árbol.
l) Roca.
3. ¿A qué llamamos propiedades de la materia? ¿Qué propiedades nos permiten diferenciar unas sustancias de otras?
8. ¿Por qué razón la densidad no es una propiedad general de la materia? 9. ¿Cuál de estas sustancias se disuelve mejor en agua? Arena
Azúcar
4. Señala cuáles de las siguientes propiedades de la materia son generales y cuáles específicas. Organiza tus respuestas en una tabla en tu cuaderno. a) Temperatura.
f) Resistencia.
b) Flexibilidad.
g) Color.
c) Rigidez.
h) Brillo.
d) Volumen.
i) Masa.
e) Transparencia.
j) Punto de ebullición.
Propiedades generales
Propiedades específicas
10. Se dispone de dos bolas de igual tamaño, una de plomo y otra de madera, en sendos vasos de agua. ¿Qué bola tendrá mayor densidad? ¿Cómo lo sabes? 11. Ordena los siguientes objetos en función de la densidad de la materia que los forma. Pelota de tenis Pelota de tenis de mesa Canica
5. La movilidad de la materia ¿es una propiedad general o específica? 6. Una muestra de materia tiene 10 g de masa y se encuentra a 25 ºC. Con estos datos, ¿puedes saber de qué material está constituida la muestra? Razónalo.
12. Disponemos de dos objetos, denominados A y B, de tamaño distinto y hechos de diferentes materiales. ¿Cómo podemos determinar cuál de los dos es menos denso?
7
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2 SABÍAS QUE… De acuerdo con las normas del SI, las letras que designan las unidades se escriben en minúscula, salvo que sean unidades que lleven el nombre de una persona, por ejemplo, J (julio). Los múltiplos y submúltiplos se escriben antes de la letra de la unidad: km (kilómetro), mg (miligramo).
Por ejemplo, ocho metros se escribirá así: 8m Magnitudes fundamentales del SI Unidad
Símbolo
Metro
m
Kilogramo
kg
Segundo
s
Temperatura
Kelvin
K
Cantidad de sustancia
Mol
mol
Intensidad de corriente
Amperio
A
Intensidad luminosa
Candela
Cd
Longitud Masa Tiempo
Prefijos empleados para los múltiplos y submúltiplos de las unidades Factor
Prefijo
Símbolo
9
giga
G
6
mega
M
10 10
3
Piensa en cualquier objeto que tienes cerca. Por ejemplo, el pupitre en el que estás sentado. ¿Cómo lo describirías? Podrías decir cuál es su volumen, su masa, su temperatura, su belleza… Algunas de estas propiedades se pueden medir y otras no. La física y la quími ca estudian aquellas cualidades de la materia que se puedan medir. Medimos la masa con una balanza, el volumen con una probeta, la temperatura con un termómetro, etc.
2.1 Magnitud y unidad
Después del símbolo de una unidad nunca se escribe punto ni se añade una «s» para indicar plural.
Magnitud
La medida
10
kilo
k
102
hecto
h
10
deca
da
10-1
deci
d
10-2
centi
c
-3
10
mili
m
10
-6
micro
n
10-9
nano
n
Una magnitud es cualquier propiedad de la materia que puede ser medida.
Para medir una magnitud primero debemos elegir una unidad adecuada. Por ejemplo, el metro, el centímetro, etc. De la medición resulta un número, llamado cantidad, que representa las veces que la unidad elegida está contenida en la magnitud. Por ejemplo, si medimos la longitud de la clase utilizamos el metro y el resultado lo expresamos así:
Longitud de la clase =
Magnitud
15
m
Cantidad Unidad
2.2 Sistema Internacional de unidades Para realizar la medida de una magnitud disponemos de una gran diversidad de unidades. Por ejemplo, para medir la longitud de la clase podríamos haber utilizado el metro, el centímetro, etc. Pero para poder comparar lo que medimos es importante que utilice mos siempre las mismas unidades. Por eso existe un Sistema Internacional de unidades (SI) que asigna a cada magnitud una unidad de medida. En él hay siete magnitudes denominadas magnitudes fundamentales. La longitud o la masa son magnitudes fundamentales. Las magnitudes obtenidas al combinar las magnitudes fundamentales se denominan magnitudes derivadas. La superficie es un ejemplo de magnitud derivada. La expresamos como el producto de dos lon gitudes: el largo y el ancho. La unidad de la superficie en el SI es el metro cuadrado (m2). A veces las unidades no resultan útiles para medir ciertas magnitudes. Por ejemplo, el metro puede resultar demasiado grande para medir el tamaño de las células y muy pequeño para medir la distancia de la Tie rra al Sol. En estos casos se utilizan los múltiplos y submúltiplos de las unidades, que se nombran con prefijos. Por ejemplo, el kilómetro es múltiplo del metro. Y el gramo es un submúltiplo del kilogramo.
8
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Actividades 13. Razona cuáles de las siguientes características de la materia son magnitudes y cuáles no.
16. Escribe el símbolo y su equivalencia con la unidad del Sistema Internacional.
a) El volumen que ocupa.
Ejemplo: 1 kg = 103 g.
b) El color.
a) Miliamperio.
c) Nanosegundo.
b) Kilolitro.
d) Gigagramo.
c) La temperatura. d) La belleza. e) La fuerza necesaria para arrastrarla.
17. Indica si las siguientes características de una persona se pueden considerar magnitudes físicas:
f) El sabor.
a) La altura.
g) El precio en euros.
b) La simpatía. c) La masa.
Usa la notación científica
d) La belleza.
La notación científica es muy útil para expresar números muy grandes o muy pequeños. Consiste en representar el número como una potencia de diez.
f) La habilidad.
Para expresar un número en notación científica primero identificamos la coma decimal (si la hay) y la desplazamos hacia la izquierda si el número a convertir es mayor de 10, o hacia la derecha si el número es menor que 1. • Siempre que movemos la coma decimal hacia la izquierda el exponente de la potencia de 10 será positivo. • Si lo movemos hacia la derecha el exponente de la potencia de 10 será negativo. Ejemplos: 857,672 = 8,576 72 ? 102 Movemos la coma decimal 2 lugares hacia la izquierda. 0,000 003 = 3 ? 10-6 Movemos la coma decimal 6 lugares hacia la derecha.
14. Escribe estas cantidades usando notación científica. a) 300 000 km/s. b) 0,004 523 kg. d) 0,000 000 000 76 km. 15. Expresa en forma decimal los siguientes números: a) 3,6 ? 10-8
e) 8,567 ? 10-4
c) 9,87 ? 107 d) 6,4 ? 105
f) 10-6
g) La temperatura corporal. 18. Ordena las siguientes longitudes de mayor a menor y asócialas con el ejemplo más adecuado. Longitud
Ejemplo
5 ? 10-3 m
Altura de Pau Gasol
102 m
Radio de la Tierra
107 m
Longitud de una hormiga
2,15 m
Longitud de un campo de fútbol
10-10 m
Diámetro de un átomo
19. Ordena las masas de mayor a menor y asócialas con el ejemplo correspondiente. Masa
Ejemplo
24
10 kg
Un coche de Fórmula 1
70 kg
Un litro de agua
1000 g
Un mosquito
600 kg
El planeta Tierra
1 mg
Una persona
20. Ordena los tiempos de mayor a menor y relaciónalos con el ejemplo correspondiente.
c) 9798,75 cm.
b) 64 ? 105
e) La velocidad.
g) 2,7 ? 10-5 h) 6,789 ? 108
Tiempo
Ejemplo
17
10 s
Récord olímpico de los 100 m
9,58 s
Partido de baloncesto
3
2,4 ? 10 s
Edad del universo
1s
Batido de las alas de un mosquito
10
-3
s
Latido del corazón
9
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2.3 Cambio de unidades y factores de conversión Para poder realizar cambios de unidades de la misma magnitud o calcular las equivalencias entre los múltiplos y submúltiplos de una determinada unidad de medida se utilizan los factores de conversión.
Cómo utilizar la calculadora científica Las operaciones aritméticas se simplifican mucho utilizando la calculadora científica. Uso de la tecla exponencial (EXP) La tecla EXP significa «10 elevado a». • Para calcular: 5 ? 106 debes pulsar: EXP
5
6
• Para calcular 8 ? 10-2 debes pulsar: EXP
8
2
!
(Dependiendo del modelo de calculadora el signo se pone antes o después del exponente.) Utilización de paréntesis Cuando realices varias operaciones enlazadas deberás emplear paréntesis. Para hacer: 6 ? (8 + 2) debes pulsar: 6
#
(
8
+
2
)
=
Un factor de conversión es una fracción con distintas unidades en el numerador y en el denominador, pero que son equivalentes.
Veamos el procedimiento para cambiar de unidades usando factores de conversión: 1. Anota la cantidad que quieres cambiar de unidad.
0,85 nm
2. Escribe a su lado una fracción que contenga esta unidad (nm) y la unidad en la que la quieres convertir (m). Escríbela de manera que se simplifique la unidad de partida (nm).
0,85 nm ?
m nm
3. Al lado de cada una de estas unidades añade la equivalencia con la otra. Recuerda la tabla de prefijos y sufijos de la página 10.
0,85 nm ?
10-9 m = 1 nm
4. Simplifica la unidad inicial y expresa el resultado final.
0,85 nm ?
10-9 m = 0,85 $ 10-9 m 1 nm
1. EJERCICIOS RESUELTOS La película duró 2 horas. Exprésalo en s: 2h ?
¿LO SABÍAS? Los números de más de cuatro cifras se escriben separando las cifras de tres en tres, sin escribir punto. Lo mismo se hace con las cifras decimales. Para separar la parte entera de las cifras decimales se puede utilizar coma o punto.
3600 s = 7200 s 1h
Una estaca mide 2,13 metros. Exprésalo en cm: 2,13 m ?
100 cm = 213 cm 1m
También podemos utilizar los factores de conversión para cambiar uni dades derivadas. En este caso debemos usar un factor para cada unidad que queremos cambiar.
Ejemplos: • 4567 • 12 345 • 1 256 012 325 • 0,0012 • 0,153 025
2. EJERCICIO RESUELTO La velocidad de un coche es 90 km/h. Exprésala en m/s. 90
km 10 3 m 1h m ? ? = 25 s h 1 km 3600 s
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Actividades 25. Ordena de menor a mayor estas magnitudes:
3. EJERCICIO RESUELTO
a) 154,5 cm; 1551 mm; 0,1534 m
Expresa en el Sistema Internacional las velocidades de las pelotas más rápidas en el deporte y ordénalas de menor a mayor: a) Fútbol " 140 km/h. b) Tenis " 67 m/s. c) Béisbol " 155 millas/h. d) Golf " 5,7 km/min. La unidad fundamental de longitud en el SI es el metro. Por tanto, habrá que transformar los kilómetros y las millas a metros a partir de: 1 km = 1000 m; 1 milla = 1,609 km = 1609 m La unidad fundamental de tiempo en el SI es el segundo. Habrá que transformar las horas y minutos a segundos sabiendo que: 1 h = 3600 s; 1 min = 60 s 1h 1000 m a) Fútbol: 140 km/h ? ? = 38,9 m/s. 3600 s 1 km b) Tenis: 67 m/s; no es necesario cambiar las unidades porque ya están en el SI. 1h 1609 m c) Béisbol: 155 millas/h ? ? = 69,3 m/s. 3600 s 1 milla d) Golf: 5,7 km/ min ?
1000 m 1 min ? = 95 m/s. 60 s 1 km
Por tanto, el orden de menor a mayor de las velocidades será: fútbol < tenis < béisbol < golf
21. La densidad del agua del mar es 1,13 g/mL. Exprésala en kg/m3. 22. El aire de una habitación tiene una densidad de 1,225 en unidades del SI. Exprésala en g/L. 23. En el lanzamiento de una falta el balón de fútbol puede alcanzar una velocidad de 34 m/s. Expresa esta velocidad en km/h. 24. Efectúa las siguientes transformaciones, utilizando factores de conversión: a) 5,8 km "
m.
b) 5,2 mL "
L.
c) 8 ms " d) 4,7 km " e) 2 834,2 dm " f) 12,82 hm "
b) 25 min; 250 s; 0,25 h c) 36 km/h; 9 m/s; 990 cm/s 26. Expresa en unidades del SI las siguientes medidas: a) 180 km/h
c) 130 L/m2
b) 3 g/cm3
d) 45 g/L
Opera con potencias Para multiplicar o dividir dos números en notación científica se multiplican (o dividen) los números decimales por un lado y las potencias de base diez por otro, siguiendo las reglas de las potencias. Por último se «arregla» la solución. La parte entera debe tener una sola cifra distinta de cero. • (5,24 ? 106) ? (6,3 ? 108) = (5,24 ? 6,3) ? 106 + 8 = Para multiplicar = 33,012 ? 1014 = potencias de la misma base = 3,3012 ? 1015 se suman los 5,24 ? 107 • = (5,24 : 6,3) ? 107 - 4 = 6,3 ? 104 = 0,8317 ? 103 = = 8,317 ? 102
exponentes
Para dividir potencias de la misma base se restan los exponentes
En el caso de una suma o una resta se transforman las potencias del mismo exponente para sacar factor común (que es la potencia en base 10 más pequeña): 4,25 ? 103 + 5 ? 104 = 4,25 ? 103 + 50 ? 103 = = (4,25 + 50) ? 103 = = 54,25 ? 103 = = 5,425 ? 104
27. Realiza las siguientes operaciones y expresa el resultado en notación científica. a) (6,18 ? 102 ) ? (3,12 ? 105) = 3,16 ? 105 b) = 2,2 ? 102 c) 7,5 ? 1010 - 5,83 ? 109 = d) (12,5 ? 107) + (8 ? 109) = 28. Realiza las siguientes operaciones con la calculadora y expresa el resultado con notación científica. 45 c) 1681 ? a) 25 + 102 = 5
s. cm. km. m.
b)
10 3 2,5 ? 102
d)
1681 ? 45 5
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2.4 Cómo se transforman las unidades RECUERDA Las magnitudes de longitud, superficie y volumen corresponden a las dimensiones de los cuerpos materiales.
Longitud: m
Para facilitar los cambios de unidades te proponemos un proce dimiento sencillo. En los esquemas se indica cómo se pasa de una unidad mayor a otra menor (multiplicando por 10) o de una menor a otra mayor (dividiendo por 10). Veremos cómo lo aplicamos para: • Transformar unidades de longitud. • Transformar unidades de masa.
Superficie: m2
• Transformar unidades de superficie. • Transformar unidades de volumen.
Transformación de unidades de longitud
Volumen: m3
#10
#10
mm
cm : 10
#10
#10
m
dm : 10
: 10
#10
#10
dam : 10
hm
km
: 10
: 10
#10
#10
Transformación de unidades de masa
#10
#10
mg
#10
cg : 10
#10
g
dg : 10
: 10
dag
hg
: 10
: 10
kg : 10
Transformación de unidades de superficie La superficie y el volumen son dos magnitudes derivadas de la lon gitud.
OBSERVA Para pasar de una unidad de superficie a la unidad siguiente más pequeña se multiplica por 100.
Para hacer la transformación de unidades de superficie seguimos el mismo razonamiento que hemos aplicado en las unidades de longitud, teniendo en cuenta que estas nuevas unidades varían de 100 en 100.
#100 2
#100 2
mm
cm : 100
#100
m
dm : 100
#100 2
2
: 100
#100 2
dam : 100
#100 2
km2
hm : 100
: 100
Transformación de unidades de volumen OBSERVA Para pasar de una unidad de volumen a la unidad siguiente más pequeña se multiplica por 1000.
En el caso de las unidades de volumen tenemos en cuenta que varían de 1000 en 1000.
#1000 3
mm
#1000 3
cm : 1000
#1000 3
dm : 1000
: 1000
#1000 3
m
#1000 3
hm3
dam : 1000
#1000
: 1000
km3
: 1000
12
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Actividades RECUERDA
5. EJERCICIO RESUELTO
La relación entre las unidades de capacidad y volumen es:
Expresa 260 hm3 en m3.
• 1 L = 1 dm3 • 1 mL = 1 cm3
260 hm3 " 260 # 1000 " 260 000 dam3 # 1000 " " 260 000 000 m3 Con factores de conversión:
• 1 m3 = 1000 L Para pasar de metros cúbicos a litros solo hay que multiplicar por 1000: 1000 kg 1000 kg/m 3 = = 1 kg/L 1000 L
260 hm3 ?
1000 000 m 3 = 260 000 000 m 3 1 hm 3
Es decir: 260 hm3 = 260 000 000 m3.
32. Efectúa las siguientes transformaciones.
1 kg/m3 = 1 g/L
a) 3,2 km3 "
m3
b) 0,836 dam3 " 29. Realiza las siguientes transformaciones. m
a) 15,48 hm "
c) 7 m3 "
km3 dm3
d) 86 000 cm3 "
m3
dam
b) 6320,06 cm "
33. Expresa las siguientes cantidades en las unidades que se indican:
cm
c) 9,8 km "
km
d) 8677,9 dm "
a) 25 dm3 "
30. Realiza las siguientes transformaciones.
dL cm3
b) 78,43 cL "
a) 789 dg "
kg
c) 4,5 hL "
b) 0,8 kg "
mg
d) 30,2 dm3 "
c) 600 g "
hg
d) 7,3 g "
cg
cm3 hL
34. Escribe la equivalencia entre las siguientes unidades: a) Miligramo y kilogramo. b) Terámetro y kilómetro.
4. EJERCICIO RESUELTO
c) Kilolitro y centilitro. d) Nanosegundo y milisegundo.
Expresa 260 hm2 en m2. 260 hm2 " 260 # 100 " 26 000 dam2 # 100 " " 2 600 000 m2
f) Kilómetro y nanómetro. g) Litro y mililitro.
Con factores de conversión: 260 hm2 ?
e) Hectogramo y miligramo.
10 000 m2 = 2 600 000 m2 1 hm2
Es decir: 260 hm2 = 2 600 000 m2.
35. Escribe con todas las letras las siguientes cantidades y su equivalencia con la unidad del SI correspondiente. Ejemplo: 1 mm es un micrómetro y equivale a 10-6 m. a) hL
31. Efectúa las siguientes transformaciones. 2
a) 550,30 hm
" b) 768,5 cm " c) 659,6 dm2 " d) 3568 km2 " 2
2
m
b) Mg c) dm
2
dm
d) mg 2
dam
e) pg
dam2
f) cL
13
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3
Ordenación y clasificación de datos
La experimentación es una de las partes fundamentales del trabajo científico. Esta etapa se basa en la realización de medidas y en la ob tención de datos. Para obtener resultados y conclusiones correctas es fundamental ordenar y clasificar los datos y realizar la representación gráfica de los mismos. En las tablas de datos se recogen las variaciones de una magnitud en función de otra. Por ejemplo, podemos medir cada dos segundos la velocidad de una moto que parte del reposo. Ordenamos los datos obtenidos de esta forma: 1.ª medida
2.ª medida
3.ª medida
Tiempo (s)
0
2
4
Velocidad (m/s)
0
4
8
Magnitud
RECUERDA • El eje horizontal se llama eje X o eje de abscisas.
• El punto en el que los ejes se cortan recibe el nombre de origen de coordenadas.
3. Representa con un punto cada par de valores de la tabla.
Eje de ordenadas
6.ª medida
6
8
10
12
16
20
Velocidad (m/s) 20 16 12 8 4
Eje de abscisas
Origen de coordenadas
2. Escribe en cada eje el nombre de la magnitud que vamos a representar y su unidad. Traza las marcas que indican los valores de la escala para cada eje.
5.ª medida
En el ejemplo se observa que la velocidad varía en función del tiem po; depende de él. Por eso la velocidad es la variable dependiente, mientras que el tiempo es la variable independiente. Una vez recogidos los resultados en una tabla se representan los da tos en un sistema de referencia cartesiano con dos rectas graduadas denominadas ejes de coordenadas.
• El eje vertical se denomina eje Y o eje de ordenadas.
1. Dibuja dos ejes, uno horizontal (eje X) y otro vertical (eje Y). Cada uno de los ejes representará a una de las magnitudes de la tabla.
4.ª medida
0 0
4. Une todos los puntos mediante una línea que nos proporciona la representación gráfica.
Velocidad (m/s) 20 16 12
0 6
8 10 Tiempo (s)
4
6
12
4
4
8 10 Tiempo (s)
16
4
2
6
20
8
0
4
Velocidad (m/s)
8
0
2
0
2
8
10
Tiempo (s)
14
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Actividades 6. EJERCICIO RESUELTO
7. EJERCICIO RESUELTO
Un paracaidista se lanza desde un helicóptero situado a gran altura. Sabiendo que cada segundo que cae sin abrir el paracaídas su velocidad aumenta 36 km/h, dibuja una gráfica de la velocidad desde el primer segundo hasta que pasan 6 segundos. Deduce la ecuación que representa este fenómeno. Primero completamos la tabla correspondiente:
Nuestros pulmones contienen aire. Por esta razón se comprimen cuando buceamos. Para comprobar este hecho sumergimos un globo que contiene un litro de aire y se obtienen los valores para la presión y el volumen del globo que se indican en la tabla de datos. Realiza la representación gráfica y escribe la ecuación matemática que se deduce.
1.ª medida 1 Tiempo (s) Velocidad 36 (km/h) Magnitud
2.ª medida 2
3.ª medida 3
4.ª medida 4
5.ª medida 5
6.ª medida 6
72
106
144
180
216
Ahora dibujamos una gráfica representando los valores del tiempo en el eje X y los de la velocidad en el eje Y.
Magnitud Volumen (L) Presión (atm)
1.ª medida 1
2.ª medida 0,50
3.ª medida 0,33
4.ª medida 0,25
5.ª medida 0,20
1
2
3
4
5
En este caso dibujamos una gráfica representando los valores del volumen en el eje X y los de la presión en el eje Y.
Velocidad (km/h) Presión (atm)
250
5
200
4
150
3
100
2
50 0
1 0
1
2
3
4
5
6
0
Tiempo (s)
Observa que la gráfica corresponde a una línea recta que pasa por el origen de coordenadas. Por tanto, existe una relación de proporcionabilidad entre ambas variables: cuando una de ellas se duplica la otra también se duplica, y si una de ellas disminuye la otra también disminuye.
36. Al introducir un líquido a 20 ºC en un congelador se observa que cada dos minutos disminuye su tempertura tres grados centígrados. Ordena en una tabla los datos del descenso de temperatura hasta 10 minutos. Realiza la representación gráfica y explica la relación que existe entre el tiempo y la temperatura.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8 1,0 Volumen (L)
La gráfica corresponde a una curva del tipo hipérbola, lo que nos indica que las dos magnitudes son inversamente proporcionales; es decir, cuando una de ellas (el volumen) se reduce a la mitad, la otra (la presión) se duplica.
37. A una profundidad de 30 m (en agua) llenamos nuestros pulmones con dos litros de aire. Si en estas condiciones ascendiéramos hasta la superficie sin expulsarlo, los datos que se obtendrían serían los de la tabla. Realiza la representación gráfica.
Magnitud
1.ª medida
2.ª medida
3.ª medida
4.ª medida
5.ª medida
6.ª medida
Magnitud
1.ª medida
2.ª medida
3.ª medida
4.ª medida
Tiempo (min)
0
2
4
6
8
10
Presión (atm)
4
3
2
1
T (°C)
20
17
Volumen (L)
2
2,67
4
8
15
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4
Normas de seguridad en el laboratorio
Una buena parte del trabajo que realizan los físicos y los químicos tiene lugar en los laboratorios. Los estudiantes de estas ciencias también ha cen parte de su estudio en los laboratorios, unas instalaciones en las que hay materiales frágiles y precisos y productos que pueden ser peligrosos. Para trabajar con seguridad y aprovechamiento en el laboratorio debes seguir estas normas:
1. Observa dónde están las salidas y los equipos de emergencia. Aprende a utilizar los lavaojos por si te salpica algún producto.
7. Lávate bien las manos cuando salgas del laboratorio.
2. Utiliza guantes y gafas de seguridad cuando sean necesarios.
9. No manejes productos desconocidos. Si algún frasco no tiene etiqueta, no lo uses y avisa al profesor.
3. Haz solo los experimentos que te indique tu profesor o profesora; no trates de hacer pruebas por tu cuenta. 4. Ordena la mesa. Deja tus libros y la ropa en el lugar apropiado. 5. No te muevas más de lo necesario. No corras ni juegues. 6. No comas, ni bebas ni masques chicle.
8. Los productos del laboratorio no se deben tocar, oler ni probar.
10. Maneja los aparatos eléctricos con seguridad y nunca con las manos mojadas. 11. Utiliza material limpio para coger un producto de un frasco, a fin de evitar contaminar todo el recipiente. 12. Al terminar el trabajo, deja el material limpio y ordenado, y los productos en su sitio.
16
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13. No pipetees los líquidos con la boca; utiliza siempre las piezas de seguridad.
14. No utilices material de vidrio roto; si se te rompe algo, avisa al profesor o profesora.
15. Si tienes que calentar un tubo de ensayo, sujétalo con unas pinzas. Haz que se mantenga inclinado de forma que su boca no apunte hacia ti ni a ningún compañero.
16. Si necesitas utilizar un instrumento o aparato, procura cogerlos de uno en uno, y si manejas algún producto de un frasco, ciérralo inmediatamente después.
17. Si necesitas tirar algo, pregunta al profesor cómo lo puedes hacer para evitar verter posibles líquidos contaminantes.
18. Si utilizas material de precisión (balanzas, cronómetros, calibrador, etc.), procura que no se golpee ni se moje o le entre polvo. Así evitas que se deteriore.
17
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Resumen LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES
. Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el y que tiene . Las propiedades de la materia son comunes a toda la
y sirven para identificar unas
Son propiedades
para cada
Madera
de otras.
la masa y el
. Las propiedades
.
.
son aquellas que tienen un valor propio y característico . Ejemplos: la densidad y la
de ebullición.
. La densidad es una propiedad que mide la cantidad de por unidad de
(d = masa /
Grafito
).
La madera y el grafito tienen propiedades diferentes.
LA MEDIDA
. Una
es cualquier propiedad de la materia
que puede ser
Magnitudes fundamentales del SI
; es decir, que se puede expresar
con un número y una
.
Magnitud
Unidad
Longitud
Metro
. El metro, el kilogramo, el segundo son ejemplos de unidades correspondientes a magnitudes
. Las magnitudes
Símbolo kg
Segundo
.
Temperatura
son las que se obtienen en función
Cantidad de sustancia
de las magnitudes fundamentales. Por ejemplo, el cuadrado, el
A
cúbico o el m/s.
Candela
Para medir usamos diferentes aparatos.
Medir la masa de una sustancia.
Medir el volumen de un líquido.
Medir el espesor de una moneda.
Medir la temperatura.
NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO Bien Correr para acabar antes.
Mal 3
Beber los productos químicos. Lavarse las manos al salir. Improvisar para hacer nuevos experimentos. Llevar el pelo suelto. Ordenar la mesa.
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La materia: estados físicos
Las bajas temperaturas que existen a la altura a la que vuela el avión provocan que el vapor de agua que sale al exterior se congele rápidamente, formando pequeños cristales de hielo. ¿Por qué los aviones dejan estela?
EXPERIMENTA Y PIENSA: realizar un termómetro de manos -Tengo las manos heladas. -Seguro que yo las tengo más heladas que tú. -¿Lo medimos? -Pero… ¿cómo podemos medir esta sensación?
1
2
Realicemos un termómetro de manos Es fácil. En un matraz introducimos una sustancia con bajo punto de ebullición (alcohol o éter), lo tapamos y atravesamos el tapón con un fino tubo. ¿Qué ocurre si la mano de tu compañero está más caliente? ¿Y si está más fría? ¿Y si ponemos las dos manos sobre el matraz?
La explicación es que, al poner la mano en el matraz, damos calor al líquido. Este se dilata y asciende por el tubo.
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1 NO OLVIDES Una sustancia se expande si aumenta su volumen. Por ejemplo, el alcohol de un termómetro se expande cuando aumenta su temperatura. Una sustancia se comprime si tiene la propiedad de reducir su volumen. Por ejemplo, una esponja al ser aplastada.
Los tres estados de la materia
1.1 La materia Todo lo que nos rodea y podemos percibir con nuestros sentidos está formado de materia. El libro que estamos leyendo, el lápiz con el que escribimos, el agua que bebemos y el aire que respiramos son materia. La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un espacio, es decir, tiene volumen. La materia que observamos se puede presentar en estado sólido, líquido o gaseoso.
Sólidos
Líquidos
Gases
La forma y el volumen de la roca (sólido) no varían aunque los introduzcamos en otro recipiente diferente. No se expanden. No se comprimen. Ejemplos: hielo, azúcar, mármol, etc.
Los líquidos no tienen forma propia; adoptan la forma del recipiente que los contiene, sin variar el volumen. No se expanden. Se comprimen con dificultad. Ejemplos: agua, aceite, alcohol, etc.
Los gases tienden a ocupar todo el espacio disponible. Su forma y su volumen cambian cuando se pasa de un recipiente a otro. Se expanden. Se comprimen. Ejemplos: vapor de agua, aire, etc.
1.2 Los gases Si queremos saber la cantidad de azúcar que hay en un terrón basta con ponerlo en una balanza. Sin embargo, resulta difícil medir directamente la cantidad de gas que hay en un recipiente. Por eso esta cantidad se determina de forma indirecta midiendo el volumen que ocupa, la temperatura a la que se encuentra y la presión que ejerce. • El volumen del recipiente que contiene el gas se mide en litros (L) o en metros cúbicos (m3) en el SI. • Para medir la temperatura utilizamos la escala Celsius (°C) o la Kelvin (K) en el SI. Recuerda la relación entre estas dos escalas: T (K) = T (ºC) + 273
• La presión que ejerce el gas sobre las paredes del recipiente que lo contiene se mide en el SI con una unidad llamada pascal (Pa), con la atmósfera (atm) o con el milímetro de mercurio (mm Hg). 1 atm = 760 mm Hg = 101 325 Pa
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Actividades 1. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. Escribe correctamente las frases falsas.
2. Transforma las siguientes temperaturas Celsius a la escala absoluta (Kelvin).
a) Las sustancias líquidas tienen forma variable.
a) 0 °C
b) Las sustancias gaseosas y líquidas tienen forma constante.
b) 20 °C
c) Los sólidos y líquidos se pueden comprimir.
d) -100 °C
d) Los líquidos, debido a su capacidad de expandirse, tienden a ocupar el máximo volumen posible. e) Los sólidos son compresibles; su forma y su volumen son variables. f) Los líquidos no tienen forma propia, por lo que adoptan la forma del recipiente que los contiene. g) Los gases tienen pequeña compresibilidad. h) Los sólidos no tienen forma propia.
Opera con números enteros Se pueden distinguir dos casos: • Para sumar dos números enteros del mismo signo: 1. Se suman sus valores absolutos. Al resultado se añade el mismo signo de los números. (-2) + (-7) = -9 |-2| = 2 2 2+7=9 |-7| = 7 " • Para sumar dos números enteros de distinto signo: 1. Se restan sus valores absolutos (el menor del mayor).
c) 27 °C e) -27 °C f) -273 °C 3. Expresa en grados Celsius las siguientes temperaturas: a) 0 K b) 300 K c) 1000 K 4. Pasa a atmósferas las siguientes presiones: a) 670 mm Hg b) 600 mm Hg c) 700 mm Hg d) 1040 mm Hg
2. EJERCICIO RESUELTO ¿Qué capacidad en mL tiene un recipiente cuyo volumen es de 2 dm3? Para responder a esta pregunta debes conocer las equivalencias entre volumen y capacidad, como se reflejan en la tabla:
2. Al resultado se añade el signo del número con mayor valor absoluto. (+8) + (-11) = -3 |+8| = 8 2 11 - 8 = 3 |-11| = 11 "
Volumen
Capacidad
1 m3
1000 L
3
1 dm
1 cm3 3
1 mm
1. EJERCICIO RESUELTO Convierte la temperatura de 285 K a escala Celsius. Recuerda la relación que existe entre la escala Celsius y la absoluta o Kelvin:
1L 1 mL 0,001 mL
Si 1 dm3 equivale a 1 L, 2 dm3 equivalen a 2 L. Por otra parte, un litro contiene 1000 mL, por lo que el recipiente al que nos referimos tiene una capacidad de 2 L = 2000 mL.
T (K) = T (°C) + 273 En dicha relación conocemos el valor T (K). Despejamos la temperatura que queremos hallar, la incógnita; en nuestro caso, T (ºC). T (ºC) = T(K) - 273 " " T (ºC) = 285 - 273 = 12 " T (ºC) = 12 ºC
5. Expresa las siguientes medidas en cm3: a) 200 mL b) 1 L c) 0,5 L d) 100 m3
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La teoría cinética y los estados de la materia
Para explicar los distintos estados de la materia, sus propiedades y los cambios de estado, los científicos idearon la teoría cinética.
RECUERDA La densidad de un cuerpo es la cantidad de materia que tiene en relación con el espacio que ocupa. Cuando decimos que un sólido es más denso que un líquido estamos diciendo que, en el mismo volumen, el sólido tiene mayor cantidad de materia (partículas) que el líquido.
Según la teoría cinética: • La materia (sólidos, líquidos y gases) está formada por pequeñas partículas en continuo movimiento. Entre las partículas hay vacío. • Las partículas se mueven más o menos libremente dependiendo del estado. • Cuando las partículas se mueven más rápidamente, es porque la temperatura es mayor.
Los tres estados de la materia según la teoría cinética Sólido
Líquido
Gas
En los sólidos las partículas están fuertemente unidas y muy juntas. Al moverse no cambian de posición; solo pueden vibrar en torno a esas posiciones fijas. Por eso se mantiene la forma y el volumen.
Las partículas de los líquidos están menos unidas, más separadas y menos ordenadas que las de los sólidos. Pueden desplazarse unas sobre otras, lo que permite a los líquidos adaptarse a cualquier forma.
Las partículas de los gases no están unidas; existen grandes espacios vacíos entre ellas y se pueden mover libremente. Por eso los gases no tienen forma propia y ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene.
La densidad de los sólidos es mayor que la de los líquidos o los gases, pues sus partículas se encuentran muy próximas y ocupan poco volumen.
La densidad de los líquidos es menor que la de los sólidos porque las partículas están menos agrupadas y ocupan más volumen.
Los gases presentan la menor densidad, ya que sus partículas están más separadas ocupando el volumen máximo.
OBSERVA En los gases la distancia entre las partículas puede aumentar para ocupar un volumen mayor o disminuir para ocupar un volumen menor. Por ello los gases, al contrario que los sólidos y líquidos, se pueden expandir y comprimir.
La presión que ejercen los gases es el resultado de los continuos choques de sus partículas sobre las paredes del recipiente que contiene el gas. Entre las partículas del gas las fuerzas son muy poco intensas; de ahí que se muevan con total libertad. En un globo, por ejemplo, esto hace que las partículas del gas choquen continuamente con las paredes del globo.
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Actividades 6. Señala si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: V F Los sólidos, como los gases, tienen forma propia. V F En los líquidos las partículas se mueven libremente; por eso ocupan todo el espacio disponible y no tienen volumen ni forma fijos. V F Las partículas que constituyen los sólidos son capaces de vibrar un poco, pero no pueden desplazarse. V F La expansión de un gas consiste en el aumento de la distancia entre sus partículas para ocupar un volumen mayor. V F La compresión de un gas consiste en el aumento de la distancia entre sus partículas para ocupar un volumen menor. V F En los gases las partículas se mueven con más libertad que en los líquidos y en los sólidos. 7. Utiliza la teoría cinética para explicar por qué razón los sólidos no se pueden comprimir.
11. Colocamos un balón de goma a la intemperie durante varios días. Al observar el balón podemos ver que está deformado, hinchado o deshinchado según sea de día o de noche. a) ¿Qué crees que ha ocurrido? b) ¿Cómo lo explica la teoría cinética? 12. A partir de la teoría cinética, explica por qué para licuar un gas (transformarlo en líquido) se debe bajar la temperatura. a) Porque así las partículas tienen más libertad para moverse por todo el recipiente. b) Porque así las partículas se mueven más despacio y tienen menos libertad. c) Porque así las partículas vibran más. d) Porque así hace más calor. 13. La densidad de una misma sustancia en estado sólido, ¿es siempre mayor que en estado líquido? ¿Por qué? 14. Explica, basándote en la teoría cinética, por qué aumenta la fluidez de la miel al calentarla.
8. Según la teoría cinética, ¿por qué pueden moverse los líquidos y los gases fácilmente de un recipiente a otro? a) Porque las partículas están ocupando posiciones fijas. b) Porque las partículas vibran ligeramente. c) Porque las partículas tienen cierta libertad para moverse. d) Porque su densidad es muy baja. 9. ¿Por qué crees que un líquido, como el agua, puede adoptar la forma del recipiente que lo contiene? a) Porque las partículas que constituyen los líquidos pueden desplazarse unas sobre otras. b) Debido a los grandes espacios que hay entre las partículas de los líquidos.
a) Las fuerzas de atracción entre las partículas de los gases son muy intensas / muy débiles.
c) Porque los líquidos se pueden expandir para ocupar un volumen mayor.
b) La temperatura / densidad del gas depende de la rapidez con que se muevan sus partículas.
d) Porque las partículas del líquido pueden dilatarse con facilidad.
c) Cuando aumenta la temperatura de un gas, aumenta la velocidad / densidad de sus partículas.
10. Si introducimos aire en un recipiente que ya contiene otro gas, ¿aumentará o disminuirá la presión?
15. Completa las frases relacionadas con la teoría cinética de los gases eligiendo la opción correcta.
Explica tu respuesta.
d) Al aumentar la energía cinética, las partículas chocan con más frecuencia sobre las paredes del recipiente, aumentando su volumen / temperatura.
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A
3 Manómetro (indica la presión)
Leyes de los gases
En los siglos XVII, XVIII y XIX varios científicos estudiaron el comportamiento de los gases y establecieron las leyes de los gases.
B
3.1 Ley de Boyle-Mariotte Robert Boyle y Edmé Mariotte estudiaron cómo variaba la presión de un gas al modificar el volumen manteniendo la temperatura constante. Observa el dibujo del cilindro con un émbolo en cuyo interior hay un gas. • La temperatura es la misma en los tres recipientes. • En el recipiente A el volumen es mayor. Las partículas están más separadas unas de otras y chocan con menor frecuencia con las paredes del recipiente. • En C el volumen es menor. Las partículas chocan más a menudo contra las paredes del recipiente. Por eso la presión es mayor.
C
Al reducir el volumen la presión aumenta (si la temperatura se mantiene constante).
EXPERIENCIA: Boyle-Mariotte Para hacer un estudio similar al de Boyle-Mariotte necesitamos un dispositivo como el de la figura de arriba. Subiendo o bajando el émbolo variamos el volumen y leemos la presión en el manómetro.
La temperatura permanece constante en toda la experiencia. En la tabla de la izquierda se muestran los resultados de la experiencia. Con ellos construimos la gráfica. P (atm)
V (L)
P (atm)
P$V
30
0,5
15
5,0 4,5 4,0 3,5
15
1,0
…
10
1,5
…
7,5
2,0
…
6,0
2,5
…
5,0
3,0
…
3,0
5,0
…
Calcula el producto de la presión por el volumen en cada medición y comprobarás que es constante.
Identifica variables inversamente proporcionales Dos variables son inversamente proporcionales cuando al aumentar una de ellas la otra disminuye y, además, se mantiene constante el producto entre los respectivos valores de las variables. En la experiencia de Boyle y Mariotte la presión y el volumen son inversamente proporcionales.
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
5
10
15
20
25
30
V (L)
La experiencia realizada es igual para todos los gases. Podemos sacar las siguientes conclusiones: • A mayor volumen, menor presión. Cuando disminuye el volumen, aumenta la presión. • Las variables P y V son inversamente proporcionales. Matemáticamente podemos expresar la ley de BoyleMariotte así: P ? V = cte. ; P1 ? V1 = P2 ? V2
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Actividades Despeja incógnitas en una ecuación Todo lo que está multiplicando a la incógnita en un lado de la ecuación pasa al otro lado de la ecuación dividiendo. Observa: 6 3?x=6"x= 3 Todo lo que está dividiendo a la incógnita en un lado de la ecuación pasa al otro lado multiplicando: x =4"x=4?3 3
3. EJERCICIO RESUELTO 6 L de un gas se encuentran a la presión de 1,5 atmósferas. ¿Cuál será el nuevo volumen del gas si aumenta la presión a 2 atmósferas? Como la temperatura es constante, empleamos la ley de Boyle-Mariotte: P1 ? V1 = P2 ? V2 Del enunciado del problema conocemos V1 (6 L), P1 (1,5 atm) y P2 (2 atm). A continuación tenemos que despejar V2 de la ecuación. Para ello pasamos P2 al otro lado de la ecuación. Como está multiplicando, pasará dividiendo: P1 ? V1 = P2 ? V2 " " V2 =
P1 ? V1 1,5 atm ? 6 L = = 4,5 L 2 atm P2
Ojo: no olvides nunca poner las unidades al acabar el problema.
16. Completa la siguiente tabla aplicando la ley de Boyle-Mariotte. P (atm)
P1 = 1
P2 = 2
V (L)
V1 = 2
V2 =
P3 = V3 = 0,25
P4 = 10 V4 =
17. En un recipiente de 5 L ( V1 ) se introduce gas oxígeno a la presión de 4 atm ( P1 ). ¿Qué presión ejercerá si duplicamos el volumen del recipiente ( V2 = 2 ? V1) sin que varíe su temperatura? 18. Una masa de gas ocupa un volumen de 5 L ( V1 ) cuando la presión es de 1 atm ( P1 ). ¿Cuál será el nuevo volumen si la presión aumenta a 2 atm ( P2 ) y la temperatura no cambia?
