Química II Minerva Guevara Soriano Salvador Rivera Gallegos
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Enfoquee por compete Enfoqu competencias ncias
1 1 0 2 a T m a r P r o g
Química II Minerva Guevara Soriano Salvador Rivera Gallegos
Enfoque por competencias
El libro Química II, tercera edición, fue elaborado en Editorial Santillana por el siguiente equipo:
Dirección General de Contenidos
Antonio Moreno Paniagua Dirección de Ediciones
Wilebaldo Nava Reyes Dirección de Investigación y Nuevos Desarrollos
Lino Contreras Becerril Gerencia de Bachillerato
Armando Sánchez Martínez Gerencia de Arte y Diseño
Humberto Ayala Santiago Coordinación de Diseño
Carlos A. Vela Turcott Coordinación de Iconografía
Nadira Nizametdinova Malekovna Coordinación de Realización
Alejo Nájera Hernández
Edición
Armando Sánchez Martínez, Adrián Romero Rodríguez y R afael Camacho Bonilla Asistencia editorial
Gabriela Valdespino Zárate y Brenda Ochoa Magaña Revisión técnica
Tzitzil Argel Anguiano Macías Revisión pedagógica
Marta Fabiola Pacheco Martínez Corrección de estilo
Ester Alizeri Fernández Edición de Realización
Gabriela Armillas Bojorges Edición Digital
Miguel Ángel Flores Medina Diseño de portada e interiores
Beatriz Alatriste del Castillo Diagramación
Editec Iconografía
José Iván Navarro Juárez y Juan Miguel Bucio Trejo Fotografía
Archivo Digital, Jupiterimages, Photos.com, Thinkstock, Photostock, Wikipedia y Archivo Santillana Fotografía de portada
Archivo Santillana
La presentación y disposición en conjunto y de cada página de Química II, tercera edición son propiedad del editor. Queda estrictamente prohibida la reproducción parcial o total de esta obra por cualquier sistema o método electrónico, incluso el fotocopiado, sin autorización escrita del editor. © Minerva Guevara Soriano y Salvador Rivera Gallegos D.R. © 2012 por EDITORIAL SANTILLANA, S. A. de C. V. Avenida Río Mixcoac 274, colonia Acacias, C. P. 03240, delegación Benito Juárez, México, D. F. ISBN: 978-607-01-0991-1 Primera edición: noviembre de 2009 Tercera edición: enero de 2012
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 802 Impreso en México/Printed in Mexico
Presentación
Química II, tercera edición de la nueva serie Santillana Bachillerato, se desarrolló de acuerdo con el programa de estudio de la Reforma Integral de la Educación Media Superior (RIEMS), la cual se basa en el enfoque por competencias, entendidas estas como el conjunto de conocimientos, habilidades, actitudes y valores que debes poner en práctica para enfrentar los retos planteados por tu entorno social y familiar, y en especial para incorporarte a la educación superior o al mundo laboral. En esta obra se presenta un modelo didáctico claro que contribuirá a que desarrolles las competencias propuestas en el programa de estudio de la asignatura. Te ofrece oportunidades para construir diversos saberes, así como para que apliques y uses los recursos tecnológicos disponibles como medios e instrumentos de comunicación. Química II, tercera edición está organizado en cinco bloques; en el primero se examina la aplicación de la noción de mol en la cuanti�cación de procesos químicos. Al principio se estudian las cuatro leyes ponderales y después el concepto de mol, para entender su vinculación con los cálculos de reactivo limitante y rendimiento teórico. Al �nal se valoran las implicaciones industriales, ecológicas y económicas de los cálculos químicos. En el segundo bloque se analizan las principales fuentes de contaminación del aire, el agua y el suelo. Se detallan las propiedades más relevantes del aire y el agua y se exploran opciones para mejorar la calidad de estos recursos en la comunidad, a partir de identi�car los problemas fundamentales asociados a su contaminación. A su vez, en el tercer bloque se estudian los sistemas dispersos, características, métodos de separación de mezclas y su clasi�cación de acuerdo con el tamaño de las partículas del soluto: disoluciones, coloides y suspensiones, y se detallan sus propiedades y presencia en la vida personal y social. Por último, se trabaja con las diferentes formas de expresar la concentración de las disoluciones y la utilidad de los sistemas dispersos, en especial de los ácidos y las bases. El cuarto bloque está dedicado a la química de los compuestos del carbono. Para empezar, se revisa cómo gracias a la hibridación de los orbitales de dicho elemento se explica su gran capacidad combinatoria, la cual genera la amplia gama de los llamados inicialmente compuestos orgánicos, ahora más propiamente, del carbono. Se estudian los principales hidrocarburos: alcanos, alquenos, alquinos y el benceno. Se valora la importancia del petróleo y se analiza su método de re�nación. En la última secuencia de este bloque se presentan las características más destacadas de otros compuestos del carbono: aldehídos y cetonas, ácidos carboxílicos, éteres, ésteres, derivados del benceno, halogenuros de alquilo y aminas, con énfasis en las propiedades de sus grupos funcionales. Finalmente, el quinto bloque se destina al estudio de los polímeros sintéticos y naturales e incluye temas como polímeros de adición y de condensación, elastómeros y los polímeros y el ambiente (plásticos de mayor uso, la regla de las “tres erres” y plásticos biodegradables). Para concluir, se revisan las macromoléculas naturales (carbohidratos, lípidos y proteínas), con particular atención al cuidado de tu alimentación, esencial para mejorar tu calidad de vida. Este libro, que se centra en el desarrollo de las competencias, no se descuida el rigor de los conceptos químicos, pero hemos procurado presentarlos con un lenguaje claro, sencillo y directo, de tal manera que sea comprensible para ti. La nueva estructura del libro y la forma de abordar los temas están orientadas a lograr que obtengas un cabal conocimiento de la química, así como que desarrolles las competencias que se indican en el programa de estudio. Para cumplir con el propósito anterior, siempre se tuvo presente que el conocimiento y la comprensión no son su�cientes, pues la química no constituye una asignatura más que debas cursar para obtener un certi�cado, sino también una práctica destinada a transformar y mejorar tu vida y el entorno social.