Representa los datos de una tabla en una gráfica 1. Si puedes, utiliza papel cuadriculado. 2. Dibuja un sistema de ejes cartesianos. 3. Elige un eje para cada variable. Pon, al final del mismo, la letra que identifica la variable y, entre paréntesis, su unidad. Por ejemplo, P (atm) o V (L). 4. Haz la escala para cada uno de los ejes. Ten presente que tienes que poder representar todos los valores de esa variable. Así, ten en cuenta cuáles son los valores mínimo y máximo de cada magnitud que se representará en la gráfica. 5. La escala de un eje no tiene por qué coincidir con la escala del otro. Por ejemplo, en el eje de las presiones, 1 cm puede representar 1 atm, mientras que en el eje de los volúmenes 0,5 cm pueden representar 1 L. 6. Representa los puntos de cada pareja de datos de la tabla. 7. Dibuja la línea que mejor se ajuste a los puntos. Recuerda que dicha línea no tiene que pasar necesariamente por todos y cada uno de los puntos representados. 8. También puedes emplear una hoja de cálculo para elaborar las tablas y dibujar las gráficas de manera automática.
19. Comprueba si los valores de la siguiente tabla tomados a temperatura constante cumplen la ley de Boyle-Mariotte. P (atm)
V (L)
0,10
5,00
0,25
2,00
0,50
1,00
0,75
0,67
1,00
0,50
P?V
a) Fíjate en la tabla de la página 28 y construye una gráfica representando la presión en un eje y el volumen en el otro. ¿Qué forma tiene la gráfica? b) ¿Cómo es el producto de la presión por el volumen? c) ¿Cuál será la presión si el volumen es 0,1 L? d) ¿Cuál será el volumen del gas si la presión aumenta a 2 atm?
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A
3.2 Ley de Gay-Lussac
B
Termómetro
Joseph-Louis Gay-Lussac estudió cómo variaba la presión de un gas cuando se modificaba su temperatura manteniendo constante el volumen del recipiente. Observa el dibujo. Al calentar un gas en un recipiente cerrado: • El volumen es el mismo en ambos recipientes. • En A la temperatura es más baja y las partículas se mueven más despacio. Chocan con menos frecuencia contra las paredes del recipiente. • En B la temperatura es mayor y aumenta la velocidad de las partículas. Por tanto, el número de choques de las partículas contra las paredes del recipiente es mayor y, en consecuencia, aumenta la presión.
Manómetro
Al aumentar la temperatura también aumenta la presión (si el volumen no varía).
EXPERIENCIA: ley de Gay-Lussac Hacemos un estudio similar al de Gay-Lussac. Necesitamos un dispositivo como el de la figura superior. Calentamos el recipiente para que varíe la temperatura del gas y leemos la presión resultante en el manómetro. T (K)
P (atm)
P/T
200
0,5
2,5 $ 10-3
320
0,8
…
400
1,0
…
520
1,3
…
600
1,5
…
720
1,8
…
800
2,0
…
Calcula el cociente entre la presión y la temperatura; comprobarás que es constante.
Identifica variables directamente proporcionales Dos variables son directamente proporcionales cuando al aumentar la primera la segunda aumenta en la misma proporción. Y al disminuir la primera también disminuye la segunda en la misma proporción. Es decir, el cociente entre ambas variables se mantiene constante. En la experiencia de Gay-Lussac la presión y la temperatura son directamente proporcionales.
En la tabla de la izquierda se muestran los resultados de la experiencia. La temperatura debe expresarse en kelvin (K). A continuación construimos la gráfica con los datos de la tabla. P (atm) 2,0
1,5
1,0
0,5
0,0 100
200
300
400
500
600
700
800
T (K)
A través de la experiencia podemos sacar las siguientes conclusiones: • Al elevar la temperatura aumenta la presión; y al disminuir la temperatura también disminuye la presión. • Las variables P y T son directamente proporcionales. Matemáticamente podemos expresar la ley de GayLussac así: P P1 P2 = cte. " = T T1 T2
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Actividades 4. EJERCICIO RESUELTO Cierto volumen de un gas se encuentra a la presión de 1,2 atmósferas cuando su temperatura es de 25 ºC. ¿A qué temperatura deberá estar para que su presión sea de 0,8 atmósferas? En primer lugar expresamos la temperatura en Kelvin: T1 (K) = T1 (ºC) + 273 "
21. En un recipiente de 5 L se introduce gas oxígeno a la presión de 4 atm ( P1 ) y se observa que su temperatura es 27 °C ( T1 ). ¿Cuál será su presión si la temperatura pasa a ser de 127 °C ( T2 ) sin que varíe el volumen? 22. Un gas ejerce una presión de 2 atm ( P1 ) a 0 °C ( T1 ). ¿Cuál será su temperatura si ha pasado a ejercer una presión de 4 atm ( P2 ) sin que varíe el volumen?
A continuación sustituimos los datos en la ley de Gay-Lussac: P1 P2 = T1 T2
23. La ley de Gay-Lussac nos dice que, a volumen constante, la presión y la temperatura de un gas son magnitudes directamente proporcionales. ¿Podemos decir que, a volumen constante, si se duplica la presión de un gas es porque se ha duplicado su temperatura?
Del enunciado del problema deducimos que P1 = 1,2 atm, T1 = 25 °C y P2 = 0,8 atm.
24. Completa la siguiente tabla aplicando la ley de Gay-Lussac.
" T1 (K) = 25 + 273 = 298 K
Como nos piden la temperatura en el segundo caso, despejamos T2. Para ello, como T2 está dividiendo a un lado de la ecuación, la pasamos al otro lado multiplicando: P1 P2 P1 = " T ? T2 = P2 T2 T1 1 Si despejamos T2, obtendremos la temperatura pedida. Para ello, como T1 está dividiendo en el primer miembro de la ecuación, lo pasamos multiplicando al segundo miembro. Y como P1 está multiplicando en el primer miembro, lo pasamos al segundo dividiendo: P1 T1 ? T2 = P2 " T2 = P2 ? T1 P1 Finalmente sustituimos cada magnitud por su valor: T2 = P2 ?
T1 298 K = 0,8 atm ? = 198,6 K P1 1,2 atm
20. Señala si las frases son verdaderas o falsas. Cuando se calienta un gas en un recipiente cerrado: V F El volumen no varía.
1
P (atm)
2
100
T (K)
8 400
25. Un volumen de 5 L de gas en condiciones normales (P1 = 1 atm, T1 = 273 K) se calienta hasta los 373 K ( T2 ). a) Calcula la presión si el proceso se ha realizado en condiciones de volumen constante. b) ¿Qué ocurre si seguimos calentando manteniendo constante el volumen? 26 Manteniendo el volumen constante se ha medido la presión de un gas a diferentes temperaturas. Los datos se recogen en la gráfica: T (K) 280
250
220
V F La temperatura aumenta. V F La presión aumenta. V F La presión disminuye. V F La velocidad con que se mueven las partículas del gas aumenta. V F El tamaño de las partículas del gas aumenta. V F La densidad del gas disminuye.
190 2,0
2,2
2,4
2,6
2,8 P (atm)
a) ¿Cómo varía la temperatura cuando aumenta la presión del gas? b) Expresa esta relación en lenguaje científico (usando una fórmula matemática).
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3.3 Ley de Charles y Gay-Lussac A
B
Termómetro Manómetro
Al aumentar la temperatura aumenta el volumen (si la presión se mantiene constante).
Jacques Alexandre Charles analizó las variaciones que experimentaba el volumen de un gas cuando se variaba la temperatura y se mantenía constante la presión. Más tarde Gay-Lussac repitió sus experiencias. Observa el dibujo. • La presión es la misma en ambos recipientes. • En A la temperatura es más baja y las partículas del gas se mueven más lentamente. • En B la temperatura del gas es mayor y las partículas se mueven con mayor rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Si queremos que no aumente la presión, entonces se producirá un aumento de volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba).
EXPERIENCIA: ley de Charles y Gay-Lussac Hacemos un estudio para comprobar las conclusiones de Charles. Para ello necesitamos un dispositivo similar al de la figura de arriba.
Calentamos el recipiente para que varíe la temperatura del gas y dejamos que el émbolo pueda subir o bajar, con el fin de que la presión sea constante. Medimos el volumen en cada caso.
T (K)
V (L)
V/T
100
2
0,02
150
3
200
4
V (L)
250
5
8
300
6
350
7
400
8
4
En cada medición calcula el cociente entre el volumen y la temperatura; comprobarás que permanece constante.
2
En la tabla de la izquierda se muestran los resultados de la experiencia. Con ellos construimos la gráfica.
6
La temperatura debe expresarse en kelvin (K).
OBSERVA La ley de Charles y Gay-Lussac nos dice que el volumen y la temperatura son directamente proporcionales cuando la presión del gas se mantiene constante.
0
0
100
200
300
400
T (K)
A través de la experiencia podemos sacar las siguientes conclusiones: • Al aumentar la temperatura del gas, manteniendo la presión constante, el volumen también aumenta; y al disminuir la temperatura el volumen también disminuye. • El volumen y la temperatura son magnitudes directamente proporcionales. Matemáticamente podemos expresar la ley de Charles y Gay-Lussac así: V V1 V2 = cte. " = T T1 T2
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Actividades 27. Completa el texto sobre las leyes de los gases. a) La ley de Boyle dice que para una misma masa de gas y a temperatura constante, la presión y el volumen son magnitudes proporcionales. Esto significa que, al duplicar la presión, el volumen . b) La ley de Gay-Lussac expone que para una misma masa de gas y a volumen constante, la presión y la temperatura son magnitudes proporcionales. Esto significa que, al duplicarse la temperatura, la presión . c) La ley de Charles y Gay-Lussac afirma que, para una misma masa de gas y a presión constante, el volumen y la temperatura son magnitudes proporcionales. Como consecuencia, al duplicar la temperatura, el volumen . 28. Relaciona cada figura con la ley correspondiente. A
5. EJERCICIO RESUELTO Un gas ocupa un volumen de 1,5 L a la temperatura de 25 ºC. ¿Cuál será su nuevo volumen si bajamos la temperatura a 7 ºC? En primer lugar expresamos las temperaturas en kelvin: T1 (K) = T1 (ºC) + 273 " " T1 (K) = 25 + 273 = 298 K T2 (K) = T2 (ºC) + 273 " " T2 (K) = 7 + 273 = 280 K A continuación escribimos la ley de Charles y Gay-Lussac: V1 V2 = T1 T2 Como conocemos V1, T1 y T2, tenemos que despejar V2. Para ello, como T2 está dividiendo en el segundo miembro, pasa multiplicando al primero: V1 V2 = T1 T2
V
1 " T ? T2 = V2 1
A continuación sustituimos los datos: V1 ? T2 = V2 T1
B • Ley de Boyle-Mariotte
• Ley de Gay-Lussac
• Ley de Charles y Gay-Lussac
C
1,5 L
" 298 K ? 280 K = V2 " V2 = 1,40 L
29. En un recipiente de 5 L ( V1 ) se introduce gas oxígeno a la presión de 4 atm y se observa que su temperatura es 27 °C ( T1 ). ¿Qué volumen ocupará a 127 °C ( T2 ) si no varía la presión? 30. Un gas ocupa un volumen de 5 L ( V1 ) a 0 °C ( T1 ). ¿Cuál será su temperatura si ha pasado a ocupar un volumen de 10 L ( V2 ) sin que varíe su presión? 31. La ley de Charles y Gay-Lussac nos dice que, a presión constante, el volumen y la temperatura de un gas son magnitudes directamente proporcionales. ¿Podemos decir que, a presión constante, si se duplica el volumen de un gas es porque se ha duplicado su temperatura? 32. Completa la siguiente tabla aplicando la ley de Charles y Gay-Lussac. V (L)
2
T (K)
100
5
48 200
33. ¿Qué volumen ocupará un gas a 300 K ( T2 ) si a 250 K ( T1 ) ocupaba 2 L ( V1 ) y la presión no varía?
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4 NO OLVIDES La vaporización (o paso de líquido a gas) se puede producir por ebullición o por evaporación. • Si el proceso tiene lugar en toda la masa del líquido y a su temperatura de ebullición, recibe el nombre de ebullición. Es lo que ocurre cuando hierve el agua en el fuego. • Si se produce a cualquier temperatura y solo se efectúa en la superficie del líquido se denomina evaporización. Es lo que ocurre cuando tendemos la ropa a secar.
Los cambios de estado
Todas las sustancias pueden cambiar de un estado a otro si se modifica la temperatura. Por ejemplo, cuando metemos agua en el congelador se solidifica y se convierte en hielo.
4.1 De sólido a líquido y viceversa Al calentar una determinada cantidad de hielo aumentamos su temperatura y, al cabo de cierto tiempo, se convierte en líquido. El proceso mediante el cual un sólido pasa al estado líquido se llama fusión. El proceso inverso se llama solidificación.
La temperatura a la que se produce el cambio de estado sólido a líquido se llama temperatura o punto de fusión. La temperatura de fusión y la de solidificación de una sustancia son la misma.
4.2 De líquido a gas y viceversa Si calentamos agua líquida, al cabo de un tiempo empiezan a aparecer burbujas, es decir, comienza a hervir y pasa al estado gaseoso. El proceso mediante el cual un líquido pasa a gas (vapor) se denomina vaporización. El proceso inverso, paso de gas a líquido, se llama condensación.
La temperatura a la que se produce el cambio de estado líquido a gas se llama temperatura o punto de ebullición.
4.3 De sólido a gas y viceversa En algunos casos un sólido puede transformarse en gas directamente. Este paso directo de sólido a gas se llama sublimación. También puede producirse el proceso inverso. El paso de gas a sólido se llama condensación o sublimación regresiva. Líquido
¿LO SABÍAS? Cada sustancia pura tiene un punto de fusión y ebullición característico. Sólido
So lid ifi ca ci ón
Por ejemplo, el punto de fusión del agua es de 0 ºC, y el de ebullición, de 100 ºC. En el amoniaco, sin embargo, el punto de fusión es -77,7 ºC, y el de ebullición, -33,3 ºC.
n sió Fu
Va po riz ac ión Co nd en sa ció n
Gas
Sublimación Sublimación regresiva
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Actividades c) El aroma de un perfume llega hasta nuestra nariz.
34. Completa las siguientes frases: a) El paso de sólido a líquido se llama . b) El paso de gas a líquido se llama . c) El paso de sólido a gas se llama . d) El paso de líquido a gas se llama . e) El paso de líquido a sólido se llama . f) El paso de gas a sólido se llama .
37. Marca únicamente las frases verdaderas:
35. ¿Qué cambios de estado se dan por enfriamiento? ¿Y por calentamiento? Organízalos en una tabla. Por enfriamiento
Por calentamiento Fusión
a) Cuando una sustancia cambia de estado se transforma en otra sustancia. b) En todos los cambios de estado se produce un aumento de temperatura. c) Si calentamos una sustancia sólida podemos fundirla. d) Para que el agua pase del estado líquido al sólido es necesario alcanzar una temperatura de 100 ºC o más.
36. Razona los cambios de estado que se producen en los siguientes casos: a) Los bloques de algunas rocas, como el granito, se pueden romper durante las heladas nocturnas debido al agua introducida en las grietas. b) Los vapores de yodo pueden originar unos cristales de color violeta al disminuir la temperatura.
38. ¿Qué significa que el punto de ebullición del alcohol es 78 ºC? a) Que la temperatura a la que se funde y pasa al estado líquido es de 78 ºC. b) Que el alcohol hierve a temperaturas por debajo de 78 ºC. c) Que la temperatura exacta a la que hierve el alcohol y pasa al estado gaseoso es de 78 ºC. d) Que la temperatura a la que se produce la condensación del alcohol está por encima de 78 ºC. 39. Comenta las siguientes frases, indicando si son verdaderas o falsas: a) Cada sustancia pura tiene su propio punto de fusión y de ebullición. b) La temperatura de cambio del estado sólido a líquido es la misma que la temperatura de cambio de líquido a sólido. c) Las pastillas de naftalina que se colocan en los armarios contra las polillas disminuyen de volumen y no gotean porque la sustancia que las forma sublima. d) El punto de fusión del agua coincide con el punto de ebullición.
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4.4 Gráfica de calentamiento La temperatura es uno de los factores que determina el estado de una sustancia; variándola conseguiremos producir cambios de estado. Para entenderlo tomamos como ejemplo los cambios de estado que experimenta una cierta cantidad de hielo que se calienta hasta transformarse primero en agua líquida y luego en vapor de agua. EXPERIENCIA: cambios de estado en el agua 1. Ponemos hielo picado (que está a -20 ºC) en un recipiente e introducimos un termómetro en su interior.
NO OLVIDES
2. Colocamos el recipiente sobre un hornillo y calentamos con una llama de manera constante. 3. Anotamos en una tabla la temperatura que va indicando el termómetro y el estado en el que se encuentra la materia del interior del recipiente cada minuto. 4. Construimos la gráfica correspondiente a los valores que hemos registrado. T (°C)
Tiempo (min)
Temperatura (ºC)
Estado
0
-20
Sólido
1
-10
Sólido
2
0
Sólido + líquido
3
0
Sólido + líquido
4
0
Sólido + líquido
FUSIÓN
0
Líquido
5
Líquido
7
10
Líquido
10
25
Líquido
0
20
75
Líquido
25
100
Líquido + gas
Sólido -20
28
100
Líquido + gas
En lo alto de una montaña elevada la presión es menor que 1 atmósfera y el agua hierve a una temperatura inferior a 100 °C. En estas condiciones es difícil, por ejemplo, cocer huevos, pues el agua no alcanza los 100 °C; antes se convierte en vapor.
Gas
Sólido $ Líquido
5
En la olla a presión, en cuyo interior la presión llega a ser mayor que 1 atmósfera, el agua alcanza una temperatura superior a 100 °C antes de hervir, y por eso la comida se cuece en mucho menos tiempo.
VAPORIZACIÓN Líquido $ Gas
100
6
¿LO SABÍAS?
Todas las sustancias puras tienen una gráfica de calentamiento o de enfriamiento similar a la del agua.
Líquido Mientras se produce el cambio de estado, la temperatura del sistema (temperatura de fusión) permanece constante.
0
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 t (min) 5 25
4.5 Efectos de la presión Si calentamos el hielo de la experiencia a una presión distinta, obtendríamos unos valores diferentes. Por ejemplo, el agua hierve a una temperatura de 100 ºC si se encuentra a la presión de 1 atmósfera, pero si la presión es mayor, necesitará una temperatura por encima de 100 ºC. Por el contrario, si el agua se encuentra a una presión menor de 1 atmósfera, hervirá a una temperatura inferior a 100 ºC. Así, podemos afirmar que la temperatura a la cual una sustancia experimenta un cambio de estado depende de las condiciones en las que se encuentre.
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Actividades 41. La gráfica corresponde al calentamiento de una sustancia pura.
6. EJERCICIO RESUELTO La gráfica siguiente corresponde al enfriamiento y posterior solidificación de dos líquidos A y B, inicialmente a 10 °C y con la misma masa.
T (°C) 80 60
T (°C) Líquido A Líquido B
30 10 0 Punto de fusión (A)
-30 -39
20 0 0
-60 Punto de fusión (B) -90
40
0
20
40
60
80
100
t (min)
a) Identifica los cambios de estado. 5
10
15 t (min)
b) ¿Cuál es la temperatura de fusión de esta sustancia? ¿Y la temperatura de ebullición?
a) ¿Cuál tiene mayor punto de fusión? ¿Pueden corresponder las dos gráficas a la misma sustancia?
c) ¿Cuánto tiempo tarda en fundirse la sustancia de la gráfica?
b) Razona si el líquido A puede ser agua.
e) ¿En qué estado se encuentra la sustancia a los 5, 25, 50 y 90 minutos de empezar a calentarla?
c) ¿Qué sustancia se enfría más rápidamente? En primer lugar observamos la gráfica para obtener la siguiente información: ara cada líquido se aprecian tres tramos: P • El primer tramo corresponde al enfriamiento del líquido. • El segundo (en el que no varía la temperatura) corresponde al punto de fusión. • En el tercer tramo el sólido continúa enfriándose. a) La sustancia A funde a 0 °C y la B, a -39 °C. No se trata de la misma sustancia, ya que el punto de fusión es una propiedad característica.
d) ¿Cuánto tiempo tarda en convertirse en vapor?
42. La tabla muestra la temperatura de un líquido que se calienta durante 10 minutos. Tiempo (min)
0
2
4
6
8
10
Temperatura (°C)
20
a
40
50
50
50
a) Dibuja la gráfica temperatura (°C)-tiempo (min). b) Interpreta los diferentes tramos de la gráfica. c) ¿Cuál es el punto de ebullición del líquido? ¿Y el de condensación? 43. La gráfica correspondiente al calentamiento de una sustancia inicialmente sólida es la siguiente: T (°C) 100
b) Puede ser; el punto de fusión corresponde al del agua pura: 0 °C. c) La sustancia B: la pendiente de la recta es mayor.
40. Comenta las siguientes frases, indicando su veracidad o falsedad:
50
0 0
10
20
30
t (min)
a) Al calentar un líquido no siempre se produce un aumento de su temperatura.
a) ¿Cuál es el punto de fusión?
b) El agua hierve a 100 °C en cualquier lugar del mundo.
b) Explica qué sucede en cada tramo, según la teoría cinética aplicada a los sólidos y a los líquidos.
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Resumen LOS ESTADOS DE LA MATERIA Características de los sólidos, líquidos y gases. Sólidos
Líquidos
Gases
¿Se expanden? ¿Se comprimen? ¿Cambian de forma en función del recipiente que los contiene? Ejemplos
LA TEORÍA CINÉTICA
. Según la teoría __________ toda la materia que nos rodea está formada por pequeñas
SÓLIDO
en continuo movimiento. Entre las partículas existen fuerzas que son más o menos intensas en función del
. En los gases las
físico de la materia. son menos intensas que en los líquidos. Por eso
las partículas de los gases se mueven con mayor
por todo el volumen
disponible en el recipiente.
Líquido
. Cuando calentamos el gas de un recipiente cerrado las partículas se mueven más
y por eso
las partículas se mueven más
la presión del gas. Al enfriar el gas, y la presión
.
LAS LEYES DE LOS GASES
. Cuando la temperatura permanece constante, si aumentamos la presión de un gas el volumen
. GAS
. Cuando el volumen de un gas permanece fijo, al aumentar la temperatura la presión
.
. Si la presión de un gas permanece constante, cuando aumentamos su temperatura, su
aumenta.
LOS CAMBIOS DE ESTADO Nombres de los cambios de estado.
SÓLIDO
LÍQUIDO
GAS
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3
La materia: cómo se presenta
El monte Etna, situado en Sicilia (Italia), es el volcán más grande de Europa. Esta erupción es del 24 de noviembre de 2006. ¿En qué estados se presenta la materia en un volcán?
EXPERIMENTA Y PIENSA: la materia Te proponemos un juego. Echa en un matraz aceite. ¿Cómo sacarías el aceite sin tocar el matraz, sin moverlo del sitio…?
1
2
3
4
¿En qué propiedad de la materia nos hemos basado para realizar esta experiencia?
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1
Si nos fijamos en el aspecto externo de la materia podemos clasificarla en sustancias puras y en mezclas.
materia Formada por Sustancias puras
1.1 Sustancias puras Mezclas
Por procedimientos físicos
Composición de la materia.
sustancias PURAS
El oro, el agua, el calcio, la sal común o el azúcar de mesa están constituidos por un solo tipo de sustancias. Son sustancias puras. Una sustancia pura es aquella que tiene unas propiedades específicas, tales como la densidad, la temperatura de fusión y de ebullición, etc., que la caracterizan y que sirven para diferenciarla de otras sustancias.
Por ejemplo, el agua se congela a 0 ºC, hierve a 100 ºC y su densidad es 1 kg/L. Algunas sustancias puras, como el agua o la sal común, se pueden descomponer en otras más simples. Las sustancias puras que se pueden descomponer en otras más sencillas por métodos químicos se llaman compuestos.
Pueden ser Sustancias simples
La materia: sustancias puras y mezclas
Compuestos
Por procedimientos químicos
Clasificación de las sustancias.
Por ejemplo, el agua (H2O) es un compuesto, ya que si aplicamos electricidad podemos descomponerla en otras sustancias más simples: oxígeno e hidrógeno. Las sustancias puras que no pueden descomponerse en otras más sencillas se llaman sustancias simples.
El hidrógeno y el oxígeno no se pueden descomponer a su vez en ninguna sustancia, por lo que se trata de sustancias simples.
1.2 Mezclas Mezclas Pueden ser Homogéneas (disolución)
Heterogéneas
Clasificación de las mezclas. Mezcla homogénea o disolución es la que presenta un aspecto uniforme. Es decir, en ella no se aprecia a simple vista que está formada por diferentes sustancias. Ejemplo: café.
La mayor parte de las sustancias que encontramos a nuestro alrededor, como el aire, el agua del grifo, el café, la gasolina, etc., no son sustancias puras, sino la mezcla de varias sustancias. Llamamos mezcla a la materia que resulta de la combinación de varias sustancias puras que se pueden separar utilizando procedimientos físicos.
Podemos distinguir dos tipos de mezclas: Mezcla heterogénea es la que no presenta un aspecto uniforme. Se ve a simple vista que está formada por diferentes sustancias. Ejemplo: granito, formado por cuarzo (transparente), feldespato (blanco) y mica (negro).
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Actividades 1. Añade una marca en la columna correspondiente. Sustancia pura
Mezcla
Sustancia Sustancia Compuesto Homogénea Heterogénea simple Agua mineral
✓
Hierro Bronce
6. ¿Cuáles de las siguientes sustancias metálicas son sustancias puras? a) Cobre.
f) Aluminio.
b) Platino.
g) Plomo.
c) Hierro.
h) Bronce.
d) Acero.
i) Latón.
e) Estaño.
j) Oro.
7. Indica cuáles de las siguientes mezclas son homogéneas y cuáles heterogéneas:
Aire Oxígeno Sal común
2. Observa la composición química del agua mineral de la etiqueta y responde: Análisis químico (en mg/L): Bicarbonatos
208,0
Magnesio
10,4
Sulfatos
54,5
Sodio
13,0
Cloruros
8,7
Potasio
3,9
Calcio
69,0 Sílice Residuo seco 311
9,8
a) Infusión de té.
f) Gel de baño.
b) Agua con azúcar.
g) Refresco con gas.
c) Leche.
h) Trozo de madera con vetas.
d) Agua de mar.
i) Suero fisiológico.
e) Gelatina.
j) Porción de pizza.
8. De las siguientes afirmaciones indica cuáles son verdaderas y cuáles falsas. Cuando sean falsas, indica cuál es el error. a) Las mezclas tienen propiedades específicas bien definidas.
a) ¿El agua mineral es una sustancia pura?
b) Las sustancias puras están formadas por partículas diferentes.
b) Anota las sustancias químicas que bebemos al ingerir un vaso de agua mineral.
c) El aire contenido en una habitación es una gran masa gaseosa de aspecto homogéneo.
c) ¿Por qué no saben igual todas las aguas minerales?
d) Todas las sustancias puras se descomponen en otras sustancias por procedimientos químicos.
3. El granito es una roca que se utiliza como material de construcción por su gran solidez y resistencia. a) ¿Es una sustancia pura o una mezcla? b) ¿Cómo se distinguen a simple vista sus componentes? 4. Señala a qué tipo de sustancia corresponde cada frase. a) Una sustancia que posee una composición química constante y unas propiedades específicas invariables. b) Una sustancia que tiene una densidad y un punto de fusión variables, y que en una parte presenta diferente aspecto que en otra. c) Una sustancia formada por dos componentes que presentan las mismas propiedades y el mismo aspecto en toda la mezcla. 5. Relaciona los siguientes términos: a) Gasolina
Sustancia simple
b) Agua
Mezcla homogénea
c) Azufre
Compuesto
d) Agua con arena
Mezcla heterogénea
9. Completa las siguientes frases eligiendo la opción correcta: a) El agua tiene como propiedad general/específica que solidifica a 0 ºC. b) Por procedimientos químicos/físicos podemos separar mezclas para conseguir sustancias puras. c) Las sustancias puras cuyas partículas pueden descomponerse en otras partículas más sencillas se llaman compuestos/sustancias simples. d) Llamamos compuesto/mezcla a la materia que resulta de la combinación de varias sustancias puras que se pueden separar usando procedimientos físicos. e) El agua mineral embotellada es una sustancia pura/mezcla homogénea. f) Llamamos compuesto/mezcla a la materia que resulta de la combinación de varias sustancias puras que se pueden separar usando procedimientos químicos. g) La leche pura de vaca es una mezcla homogénea/sustancia pura. h) En las mezclas homogéneas/heterogéneas podemos distinguir a simple vista sus partes.
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En la naturaleza las sustancias se encuentran puras en pocas ocasiones; normalmente se presentan mezcladas como mezclas heterogéneas u homogéneas, también llamadas disoluciones.
¿LO SABÍAS? Aleaciones Una aleación es una mezcla homogénea que resulta de la unión de dos o más metales que se mezclan después de haberse fundido. Las propiedades de las aleaciones son diferentes a las de los metales puros (varía su dureza, punto de fusión, etc.). Algunos ejemplos de aleaciones son: Aleación
Mezclas homogéneas: disoluciones
Componentes
Acero
Hierro + carbono
Bronce
Cobre + estaño
Latón
Cobre + cinc
Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias.
2.1 Componentes de una disolución En una disolución se pueden diferenciar dos componentes, según la proporción en la que se encuentren: • Disolvente: es el componente que se encuentra en mayor proporción en la disolución. • Soluto: es el componente o componentes que están en menor proporción. Por ejemplo, en una disolución formada por sal en agua, el agua sería el disolvente, y la sal, el soluto.
VOCABULARIO Amalgama: aleación de mercurio (un metal líquido) con otros metales. Hojalata: lámina de hierro o acero recubierta de estaño por ambas caras.
Soluto
Disolvente
Disolución
Existen diferentes tipos de disoluciones, en las que tanto el soluto como el disolvente se pueden encontrar en diferentes estados físicos. Disolvente Gas
Líquido
Sólido
Soluto
Disolución
Ejemplo
Gas
Gas
Aire
Gas
Líquido
Bebidas refrescantes con gas
Líquido
Líquido
Agua y alcohol
Sólido
Líquido
Azúcar en agua
Sólido
Sólido
Aleación, como bronce o latón
2.2 Tipos de disoluciones
Disolución diluida
Disolución concentrada
En función de la cantidad de soluto que contengan, las disoluciones se pueden clasificar en: • Diluidas: contienen poca cantidad de soluto. • Concentradas: contienen gran cantidad de soluto. • Saturadas: no admiten más cantidad de soluto disuelto.
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Actividades 10. Tenemos dos disoluciones de leche con cacao.
13. Indica el estado (sólido, líquido o gas) del soluto y del disolvente de las siguientes mezclas: Mezcla
2
Soluto
Disolvente
Aire Niebla
1
Azúcar en agua Bronce (aleación) Agua con gas
14. Para mezclar dos metales como cobre y cinc, es decir, para realizar lo que se llama una aleación, es necesario fundirlos previamente. El resultado es la aleación denominada latón: a) ¿Es una disolución o una mezcla? b) ¿Puede haber entonces disoluciones sólidas? a) ¿Cuál es el disolvente y cuál es el soluto? b) ¿Qué disolución es la más diluida? ¿Y la más concentrada? c) ¿Cómo podemos concentrar más la disolución más diluida?
15. En el siguiente cuadro se reflejan (en tanto por ciento) las sustancias presentes en la atmósfera de Marte y de la Tierra. Planeta Tierra
• Nitrógeno: 78 % • Oxígeno: 21 % • Argón: 1 % • Vapor de agua: 0-2 %
Marte
• Dióxido de carbono: 95,3 % • Nitrógeno: 2,7 % • Argón: 1,6 % • Oxígeno: 0,13 % • Vapor de agua: 0,03 %
d) ¿Cómo podemos diluir más la disolución más concentrada? e) ¿Cómo podemos saturar ambas disoluciones? 11. ¿Cuál es el disolvente y cuál es el soluto del agua del mar? 12. De las siguientes sustancias indica cuáles son disoluciones y cuáles no. Sustancia
Formada por
Sal de cocina
Cloruro de sodio (NaCl)
Agua potable
Diferentes sales y agua
Lejía
Agua e hipoclorito de sodio
Aspirina
Ácido acetilsalicílico y sacarosa
Azúcar de mesa
Sacarosa
Refresco de cola
Agua, dióxido de carbono y cafeína
Disolución Sí/No
Composición de la atmósfera
a) Indica cuál podemos considerar el disolvente y cuáles los solutos en la atmósfera de cada planeta. b) Indica cuáles son los compuestos y las sustancias simples de la atmósfera de cada planeta.
No
16. Completa las siguientes frases eligiendo la opción correcta: a) La atmósfera es una disolución de gases/líquidos. b) Se vierte agua, aproximadamente hasta la mitad, en un vaso de precipitados. Se añade un poco de azúcar y se agita. El azúcar «desaparece», decimos que se precipita/disuelve y queda un líquido transparente, al que llamamos disolución/disolvente. c) Una disolución es una mezcla homogénea/heterogénea, formada por dos o más sustancias puras/sustancias simples.
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2.3 Modos de expresar la concentración de las disoluciones RECUERDA La densidad del agua es: d = 1 g/cm3 = 1000 kg/m3 Esto significa que 1 cm3 de agua tiene 1 g de masa. Es decir, 1000 cm3 (1 L) de agua tienen 1000 g (1 kg) de masa. Por eso se suele decir que 1 litro de agua «pesa» 1 kg. Equivalencias: 3
• 1 mL = 1 cm . • 1 L = 100 cm3. • 1 m3 = 106 cm3.
Para expresar la cantidad de soluto que hay en una disolución utilizamos una magnitud denominada concentración. Hay varias formas de expresar la concentración de una disolución.
Concentración en tanto por ciento en masa (%) Se utiliza cuando se diluye un sólido en un disolvente líquido o sólido. Nos indica los gramos de soluto que hay contenidos en 100 g de disolución. Matemáticamente se puede expresar así: % en masa de soluto =
masa de soluto $ 100 masa de disolución
La masa de soluto y la masa de disolución se deben expresar en las mismas unidades. Una disolución al 30 % de glucosa (azúcar de mesa) en agua indica que en 100 gramos de disolución hay 30 g de glucosa (soluto).
Concentración en tanto por ciento en volumen (%) Se aplica cuando se disuelve un fluido en otro fluido. Es decir, cuando los dos componentes de una disolución (soluto y disolvente) son fluidos. (Los líquidos y los gases son fluidos.) Nos indica el volumen de soluto que hay en 100 unidades de volumen de disolución. % en volumen = Cuando se habla de un vino con una graduación alcohólica de 13,5° significa que contiene 13,5 % de alcohol, es decir, 135 mL de alcohol por litro de vino.
En la vida cotidiana…
volumen de soluto $ 100 volumen de disolución
Los dos volúmenes también deben expresarse en la misma unidad (normalmente en mL o L). Para expresar la concentración del aire se suele decir que está constituido por el 21 % de oxígeno y el 79 % de nitrógeno. Esto quiere decir que en cada 100 L de aire hay 21 L de oxígeno y 79 L de nitrógeno.
Concentración en gramos por litro (g/L) Se utiliza cuando el soluto es un sólido y el disolvente es un líquido. Nos indica la masa de soluto, en gramos, que hay en cierto volumen de disolución. C (g/L) = Los alcoholímetros miden la concentración de alcohol en el aire espirado. Se parte de la siguiente relación: 2000 L de aire espirado equivalen a 1 L de sangre. De esta forma se obtiene la cantidad de alcohol en sangre, expresada en g/L.
gramos de soluto volumen de disolución
Es importante utilizar la masa de soluto en gramos (g) y el volumen de la disolución en litros (L). Es decir, antes de sustituir datos hemos de asegurarnos de que estos datos estén en las unidades mencionadas. Por ejemplo, cuando se indica que la concentración máxima de glucosa en sangre es de 1 g/L, significa que en cada litro de sangre debe haber como máximo 1 g de glucosa. Si una persona adulta tiene unos 5 L de sangre, podría tener, como máximo, 5 g de glucosa.
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Actividades 17. La masa de una disolución es igual a la suma de: a) El volumen de disolvente y de soluto. b) La masa del disolvente y la del soluto. c) La masa de la disolución y la del soluto.
1. EJERCICIO RESUELTO Se han preparado dos disoluciones añadiendo 10 g de azúcar y 5 g de sal a 100 g de agua. Calcula. a) El porcentaje en masa de azúcar. b) El porcentaje en masa de sal. Para calcular el porcentaje en masa hay que tener en cuenta la masa de la disolución, que se obtiene al sumar las masas de los solutos y del disolvente. a) Para el azúcar:
% en masa de azúcar = 10 g de azúcar = $ 100 = 8,70 % (100 + 10 + 5) g de disolución
b) Para la sal:
% en masa de sal = 5 g de sal = $ 100 = 4,35 % (100 + 10 + 5) g de disolución
18. Se disuelven 15 g de cloruro de sodio (sal común) en agua hasta obtener 75 g de disolución. Calcula la concentración en tanto por ciento en masa de la disolución obtenida. 19. Una disolución contiene 2 kg de azúcar en 100 kg de agua. Calcula la concentración de la disolución en % en masa. 20. Indica qué disolución es más concentrada: una que se prepara disolviendo 10 g de sal en 100 g de agua o una que se prepara disolviendo 5 g de sal en 20 g de agua.
Despeja incógnitas en una ecuación Todo lo que está multiplicando a la incógnita en un lado de la ecuación pasa al otro lado de la ecuación dividiendo. Observa: 6 3?x=6"x= 3 Todo lo que está dividiendo a la incógnita en un lado de la ecuación pasa al otro lado multiplicando: x =4"x=4?3 3
2. EJERCICIO RESUELTO En la etiqueta de una botella de vino de 75 cL pone 12 º. ¿Qué cantidad de etanol (alcohol) tiene la botella de vino? Observa que las cantidades que forman la disolución se miden en unidades de volumen (cL). Por tanto, debemos utilizar la expresión de porcentaje en volumen. % en volumen de soluto = volumen de soluto = $ 100 volumen de disolución Colocamos en la ecuación los términos que conocemos: Vetanol 12 = $ 100 75 cl Por último despejamos en la ecuación. Los términos que están multiplicando en un miembro pasan al otro dividiendo. Y los miembros que están dividiendo en un miembro pasan al otro multiplicando. 12 $ 75 cL Vetanol = = 9 cL de etanol 100 21. Se ha preparado una disolución añadiendo 10 mL de alcohol a 100 mL de agua. Calcula el porcentaje en volumen de alcohol. 22. Una bebida alcohólica tiene un 14 % en volumen de alcohol. Calcula la cantidad de alcohol que tomaremos si ingerimos un vaso de 120 cm3 de dicha bebida.
3. EJERCICIO RESUELTO Se prepara una disolución diluyendo 5 g de cloruro de sodio (sal común) en 250 mL de agua. ¿Cuál será la concentración en g/L de la disolución preparada? Primero debemos comprobar las unidades. Nos dan la masa de soluto en gramos, pero el volumen viene en mL, por lo que hay que cambiarlo a litros. Sabemos que 1 mL = 1 cm3 y que 1 L = 1000 cm3. Por tanto, 250 mL = 250 cm3. 1L = 0,25 L 250 cm 3 ? 1000 cm 3 Ahora ya podemos resolver: 5g Concentración en masa de soluto = = 20 g/L 0,25 L 23. El suero fisiológico empleado en medicina contiene 9 g/L de cloruro de sodio. Deseamos preparar un vaso (0,2 L) de suero fisiológico. ¿Qué cantidad de sal deberíamos añadir a dicho vaso?
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La solubilidad
Si tenemos una disolución de sal en agua podemos añadir soluto y remover hasta que se disuelva. Pero si echamos más y más llega un momento en que no se puede disolver más sal y cualquier cantidad adicional de soluto que añadamos se queda depositada en el fondo del recipiente.
1
Se llama solubilidad de una sustancia a la cantidad máxima de soluto que se puede disolver en un disolvente determinado. A 20 ºC la disolución de sal en agua está saturada: no se disuelve más sal aunque removamos.
La forma más común de expresar la solubilidad es en gramos de soluto por cada 100 mL de disolvente o gramos de soluto por cada litro de disolvente.
2
A 60 ºC se ha disuelto toda la sal. La disolución ya no está saturada.
Como la sal es soluble en agua, al añadir una pequeña cantidad de sal (soluto) se disuelve.
Al añadir más sal se sigue disolviendo, pero la concentración de la disolución aumenta.
Al seguir añadiendo sal, llega un momento en el que no se disuelve. Decimos que la disolución está saturada.
Por ejemplo, la solubilidad de la sal común en agua es de 360 g/L a 20 ºC. Este valor indica que en un litro de agua (1000 cm3) a 20 ºC, la cantidad máxima de sal que se puede disolver es 360 g. Es decir, si añadimos más de 360 g, todo lo que añadamos de más no se disolverá y quedará en el fondo del recipiente.
3.1 Solubilidad y temperatura La solubilidad varía mucho de unas sustancias a otras. Hay sustancias totalmente insolubles en agua (como el yodo) y otras muy solubles (como el azúcar). Por tanto, la solubilidad es una propiedad específica del soluto que nos sirve para identificar sustancias puras. La cantidad de oxígeno disuelto disminuye si se calienta el agua. Esto es lo que ocurre cuando el agua caliente procedente de un circuito de refrigeración de una central térmica se vierte a los ríos, lagos o embalses. Los peces y otros seres vivos pueden morir si no tienen suficiente oxígeno para respirar.
En la mayoría de las sustancias la solubilidad varía con la temperatura. Generalmente la solubilidad de los sólidos aumenta con la temperatura. Por eso es más fácil disolver cacao en polvo en leche caliente que en leche fría. La solubilidad de los gases en los líquidos también varía con la temperatura, pero ocurre lo contrario que en los sólidos. Es decir, al aumentar la temperatura la solubilidad del gas disminuye.
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Actividades 24. ¿Cuándo tendrán los peces más oxígeno para respirar? a) ¿En invierno o en verano? ¿Por qué?
30. La siguiente gráfica muestra la solubilidad de diferentes sustancias en función de la temperatura. Solubilidad (g soluto/100 g de agua)
b) ¿En un lago de alta montaña o en uno a nivel del mar? ¿Por qué?
180 160
25. Si dejamos un vaso de una bebida carbónica (por ejemplo, agua con gas) bien fría observamos que según va pasando el tiempo disminuye el número de burbujas presentes en el líquido. ¿A qué crees que es debido?
140
KNO3
120
K2CrO4
Pb(NO3)2 NaCl
100 80 60 40
26. ¿Qué significa que la solubilidad del nitrato de potasio es de 320 g/L a 20 ºC? 27. Cuando abrimos una botella fría de una bebida carbónica, como sidra o cava, se observa que se desprenden muchas burbujas. Sin embargo, si abrimos la botella a temperatura ambiente el número de burbujas que salen es mayor.
20 20
30
40
50
60
La solubilidad del nitrato de potasio (KNO3) varía mucho cuando cambia la temperatura. Observa que es la curva con mayor pendiente.
70
80
90
100 T (°C)
La solubilidad de la sal común, cloruro de sodio (NaCl), apenas varía con la temperatura.
a) ¿De qué están formadas las burbujas que se desprenden?
a) ¿Qué sustancia posee una solubilidad que apenas varía con la temperatura?
b) ¿Por qué se desprenden más burbujas a temperatura ambiente?
b) ¿Qué sustancia presenta mayor variación en su solubilidad cuando cambia la temperatura?
c) ¿Por qué salen las burbujas cuando se destapa la botella?
c) ¿Qué sustancia se disuelve mejor a 25 ºC? ¿Y a 80 ºC?
28. Las bebidas gaseosas, como los refrescos o el cava, tienen dióxido de carbono disuelto. ¿Por qué crees que estas bebidas se sirven en vasos o copas que estén fríos? 29. Observa la gráfica, que muestra la solubilidad del oxígeno en agua, y determina cuánto disminuye la cantidad de oxígeno disuelto en cada litro de agua, cuando su temperatura pasa de 10 a 30 ºC. Solubilidad (mg/L) 16 14 12 10 8 6 4 2 0
31. Disponemos de una solución saturada de nitrato de potasio a 70 ºC. Si dejamos enfriar dicha solución, ¿qué ocurrirá? 32. Completa las siguientes frases utilizando en cada caso el término más adecuado: a) Cuando una disolución no admite más cantidad de soluto se dice que está diluida/saturada. b) La cantidad de disolvente/soluto que se puede disolver en una cantidad determinada de disolvente, a una presión/temperatura concreta, se llama solubilidad/disolución. c) La forma más habitual de expresar la solubilidad es en gramos de soluto por cada L/cm3 de (disolvente/disolución).
O2
d) La solubilidad de los sólidos en los líquidos aumenta/disminuye al aumentar la temperatura.
0
10
20
30
40 T (°C)
33. ¿Puede una disolución saturada ser diluida? ¿Y una disolución saturada ser concentrada? Razona la respuesta.
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¿LO SABÍAS? No todos los líquidos son solubles en agua. Los líquidos que no se pueden mezclar, como el aceite y el agua, se llaman inmiscibles. Los líquidos que se mezclan perfectamente, como el alcohol y el agua, se llaman miscibles.
Métodos de separación de mezclas homogéneas
Las sustancias que forman una mezcla se pueden separar utilizando diferentes procedimientos físicos. El método empleado depende del tamaño de las partículas y de las propiedades de las sustancias que queremos separar. Los componentes de una mezcla homogénea no se aprecian a simple vista, por lo que las técnicas utilizadas para separar unos de otros se basan en propiedades de los mismos, como la temperatura de ebullición. Cristalización
Este procedimiento se emplea para separar un sólido disuelto en un líquido; por ejemplo, sal común disuelta en agua. Para ello dejamos evaporar el líquido y el sólido aparecerá en el fondo del recipiente en forma de cristales.
Sulfato de cobre disuelto en agua
El agua se ha evaporado
En el laboratorio llevamos a cabo este proceso utilizando un cristalizador, que es un recipiente donde el líquido se evapora lentamente y aparece el sólido en forma de cristales. En la imagen se observan los cristales de sulfato de cobre obtenidos a partir de una disolución de sulfato de cobre en agua.
Cristalizador
Cristales de sulfato de cobre
Destilación La destilación es un método que sirve para separar los líquidos mezclados en una disolución (líquidos miscibles). Se basa en la diferencia en las temperaturas de ebullición de cada componente. El material que se utiliza es un destilador, y el proceso empleado consiste en los siguientes pasos: 1. La mezcla se introduce en un matraz cerrado y se calienta hasta que hierve. El componente con el punto de ebullición más bajo es el primero que comienza a convertirse en vapor. 2. El vapor se hace pasar por un tubo refrigerante en el que se enfría. El frío condensa el gas, que pasa a estado líquido.
Salida de agua
Tubo refrigerante
2 1 Mezcla
Entrada de agua
3
3. El líquido obtenido se recoge como sustancia pura. 4. Si continuamos calentando iremos obteniendo, progresivamente, todos los líquidos que forman la mezcla.
Sustancia pura
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Actividades 34. Lee el siguiente experimento y completa las frases en tu cuaderno eligiendo la opción correcta en cada caso.
39. Completa el siguiente esquema utilizando los rótulos que se adjuntan:
Tomamos una muestra de agua del mar y la ponemos a calentar en un vaso de precipitados. Al cabo de un tiempo, cuando el agua se ha evaporado, queda en el fondo un residuo sólido de color blanco: son las sales que estaban disueltas en el agua. a) Este método de separación se denomina destilación/cristalización. b) De esta misma forma se obtiene sal (cloruro de sodio) en las marismas/salinas cerca del mar. c) El agua del mar se evapora/condensa en lagunas muy poco profundas, y la mezcla/sal queda como residuo. 35. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, corrigiéndolas en este último caso. a) La destilación es un método basado en un proceso químico, ya que afecta a las sustancias, separándolas. b) La destilación es una técnica que se utiliza para separar líquidos inmiscibles (que no se pueden mezclar). c) La cristalización se emplea para separar un líquido de un gas disuelto. 36. Disponemos de dos líquidos, benceno y tolueno. Conocemos los puntos de ebullición de cada uno de ellos: 80,1 y 110,6 ºC, respectivamente.
Líquido recogido
Condensación de la sustancia pura Matraz con la mezcla que se quiere separar
Tubo refrigerante
Salida de agua
Vapor de la sustancia pura
Entrada de agua fría
40. Explica el procedimiento que se utiliza en las salinas para obtener sal a partir de agua del mar. ¿Por qué la mayoría de las salinas están ubicadas a orillas del mar y en zonas con temperaturas templadas y altas?
a) ¿Qué método utilizarías para separarlos? b) ¿Qué líquido separarías en primer lugar? ¿Por qué? 37. ¿Cuántos cambios de estado se producen en una destilación? ¿Cómo se denominan? 38. Mediante destilación se intentan separar los componentes de una mezcla homogénea formada por alcohol y agua. Ordena correctamente la secuencia de pasos que se debe seguir para separar correctamente los componentes de dicha mezcla. A. Se recoge en el vaso de precipitados el alcohol. B. Se calienta la mezcla de alcohol y agua con un mechero Bunsen hasta que se produce la ebullición de la mezcla. C. En un matraz queda depositada el agua. D. Se coloca una disolución de agua y alcohol en el interior de un matraz. E. En el refrigerante se condensa el componente de menor punto de ebullición, el alcohol.
41. Explica qué procedimiento utilizarías para separar el alcohol presente en una botella de vino teniendo en cuenta que el alcohol hierve a la temperatura de 76 ºC, y el agua, a 100 ºC.
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Métodos de separación de mezclas heterogéneas
Para separar las sustancias que forman parte de una mezcla heterogénea podemos utilizar diversos métodos basados en las propiedades físicas de las mismas, como: • El tamaño. • El comportamiento magnético. • La densidad, etc. Tamizado o criba Con este procedimiento separamos diferentes sólidos de distinto tamaño. Por ejemplo, arena y grava. Para ello se utiliza un tamiz o criba. Los granos más pequeños atraviesan el tamiz, y los más grandes son retenidos.
Filtración Con este procedimiento podemos separar un sólido no disuelto en un líquido. Para ello hacemos pasar la mezcla por un filtro suficientemente fino.
Sólido
El sólido no puede atravesar el filtro, por lo que queda retenido, y el líquido pasa por él y llega al recipiente que se coloca debajo.
Líquido
Separación magnética Sirve para separar mezclas en las que uno de los componentes tiene propiedades magnéticas (como hierro, níquel, cobalto) y el otro no. Para ello se utiliza un imán. En una mezcla formada por azufre y limaduras de hierro, este se puede separar con un imán gracias a su atracción magnética. Limaduras de hierro
Decantación Este es el procedimiento adecuado para separar dos líquidos que no se pueden mezclar (líquidos inmiscibles) de distinta densidad. Por ejemplo, aceite y agua. Para ello se utiliza un embudo especial, llamado embudo de decantación. Los dos líquidos se colocan en el embudo. Dejamos reposar la mezcla para que se separen bien los componentes. En la parte inferior el embudo tiene una válvula que, al abrirse, deja caer primero el líquido de mayor densidad, que en este caso es el agua. Cuando termine de caer el agua se cierra la llave y recogemos el otro líquido en un recipiente diferente.
Aceite
Agua
Válvula
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Actividades 42. Relaciona las técnicas de separación con las propiedades en las que se basan. Propiedad en la que se basa
Técnica de separación Criba
Solubilidad
Filtración
Densidad
Destilación
Punto de ebullición
Sep. magnética
Tamaño de la partícula
Cristalización
Ferromagnetismo
Decantación
Volatilidad (facilidad para la evaporación)
43 Explica qué procedimiento utilizarías para separar los componentes de las siguientes mezclas. a) Agua y azúcar. b) Agua, arena y sal. c) Gasolina y agua. d) Limaduras de hierro y arena. 44. Se mezclan arena y sal común. a) ¿Qué tipo de mezcla se obtiene? b) Si a esa mezcla se le añade agua, se agita y se dejan pasar unos minutos, ¿dónde se encuentra la arena? ¿Y la sal?
47. Prepara un zumo de naranja. Déjalo en reposo (al cabo de una hora aproximadamente el zumo se hace transparente en la parte superior y turbia en la inferior). Cuela el zumo con un colador de malla pequeña y observarás que la pulpa de la naranja se separa del líquido. Ahora responde a las siguientes cuestiones. a) ¿Qué tipo de sustancia es el zumo de naranja? b) ¿Qué observas después del reposo? c) ¿Qué nombre recibe cada una de las técnicas que has empleado? d) ¿Qué tipo de sustancia has obtenido en cada paso? 48. ¿Cómo crees que podríamos separar una mezcla de serrín y arena sabiendo que el serrín flota en el agua? 49. El petróleo es un líquido pegajoso de color marrón oscuro formado por una mezcla de centenares de compuestos diferentes.
c) Si se filtra la mezcla, ¿qué pasa? d) Si lo que queda se calienta, ¿qué sucede? 45. Indica cuál de los métodos de separación se basa en las distintas densidades de las sustancias que se quieren separar. a) Filtración.
c) Decantación.
b) Cristalización.
d) Destilación.
46. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, y corrígelas en este último caso. a) Los métodos de separación de mezclas heterogéneas utilizan procesos físicos. b) El tamizado sirve para separar dos sustancias líquidas haciéndolas pasar por cribas que separan los líquidos según su densidad. c) La separación magnética sirve para separar dos sustancias sólidas, al ser atraída una de ellas por un imán. d) Podemos utilizar la técnica de decantación en la producción de zumos de frutas, ya que separa los restos de piel y pulpa del zumo. e) Los métodos de separación de una mezcla se basan en las diferentes propiedades de sus componentes.
Tal y como se extrae de los yacimientos petrolíferos tiene pocos usos. ¿Cómo crees que se separan los productos derivados del petróleo, como gasolinas, gasóleo, butano, queroseno, etc.? a) Por tamizado. b) Por separación magnética. c) Por destilación. d) Mediante filtración. Pista: Recuerda que muchos de los componentes del petróleo son líquidos (gasolina, queroseno, etc.).
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6 ¿LO SABÍAS? Los átomos son unidades muy pequeñas. Para que te hagas una idea, la punta de un alfiler está formada por trillones de átomos de hierro.
John Dalton (1766-1844). Químico y físico inglés.
Átomo de oxígeno Oxígeno (O2) Ozono (O3) Átomo de hierro
Hemos estudiado cómo se presenta la materia y cómo se clasifica, pero nos quedan preguntas por responder, como por ejemplo: ¿cómo es la materia por dentro? ¿A qué se debe tal variedad de sustancias? Desde la Antigüedad, los científicos y los filósofos han intentado responder a estas preguntas. Varios siglos antes de Cristo los filósofos discutían sobre la naturaleza de la materia. Demócrito (460-370 a.C.) defendió que la materia estaba formada por partículas muy pequeñas a las que denominó átomos, que en griego significa «indivisibles». En la misma época otros filósofos griegos, como Platón y Aristóteles, defendían la teoría contraria, es decir, que cualquier cuerpo podía ser dividido indefinidamente y que una vez roto en dos los pedazos resultantes podían ser divididos de nuevo, y esos fragmentos resultantes podrían ser fragmentados de nuevo, y así hasta el infinito. Las ideas de Platón y Aristóteles se tomaron como ciertas hasta finales del siglo XVIII. El primer científico que volvió a hablar de átomos fue John Dalton, quien realizó experiencias en su laboratorio y señaló que la materia estaba formada por átomos. La teoría atómica de Dalton se puede resumir en los siguientes puntos: 1. Todas las sustancias están formadas por unidades muy pequeñas denominadas átomos. Los átomos son las partículas mínimas, indivisibles e indestructibles (es decir, no se modifican en ningún proceso químico ni físico).
Existen diferentes tipos de átomos, como los átomos de oxígeno, de hidrógeno, de nitrógeno, de hierro, de carbono… que tienen distintos tamaños y masas. Las sustancias puras reciben el nombre de sustancias simples o compuestos químicos en función de si están formadas por un solo tipo de átomos o por varios átomos diferentes. 2. Las sustancias simples o elementos son sustancias formadas por un solo tipo de átomos.
Hierro Sustancias simples formadas por la unión de átomos iguales.
Agua (H2O)
Teoría atómico-molecular de Dalton
Amoniaco (NH3)
Monóxido de carbono (CO) Sustancias compuestas formadas por la unión de átomos diferentes.
Los elementos se representan por símbolos. Cada elemento químico está formado por átomos iguales y distintos de los átomos de otro elemento. Son ejemplos de elementos químicos el hierro (Fe), el hidrógeno (H2), el oxígeno (O2), el carbono (C), etc. 3. Un compuesto químico es una sustancia pura que se forma por la unión de átomos de elementos diferentes.
Los compuestos se representan por fórmulas. Algunos ejemplos de compuestos son el agua (H2O), formada por la unión de átomos de hidrógeno y de oxígeno, o el metano (CH4), formado por la unión de átomos de carbono e hidrógeno.
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Actividades 50. El filósofo griego Aristóteles (384-322 a.C.) desarrolló muchas teorías sobre la naturaleza de la física. Estas teorías comprendieron lo que Aristóteles llamó los cuatro elementos. Así, pensaba que el universo estaba formado por la combinación de cuatro elementos básicos: tierra, aire, agua y fuego.
d)
¿Podemos considerar actualmente las cuatro sustancias señaladas por Aristóteles como sustancias simples? 51. Indica en cuál o cuáles de los recipientes que se representan abajo hay una sustancia simple (elemento), un compuesto, una sustancia pura o una mezcla. a)
c)
b)
d)
52. En los siguientes dibujos indica cuáles corresponden a una sustancia pura y cuáles a una mezcla.
e)
53. La fórmula del dióxido de carbono es CO2, que indica que cada partícula de CO2 está formada por un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno. Indica los átomos que forman cada una de las siguientes sustancias: a) Amoniaco (NH3). b) Monóxido de carbono (CO). c) Alcohol etílico (C2H6O).
a)
d) Glucosa o azúcar de mesa (C6H12O6). e) Nitrógeno (N2). f) Ácido sulfúrico (H2SO4). 54. Dalton definió un símbolo para referirse a cada átomo. Escribía las fórmulas de los compuestos combinando los símbolos de los átomos que los constituían. b) Hidrógeno
Oxígeno
Carbono
Nitrógeno
Fósforo
Aluminio
C Azufre
c)
Cobre
Utiliza los símbolos de Dalton y representa con ellos los siguientes compuestos: a) Dióxido de azufre (SO2). b) Monóxido de carbono (CO). c) Dióxido de nitrógeno (NO2). d) Trióxido de azufre (SO3). e) Hidróxido de aluminio [Al(OH)3].
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Resumen LA MATERIA: SUSTANCIAS PURAS Y MEZCLAS Clasificación de la materia. materia
sustancias PURAS
Mezclas
Formada por
Pueden ser
Pueden ser
Sustancias simples
Por procedimientos químicos
Por procedimientos físicos
MEZCLAS HOMOGÉNEAS: DISOLUCIONES
. Una disolución es una mezcla
de dos o más componentes.
En una disolución: • El
es el componente que está en menor proporción.
• El
es el componente que está en mayor proporción.
. Se llama solubilidad de una sustancia a la máxima cantidad de que se puede disolver en un disolvente determinado. MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS
. Cristalización: separación de un
disuelto en un líquido
por evaporación del líquido.
. Destilación: separación de dos mezclados en una disolución. . Decantación: separación de dos inmiscibles. . Criba: separación de mezclas de varios con diferente tamaño. . Filtración: separación de un sólido que está mezclado con un . . Separación magnética: separación de dos componentes cuando uno de ellos tiene propiedades
.
TEORÍA ATÓMICO-MOLECULAR DE DALTON La teoría atómico-molecular de Dalton se resume en los siguientes apartados: • La materia está formada por
, que son partículas
e indestructibles. • Las sustancias simples son sustancias formadas por átomos de un mismo
.
• Un compuesto químico es una sustancia pura formada por la unión de
de distintos elementos.
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La materia: propiedades eléctricas y el átomo
En la fotografía se muestran átomos de silicio (Si). ¿Cómo crees que se ha obtenido esta imagen?
EXPERIMENTA Y PIENSA: ¿cómo separarías la sal de la pimienta? 1
2
¿Serías capaz de separarlas sin tocarlas, solo con una varilla de vidrio y un pañuelo de seda…? Observa las fotografías: ¿qué propiedad de la materia hemos utilizado?
51
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1
¿LO SABÍAS? El descubrimiento de la electricidad fue durante muchos años un «juego misterioso», del que no se conocía su causa y sin ningún tipo de aplicación.
Fenómenos eléctricos: electrostática
Hacia el año 600 a.C. Tales de Mileto descubrió que frotando un trozo de ámbar, este atraía pequeñas plumas, hilos, etc. Como el ámbar entonces se llamaba elektron, a aquel fenómeno se le denominó electricidad.
EXPERIENCIA: ¿por qué se electrizan los cuerpos?
El globo, después de ser frotado varias veces con un jersey de lana, atrae una lata metálica.
Dos trozos de ámbar electrizados se repelen.
Dos trozos de vidrio electrizados se repelen.
Un trozo de vidrio y otro de ámbar electrizados se atraen.
Entre los cuerpos electrizados se originan fuerzas eléctricas de atracción o repulsión.
Bola metálica
Barra metálica Láminas metálicas
Después de ser frotado varias veces con lana, un bolígrafo desvía un fino chorro de agua.
En las experiencias anteriores hay algo en común: cuando se frotan los dos cuerpos entre sí, ambos adquieren un estado especial que no poseían antes, es decir, están electrizados. Cuando se frota una varilla de vidrio con un trapo de lana es capaz de atraer pequeños trozos de papel. Lo mismo ocurre con una varita de ámbar. Pero si se acercan dos barras de vidrio (o ámbar) después de ser frotadas con seda, se repelen entre sí, mientras que si se acercan una de vidrio y otra de ámbar, se atraen. Estos materiales (vidrio y ámbar) se han electrizado tras el frotamiento y han adquirido una nueva propiedad que no poseían antes denominada carga eléctrica. Esta propiedad se manifiesta por dos tipos de fuerzas: atracción y repulsión. Entre dos cuerpos electrizados se originan fuerzas eléctricas. Existen dos tipos de carga eléctrica que llamamos positiva (+) y negativa (-). Las cargas del mismo tipo se repelen y las de distinto tipo se atraen.
1.1 El electroscopio
ELECTROSCOPIO
Tapón de corcho
Un cepillo de plástico atrae los cabellos próximos después de ser utilizado varias veces.
El electroscopio es un dispositivo que sirve para averiguar si un cuerpo tiene carga. Si se toca la parte superior del electroscopio con un objeto eléctricamente cargado las láminas móviles adquieren carga del mismo signo y se separan, es decir, se repelen. Cuanto más se separen las láminas, mayor será la carga del cuerpo. Sin embargo, con el electroscopio no es posible averiguar qué tipo de carga lleva el cuerpo, pues se comporta igual con los cuerpos cargados positivamente y con los cuerpos cargados negativamente.
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Actividades 1. Completa las siguientes frases, utilizando la palabra correcta en cada caso. a) Las cargas de distinto tipo se atraen/repelen y las del mismo tipo se contraen/repelen. b) La propiedad que adquieren algunos cuerpos al frotarlos con un paño de lana, por ejemplo, se llama carga eléctrica/atracción eléctrica. c) El electroscopio nos indica si un cuerpo tiene masa/carga eléctrica. 2. Si un cuerpo queda cargado positivamente al frotarse con otro cuerpo, ¿qué carga adquirirá este segundo cuerpo?
c) Para saber la carga de un cuerpo utilizamos el electroscopio. d) Los objetos que tienen la misma cantidad de carga se repelen y los de distinta carga se atraen. 5. En ocasiones, al tocar a un compañero se produce una descarga y sentimos un pequeño calambre. ¿Por qué crees que sucede? ¿Tiene algo que ver la fibra con la que estamos vestidos? 6. Si acercamos una varilla cargada positivamente a un electroscopio, ¿qué ocurrirá con las láminas?
a) Positiva. b) Negativa. c) No adquiere carga. 3. Cuando acercamos un bolígrafo cargado a un montón de papelitos, el bolígrafo atrae a los papelitos. Elige la respuesta correcta y explica por qué:
Tapón de corcho
Bola metálica
Barra metálica Láminas metálicas
a) Se abren las láminas metálicas, es decir, se repelen. b) Se cierran las láminas metálicas, es decir, se atraen. 7. ¿Para qué se utiliza un electroscopio? a) Para conocer la masa de un objeto. a) Todos los papelitos tienen carga eléctrica neta opuesta a la carga eléctrica del bolígrafo. b) Los papelitos se pegan al bolígrafo, ya que tienen un tamaño muy pequeño. c) Los papelitos no tienen carga eléctrica neta. Pero al acercar el bolígrafo cargado, las cargas de los papelitos se redistribuyen y se produce una atracción entre cargas de distinto signo. d) La carga del bolígrafo pasa a los papelitos y estos se sienten atraídos a continuación por el bolígrafo. 4. Indica si lo que expresan las siguientes frases es verdadero o falso. a) Cuando dos cuerpos se electrizan al frotarlos adquieren carga del mismo signo. b) Las cargas del mismo signo se atraen y las cargas de distinto signo se repelen.
b) Para saber si un cuerpo tiene carga eléctrica. c) Para estudiar las atracciones y las repulsiones entre cuerpos cargados. d) Para conocer el tipo de carga que lleva un cuerpo. 8. Cuando se frota una varilla de plástico PVC con un trapo de lana, es capaz de atraer pequeños trozos de papel. a) Pero si se acercan dos barras frotadas de PVC, qué ocurrirá: se atraen/se repelen. b) Y si se acercan una varilla de vidrio y otra de PVC, qué ocurrirá: se atraen/se repelen. 9. Dibuja la carga que adquieren un bolígrafo de plástico y un jersey de lana, si se frota el primero con el segundo, sabiendo que el bolígrafo se carga negativamente.
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2 ¿LO SABÍAS? La unidad de masa atómica Si se elige el kilogramo o el gramo para medir la masa de los átomos, los valores son tan pequeños que resulta incómodo su uso. Por ejemplo, la masa de un átomo de uranio, uno de los más pesados, es de 3,95 ? 10-25 kg. Para evitar este inconveniente se define la unidad de masa atómica, u: 1 u = 1,66 ? 10-27 kg
1 u = 1,66 ? 10-24 g
Las partículas que forman los átomos
La idea de Dalton de que el átomo era indivisible se mantuvo hasta mediados del siglo xix, cuando se descubrieron diversas partículas en el interior de los átomos que eran las mismas para todos ellos. Es decir, los átomos se diferenciaban unos de otros en el número de partículas que los constituyen. Gracias al descubrimiento de las partículas que constituyen el átomo se pudieron explicar los fenómenos eléctricos.
2.1 El electrón En 1897 el físico inglés J. J. Thomson descubrió en su laboratorio que en todos los átomos hay una o más partículas cargadas negativamente, a las que se llamó electrones. Años después el científico estadounidense Robert Millikan midió la masa y la carga del electrón: 1,6 ? 10-19 C. El electrón tiene carga eléctrica negativa y una masa muy pequeña en comparación con otras partículas que hay en el interior del átomo. Su movimiento genera corriente eléctrica.
RECUERDA
2.2 El protón
El culombio
La materia solo muestra sus propiedades eléctricas en determinadas condiciones; por ejemplo, después de ser frotada. Por ello los científicos pensaron que era globalmente neutra. Así, si los átomos tienen partículas con carga negativa, también deben poseer partículas con carga positiva, de tal manera que cada átomo tenga tantas partículas con carga positiva como con carga negativa. En 1911 el químico inglés E. Rutherford descubrió el protón.
El culombio (C) es la unidad empleada en el Sistema Internacional (SI) para medir la carga eléctrica de las partículas. Es una unidad muy grande. Por eso a escala atómica se utiliza la unidad de carga elemental (símbolo e), que equivale a la carga eléctrica de un electrón. 1 e = 1,6 ? 10-19 C
El protón es una partícula subatómica que tiene la misma carga que el electrón, pero positiva, mientras que su masa es unas 2000 veces mayor que la del electrón.
2.3 El neutrón NO OLVIDES Para que la carga eléctrica de un átomo sea neutra, el número de electrones ha de ser igual al de protones. Por ejemplo, si un átomo tiene 8 protones, para que sea neutro debe tener también 8 electrones.
Finalmente, en 1931, el científico James Chadwick descubrió que en los átomos había una tercera partícula que no tenía carga eléctrica, pero cuya masa era similar a la del protón; la llamó neutrón. El neutrón es una partícula sin carga eléctrica. Su masa es parecida a la del protón. Protón
Electrón
Neutrón
Masa
1,673 ? 10-27 kg
9,11 ? 10-31 kg
1,675 ? 10-27 kg
Carga
+1,6 ? 10-19 C (+1 e)
-1,6 ? 10-19 C (-1 e)
0
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Actividades 10. ¿Qué tipo de carga tienen los electrones? ¿Y los protones?
Cómo utilizar la calculadora científica
11. Une el nombre de cada científico con su contribución al mundo del átomo:
Las operaciones aritméticas se simplifican mucho utilizando la calculadora científica.
a) Thomson
1) Átomos indivisibles
Uso de la tecla exponencial (EXP)
b) Dalton
2) Electrón
La tecla EXP significa «10 elevado a».
c) Rutherford
3) Neutrón
• Para calcular: 5 ? 106 debes pulsar:
d) Chadwick
4) Protón
12. Completa las siguientes frases:
5
EXP
6
• Para calcular 8 ? 10-2 debes pulsar:
a) Los electrones poseen carga positiva/negativa. b) Los protones poseen carga positiva/negativa. c) La masa del neutrón es similar a la masa del protón/electrón. d) El neutrón/protón no tiene carga eléctrica.
EXP
8
2
!
Utilización de paréntesis Cuando realices varias operaciones enlazadas deberás emplear paréntesis. Para hacer: 6 ? (8 + 2) debes pulsar:
13. Si los átomos están formados por partículas con carga eléctrica, ¿por qué son neutros?
6
#
(
8
+
2
)
=
a) Porque poseen neutrones. b) Porque tienen el mismo número de electrones que de neutrones. c) Porque tienen el mismo número de electrones que de protones. d) Porque tienen el mismo número de protones que de neutrones. 14. Un átomo tiene 3 protones, 3 electrones y 4 neutrones y gana 1 electrón. ¿Qué carga adquiere?
16. Sabiendo que la masa del electrón y la del neutrón son 9,11 ? 10-31 kg y 1,675 ? 10-27 kg, respectivamente, calcula cuánto valen la masa del electrón y la del neutrón en unidades de masa atómica. 17. Completa el siguiente cuadro, indicando a qué partícula subatómica atraen o repelen las partículas indicadas en el cuadro. Atraen a …
a) Carga positiva. b) Carga negativa.
Electrones (-)
c) Carga neutra.
Protones (+)
15. Si un átomo tiene 3 protones, 3 electrones y 4 neutrones y pierde 1 neutrón, ¿qué carga adquiere? a) Carga positiva.
b) Un cuerpo cargado positivamente ha ganado neutrones.
c) Carga neutra.
c) Un cuerpo cargado negativamente ha ganado electrones.
1. EJERCICIO RESUELTO Calcula cuánto vale la masa del protón en unidades atómicas. Escribimos la correspondencia entre las unidades. Masa del protón = 1,67 $ 10-27 kg $
18. Razona si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) Los cuerpos neutros no tienen cargas eléctricas.
b) Carga negativa.
Para el protón:
Repelen a …
1u = 1u 1,66 $ 10-27 kg
19. Si un electrón (carga negativa) abandona un átomo que es neutro, dicho átomo tiene un protón más (carga positiva) que el número de electrones restantes. Es decir, dicho átomo adquiere carga: a) Negativa. b) Neutra. c) Positiva.
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3
Modelos atómicos
3.1 El modelo de Thomson El físico inglés J. J. Thomson ideó un modelo del átomo que tratase de explicar los fenómenos eléctricos. Carga positiva
SegúnThomson, el átomo sería una esfera cargada positivamente en la cual se hallan incrustados los electrones. La carga negativa de los electrones compensaría la carga positiva, por lo que el átomo sería neutro.
Al frotar el bolígrafo con un paño pasan electrones del paño al bolígrafo. El paño queda con carga positiva, y el bolígrafo, con carga negativa.
Electrones
¿Cómo explicaríamos el hecho de que un bolígrafo se cargue eléctricamente cuando se frota con un paño? Según Thomson, al frotar se desprenden electrones del paño y pasan al bolígrafo, de modo que el bolígrafo queda con un exceso de electrones, y por tanto con carga total negativa. Por el contrario, el trapo de lana, al ceder electrones, queda con exceso de protones; es decir, su carga total es positiva. Así, ambos materiales quedan electrizados; esto es, con carga eléctrica.
3.2 El modelo de Rutherford Núcleo
Electrón
A principios del siglo xx el físico británico (aunque nacido en Nueva Zelanda) E. Rutherford propuso otro modelo del átomo. Según Rutherford, el átomo consta de un pequeño núcleo central cargado positivamente donde se encuentran los protones y que contiene casi toda la masa, y una parte exterior donde se hallan los electrones girando alrededor del núcleo.
El átomo según Rutherford. Los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares, de forma similar al movimiento de los planetas alrededor del Sol.
¿LO SABÍAS? Los núcleos son unas 100 000 veces menores que los átomos. Para hacernos una idea: si el átomo fuera del tamaño de un campo de fútbol, el núcleo sería como una canica colocada en su centro, y los electrones, como cabezas de alfiler que girarían alrededor del núcleo.
3.3 El modelo de Bohr El físico danés N. Bohr mejoró el modelo de Rutherford suponiendo que alrededor del núcleo hay diferentes capas o niveles en los que se colocan los electrones. Núcleo Según el modelo de Bohr, el átomo consta de un núcleo, que contiene protones y neutrones, y una serie de capas donde se sitúan los electrones girando alrededor del núcleo.
Electrones
En el modelo de Rutherford los electrones giran describiendo órbitas que pueden estar a cualquier distancia del núcleo, pero en el modelo de Bohr los electrones solo se pueden encontrar girando en determinados niveles de energía. Se dice que el átomo de Bohr está cuantizado.
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es
nes
Actividades 20. Sabiendo que el átomo de nitrógeno tiene 7 protones y 7 electrones, dibuja el modelo de un átomo de nitrógeno según el modelo atómico de Thomson.
25. Observa la imagen. Si frotas un globo con un paño, el globo se electriza.
21. ¿Qué parte de la teoría de Dalton dejó de tener valor científico al descubrirse los electrones y los protones? a) Los átomos son indivisibles. b) La carga eléctrica reside en el átomo. c) No todos los átomos son neutros. d) Los protones, neutrones y electrones son indivisibles. 22. El átomo de berilio tiene 4 protones, 4 electrones y 5 neutrones. Dibuja dicho átomo según:
a) ¿Qué intercambio de cargas ha habido?
a) El modelo de Thomson.
b) ¿Quién las adquirió: el globo o el paño?
b) El modelo de Rutherford.
c) ¿Qué tipo de carga adquiere el globo?
c) El modelo de Bohr.
d) ¿Qué tipo de carga adquiere el paño?
23. Copia el dibujo de abajo y señala sobre él las siguientes palabras: • Protón. • Electrón. • Núcleo. • Neutrón. Escribe junto al nombre de cada partícula si tiene carga positiva (+), negativa (-) o carga cero (0).
26. ¿Qué afirmaciones son verdaderas y cuáles falsas? Corrígelas en este último caso. a) Modelo de Thomson: la mayor parte de la masa del átomo corresponde a la carga negativa, donde se encuentran incrustados los protones. b) Modelo de Rutherford: el átomo tiene un núcleo central donde está la carga positiva y negativa. c) Modelo de Bohr: la corteza del átomo está formada por diferentes capas. En ellas se localizan los electrones. 27. Compara los diferentes modelos atómicos completando el siguiente cuadro: Situación de las cargas positivas
Situación de las cargas negativas
Modelo de Thomson Modelo de Rutherford Modelo de Bohr
28. ¿Qué significa en el modelo atómico de Bohr que el átomo está cuantizado? 24. La electrización de un cuerpo se debe a un trasvase de: a) Protones. b) Electrones. c) Iones. d) Neutrones.
a) Que los electrones solo pueden encontrarse en órbitas situadas a ciertas distancias del núcleo. b) Que en la corteza del átomo se encuentran girando los electrones, describiendo órbitas que pueden hallarse en cualquier lugar del núcleo. c) Que todos los átomos tienen una parte externa con varios electrones girando en dos órbitas elípticas.
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4 RECUERDA El átomo es eléctricamente neutro. El número de protones que contiene su núcleo coincide con el número de electrones que hay girando alrededor del núcleo, siendo la carga de ambos igual, pero de signos opuestos.
¿Qué caracteriza a los átomos?
Las principales características que permiten identificar a un átomo son el número atómico y el número másico. Para representar un átomo se utilizan un símbolo y dos números: AZX. El símbolo es la inicial del nombre latino del elemento (por ejemplo, flúor " F). Puede ir seguido de otra letra si hay varios elementos con la misma letra inicial (por ejemplo, sodio: Na). El número atómico de un átomo es el número de protones que tiene su núcleo. Se representa por la letra Z.
En un átomo neutro el número de protones coincide con el número de electrones. Así, en el átomo de nitrógeno (N) el número atómico es 7, lo que indica que posee 7 protones y, por tanto, 7 electrones.
RECUERDA • X: símbolo del elemento. • Z: número atómico = número de protones. • A: número másico = número de protones + número de neutrones.
El número másico es el número de protones más el número de neutrones (N) que tiene un átomo. Se representa por la letra A. A=Z+N
En el átomo de nitrógeno el número másico es 14, lo que indica que posee 7 protones y 7 neutrones. En la siguiente tabla se representan 23 algunas de las características de los átomos de cloro, 35 17Cl, y sodio, 11Na: Cloro
Sodio
Número atómico, Z
17
11
Número másico, A
35
23
Número de protones
17
11
Número de electrones
17
11
Número de neutrones
A - Z = 35 - 17 = 18
A - Z = 23 - 11 = 12
Nombre 1 1
Hidrógeno, H: 1 protón 1 electrón
+
Deuterio, 21 H: 1 protón 1 electrón 1 neutrón
+
La masa del átomo es similar a la suma de protones y neutrones, ya que la masa de los electrones es despreciable. O sea: casi toda la masa del átomo se encuentra en el núcleo.
4.1 Isótopos Existen átomos que tienen el mismo número de protones, pero se diferencian en el número de neutrones.
-
+
Tritio, 31 H: 1 protón 1 electrón 2 neutrones
Isótopos del hidrógeno. Casi todos los elementos químicos presentan isótopos.
Los isótopos son átomos del mismo elemento que tienen el mismo número de protones y distinto número de neutrones. Se representan con el mismo símbolo y tienen el mismo Z y diferente A.
Casi todos los elementos químicos presentan isótopos. Para nombrar cada isótopo se indica su nombre seguido de su número másico. Por ejemplo, cloro-35 (Cl-35) o cloro-37 (Cl-37).
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Actividades 29. Un átomo de calcio tiene 20 protones. ¿Cuál es su número atómico? ¿Cuántos electrones posee?
32. Analiza los dibujos y completa la tabla.
30. El átomo de aluminio posee 13 protones, 13 electrones y 14 neutrones. Indica cuál sería la representación correcta de dicho átomo: a) 14 13 Al b) 13 14 Al Berilio
c) 27 13 Al d) 13 26 Al
Elemento
N.o de N.o de N.o de Número Número protones electrones neutrones atómico: Z másico: A
Berilio
2. EJERCICIO RESUELTO Dibuja un esquema de los átomos incluyendo sus partículas subatómicas: 4 7 2 He ; 3 Li En primer lugar se identifican las partículas constituyentes de los átomos. Te puedes ayudar de una tabla semejante a la siguiente: Z: N.o de protones
N.o de electrones
A-Z: N.o de neutrones
Helio
2
2
4- 2=2
Litio
3
3
7- 3=4
Átomo
Boro
Los protones y los neutrones forman el núcleo atómico y se colocan en el centro.
Boro
33. Un átomo tiene 53 protones y 74 neutrones. a) ¿Cuál es su número atómico? b) ¿Y su número másico? 34. ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tienen los siguientes átomos? a)
107 47
39 79 Ag b) 31 15 P c) 19 K d) 35 Br
35. ¿Qué son los isótopos? Elige la respuesta correcta: a) Átomos de un mismo elemento que tienen el mismo número atómico, pero distinto número másico. b) Átomos de un mismo elemento que tienen el mismo número de electrones pero diferente número de protones. c) Átomos de un mismo elemento que tienen el mismo número atómico y el mismo número másico.
Helio Litio
Los electrones, de menor tamaño, se sitúan en capas circulares alrededor del núcleo, teniendo en cuenta que la primera capa electrónica contiene como máximo 2 electrones; la segunda, 8 electrones y la tercera y la cuarta, 18 electrones.
36. El carbono tiene de número atómico 6. Existen tres isótopos de carbono, cuyas masas atómicas son 12, 13 y 14, respectivamente. Indica el número de protones, neutrones y electrones de cada isótopo. Dibuja la estructura de cada uno de ellos. 37. Los símbolos 147N y 177N representan: a) Dos isótopos del mismo elemento. b) Dos átomos de igual masa atómica. c) Dos elementos del mismo isótopo.
31. Un átomo tiene Z = 6. Si su número de neutrones es 7, ¿cuál es su número másico (A)? ¿Cuántos protones tiene?
d) Dos elementos con diferente símbolo. 39 38. ¿Por qué los siguientes átomos, 39 18 Ar y 19 K, tienen el mismo número másico y distinto símbolo químico?
a) A = 6 y posee 7 protones.
a) Porque tienen el mismo número de protones.
b) A = 13 y posee 6 protones.
b) Porque son isótopos del mismo elemento.
c) A = 7 y posee 13 protones.
c) Porque tienen la misma masa atómica.
d) A = 7 y posee 6 protones.
d) Porque tienen el mismo número de neutrones.
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4.2 Iones RECUERDA Representación de átomos e iones Para representar un átomo utilizamos el símbolo AZX. Siendo A el número másico, Z el número atómico y X el símbolo del elemento. Si en vez de un átomo queremos representar un ion, indicaremos a la derecha los electrones que gana o pierde el átomo: AZXq. q es la carga eléctrica que adquiere. Se calcula como la diferencia entre el número de protones y electrones. Por ejemplo, el ion litio 3Li1+ corresponde a un átomo inicialmente neutro que ha perdido 1 electrón, es decir, tiene 3 protones (+, +, +) y solo 2 electrones (-, -); por tanto, tiene una carga positiva (+) de más. La carga +1 y -1 se puede indicar solo con el signo; es decir, podríamos escribir Li+ en vez de Li1+.
Un átomo de cualquier elemento químico tiene los mismos electrones girando alrededor del núcleo que protones en el núcleo, es decir, es neutro. Sin embargo, en ocasiones los átomos pueden perder o ganar electrones, lo que hace que no tengan el mismo número de protones que de electrones. Cuando esto ocurre decimos que se forma un ion. Los iones son átomos que han perdido o ganado electrones. Cuando un átomo pierde electrones adquiere carga positiva y se convierte en un ion positivo o catión.
Por ejemplo, el átomo de litio puede perder un electrón y convertirse en un catión de carga +1. Átomo neutro: 37Li
Catión: 37Li+
Átomo de litio (neutro)
Catión litio
Número atómico, Z
3
3
Número másico, A
7
7
Número de protones
3
3
Número de electrones
3
2
Número de neutrones
A-Z=7-3=4
A-Z=7-3=4
Nombre
Cuando un átomo gana electrones adquiere carga negativa y se convierte en un ion negativo o anión.
Por ejemplo, el átomo de oxígeno puede ganar dos electrones y convertirse en un anión de carga -2. Nombre
+++ +++ ++
-
-
-
8
8 16
-
Número de protones
8
8
O 8+ 2 neutro - 8-
Número de electrones
8
10
Número de neutrones
A - Z = 16 - 8 = 8
A - Z = 16 - 8 = 8
-
+++ +++ ++
-
- 8+ O22 10- catión -
-
Anión oxígeno
16
-
-
Átomo de oxígeno (neutro)
Número másico, A
Átomo de oxígeno (O)
-
Anión: 168O2-
Número atómico, Z
-
Átomo neutro: 168O
Ion de oxígeno (O2-) Átomo neutro de oxígeno e ion de oxígeno negativo.