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Contenido
Tu libro Bloque 1 El mol en la cuanti�cación de procesos químicos
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1.1 Las leyes ponderales y los cálculos estequiométricos 9 Leyes ponderales 10 Ley de la conservación de la masa 10 Ley de las proporciones de�nidas 14 Ley de las proporciones múltiples 14 Ley de las proporciones equivalentes 16 Fórmula mínima y cálculos estequiométricos 17 Volúmenes y cálculos estequiométricos 20 Logros 23 1.2 El mol: unidad de cantidad de sustancia Mol y estequiometría La escritura de las fórmulas químicas y los cálculos químicos Masa molecular Masa molar Volumen molar Logros 1.3 Reactivo limitante y rendimiento teórico Reactivos limitante Rendimiento teórico y rendimiento real Logros
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24 25 27 28 28 31 35 36 37 41 45
1.4 Implicaciones industriales, ecológicas y económicas de los cálculos químicos La química y el ambiente Logros Integración
46 47 49 50
Bloque 2 Cómo disminuir la contaminación del aire, del agua y del suelo 52 2.1 La contaminación del aire El aire: fuente de recursos Los contaminantes del aire El esmog Lluvia ácida Inversión térmica Logros 2.2 La contaminación del agua y del suelo El agua en México Los usos del agua Las propiedades del agua Las fuentes de contaminación del agua y del suelo Los contaminantes del agua Logros Integración
Bloque 3 Aplicación de los sistemas dispersos 3.1 Características de los sistemas dispersos
53 54 57 60 62 63 65 66 67 69 71 73 75 77 78
80 81
Clasi�cación de los materiales Los sistemas dispersos Métodos de separación de mezclas Logros
82 83 84 93
3.2 Disoluciones, coloides y suspensiones 94 Clasi�cación de mezclas de acuerdo con el tamaño de partículas del soluto 93 Propiedades de las disoluciones 93 Propiedades de los coloides 94 Propiedades de las suspensiones 95 Logros 97
3.3 La concentración de las disoluciones y la utilidad de los sistemas dispersos 98 Solubilidad 99 Concentración de las disoluciones 100 Concentración molar 104 Las disoluciones ácidas y básicas 107 La fuerza de los ácidos y de las bases 111 El potencial de hidrógeno 111 Concentración Normal 114 Neutralización 115 Logros 117 Integración 118
Bloque 4 Importancia de los compuestos del carbono en el entorno 120 4.1 El carbono y la geometría El átomo de carbono Logros
121 122 127
4.2 Los hidrocarburos El petróleo Principales hidrocarburos Los alcanos Los alquenos Los alquinos El benceno Logros
128 129 133 133 140 144 146 147
4.3 Otros compuestos del carbono y su importancia Los grupos funcionales Los derivados del benceno Halogenuros de alquilo Los alcoholes Los éteres Los ácidos carboxílicos Aldehídos y cetonas Los ésteres Las aminas Logros Integración
148 149 150 153 155 159 161 163 166 169 171 172
Bloque 5 Importancia de las macromoléculas naturales y sintéticas 174 5.1 Los polímeros y las macromoléculas sintéticas Macromoléculas, polímeros y monómeros Algunas propiedades de los polímeros Polímeros de adición Polímeros de condensación Elastómeros Logros 5.2 Los polímeros y el ambiente Plásticos de mayor uso Reciclado y plásticos biodegradables Residuos, basura y compuestos poliméricos Logros 5.3 Los polímeros y las macromoléculas naturales Macromoléculas naturales Carbohidratos Lípidos Proteínas Logros Integración Fuentes de consulta bibliográ�cas
175 176 177 179 181 183 185 186 187 189 192 193 194 195 198 202 203 205 206 208
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Tu libro
Tu libro Química II está conformado por cinco bloques, organizados con el propósito de apoyarte en la integración de los saberes necesarios para alcanzar determinados niveles de desempeño. Cada bloque contiene una o más secuencias didácticas y se organizó de la manera siguiente: Entrada
De entrada
Reactivación Elementos del boque
Secuencia didáctica
Recuperación de información disponible
Conocimientos Desarrollo
Actitudes Habilidades
Logros
Producto
Integración
Entrada de bloque
Al principio de cada bloque encontrarás las unidades de competencia y los contenidos por estudiar: conocimientos (saber), habilidades que debes poner en práctica para desarrollar tus competencias (saber hacer) y las actitudes que has de adoptar (saber ser).