4.3 Determinación de la masa de un elemento químico Las masas atómicas de los elementos químicos que aparecen en la tabla periódica no son números enteros. Esto es así porque la mayoría de los elementos químicos presentan isótopos, y cuando hablamos de la masa de un elemento químico nos referimos a la masa media de un átomo de ese elemento. Para calcularla hay que tener en cuenta la masa de cada isótopo y su abundancia en la naturaleza. Si solo hay dos isótopos: Masa atómica =
Masa isótopo 1 ? % 1 + Masa isótopo 2 ? % 2 100
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Actividades 39. ¿Cuál es el símbolo del ion azufre cuando gana dos electrones? a) S2+
b) S2-
d) S2
c) S2
44. En la siguiente tabla aparecen datos de átomos e iones. Con los datos que proporciona dicha tabla contesta a las siguientes cuestiones:
40. ¿Cuál es el símbolo del ion magnesio cuando pierde dos electrones a) Mg2+
b) Mg2-
d) Mg2
c) Mg2
3. EJERCICIO RESUELTO Indica el número de protones, neutrones y electrones 2+ de 40 20Ca . En primer lugar determinamos los valores que nos dan. • A = 40 (número másico = número de protones + número de neutrones). • Z = 20 (número de protones).
41. Completa la tabla: Al
Electrones intercambiados
Gana 2
Pierde 3
Gana 1
Pierde 2
Cl-
Fe2+
Ion resultante
42. Completa la tabla, indicando, en cada caso, el nombre, el símbolo, las partículas de cada especie y su carga. Busca la información que necesites en una tabla periódica. Nombre Catión aluminio
Símbolo
Z
A
Al3+ 13 27
27 13
N.° de N.° de protones electrones 13
10
29 63
28
13
13
Electrones
A
9
10
9
B
9
9
9
C
9
10
10
D
10
10
10
E
11
13
11
F
11
13
10
a) ¿Qué letras corresponden a isótopos del mismo elemento?
c) ¿Qué letras corresponden a iones negativos? ¿Cuál es su carga?
• Número de protones = 20 • Número de electrones = 20 - 2 electrones que pierde = 18 • Número de neutrones (N): A = Z + N " N = A - Z " N = 16 - 8 = 8 neutrones
S
Neutrones
b) ¿Qué letras corresponden a iones positivos? ¿Cuál es su carga?
La carga 2+ nos indica que se trata de un catión que ha perdido 2 electrones, es decir, tiene un exceso de dos cargas positivas. Por tanto, tiene:
Átomo neutro
Protones
N.° de neutrones
Carga
14
+3
14
43. ¿Qué diferencia hay entre Na y Na+? a) Los dos núcleos poseen diferente número de protones. b) Tienen diferente número de neutrones; por tanto, su masa atómica es diferente. c) El ion Na+ posee un electrón menos que el átomo Na.
4. EJERCICIO RESUELTO 35 El elemento cloro tiene dos isótopos, el 17 Cl, que tiene una masa de 35 u y se presenta 37 con una abundancia del 76 %, y el 17 Cl, que tiene una masa de 37 u y se presenta con una abundancia del 24 %. ¿Cuál es la masa atómica del elemento cloro?
Supongamos que tenemos una muestra representativa de 100 átomos de cloro. • 76 átomos serán del isótopo Cl-35, y su masa será: 35 $ 76 = 2660 u. • 24 átomos serán del isótopo Cl-37, y su masa será: 37 $ 24 = 888 u. Es decir: =
Masa media =
Masa isótopo 1# % 1 + Masa isótopo 2 # % 2 " 100 35 $ 76 + 37 $ 24 = 35,48 u " Masa media = 100
Un elemento químico puede tener dos o más isótopos; la suma de los porcentajes de todos sus isótopos tiene que ser 100. 45. El elemento bromo se presenta en forma de dos átomos: el Br-79, cuya masa es 79 u y tiene una abundancia del 51 %, y el Br-81, cuya masa es 81 u y su abundancia es del 49 %. ¿Cuál es la masa atómica del elemento bromo?
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5 235 1 0
U
n
235
U
Reacción de fisión del uranio-235. El proceso de fisión nuclear se inicia al bombardear el núcleo grande con neutrones. Se liberan núcleos más pequeños junto con otros neutrones. Estos neutrones romperán otros núcleos grandes. Es un proceso en cadena. En estas reacciones se libera una gran cantidad de energía denominada energía nuclear.
Radiactividad
Los núcleos de algunos isótopos de ciertos elementos químicos pueden sufrir cambios que tienen que ver con la pérdida o ganancia de algunas partículas. Cuando los átomos de un elemento sufren uno de estos procesos se convierten en átomos de un elemento químico diferente. La fisión nuclear se ocasiona cuando núcleos muy grandes, como los de uranio o plutonio, se rompen para dar núcleos de átomos más pequeños. La fusión nuclear se produce cuando algunos núcleos muy pequeños se unen para dar núcleos de átomos mayores.
La fusión nuclear provoca el brillo del Sol y de las demás estrellas. Radiactividad es el proceso que experimentan algunos núcleos atómicos que les lleva a emitir radiación.
Se llaman isótopos radiactivos los que emiten esta radiación y, como se detalla a continuación, pueden ser de tres tipos: Radiación alfa (rayos a): son partículas formadas por dos protones y dos neutrones (núcleos de helio). Su carga es positiva y se emiten a gran velocidad. Tiene muy poco poder de penetración. Rayos a
Radiación beta (rayos b): está formada por electrones. Su carga es negativa y su masa es muy pequeña. Tiene mayor poder de penetración que las partículas alfa. Rayos b
Placa de aluminio
adiación gamma (rayos c): R es una radiación neutra, del mismo tipo que la luz. Tiene gran poder de penetración: para detenerla es necesario utilizar gruesas placas de plomo o de hormigón. Rayos c Hormigón
5.1 Aplicaciones de los isótopos radiactivos ¿LO SABÍAS? M. Curie Sklodowska (1867-1934). Química y física polaca. El estudio de la radiactividad le valió el premio Nobel de Física de 1903. En 1911 obtuvo el Nobel de Química por descubrir el polonio y por aislar el radio.
• Aplicación como fuente de energía. En las centrales nucleares o en pilas de muy larga duración. • Aplicación en investigaciones y experimentos científicos. Por ejemplo, para determinar la antigüedad de un hallazgo arqueológico o histórico. • Aplicación en medicina. Para obtener imágenes del interior del cuerpo o para luchar contra el cáncer: radioterapia.
5.2 Los residuos radiactivos Las actividades relacionadas con los isótopos radiactivos generan residuos muy peligrosos para la salud humana y muy duraderos. Algunos siguen emitiendo radiación durante miles de años.
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Actividades 46. Elige las frases verdaderas: a) Todos los isótopos son radiactivos. b) Solo algunos isótopos de algunos elementos son radiactivos. c) La radiación gamma puede atravesar objetos de más grosor que la radiación alfa. d) Mediante procesos radiactivos un núcleo de un elemento puede convertirse en un núcleo de otro elemento diferente.
52. Explica para qué se utilizan algunos isótopos radiactivos: a) En medicina. b) En arqueología. 53. Recuerda lo que acabas de estudiar sobre los residuos nucleares.
47. Piensa y elige las respuestas correctas. Cuando se produce la fisión nuclear: a) Se rompen las partículas presentes en el núcleo atómico y se libera una gran cantidad de energía. b) Se unen entre sí las partículas presentes en el núcleo atómico y se libera energía. c) Se desintegra el núcleo en varios pedazos, liberándose energía en el proceso. d) El núcleo se transforma en un núcleo de otro elemento químico diferente. 48. Explica en pocas palabras en qué consisten: a) La fusión nuclear. b) La fisión nuclear. 49. Explica las diferencias entre las partículas a, b y c. a) ¿Qué tipo de radiación es detenida antes por una pared de plomo? b) ¿Cuál puede atravesar placas gruesas de hormigón? 50. ¿Por qué las centrales nucleares no son bien recibidas por los habitantes de los pueblos vecinos?
a) ¿De dónde proceden los residuos nucleares? b) Investiga cuáles son los procedimientos que se siguen en la actualidad para almacenar los residuos nucleares. c) ¿Por qué crees que se prohibió el vertido de residuos nucleares al mar? d) Debate con tus compañeros soluciones alternativas para tratar los residuos nucleares. 54. Los técnicos que realizan las radiografías abandonan la sala en la que está el paciente justo antes de tomar la imagen. ¿De qué se protegen? 55. En los últimos años se ha reabierto el debate sobre la conveniencia de fomentar de nuevo el uso de la energía nuclear. El calentamiento global hace que se piense en la energía nuclear como una fuente alternativa, «más limpia» que otras formas de energía. a) ¿Qué opinión tienes respecto a este tema? Debate tu postura con tus compañeros de clase. b) Hay países como China e India que planean construir muchos reactores nucleares en las próximas décadas. ¿Crees que la comunidad internacional debería presionar de algún modo para que no se construyan centrales nucleares en ningún país del planeta?
51. ¿Cuál es la ventaja de las centrales nucleares frente a otras centrales térmicas, como las de petróleo? Piensa en las consecuencias para el medio ambiente de cada tipo de central.
c) En caso de aprobar la construcción de nuevas centrales nucleares, ¿cuáles son las condiciones que tú impondrías respecto a la seguridad. 56. Busca información sobre el accidente nuclear de Fukushima (Japón) en 2011 y explica qué sucedió y cómo afectó a la población.
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Resumen FENÓMENOS ELÉCTRICOS: ELECTROSTÁTICA
. Algunos cuerpos pueden adquirir ser
cuando se les frota. La carga puede
o
.
. Cuando se acercan dos cuerpos con electricidad del mismo tipo se
,
y cuando se acercan dos cuerpos con electricidad de distinto tipo, se
. El
.
es un aparato que sirve para detectar cuerpos cargados.
LAS PARTÍCULAS QUE FORMAN LOS ÁTOMOS
. Los
tienen carga eléctrica negativa y masa muy pequeña
en comparación con las otras partículas.
. Los
tienen carga
mayor que la del
, y su masa es unas 2000 veces
.
. Los
no tienen carga y su masa es similar a la del
.
MODELOS ATÓMICOS
Modelo de
Modelo de
Modelo de
¿QUÉ CARACTERIZA A LOS ÁTOMOS?
. Para representar un átomo se utiliza un símbolo y dos números: • Z representa el
, e indica el número de
• A representa el
, e indica el número de
más el número de
A Z
X. -
del núcleo.
1 1
H
+
que tiene un átomo.
. Se llaman isótopos los átomos que tienen el mismo número de y distinto número de
.
-
. Los iones son átomos que han perdido o ganado
.
2 1
H
+
RADIACTIVIDAD
. Radiactividad es el proceso que experimentan algunos que les eleva a emitir
.
. La radiación emitida puede ser de tres tipos: y
atómicos -
,
.
. Los procesos radiactivos generan
+
3 1
H
muy peligrosos para la salud.
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5
Elementos y compuestos químicos
Los colores de esta nebulosa son debidos a los diferentes elementos químicos que la forman; el color azul se debe a la presencia de helio, el verde, al oxígeno, y el rojo, al nitrógeno. ¿Qué importancia tiene entonces el estudio de los colores de los astros?
EXPERIMENTA Y PIENSA: compuestos y elementos Introducimos un clavo de hierro (Fe) en una disolución de sulfato de cobre (CuSO4). Pasados unos minutos, el cobre de la disolución se ha depositado en el clavo.
1
Fe
2
CuSO4
● ¿Qué sustancia es un compuesto? ● ¿Y cuál está formada por un solo elemento?
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1 ¿LO SABÍAS? Átomos y elementos Las sustancias simples o elementos están formados por átomos iguales. Los átomos de un elemento tienen el mismo número atómico (Z). Por ejemplo, el elemento carbono está formado por átomos de carbono (Z = 6). Por ello, una sustancia simple y los átomos que lo forman se pueden llamar de la misma manera.
Los elementos químicos
La materia está formada por partículas denominadas átomos. A su vez, los átomos están formados por otras partículas más pequeñas: protones, neutrones y electrones. Los átomos se agrupan para dar lugar a dos tipos de sustancias: Sustancias simples o elementos: son las que están formadas por un solo tipo de átomos. Compuestos: son sustancias resultantes de la agrupación de átomos de distintos elementos.
1.1 Primeras clasificaciones de los elementos Los elementos químicos que hoy conocemos se fueron descubriendo poco a poco a lo largo de la historia. En la actualidad se conocen 117 elementos. Desde el principio se vio la necesidad de agruparlos, pues había diferentes grupos de elementos que tenían propiedades comunes. En el siglo XIX el ruso D. I. Mendeleiev y el alemán J. Meyer, de forma independiente, idearon una clasificación de los elementos atendiendo al orden creciente de sus masas atómicas. Colocaron en cada columna aquellos elementos cuyas propiedades eran semejantes. En el sistema periódico actual los elementos químicos se sitúan en orden creciente de su número atómico. Siguiendo el modelo previsto por Mendeleiev, los elementos con propiedades semejantes se sitúan en la misma columna.
1.2 Clasificación de los elementos: metales, no metales y gases nobles La clasificación más sencilla de los elementos químicos consiste en catalogarlos como metales, no metales y gases nobles. Metales
No metales
Gases nobles
• Son buenos conductores del calor y de la electricidad.
• Son malos conductores del calor y de la electricidad.
• Se encuentran en la naturaleza como átomos aislados.
• Son dúctiles, es decir, se pueden estirar en hilos, y son maleables, es decir, pueden formar láminas.
• A temperatura ambiente pueden ser sólidos (azufre), líquidos (bromo) o gases (flúor).
• Son gases a temperatura ambiente.
• Son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio, que es líquido).
• Tienen temperaturas de fusión y ebullición muy variadas.
• Tienen elevadas temperaturas de fusión y ebullición. • Tienden a perder electrones y formar iones positivos.
Estaño.
• Suelen captar electrones formando iones negativos.
Azufre.
• No forman compuestos. No ganan ni pierden electrones, es decir, no forman iones. Tubos fluorescentes de neón.
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Actividades 1. Completa la tabla de abajo en tu cuaderno indicando cuáles de las siguientes sustancias son sustancias simples y cuáles compuestos. a) Agua (H2O). b) Oxígeno (O2). c) Agua oxigenada (H2O2). d) Carbono (C). e) Hierro (Fe). f) Hidrógeno (H2).
5. Cada elemento químico tiene un nombre, que en muchos casos deriva del latín. Pero en ocasiones hace referencia a un científico, a un planeta, etc. Investiga sobre la procedencia del nombre de los siguientes elementos químicos y escribe el símbolo de cada uno.
g) Óxido de hierro (II) (FeO).
a) Curio.
h) Dióxido de carbono (CO2).
b) Einstenio.
i) Monóxido de carbono (CO).
c) Nobelio. d) Helio.
Sustancias simples
Compuestos
e) Hierro. f) Plata. g) Estaño. h) Copernicio.
2. Muchos elementos químicos se encuentran en la naturaleza formando compuestos. Se aíslan mediante reacciones químicas. Por ejemplo, a partir de la sal común (cloruro de sodio) podemos obtener cloro y sodio. Indica qué elementos obtendríamos a partir de los siguientes compuestos: a) Agua (H2O). b) Amoniaco (NH3).
6. Disponemos de un elemento químico que forma iones positivos del tipo X+, es sólido a temperatura ambiente y conduce bien la electricidad. ¿Qué elemento puede ser? a) Un metal. b) Un no metal. c) Un gas noble. 7. Relaciona cada elemento con sus características.
c) Ácido sulfúrico (H2SO4).
1. Sólido a temperatura ambiente.
d) Ácido clorhídrico (HCl). 3. ¿Por qué crees que la tabla donde se ordenan los elementos químicos se llama tabla periódica?
A. Plata
a) Porque las propiedades de los elementos se repiten cada cierto número de ellos.
B. Bromo
b) Por ser una tabla diseñada en periodos de tiempo diferentes a lo largo de la historia.
C. Neón
c) Por estar formada por elementos con características muy parecidas.
3. Gas a temperatura ambiente. 4. Buen conductor del calor y la electricidad. 5. Elevado punto de fusión y ebullición. 6. No forma iones. 7. Forma iones negativos.
4. ¿Qué criterio de clasificación utilizó Mendeleiev en su tabla periódica? a) El número atómico de los elementos.
2. Líquido a temperatura ambiente.
8. Forma iones positivos. 8. Une cada elemento con la frase correspondiente.
b) El número de electrones de cada átomo.
A. Estaño
1. Forma iones negativos.
c) La masa atómica de los elementos.
B. Azufre
2. No forma compuestos.
d) El número de electrones, protones y neutrones presentes en cada átomo.
C. Neón
3. Se pueden formar hilos finos con él.
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El sistema periódico de los elementos
2
u)
En el sistema periódico actual los elementos químicos se sitúan en orden creciente de su número atómico. La tabla periódica resultante consta de siete filas o periodos y dieciocho columnas o grupos. Cada grupo contiene aquellos elementos que presentan propiedades análogas. Según se lee el sistema de izquierda a derecha, el átomo de cada elemento tiene un protón y un electrón más que el inmediatamente anterior.
RECUERDA El símbolo u se refiere a la unidad de masa atómica. 1 u = 1,66 ? 10-27 kg
1
PERIODO
1
6,9
Li 23,0
11
Na Sodio
39,1
19
K
Potasio
37
5
85,5
Rb
Rubidio
55
6
132,9
Cs Cesio
87
7
6
7
(223)
Fr
Francio
4
Be
Mg Magnesio 40,1
Ca Calcio
87,6
3
Sc
Escandio
Ba Bario
(226)
Ra Radio
LANTÁNIDOS
88,9
39
Sr
137,3
45,0
21
Y
Estroncio
88
11
12
13
138,9
La
(227)
Ac
Actinio
F
Ti
Titanio
40
91,2
Circonio
Lantano
89
22
47,9
Zr
Itrio
57
4
72
Hf
Hafnio
104
(265)
Rf
Rutherfordio
58
6
178,5
140,1
Ce Cerio
ACTÍNIDOS
90 F
7
232,0
Th Torio
5 50,9
23
6 24
V
Cr
Vanadio
41
92,9
Nb Niobio
73
180,9
Cromo
42
Mo
74
Ta
105
W
106
Seaborgio
60
Pr
231,0
144,2
Nd
Praseodimio
91
(271)
Sg
Dubnio
140,9
183,8
Wolframio
Db 59
95,9
Molibdeno
Tántalo (268)
52,0
Neodimio
92
Pa
Protactinio
¿LO SABÍAS? ¿Dónde se coloca el hidrógeno? El hidrógeno solo posee 1 protón y 1 electrón, por lo que es el primer elemento del sistema periódico. Pero, aunque esté situado a la izquierda del sistema periódico, es un no metal.
238,0
U
Uranio
25
Mn
Manganeso
43
(97,9)
Tc
Tecnecio
75
186,2
Re Renio
107
(270)
Bh Bohrio
61
(145)
Pm
Prometio
93
(237)
Np
Neptunio
15
16
17
18
18
He
13 10,8
5
8 26
55,8
Fe
Hierro
44
101,1
Ru
Rutenio
76
190,2
Os Osmio
108
(277)
Hs
Hassio
62
150,4
Sm Samario
94
(244)
Pu
Plutonio
9 58,9
27
Co
Cobalto
45
102,9
Rh Rodio
77
192,2
Ir
Iridio
109
(276)
Mt
Meitnerio
63
152,0
Eu
Europio
95
4,0
2
Símbolo
7 54,9
14
Masa atómica (u)
B
Los números decimales de las masas atómicas se deben a que la mayoría de los elementos tienen varios isótopos.
24,3
56
10
Nombre
Berilio
38
9
Calcio
9,0
20
40,1
Ca
2
12
8
F20
H
Litio
4
5
1,0
3
3
4
Número atómico
Hidrógeno
2
3
F
1
1
2
F
GRUPO
F
s
(243)
Am
Americio
6
C
Al
28
58,7
Ni
Níquel
46
106,4
Pd
Paladio
78
195,1
Pt
Platino
110
(281)
Ds
11 63,5
29
Cu Cobre
47
107,9
Ag Plata
79
197,0
Au Oro
111
(280)
Rg
Darmstadtio Roentgenio
157,2
Gd
Gadolinio
96
12,0
15 14,0
7
N
16 16,0
8
Helio
17 19,0
9
O
20,2
10
F
Ne
Cl
Ar
Línea divisoria Boro Carbono Nitrógeno Flúor Neón Oxígeno entre metales 27,0 28,1 31,0 32,1 35,5 39,9 y no metales 13 14 15 16 17 18 10
64
14
(247)
Cm Curio
65
158,9
Tb Terbio
97
(247)
Bk
Berkelio
Aluminio
12 30
65,4
Zn Cinc
48
112,4
Cd
Cadmio
80
200,6
Hg
Mercurio
112
(285)
Cn
Copernicio
66
162,5
Dy
Disprosio
98
(251)
Cf
Californio
31
69,7
Ga Galio
49
114,8
In
Indio
81
204,4
Tl
Talio
113
(284)
Si
Silicio
32
72,6
Ge
Germanio
50
118,7
Sn Estaño
82
207,2
Pb Plomo
114
(289)
P
Fósforo
33
74,9
As
Arsénico
51
121,8
Sb
Antimonio
83
209,0
Bi
Bismuto
115
(288)
S
Azufre 79,0
34
Se
Selenio 127,6
52
Te
Teluro
84
(209,0)
Po
Polonio
116
Cloro 79,9
35
Br
Bromo 126,9
53
I
Yodo
85
(210,0)
At
Astato
(293)
67
164,9
Ho Holmio
99
(252)
Es
Einstenio
Ununquadio Ununpentio
68
167,3
Er Erbio
100
(257)
Fm Fermio
69
168,9
Tm Tulio
101
(258)
Md
Mendelevio
173,0
Yb Iterbio
102
(259)
No
Nobelio
Kr
Criptón 131,3
54
Xe Xenón
86
(222,0)
Rn Radón
(294)
Uuo
Ununhexio
70
83,8
36
118
Uut Uuq Uup Uuh Ununtrio
Argón
Ununoctio
71
175,0
Lu
Lutecio
103
(262)
Lr
Laurencio
Algunos de los grupos más característicos del sistema periódico son: • Alcalinos. Se sitúan en el grupo 1. Para conseguir una configuración estable, los átomos de los alcalinos pierden 1 electrón y se convierten en iones con carga +1. Ejemplo: sodio. • Alcalinotérreos. Se sitúan en el grupo 2. Sus átomos deben perder 2 electrones para conseguir una configuración más estable: se convierten en iones con carga +2. Ejemplo: magnesio. • Halógenos. Están situados en el grupo 17. Forman iones con carga -1. Ejemplo: flúor. • Gases nobles. Se sitúan en el grupo 18. No ganan ni pierden electrones, por lo que no forman iones. Ejemplo: helio.
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Actividades 9. ¿Cómo están ordenados los elementos en el sistema periódico actual?
15. Une cada símbolo de la izquierda con el elemento correspondiente:
a) En orden creciente de sus masas atómicas.
a) Pt
1. Oro
b) En orden decreciente de sus masas atómicas.
b) Au
2. Calcio
c) En orden creciente de su número atómico.
c) Ca
3. Cobre
d) Ag
4. Cobalto
e) Co
5. Plata
f) Cd
6. Cadmio
g) Cu
7. Platino
d) En orden decreciente de su número atómico. 10. ¿Cuál de los siguientes elementos tiene propiedades más parecidas al cloro? • Azufre.
• Fósforo.
• Argón.
• Yodo.
• Hidrógeno.
11. Completa las siguientes frases: a) En la tabla periódica los elementos están dispuestos en orden creciente de sus masas atómicas/números atómicos, y están agrupados en periodos/grupos o filas y en periodos/grupos o columnas.
16. Relaciona los términos de las columnas: • Neón
❑ Grupo 17
♦ Gas noble
• Sodio
❑ Grupo 18
♦ Halógeno
• Cloro
❑ Grupo 1
♦ Alcalino
17. Consulta la tabla periódica para completar las columnas de la tabla siguiente:
b) Cada grupo contiene aquellos elementos que presentan propiedades parecidas/diferentes.
Elemento Símbolo Z Grupo Periodo
c) Hay 7/18 periodos y 7/18 grupos.
Litio
12. Completa los cuadros referentes a la información que se muestra del elemento magnesio. 12
24,3
Sodio Potasio Rubidio
b) ¿Pertenecen todos al mismo grupo? ¿A cuál?
Magnesio
18. Consulta la tabla periódica, completa las columnas de la tabla y responde a las preguntas: Elemento Símbolo Z Grupo Periodo
13. Relaciona los términos de las tres columnas. ❑ No forma iones
♦ Helio
Cloro
• No metal
❑ Forma iones +
♦ Litio
Bromo
• Metal
❑ Forma iones +
♦ Magnesio
Yodo
• Gas noble
❑ Forma iones -
♦ Cloro
14. Escribe el símbolo de estos elementos y clasifícalos como metales, no metales o gases nobles: • Flúor.
• Sodio.
• Litio.
• Carbono.
• Helio.
• Cromo.
• Calcio.
• Plata.
• Xenón.
• Hierro.
• Neón.
• Azufre. Gases nobles
Metal / No metal
Forma ion + / ion -
Flúor
• Metal
No metales
Forma ion + / ion -
a) ¿Presentan alguna semejanza entre sí estos elementos?
Mg
Metales
Metal / No metal
a) ¿Presentan alguna semejanza entre sí estos elementos? b) ¿Pertenecen todos al mismo grupo? ¿A cuál? 19. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, corrigiéndolas en este último caso: a) Los halógenos son metales que se sitúan en el grupo 17 de la tabla periódica. b) Los alcalinotérreos son metales que forman iones de carga +2. c) Los gases nobles se sitúan en el periodo 18 de la tabla periódica. d) El neón, el argón y el kriptón son elementos alcalinos.
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3
Los elementos químicos más comunes
De los más de cien elementos que aparecen en la tabla periódica, unos noventa se encuentran en la naturaleza; el resto han sido producidos artificialmente en el laboratorio. Los elementos que forman parte de los seres vivos son los mismos que constituyen la materia inerte. Sin embargo, no se encuentran en las mismas proporciones en ambos casos. A continuación se representa la proporción en masa de los elementos químicos más abundantes en el universo, en la corteza terrestre y en el ser humano. Universo
Corteza terrestre Silicio: 28 %
Hidrógeno: 83,9 %
Oxígeno: 47 %
Ser humano Hidrógeno: 63 %
Otros: 0,6 %
Aluminio: 7,9 %
Otros elementos: 0,2 %
Helio: 15,9 %
Otros: Hierro: 1,49 % 4,5 % Calcio: 3,5 % Carbono: 0,19 % Sodio: 2,5 % Potasio: 2,5 % Hidrógeno: 0,22 % Magnesio: 2,2 %
Oxígeno: 25,5 %
Carbono: 9,5 %
Nitrógeno: 1,4 %
3.1 Los elementos químicos en los seres vivos: bioelementos y oligoelementos Los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de los seres vivos. Los más abundantes son cuatro: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N), y constituyen el 95 % de la masa total de los seres vivos.
Otros elementos bastante abundantes son el calcio (Ca), el cloro (Cl), el fósforo (P) o el azufre (S). Pero en los seres vivos hay elementos químicos presentes en una proporción muy baja (menor al 0,1 %), aunque son indispensables para la vida. Se llaman oligoelementos. Los más importantes son el hierro (Fe), el cinc (Zn), el flúor (F), el yodo (I), el cobre (Cu) y el cobalto (Co). La falta de algún elemento puede provocar trastornos de la salud; por eso deben estar presentes en nuestra dieta en la cantidad adecuada. A esa cantidad se le denomina CDR, cantidad diaria recomendada. En la etiqueta de muchos envases figuran la cantidad de oligoelementos que contiene el alimento y el porcentaje de la CDR que esta cantidad representa.
La CDR es la cantidad de un nutriente que una persona sana debe ingerir todos los días, a través de la dieta, para mantener un buen estado de salud.
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Actividades 20. Señala cuáles son los cuatro elementos químicos más abundantes en el ser humano. • Carbono.
• Oxígeno.
• Silicio.
• Hierro.
• Helio.
• Aluminio.
• Nitrógeno.
• Sodio.
• Hidrógeno. 21. Completa las frases siguientes: a) Los dos elementos mayoritarios en la corteza terrestre son el oxígeno y el hidrógeno/silicio. b) Los dos elementos mayoritarios en el universo son el oxígeno/hidrógeno y el helio. c) Los dos elementos mayoritarios en el ser humano son el oxígeno y el hierro/carbono.
25. El alimento preferido de Popeye son las espinacas. En 100 g de este alimento hay 4 mg de hierro. Sabiendo que la cantidad diaria recomendada de hierro es de 14 mg, ¿qué cantidad diaria de espinacas debería consumir un adulto para tener todo el hierro que necesita? 26. Escribe el nombre de los cuatro bioelementos químicos más abundantes en el universo, en la corteza terrestre y en los seres vivos. Representa su abundancia en un diagrama de barras. 27. Busca información sobre los siguientes elementos, indicando en qué funciones vitales intervienen, qué trastornos producen su falta y en qué alimentos podemos encontrarlos. Bioelemento
22. Consulta la tabla periódica e indica qué bioelementos y oligoelementos son metales y cuáles son no metales.
Calcio
23. Las espinacas, las lentejas, los garbanzos y los guisantes son alimentos ricos en hierro. ¿Crees que es el mismo hierro que el de una olla de acero inoxidable utilizada para prepararlos?
Fósforo
Funciones en las que interviene
Su falta produce…
Se encuentra en…
Hierro Cinc
28. El yodo es un oligoelemento fundamental para la producción de hormonas tiroideas. Su falta ocasiona, entre otras enfermedades, bocio, obesidad y debilidad generalizada. La CDR recomendada de este bioelemento es de 150 mg. Esto significa que… a) Debemos tomar diariamente 150 mg de productos que contengan yodo con el fin de mantener un buen estado de salud.
24. Localiza en la tabla periódica los bioelementos y los oligoelementos e indica el número de protones y electrones que poseen sus átomos.
1. EJERCICIO RESUELTO Una dieta adecuada para un adolescente debe aportar 0,8 g de calcio cada día. Sabiendo que todo el calcio lo recibe de la leche y que en 100 mL de leche de vaca hay 0,12 g de calcio, calcula cuánta leche debería tomar diariamente. Sabemos que cada vez que toma 100 mL de leche (100 g) recibe 0,12 g de calcio, y que necesita 0,8 g para satisfacer sus necesidades diarias. La cantidad de leche que debe tomar es: 0,8 g de calcio ?
100 mL de leche 0,12 g de calcio
= 667,7 mL de leche
b) Diariamente debemos ingerir 150 mg de yodo para mantener un buen estado de salud. c) Debemos ingerir el 15 % de yodo en la dieta diaria. d) Por cada 100 g de producto que contenga yodo se aportan 150 kcal. 29. Señala si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. Verdadero
Falso
El carbono es un oligoelemento. Toda la materia está formada por bioelementos. El hierro es un oligoelemento. Hay elementos imprescindibles para la vida, como el hidrógeno y el nitrógeno. Todos los elementos químicos aparecen en mayor o en menor proporción en los seres vivos.
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Cómo se presentan los elementos: átomos, moléculas y cristales
La gran variedad de sustancias que existen en la naturaleza se debe a la capacidad de los átomos para combinarse entre sí. Podemos encontrar los átomos aislados o unidos formando moléculas o cristales.
¿LO SABÍAS? Fórmulas Igual que para representar un elemento usamos símbolos, para representar una sustancia utilizamos fórmulas.
4.1 Átomos aislados Las únicas sustancias simples que podemos encontrar formadas por átomos aislados son los elementos del grupo 18, es decir, los gases nobles. Estos elementos son gases, y su fórmula coincide con el símbolo del elemento: He (helio), Ne (neón), Ar (argón), Kr (kriptón) y Xe (Xenón).
En una fórmula escribimos los símbolos de todos los elementos que contiene esa sustancia acompañados de subíndices que expresan el número de átomos de cada clase. Ejemplo:
4.2 Moléculas
H2SO4
La mayoría de las sustancias están formandas por moléculas.
Esta fórmula indica que en esa sustancia, por cada átomo de S hay 2 átomos de H y 4 átomos de O.
Una molécula es una agrupación de átomos. Las moléculas pueden estar formadas por átomos iguales (sustancias simples) o por átomos diferentes (compuestos). Una sustancia molecular está formada por un conjunto de moléculas. Por ejemplo, el agua. La fórmula de un compuesto se representa con los símbolos de cada elemento y un subíndice que indica el número de átomos. Por ejemplo, la molécula de agua está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.
F
F
F
Hay 2 átomos de hidrógeno en la molécula
F
F
F
Átomos de oxígeno
Como no hay subíndice, hay 1 átomo de oxígeno en la molécula F
H 2 O
O
F Símbolo del elemento 2 Número de átomos
F
La fórmula de las sustancias simples es el símbolo de su elemento químico con un subíndice que indica el número de átomos que forman la molécula. Por ejemplo, la molécula de oxígeno (O2) está formada por dos átomos iguales del mismo elemento.
Átomo de oxígeno Átomos de hidrógeno
4.3 Cristales Algunas sustancias en estado sólido no forman moléculas de un número fijo de átomos, sino que forman cristales. Un cristal está constituido por muchos átomos unidos entre sí formando agrupaciones ordenadas en el espacio como redes tridimensionales. Los elementos que se encuentran en estado sólido forman cristales en los que se unen muchos átomos del elemento. Por ejemplo, el carbono. Su fórmula coincide con el símbolo del elemento: C.
Hay compuestos sólidos formando cristales. Por ejemplo, la sal común (NaCl), compuesta por muchos átomos de sodio y de cloro unidos. En la fórmula de estos cristales se indica la clase de átomos que los forman y la proporción en la que se encuentran.
Na+
Cl-
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18:57
Actividades 30. Si la fórmula de una sustancia es H2, ¿es una sustancia simple o un compuesto? 31. A temperatura ambiente el cloro (Cl2) es una sustancia gaseosa de color amarillo-verdoso, el sodio (Na) es un sólido blando de color plateado y el cloruro de sodio (NaCl) es una sustancia sólida que forma cristales de color blanco y sabor salado. a) ¿Qué elementos hay en la sustancia cloro? b) ¿Qué elementos hay en la sustancia sodio? c) ¿Cuántos elementos forman el cloruro de sodio? d) Haz un dibujo que represente sus partículas. e) Como el cloruro de sodio tiene sabor salado ¿deberá ser también salado el sodio? 32. Las siguientes fórmulas representan diferentes sustancias gaseosas. Explica qué significado tiene cada una de las fórmulas con relación a las moléculas y los átomos de las sustancias: a) N2 (nitrógeno). b) CO (monóxido de carbono). c) C4H10 (butano).
b) Qué la molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. c) Que la sustancia se forma con dos moléculas de carbono y dos de oxígeno. d) Que se trata de un cristal formado por un número indefinido de átomos. 37. Decimos que el agua contenida en un vaso es una sustancia molecular. Esto significa que: a) El agua contenida en el vaso está formada por muchos átomos de agua. b) El agua contenida en el vaso está formada por muchas moléculas de agua. c) El agua contenida en el vaso está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. d) El agua contenida en el vaso es una sustancia simple, formada por moléculas iguales. 38. Indica si los siguientes dibujos representan un átomo aislado, una molécula o un cristal, señalando el porqué. a)
d) NO2 (dióxido de nitrógeno). 33. El azúcar común o azúcar de mesa, también llamado sacarosa, tiene como fórmula química C12H22O11. a) ¿Qué elementos químicos forman una molécula de sacarosa? b) ¿Cuántos átomos hay de cada clase en cada una de esas moléculas? 34. La fórmula del ozono es O3. ¿Qué significa esta fórmula? ¿Se trata de una sustancia simple o de un compuesto? ¿Por qué? 35. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, corrigiéndolas en este último caso: a) En los compuestos, los átomos pertenecen a distintos elementos. b) En las sustancias simples intervienen átomos de una sola clase. c) Los átomos de azufre son iguales entre ellos y también iguales a los de carbono. d) Existen miles de clases de átomos o elementos. 36. ¿Qué significa que la fórmula del dióxido de carbono es CO2? a) Que los átomos se encuentran en la proporción 1:2; es decir, por cada átomo de carbono hay dos de oxígeno.
c) O
O O
b) Ne Na+
Cl-
39. Escribe el significado de las fórmulas siguientes: SiO2 (cristal de cuarzo) y SO2 (molécula). ¿Cuál es la principal diferencia entre ambas? 40. La mayor parte de las sustancias simples llevan el nombre del elemento cuyos átomos las forman; por ejemplo, hierro, cobre, oxígeno. Pero en ocasiones pueden formar varias sustancias distintas, las cuales reciben diferentes formas. Es el caso del grafito y el diamante, sustancias formadas por átomos de carbono, en las que su fórmula coincide con el símbolo del elemento (C). Entonces, ¿en qué crees que se diferencian el diamante y el grafito? a) En la forma en que se ordenan los átomos. b) En el número de átomos de carbono que forma cada sustancia. c) En el tamaño de los átomos de cada sustancia. d) En el número de electrones y protones que posee cada átomo.
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Los compuestos químicos más comunes
5
Se conocen 117 elementos químicos, y estos se combinan entre sí para formar compuestos. Pero el número de compuestos que existen es muy superior: ¡supera los diez millones! Por su composición podemos distinguir dos tipos de compuestos: orgánicos e inorgánicos. • Los compuestos orgánicos se caracterizan porque en su composición interviene el carbono, además de otros elementos. Estos compuestos se encuentran fundamentalmente en los seres vivos. • Los compuestos inorgánicos forman el resto de compuestos. Están presentes tanto en el mundo inanimado como en los seres vivos.
¿LO SABÍAS? Se llama química orgánica a la parte de la química que estudia los compuestos orgánicos.
5.1 Algunos compuestos inorgánicos comunes Fórmula
Estado físico a temperatura ambiente
Nombre
Características
H2O
Agua
Líquido.
Es el líquido más importante para los seres vivos. Debido a su estructura interna, es el disolvente universal; por eso es tan especial.
NH3
Amoniaco
Gas.
Es un gas de olor característico. Forma parte de muchos productos de limpieza. También se utiliza para fabricar abonos. Óxidos no metálicos
CO2
Dióxido de carbono
Gas.
Es un gas que se produce en la respiración y en las combustiones. Es contaminante, pero no tóxico. Responsable, en parte, del efecto invernadero.
CO
Monóxido de carbono
Gas.
Es tóxico: puede ocasionar la muerte por asfixia. Se produce en las combustiones cuando hay poco oxígeno.
Ácidos (sustancias con sabor ácido y generalmente corrosivas) HCl H2SO4
Ácido clorhídrico Ácido sulfúrico
Lo segregamos en el estómago al hacer la digestión. Disoluciones diluidas de este ácido se venden como agua fuerte, un producto para limpiar metales.
Gas. Líquido denso.
Se utiliza en la industria para fabricar muchos productos.
Bases (reaccionan con los ácidos para formar sales) NaOH
Hidróxido de sodio (sosa)
Sólido conocido también como sosa. Forma parte de muchos productos de limpieza, como la lejía.
Sólido. Sales
Cloruro de sodio (sal común)
Sólido.
Compuesto conocido como sal común. Es el condimento más empleado al cocinar.
CaCO3
Carbonato de calcio
Sólido.
Es el compuesto que forma el mármol. Es insoluble en agua, pero lo atacan los ácidos.
NaHCO3
Bicarbonato de sodio
Sólido.
Se utiliza para combatir el ardor de estómago.
NaCl
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5.2 Algunos compuestos orgánicos comunes Los compuestos orgánicos están formados, fundamentalmente, por carbono e hidrógeno, aunque pueden tener algún átomo de oxígeno, nitrógeno y, en menor proporción, de fósforo y azufre. Además de las sustancias que forman parte de los seres vivos, hay muchos compuestos orgánicos que se obtienen en el laboratorio de manera artificial; se llaman compuestos sintéticos. Entre estos compuestos orgánicos de síntesis se encuentran un gran número de medicamentos y nuevos materiales, como los plásticos. Fórmula
Nombre
Características Combustibles
CH4
Metano
C3H8
Propano
C4H10
Butano
Forma parte del gas natural. A la presión atmósférica son gases, pero se comercializan en bombonas a presión elevada en las que se encuentran en estado líquido. Sustancias de uso común
C8H18
Octano (isooctano)
Es el componente fundamental de la gasolina. El número de octanos de la gasolina indica su proporción en isooctano.
C2H6O
Alcohol etílico
Es el alcohol que contienen las bebidas (cerveza, vino, licores, etc.). Se utiliza como desinfectante.
C2H4O2
Ácido acético
Es el ácido presente en el vinagre. Glúcidos
C6H12O6
Glucosa
Es un azúcar simple. La mayoría de los hidratos de carbono que consumimos (en los azúcares, pan, pasta, etc.) se transforman en glucosa en nuestro organismo. Lípidos
C27H46O
Colesterol
Está presente, por ejemplo, en la carne, en los huevos o en muchos productos lácteos. Ácidos nucleicos
Muy compleja
ADN (ácido desoxirribonucleico)
Contiene el código genético que guía la formación de las distintas proteínas en un organismo. Su molécula está formada por dos cadenas que se enrollan en forma de hélice. Para duplicarse se desenrollan las cadenas y cada una sirve de modelo para que se forme otra nueva.
Muy compleja
ARN (ácido ribonucleico)
Su molécula es parecida a la del ADN, aunque presenta una sola cadena. Interviene en la formación de proteínas. Polímeros sintéticos (plásticos)
(CH2)n
Polietileno
Está formado por moléculas muy largas que resultan de la unión de muchas moléculas muy pequeñas. Es un plástico que se utiliza para fabricar bolsas, material de embalaje, etc.
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6 GRUPOGRUPO1
2
1
2
El sistema periódico con imágenes
3
4
3
5
4
6
5
7
6
8
7
9
8
10
9
10
PERIODOPERIODO
H H
1
1
1,0
1
Número atómico Número atómico20 Masa Masa atómica atómica40,1
1,0
Hidrógeno Hidrógeno 9,0
6,9
4
9,0
Nombre Nombre
2 Litio
Elemento radiactivo Elemento radiactivo
Litio Berilio Berilio
entre
12 11 12 Na Mg Na Mg
11
23,0
24,3
23,0
24,3
3 Sodio
Sodio MagnesioMagnesio
21 22 26 28 20 21 22 25 26 27 28 K 20K Ca Sc Ti 23Ti 23V 24V 24Cr 25CrMn Fe 27Fe Co Ni Ca Sc Mn Co
19
19
39,1
4
Calcio Calcio
Li Li Be Be 4
3
6,9
3
40,1
1
3
2
20 Símbolo Ca CaSímbolo
40,1
39,1
40,1
45,0
45,0
47,9
50,9
47,9
50,9
52,0
52,0
54,9
55,8
54,9
55,8
58,9
58,7
58,9
58,7
4
Potasio Potasio Calcio Calcio EscandioEscandio Titanio Titanio Vanadio Vanadio Cromo CromoManganeso ManganesoHierro Hierro Cobalto Cobalto Níquel Níq
38 42 43 46 45 38 42 43 46 37 41 44 45 Sr 39Sr 39Y 40Y 40Zr 41Zr Nb Mo Tc 44Tc Ru Pd Rb Rh Mo Rb Nb Ru Rh
37
85,5
5
87,6
85,5
87,6
88,9
88,9
55
132,9
92,9
95,9
95,9
97,9
101,1
97,9
101,1
102,9
106,4
102,9
106,4
TecnecioTecnecio Rutenio Rutenio Rodio Itrio Circonio Circonio Niobio NiobioMolibdeno Molibdeno
Rodio Paladio Pala
56 57 76 77 55 56 57 75 76 77 Cs La 72La 72Hf 73Hf 73Ta 74Ta 74W 75W Re Os Ir 78Ir 78Pt Cs Ba Ba Re Os 132,9
137,3
137,3
138,9
138,9
178,5
178,5
180,9
180,9
183,8
183,8
186,2
186,2
190,2
190,2
192,2
192,2
195,1
195,1
6 Cesio
87 223
7
92,9
91,2
5 Rubidio RubidioEstroncioEstroncio Itrio
6
91,2
Cesio
Bario
Bario Lantano Lantano Hafnio Hafnio Tántalo TántaloWolframio WolframioRenio
Renio Osmio Osmio Iridio
Iridio Platino Plat
88 89 105 106 107 108 109 110 110 Fr Fr Ra Rf Rf Db Ra Ac Ac 104 Db Sg Sg Bh Bh Hs Hs Mt Mt Ds
87 223
88 226
226
89 227
227
104 265
105 268
265
268
106 271
271
107 270
270
108 277
277
109 276
276
281
281
7 Francio Francio Radio
Dubnio Dubnio SeaborgioSeaborgioBohrio Bohrio Hassio Hassio MeitnerioMeitnerio Darmstadtio Radio Actinio ActinioRutherfordio Rutherfordio Darms PERIODO PERIODO
58
140,1
LANTÁNIDOS LANTÁNIDOS 6
59 61 62 63 64 58 59 60 61 62 63 64 Ce Pr 60Pr Nd Pm Sm Eu Gd Ce Nd Pm Sm Eu G 140,1
90
232,0
7
140,9
144,2
144,2
145
145
150,3
150,3
152,0
152,0
157,2
NeodimioNeodimioPrometioPrometioSamario Samario Europio EuropioGadolinioGado CerioPraseodimio Praseodimio
91 94 95 96 90 91 93 94 95 96 Th Pa 92Pa 92U 93U Np Pu Am Cm Th Np Pu Am C 232,0
231,0
231,0
238,0
238,0
237
237
244
244
243
243
247
Torio Protactinio ProtactinioUranio Uranio NeptunioNeptunioPlutonio PlutonioAmericioAmericio Curio
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76
247
7 Torio
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157,2
6 Cerio
ACTÍNIDOS ACTÍNIDOS
140,9
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17:07
Cur
9
10
9
10
11
12
11
13
12
14
13
14
15
15
16
16
17
18
17
No metales No metales
2 He He
2
Metales Metales
18
4,0
4,0
GasesGases noblesnobles Helio
5
5
10,8
Helio
10 B B 6 C C 7N N 8O O 9 F F Ne Ne 6
12,0
10,8
12,0
7
14,0
14,0
8
16,0
16,0
9
19,0
10
20,1
19,0
20,1
Línea Línea divisoria divisoriaBoro Boro Carbono CarbonoNitrógenoNitrógenoOxígeno Oxígeno Flúor Flúor Neón Neón entre metales y no metales entre metales y no metales 16 17 13 14 15 18 16 17 13 14 15 18
Al Al Si Si P P S S Cl Cl Ar Ar
27,0
28,0
27,0
28,0
31,0
31,0
32,1
32,1
35,5
39,9
35,5
AluminioAluminio Silicio Silicio Fósforo Fósforo Azufre Azufre Cloro
39,9
Cloro Argón Argón
33 35 28 30 31 32 34 33 35 27 28 29 30 31 32 34 As Br 36Br 36Kr Kr Ni 29Ni Cu Zn Ga Ge Se As e Co Co Cu Zn Ga Ge Se 58,7
58,9
63,6
58,7
65,4
63,6
obalto Cobalto Níquel Níquel Cobre Cobre
65,4
Cinc
69,7
Cinc
72,6
69,7
Galio
72,6
74,9
74,9
78,9
78,9
79,9
106,4
Rodio
107,9
106,4
112,4
107,9
Rodio Paladio Paladio Plata
112,4
114,8
83,8
Galio GermanioGermanioArsénicoArsénico Selenio Selenio Bromo Bromo Kriptón Kriptón
46 47 51 48 49 52 46 47 50 51 45 48 49 52 Pd Ag Sb Cd In 50In Sn Te 53Te Pd Ag Sn Sb u Rh Rh Cd 102,9
83,8
79,9
114,8
Plata Cadmio Cadmio Indio
118,7
118,7
121,8
121,8
127,6
127,6
126,9
Indio Estaño EstañoAntimonioAntimonio Teluro Teluro
53
I
126,9
Yodo
54
131,3
54 Xe I Xe 131,3
Yodo Xenón Xenón
80 81 83 85 86 79 80 81 82 83 84 Hg Tl 82Tl Pb Bi 84Bi Po At 86At Rn Rn s 77Ir 78Ir 78Pt 79Pt Au Au Hg Pb Po 85 192,2
ridio
195,1
195,1
197,0
Iridio Platino Platino
200,6
197,0
Oro
200,6
204,4
204,4
Oro MercurioMercurio Talio
207,2
Talio
207,2
209,0
209,0
209
209
210
210
281
281
280
280
285
285
284
284
222
3,8 d
3,8 d
Plomo Plomo Bismuto Bismuto Polonio Polonio Astato Astato Radón Radón
109 110 110 111 111 112 112 113 113 114 114 115 115 116 116 s Mt Mt Ds Ds Rg Rg Cn CnUutUutUuqUuqUupUupUuhUuh 276
222
289
289
288
288
293
118 294
293
Ununquadio eitnerioMeitnerio Darmstadtio Roentgenio Copernicio Ununhexio Ununpentio Ununtrio Ununtrio Ununquadio Darmstadtio Roentgenio Copernicio Ununhexio Ununpentio
118 Uuo Uuo 294
UnunoctioUnunoctio
64 65 66 67 68 70 71 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Gd Tb Dy Ho Er 69ErTm Yb Lu m Eu Eu Gd Tb Dy Ho Tm Yb Lu 152,0
157,2
157,2
158,9
158,9
162,5
162,5
164,9
164,9
167,3
167,3
uropio EuropioGadolinioGadolinio Terbio Terbio DisprosioDisprosio Holmio Holmio Erbio
168,9
Erbio
168,9
Tulio
173,0
173,0
174,9
174,9
Tulio Iterbio Iterbio Lutecio Lutecio
96 97 98 95 96 97 98 100 101 101 102 102 103 103 Cm Bk Cf 99Cf 99 Es 100 uAm Am Cm Bk Es Fm FmMd Md No No Lr Lr 243
247
247
mericioAmericio Curio
247
247
251
251
252
252
257
257
258
258
259
259
262
262
Nobelio NobelioLaurencioLaurencio Curio Berkelio BerkelioCalifornioCalifornioEinstenioEinstenioFermio Fermio Mendelevio Mendelevio
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Resumen Los elementos químicos
. Las sustancias a las que dan lugar los átomos pueden ser de dos tipos: Estaño
• Sustancias simples: son las que están formadas por un solo tipo de moléculas/átomos. • Compuestos: son sustancias que resultan de la agrupación de átomos/sustancias de diferentes moléculas/elementos.
. En la tabla periódica actual el criterio de clasificación es el número atómico/la masa atómica.
. La clasificación más sencilla de los elementos químicos consiste en catalogarlos como metales, no metales y
Tubos fluorescentes de neón
.
Azufre
El sistema periódico de los elementos
. Los elementos con propiedades químicas
2
1
GRUPO
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
PERIODO
1,0
Número atómico Masa atómica
Ca
20
40,1
Símbolo
16
17
18
He
2
Metales
1
comunes se localizan en la misma
15
No metales
H
1
4,0
Gases nobles Hidrógeno
Li
3
6,9
Be
4
9,0
Helio
Calcio
B
5
10,8
Nombre
C
6
12,0
N
7
14,0
O
8
16,0
F
9
19,0
Ne
10
20,1
2
de la tabla periódica.
Litio
Na
11
23,0
Elemento radiactivo
Berilio
Boro Línea divisoria entre metales y no metales 13
Mg
12
24,3
Carbono
Al
27,0
Si
14
28,0
Nitrógeno
P
15
31,0
Oxígeno
S
16
32,1
Flúor
Neón
Cl
17
35,5
Ar
18
39,9
3
. Las filas horizontales se denominan y las verticales,
Sodio
K
19
,
Magnesio
39,1
Ca
20
40,1
Aluminio
Sc
21
45,0
Ti
22
47,9
V
23
50,9
Cr
24
52,0
Mn
25
54,9
Fe
26
55,8
Co
27
58,9
Ni
28
58,7
Cu
29
63,6
30
65,4
Zn
Ga
31
69,7
Fósforo
Silicio
Ge
32
72,6
As
33
74,9
Azufre
Se
34
78,9
Cloro
Argón
Br
35
79,9
Kr
36
83,8
4 Potasio
.
Calcio
Rb
37
85,5
38
87,6
Sr
Escandio
Y
39
88,9
Titanio
Zr
40
91,2
Cromo
Vanadio
Nb
41
92,9
Mo
42
95,9
Manganeso
Tc
43 97,9
Hierro
Ru
44
101,1
Cobalto
Rh
45
102,9
Níquel
Pd
46
106,4
Cobre
Ag
47
107,9
Cinc
48
112,4
Cd
Galio
In
49
114,8
Germanio
Sn
50
118,7
Arsénico
51
121,8
Sb
Selenio
Te
52
127,6
Bromo
Kriptón
I
53
126,9
54
131,3
Xe
5 Rubidio
55
132,9
Itrio
Estroncio
Cs
56
137,3
Ba
57
138,9
Circonio
La
72
178,5
Hf
Niobio
73
180,9
Ta
Molibdeno
74
183,8
W
Tecnecio
75
186,2
Re
Rutenio
Os
76
190,2
Rodio
Paladio
Ir
77
192,2
78
195,1
Pt
Plata
79
197,0
Au
Cadmio
80
200,6
Hg
Indio
Estaño
Tl
81
204,4
Pb
82
207,2
Antimonio
Bi
83
209,0
Teluro
Po
84 209
Xenón
Yodo
At
85 210
Rn
86 222
6 Cesio
87 223
Los elementos químicos más comunes
Bario
Fr
88 226
Ra
Lantano
89 227
Ac
Hafnio
104 265
Rf
Tántalo
105 268
Db
Wolframio
106 271
Sg
Renio
107 270
Bh
Osmio
Hs
108 277
Iridio
109 276
Mt
Platino
110 281
Ds
Oro
111 280
Rg
Mercurio
112 285
Cn
Talio
113 284
Uut
Plomo
Uuq
114 289
Polonio
Bismuto
115 288
Uup
116 293
3,8 d
Radón
Astato
Uuh
118 294
Uuo
7 Francio
Radio
Actinio
Rutherfordio
Dubnio
Seaborgio
Bohrio
Hassio
Meitnerio
Darmstadtio
Roentgenio
Copernicio
Ununtrio
Ununquadio
Ununpentio
Ununhexio
Ununoctio
PERIODO
. Se llaman oligoelementos/bioelementos
LANTÁNIDOS
los elementos químicos presentes en los seres vivos.
ACTÍNIDOS
58
140,1
Cerio
Los cuatro más abundantes son el carbono, el oxígeno y el
Ce
59
140,9
Pr
60
144,2
Nd
61 145
Pm
62
150,3
Sm
63
152,0
Eu
64
157,2
Gd
65
158,9
Tb
66
162,5
Dy
67
164,9
Ho
Er
68
167,3
69
168,9
Tm
70
173,0
Yb
71
174,9
Lu
6
90
232,0
Th
Praseodimio
91
231,0
Pa
Neodimio
92
238,0
U
Prometio
93 237
Np
Samario
Pu
94 244
Europio
95 243
Am
Gadolinio
96 247
Cm
Terbio
97 247
Bk
Disprosio
98 251
Cf
Holmio
99 252
Es
Erbio
100 257
Fm
Tulio
101 258
Md
Iterbio
102 259
No
Lutecio
103 262
Lr
7 Torio
Protactinio
Uranio
Neptunio
Plutonio
Americio
Curio
Berkelio
Californio
Einstenio
Fermio
Mendelevio
Nobelio
Laurencio
,
.
. Son oligoelementos/bioelementos los elementos que están en mayor/menor proporción y que son imprescindibles para la corteza terrestre/los seres vivos, como el C/Fe.
Cómo se presentan los elementos: átomos, moléculas y cristales
. Desde el punto de vista químico, podemos clasificar a las sustancias en tres tipos: • Los elementos del grupo 18 son los únicos que se presentan como aislados. Ejemplo: el helio. que pueden pertenecer
• Una molécula es una agrupación de al mismo
Oxígeno
o a varios elementos diferentes. Una sustancia molecular
está formada por un conjunto de
. Ejemplo: el agua.
es una forma de materia cuyas partículas presentan una
• Un
estructura interna perfectamente ordenada que se extiende en las tres direcciones del espacio. Ejemplo: el
.
Agua
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6
Cambios químicos
La cabeza de la cerilla contiene fósforo rojo. Al frotarla sobre el rascador, este se transforma en fósforo blanco que se inflama instantáneamente.
¿A qué crees que se debe el olor que se desprende al encender la cerilla?
EXPERIMENTA Y PIENSA: la serpiente del faraón Con azúcar y bicarbonato realizamos esta experiencia que se denomina la serpiente del faraón. Cuenta la leyenda que la hacían los brujos callejeros en los mercados. ¿Qué crees que sucede? ¿Se produce un cambio físico o químico? Cilindro de cartón
● Lo colocamos;
1
2
3
Arena
● le prendemos fuego…
● … y ¡aparece la serpiente!
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1
Cambios físicos y químicos
La química no solo se encarga de estudiar las propiedades y la composición de las sustancias, sino que también estudia algunos de los cambios que estas experimentan. Con mucha frecuencia encontramos cambios que sufren las sustancias. Por ejemplo, el hierro se oxida, el papel se pone amarillo… Sin embargo, no todos los cambios son iguales. Podemos hablar de cambios físicos o de cambios químicos.
1.1 Los cambios físicos Si calentamos hielo, al cabo de un tiempo obtenemos agua líquida. El agua ha cambiado de estado, de sólido a líquido, pero sigue siendo agua. Si arrugamos o doblamos varias veces un papel, este cambia su aspecto, pero sigue siendo papel. En estos ejemplos no se han formado nuevas sustancias, la sustancia inicial es la misma que la final. ¿LO SABÍAS? Las combustiones Una combustión es una reacción química que se produce cuando una sustancia, llamada combustible, reacciona con el oxígeno del aire desprendiendo energía. Para iniciar la combustión es preciso comunicar energía al combustible, con el fin de que adquiera la temperatura que necesita el proceso. El alcohol, el butano, los derivados del petróleo, la madera o la cera de las velas son combustibles.
Se produce un cambio físico cuando no varía la naturaleza de las sustancias, es decir, no se forman otras nuevas.
1.2 Los cambios químicos Al quemar madera en una hoguera, al final no queda madera; se transforma en humo y cenizas.
El hierro expuesto a la intemperie, al cabo de un tiempo, cambia su naturaleza al combinarse con el oxígeno del aire, convirtiéndose en óxido férrico. En ambos casos las sustancias que se han originado son diferentes de las sustancias iniciales. Se produce un cambio químico cuando las sustancias iniciales se transforman en otras sustancias finales diferentes.
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Actividades 1. Distingue razonadamente los cambios físicos de los químicos.
B
a) Evaporación de un perfume. b) Disolución de azúcar en café. c) Encendido de una cocina de vitrocerámica. d) Encendido de una cocina de gas. e) Caramelización de azúcar para hacer un flan. f) Pelado y troceado de una manzana. g) Cocción de un huevo.
C
h) Triturado de la uva para obtener mosto. Cambios físicos
Cambios químicos
2. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:
D
a) Cuando se enciende una vela se produce un cambio químico. b) En un cambio físico se forman nuevas sustancias distintas a las iniciales. c) Cuando la fruta madura se produce un cambio químico. d) En un cambio químico las sustancias que se originan son iguales a las iniciales, pero con propiedades diferentes. 3. Contesta: a) ¿Qué tipo de cambio se produce cuando añadimos azúcar al agua y lo agitamos bien? b) ¿Qué experimento llevarías a cabo para comprobarlo? 4. Observa las siguientes fotografías e indica si se está produciendo un cambio físico o químico
5. Contesta. a) ¿Qué le ocurre a los cubitos de hielo en un vaso colocado al sol? b) ¿Es posible que el agua se convierta en hielo? ¿Y el hielo en agua? c) ¿La madera puede transformarse en ceniza? ¿Y la ceniza en madera? d) ¿En qué se convierte el agua cuando se calienta? 6. Cuando se asa un trozo de carne, ¿se produce un cambio físico o químico?
A
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2
Las reacciones químicas
Una reacción química es un proceso en el que se forman sustancias nuevas (prooductos) a partir de unas sustancias iniciales (reactivos).
¿LO SABÍAS? La combustión en una vela Cuando arde una vela tiene lugar una reacción de combustión. Con el calor se funde la parafina y posteriormente se evapora. La parafina gaseosa, al contactar con el oxígeno del aire, experimenta la reacción de combustión y se libera energía en forma de luz y calor. La reacción que se produce es: Parafina + O2 " CO2 + H2O + energía
2.1 ¿Qué cambios se producen? Cuando ocurre una reacción química se produce un cambio que indica que algo se está formando. Por ejemplo: • Un cambio de color. • La aparición repentina de un sólido. • El desprendimiento de un gas (aparecen burbujas) o de luz. • Un cambio de temperatura.
Formación de un sólido…
Disolución de un sólido…
Cuando la cinta de magnesio (Mg) arde, reacciona con el oxígeno (O2) del aire y se transforma en una sustancia pulverulenta: óxido de magnesio (MgO). En esta reacción se desprende una gran cantidad de luz.
El mármol es carbonato de calcio (CaCO3). Si viertes un ácido sobre mármol, verás que se forma un burbujeo y, con el tiempo, desaparece. En esta reacción el sólido se ha disuelto (desapareció) y se desprende un gas, el dióxido de carbono (CO2).
2.2 ¿Cómo se produce una reacción química? Reacción de cinc con ácido clorhídrico. La reacción B es más rápida que la A porque en B los trozos de reactivo (cinc) son más pequeños.
A
B
La reacción de descomposición ocurre más rápidamente si el alimento se encuentra a temperatura ambiente que si está en un frigorífico o refrigerado.
Para que tenga lugar una reacción las partículas de los reactivos deben chocar. Si los choques tienen suficiente energía, los átomos de las partículas se separan y se reagrupan formando nuevas sustancias. Reactivos H2
Productos Cl2
HCl
HCl
Si se encuentran una molécula de H2 y otra de Cl2, el impacto rompe primero los enlaces de las moléculas originales, que luego se reagrupan formando moléculas de HCl.
Sin embargo, no todos los choques rompen las partículas de los reactivos. Para que esto ocurra es necesario que las partículas iniciales choquen entre sí con la suficiente energía y con la orientación adecuada. Algunos factores que influyen en la velocidad de una reacción son: • La temperatura. Al aumentar la temperatura, también lo hace la velocidad de las partículas y se producen más choques, con lo que la velocidad de la reacción aumenta. • La división de los reactivos. Cuanta más superficie de contacto hay, más fácil es que se produzcan choques y más rápida es la reacción.
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Actividades 7. Dadas las siguientes reacciones, indica cuáles son los reactivos y cuáles son los productos de cada reacción.
11. En la reacción de formación del amoniaco 1 molécula de nitrógeno (N2) reacciona con 3 moléculas de hidrógeno (H2) para dar 2 moléculas de amoniaco (NH3).
a) Metano + oxígeno " dióxido + agua de carbono
a) Representa mediante un modelo de esferas los reactivos y los productos de la reacción.
b) Hierro + oxígeno " óxido de hierro (III)
b) Indica los enlaces que se han roto y los enlaces que se han formado.
c) Hidrógeno + yodo " ácido yodhídrico 8. Indica los reactivos que intervienen y los productos que se forman en las siguientes reacciones químicas. a) El butano (C4H10) arde en contacto con el oxígeno del aire y se convierte en dióxido de carbono y vapor de agua. b) Al arder carbón se produce dióxido de carbono. c) Cuando la gasolina arde en un motor de un coche, se combina con el oxígeno y se producen dióxido de carbono y agua. 9. Identifica en las fotografías pruebas que indiquen que se produce un cambio químico:
12. Señala si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, justificando la respuesta en este último caso. a) Cuando los reactivos que intervienen en una reacción son sólidos, si están finalmente divididos reaccionarán con mayor rapidez que si no lo están, ya que la superficie de contacto aumenta. b) Al aumentar la temperatura de una reacción disminuye el número de choques. 13. ¿Por qué el hierro pulverizado arde fácilmente y, en cambio, una barra de hierro no?
A
C
B
14. En las minas, las partículas de polvo de carbón en el aire presentan un alto riesgo de explosión. Sin embargo, los trozos grandes de carbón del suelo no arden con tanta facilidad. ¿A qué crees que es debido? a) A que el gas reacciona antes y produce explosiones más violentas. b) Al reducir la superficie del carbón aumenta la superficie de contacto, lo que implica un aumento de la velocidad de reacción. c) Las partículas de polvo de carbón poseen mayor número de moléculas que los trozos de carbón, por lo que reaccionan antes. d) Las partículas de carbón del aire se mueven con mayor velocidad que las de los trozos de carbón del suelo.
10. Completa las siguientes frases. Para que una reacción química se produzca han de cumplirse las siguientes condiciones: a) Las moléculas de los productos/reactivos tienen que chocar/enlazarse. b) Los reactivos deben tener energía/materia suficiente.
15. ¿Por qué los alimentos se descomponen más rápidamente a temperatura ambiente que cuando están en el frigorífico? 16. La oxidación del hierro (hierro + oxígeno) es una reacción muy lenta. ¿Qué crees que podríamos hacer para que fuera una reacción más rápida?
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3
Masa molecular y mol
3.1 Masa molecular ¿LO SABÍAS? Mol o moles De acuerdo con la IUPAC, un mol es la unidad de cantidad de sustancia, y se indica a continuación del número que expresa la cantidad, por ejemplo, 8 mol. Esta cantidad se lee ocho moles, pero no se escribe 8 moles, sino 8 mol. Sucede lo mismo que con las otras unidades. Si una longitud es 8 m, se lee ocho metros, pero, cuando se escribe, no se expresa la unidad en plural: se escribe 8 m.
Las moléculas están formadas por átomos. La masa de una molécula es, por tanto, la suma de las masas de los átomos que lo forman. Por ejemplo, la molécula de metano está formada por 1 átomo de carbono y 4 átomos de hidrógeno. Su fórmula es CH4. La masa molecular del CH4 será la suma de las masas atómicas del átomo de carbono y de los cuatro átomos de hidrógeno que lo forman. Masa molecular de CH4 = masa atómica del C + 4 ? masa atómica del H Masa molecular de CH4 = 12 u + 4 ? 1 u = 16 u La masa de las moléculas se expresa en unidades de masa atómicas (u). Sin embargo, esta unidad es muy pequeña. Recuerda la equivalencia entre la unidad de masa atómica (u) y el gramo (g). 1 u = 1,66 ? 10-24 g = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 66 g Esta cantidad es imposible de medir en un laboratorio, incluso con balanzas de precisión. Es decir, no podemos trabajar en laboratorio con unas pocas moléculas, pues su masa es muy pequeña, casi inapreciable.
3.2 El mol Como la masa de una molécula es muy pequeña, para trabajar en un laboratorio es necesario escoger un número grande de moléculas. Diferentes experimentos han mostrado que 6,022 ? 1023 moléculas de cualquier sustancia tienen tantos gramos como indica su masa molecular expresada en unidades atómicas. Es decir, como una molécula de metano (CH4) tiene una masa de 16 u, la masa de 6,022 ? 1023 moléculas de metano es 16 g. Al número 6,022 ? 1023 se le llama número de Avogadro. Se denomina mol a la cantidad de sustancia que contiene 6,022 ? 1023 partículas (átomos, moléculas, iones, electrones…).
En una docena hay 12 unidades. Sin embargo, no pesa lo mismo la docena de sandías que la de melocotones. En «1 mol de sandías» hay 6,022 ? 1023 sandías, y en «1 mol de melocotones» hay 6,022 ? 1023 melocotones. Sin embargo, el mol de sandías pesa mucho más que el mol de melocotones.
En un mol de cualquier sustancia hay 6,022 ? 1023 partículas de dicha sustancia. Veamos algunos ejemplos: • El helio es monoatómico (He). Por tanto, en 1 mol de helio hay 6,022 ? 1023 átomos de helio. Como 1 átomo de helio tiene una masa de 4 u, 1 mol de helio tendrá una masa de 4 g. • En 1 mol de oxígeno (O2) hay 6,022 ? 1023 moléculas de oxígeno. Como 1 molécula de oxígeno tiene una masa de 32 u, 1 mol de moléculas de O2 tendrá una masa de 32 g. • En un mol de agua hay 6,022 ? 1023 moléculas de agua. Como 1 molécula de agua tiene una masa de 18 u, 1 mol de moléculas de agua tendrá una masa de 18 g.
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Actividades 1. EJERCICIO RESUELTO
17. Calcula la masa molecular de las siguientes sustancias: a) Dióxido de carbono (CO2).
c) Agua (H2O).
La fórmula del agua es H2O.
b) Amoniaco (NH3).
d) Oxígeno (O2).
a) ¿Cuántas moléculas de agua hay en 1 mol de agua? ¿Y en 2 mol de agua?
Masas atómicas: C = 12 u; O = 16 u; N = 14 u; H = 1 u.
b) ¿Cuántas moléculas contendrá una muestra de 50 g de agua?
18. Ordena de mayor a menor la masa molecular de los siguientes compuestos:
Masas atómicas: H = 1 u; O = 16 u.
a) Amoniaco (NH3).
a) En 1 mol de cualquier sustancia hay 6,022 ? 1023 moléculas. En 2 mol tendremos:
b) Ácido sulfúrico (H2SO4).
2 mol ?
6,022 ? 1023 moléculas = 1,2 ? 1024 moléculas 1 mol
b) Primero calculamos la masa molecular del H2O: M (H2O) = 2 ? 1 u + 16 u = 18 u Veamos cuántos moles son los 50 g de H2O: 50 g de H2O ?
1 mol de H2O = 2,78 mol de H2O 18 g de H2O
Ahora calculamos cuántas moléculas hay en esta cantidad sabiendo que en un mol de cualquier sustancia hay 6,022 ? 1023 moléculas. 6,022 ? 1023 moléc. de H2O = 2,78 mol de H2O ? 1 mol de H2O = 1,67 ? 1024 moléc. de H2O
c) Ácido clorhídrico (HCl). d) Dióxido de carbono (CO2). e) Cloruro de sodio (NaCl). 19. El número de Avogadro es un número enorme (6,022 ? 1023). Imagina que fuese un número más pequeño, por ejemplo 100. a) ¿Cuántos garbanzos habría si tenemos 1, 2 y 2,5 mol? b) Si cada garbanzo tuviese una masa de 0,2 g, ¿cuál sería la masa de 1, 2 y 2,5 mol de garbanzos? 20. Consulta la tabla periódica y contesta a las siguientes preguntas: a) Un mol de moléculas de dióxido de carbono (CO2) tiene una masa de g, y contiene: • moléculas de dióxido de carbono.
2. EJERCICIO RESUELTO Sabiendo que la fórmula del agua oxigenada es H2O2, calcula:
• átomos de carbono. • átomos de oxígeno. b) Dos moles de amoniaco (NH3) tienen una masa de g y contienen:
a) ¿Cuántos átomos de hidrógeno y de oxígeno hay en una molécula de agua oxigenada?
• moléculas de amoniaco.
b) ¿Cuántos átomos de hidrógeno y de oxígeno hay en un mol de agua oxigenada?
• átomos de hidrógeno.
a) En una molécula de H2O2 hay 2 átomos de hidrógeno y 2 átomos de oxígeno. b) En 1 mol de H2O2 tenemos 6,022? 1023 moléculas. El número de átomos de hidrógeno que hay en 1 mol se obtiene multiplicando el número de moléculas que hay en 1 mol por los dos átomos de hidrógeno que hay en cada molécula. Es decir: 2 átomos de hidrógeno ? 6,022 ? 1023 moléculas = = 1,2 ? 1024 átomos de hidrógeno De igual forma obtenemos los átomos de oxígeno: 2 átomos de oxígeno ? 6,022 ? 1023 moléculas = = 1,2 ? 1024 átomos de oxígeno
• átomos de nitrógeno.
21. La fórmula del amoniaco es NH3. a) ¿Cuál es la masa de una molécula de amoniaco? b) ¿Cuál es la masa de un mol de amoniaco? c) ¿Cuántas moléculas de amoniaco hay en 1 mol de amoniaco? ¿Y en 3 mol? d) ¿Cuál es la masa de 6,022 ? 1023 moléculas de amoniaco? e) ¿Cuántas moléculas hay en 20 g de amoniaco? Masas atómicas: N = 14 u; H = 1 u. 22. ¿Cuántos moles hay en 450 g de carbonato de calcio (CaCO3)? Masas atómicas: Ca = 40 u; C = 12 u; O = 16 u.
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4 RECUERDA Coeficientes estequiométricos y subíndices Indica el número de moléculas
2 H2SO4 Indica el número de átomos En este ejemplo tenemos 2 moléculas de ácido sulfúrico; y en total, 4 átomos de hidrógeno (H), 2 átomos de azufre (S) y 8 átomos de oxígeno (O).
La ecuación química
Para describir las reacciones químicas se emplean ecuaciones químicas. Una ecuación química es una representación abreviada de una reacción.
En ella se escriben las fórmulas de los reactivos y, a continuación, las fórmulas de los productos de la reacción separadas por una flecha (→) que indica el sentido en que trascurre la reacción. A la izquierda de la ecuación se escribe la fórmula de las sustancias que reaccionan: los reactivos.
2 H + O2
Entre los reactivos y los productos se escribe una flecha, que se lee «para dar».
El subíndice indica el número de átomos del elemento
→
A la izquierda de cada fórmula se escribe su coeficiente estequiométrico, que es un número que indica la proporción en moléculas, o en moles, en la que interviene esa sustancia en la reacción; si es 1, no se escribe.
A la derecha se escribe la fórmula de las sustancias que se forman: los productos.
2 H2O (g) A la derecha de cada fórmula se puede indicar el estado: sólido (s ), líquido (l ), gas (g ); en disolución acuosa (aq ).
En toda reacción química ocurren tres hechos que debemos destacar: 1. Cambian las sustancias. En la reacción del ejemplo partimos de dos reactivos, agua y oxígeno, y se forma una nueva sustancia: agua. 2. Se conservan los átomos, pero se organizan de otra manera. No se conserva, en general, el número de moléculas.
4 átomos de hidrógeno + 2 átomos de oxígeno
4 átomos de hidrógeno + 2 átomos de oxígeno
3. Se conserva la masa. En toda reacción se cumple que la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos de la reacción.
Esta ley se conoce como ley de conservación de la masa. Fue enunciada por el químico francés Antoine L. Lavoisier. Por eso también se conoce como ley de Lavoisier. En nuestro ejemplo, 4 g de hidrógeno reaccionan con 32 g de oxígeno para formar 36 g de agua. Es decir, reaccionan 4 g de H2 + 32 g de O2 = 36 g de reactivos y se forman 36 g de agua. 86
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Actividades 28. En una reacción química la masa:
23. Observa la reacción de formación del amoniaco: N2 + 3 H2 " 2 NH3
a) Se conserva.
c) Depende de los reactivos.
b) Se pierde.
d) Depende de los productos.
29. Calcula la masa de los productos que se origina en las siguientes reacciones químicas: a) N2 + 3 H2 " 2 NH3 Reaccionan 28 g de nitrógeno con 6 gramos de hidrógeno para formar gramos de amoniaco. b) C + O2 " CO2
a) ¿Quiénes son los reactivos de la reacción? ¿Y los productos? b) ¿Cuántos átomos de hidrógeno hay en los reactivos? ¿Y en los productos? c) ¿Cuántos átomos de nitrógeno hay en los reactivos? ¿Y en los productos? d) ¿Se conserva el número de moléculas? 24. Escribe la ecuación de las siguientes reacciones químicas: a) Una molécula de metano (CH4) gaseoso reacciona con dos moléculas de oxígeno gaseoso (O2) para dar una molécula de dióxido de carbono (CO2) gas y dos moléculas de agua gaseosa (H2O). b) Una molécula de carbono sólido reacciona con una molécula de oxígeno para formar una molécula de dióxido de carbono.
Reaccionan 12 gramos de carbono con 32 gramos de oxígeno gaseoso para formar gramos de dióxido de carbono. c) C2H6O + 3 O2 " 2 CO2 + 3 H2O Reaccionan 46 gramos de alcohol etílico con 96 gramos de oxígeno gaseosos para formar gramos de dióxido de carbono y 54 gramos de agua. 30. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) En una reacción química se conservan los átomos. b) En una reacción química se conservan las moléculas. c) En una reacción química se conservan los gramos.
c) Una molécula de cloro (Cl2) reacciona con una molécula de hidrógeno (H2) para formar dos moléculas de ácido clorhídrico (HCl).
31. En la reacción química: A + B " C + D, si reaccionan 30 g de A con 63 g de B y se producen 47 g de C, ¿cuántos gramos de la sustancia D se obtendrán?
25. A partir de los datos del cuadro siguiente, escribe la ecuación química de la reacción y exprésala mediante una frase:
32. Calentamos una muestra de 2,5 g de estaño puro con oxígeno hasta que se obtienen 3,17 g de producto. ¿Qué cantidad de oxígeno ha reaccionado con el estaño?
Fórmula reactivo
Fórmula producto
Nombre
Coeficiente estequiométrico
Estado físico
Amoniaco
2
Gas
N2
Nitrógeno
1
Gas
H2
Hidrógeno
3
Gas
NH3
33. Hacemos reaccionar 12 g de azufre con 21 g de hierro para formar sulfuro ferroso (FeS). a) Escribe la ecuación de dicha reacción química. b) ¿Qué cantidad de sulfuro ferroso obtendremos? 34. En el proceso:
26. Representa mediante diagramas de bolas las siguientes reacciones químicas: a) 2 Cu + O2 " 2 CuO b) CH4 + 2 O2 " CO2 + 2 H2O 27. Representa la siguiente reacción química utilizando esferas para representar los átomos: Na2O + H2O " 2 NaOH óxido de sodio + agua " 2 hidróxido de sodio
PbO (s) + NH3 (g) " Pb (s) + N2 (g) + H2O (l ) se hacen reaccionar 50 g de PbO y se obtienen 46 g de plomo, 2,12 g de nitrógeno y 4,03 g de agua. ¿Qué masa de amoniaco habrá reaccionado? 35. Se hacen reaccionar 73 g de ácido clorhídrico con 100 g de carbonato de calcio. Se obtienen 111 g de cloruro de calcio, 18 g de agua y también dióxido de carbono. ¿Qué masa de dióxido de carbono se forma?
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4.1 Ajuste de ecuaciones químicas
RECUERDA Para que una reacción química esté ajustada debes conseguir que el número de átomos de cada elemento antes y después de la reacción sea el mismo. Es decir, debe haber el mismo número de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos. Pero ten cuidado. ¡NO se pueden cambiar los subíndices!
En una ecuación química se conserva el número de átomos iniciales. Por eso en los reactivos y en los productos ha de aparecer el mismo número de átomos de cada elemento. Decimos que una ecuación química está ajustada cuando el número de átomos de cada elemento es el mismo en cada uno de los miembros de la ecuación.
Así, para ajustar la ecuación química de combustión del gas butano (C4H10) se procede de la siguiente forma:
Pasos que debes seguir 1. Escribimos las fórmulas de los reactivos y los productos separadas por una flecha.
Ejemplo La reacción de combustión del metano da como productos dióxido de carbono y agua.
CH4
+
O2
"
CO2
+
H2O
2. Colocamos delante de cada fórmula un número para conseguir que los átomos de cada elemento sean los mismos en los reactivos que en los productos. Comenzamos por el carbono.
Hay 1 átomo de C en los reactivos (CH4) y 1 átomo de C en los productos (CO2). No es necesario añadir ninguna cantidad: los átomos de carbono están ajustados; son los mismos en los reactivos que en los productos.
3. De forma similar ajustamos el H.
Hay 4 átomos de H en los reactivos (CH4) y solo 2 átomos de H en los productos (H2O). Debemos poner 2 H2O para que haya 4 átomos de H en los productos.
4. Por último ajustamos el O.
CH4
+
O2
+
O2
"
"
CO2
CO2
+
+
H2O
2 H2O
En los reactivos hay 2 átomos de O en O2. En los productos hay 2 átomos de O en CO2 y 2 en 2 H2O. En total, 4 átomos de O. Debemos tener 4 átomos de O en los reactivos, pero como ya hay 2 átomos de O, ponemos 2 O2.
5. Comprobamos que con estos coeficientes todos los elementos están ajustados; es decir, hay el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la ecuación.
CH4
CH4
+
2 O2
"
CO2
+
Elemento
Reactivos
Productos
C
1
1
H
4
4
O
4
4
2 H2O
La ecuación global significa que por cada molécula de metano necesitamos 2 moléculas de oxígeno para producir 1 molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua. Recuerda: los números que indican la proporción entre las moléculas se llaman coeficientes estequiométricos.
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Actividades 36. El nitrógeno (N2) reacciona con el hidrógeno (H2) para formar amoniaco (NH3). Escribe y ajusta la reacción. 37. Indica cuál o cuáles de las siguientes ecuaciones químicas están ajustadas y cuáles no. a) C + O2 " 2 CO b) C + O2 " CO2 c) O2 " CO
43. El ácido clorhídrico reacciona con el cinc metal (Zn) produciendo gas hidrógeno (H2) y cloruro de cinc (ZnCl2), liberándose en dicha reacción energía que se manifiesta en forma de calor. Escribe y ajusta la reacción correspondiente.
d) 2 C + O2 " 2 CO2 e) 4 C + 2 O2 " 4 CO f) 8 C + 8 O2 " 8 CO2 38. Ajusta las siguientes ecuaciones químicas: a) NO + O2 " NO2 b) N2 + H2 " NH3 c) NO2 + H2O " HNO3 + NO d) CH4 + O2 → CO2 + H2O e) H2SO4 + NaOH " Na2SO4 + H2O f) HI " H2 + I2 g) SO2 + O2 " SO3 h) Al + O2 " Al2O3 i) Zn + H2SO4 " ZnSO4 + H2 j) C + O2 " CO2
39. Completa y ajusta las siguientes reacciones químicas: a) Óxido de calcio (CaO) + agua (H2O) " b) Dióxido de azufre + + agua (H2O) " ácido sulfuroso (H2SO3) 40. El dióxido de azufre (SO2) reacciona con el oxígeno para formar trióxido de azufre (SO3). a) Escribe la ecuación química y ajústala. b) ¿Qué sustancia es el producto y cuáles son los reactivos? 41. Escribe las siguientes reacciones químicas ajustadas:
44. Observa la siguiente ecuación química: Zn + 2 HCl " ZnCl2 + H2 El cinc reacciona con ácido clorhídrico para formar cloruro de cinc e hidrógeno. ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son falsas? Razona la respuesta. a) Se obtiene el mismo número de gramos de cloruro de cinc (HCl) que de hidrógeno. b) Se obtiene el mismo número de átomos de hidrógeno que de cinc. c) Se obtienen los mismos gramos de reactivos que de productos. d) Los átomos de cloro que reaccionan son los mismos que los que se obtienen. 45. Escribe la reacción química que se esquematiza en el siguiente modelo y posteriormente ajústala.
a) Cloro + cobre " cloruro de cobre (II) (CuCl2) b) Fósforo + oxígeno " óxido de fósforo (V) (P2O5) c) Metano + oxígeno " dióxido de carbono + agua 42. El propano es un gas de fórmula C3H8 que reacciona con el oxígeno del aire obteniéndose dióxido de carbono y vapor de una sustancia muy conocida.
Azufre
Oxígeno
a) ¿De qué sustancia se trata? b) ¿Cómo se denomina a la reacción que se ha producido?
a) ¿Se conserva el número de átomos?
c) Escribe y ajusta la reacción.
c) ¿Se conserva la masa?
b) ¿Se conserva el número de moléculas?