Secuencia didáctica
De entrada: Expone los indicadores de tu desempeño, los productos (presentaciones, informes, investigaciones, etc.) que deberás obtener al realizar las actividades y los atributos de las competencias genéricas que pondrás en práctica durante la secuencia. Reactivación: Presenta una situación que te permite recuperar la información que ya conoces y la relación que tiene con el tema por estudiar, de modo que te ayuda a explorar tus conocimientos. Desarrollo: Apartado principal de la secuencia que contiene los conocimientos teóricos establecidos en el programa de estudio y las actividades necesarias para que alcances las unidades de competencia. También te permite desarrollar o ejercitar tus habilidades, descubrir tus actitudes y manifestarlas en los productos. La información y las actividades están organizadas en torno a estos ejes de trabajo, los cuales pueden ser simultáneos:
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¿Qué necesito saber (conocimientos)… ¿Qué necesito saber hacer (habilidades)…
para elaborar los productos de mi aprendizaje?
Además de los elementos mencionados, en cada secuencia se presentan recuadros con información, recomendaciones y otros agregados importantes. Entre ellos están: Portafolio de evidencias. Lo integrarás y utilizarás durante el curso. Tú debes crearlo (puede ser en la computadora) para guardar tus hallazgos, cuestionamientos y trabajos. Espacio tecnológico. Incluye el uso de las tecnologías de información y comunicación, en especial direcciones electrónicas de Internet que habrás de consultar para investigar, extraer información y relacionar datos. Propone sugerencias para un uso práctico de los recursos multimedia o computacionales con el �n de enriquecer los saberes de la secuencia, así como la re�exión acerca de cuestionamientos éticos y ambientales. Conexiones. Presenta los vínculos con otras asignaturas, con tu vida cotidiana en familia y en tu comunidad. Datos a la mano. Brinda información interesante en cifras, grá�cas y cuadros. Glosario. Contiene de�niciones de los vocablos técnicos más relevantes o poco usuales. Palabras en el tiempo. Te permite conocer la evolución de las palabras y las variantes de su empleo. Puede incluir su raíz etimológica y su uso contextual. Competencias genéricas. Actividades para relacionar los saberes con el desarrollo de una competencia genérica. Bajo el microscopio. Ofrece información para profundizar y ampliar tus saberes. En el laboratorio. Te brinda oportunidades de trabajo mediante procedimientos y metodologías de la investigación cientí�ca. Las páginas de Internet a consultar en algunas de las secciones o cápsulas están referidas como enlace con un número. Para acceder a él, hay que entrar a la página www.bachilleratoenred.com.mx/enlaces/qui2/ y dar clic en el número que corresponda. Logros: Espacio para revisar tus aprendizajes con base en lo que reuniste en tu Portafolio de evidencias y re�exionar sobre lo que te falta conseguir. Es un momento oportuno para revisar tus productos o evidencias de aprendizaje. Integración del Bloque
Para cerrar el bloque, después de las secuencias encontrarás actividades que te ayudarán a integrar tus saberes y evaluar tu desarrollo de las unidades de competencia planteadas en la entrada del bloque. En esa parte hallarás: Síntesis con ejercicios para resumir y recapitular los saberes del bloque, y Sinergia con preguntas y actividades para recordar, explicar, aplicar, analizar, opinar, crear y re�exionar, de manera que te des cuenta de los saberes que adquiriste. Se incluyen ejercicios de autoevaluación, coevaluación y evaluación.
En la travesía que harás por cada bloque tu profesor cumplirá una función preponderante, pues su apoyo y sus enseñanzas son fundamentales; por eso debes con�ar en él. Y por lo que a ti compete, te exhortamos a colaborar, a participar con tus compañeros y a enriquecer las ideas generadas en el grupo, así como investigar, exponer y mostrar una actitud dinámica y comprometida. No hay duda: al desarrollar tus competencias como estudiante, crearás tu progreso.