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4.2 ¿Qué información podemos obtener de una ecuación química? Cuando una ecuación química está bien ajustada podemos obtener información sobre los átomos, moléculas, etc., que intervienen y también sobre el número de moles que reaccionan. Veamos diferentes formas de leer una reacción química, por ejemplo, para la reacción de combustión del metano (CH4) que tiene como productos dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). La reacción química ajustada es: CH4 + 2 O2 " CO2 + 2 H2O metano oxígeno dióxido de carbono
Reactivos
Productos
CH4 + 2 O2
En moléculas
En moles
➞
CO2 + 2 H2O
1 molécula de metano
2 moléculas de oxígeno
1 molécula de dióxido de carbono
2 moléculas de agua
10 moléculas de metano
20 moléculas de oxígeno
10 moléculas de dióxido de carbono
20 moléculas de agua
6,022 ? 1023 moléculas de metano
2 ? 6,022 ? 1023 moléculas de oxígeno
6,022 ? 1023 moléculas de dióxido de carbono
2 ? 6,022 ? 1023 moléculas de agua
1 mol de moléculas de metano
2 mol de moléculas de oxígeno
1 mol de moléculas de dióxido de carbono
2 mol de moléculas de agua
1 mol de CH4 tiene una masa de:
1 mol de O2 tiene una masa de 2 ? 16 = 32 g
1 mol de dióxido de carbono tiene una masa de:
1 mol de agua tiene una masa de:
12 + 4 ? 1 = 16 g
Como tenemos 2 moles:
12 + 2 ? 16 = 44 g
2 ? 32 = 64 g 16 g de butano
En masa
agua
64 g de oxígeno
80 g de reactivos
2 ? 1 + 16 = 18 g Como tenemos 2 moles: 2 ? 18 = 36 g
44 g de dióxido de carbono
36 g de agua
80 g de productos
Observa que tenemos la misma masa de reactivos que de productos. Por tanto, en una ecuación ajustada se debe cumplir la ley de conservación de la masa (la suma de la masa de los reactivos es igual a la suma de la masa de los productos). La información proporcionada por este cuadro es muy útil para resolver problemas de química. 90
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Actividades 46. Ajusta la siguiente ecuación química y a partir de ella completa en tu cuaderno la tabla: CO + O2 " CO2
(1) Sustancia
(2)
(3)
1
2
3
49. Indica las relaciones que nos proporciona la ecuación ajustada: 2 H2 (g) + O2 (g) " 2 H2O (g) Relación
Hidrógeno
Moléculas
2
Nombre
Átomos de O
Moléculas
Átomos de H
Moles de moléculas
Oxígeno
Agua
Mol
4
Masa (g)
Átomos de C Masas atómicas: H = 1 u; O = 16 u.
Átomos de O
47. Ajusta las siguientes reacciones químicas y luego escríbelas mediante una frase del tipo: mol de reaccionan con mol de para dar mol de y mol de a) NaOH +
CO2
hidróxido + dióxido de sodio de carbono
" Na2CO3 + H2O carbonato + agua
" de sodio
Masa (g)
agua
432
32
52. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.
hierro (III)
48. Ajusta la ecuación química y completa la tabla: N2 + H2 " NH3 H2
2 mol
Masas atómicas: Hg = 200 u; O = 16 u.
" Fe2 O3
oxígeno óxido de
N2
O2 6,022 ? 1023
Mol
d) HCl + Ca(OH)2 " CaCl2 + H2O
hierro
Masas atómicas: C = 12 u; H = 1 u; O = 16 u.
Moléculas
cobre + oxígeno " óxido de cobre (II)
d) Fe + O2
Tras la realización del cuadro comprueba si se cumple la ley de Lavoisier.
2 HgO " 2 Hg +
c) Cu + O2 " CuO
ácido hidróxido cloruro clorhídrico de calcio de calcio
C2H6O + 3 O2 " 2 CO2 + 3 H2O etanol + oxígeno " dióxido agua de carbono
51. Completa el siguiente cuadro:
" H2 + Cl2 ácido clorhídrico hidrógeno +cloro
b) HCl
50. Elabora un cuadro resumen con la información sobre moléculas, mol y gramos que suministra la siguiente ecuación química:
NH3
a) En una reacción química la masa de los reactivos siempre es igual a la masa de los productos. b) Si hay dos reactivos en una reacción química, también habrá dos y solamente dos productos. c) El número de moléculas se conserva en una reacción química.
1 molécula 10 moléculas
d) El número de átomos se conserva en una reacción química.
9 mol 4 mol
e) El número de moles se conserva en una reacción química.
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Cálculos en las reacciones químicas
Después de ajustar correctamente e interpretar una ecuación química podemos realizar diferentes cálculos entre los reactivos y los productos de dicha reacción. Las operaciones que nos permiten calcular las cantidades de cada sustancia que intervienen en una reacción química se denominan cálculos estequiométricos.
5.1 Cómo realizar cálculos estequiométricos 3. EJERCICIO RESUELTO Calcula la masa de óxido de magnesio (MgO) que se obtiene cuando reaccionan 8 g de oxígeno (O2) con la cantidad suficiente de magnesio (Mg). Masas atómicas: O = 16 u; Mg = 24,3 u. Paso 3 Realizamos una tabla y debajo de cada sustancia escribimos los datos que nos aporta la reacción ajustada.
Paso 1 Leemos atentamente el enunciado hasta entender el proceso químico que en él se describe. Paso 2 Representamos, mediante fórmulas, la reacción química indicada y la ajustamos:
En la última fila se indican los datos que proporciona el enunciado del ejercicio y la incógnita que nos plantea.
O2 + 2 Mg " 2 MgO
O 2
+
2 Mg
"
2 MgO
En moles
1 mol de oxígeno
2 mol de magnesio
2 mol de óxido de magnesio
En masa
2 ? 16 =32 g
2 ? 24,3 = 48,6 g
2 ? (16 + 24,3) = 80,6 g
8g
Datos del ejercicio
x ! Incógnita
Paso 4 Realizamos los cálculos oportunos, estableciendo la proporción adecuada. En la tabla se indica que por cada 32 g de oxígeno que reaccionan (1 mol) se forman 80,6 g de óxido de magnesio, MgO (2 mol).
Ahora veamos cuántos moles de MgO se forman. Según la reacción, por cada mol de O2 se forman 2 mol de MgO: 2 mol de MgO = 0,5 mol de MgO 0,25 mol de O2 ? 1 mol de O2
Como nos dicen que reaccionan solo 8 g de oxígeno, calculamos cuántos moles son:
Y ahora calculamos cuántos gramos de MgO corresponden a esta cantidad:
8 g de O2 ?
1 mol de H2O = 0,25 mol de O2 32 g de O2
Oxígeno
Helio
Argón
22,4 L
22,4 L
22,4 L
Un mol de cualquier gas a 0 °C y 1 atm siempre ocupa 22,4 L.
0,5 mol de MgO ?
43 g de MgO = 20,15 g de MgO 1 mol de MgO
5.2 Volumen molar Avogadro estudió el comportamiento de los gases en las reacciones químicas y dedujo que en condiciones normales (1 atm de presión y 0 ºC de temperatura) un mol de cualquier gas ocupa siempre 22,4 L, independientemente del gas del que se trate.
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Actividades 53. La ecuación de formación de un sándwich se puede representar así: 2 lonchas de jamón + 2 rebanadas de pan " 1 sándwich +
"
a) ¿Cuál es la relación que existe entre el número de lonchas y el de rebanadas? b) Si deseas preparar 6 sándwiches, ¿cuántas rebanadas y lonchas necesitas? c) ¿Cuántas lonchas de jamón se combinarán con 10 rebanadas de pan? d) Si tienes 24 rebanadas de pan y 15 lonchas de jamón, ¿cuántos sándwiches completos podrás preparar? ¿Qué te sobrará: pan o jamón?
58. El metano (CH4) reacciona con el oxígeno para dar dióxido de carbono y agua. a) Escribe y ajusta la reacción. b) Calcula los datos que faltan e indica en qué leyes te has basado. dióxido + agua Metano + oxígeno → de carbono 16 g
g
44 g
36 g
8g
32 g
22 g
g
48 g
g
132 g
g
59. Completa la siguiente tabla: Mg 1 mol
+
HCl
→
MgCl2
H2
+
2g
54. La ecuación de formación de una pieza se puede representar como: +
3 tuercas
→
+ 1 tornillo → 1 pieza
a) ¿Cuál es la relación que existe entre el número de tuercas y el de tornillos? b) ¿Cuántas tuercas se combinarán con 10 tornillos? ¿Cuántas piezas completas podrás montar? c) Si quieres preparar 100 piezas, ¿cuántas tuercas y tornillos necesitas? d) Si tienes 30 tuercas y 30 tornillos, ¿cuántas piezas podrás montar? 55. La ecuación de formación del agua es: 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (g) Completa el siguiente texto: Esto significa que para obtener 2 mol de agua mol de hidrógeno es necesario que reaccionen con un mol de . Como la masa atómica del H es 1 u, y la del O es 16 u, la relación entre la masa de H y la de O en esta reacción será . 56. El magnesio metálico reacciona con el oxígeno para formar óxido de magnesio (MgO), según la siguiente reacción: magnesio + oxígeno " óxido de magnesio Si partimos de 6 g de magnesio, ¿cuántos gramos de óxido se podrán formar? 57. Para la reacción anterior, si en vez de partir de 6 g de magnesio, lo hacemos del doble, ¿es correcto afirmar que se obtendrá el doble del óxido?
4. EJERCICIO RESUELTO En la reacción de formación de agua, calcula el volumen de H2, medido a 1 atm y 0 °C, que reacciona con 5 L de O2, también a 1 atm y 0 °C. Escribimos la reacción ajustada y planteamos la proporción: 2 H2
+
2 mol de Reaccionan hidrógeno con ?
O2
→
2 H2O
1 mol de Para 2 mol oxígeno dar de agua 5L
Como todos los gases que intervienen en la reacción se encuentran en las mismas condiciones de presión y temperatura, podemos establecer la relación directa entre las cantidades de sustancia en mol. 5 L de O2 ? ?
1 mol de O2 ? 22,4 L de O2
2 mol de H2 22,4 L de H2 ? = 10 L de H2 1 mol de O2 1 mol de H2
60. ¿Qué volumen ocuparán 64 g de O2 medidos a 0 ºC y 1 atm? 61. El monóxido de carbono (CO) reacciona con el oxígeno para formar dióxido de carbono (CO2). a) Escribe y ajusta la reacción. b) Si se hacen reaccionar 84 g de monóxido de carbono con oxígeno de sobra, ¿cuántos litros de dióxido de carbono se obtendrán, medidos a 0 ºC y 1 atm?
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Resumen Cambios físicos y químicos
. Un cambio
es una transformación en la que no varía la naturaleza
de las sustancias; es decir, no se forman sustancias nuevas.
. Un cambio
es una transformación en la que sí varía la naturaleza
de las sustancias; es decir, se forman sustancias nuevas. Las reacciones químicas
. En una reacción química unas sustancias iniciales, llamadas productos/reactivos se transforman en otras finales denominadas productos/reactivos.
. Las reacciones químicas se producen cuando las partículas de los reactivos/productos chocan entre sí para romper/formar sus enlaces. Los átomos/compuestos que se han liberado se reorganizan formando nuevos átomos/enlaces que originan nuevas sustancias. Masa molecular y mol
. La masa de una molécula es la suma de las masas de los . Se denomina mol la cantidad de sustancia que contiene
que la forman. partículas
(átomos, moléculas, iones, etc.). La ecuación química Ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier
. En toda reacción química se cumple que la suma de las masas de los
es igual a la suma de la masa de los
.
El ajuste de las ecuaciones químicas
. Para que se cumpla la ley de Lavoisier, en las reacciones químicas debe aparecer el mismo número de moléculas/átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos. Para ello se colocan los subíndices/coeficientes estequiométricos delante de cada sustancia que interviene en la reacción.
. Elementos de una ecuación química: CH4 (g) + 2 O2 (g)
" CO2 (g) + 2 H2O (l)
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Cálculos en las reacciones químicas
. Antes de realizar cálculos estequiométricos es necesario la reacción. . Un mol de cualquier sustancia/gas en condiciones normales de volumen/presión y masa/temperatura (1 atm y 0 ºC) ocupa siempre un volumen de 2,4 L/22,4 L.
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Química en acción
Gracias a las pilas disponemos de energía eléctrica transportable. ¿Por qué crees que se agotan las pilas? ¿Qué es lo que ocurre en su interior?
EXPERIMENTA Y PIENSA: cambio de color La lombarda es un indicador ácido-base perfecto. Hemos agitado unos trocitos en un poco de agua y mira qué color morado tan bonito. Pero al soplar…, ¡cambia de color!
1
2
● ¿Qué crees que ha pasado? ● ¿Qué tipo de reacción
se ha producido?
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1
Reacciones químicas de interés
1.1 Reacciones de combustión Las combustiones son reacciones químicas en las que una sustancia, llamada combustible, reacciona con el oxígeno y forma dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y energía (en forma de luz y calor). Combustible + oxígeno " dióxido de carbono + agua + energía El combustible puede ser metano, butano, gasolina, petróleo, madera…, mientras que el aire suele ser la fuente de oxígeno. Las reacciones de combustión son exotérmicas, es decir, desprenden energía.
1.2 Reacciones ácido-base Cuando arde un trozo de madera se produce una combustión.
RECUERDA Ajustar una ecuación química consiste en añadir los coeficientes estequiométricos necesarios para que haya el mismo número de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos.
El vinagre, el zumo de limón o los refrescos de cola tienen un sabor agrio, cortan la leche, disuelven algunos metales como el cinc y destiñen algunos colorantes. Los llamamos ácidos. La lejía (NaClO), el amoniaco (NH 3) o el bicarbonato de sodio (NaHCO3) presentan sabor amargo y son suaves al tacto, favorecen la disolución de las grasas y dañan la capa grasa de la piel. Es decir, tienen algunas propiedades opuestas a las de los ácidos. Las llamamos bases. Cuando mezclamos un ácido y una base tiene lugar una reacción química llamada neutralización. En esta reacción se forman una sal y agua. Ácido + base " sal + agua
Por ejemplo: NaOH + HCl " NaCl + H2O
Disolución de sustancia básica.
Para saber qué pH tiene una sustancia utilizamos un papel indicador. Al introducir dicho papel en una disolución de la sustancia adquiere diversos colores. Según el color que adquiera sabremos si la sustancia es ácida o básica.
Sal Cloruro de sodio
Agua
Neutro
Ácidos
Bases
H
Disolución de sustancia ácida.
Ácido Ácido clorhídrico
Para medir el carácter ácido o básico de una sustancia se utiliza una escala llamada pH. El pH de una sustancia varía entre 1 y 14. • Si el pH está entre 1 y 6, decimos que la sustancia es ácida. • Si el pH está en torno a 7, la sustancia es neutra. • Si el pH está entre 8 y 14, decimos que la sustancia es básica. H
Papeles indicadores
Base Hidróxido de sodio
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Zumo de limón Jugos gástricos
Agua de lluvia, café Lluvia ácida
Zumo de tomate
Zumo de naranja
Agua de mar
13
H
14
H
Disolución Disolución diluida concentrada de NaOH de NaOH Jabón Amoniaco en polvo doméstico
Jabón de manos
Agua pura: pH = 7
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Actividades 1. El metanol (CH3OH) o alcohol de quemar es altamente tóxico y puede reaccionar con el oxígeno produciendo dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). a) Escribe y ajusta dicha reacción. b) ¿Qué nombre recibe dicha reacción?
10. Habrás oído decir que los zumos (pH = 4) y el café (pH = 5) son irritantes para el estómago. Explica a qué se debe este efecto y qué podemos hacer para corregirlo. 11. Completa las siguientes frases: a) Los ácidos presentan sabor amargo/agrio y son capaces de disolver algunos metales/ácidos como el cinc.
2. Completa la frase: «En las reacciones de combustión un reactivo para dar reacciona con y ».
b) Las bases presentan sabor amargo/agrio y favorecen la disolución de sustancias grasas/ácidas.
3. Completa y ajusta las siguientes reacciones de combustión: a) C4H10 1 O2 → CO2 1 b) C3H6 1
→ CO2 1 H2O
c) CH4 1
→
d) C6H12O6 1 O2 →
1 H2O
12. En esta tabla parece el pH de diferentes sustancias. Ordénalas de mayor a menor acidez, indicando cuáles son ácidos, cuáles bases y cuáles son neutras.
1
4. Para que se produzca una reacción de combustión se necesita:
Sustancia
pH
Agua pura (25 ºC)
7
Agua del mar Limpiador amoniacal
a) Combustible y calor.
c) Combustible y oxígeno.
Jugo gástrico
1,4
b) Combustible, calor y oxígeno.
d) Calor y oxígeno.
Blanqueador doméstico
12,2
5. Cuando un ácido es neutralizado se forma:
Sustancia
pH 7,9 11,3
Zumo de limón
2,3
Agua de lluvia
5,7
Refresco de cola
2,7
a) Una base.
c) Otro ácido.
Zumo de tomate
4,1
Leche de vaca
6,4
b) Agua.
d) Una sal.
Café
5
Vinagre
2,6
6. ¿Qué ocurre cuando se añade un ácido a un metal como el cinc? Elige la opción correcta.
13. Completa la siguiente reacción de neutralización:
a) El metal se transforma en una base. b) Se produce una reacción de neutralización. c) El metal se disuelve. d) Se formarán una sal y agua.
HBr + NaOH "
La piel es la primera barrera con la que nuestro organismo se protege de los agentes externos. Se recubre de una capa grasa que posee un pH de 5,5, lo que impide que determinados microorganismos como bacterias y virus puedan invadir nuestra piel. Si se perdiera el manto protector, se perdería esta propiedad protectora.
a) Escribe la reacción que tiene lugar y ajústala. b) Indica cuáles son los reactivos y los productos de la reacción.
¿Qué tipo de gel de baño o champú sería entonces el más recomendado para aplicar diariamente a nuestra piel?
c) ¿Qué reacción ha tenido lugar?
9. En las farmacias venden un remedio eficaz contra las picaduras de insectos. Su olor nos indica que contiene amoniaco (NH3). Razona si las picaduras de los insectos son ácidas o básicas.
Indica cuál es el ácido y cuál es la base.
14. Lee el texto y contesta.
7. Acercamos una botella de amoniaco (NH3) a una botella de agua fuerte (ácido clorhídrico: HCl). Como consecuencia se produce un humo blanco denominado cloruro de amonio (NH4Cl).
8. Uno de los remedios más antiguos para combatir la acidez de estómago es tomar bicarbonato de sodio (pH = 8,4). Explica por qué es efectivo.
+ H2O
a) Un gel de pH = 5,5, con el fin de no alterar la piel.
b) Un gel de pH ácido (por ejemplo, 4,2), ya que la acidez combatiría de mejor forma los microorganismos presentes en la piel.
c) Un gen básico (de pH > 7), ya que neutralizaría la acción de la capa grasa de la piel.
d) Un gel neutro (pH = 7).
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2
La química y el medio ambiente
La química desempeña un papel fundamental en la resolución de problemas ambientales, como el cambio climático o la lluvia ácida. Sin la química nunca hubiésemos logrado comprender estos procesos, sus causas y la posible forma de corregirlos.
2.1 El incremento del efecto invernadero Radiación emitida
2. La superficie «devuelve» una parte de esa energía que ha absorbido en forma de radiación infrarroja. 1. A la Tierra llega la radiación del Sol que le aporta luz y calor. Una parte de esta radiación es absorbida por la superficie terrestre (continentes y océanos) que incrementa así su temperatura.
El efecto invernadero natural permite que el planeta tenga una temperatura aceptable para el desarrollo de la vida. Los problemas se producen cuando la atmósfera tiene una gran cantidad de CO2 o de otros gases que retie4. Otra parte es retenida en la nen la radiación infrarroja, pues enatmósfera por ciertos gases, como tonces se reduce la emisión de calor el dióxido de carbono (CO ), con lo que la Tierra se calienta más. hacia el espacio exterior y se produce un sobrecalentamiento de la Tierra. Esto se conoce como incremenRadiación absorbida to del efecto invernadero. Algunas actividades que generan gases de efecto invernadero son los incendios y la quema de combustibles fósiles (carbón y petróleo), como las que se producen en los automóviles, fábricas, etc. 3. Una parte de la radiación infrarroja atraviesa la atmósfera y se disipa en el espacio.
2
2.2 La destrucción de la capa de ozono NO TE CONFUNDAS El término «agujero de la capa de ozono», aunque se utiliza con frecuencia, no es muy correcto. Se trata en realidad de una disminución en el grosor de la capa de ozono, lo que provoca que la ozonosfera no pueda absorber la perjudicial luz ultravioleta.
Entre los 15 y 40 km de la superficie de la Tierra se extiende una capa que contiene ozono (O3). El ozono es un gas que se forma a partir del oxígeno de la atmósfera y absorbe una parte de la radiación ultravioleta procedente del Sol, que es dañina para los seres vivos. Ciertos gases, como los CFC (clorofluorocarbonados), presentes en sprays y sistemas de refrigeración, destruyen el ozono, y entonces una mayor cantidad de radiación ultravioleta atraviesa la atmósfera y llega a la superficie, lo que puede dañar a los seres vivos expuestos a la radiación solar.
2.3 La lluvia ácida Determinadas industrias producen combustiones que emiten a la atmósfera gases como el CO2 (dióxido de carbono), el NO (monóxido de nitrógeno) y SO2 (dióxido de azufre). Por acción de la luz solar estos gases, tras una serie de reacciones químicas, se transforman en ácido nítrico (HNO3) y en ácido sulfúrico (H2SO4). Estos ácidos caen al suelo arrastrados por el agua de lluvia en forma de llúvia ácida, lo que provoca graves daños en la vegetación y en monumentos. 98
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Actividades 15. Analiza cuáles de las siguientes acciones contribuyen al incremento del efecto invernadero y explica cuáles son debidas a las actividades humanas. Acciones Incendio
Contribuye al efecto invernadero
Actividad humana (sí/no)
✓
Sí
Erupción volcánica
20. Si el deterioro de la capa de ozono se hiciera mayor, ¿qué podría ocurrir?
a) Aumentaría la temperatura media del planeta entre uno y dos grados, lo que ocasionaría graves efectos medioambientales.
b) La radiación ultravioleta nociva llegaría hasta la superficie de la Tierra, pudiendo producir daños en los seres vivos.
c) Disminuiría la temperatura media de la Tierra, produciendo olas de frío, con lo que un gran número de seres vivos morirían.
d) Provocaría daños en la vegetación, pudiendo destruir bosques enteros.
Respiración Calefacción Vehículos Tala de árboles
21. ¿Por qué la expresión «agujero de la capa de ozono» no es adecuada? Sugiere una expresión para la situación real.
Aire acondicionado Barbacoa Sprays
16. Si aumenta mucho la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera, ¿qué ocurrirá con la temperatura media del planeta? 17. Habitualmente se recomienda utilizar el transporte público para reducir la contaminación en las ciudades. Explica por qué. 18. Recuerda y contesta: a) El efecto invernadero, por sí solo ¿es un problema ambiental o un hecho que favorece la vida en el planeta?
b) ¿Cuál es, entonces, el auténtico problema ambiental que tiene que ver con el efecto invernadero?
c) Indica dos acciones de las personas que incrementan el efecto invernadero.
22. Utilizando los siguientes términos, escribe una frase que describa cómo afectan los gases CFC a la capa de ozono: • Átomos de oxígeno.
• Radiación ultravioleta.
• Moléculas de oxígeno.
• Gases CFC.
• Ozono (O3).
• Capa de ozono.
23. Elige la respuesta correcta. La lluvia ácida:
a) Se forma por la liberación de ciertas industrias de ácido nítrico y ácido sulfúrico.
b) Tiene su origen en los gases del efecto invernadero, como el dióxido de carbono (CO2) y el metano (CH4).
c) Se produce por el empleo de combustibles fósiles.
d) Se produce por el empleo de CFC.
19. El efecto invernadero está originado por diferentes sustancias gaseosas. La contribución relativa de estos gases a este efecto aparece en la tabla. Gas Contribución (%)
CO2
CH4
CFC
O3
NOX
50
18
17
9
6
a) ¿Qué problemas medioambientales origina el incremento del efecto invernadero? b) ¿Cuál es el gas que tiene mayor influencia en este problema? c) ¿Qué medidas se pueden tomar para evitar el incremento del efecto invernadero? d) ¿Tiene algún efecto positivo? ¿Qué sucedería si no existiese efecto invernadero?
Bosque afectado por lluvia ácida.
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2.4 Contaminación y purificación del agua ¿LO SABÍAS? El agua no solo se contamina por vertidos industriales, aguas residuales de las poblaciones, pesticidas agrícolas, etc. También el agua caliente procedente de las industrias térmicas se considera un contaminante, al elevar la temperatura del agua y dificultar la respiración de los seres vivos.
1. Pretratamiento. Se eliminan los sólidos de gran tamaño y las grasas.
El agua que se encuentra en la naturaleza interviene en muchas actividades humanas, agrícolas e industriales que generan sustancias contaminantes que, a su vez, alteran las propiedades del agua. Para evitar esta contaminación el agua se somete a un proceso de depuración en plantas depuradoras que elimina las sustancias contaminantes antes de verterla a los ríos, lagos o al mar. En las depuradoras el agua es sometida a diferentes procesos físico-químicos. Al final queda libre de productos nocivos, por lo que puede ser empleada para múltiples usos, aunque no es apta para el consumo humano. Si se desea consumir el agua debe pasar, además, por un proceso de potabilización, que consiste en eliminar los microorganismos. Para ello se suele añadir una cierta cantidad de cloro. 2. Decantación primaria. El agua se pasa a un tanque de decantación al aire libre para que las sustancias sólidas precipiten en el fondo. Lodos
Esquema de una planta depuradora.
Deshidratación de lodos.
Desengrasado Desarenado 4. Decantación secundaria. El agua se separa de los lodos producidos por la acción bacteriana.
3. Tratamiento biológico. Al agua se añaden bacterias que consumen la materia orgánica.
Secado de lodos.
5. Finalmente el agua se filtra, se desinfecta y se vierte al río o al mar.
2.5 Recuperación de basuras SÉ RESPONSABLE
Una pila de mercurio puede contaminar hasta 600 000 L de agua (más de lo que consumen cuatro personas en toda su vida); una pila alcalina, 175 000 L, y una pila de botón, 12 000 L. Cuando se hayan agotado, échalas en el contenedor adecuado.
Como consecuencia de las actividades humanas se genera una gran cantidad de desechos que denominamos basura. Algunos de estos desechos tienen una vida muy larga, como los plásticos. Otros contaminan el suelo y las aguas, como los metales pesados de pilas y baterías. Otros se descomponen (biodegradables), produciendo malos olores. Las acciones más eficaces para disminuir las basuras son: • Reducir la cantidad de basuras que producimos. Para ello podemos evitar comprar productos innecesarios y aquellos con empaquetamiento excesivo. • Reutilizar los productos que puedan tener un nuevo uso. Por ejemplo, volver a utilizar las bolsas de plástico o el papel escrito por una sola cara. • Reciclar los materiales con el fin de obtener nuevos productos a partir de ellos. El papel, el cartón o el vidrio son algunos ejemplos de materiales que pueden volver a utilizarse como materia prima. Para ello hay que separarlos antes de echarlos a los contenedores.
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.
Actividades 24. Antes de ser vertida a los ríos, el agua contaminada debe someterse a un proceso de:
29. Para afrontar el problema de los residuos generados en nuestro hogar debemos:
a) Potabilización.
a) Reducir, reutilizar y reestructurar.
b) Depuración.
b) Reducir, revisar y reciclar.
c) Desinfección.
c) Reducir, reutilizar y reciclar.
d) Reciclado.
d) Reformar, revisar y reciclar.
25. El agua procedente de las depuradoras queda libre de productos nocivos. ¿Puede entonces emplearse para el consumo humano?
30. Observa los objetos de las imágenes y relaciónalos con la materia prima de que están fabricados y que desechamos cuando los tiramos a la basura.
26. Copia en tu cuaderno los siguientes recuadros y ordénalos de manera que formen una explicación coherente del proceso que tiene lugar en una planta depuradora.
Hierro, aluminio y otros metales
A. Se añaden bacterias que consumen la materia orgánica.
B. Se eliminan objetos sólidos de gran tamaño del agua.
C. Las aguas se depositan en unas balsas al aire libre para que su temperatura se iguale a la del ambiente.
D. El agua es agitada para mezclarla bien con oxígeno, lo que favorece la acción de bacterias.
E. El agua se filtra y se desinfecta antes de verterla al río o al mar.
F. Se separan los lodos producidos por la acción bacteriana.
27. Clasifica los residuos en función de su posible aprovechamiento: • Envases de vidrio. • Muebles. • Pilas. • Materia orgánica. • Papel. • Ropa.
• Metales. • Lana. • Envases de plástico. • Agua. • Estiércol.
Aprovechamiento
Residuo
Madera (celulosa) Arena y carbonato de sodio Petróleo
31. Probablemente habrás visto y utilizado los contenedores especiales para tirar el papel. Describe las fases de Reducir, Reutilizar y Reciclar el papel. 32. Muchos de los materiales presentes en las basuras nos pueden servir para fabricar objetos nuevos. Por ello es fundamental reciclar, tarea que se verá facilitada si colocamos la basura en los contenedores adecuados. Indica qué se podrá obtener de cada objeto de las fotografías si se recicla. Plástico
Reutilizable Reciclable
Vidrio Papel Metales
Biodegradable
28. En muchas ciudades se separan los residuos sólidos (vidrio, cartón, materia orgánica…) en distintos contenedores identificados con diferentes colores. ¿Qué ventajas tiene este sistema?
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La química en la sociedad actual
3.1 La química y los medicamentos ¿LO SABÍAS? Las propiedades de los nuevos materiales se basan en los enlaces químicos que poseen entre sus átomos y las agrupaciones de partículas que originan.
Los medicamentos son sustancias que se administran a las personas o a otros seres vivos para prevenir, aliviar o curar una enfermedad.
Los medicamentos se obtienen en laboratorio, bien a través de sustancias que se extraen de la naturaleza (animales o plantas) o sintetizándolos a partir de otras sustancias químicas. Los más usados son: • Antibióticos, como la penicilina y la amoxicilina, que combaten las bacterias. • Analgésicos y antipiréticos, como el paracetamol y el ibuprofeno, que combaten el dolor y reducen la fiebre, respectivamente. • Desinfectantes, como el alcohol o el agua oxigenada, que destruyen los microorganismos que puedan penetrar a través de la piel. • Antiinflamatorios, como los corticoides, que combaten la inflamación. • Vacunas, que previenen enfermedades como el sarampión.
3.2 La química y la agricultura
Los fertilizantes aportan al terreno los nutrientes necesarios para el desarrollo de las plantas. Muchos fertilizantes contienen N, P y K; también pueden contener Ca, S, Mg, Fe y Cu.
Los pesticidas o plaguicidas se emplean para repeler o evitar el desarrollo de plagas de insectos, microbios y otros seres que impiden el normal desarrollo de las plantas.
Los herbicidas se utilizan para matar las malas hierbas que crecen junto a los cultivos.
3.3 La química y los nuevos materiales La química nos facilita materiales que nos permiten disponer de objetos que antes eran impensables. Algunos de ellos son: • Los plásticos. Son moléculas muy grandes (llamadas polímeros) que se originan por unión de moléculas pequeñas. En su mayoría se obtienen a partir del petróleo. Ejemplos: el polietileno, usado para fabricar bolsas, o las fibras sintéticas, como el nailon o el poliéster. • Los cristales líquidos. Forman parte de los dispositivos electrónicos, como las pantallas LCD de teléfonos móviles o cámaras fotográficas. 102
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Actividades 33. La acidez es una sensación de ardor en el pecho, garganta o estómago, que se acompaña de sabor agrio. Para combatir esta alteración del sistema defensivo de las paredes del estómago se utilizan unos medicamentos denominados antiácidos, como el hidrogenocarbonato de sodio (NaHCO3), más conocido como bicarbonato de sodio. Otros antiácidos empleados para este fin son los carbonatos de calcio o magnesio, así como hidróxidos de aluminio o magnesio. Averigua qué tipo de sustancia es un antiácido y el efecto químico que produce en el estómago.
38. ¿De dónde se obtienen la mayoría de los plásticos? a) Del reciclado. b) Del cristal líquido. c) De los combustibles fósiles. d) Del petróleo. 39. Los plásticos son unos de los materiales más utilizados en la sociedad actual. Están presentes en nuestras actividades más frecuentes.
34. Busca información: ¿cuál de los siguientes medicamentos es un antibiótico? a) Aspirina.
e) Penicilina.
b) Vitamina C.
f) Alcohol etílico.
c) Insulina.
g) Cortisona.
d) Yodo.
h) Mercromina.
35. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.
a) Los corticoides son analgésicos.
b) Los antibióticos sirven para combatir los virus.
c) El ibuprofeno es un antipirético, ya que reduce la fiebre.
d) Los desinfectantes previenen las enfermedades.
e) La amoxicilina es un antiinflamatorio.
36. Cuando un laboratorio farmacéutico desarrolla un nuevo medicamento, el principio activo se registra con un nombre comercial bajo patente que solo puede ser utilizado por dicho laboratorio y por el que cobra unos derechos. Sin embargo, el nombre químico del mismo principio no está sujeto a patente, y es lo que se conoce como genérico.
a) ¿Te parece adecuado para favorecer la investigación que durante unos años solamente la empresa que ha descubierto el medicamento pueda comercializarlo? b) ¿Por qué?
37. Relaciona los conceptos de ambas columnas: a) Fertilizantes. b) Pesticidas. c) Herbicidas.
• Se emplean para repeler o evitar el desarrollo de plagas de ciertos organismos. • Se utilizan para matar malas hierbas. • Aportan al terreno nutrientes necesarios para el desarrollo de la planta.
Se trata de materiales muy útiles para fabricar toda clase de objetos, gracias a sus propiedades. Investiga e indica cuáles de las siguientes propiedades hacen referencia a los plásticos. a) Son materiales muy ligeros, pero con mucha resistencia a la rotura y al desgaste. b) Son impermeables al agua. c) Pueden ser estirados y recuperar su forma posteriormente. d) No se oxidan ni se pudren, lo que hace que sean materiales muy higiénicos. e) Se pueden moldear fácilmente con el calor. f) Pueden usarse como fibra textil por ser muy transpirables. g) Son buenos aislantes térmicos y eléctricos. h) Conducen la corriente eléctrica. 40. Investiga y busca información sobre el componente fundamental de los chalecos antibalas llamado «Kevlar». a) ¿Cuál es la ventaja de este material sobre otros? b) ¿Cuáles son las principales aplicaciones del Kevlar? c) ¿A qué materiales sustituye?
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Resumen REACCIONES QUÍMICAS DE INTERÉS Reacciones de combustión:
" dióxido de carbono + agua +
Combustible +
. Estas reacciones son _________. Esto quiere decir que, al producirse, se emite energía.
. Las sustancias que tienen sabor agrio disuelven algunos metales, como el cinc, y destiñen algunos colorantes son
.
. Las sustancias que tienen sabor amargo, son suaves al tacto y favorecen la disolución de las grasas son
.
. La acidez de las sustancias se mide en una escala de Cuanto más bajo es el pH de una sustancia, más
. es.
Reacción de neutralización: + base " sal + LA QUÍMICA Y EL MEDIO AMBIENTE El incremento del efecto invernadero
. Cuando la atmósfera tiene mucho O /CO , la radiación que refleja la Tierra es otra vez 2
2
absorbida/destruida por la capa de contaminantes, por lo que disminuye/aumenta la temperatura del planeta. La destrucción de la capa de ozono
. El ozono es un líquido/gas que se forma a partir del oxígeno y tiene la propiedad de reflejar/absorber una parte de la radiación ultravioleta. La lluvia ácida
. En la atmósfera, los óxidos de nitrógeno y de azufre propician la formación de ácido fosfórico/nítrico y ácido acético/sulfúrico. Cuando la atmósfera tiene gran cantidad de estos gases y llueve, la lluvia es ácida/básica. Contaminación y purificación del agua
. Para evitar los problemas de contaminación del agua hay que eliminar los residuos que le llegan; para ello se somete a un proceso de
y
.
LA QUÍMICA EN LA SOCIEDAD ACTUAL
. Los medicamentos son sustancias que se administran a las personas o a otros seres vivos para
, aliviar o curar una
.
. La producción agrícola ha aumentado gracias al uso de: •
: son sustancias que aportan al terreno los nutrientes
necesarios para el desarrollo de las plantas. •
: se emplean para repeler plagas de insectos, microbios y otros
seres que impiden el normal desarrollo de las plantas. •
: se utilizan para matar malas hierbas que crecen junto a los cultivos.
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La electricidad
Las líneas de alta tensión transportan la electricidad. ¿En qué cambiaría tu vida si no existiese la electricidad?
EXPERIMENTA Y PIENSA: efecto Joule Hay un efecto de la corriente eléctrica que es fundamental en las aplicaciones de la electricidad. Se denomina efecto Joule en honor a su descubridor, James P. Joule.
1
2
¡B
OOM
!
Observa lo que ocurre en el circuito, a ver si puedes enunciar lo que dijo Joule en el año 1840.
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Movimiento de cargas eléctricas
1.1 Las cargas eléctricas RECUERDA Todo lo relacionado con la electricidad depende de la estructura del átomo. El átomo no es indivisible, ya que un átomo está formado por un núcleo que contiene protones y neutrones y electrones que giran alrededor del núcleo. Los protones y los electrones tienen la misma carga eléctrica, pero la carga de los protones es positiva y la de los electrones es negativa. El neutrón no tiene carga eléctrica. Las cargas de distinto signo se atraen y las del mismo signo se repelen.
Átomo de carbono. Tiene 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones.
Conductor (cobre)
Aislante (plástico)
Tal y como vimos en unidades anteriores, la materia está formada por átomos, en los que hay cargas positivas y cargas negativas. Los responsables de que un cuerpo tenga carga eléctrica son los electrones, pues pueden pasar de un cuerpo a otro con relativa facilidad, mientras que los protones permanecen en el interior del núcleo y no pasan de un cuerpo a otro. Así: • Si un cuerpo tiene exceso de electrones, está cargado negativamente. • Si un cuerpo tiene exceso de protones, está cargado positivamente. • Si un cuerpo tiene el mismo número de protones que de electrones; su carga se compensa y, por tanto, no tiene carga neta, es neutro. La carga eléctrica es una magnitud, y como tal puede medirse y será necesario definir una unidad. Como son los electrones los que se intercambian y hacen que un cuerpo se cargue, parecería lógico tomar la carga del electrón (e) como unidad de carga eléctrica. Sin embargo, los electrones tienen una carga eléctrica muy pequeña. Por ello se define otra unidad de carga. La unidad de carga en el Sistema Internacional (SI) es el culombio, cuyo símbolo es C. Se le puso este nombre en honor al físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806). 1 C = 6,25 ? 1018 e O, lo que es lo mismo: la carga del electrón expresada en culombios es: 1 e = 1,602 ? 10-19 C. En ocasiones la carga de un culombio resulta demasiado grande. Por eso se usan el miliculombio (mC) y el microculombio (nC). 1 mC = 10-3 C; 1 nC = 10-6 C.
1.2 Conductores y aislantes El cable que se utiliza para llevar la corriente eléctrica a los distintos aparatos está formado por hilos de cobre recubiertos de plástico. Los hilos de cobre permiten que circulen las cargas, mientras que el plástico evita que las cargas salgan al exterior. Por este motivo podemos tocar el cable sin sufrir una descarga. Los materiales que permiten el paso de cargas eléctricas por su interior se denominan conductores. Por ejemplo, los metales son conductores.
El cobre es un metal dúctil, es decir, que se puede estirar con facilidad para formar hilos largos y muy finos, y además es un buen conductor. El plástico es un aislante.
Los materiales que no permiten el paso de cargas eléctricas se denominan aislantes. Por ejemplo, el plástico, la madera o el aire seco son aislantes.
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Actividades 1. Las cargas que se mueven en los fenómenos eléctricos son: a) Las positivas.
c) Las positivas y las negativas.
b) Las negativas. 2. ¿Qué tipo de carga eléctrica tienen los protones? ¿Y los electrones?
6. Una carga de 0,06 C equivale a: a) 600 nC.
c) 60 mC.
b) 60 nC.
d) 20 mC.
7. Expresa 20 C en: a) mC.
b) nC.
3. ¿Qué ocurre si un electrón abandona un átomo neutro? a) El átomo tiene más protones que electrones; por tanto, adquiere carga negativa. b) El átomo tiene más protones que electrones; por tanto, adquiere carga positiva. c) El átomo tiene menos electrones que protones; por tanto, adquiere carga negativa. 4. ¿Cuándo decimos que un átomo es neutro? a) Cuando tiene más neutrones que protones o electrones. b) Cuando tiene el mismo número de protones que de neutrones. c) Cuando tiene el mismo número de protones que de electrones. 5. ¿Recuerdas la regla que rige la atracción y repulsión entre las cargas? a) Las cargas del mismo signo se atraen y las de distinto signo se repelen. b) Las cargas de distinto signo se atraen y las del mismo signo se repelen. c) Una carga positiva y una carga negativa se repelen, mientras que dos cargas negativas se atraen.
La notación científica La notación científica es muy útil para expresar números muy grandes o muy pequeños. Consiste en representar el número como una potencia de diez. Para expresar un número en notación científica primero identificamos la coma decimal (si la hay) y la desplazamos hacia la izquierda si el número a convertir es mayor de 10, o hacia la derecha si el número es menor que 1. • Siempre que movemos la coma decimal hacia la izquierda el exponente de la potencia de 10 será positivo. 8567,672 = 8,567 672 ? 103 (movemos la coma decimal 3 lugares hacia la izquierda). • Si la movemos hacia la derecha el exponente de la potencia de 10 será negativo. 0,000 003 = 3 ? 10-6 (movemos la coma decimal 6 lugares hacia la derecha).
8. Una carga de 50,3 nC equivale a: a) 503 C. b) 5,03 ? 10
Cambio de unidades Para realizar cambios de unidades de la misma magnitud se utilizan los factores de conversión. Por ejemplo, para expresar 0,5 C en mC: 1. Anota la cantidad que quieres cambiar.
0,5 C
2. Escribe a su lado una fracción que contenga esta unidad y la unidad que quieres convertir.
0,5 C ?
3. Al lado de estas unidades añade la equivalencia con la otra.
0,5 C ?
4. Simplifica y expresa el resultado final.
c) 0,0503 C. -5
0,5 C ?
mC
C.
d) 5,03 ? 10-6 C.