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e u q o l B
El mol en la cuanti�cación de procesos químicos a r a : p á r i r v M e s e
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n p a r a c i a s, ó i c a f o r m t r e l a c i e n e n n i e d e n t e s r e l a c i ó n e n l a m b i e n t e s. u f s a l E l eg i r e c e r l a i n t e r o c i e d a d y e s e s p e c í � c o o s é ? r e • d n a p r e e s t a b l o l og í a, l a s o s y s o c i a l e l o s i m p a c t t i¿ Q u é l a t e c n t o s h i s t ó r ic i o n e s s o b r e n l a v i d a c o s : e l a r e d c o n t e x m e n t a r o p i n e c n o l og í a e i o n e s é t ic a s s e s p o n L a v o i s ie r y e L • d a n t a l a t r a c d e • F u n l a c i e n c i a y d o c o n s id e u l a r p r eg u e s is o L e y d e P r o u s t d e u m i e n l e m a s, f o r m n t e a r h i p ó t s a o L e y d e D a l t o n W e n z e l , a d i a n c a r p r o b c o y p l a . o L e y d e R i c h t e r - o l t i� r c i e n t í� n d e r la s ó n y i n c e a d y I m m e n r • o L c e p t o d e l óg i c a s, i s a r á c t e p a r a r e s p o d e l a i n f o g i s t r a r c e o d o l n c o e a r ia s e c n o l og í a s b t e n e r, r e p o n d e r s e • E l c l ic a c i o n e s e n ó m i c a s d c e n r l a s t c i ó n p a r a o i ó n p a r a r e s a z • I m p t r ia l e s y e c o i o m é t r ic o s i l i t • U o m u n i c a i n f o r m a c e n t í� c o. n d u s s e s t e q u l a c m a t iz a r e r c i t e n i d o s e t c á r c á l c u l o a e c y s is t u n t a s d e u l t a d o s o b n t o c o n d e r é ? n e r p p r eg t a r l o s r e s e x p e r im e s c o n c l u l o a a o l o m ¿ C ó n t r a s s t ig a c i ó n o m u n i c a r l a t a c o n o d e m e o t p C e c • i n v e r e v i a y c o t o s d e v i s t r a s l c o n c i o n e s q u i e a n o u d is p p u n e o m b ic a n e a c i p ó t e s a p o r t a n d o r a n d o l o s d • A p l t e r p r e t a r r i f e r e n t e s á n l a h a l i n l iz a n e n d id i a n a y e n e s, y c o n s id e r e � e x i v a. a l o s p r o o i s t a s e r e l a v i d a c o e r t u r a d e m a n e r a s eg u i m i e n t o c i m i e n t o p é a m e t o s d r ia. t e q u i o l a s r s o n a s e t a s y d a r n d e l c o n o � c a s p a r a s e e p s o t l n i r m o n s t r u c c i ó n e s c i e n t í o s. i n d u s n d o c á l c u e a p l iq u e n � e D a s • e l iz d e c l a s n o c i o s c o t id i a n d e m o s o s e • R e a o s e n l o s q u e s. a c a i t a n d o e p r o b l e m r l a v a l id e z o b l e c i t r ic o n d e r a l i m p o r t a n c i c o s l p x e p c i ó n d a r y p r o b a r e s o l v e r p r s t r a r u l l e y e s e n t a n d o l a t e q u i o m é t r i c u o s l a p l ic o s p a r a r s a m e e d e m o , u p r s g e a o r r o ñ l s p e i e s t i d • A l o s c á l c u e t ie n e n g i c a s • D o s o p r o t o n e c e s id a d e c e s o s q u s y e c o l ó e n e l d e l a t is f a c e r o s. g i r o a r c e i p e n a s, s s c i e n t í� c n e r a l e s q u o y v a l o r a o n ó m c m e s e s io n e n t o r n o. in c i p i o l a s l e y e s g e m e d i o f ís ic e i m p a c t o r p l iz a r i e n t o d e l d e r ie sg o n ó m e n o s e n s u a n A • s f e n a m a n a s f u n c i o i o n e s h u m ie n d o q u e l o b i t o s l o c a l, a s a c c t a l, a d v i r t e n l o s á m r e n d e n t r o l a n . a m b i e d e s a r r o l la n c i o n a l o c u r e p e n d i e n t e t ir q u e s e a l e i n t e r n a l o b a l i n t e r d s a l u d a p a r s n a c i o n c o n t e x t o g i d a d o d e l a s u s p r o c e s o d e u n r s o b r e e l c u d e l c u e r p o, t e n e c e. j o n e i d i t o p e r • D e c c o n o c i m i e n r n o a l q u e a d e n e l m a e n d e l y e l e n t o s eg u r id q u i p o s. e y e s d e s l v i t a r n o r m a s t r u m e n t o c o t id i a n a ic a i n s e s • A p l s u s t a n c i a s, e a c t iv i d a d d e iz a c i ó n d l a r e a l
Las leyes ponderales y los cálculos estequiométricos De
1.1
entrada
Indicadores de desempeño En esta secuencia conocerás y aprenderás a aplicar las leyes ponderales. Al término de la misma, tu desempeño más importante será resolver problemas estequiométricos relacionados con estas leyes. Productos • Ensayo que relacione los cálculos estequiométricos con la obtención de productos químicos de uso común. • Mapa conceptual que relacione las cuatro leyes ponderales con los cálculos estequiométricos. Competencias genéricas Con lo que aprendas y las actividades que realices en esta secuencia desarrollarás los siguientes atributos de las competencias genéricas: • Expresar ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemáticas y grá�cas. • Ordenar información de acuerdo con categorías, jerarquías y relaciones. • Seguir instrucciones y procedimientos de manera re�exiva, comprendiendo cómo cada uno de los pasos contribuye al logro de un objetivo. • Identi�car los sistemas y las reglas o los principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos.
Reactivación El sabor y la consistencia de un pastel guardan relación con los ingredientes que se utilizan para prepararlo. ¿De qué manera se da esta relación? Existen muchos otros ejemplos a tu alrededor donde intervienen varios ingredientes que juntos producen algo diferente y en los cuales son importantes las cantidades de cada uno. Analiza las siguientes preguntas y respóndelas: a) ¿Por qué consideras que en el motor de un vehículo se lleva a cabo la combustión adecuadamente?
b) ¿Qué se requiere para que un enfermo, por ejemplo, de diabetes, continúe con su ritmo de vida cotidiano?
c) Encuentras alguna relación entre las situaciones que se mencionan en las preguntas anteriores? ¿Cuál? 9
Leyes ponderales ¿Pudiste establecer la relación entre las situaciones? Desde luego, son múltiples las razones por las que un pastel resulta sabroso, un motor desarrolla una buena combustión o un enfermo de diabetes equilibra su organismo de modo que pueda llevar una vida normal. Por ejemplo, en el caso del pastel intervienen la temperatura, el tipo de horno y la calidad y cantidad de los ingredientes; algo similar sucede con los otros dos ejemplos. Por ello, la relación que existe entre esas situaciones es que en todos los casos se deben emplear las cantidades adecuadas de sustancias químicas para que se lleven a cabo reacciones químicas e�cientes. Cuando así ocurre, se obtiene un rico pastel, el motor del transporte no contamina, al menos no mucho, y la dosis adecuada del medicamento (insulina, en algunos casos) permite que un paciente diabético continúe con su vida de modo normal. Pero, ¿a qué nos referimos cuando hablamos de cantidades adecuadas de sustancias? ¿No da lo mismo calcular a “ojo de buen cubero”? La respuesta: sí es posible, pero las cosas sucederán de manera no deseada, por ejemplo, el pastel te sabrá horrible o estará duro, el transporte contaminará el aire que respiramos y el paciente con diabetes tendrá graves problemas de salud. En tu curso de Química I aprendiste a combinar las cantidades adecuadas de sustancias. ¿Recuerdas que estudiaste la estructura de la materia?
La mezcla adecuada y exacta de los ingredientes es un factor determinante para obtener un buen pastel, igual que en las reacciones químicas.
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A Lavoisier se le considera el padre de la química moderna, porque inauguró la medición cuantitativa en la química, lo que le permitió caracterizar mejor los elementos y postular la primera ley de dicha ciencia; la primera que se relaciona con la transformación química. Su libro en español se publicó en 1797, y hay una versión reciente de su obra en nuestro idioma.
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A lo que nos referimos es que los átomos de los elementos tienden a unirse entre sí para formar moléculas y compuestos. Esto sucede durante las reacciones químicas que, como en los ejemplos anteriores, se producen entre los ingredientes de un pastel, el combustible y el oxígeno del aire para la combustión del motor de un vehículo, y el modo en que un medicamento actúa en el cuerpo de un enfermo de diabetes para controlar sus niveles de glucosa en la sangre. Sin embargo, cuando átomos, moléculas y compuestos se combinan en cantidades inadecuadas el resultado no es lo esperado. ¿Por qué? La respuesta la tiene la estequiometría, pues establece la relación adecuada de proporciones entre reactivos y productos. Su base son las cuatro leyes ponderales, ya que de�nen las relaciones de combinación química de las sustancias, así como las masas de los reactivos necesarias para formar los productos de una reacción química. Estas leyes son las siguientes: • Ley de la conservación de la masa, de Lavoisier. • Ley de las proporciones constantes, llamada también ley de las proporciones de�nidas, de Proust. • Ley de las proporciones múltiples, de Dalton. • Ley de las proporciones equivalentes, de Richter. A continuación revisaremos las leyes anteriores, las cuales sentaron las bases de la química como ciencia moderna.
Ley de la conservación de la masa Esta ley fue propuesta por el químico francés Antoine Laurent Lavoisier en 1774, la estudiaste en el curso pasado, y establece que, antes y después de una reacción química, la masa total permanece constante, es decir, la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma. En otras palabras, la suma de las masas de los reactivos es igual que la suma de las masas de los productos de la reacción.
Antes de Lavoisier, se creía que la materia se podía crear o destruir. Por ejemplo, en el caso de la combustión, como la de un trozo de madera, al terminarse de quemar solo quedan cenizas y su masa era menor que la del trozo inicial, por lo que decían que la masa se destruía. En cambio, en la oxidación de metales la masa �nal es mayor que la del metal inicial por lo que decían que la materia se creaba. Como puedes darte cuenta, en los dos casos anteriores hay gases involucrados, lo que dificultaba la medición de su masa. Lavosier pudo constatar que la masa durante una reacción química se conservaba debido a que ya había balanzas y equipos más refinados para recolectar los gases. De hecho, este científico tenía el mejor laboratorio químico de su época, gracias a la dote que aportó su esposa. En 1789 publicó su Tratado elemental de química, donde define elemento como la sustancia que no puede descomponerse en otras más simples y presenta una lista de 33, con la aclaración de que son los “que el estado actual de nuestros conocimientos nos obliga a considerar como tales”. Incluye entre estos la luz y el calórico que, como sabes, no son materia sino manifestaciones de la energía. Por ejemplo, cuando un químico hace reaccionar una muestra de magnesio con oxígeno, obtiene el compuesto óxido de magnesio. Si hace uso de una balanza muy sensible, observará que al reaccionar 60.3036 g de magnesio con 39.6964 g de oxígeno se producen 100.0000 g de óxido de magnesio.