9. Clasifica los siguientes materiales como conductores o aislantes. a) Aire.
e) Madera.
b) Plástico.
f) Plata
c) Aluminio.
g) Cartón.
d) Cobre.
h) Oro.
10. Completa las siguientes frases:
C
a) Los materiales que permiten el paso de la corriente eléctrica se llaman .
1 mC
b) Los materiales que no permiten el paso de la corriente eléctrica se llaman .
10-3 C
1 mC 10-3 C
= 500 mC
c) Los metales, como la plata, el aluminio, el cobre, etc., son buenos . d) El aire es un , por eso la corriente eléctrica no «sale» de los orificios de un enchufe.
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2 Elemento
Símbolos
Conductor
Resistencia
Cuando la corriente eléctrica recorre un camino cerrado, que le permite volver al punto de partida, tenemos un circuito eléctrico.
Bombilla Interruptor abierto
2.1 Elementos de un circuito
Interruptor cerrado Motor
M
Generador
G
Amperímetro (aparato que mide la intensidad de corriente)
A
Voltímetro (aparato que mide la diferencia de potencial)
V
Esquema de un circuito.
Cuando accionamos el interruptor y se enciende una lámpara, es porque ha pasado una corriente eléctrica por alguna parte de ella. Una corriente eléctrica está producida por el movimiento de electrones, de forma ordenada, a lo largo de un material conductor.
Pila
Símbolos utilizados para representar los circuitos eléctricos.
La corriente eléctrica
Un circuito eléctrico está formado por varios elementos: Esquema 1 Pila o generador: origina la corriente eléctrica a través de todo el circuito.
Cable o conductor: conecta los distintos elementos del circuito y permite el paso de la corriente eléctrica.
Bombilla o receptor: transforma la energía eléctrica en otra forma de energía.
Interruptor: abre o cierra el circuito, interrumpiendo o permitiendo el paso de la corriente eléctrica.
Los circuitos se representan gráficamente utilizando símbolos para cada uno de sus elementos. Los más usuales, establecidos por convenio, aparecen reflejados en el cuadro del margen. A la izquierda se muestra el circuito tal y como se representaría. Para que un circuito permita el paso de la corriente es preciso que esté cerrado, es decir, que desde un extremo a otro exista siempre un camino ininterrumpido para las cargas.
2.2 Circuitos en serie y en paralelo Cuando un circuito está formado por varios elementos, estos pueden conectarse en serie o en paralelo. Circuito en serie. Los elementos se colocan uno a continuación de otro, a lo largo del recorrido del circuito. La bombilla y el motor están en serie. Si se desconecta el motor no hay corriente y la bombilla no luce.
Corriente
Circuito en paralelo. A Los elementos se colocan en ramas que parten de un punto del circuito (A) y se unen en otro (B). La bombilla y el motor están en paralelo. Si se desconecta el motor la corriente puede pasar por la bombilla, que lucirá.
B
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Actividades 11. Relaciona cada elemento de un circuito eléctrico con la función que realiza. 1. Pila.
a) Permite el movimiento de las cargas.
2. Cable. 3. Interruptor.
b) Transforma la energía eléctrica en otro tipo de energía.
4. Bombilla.
c) Produce energía eléctrica. d) Abre o cierra el circuito.
12. Dibuja un esquema del siguiente circuito:
17. Completa las siguientes frases sobre lo que ocurre en un circuito eléctrico utilizando para ello las palabras que figuran a continuación: • abrir • interrumpe
• enciende • produce
• cerrar • conduce
a) El generador la corriente eléctrica. b) El cable la corriente eléctrica. c) El interruptor permite y el circuito. Cuando el circuito se abre por cualquier punto, la corriente se . d) La bombilla se al pasar por ella la corriente eléctrica. 18. Observa y contesta. 1
13. Observa los siguientes circuitos y nombra sus elementos:
1
2
14. Señala a qué elemento del circuito corresponden las siguientes imágenes: generador, conductor, receptor o interruptor: a)
2
b)
c)
a) ¿En cuál de los circuitos están los elementos conectados en serie? b) ¿En cuál están conectados en paralelo? 19. Dibuja el esquema de un circuito que tiene una pila, una bombilla y una resistencia conectados en serie. Coloca un interruptor que te permita abrirlo o cerrarlo.
d)
e)
15. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. V F Cuando el conductor cierra el circuito, la corriente eléctrica pasa por él y la bombilla se enciende.
20. Dibuja el esquema de un circuito que tiene una bombilla y una resistencia conectadas en paralelo. El circuito tiene también una pila y un interruptor. 21. Observa y contesta: 1
2
V F Un generador utiliza el paso de la corriente eléctrica para generar luz, calor, movimiento, etc. V F Las cargas eléctricas recorren el circuito hasta que la lámpara se agota. V F Un interruptor abierto impide el movimiento de las cargas por el circuito. 16. Dibuja el esquema de un circuito que tenga una pila, dos bombillas, un interruptor y un motor.
a) ¿En cuál de ellos se encienden las bombillas? b) ¿Qué circuito está abierto? ¿Cuál está cerrado?
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Magnitudes eléctricas
3.1 Intensidad de corriente Imagina que puedes hacer un corte transversal en un conductor y contar las cargas que pasan por allí en cada segundo. La intensidad de corriente (I) es la carga eléctrica (Q) que pasa por una sección del conductor en un intervalo de tiempo. I=
Pila
Representación de la intensidad de corriente como el número de cargas que pasa por la sección de un conductor en la unidad de tiempo.
Q t
Si por un conductor circulan 6 C en 2 s, la intensidad será: Q 6C = = 3 C/s I= t 2s La unidad de intensidad de corriente en el SI se llama amperio (A), y equivale a un culombio por segundo (C/s). Para corrientes de poca intensidad se utilizan unidades más pequeñas, como el miliamperio (mA) y el microamperio (nA): 1 mA = 10-3 A; 1 nA = 10-6 A. El aparato que mide la intensidad se llama amperímetro. Se coloca siempre en serie. Indica cuántos amperios circulan por el circuito.
3.2 Diferencia de potencial o voltaje Todos los circuitos eléctricos necesitan un generador que aporta la energía eléctrica. El voltaje o diferencia de potencial (V ) está relacionado con la energía con la que los electrones son impulsados por el generador (pila, batería, etc.) para que recorran el circuito y formen la corriente eléctrica. ¿LO SABÍAS? Si colocamos una resistencia en serie en un circuito, la intensidad de la corriente en el circuito disminuye. Los reóstatos son aparatos que permiten variar la resistencia de un aparato, aumentándola o disminuyéndola.
En el SI la diferencia de potencial o voltaje se mide en voltios (V). Para medir el voltaje se usa un aparato llamado voltímetro. Se conecta en paralelo.
3.3 Resistencia Al moverse los electrones por un conductor encuentran dificultad debido a los obstáculos que ofrecen los átomos del material. Se llama resistencia (R) a la oposición que ofrecen los materiales al paso de la corriente eléctrica.
La resistencia se mide en ohmios (X) en el SI. Hay materiales que ofrecen mayor resistencia que otros. Además, cuanto más largo y más estrecho sea el conductor, mayor será la resistencia que encuentran los electrones para atravesarlo.
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Actividades 28. Indica qué aparato utilizarías para:
Despeja incógnitas en una ecuación
a) Medir la intensidad que circula por un conductor.
• Todo lo que está multiplicando a la incógnita en un lado de la ecuación pasa al otro lado de la ecuación dividiendo. Observa: 6 3?x=6"x= 3 • Todo lo que está dividiendo a la incógnita en un lado de la ecuación pasa al otro lado multiplicando: x =4"x=4?3 3
22. ¿Cuál es la intensidad de la corriente que pasa por un cable si lo atraviesan 1000 C en 25 s? 23. Calcula la carga que pasa por un conductor si está circulando una corriente de 2 A durante 2 minutos. 24. Completa en tu cuaderno la tabla recordando la definición de intensidad de corriente. Carga (C)
Tiempo (s)
4
1
4
5
4 0,5
b) Medir la diferencia de potencial que existe entre dos puntos de un conductor. 29 Indica la unidad o unidades que se utilizan en el SI, y su símbolo, para medir: a) La intensidad de corriente. b) La diferencia de potencial. c) La resistencia. 30. La cantidad de electrones que pasan por un punto del circuito en un segundo: a) Es el voltaje y se mide en voltios. b) Es la resistencia eléctrica, medida en ohmios. c) Es la intensidad de corriente, medida en amperios. 31. ¿Cómo varía la resistencia de un conductor con la longitud del mismo?
Intensidad (A)
a) Cuanto más largo sea el conductor, menor será la resistencia.
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c) Cuanto más largo sea el conductor, mayor será la resistencia.
b) Cuanto más corto sea el conductor, mayor será la resistencia.
8
25. ¿Qué significa que la intensidad de una corriente es de 5 A? a) Que por la sección de un conductor circulan 5 electrones en 5 segundos. b) Que por la sección de un conductor circulan 5 C en 1 segundo. c) Que un conductor se opone al paso de 5 culombios por segundo. 26. Indica cuál de estas expresiones no es la correcta: Q I
a) Q = I ? t
c) t =
t b) I = Q
Q d) I = t
27. Por un conductor circula una intensidad de 0,2 A. Calcula: a) La carga en culombios que atraviesa una sección del conductor en 20 segundos. b) Los electrones que atraviesan esa sección en el mismo tiempo. Recuerda: 1 e = 1,602 ? 10-19 C.
32. Elige las respuestas correctas. La resistencia de un cuerpo depende: a) De la intensidad de corriente que circula por él. b) De la diferencia de potencial aplicada a sus extremos. c) De su forma y dimensiones. d) De la naturaleza de la sustancia de la que está hecho. 33. ¿Por qué se emplea cobre y no plomo, por ejemplo, en los cables eléctricos? a) Porque el cobre ofrece menor resistencia al paso de la corriente que el plomo. b) Porque los electrones se mueven con mayor dificultad en el cobre que en el plomo.
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4 ¿LO SABÍAS? Las pilas tienen dos polos o electrodos: uno positivo (+) y uno negativo (-). Los electrones cargados de energía salen del polo negativo (-), se mueven por el circuito y entran en la pila de nuevo por el polo positivo (+).
Sentido real
En el interior de la pila se vuelven a «cargar» de energía y son empujados al circuito. Sin embargo, en los esquemas ponemos que la corriente va del polo positivo al negativo. La razón es que se estableció el sentido de la corriente antes de conocer la existencia de los electrones.
Sentido utilizado
Ley de Ohm
A comienzos del siglo xix el físico alemán George S. Ohm (17891854) descubrió que existía una relación entre la intensidad, el voltaje y la resistencia. Comprobó que en un circuito la intensidad de la corriente aumentaba al aumentar el voltaje y disminuir la resistencia. Matemáticamente las tres magnitudes se relacionan de la siguiente forma, conocida como ley de Ohm: V Voltaje Intensidad = I= " R Resistencia
A partir de esta fórmula podemos obtener otras que permiten calcular, respectivamente, el voltaje y la resistencia. • Voltaje = Intensidad ? Resistencia " V = I ? R. Para un valor determinado de resistencia, si aumenta la intensidad, aumentará el voltaje. V Voltaje • Resistencia = R = . Para un valor determinado " I Resistencia de voltaje, si aumenta la intensidad disminuirá la resistencia. Esto significa que cuanta más energía proporcione la pila, más rapidez alcanzarán los electrones y, por tanto, más electrones circularán en un tiempo determinado por el circuito. Por otro lado, cuanto más resistente sea un conductor, más dificultad encontrarán los electrones en su paso a través de él y la intensidad de corriente será menor. DV (V) 1,6 1,2 0,8 0,4 0,0 0,0
0,5
0,10
0,15
0,20 I (A)
Ley de Ohm. Si representamos los valores de la intensidad de corriente en un conductor variando la diferencia de potencial del generador obtenemos una gráfica como esta.
4.1 Tipos de corriente eléctrica La corriente proporcionada por las pilas o las baterías se llama corriente continua, ya que las cargas circulan siempre en el mismo sentido, desde el polo negativo hacia el polo positivo. Sin embargo, la corriente que llega a nuestra casa es corriente alterna. En ella las cargas no se mueven siempre en el mismo sentido. Este tipo de corriente se usa porque es más fácil de producir y transportar. 112
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0c4,692
Actividades 1. EJERCICIO RESUELTO Observa las siguientes gráficas. En ambas se representa el voltaje y la intensidad de un circuito. En la gráfica A la resistencia es fija y en la gráfica B se duplica el valor de dicha resistencia. ¿Qué conclusiones sacas del análisis de estas gráficas? V (V)
V (V) 6
6
A
4
0
1
2
3
4 I (A)
0
36. Un circuito eléctrico tiene instalada una resistencia variable. Aplica la ley de Ohm para completar los valores de la tabla. Intensidad (A)
Diferencia de potencial (V)
10
20
5
20
Resistencia (X)
2
2
2 0
B
4
35. Por una bombilla conectada a 230 V pasa una intensidad de corriente de 0,1 A. Calcula la resistencia que tiene la bombilla.
1000
50 0
1
2
3
4 I (A)
En ambas gráficas se observa que cuando se aumenta la intensidad aumenta el voltaje en la misma proporción. Por tanto, ambas variables (intensidad y voltaje) son directamente proporcionales.
3000
37. ¿En qué sentido se mueven realmente los electrones en un circuito? a) Del polo positivo al polo negativo. b) Del polo negativo al polo positivo c) Depende de la carga del electrón.
Sin embargo, en la gráfica B observamos que al duplicar la resistencia, para un mismo voltaje, la intensidad se reduce a la mitad. Por tanto, la resistencia y la intensidad son inversamente proporcionales.
38. Indica en el siguiente esquema, mediante flechas, cómo representaríamos el sentido de la corriente eléctrica.
2. EJERCICIO RESUELTO
39. A través de los datos que se muestran en el circuito:
Calcula la resistencia de una bombilla que está conectada a un circuito de intensidad 1,8 A sabiendo que el generador proporciona un voltaje de 9 V. La ley de Ohm relaciona las tres variables. Matemáticamente se escribe así: V I= R Conocemos los datos de la intensidad, I = 1,8 A, y del voltaje, V = 9 V. Tenemos que despejar la resistencia (R). V V 9V = =5X I ? R = V" R = I= R " I 1, 8 A Resultado: la resistencia de la bombilla es de 5 X.
-
+
9V
3Ω
a) Nombra los elementos que aparecen en el circuito. b) Calcula cuál es el valor de la intensidad de la corriente eléctrica en el circuito. c) Indica, mediante flechas, el sentido real del movimiento de los electrones en este circuito. 40. Completa las frases:
34. La ley de Ohm relaciona la intensidad (I ) con el voltaje (V ) y la resistencia (R) y dice que: a) I = V ? R b) I =
R V
a) En una pila los electrones salen siempre del polo positivo/negativo.
c) I =
V R
b) La corriente que llega a nuestra casa es corriente alterna/continua.
d) V =
R I
c) En la corriente continua las cargas circulan siempre en el mismo/diferente sentido.
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Efectos de la electricidad
Solemos aprovechar la electricidad en bombillas, radiadores o motores para producir luz, calor o movimiento.
5.1 Efecto térmico (producción de calor) Calor
Calor
Al pasar la corriente eléctrica por el conductor, los choques entre las partículas de este producen calor.
Una de las transformaciones energéticas más usuales de la energía eléctrica es su conversión en energía térmica o calor. Los electrones, al circular por los conductores, chocan con los átomos que los forman y calientan el conductor. Esto se conoce como efecto Joule. Se llama efecto Joule a la transformación de la energía eléctrica en energía térmica (calor).
En este fenómeno se basa el funcionamiento de muchos aparatos eléctricos, como una estufa, una bombilla, un radiador, un tostador, una plancha, etc. Todos estos aparatos tienen algo en común: una resistencia que se calienta al paso de la corriente eléctrica.
5.2 Efecto luminoso (producción de luz) Cuando un metal se calienta mucho, se pone incandescente, es decir, comienza a emitir luz. Es el caso de una bombilla de incandescencia. En el interior de una bombilla hay un filamento muy fino de wolframio enrollado en espiral y conectado a unos cables conductores. El wolframio es un metal que opone resistencia al paso de los electrones. Esta resistencia ocasiona el calentamiento del filamento hasta el punto de ponerse al rojo y emitir luz. En el interior de una bombilla no hay aire, para evitar que el filamento se queme. En su interior hay argón, un gas inerte que impide que arda el filamento. Cuando la bombilla se funde es porque el filamento se rompe, y por tanto se interrumpe el paso de la corriente eléctrica y la bombilla no luce. Filamento
Las lámparas de bajo consumo tienen una vida mucho más larga que las de incandescencia, que se funden con facilidad (se rompe el filamento).
Luz visible
Generador
➞
Bombilla
➞
Luz
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Actividades 41. Señala si las siguientes frases son verdaderas o falsas: a) Todos los conductores se calientan cuando circula por ellos la corriente eléctrica.
43. Junto a los microprocesadores de los ordenadores se sitúan uno o varios ventiladores que funcionan constantemente.
b) Solamente los buenos conductores se calientan cuando circula por ellos la corriente eléctrica. c) Cuanto mayor sea el valor de la resistencia de un aparato, más calor disipará cuando circula por él la corriente eléctrica. d) El efecto Joule se debe a los choques de los electrones con los átomos que forman el conductor. 42. Completa las frases eligiendo la opción adecuada en cada caso. a) En un tostador se aprovecha el efecto Joule/luminoso de la corriente eléctrica para producir calor/luz. b) El efecto Joule consiste en la transformación de energía eléctrica/calor en energía eléctrica/calor. c) En una linterna se aprovecha el efecto Joule/luminoso de la corriente eléctrica para producir calor/luz. d) Cuando la corriente eléctrica circula por el filamento de una bombilla la temperatura del filamento es muy alta/muy baja. e) ¿En cuáles de los aparatos se aprovecha el efecto Joule de una manera útil? 1
2
a) Para que circule el aire por toda la caja del ordenador. b) Para evitar que se acumule polvo en el microprocesador. c) Para evitar un sobrecalentamiento del microprocesador cuando por este circula la corriente eléctrica. d) Para que no se despegue el micro de la placa base debido a las altas temperaturas que se alcanzan en el interior de la caja. 44. ¿Por qué crees que se utiliza wolframio y no otro metal cualquiera para construir los filamentos de las bombillas?
4 5
3
¿Para qué crees que se hace esto?
2 1
a) Porque es el metal más barato. b) Porque es el único metal que puede transformarse en hilos muy finos.
6
c) Porque soporta altísimas temperaturas sin fundirse, es decir, sin pasar al estado líquido. d) Porque es el metal más abundante en la corteza terrestre. 45. Piensa y escribe el nombre de aparatos en los que la corriente eléctrica se transforme en: a) Calor. b) Luz.
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5.3 Efecto mecánico de la corriente (movimiento) El eje se mueve cuando circula corriente por las bobinas.
Broca que gira a la velocidad que le transmite el sistema de engranajes.
Conjunto móvil de bobinas de cobre que se comportan como imanes cuando circula la corriente.
Una corriente eléctrica tiene efectos magnéticos, ya que es capaz de atraer o repeler a un imán. Como la corriente eléctrica se comporta como un imán, podemos producir un movimiento si situamos imanes cerca de una corriente eléctrica. Esto es lo que sucede en un motor eléctrico. En un motor se hace pasar una corriente eléctrica por una bobina de cobre y unos imanes. Imán fijo La bobina se pone a girar por la presencia de de gran los imanes. El giro se aprovecha para produpotencia cir un movimiento lineal, un giro, etc., y así hacer girar la broca en una taladradora o las cuchillas de una batidora, por ejemplo.
5.4 Efecto químico de la corriente
En el interior de las pilas existen sustancias químicas que reaccionan entre ellas. Estas reacciones químicas producen energía eléctrica.
La corriente eléctrica puede inducir cambios químicos en las sustancias. Esto se aprovecha en una pila, que produce electricidad a partir de cambios químicos. Las pilas están fabricadas con diferentes sustancias químicas. Al producirse una reacción química se proporciona la energía nece saria para «empujar» a los electrones, lo que provoca que circule la corriente eléctrica en un circuito. La corriente eléctrica también puede aprovecharse para recubrir objetos metálicos con una fina capa de otro metal. Esta técnica se conoce con el nombre de galvanoplastia. Las funciones del galvanizado son varias, entre ellas: • Proteger una superficie metálica de la corrosión (deterioro de un metal al aire). Por ejemplo, depositando una capa de cinc o cobalto sobre objetos elaborados con hierro u otro metal. • Adornar una pieza metálica con un recubrimiento que la haga más atractiva. Por ejemplo, se utiliza el cobre, la plata, el oro o el estaño. Batería Electrones
Electrones
El mecanismo de la galvanoplastia es sencillo. Se produce una corriente eléctrica dentro de una disolución de sal de plata denominada electrolito. En el cátodo o electrodo negativo situamos el objeto que queremos recubrir con el metal del electrolito (plata).
Electrodo negativo (cátodo)
Electrodo positivo (ánodo) Sal de plata Objeto a chapar
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Actividades 46. Completa la siguiente frase.
50. Completa esta tabla.
a) Un generador/motor es una máquina que transforma la corriente eléctrica en calor/movimiento. b) Un motor eléctrico lleva en su interior un generador/cable de cobre/wolframio enrollado, que forma la bobina/resistencia. c) La bobina de un motor se comporta como un imán/una pila.
b)
Batidora Plancha Bombilla Ventilador
47. ¿Cuáles de los siguientes aparatos llevan un motor eléctrico en su interior? a)
Transforma la energía eléctrica en…
Taladradora Horno
c) 51. El ventilador se utiliza para refrescar; sin embargo su motor también se calienta cuando funciona. Explica esta aparente contradicción. d)
52. Busca en la siguiente sopa de letras algunos conceptos relacionados con los efectos que produce la corriente eléctrica.
f) e)
48. ¿Cuáles son las ventajas de recubrir un objeto metálico con una fina capa de otro metal? a) Proteger la superficie metálica de la corrosión. b) Aumentar la intensidad de la corriente. c) Aumentar la resistencia del metal al paso de la corriente eléctrica. d) Aumentar el voltaje del circuito eléctrico. 49. Repasa los efectos de la corriente eléctrica e indica qué efecto de la corriente se utiliza en los siguientes aparatos. a)
d)
U
W
E
A
G
H
E
J
F
O
W
O
A
C
I
M
R
E
T
D
V
L
B
N
J
A
O
N
O
V
O
F
J
S
C
O
B
R
E
M
A
R
M
O
T
V
U
A
C
I
R
A
Z
I
N
A
V
L
A
G
O
M
T
C
A
M
B
I
E
Z
T
I
O
G
S
L
T
A
U
R
O
O
Z
J
O
U
R
E
M
O
M
G
V
W
U
C
I
N
C
L
a) Dispositivo que permite producir movimiento a partir de una corriente eléctrica. b) Efecto : efecto que provoca el calentamiento de un conductor al paso de la corriente eléctrica. c) Recubrir objetos metálicos con una capa muy fina de otro metal. d) Metal con el que se elaboran habitualmente las bobinas de los motores eléctricos.
b)
c)
e) Metal que forma el filamento de las bombillas. f) Metal empleado para recubrir piezas de hierro con el fin de protegerlas de la corrosión. g) Tipo de energía que se produce en un radiador eléctrico.
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Energía y potencia eléctricas
6.1 La energía eléctrica La energía de la corriente eléctrica es la que tienen las cargas que circulan por el circuito.
NO OLVIDES La unidad de potencia en el SI es el vatio (W), que equivale a un julio de energía por cada segundo (s). 1W=
1J 1s
Como 1 J/s equivale a 1 vatio, cuando se consume 1 J de potencia en un segundo estamos gastando o consumiendo 1 vatio de energía eléctrica.
La energía (E) de la corriente eléctrica depende de la intensidad (I ), la diferencia de potencial (V ) y el tiempo (t ) que transcurre mientras circula la corriente: E = I ?V ? t
En el Sistema Internacional la energía se mide en julios (J).
6.2 La potencia eléctrica Muchas veces, en vez de hablar de energía, que depende del tiempo de funcionamiento, interesa hablar del ritmo al que un aparato consume la energía, es decir, de la potencia.
OBSERVA La potencia es: P=
E t
Y la energía es: E=I?V?t Si sustituimos esta expresión en la fórmula de la potencia tendremos: I?V?t P= t Eliminando el tiempo nos queda: P=I?V
La potencia (P ) de un aparato nos indica la energía que consume en un cierto tiempo (t ). E P= t
En el Sistema Internacional la potencia se mide en vatios (W). Cuando decimos que un aparato tiene 1 vatio de potencia indicamos que consume un julio de energía en un segundo. También podemos calcular, por tanto, la energía consumida a partir de la potencia eléctrica y el tiempo de funcionamiento. La energía consumida (consumo) es igual a la potencia multiplicada por el tiempo de funcionamiento. Energía consumida (consumo) = Potencia ? tiempo " E = P ? t
6.3 El kilovatio hora El consumo de energía eléctrica se mide habitualmente en una unidad que no pertenece al SI: el kilovatio hora, kWh. Un kilovatio hora es la energía que consume un aparato cuya potencia es de 1 kW actuando durante 1 hora.
De la potencia (11 W, 14 W, etc.) dependen el consumo y la luz que emite una bombilla. A mayor potencia, más consumo. Y si las lámparas son del mismo tipo, a mayor potencia, más cantidad de luz emitida.
Veamos la equivalencia entre el kilovatio hora y el julio. 1 kWh = 1 kW ? 1 h = 1000 W ? 3600 s = 1000 ? 3600 W ? s " " 1 kWh = 3 600 000 J " 1 kWh = 3,6 ? 106 J Como ves, el kilovatio hora es una unidad de energía, no de potencia. El precio de 1 kWh es de 0,12 €, aproximadamente.
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Actividades Despeja incógnitas en una ecuación
4. EJERCICIO RESUELTO
Todo lo que está multiplicando a la incógnita pasa al otro lado de la ecuación dividiendo. Observa: 8 x?4=8"x= 4 Todo lo que está dividiendo a la incógnita en un lado de la ecuación pasa al otro lado multiplicando. x =7"x=5?7 5
Tenemos encendida una bombilla de 10 W durante diez horas. Calcula:
3. EJERCICIO RESUELTO Una bombilla de 40 W está conectada a 230 V. Calcula: a) La intensidad de corriente que pasa por la bombilla. b) La energía eléctrica consumida por la bombilla en 1 hora.
a) El consumo de dicha bombilla en kWh. b) Si mantenemos dicha bombilla encendida 10 horas cada día durante un mes, calcula el coste correspondiente. (Recuerda que el precio de 1 kWh es de 0,12 € aproximadamente.) a) En primer lugar expresamos la potencia de la bombilla en kilovatios. 10 W = 0,01 kW Sabemos que el consumo de un aparato eléctrico se calcula así: Energía consumida (consumo) = Potencia ? tiempo " " Consumo = 0,01 kWh ? 10 h = 0,1 kWh b) Cada día que mantenemos encendida la bombilla 10 horas se consume 1 kWh. Como un mes tiene 30 días, el consumo realizado en un mes será: Consumo = 0,1 kWh ? 30 días = 3 kWh
a) Sabemos que:
E P = ; E = I ? t ? V t Sustituyendo E en la primera ecuación tenemos:
I?t?V =I?V t Despejamos la intensidad y nos queda la expresión: P=
I=
P 40 W = = 0,17 A V 230 V
b) Podemos calcular la energía eléctrica a partir de la potencia y el tiempo que ha funcionado la bombilla: E P = " E = P ? t t Sustituyendo los valores que conocemos y teniendo en cuenta que 40 W = 0,04 kW: E = 0,04 kW ? 1 h = 0,04 kWh
Como el coste de 1 kW es de 0,12 €, en un mes el coste será: 0,12 € = 0,36 € Coste = 3 kWh ? 1 kWh 55. Un calefactor de 2000 W de potencia funciona 3 horas al día durante 1 mes. Calcula la energía consumida en kWh. 56. Calcula cuántos kW son: a) 100 W. b) 25 W. c) 100 000 W. 57. Completa el cuadro de consumo y coste para diferentes aparatos eléctricos, tomando como dato: 1 kWh " 0,12 €. Potencia (W)
Tiempo (h)
Reloj eléctrico
4
24
Bombilla
14
4
Televisor
300
5
Plancha
1000
1,5
Lavadora
3500
1
Aire acondic.
3000
4
Aparato
53. Calcula la energía consumida por un televisor de 300 W que funciona durante 4 horas. 54. La potencia de una plancha es de 2200 W. ¿Qué intensidad circulará por ella al conectarla a 230 V?
Consumo (kWh)
Coste (€)
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El transformador convierte la corriente alterna en continua y reduce el voltaje de 230 V al que necesita el aparato que estamos manejando: una videoconsola, un ordenador portátil, etc.
La electricidad en casa
La corriente eléctrica que llega a nuestras casas es corriente alterna; es decir, el sentido del movimiento de los electrones cambia periódicamente. El voltaje de la corriente que llega a nuestras casas es de 230 V. Pero nosotros empleamos muchos aparatos que funcionan con un voltaje más bajo y con corriente continua (como reproductores de música, teléfonos móviles, etc.). Por ello, si queremos conectar alguno de estos aparatos necesitaremos un transformador que convierta la corriente alterna en continua y reduzca el voltaje.
7.1 El cuadro de distribución Cuadro eléctrico IGA
PIA
I. D. 25 A 30 mA
Diferencial
10 A
15 A
Interruptor general automático
20 A
25 A
Interruptores parciales
TEN EN CUENTA No toda la energía que consume un aparato se utiliza. Una parte se pierde en forma de calor. La energía aprovechada siempre es menor que la energía consumida.
Justo a la entrada de la vivienda, pero dentro de ella, se instala un cuadro de distribución que sirve para controlar y proteger la energía eléctrica que circula por ella. Lleva incorporados los siguientes elementos: • I nterruptor general automático (IGA). Sirve para cortar la corriente en toda la casa. • Interruptor diferencial (ID). Corta el suministro de energía si detecta fugas. Puede saltar cuando se produce una gran tormenta o una avería. • Interruptores parciales (PIA). Permiten desconectar la energía eléctrica en una parte de la casa o en una parte de la instalación.
7.2 El recibo de la luz Las empresas que suministran la energía eléctrica a nuestras casas nos envían periódicamente un recibo en el que nos indican la cantidad de energía que hemos consumido (en kWh) y el coste del servicio prestado.
COMPAÑÍA ELÉCTRICA
Fecha factura: 14 de abril de 2011
Datos del suministro: Titular, forma de pago, etc. Consumo (N.º contador 0000000000)
Remite Compañía eléctrica; Dirección postal; www.@@@@@.es
Desde
Hasta
16-02-11
13-04-11
Lectura (kWh)
Lectura (kWh)
002159
002496
Total consumo: 2496 - 2159 = 337 kWh Consumo (kWh)
Historial de consumo
300 200
Fb.
Ab.
0
Jn.
Ag.
Meses
Oc.
Facturación € 1. Potencia contratada: 5,5 kW × 2 meses × 1,696 €/(kW × mes)...... 18,66 2. Energía consumida: 337 kWh × 0,12 €/kWh................................... 40,44 3. Impuesto sobre electricidad: 4,864 % s/40,44 × 1,051 13................ 2,07 4. Alquiler de equipos de medida: 2 meses × 0,83 €/mes................. 1,66 IVA (18 % s/62,83)................................................................................. 11,31 Importe................................................................................................... 74,14
400
100
N.º factura ……………………
Dc.
• Potencia contratada. Este gasto es fijo por cada kW de potencia que hayamos contratado. • Energía consumida. Cuanta más energía consumimos, más pagamos. • Alquiler de equipos de medida. Es una cantidad fija que se paga por el alquiler del contador que mide el consumo de energía eléctrica.
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Actividades 58. ¿Para qué se usan los transformadores? Pon ejemplos de aparatos que necesiten un transformador para funcionar cuando los conectamos a la red de 230 V. 59. ¿Cómo es la corriente que recibimos en casa, continua o alterna? 60. Indica en el siguiente dibujo del cuadro eléctrico de una vivienda qué botones corresponden al interruptor diferencial y a los interruptores parciales.
64. ¿Qué riesgos crees que tiene el uso de enchufes múltiples, conocidos como ladrones o bases múltiples? 65. ¿Qué parte del recibo de la luz pagamos cuando nos ausentamos de casa durante mucho tiempo y desconectamos el interruptor general automático? 66. Observa el siguiente recibo de la luz. Fecha factura Desde: 14-02-2011
Hasta 18-04-2011
Lectura Desde: 25 679 kWh
Hasta: 26 312 kWh
Potencia contratada 5,5 kW × 2 meses × 1,696 €/(kW × mes).................. Energía consumida × 0,12 €/kWh....................................... Impuesto sobre electricidad 4,864 % s/ × 1,051 13..............................
61. Si en una instalación se conectan más aparatos eléctricos de los que permite el contrato establecido con la compañía eléctrica, se produce una sobrecarga. ¿Qué elemento del cuadro de distribución desconecta la instalación eléctrica? a) El interruptor general automático. b) El interruptor diferencial. c) Los interruptores parciales. d) El contador. 62. Si un cable eléctrico de nuestra casa se humedece por el contacto accidental con agua, se produce una fuga de corriente. ¿Qué elemento del cuadro de distribución se desconecta en este caso? a) El interruptor general automático.
Alquiler de equipos de medida 2 meses × 0,83 €/mes............................................... IVA (18 % s/
).......................................
Importe.....................................................................
• Si el día 14 de febrero de 2011 el contador de tu casa marca 25 679 kWh y el día 18 de abril de 2011 marcaba 26 312 kWh, calcula lo que debes pagar por cada concepto que figura en el recibo de la luz. 67. Señala las diferencias entre estos dos dibujos. ¿En qué caso se utiliza la electricidad de manera segura? A
B
b) El interruptor diferencial. c) Los interruptores parciales. d) El contador. 63. Contesta: a) ¿Qué sucede cuando decimos que «han saltado los plomos»? b) ¿A qué se debe este hecho?
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Resumen CARGAS Y CORRIENTE ELÉCTRICA
. La carga eléctrica se mide en
en el SI. Los
permiten el movimiento de cargas eléctricas; los
no.
. Una corriente eléctrica está producida por el movimiento de forma ordenada a lo largo de un material
, .
. Cuando la corriente eléctrica recorre un camino cerrado que le permite volver al punto de partida, tenemos un
eléctrico.
MAGNITUDES ELÉCTRICAS
. La intensidad de corriente (I) es la
que pasa por una sección
del conductor en un tiempo dado. Se mide en
. El
en el SI.
o diferencia de potencial (V) es la energía con la que
los electrones son impulsados desde el generador para que recorran el
y formen la corriente eléctrica.
Se mide en
. Se llama
en el SI. (R) a la oposición que ofrecen los materiales al paso
de la corriente eléctrica. Se mide en
en el SI.
LEY DE OHM
. La diferencia de potencial, la intensidad de un circuito y la resistencia están
Pila
relacionadas por la ley de Joule/Ohm.
. La corriente que llega a nuestra casa es corriente continua/alterna. Las cargas en ella sí/no se mueven siempre en el mismo sentido. EFECTOS DE LA ELECTRICIDAD EFECTOS
Térmico (calor)
ENERGÍA DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA. POTENCIA
. La energía de la corriente eléctrica depende de la resistencia/intensidad, la diferencia de potencial y el voltaje/tiempo que transcurre mientras circula la corriente
. La potencia de un aparato nos indica la carga/energía que consume en un cierto voltaje/tiempo. En el Sistema Internacional la potencia se mide en julios/vatios.
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Anexos I. Sistema Internacional de unidades II. Normas de seguridad en el laboratorio. Material básico en un laboratorio III. Cambios físicos y químicos en el laboratorio IV. Sistema periódico de los elementos V. Formulación VI. Grandes científicos
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Anexo I
Sistema Internacional de unidades LONGITUD
MASA
TIEMPO
Metro (m)
Kilogramo (kg)
Segundo (s)
Es la distancia recorrida por la luz en el vacío durante un tiempo de 1/299 792 458 segundos.
Coincide con la masa de un cilindro metálico que se conserva en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, en París.
Es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio-133.
1026 s 10
213
m
10218 kg
Diámetro de un protón
Virus de la gripe
Duración de los impulsos de algunos láseres 1025 s
1029 m
Destello de flash
Molécula de hemoglobina 10212 kg Células humanas 10 s Récord de 100 m lisos
1025 m Paramecio
1023 kg Colibrí
10 2 m
10 2 kg
Estadio
S
10 3 s
Puma
Duración de un eclipse de Luna
10 4 m Monte Everest 10 7 kg Torre Eiffel 7
10 m Diámetro de Venus
10 7 s 1 año 10 12 kg Muralla china
10 20 m Diámetro de la Vía Láctea
10 24 kg Tierra
10 21 s Edad del universo
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Anexo I
TEMPERATURA
CANTIDAD DE SUSTANCIA
INTENSIDAD DE CORRIENTE
INTENSIDAD LUMINOSA
Kelvin (K)
Mol (mol)
Amperio (A)
Candela (cd)
Equivale a la fracción 1/273,16 de la temperatura del punto triple del agua.
Es la cantidad de sustancia correspondiente a tantas partículas como átomos hay en 0,012 kg de carbono-12.
Es la intensidad de corriente necesaria, en dos hilos rectilíneos separados 1 metro, y por los que circula corriente en sentidos opuestos, para que la fuerza entre ellos sea de 2 · 1023 N por cada metro de longitud.
Es la intensidad luminosa, en dirección perpendicular, de una superficie de 1/600 000 m2 de un cuerpo negro que se encuentra a la temperatura de solidificación del platino (2043 K) a una presión de 101 325 Pa.
3 K Radiación de fondo de microondas
1023 mol 100 mL de gas en C.N.
1029 A Circuitos electrónicos
1024 cd Papel blanco iluminado
10 2 K
1022 mol
1026 A
Azúcar para un café
Motor de juguete
Superficie de Saturno
1 cd Luz de una vela
1023 A
10 mol
Circuitos domésticos o de laboratorio
Vaso de agua 10 3 K Superficie del Sol
100 cd Luz de bombilla de 100 W
10 4 mol 1 t de hierro
1A Microprocesador
10 6 K Corona solar 100 A Arco de soldadura
10 16 mol
10 5 cd Flash fotográfico
Cantidad de CO2 en la atmósfera terrestre
10 K 10
Explosión de supernova
10 32 K Temperatura en el big bang
10 22 mol Toda el agua de los océanos
10 5 A Rayo
10 9 cd (por m2) Sol
125
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Anexo II
Material
Normas de seguridad en el laboratorio La química es una ciencia experimental. Los estudiantes de química realizan parte de su estudio en los laboratorios, unas instalaciones en las que existe un material frágil y preciso y unos productos que pueden ser peligrosos. Por todo ello, hay que conocer una serie de normas que harán que nuestras clases en el laboratorio sean seguras y provechosas para nuestro aprendizaje.
b
ALGUNAS de las SEÑALES de PREVENCIÓN de RIESGOS
Explosivo
Carburante
Corrosivo
F
1. Observa dónde están las salidas y los equipos de emergencia del laboratorio. Aprende a utilizar los lavaojos.
2. Utiliza guantes y gafas de seguridad cuando sean necesarios.
Inflamable
Muy tóxico
Nocivo o irritante
3. Haz solo los experimentos que te indique tu profesor
o profesora; no trates de hacer pruebas por tu cuenta.
4. Ten encima de la mesa solo el material necesario. Deja
Balanza
los libros y la ropa que no vayas a utilizar en el lugar apropiado, de forma que no moleste el paso de nadie.
5. No te muevas más de lo necesario. No corras ni juegues. 6. No comas, ni bebas ni masques chicle. 7. Lávate bien las manos cuando salgas del laboratorio. 8. Los productos del laboratorio no se deben tocar, oler ni probar. 9. No manejes ningún producto desconocido. Si algún frasco no tiene etiqueta, no lo uses y avisa al profesor. Cuando dejes los frascos en el armario, haz que su etiqueta quede visible.
10. No pipetees los líquidos con la boca; utiliza las pipetas
Embudo de decantación
de seguridad.
Embudo
11. No utilices material de vidrio roto; si se te rompe algo, avisa al profesor.
12. Maneja los aparatos eléctricos con seguridad y nunca con las manos mojadas.
13. Si tienes que calentar un tubo de ensayo, sujétalo
con unas pinzas. Haz que se mantenga inclinado de forma que su boca no apunte hacia ti ni a ningún compañero.
14. Utiliza material limpio para coger un producto de un frasco, a fin de evitar contaminar todo el recipiente.
Cristalizador
15. Si necesitas coger un producto de un frasco, ciérralo inmediatamente después.
16. Si necesitas tirar algo, pregunta al profesor cómo lo puedes hacer para no contaminar.
17. Al terminar la práctica, deja el material limpio y ordenado, y los productos en su sitio.
Vaso de precipitados
Mortero
126
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l
Anexo II
básico en un laboratorio Pipeta con dispositivo para pipetear
Probeta
Gafas de protección Frascos
Frasco lavador
Bureta
Papel indicador de pH Papel de filtro
Matraz Erlenmeyer
Matraz de destilación
Matraz aforado Pinza metálica Rejilla Matraz redondo
Vidrio de reloj
Nueces
Gradilla con tubos de ensayo
Mechero Bunsen
Espátula
Cuentagotas
Aro
Soporte
Varilla de vidrio
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Anexo III
Cambios físicos y químicos en el laboratorio CAMBIOS FÍSICOS b) Gas a sólido
a) Vaporización y condensación H2O gas
Fusión del hielo
Sublimación
Vaporización H2O líquida Condensación H2O gas Condensación H2O líquida El yodo pasa directamente de sólido a gas. Este proceso se denomina sublimación.
El yodo gas, al ponerse en contacto con una superficie fría, pasa al estado sólido.
DISOLUCIONES Disolución de dicromato de potasio en agua
Difusión del permanganato de potasio en agua
1
2
3
Las partículas empiezan a dispersarse por el líquido.
Los cristales se han disuelto: disolución homogénea.