El magnesio se oxida y produce óxido de magnesio mediante una reacción de combustión.
Cuando se hacen reaccionar ácido clorhídrico (HCl) e hidróxido de sodio (NaOH), se obtiene sal común y agua: HCl(ac) + NaOH(s)
→
NaCl(ac) + H 2O (l)
Si tomamos en cuenta la masa de cada compuesto, con�rmaremos esta ley. Si expresamos las masas atómicas de los elementos de cada reactivo en gramos y después las sumamos, obtenemos la masa total de reactivos. HCl = (1 + 35.5) g NaOH = (23 + 16 + 1) g Masa total de los reactivos
= 36.5 g = 40.0 g = 76.5 g
Si hacemos lo mismo con los productos, tenemos: NaCl = (23 + 35.5) g H2O = (2 + 16) g Masa total de los productos
= 58.5 g = 18.0 g = 76.5 g
Con la combustión total se producen cenizas, las cuales tienen una menor masa con respecto a la del material que se quema ¿Contradice esto la ley de conservación de la masa?
De acuerdo con la ley que nos ocupa, la suma de las masas de los reactivos es igual que la suma de las masas de los productos: 76.5 g. 11 1
conexiones Actividad La Revolución Francesa estalló a �nes del siglo XVIII y es un parteaguas en la historia de la humanidad. Corresponde esta época al �n de la Ilustración, durante la cual se registraron grandes avances cientí�cos y tecnológicos.
1. Averigüen sobre la vida de Antoine Laportafolio voisier y escriban una �cha bibliográ�ca D E E V I D E N C I A S donde se describa el contexto histórico Guarda la información en tu en que le tocó vivir. portafolio de evidencias. 2. Busquen en Internet una imagen del laboratorio de Lavoisier. 3. Elaboren un cartel con los resultados anteriores y péguenlo en el salón de clases. Es importante que incluyan imágenes. 4. Revisen los carteles de los demás equipos y coméntenlos en una sesión plenaria.
En el laboratorio portafolio D E
E V I D E N C I A S
Guarda tus observaciones, respuestas, resumen y autoevaluación.
Reacción entre bicarbonato de sodio y una sustancia ácida Objetivo Este experimento es una variante de lo que sucede entre el jugo de limón y el bicarbonato de sodio, que probablemente ya habrás observado, pero en este caso comprobarás la ley de conservación de la masa. Material • Dos bolsas de plástico de diferente tamaño (una como las que se emplean para guardar un sándwich y otra más chica), una dentro de la otra sin arrugarse. Lo más importante es que ambas cuenten con cierre hermético y no tengan ninguna perforación • 5 mL de limón mediano • Media cucharadita de bicarbonato de sodio • Una balanza de precisión
En el Museo de Artes y O�cios de París existe una muestra de algunos de los aparatos del laboratorio de Lavoisier.
Procedimiento* Primero prepara las bolsas por separado de acuerdo con estas instrucciones: • En la bolsa chica: 1. Vierte el jugo de limón y ciérrala herméticamente. 2. Cuida de no manchar la super�cie exterior de la bolsa y tener las manos limpias, libres de jugo de limón. 3. Cerciórate de que la bolsa con el jugo esté cerrada herméticamente. Mide y registra la masa de la bolsa y su contenido (masa 1). • En la bolsa grande: 1. Coloca en el fondo el bicarbonato de sodio. 2. Mide y registra la masa de esta bolsa con su contenido y anota el dato (masa 2).
* No olvides usar siempre la bata en el laboratorio.
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• Para las dos bolsas: 1. Cuida que no se abra la bolsa chica, que contiene el jugo de limón. Colócala dentro de la bolsa grande, con el cierre hermético tocando el bicarbonato que está en el fondo de la bolsa g rande. 2. Mide y registra la masa de las bolsas una dentro de la otra y su contenido (masa 3). 3. Cierra herméticamente la bolsa grande. 4. Para poner en contacto las dos sustancias, abre el cierre de la bolsa chica a través de las paredes de la bolsa grande. Es fundamental que en toda esta etapa la bolsa grande permanezca cerrada herméticamente y no tenga fugas. Si hubiera alguna, repite todo el proceso. 5. Registra con detalle lo que observaste en el paso anterior. 6. Mide en la balanza la masa de las bolsas con todo su contenido y regístrala en tu cuaderno (masa 4). 7. Anota tus conclusiones individuales. Análisis de resultados a) ¿La suma de las masas 1 y 2 es igual que la masa 3? Explica tu respuesta.
b) ¿Se efectuó alguna reacción química entre el jugo de limón y el bicarbonato? Explica tu respuesta.
c) De acuerdo con la ley de conservación de la masa, ¿cómo deberían ser las masas 3 y 4? Explica tu respuesta. d) Compara tus resultados con los de los compañeros del grupo y escribe las conclusiones que obtengan. e) Elabora un reporte del trabajo experimental en tu cuaderno. f) Utiliza la siguiente rúbrica para evaluarte.
Rubro
Nivel de desempeño Muy bien
Bien
Regular
De�ciente
Registro de observaciones
Incluyó todas las observaciones y las registro de manera ordenada.
Incluyó todas las observaciones pero no las registro de forma ordenada.
Registró solo algunas observaciones pero en forma desordenada.
No registró observaciones.
Análisis de datos
Interpretó los datos obtenidos consultando distintas fuentes de información.
Identi�có información relevante de un conjunto de datos.
Describó nada más los datos con escasa interpretación.
Tiene di�cultad para interpretar los datos.
Conclusiones
La conclusión considera su�ciente el análisis de los datos.
La conclusión tiene relación solo con algunos de los datos.
La conclusión no tiene relación con los datos.
No obtiene ninguna conclusión. 13
Oxígeno
La ley de las proporciones de�nidas El químico francés Joseph Louis Proust (1754-1826) realizó varios experimentos que le permitieron encontrar una relación entre las masas de los elementos que forman un compuesto. Por ejemplo, analicemos lo que ocurre con el agua. Si se combinan 4 g de hidrógeno con 32 g de oxígeno se obtienen 36 g de agua. Para calcular la cantidad de gramos de oxígeno que se combinan con 1 g de hidrógeno, dividimos 32 entre 4:
Hidrógeno
Los elementos químicos se combinan en cantidades de�nidas para formar compuestos, como el agua, cuya relación de masa oxígeno-hidrógeno es 8:1.
32 = 8 4 Esto signi�ca que por cada gramo de hidrógeno se necesitan 8 g de oxígeno. Observa los datos de la tabla siguiente: Masa de hidrógeno
Masa de oxígeno
4
32
8
64
60
480
Masa oxígeno/ Masa de hidrógeno 32 = 8 4 64 = 8 8 480 = 8 60
En todos los casos la proporción de la masa de oxígeno respecto a la masa de hidrógeno en el agua es de 8 a 1 y esta pro porción de las masas de los elementos en el agua siempre es la misma sin importar su origen. Tras realizar varios experimentos con diferentes compuestos, Proust publicó un ensayo en el cual propuso que “los elementos de un mismo compuesto están presentes en una proporción �ja en masa independientemente de cómo se prepare el compuesto”. Esto se conoce como la ley de las proporciones de�nidas. Durante su estancia en Madrid, Proust descubrió el azúcar de la uva que hoy conocemos como glucosa.
Ley de las proporciones múltiples John Dalton (1766-1844) encontró que algunos elementos pueden combinarse en distintas proporciones de masa para formar compuestos diferentes. Veamos como ejemplo dos compuestos formados por los mismos elementos: el agua y el agua oxigenada o peróxido de hidrógeno. Por ejemplo, 5 g de hidrógeno se combinan con 40 g de oxígeno para formar 45 g de agua; pero también 5 g de hidrógeno se combinan con 80 g de oxígeno para formar 85 g de agua oxigenada. Esto signi�ca que 5 g de hidrógeno pueden combinarse con diferentes masas de oxígeno y se obtienen compuestos distintos. Para calcular la proporción de la masa de oxígeno que se combina con 1 g de hidrógeno en cada compuesto, procedemos como en el caso de la ley de las proporciones de�nidas: Masa de hidrógeno
1 14
Masa de oxígeno
Masa oxígeno/ Masa de hidrógeno
En el agua: 5g
40
40/5 = 8
En el agua oxigenada: 5 g
80
80/8 = 16
Entonces en el agua por cada gramo de hidrógeno se necesitan 8 g oxígeno mientras que en el agua oxigenada, por cada gramo hidrógeno se necesitan 16 g de oxígeno. Para determinar la relación entre las masas de oxígeno que se combinan con 1 gramo de hidrógeno, dividimos 16/8 = 2 Lo anterior signi�ca que por cada gramo de hidrógeno, el agua oxigenada contiene el doble de oxígeno que el agua. La proporción de las masas de oxígeno en estos compuestos es 2 a 1 (2:1). Después de analizar casos como el anterior, Dalton encontró que las cantidades de un mismo elemento que se combinan con una cantidad �ja de otro para formar varios compuestos, están en una relación de números enteros sencillos como 1 a 1, 2 a 1, 1 a 2, 1 a 3, etcétera. Esto se conoce como la ley de las proporciones múltiples. Como el hidrógeno era el elemento que participaba en menor cantidad de masa durante las trasformaciones de los materiales, consideró que sus átomos debían ser los más pequeños. Decidió tomarlo como referencia y le asignó al átomo de hidrógeno una masa de 1.
John Dalton (1776-1844) físico y químico británico. Postuló que la materia se compone de partículas indivisibles llamadas átomos, con base en experimentos realizados con gases.
De esta forma, al comparar las masas de otros elementos con la masa 1 del hidrógeno, pudo determinar las masas relativas de varios elementos. Por ejemplo, para Dalton la masa del nitrógeno era 5 veces más que la del hidrógeno. Como el gramo es una unidad muy grande para expresar la masa de los átomos que muy pequeña, en el siglo XIX se inventó una nueva unidad, la uma que signi�ca unidad de masa atómica.