Cristales de permanganato de potasio, KMnO4
Dicromato de potasio, K2Cr2O7
DESPRENDIMIENTO DE GASES Desprendimiento de hidrógeno
Desprendimiento de dióxido de carbono
Desprendimiento de dióxido de nitrógeno
Hidrógeno, H2 Las burbujas de CO2 suben rápidamente produciendo la efervescencia. Al oxidar el cinc con ácido clorhídrico se desprende hidrógeno. Ácido clorhídrico, HCI Carbonato de calcio, CaCO3 Cinc, Zn
SEGURIDAD ¡Cuidado con esta experiencia! Hay que realizarla en vitrina extractora, el NO2 es un gas muy tóxico!
Cobre, Cu
Ácido clorhídrico, HCI
Zn 1 2 HCI " ZnCl2 1 H2
Dióxido de nitrógeno, NO2 Vapor de agua, H2O
2 HCI 1 CaCO3 " CO2 1 CaCl2 1 H2O
Cu 1 4 HNO2 " Cu (NO3)2 1 2 NO2 1 2 H2O
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Anexo III
Combustión de butano
REACCIONES DE COMBUSTIÓN
2 C4H10 1 13 O2 " 8 CO2 1 10 H2O
Combustión de dicromato de amonio
1
2
3
4
Dicromato de amonio, (NH4)2 Cr2O7
REACCIONES REDOX
FORMACIÓN DE UN PRECIPITADO
1 Nitrato de plomo, Pb(NO3)2 Tira de cobre Disolución de nitrato de plata, AgNO3
2
O2
AD
Los cristales de plata, Ag, empiezan a crecer sobre la tira de cobre.
3
ncia! na as
Yoduro de potasio, KI Se forma nitrato de cobre, CuNO3 , en disolución (color azul).
Yoduro de plomo, PbI2. Precipitado amarillo
Cu 1 AgNO3 " Cu(NO3) 1 Ag
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Anexo IV
Sistema periódico de los elementos GRUPO
2
3
4
5
6
7
8
PERIODO
1
1
1
1,0
H
Hidrógeno
3
2
6,9
Li Litio
23,0
11
3
Na Sodio
19
4
39,1
K
Potasio
37
5
85,5
Rb
Rubidio
55
6
132,9
Cs Cesio
87
7
(223)
Fr
Francio
20
Número atómico II A 4
Masa atómica (u)
40,1
Ca
Símbolo
Calcio
Nombre
9,0
Be Berilio
12
24,3
Mg
Magnesio
20
40,1
Ca Calcio
38
87,6
Sr
Estroncio
56
137,3
Ba Bario
88
(226)
Ra Radio
45,0
21
Sc
Escandio 88,9
39
Y
Ti
Titanio
40
138,9
La
(227)
Ac
Actinio
72
F
6
178,5
Hf
Hafnio
104
(265)
Rf
Rutherfordio
58
LANTÁNIDOS
91,2
Circonio
Lantano
89
47,9
Zr
Itrio
57
22
140,1
Ce Cerio
90
ACTÍNIDOS
F
7
232,0
Th Torio
23
50,9
V
Vanadio
41
92,9
Nb Niobio
73
180,9
Ta
Tántalo
105
(268)
Db Dubnio
59
140,9
Pr
Praseodimio
91
231,0
Pa
Protactinio
24
52,0
Cr
Cromo
42
95,9
Mo
Molibdeno
74
183,8
W
Wolframio
106
(271)
Sg
Seaborgio
60
144,2
Nd
Neodimio
92
238,0
U
Uranio
25
54,9
Mn
Manganeso
43
(97,9)
Tc
Tecnecio
75
186,2
Re Renio
107
(270)
Bh Bohrio
61
(145)
26
55,8
Fe
Hierro
44
101,1
Ru
Rutenio
76
190,2
Os Osmio
108
(277)
Hs
Hassio
62
150,4
Pm Sm
Prometio
93
(237)
Np
Neptunio
Samario
94
(244)
Pu
Plutonio
130
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27
C
Co
45
R
R
77
I
109
M
Me
63
E
Eu
95
A
Am
55,8
e
o
01,1
u
io
90,2
s
o
277)
s
o
50,4
m
io
244)
u
io
Anexo IV
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
He
METALES
Helio
GASES NOBLES
5
10,8
B
Boro
Línea divisoria entre metales y no metales
13
27,0
Al
Aluminio 58,9
27
Co
Cobalto
45
102,9
Rh Rodio
77
192,2
Ir
Iridio
109
(276)
Mt
Meitnerio
63
152,0
Eu
Europio
95
(243)
58,7
28
Ni
Níquel
46
106,4
Pd
Paladio
78
195,1
Pt
Platino
110
(281)
Ds
Cu Cobre
47
107,9
Ag Plata
79
197,0
Au Oro
111
(280)
Rg
Darmstadtio Roentgenio
64
157,2
Gd
Gadolinio
96
(247)
Am Cm Americio
63,5
29
Curio
65
158,9
Tb Terbio
97
(247)
Bk
Berkelio
4,0
2
NO METALES
30
65,4
Zn Cinc
48
112,4
Cd
Cadmio
80
200,6
Hg
Mercurio
112
(285)
Cn
Copernicio
66
162,5
Dy
Disprosio
98
(251)
Cf
Californio
31
69,7
Ga Galio
49
114,8
In
Indio
81
204,4
Tl Talio
113
(284)
6
12,0
C
Carbono
14
28,1
Si
Silicio
32
72,6
Ge
Germanio
50
118,7
Sn Estaño
82
207,2
Pb Plomo
114
(289)
7
14,0
N
Nitrógeno
15
31,0
P
Fósforo
33
74,9
As
Arsénico
51
121,8
Sb
Antimonio
83
209,0
Bi
Bismuto
115
(288)
8
16,0
O
Oxígeno 32,1
16
S
Azufre 79,0
34
Se
Selenio 127,6
52
Te Teluro
84
(209,0)
Po
Polonio
116
19,0
9
F
Flúor 35,5
17
Cl
Cloro 79,9
35
Br
Bromo
53
126,9
I
Yodo
85
(210,0)
At
Astato
(293)
67
164,9
Ho Holmio
99
(252)
Es
Einstenio
Ununquadio Ununpentio
68
167,3
Er Erbio
100
(257)
Fm Fermio
69
168,9
Tm Tulio
101
(258)
Md
Mendelevio
173,0
Yb Iterbio
102
(259)
No
Nobelio
Neón
39,9
18
Ar Argón
83,8
36
Kr
Criptón 131,3
54
Xe Xenón
86
(222,0)
Rn Radón
(294)
Uuo Ununoctio
Ununhexio
70
Ne
118
Uut Uuq Uup Uuh Ununtrio
20,2
10
71
175,0
Lu
Lutecio
103
(262)
Lr
Laurencio 131
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Anexo V. Formulación
1 RECUERDA El número atómico de un átomo es el número de protones que tiene en su núcleo. Se representa con la letra Z. En un átomo neutro el número de protones coincide con el número de electrones. Por ejemplo, en el átomo de sodio el número atómico es 7 (7Na), lo que indica que posee 7 protones en el núcleo y 7 electrones girando alrededor del núcleo.
Configuración electrónica de los elementos
El número atómico permite conocer el número de protones y de electrones que posee un átomo. ¿Pero cómo se hallan colocados los electrones alrededor del núcleo? Bohr diseñó un modelo según el cual los electrones no se distribuyen al azar en el átomo, sino que se ordenan en capas o niveles alrededor del núcleo. Estos niveles tienen distinta energía; por eso se denominan niveles energéticos. El nivel de menor energía es el que está más próximo al núcleo (el más interno). Según se alejan del núcleo, los niveles adquieren mayor energía. Alrededor del núcleo del átomo pueden existir numerosos niveles energéticos. Los fundamentales son los siete primeros. En cada nivel los electrones se distribuyen de la forma siguiente: • En el nivel 1 (el más interno) el máximo número de electrones es 2. • En el nivel 2 el máximo número de electrones es 8. • En el nivel 3 el máximo número de electrones es 18. Pero cuando este tercer nivel tiene ocho electrones comienza a llenarse el cuarto. Por ejemplo, el átomo de potasio (K) tiene número atómico Z = 19, lo que indica que posee 19 protones y 19 electrones. Los electrones se colocan en los diferentes niveles de la siguiente manera: • Nivel 1 " 2 electrones. • Nivel 3 " 8 electrones. • Nivel 2 " 8 electrones. • Nivel 4 " 1 electrón. Se llama configuración electrónica de un elemento al modo en que se organizan los electrones en un átomo de ese elemento.
Potasio Distribución de los electrones alrededor del núcleo en niveles en el átomo de potasio (Z = 19).
El último nivel (el más externo) en el que un átomo tiene electrones se llama nivel de valencia. Los electrones que ocupan el nivel de valencia se denominan electrones de valencia, y de ellos dependen las propiedades químicas de los diferentes elementos.
Los gases nobles (elementos del grupo 18 de la tabla periódica) tienen ocho electrones en el último nivel, a excepción del helio, que tiene dos. Estos elementos son muy estables y casi nunca se combinan con otros elementos. Los demás elementos de la tabla periódica tienden a alcanzar la configuración más estable, es decir, la de gas noble. Para ello ganarán o perderán electrones hasta que alcancen dicha configuración, dejando de ser átomos neutros y convirtiéndose en iones. • Cuando un átomo gana electrones adquiere carga negativa y se convierte en un ion negativo o anión. • Cuando un átomo pierde electrones adquiere carga positiva y se convierte en un ion positivo o catión. 132
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Anexo V
Actividades 3. Escribe cómo se organizan los electrones en los átomos de estos elementos:
1. EJERCICIO RESUELTO El átomo de carbono tiene número atómico Z = 6. a) Indica cuántos protones y electrones posee el átomo neutro. b) Escribe la configuración electrónica del átomo de carbono. c) Dibuja el modelo atómico del átomo de carbono. d) ¿Cuántos electrones de valencia posee el átomo de carbono? a) El número atómico Z indica el número de protones que posee el átomo. En un átomo neutro el número de protones coincide con el número de electrones. Por tanto, el átomo de carbono posee 6 protones y 6 electrones. b) Siguiendo la distribución de electrones en cada nivel, la configuración electrónica del carbono será: Nivel 1 " 2 electrones. Nivel 2 " 4 electrones. c) Átomo de carbono
a) He (Z = 2).
d) Mg (Z = 12).
b) O (Z = 8).
e) S (Z = 16).
c) F (Z = 9).
f) Ar (Z = 18).
2. EJERCICIO RESUELTO El número atómico del cloro es Z = 17. a) Escribe su configuración electrónica. b) Escribe el ion que formará dicho átomo. a) La distribución electrónica en el átomo de cloro es: • Nivel 1 " 2 electrones. • Nivel 3 " 7 electrones. • Nivel 2 " 8 electrones. b) El cloro tiene 7 electrones en su último nivel. Para encontrar su máxima estabilidad ganará o perderá los electrones necesarios hasta alcanzar 8 electrones. Solo necesita ganar 1 electrón. Cuando un átomo gana un electrón adquiere carga negativa. Por tanto, el ion más estable será: Cl-.
4. El átomo de flúor posee 9 electrones (Z = 9). ¿Cómo puede conseguir una configuración estable el átomo de flúor? d) Los electrones de valencia son los que ocupan el nivel más exterior. Por tanto, el nivel más externo del átomo de carbono es el nivel 2, en el que posee 4 electrones.
a) Ganando 1 electrón.
c) Ganando 2 electrones.
b) Perdiendo 1 electrón.
d) Ganando 8 electrones.
5. El número atómico del magnesio es Z = 12. a) ¿Cuántos protones y electrones posee un átomo de magnesio?
1. El nitrógeno y el berilio poseen como número atómico 7 y 4, respectivamente.
b) ¿El magnesio debe ganar o perder electrones para formar el ion Mg2+?
a) Indica cuántos protones y electrones posee cada átomo. b) Señala la configuración electrónica de cada átomo. c) Dibuja el modelo atómico del átomo de nitrógeno y del de berilio.
2. Completa en tu cuaderno la siguiente tabla: Símbolo
Z
Li
3
Ne
10
Hidrógeno
Aluminio
13
Distribución de electrones Nivel 1
Nivel 2
1
0
Nivel 3 0 0
2
6. Escribe el ion que formarán los siguientes átomos: a) Li b) F c) Na d) K e) S
d) ¿Cuántos electrones de valencia posee cada átomo?
Elemento
c) ¿Cuántos electrones debe ganar o perder?
7. Señala si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, corrigiéndolas en este último caso. a) Todos los electrones de un átomo tienen la misma energía. b) Excepto el helio, los elementos de cualquier grupo de la tabla periódica contienen en la última capa el mismo número de electrones. c) La segunda capa electrónica de un átomo admite hasta 4 electrones. d) Los electrones se distribuyen al azar en el átomo.
133
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Anexo V. Formulación
2
Formulación inorgánica
En química recurrimos a las fórmulas para representar las sustancias. Estas fórmulas responden a unas reglas que han variado a lo largo del tiempo. Aprenderemos a nombrar los compuestos químicos de tres maneras, con tres nomenclaturas: sistemática, de Stock y tradicional. La sistemática es de uso obligatorio, aunque también se acepta la de Stock. La tradicional se encuentra en desuso, pero en ciertos casos se sigue admitiendo. Antes de comenzar con las reglas de formulación debemos recordar algunas nociones básicas.
RECUERDA Un compuesto químico está formado por la unión de uno o varios elementos químicos combinados en proporciones fijas. Se representa mediante una fórmula química, que indica el número de átomos de un elemento que tiene una molécula. Ejemplo: H2SO4. Se trata de un compuesto formado por 2 átomos de hidrógeno, 1 átomo de azufre y 4 átomos de oxígeno.
2.1 Valencia Es la capacidad que posee un elemento para combinarse con otro.
Por ejemplo, en el amoniaco (NH3), el N tiene valencia 3, ya que posee tres electrones en su nivel de valencia para formar tres enlaces. El H posee valencia 1, ya que solo posee 1 electrón para formar un enlace.
OBSERVA Estudiemos cómo se unen el oro y el oxígeno para formar el siguiente compuesto: óxido de oro: Au2O3.
H
N
H
H
2.2 Números de oxidación o de valencia
• Valencia del oro: 3. • Valencia del oxígeno: 2. • N.º oxidación del oro: +3; porque pierde 3 electrones. • N.º de oxidación del oxígeno: -2; porque gana 2 electrones.
El número de oxidación es el número de electrones que un átomo capta o cede al formar un compuesto. Es negativo si gana electrones, y positivo si los pierde.
En la siguiente tabla aparecen los números de oxidación de los elementos más comunes.
1 -1 +1
H +1
Li
Los metales solo tienen números de oxidación positivos. Los no metales pueden tener números de oxidación positivos y negativos.
+1
Na +1
K +1
Rb +1
Cs
2
+2
Be +2
Mg +2
Ca
3
4
5
6
7
+6 +2 +6 +3 +7
Cr
8 +2 +3 +4
Mn
10
9 +2 +3
Fe
+2 +3
Co
+2
Ba
+2 +3
Ni
11
+2 +4
Pd +2 +4
Pt
Cu +1
Ag +1 +3
Au
B
12
+1 +2
14
15
16
-3 +3 -4 +2 -3 +1 -1 +4 +2 -2 +3 +4 +5
Por ejemplo, todos los elementos del grupo 1 tienen número de oxidación +1, y todos los del grupo 17, -1; los elementos del grupo 17 que tienen números de oxidación positivo tienen +1, +3, +5 y +7, que son los números impares hasta la unidad del número de grupo.
+2
Sr
13
En general, los números de oxidación de un elemento dependen del grupo en el que se encuentra. Se pueden establecer reglas nemotécnicas para recordarlos.
N
C
Al
Si
P
S
As
+2
Hg
F
Cl
-3 +3 -2 +2 -1 +1 +5 +4 +3 +6 +5 +7
Zn
+1 +2
+3 -4 +2 -3 +3 -2 +2 -1 +1 +4 +5 +4 +3 +6 +5 +7
+2
Cd
O
17 -1
Se
Br
+2 -3 +3 -2 +2 -1 +1 +4 +5 +4 +3 +6 +5 +7
Sn
+2 +4
Pb
Sb
Te
I
+3 +5
Bi
134
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Anexo V
3
Compuestos binarios e hidróxidos
Los compuestos binarios resultan de la combinación de átomos de dos elementos químicos: uno de ellos tendrá un número de oxidación positivo (elemento electropositivo), y el otro, un número de oxidación negativo (elemento electronegativo). Para obtener la fórmula de un compuesto binario procedemos así: 1. Escribimos el símbolo de cada elemento, colocando en primer lugar el elemento situado más a la izquierda en el sistema periódico, y en segundo lugar el elemento situado a la derecha.
CS
2. Escribimos como superíndice el número de oxidación de cada elemento.
C4+S2-
3. Intercambiamos los números de oxidación, colocándolos como subíndice
C4+S2- " C2S4
4. Salvo excepciones, simplificamos la fórmula obtenida si ambos subíndices tienen algún divisor común.
C2S4 " CS2
En la actualidad se utilizan principalmente dos sistemas para nombrar un compuesto binario: • Nomenclatura de composición (sistemática). • Nomenclatura de Stock. Nomenclatura de composición (sistemática) 1. El nombre del compuesto binario comienza con el nombre del elemento electronegativo terminado en -uro. 2. Sigue la partícula de. 3. A continuación se escribe el nombre del elemento electropositivo. El nombre de cada elemento va precedido de una partícula que indica el número de átomos de ese elemento en la fórmula: • mono "1. • di " 2.
• tri " 3. • tetra " 4.
• penta " 5. • hexa " 6.
• hepta "7 • …
Ejemplo: Cu2S " sulfuro de dicobre. La valencia del azufre es 2; por tanto, se antepone el prefijo di.
Nomenclatura de Stock 1. El nombre del compuesto binario comienza con el nombre del elemento más electronegativo, acabado en -uro. 2. Se escribe a continuación la preposición de. 3. Se escribe el nombre del elemento más electropositivo y, entre paréntesis, su valencia en números romanos. Si dicho elemento solo tiene un número de oxidación no se indica. Ejemplo: Cu2S " sulfuro de cobre (I). La valencia del azufre es 2; y la del cobre, 1.
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Anexo V. Formulación 3.1 Combinaciones binarias con el hidrógeno Hidruros metálicos Son combinaciones de los metales con el hidrógeno.
El metal tiene un número de oxidación positivo, y el hidrógeno, negativo (-1). Ejemplos: Fórmula
Nombre de composición
Nombre de Stock
PbH2
Dihidruro de plomo
Hidruro de plomo (II)
FeH3
Trihidruro de hierro
Hidruro de hierro (III)
BaH2
Dihidruro de bario
Hidruro de bario
Hidruros no metálicos Son combinaciones de los no metales con el hidrógeno.
El hidrógeno actúa con valencia +1, y los no metales, con su valencia negativa. • En el caso de los no metales correspondientes a los grupos 16 y 17 de la tabla periódica, el hidrógeno se coloca a la izquierda de la fórmula, y el no metal, a la derecha. • En el caso de los no metales de los grupos 13, 14 y 15, el hidró geno se sitúa a la derecha, y el no metal, a la izquierda. Ejemplos: Fórmula Nombres comunes BH3
Borano
H2O
Agua
CH4
Metano
PH3
Fosfano
SiH4
Silano
AsH3
Arsano
NH3
Amoniaco
SbH3
Estibano
Nombre de composición
Nombre de Stock
AsH3
Trihidruro de arsénico
Hidruro de arsénico
CH4
Tetrahidruro de carbono
Hidruro de carbono
HCl
Cloruro de hidrógeno
Cloruro de hidrógeno
Las combinaciones del hidrógeno con los elementos de los grupos 13 a 17 tienen, además, un nombre común aceptado, tal y como se indica en la tabla de la izquierda. Hidrácidos El hidrógeno forma con algunos de los elementos de los grupos 16 y 17 compuestos que se conocen como hidrácidos, debido a su carácter ácido. Para nombrarlos se acepta, además de la nomenclatura de composición, la nomenclatura tradicional. Se nombran así: Ácido + nombre del no metal + terminación -hídrico Ejemplos: Fórmula
Nombre de composición
Nomenclatura tradicional
HCl
Cloruro de hidrógeno
Ácido clorhídrico
H2S
Sulfuro de dihidrógeno
Ácido sulfhídrico
HBr
Bromuro de hidrógeno
Ácido bromhídrico
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Anexo V
Actividades 3. EJERCICIO RESUELTO Formula los siguientes hidruros: • Hidruro de potasio. • Hidruro de cinc. 1. Primero escribimos los símbolos de los elementos que intervienen, teniendo en cuenta el orden en función de la posición de los elementos en el sistema periódico: • Hidruro de potasio " KH. • Hidruro de cinc " ZnH. 2. Escribimos los subíndices teniendo en cuenta las valencias de cada elemento. La del hidrógeno es 1. La valencia se coloca como subíndice del otro elemento. • La valencia del potasio es 1 " K1H1. • La valencia del cinc es 2 " Zn1H2. Cuando el subíndice es 1, no se pone. 3. • Hidruro de potasio " KH. • Hidruro de cinc " ZnH2.
2. Los nombraremos usando la nomenclatura de composición y la de Stock. En la nomenclatura de composición se escribe la palabra hidruro seguida del nombre del elemento precedido del prefijo correspondiente. En nuestros ejemplos: • NH3 " Hidruro de trinitrógeno. • NiH2 " Dihidruro de níquel. En la nomenclatura de Stock se escribe el elemento de la derecha acabado en -uro y, a continuación, el nombre del otro elemento: • NH3 " Hidruro de nitrógeno. Nombre común: amoniaco. • NiH2 " Hidruro de níquel (II). Se escribe entre paréntesis la valencia con la que actúa el níquel.
9. Completa la siguiente tabla: Fórmula
Nombre de Stock
H2S
8. Formula los siguientes hidruros: Nombre
Nombre de composición
LiH Fórmula
Hidruro de sodio Hidruro de bario Hidruro de aluminio Tetrahidruro de germanio Hidruro de plomo (II) Hidruro de platino (II) Hidruro de estaño (IV) Hidruro de cadmio Dihidruro de cobalto Hidruro de cesio Trihidruro de fósforo Trihidruro de nitrógeno Dihidruro de cobre Trihidruro de níquel Trihidruro de aluminio
AlH3 CoH3 AuH3 FeH3
10. Nombra los siguientes compuestos utilizando su nombre común: Compuesto
Nombre común
AsH3 SbH3 BH3 H2O NH3 PH3 SiH4 CH4
Hidruro de rubidio
11. Formula los siguientes hidrácidos:
4. EJERCICIO RESUELTO Nombra los siguientes compuestos: • NH3 • MgH2 1. Primero identificamos los elementos que forman parte de las fórmulas: • NH3 " nitrógeno (no metal) e hidrógeno. • MgH2 " magnesio (metal) e hidrógeno.
Nombre
Fórmula
Ácido bromhídrico Ácido sulfhídrico Ácido fluorhídrico Ácido yodhídrico Ácido telurhídrico Ácido clorhídrico
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Anexo V. Formulación 3.2 Óxidos Los óxidos son compuestos binarios formados por la combinación de un metal o un no metal con el oxígeno.
En los óxidos el oxígeno actúa con número de oxidación -2. Para formular se coloca primero el símbolo del otro elemento, y luego, el del oxígeno. Para nombrar los óxidos se admiten como válidas la nomenclatura de composición y la de Stock. Fórmula
Nombre de composición
Nombre de Stock
Cr2O3
Trióxido de dicromo
Óxido de cromo (III)
CaO
Monóxido de calcio
Óxido de calcio
N2O5
Pentaóxido de dinitrógeno
Óxido de nitrógeno (V)
CO
Monóxido de carbono
Óxido de carbono (II)
Cl2O5
Pentóxido de dicloro
Óxido de cloro (V)
3.3 Peróxidos Los peróxidos resultan de la combinación del grupo peroxo (O22-) con metales o con hidrógeno.
Se nombran igual que los óxidos, pero en la nomenclatura de Stock se cambia la palabra óxido por peróxido. Ejemplos: RECUERDA Las fórmulas de los peróxidos no se pueden simplificar. El agua oxigenada es H2O2 y no HO.
Fórmula Nombre de composición
Nombre de Stock
H2O2
Dióxido de dihidrógeno
Peróxido de hidrógeno (agua oxigenada)
K2O2
Dióxido de dipotasio
Peróxido de potasio
Na2O2
Dióxido de disodio
Peróxido de sodio
3.4 Hidróxidos Los hidróxidos son compuestos que resultan de la combinación de un metal con el ion hidroxilo (OH-).
El metal actúa con valencia positiva, y el ion hidroxilo, con valencia -1. En la fórmula se sitúa el metal a la izquierda, y el ion OH-, a la derecha. La valencia del metal se escribe como subíndice del ion hidroxilo, y la del ion hidroxilo, como subíndice del metal. Se nombran utilizando la nomenclatura de composición y la de Stock. En ambos casos se denominan hidróxido de, seguido del nombre del otro elemento. Ejemplos: Fórmula
Nombre de composición
Nombre de Stock
NaOH
Monohidróxido de sodio
Hidróxido de sodio
Ca(OH)2
Dihidróxido de calcio
Hidróxido de calcio
Cr(OH)3
Trihidróxido de cromo
Hidróxido de cromo (III)
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Anexo V
Actividades 13. Completa la siguiente tabla en tu cuaderno:
5. EJERCICIO RESUELTO Formula los siguientes compuestos: • Óxido de cobre (II). • Dióxido de dimercurio. 1. Escribimos los símbolos de los elementos teniendo en cuenta el orden en función de la posición de los elementos en el sistema periódico: • Óxido de cobre (II) " CuO. • Dióxido de dimercurio " HgO. 2. Luego anotamos los subíndices correspondientes. Óxido de cobre (II) " El paréntesis nos indica que el cobre está actuando con valencia +2. Como la del oxígeno es -2: CuO " Cu2O2 Y simplificando: Cu2O2 " CuO. Dióxido de dimercurio " Los prefijos nos indican los subíndices de cada elemento: HgO " Hg2O2 Como es un peróxido, no podemos simplificar.
12. Formula los siguientes óxidos y peróxidos: Nombre
Fórmula
Dióxido de azufre Dióxido de carbono Óxido de platino (IV) Óxido de yodo (V) Óxido de azufre (VI) Peróxido de calcio
Fórmula
Nombre de composición
Nombre de Stock
HgO B2O3 ZnO2 Ag2O Au2O2 K2O2
7. EJERCICIO RESUELTO Escribe la fórmula de estos compuestos: a) Dihidróxido de hierro. b) Hidróxido de cobre (I). a) El prefijo nos indica el subíndice: Fe(OH)2. La valencia del hierro es 2 en este compuesto. b) El número entre paréntesis nos indica la valencia con la que actúa el cobre: 1 " CuOH.
14. Escribe la fórmula de los siguientes hidróxidos: Nombre
Fórmula
Hidróxido de cobre Hidróxido de níquel (II) Trihidróxido de hierro Dihidróxido de platino Tetrahidróxido de estaño Hidróxido de plata
Óxido de estaño (II) Dióxido de magnesio Dióxido de silicio
8. EJERCICIO RESUELTO
Óxido de plomo (II)
Nombra el compuesto Sn(OH)2.
Óxido de bromo (VII)
Se tata de un hidróxido (tiene el grupo OH). Sn es el símbolo del estaño. El subíndice 2 indica que el estaño actúa con valencia 2. • Composición " Dihidróxido de estaño. • Stock " Hidróxido de estaño (II).
Trióxido de dialuminio Trióxido de dihierro Heptaóxido de diyodo
6. EJERCICIO RESUELTO Nombra el siguiente compuesto: CoO. Intervienen el cobalto y el oxígeno. Es un óxido en el que el oxígeno actúa con valencia -2, y el cobalto, también con valencia 2. • Nomenclatura de composición " óxido de cobalto. • Nomenclatura de Stock " óxido de cobalto (II).
15. Nombra los siguientes hidróxidos: Fórmula
Nombre de composición
Nombre de Stock
NaOH LiOH Pb(OH)4 Ca(OH)2 Ni(OH)3
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Anexo VI. Grandes científicos ESTUDIO DE LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES E. Torricelli
R. Boyle
A. Celsius
R. Brown
J. L. Gay-Lussac
Físico italiano
Físico y químico británico
Astrónomo sueco
Botánico británico
Químico francés
Escala centígrada de temperatura.
Descripción del efecto browniano.
Leyes de los gases.
(1608 - 1647)
Estudio de la presión atmosférica.
(1627 - 1691)
Leyes de los gases.
(1778 - 1850)
(1773 - 1858)
(1701 - 1744)
J. Charles
(1746 - 1823)
Físico francés Estudio del comportamiento de los gases.
ENERGÍA W. R. Snell
N. J. Cugnot
J. Watt
J. R. Mayer
J. P. Joule
Físico británico
Ingeniero francés
Ingeniero británico
Físico alemán
Físico británico
(1821 - 1894)
Cálculo del equivalente mecánico del calor.
Científico alemán
(1591 - 1626)
Formulación de la segunda ley de la refracción de la luz.
(1725 - 1804)
Construcción del primer vehículo automóvil, alimentado por vapor.
(1736 - 1819)
Perfeccionamiento de la máquina de vapor.
H. von Helmholtz
(1818 - 1889)
(1814 - 1878)
Ley de la conservación de la energía.
A
(
F
Formulación de la ley de conservación de la energía.
APORTACIONES AL CONCEPTO DEL ÁTOMO Empédocles
(490 a. C. - 430 a. C.)
Demócrito de Abdera
Aristóteles
Lucrecio
A. Libau (Libavio)
A. H. Becquerel
J
Poeta y filósofo romano
Alquimista alemán
Físico francés
F
Descripción de la preparación de sustancias químicas diversas.
Estudio del fenómeno de la radiactividad.
D d
(384 a. C. - 322 a. C.)
Filósofo griego
(460 a. C. - 370 a. C.)
Filósofo griego
Materia compuesta por cuatro elementos: agua, fuego, tierra y aire.
Filósofo griego
Materia compuesta por agua, fuego, tierra, aire y éter.
La materia está formada por partículas indivisibles: los átomos.
(94 a. C. - 50 a. C.)
Defensor de la teoría atómica. Obra clave: De rerum natura.
(1540 - 1616)
Paracelso
(1493 - 1541)
(1852 - 1908)
(
J. Dalton
Médico y alquimista suizo
(1766 - 1844)
Aplicación práctica de técnicas de laboratorio de química.
Teoría atómica científica.
Químico británico
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Anexo VI
W. C. Röntgen
P. Curie
(1859 - 1906)
G. N. Lewis
H. Moseley
(1845 - 1923)
(1824 - 1907)
Físico alemán
Físico francés
Químico estadounidense
Físico británico
Matemático y físico británico
Descubrimiento de los rayos X.
Descubrimiento del radio y del polonio.
Estudio del enlace covalente.
Estudio de las propiedades de un elemento en función de su número atómico.
W. Thomson (Lord Kelvin)
Escala absoluta de temperatura.
(1875 - 1946)
(1887 - 1915)
DINÁMICA Arquímedes
Galileo Galilei
B. Pascal
R. Hooke
I. Newton
Filósofo griego
Astrónomo italiano
Físico británico
Físico británico
Formulación del principio que lleva su nombre, que relaciona el volumen de un objeto sumergido en un fluido con la fuerza que un fluido ejerce sobre dicho objeto.
Estudio de las leyes que rigen el movimiento de los cuerpos bajo la atracción de la Tierra. Descubrimiento de cuatro satélites de Júpiter, de las manchas en el Sol y de las montañas de la Luna.
Físico y matemático francés
Descubrimiento de la ley de elasticidad de un muelle.
Descubrimiento de los principios de la dinámica y de la ley de la gravitación universal.
(290 a. C. - 212 a. C.)
J. J. Thomson (1856 - 1940)
Físico británico Descubrimiento del electrón.
(1564 - 1642)
M. Sklodowska Curie (1867 - 1934)
Química polacofrancesa Descubrimiento del polonio y el radio. Descripción de los fenómenos radiactivos.
(1623 - 1662)
Formulación del principio de Pascal, que indica que la presión ejercida en un punto de un fluido se transmite a todos los puntos del mismo.
(1642 - 1727)
(1635 - 1703)
E. Rutherford
N. Bohr
E. Schrödinger
J. Chadwick
P. A. M. Dirac
Físico neozelandésbritánico
Físico danés
Físico austriaco
Físico británico
Físico británico
Modelo atómico con electrones girando en órbitas estables circulares alrededor del núcleo.
Ecuación de onda que describe el movimiento del electrón en el átomo.
Descubrimiento del neutrón.
Aportaciones a la mecánica cuántica.
(1871 - 1937)
Modelo atómico con un núcleo central con la carga positiva y electrones girando alrededor.
(1885 - 1962)
(1887 - 1961)
(1891 - 1974)
(1902 - 1984)
W. K. Heisenberg (1901 - 1976)
Físico alemán Principio de incertidumbre: no se puede conocer con exactitud simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula.
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Anexo VI. Grandes científicos ESTUDIOS CUANTITATIVOS DE LAS REACCIONES QUÍMICAS A. L. Lavoisier
J. L. Proust
A. Avogadro
J. W. Ritter
F. Wöhler
Químico francés
Químico francés
Físico italiano
Físico alemán
Químico alemán
Ley de conservación de la masa en las reacciones químicas.
Ley de las proporciones definidas.
Hipótesis de Avogadro: cualquier gas a una temperatura determinada contiene un número dado de partículas por unidad de volumen.
Estudio de la electrolisis.
Síntesis de un compuesto orgánico (urea) a partir de compuestos inorgánicos.
(1743 - 1794)
(1754 - 1826)
(1776 - 1856)
(1800 - 1882)
(1776 - 1810)
J. J. Berzelius (1779 - 1848)
Químico sueco Determinación de pesos atómicos de diversos elementos y aislamiento de varios elementos.
ASTRONOMÍA Aristarco de Samos
Hiparco
N. Copérnico
T. Brahe
J. Kepler
Astrónomo griego
Astrónomo griego
Astrónomo polaco
Astrónomo danés
Astrónomo alemán
Desarrollo de un modelo heliocéntrico para el Sistema Solar.
Desarrollo del primer catálogo estelar. Descubrimiento de la precesión de los equinocios.
Propuesta de que el Sol permanece fijo en el centro del universo y los demás planetas giran alrededor de él.
Recopilación de numerosos datos sobre la posición de los planetas en el cielo.
Descubrimiento de las tres leyes que rigen el movimiento planetario.
(310 a. C. - 230 a. C.)
(1473 - 1543)
(190 a. C. - 120 a. C.)
(1571 - 1630)
(1546 - 1601)
Claudius Ptolomeo (siglo II)
Filósofo griego Desarrollo de un modelo geocéntrico para el Sistema Solar.
ESTUDIOS DE LA ELECTRICIDAD Tales de Mileto
W. Gilbert
C. A. Coulomb
A. Volta
G. S. Ohm
Filósofo griego
Físico y médico británico
Físico francés
Físico italiano
Físico alemán
Ley de Coulomb: fuerzas eléctricas entre cargas.
Pila de Volta.
Ley de Ohm, que relaciona la intensidad de corriente, la diferencia de potencial y la resistencia.
(640 a. C. - 546 a. C.)
Descripción de fenómenos de atracción debidos a la existencia de cargas eléctricas.
(1544 - 1603)
La Tierra es un inmenso imán.
(1736 - 1806)
(1745 - 1827)
(1789 - 1854)
B. Franklin
L. Galvani
Estadista y científico estadounidense
Anatomista italiano
S. Morse
Experimento con cometas en una tormenta: la carga pasa hasta el extremo de la cometa.
Estudio de los efectos de la electricidad en músculos de animales.
Inventor estadounidense
(1706 - 1790)
(1737 - 1798)
(1791 - 1872)
Desarrollo del telégrafo.
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s
Anexo VI APORTACIONES A LA TABLA PERIÓDICA S. Arrhenius
J. W. Dobëreiner
J. L. Meyer
D. I. Mendeleiev
J. A. Newlands
Químico sueco
Químico alemán
Químico alemán
Químico ruso
Químico británico
Estudio de las disoluciones que conducen la electricidad.
Agrupación de elementos químicos en grupos de tres tríadas según sus propiedades comunes.
Ordenación de los elementos químicos según sus propiedades.
Ordenación de los elementos químicos en función de su masa atómica. Tabla con huecos correspondientes a elementos no descubiertos en su época.
Ley de las octavas para agrupar los elementos químicos con propiedades afines.
(1859 - 1927)
(1780 - 1849)
(1830 - 1895)
(1834 - 1907)
(1837 - 1898)
F. W. Bessel
A.Einstein
E. P. Hubble
C. W. Tombaugh
S. W. Hawking
Astrónomo alemán
Físico suizoestadounidense
Astrónomo estadounidense
Astrónomo estadounidense
Físico británico
(1784 - 1846)
Medición por primera vez de la distancia a una estrella usando el método de la paralaje.
J. L. Leverrier (1811 - 1877)
(1889 - 1953)
(1879 - 1955)
Desarrollo de la teoría especial de la relatividad y de la teoría general de la relatividad, con ecuaciones que se aplican a la evolución del universo.
Astrónomo francés
(1906 - 1997)
Descubrimiento de la ley que relaciona la distancia a las galaxias con su velocidad de alejamiento con respecto a nosotros.
Descubrimiento del planeta enano Plutón.
(n. 1942)
Estudio teórico de los agujeros negros.
Georges Lemaître (1894 - 1966)
Astrónomo belga
Predicción de la existencia del planeta Neptuno.
Formulación de la teoría del big bang.
ELECTROMAGNETISMO T. A. Edison
H. C. Oersted
M. Faraday
J. C. Maxwell
H. R. Hertz
Inventor estadounidense
Físico danés
Físico y químico británico
Físico británico
Físico alemán
Efectos de la corriente eléctrica en imanes.
Descripción de fenómenos que ponían de manifiesto la relación entre los fenómenos eléctricos y los magnéticos.
Desarrollo de la teoría electromagnética y unificación de la óptica y el electromagnetismo.
Generación de ondas electromagnéticas.
(1847 - 1931)
Múltiples inventos, entre ellos la bombilla eléctrica.
(1777 - 1851)
(1791 - 1867)
(1831 - 1879)
(1857 - 1894)
N. Tesla
(1856 - 1943)
Ingeniero croata-estadounidense Desarrollo de transformadores y de motores eléctricos capaces de aprovechar la corriente eléctrica alterna.
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Dirección de arte: José Crespo Proyecto gráfico: Portada: Pep Carrió Interiores: Manuel García Ilustración: Félix Moreno, Enrique Cordero, José Valera, David Cabacas, Carlos Aguilera Jefa de proyecto: Rosa Marín Coordinación de ilustración: Carlos Aguilera Jefe de desarrollo de proyecto: Javier Tejeda Desarrollo gráfico: Rosa María Barriga, José Luis García, Raúl de Andrés Dirección técnica: Ángel García Encinar Coordinación técnica: Alejandro Retana Diagramación: A. Retana Confección y montaje: Javier Pulido, David Redondo Corrección: Ángeles San Román, Nuria del Peso Documentación y selección fotográfica: Nieves Marinas Fotografías: C. Jiménez/photoAlquimia; F. Orte; F. Po; F. X. Rafols; GARCÍA-PELAYO/Juancho/Biblioteca del Centro de Física Miguel A. Catalán del Consejo Superior de Investigaciones Científicas; GOYENECHEA; J. A. Gutiérrez; J. C. Muñoz; J. Jaime; J. L. G. Grande; KAIBIDE DE CARLOS FOTÓGRAFOS; Larrión-Pimoulier; M. G. Vicente; M.ª A. Ferrándiz; ORONOZ; P. Esgueva; P. López; PUIGDENGOLAS FOTOGRAFÍA; RICERCHE ICONOGRAFICHE DE CESARE, MILAN; S. Enríquez; S. Padura; TERRANOVA INTERPRETACIÓN Y GESTION AMBIENTAL; A. G. E. FOTOSTOCK/SCIENCE PHOTO LIBRARY, SCIENCE MUSEUM/SSPL, Martin Siepmann; AGENCIA ZARDOYA/CAMERA PRESS; ARXIU MAS; COMSTOCK; CONTIFOTO/ POPPERFOTO; COVER; DIGITALVISION; EFE/Nacho Gallego, EPA PHOTO/PA/NASA; EFE/SIPA-PRESS/F. Durand, Jean Paul Barbier, Kamenko Pajic, MUSÉE DE BOSTON / Goldner / SIPA ICONO; EFE/SIPA-PRESS/AGENCE D.P.P.I/Philippe Millereau; FOCOLTONE; GALICIA EDITORIAL/Miguel Villar; GETTY IMAGES SALES SPAIN/Photographer’s Choice/Peter Dazeley, The Image Bank/David Trood, Stone/Andrew Michael, Photos.com Plus; HIGHRES PRESS STOCK/AbleStock.com; I. Preysler; ISTOCKPHOTO; NASA; PHOTODISC; SEIS X SEIS/D. Lezama; STOCKBYTE; STUDIO TEMPO/J. Sánchez; Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales; AIP EMILIO SEGRÈ VISUAL ARCHIVES/AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS; AMD; BIBLIOTECA NACIONAL DE ESPAÑA/Laboratorio Biblioteca Nacional; CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS; Dra. Mercedes Durfort Coll; HidroCantábrico; J. E. Casariego; J. Gómez; LUND OBSERVATORY, SWEDEN; MATTON-BILD; MUSÉE ET DOMAINE NATIONAL DE VERSAILLES ET DE TRIANON, CHÂTEAU DE VERSAILLES; Nintendo; PALACIO SPADA, ROMA; PALAIS DE LA DÉCOUVERTE, PARIS/UNIVERSITE DE PARIS. PALAIS DE LA DECOUVERTE. LA PHOTOTHEQUE; PHILIPS; Samsung; SERIDEC PHOTOIMAGENES CD; Sony Computer Entertainment Inc.; THE BRITISH MUSEUM, LONDON; USIS; ARCHIVO SANTILLANA Fotografía de cubierta: Antonio Fernández
© 2011 by Santillana Educación, S. L. Torrelaguna, 60. 28043 Madrid PRINTED IN SPAIN Impreso en España por ISBN: 978-84-680-0380-1 CP: 301419 Depósito legal:
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