Actividad Junto con dos compañeros, haz lo que se te solicita. 1. 6 g de carbono (C) se combinan con 8 g de oxígeno (O) para formar 14 g de monóxido de carbono (CO) pero cuando 6 g de carbono (C) se combinan con 16 g de oxígeno, se forman 22 g de dióxido de carbono (CO 2). a) ¿Cuántos gramos de oxígeno se combinan con 1 g de carbono en el monóxido de carbono (CO)? b) ¿Cuántos gramos de oxígeno se combinan con 1 g de carbono en el dióxido de carbono? c) ¿Cuál es la relación de las masas de oxígeno cuando se combinan con una cantidad �ja de carbono para formar el monóxido de carbono y el dióxido de carbono?
Dalton diseñó símbolos para representar y diferenciar a los átomos de cada elemento. Los valores de pesos atómicos (masas atómicas) que propuso para varios elementos son diferentes a los actuales.
2. Comparen sus respuestas con las de su grupo y re�exionen sobre lo siguiente: • El agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Sin embargo la proporción en masa (expresada en porcentaje) del hidrógeno es 11% y la del oxígeno es 89%. ¿Cómo explican que la proporción en masa del hidrógeno sea menor que la del oxígeno en este compuesto? 15
Ley de las proporciones equivalentes Esta ley fue enunciada en 1792 por el químico alemán Jeremías Benjamín Richter (1763-1807) y completada algunos años más tarde por Karl Friedrich Wenzel (1740-793). Propuso en 1792 esta ley al investigar fenómenos de neutralización de ácidos con bases. Publicó un trabajo sobre el “Arte al medir elementos químicos” o “Stöchiometrie”, en el que presenta sus investigaciones sobre la proporcionalidad entre las masas de las bases y los ácidos, para explicar la relación constante entre la cantidad de ácido y la cantidad de oxígeno con la masa de las bases necesaria para obtener una reacción completa. La ley de las proporciones equivalentes establece que cuando masas diferentes de dos elementos distintos se combinan con la misma masa de un tercero, los primeros pueden combinarse entre sí con la misma proporción en masa en la que se combinan con el tercer elemento, o bien, en proporciones de múltiplos o submúltiplos de dichas masas. Por ejemplo, supongamos que 50 g de la sustancia A se combinan con 100 g de la sustancia C . Por otro lado, 200 g de la sustancia B se combinan también con 100 g de la sustancia C . De acuerdo con la ley de las proporciones equivalentes, 50 g de la sustancia A deben combinarse con 200 g de la sustancia B, o bien lo hacen en proporciones de múltiplos o submúltiplos de dichas masas. Analicemos el siguiente caso: La ecuación de la reacción entre hidrógeno y oxígeno para formar agua es: 2H2 + O2 → 2H2O En esta reacción 2 g de hidrógeno se combinan con 16 g de oxígeno para formar 18 g de agua. Por otro lado, 6 g de carbono se combinan con 16 g de oxígeno para formar 22 g de dióxido de carbono, lo cual se expresa en la ecuación siguiente: C + O2 → CO2 Como 16 g de oxígeno se pueden combinar con 2 g de hidrógeno y con 6 g de carbono, de acuerdo con la ley de las proporciones equivalentes 2 g de hidrógeno deben combinarse con 6 g de carbono o bien, en múltiplos o submúltiplos de dichas masas. La reacción entre el carbono y el hidrógeno se representa como: 2H2 + C → CH4 En esta reacción 4 g de hidrógeno reaccionan con 12 g de carbono para formar 16 g del compuesto metano. ¿Signi�ca esto que no se cumple la ley de las proporciones equivalentes? Podemos observar que si multiplicamos 2 g de hidrógeno por 2 obtenemos 4 g de hidrógeno. De igual forma al multiplicar 6 g de carbono por 2, obtenemos 12 g de carbono. En este caso, la proporción de las masas en que se combinan entre sí el hidrógeno y el carbono, es el doble que cuando se combinan cada uno de ellos con 16 g de oxígeno. Esto va de acuerdo con lo que establece la ley de las proporciones equivalentes. 16
L s contenidos de Química II, tercera edición , corresponden al nuevo programa de estudios Los 2011 de la DGB y, por tanto, están estructurados con el enfoque por competencias propuesto en la Reforma Integral de la Educación Media Superior (RIEMS). En continuidad con el primer libro, propician el desarrollo de habilidades metodológicas, de pensamiento y de comunicación, así como la re�exión sobre la importancia de las acciones y actitudes de los estudiantes, al mismo tiempo que dirigen su aprendizaje, conforman su cultura cientí�ca y fomentan su capacidad para evaluarse. Con base en esta nueva visión del aprendizaje de las ciencias, se trabajan secuencias didácticas que privilegian la comprensión encima de la memorización, demostrando que la química es una ciencia cotidiana y promoviendo la adopción del desarrollo sostenible como respuesta a algunas problemáticas ambientales, económicas y sociales. Lo anterior se logra mediante un vocabulario sencillo y apropiado, pero no carente de rigor cientí�co, la representación humana de la ciencia y la construcción del conocimiento con actividades de diversos tipos, experiencias de laboratorio y algunas aplicaciones adecuadas al nivel educativo y a los propósitos del curso. El libro es, además, una invitación para que los estudiantes adopten una actitud responsable y crítica hacia el conocimiento cientí�co y su aplicación en la realidad.
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