FISICOQUÍMICA II MATERIA, ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. FUERZAS Y CAMPOS
Bernardo Houssay (1887-1971) Premio Nobel de medicina 1947
FISICOQUÍMICA II MATERIA, ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. FUERZAS Y CAMPOS
Bernardo Houssay (1887-1971) Premio Nobel de medicina 1947
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FISICOQUÍMICA II MATERIA, ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. FUERZAS Y CAMPOS 2° año Secundaria
María Graciela Espósito Armando Eugenio Zandanel
FISICOQUÍMICA II MATERIA, ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. FUERZAS Y CAMPOS María Graciela Espósito - Armando Eugenio Zandanel
1º edición, febrero de 2014 © 2014 Editorial Maipue Zufriategui 1153 (1714) Ituzaingó, provincia de Buenos Aires Tel./Fax 54-011-4458-0259 Contacto:
[email protected] /
[email protected] www.maipue.com.ar ISBN:
978-987-3615-02-3
Arte de tapa: Graciela Mosches Ilustraciones interiores: Mariana Gabor Diseño de tapa: Disegnobrass Diagramación: Paihuen Corrección: Alejandra Bono Cánepa
Espósito, María Graciela Fisicoquímica II : materia, electricidad y magnetismo, fuerzas y campos / María Graciela Espósito y Armando Eugenio Zandanel ; ilustrado por Mariana Gabor. - 1a ed. - Ituzaingó : Maipue, 2014. 192 p. : il. ; 27x19 cm. ISBN 978-987-3615-02-3 1. Físicoquimica. 2. Enseñanza Secundaria. I. Zandanel, Armando Eugenio II. Gabor, Mariana, ilus. III. Título CDD 530.712
Fecha de catalogación: 04/02/2014
Queda hecho el depósito que establece la Ley 11.723. Libro de edición argentina. No se permite la reproducción parcial o total, el almacenamiento, el alquiler, la transmisión o la transformación de este libro, en cualquier forma o por otro cualquier medio, sea electrónico o mecánico, mediante fotocopias, digitalización u otros métodos, sin e l consentimiento previo y escrito del editor. Su infracción está penada por las leyes 11.723 y 25.446.
Agradecimientos M. Graciela Espósito A mi hija Nati, por sus sugerencias y participación en la construcción de los gráficos; a mi esposo Carlos y mi hija Coni por el apoyo y la colaboración. También a Liliana Mosso por alentarme en este proyecto.
Armando Eugenio Zandanel A Patricia, Azul y Lautaro, cuyas presencias y respaldo me han permitido hacer, y a quienes adeudo buena parte del tiempo que dediqué a investigar, experimentar y escribir en la búsqueda de ofrecer mejores oportunidades para aprender. A la memoria de mis padres, cuyo ejemplo de vida guía mis pasos. A los niños y jóvenes inquietos, curiosos, ávidos de hacer y conocer, dueños de cualquier logro que haya podido tener en la educación formal y no formal.
ÍNDICE Introducción: ¿Qué es la ciencia?
..........................................................................................................11
La ciencia: un proceso ................................................................................................................................................. 13 Las ciencias naturales La física y la química ¿Qué es investigar? ....................................................................................................................................................... 14 .......................................................................................................................... 15 ................................................................................................................................................................... 18 Los modelos ................................................................................................................................................................. 20
Capítulo 1: Materia
..........................................................................................................................................21
Materia y energía .......................................................................................................................................................... 21 Propiedades de la materia .......................................................................................................................................... 23 Los sistemas materiales .................................................................................................................................. 25 ......................................................................................................... 25 La materia y sus estados Los sólidos ........................................................................................................................................................ 28 Los líquidos Los gases ........................................................................................................................................................... 30 ¿Existen otros estados? ................................................................................................................................................ 31 Los cambios de estado ................................................................................................................................................ 33 El estado gaseoso ......................................................................................................................................................... 35 Variables de estado ...................................................................................................................................................... 36 Leyes de los gases Ley de Boyle .................................................................................................................................................... 37 Ley de Charles o primera Ley de Gay Lussac ................................................................................................... 39 Segunda Ley de Gay Lussac ............................................................................................................................. 40 Ecuación general de estado de los gases ideales Ecuación de estado del gas ideal ................................................................................................................... 42
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Capítulo 2: Mezclas y soluciones
............................................................................................................51
El agua y las soluciones ............................................................................................................................................... 53 ¿Cómo están formadas las soluciones? ........................................................................................................... 53 ¿Todas las sustancias pueden disolverse? .................................................................................................................. 54 Concentración de las soluciones ..................................................................................................................... 55 Porcentaje masa en masa (% m/m) ............................................................................................................................ 56 Porcentaje masa en volumen (% m/V) ........................................................................................................................ 58 ¿Cómo medir correctamente un volumen? Relación entre % m/m y % m/V ................................................................................................................................... 60 Porcentaje volumen en volumen (% V/V) .................................................................................................................... 62 Otras unidades de concentración ............................................................................................................................... 63 Tipos de soluciones según la concentración Solubilidad ................................................................................................................................................................... 65 Curvas de solubilidad .................................................................................................................................................. 66 Separación de los componentes de una solución ...................................................................................................... 68
Capítulo 3: Cambios físicos y cambios químicos .........................................................................77 ¿Cómo ocurre una reacción? ....................................................................................................................................... 79 Las ecuaciones químicas Los símbolos en las reacciones químicas ....................................................................................................... 81 La masa en las reacciones químicas ............................................................................................................... 82 El balanceo químico ..................................................................................................................................................... 83 La energía en las reacciones químicas ........................................................................................................................ 85 .................................................................................................................... 86 Las reacciones químicas en nuestra vida cotidiana Combustión ...................................................................................................................................................... 87 La combustión y los incendios .................................................................................................................................... 88 Reacciones de óxido-reducción o reacciones redox .................................................................................................. 89 La corrosión y la metalurgia del hierro ....................................................................................................................... 90 Las reacciones de combinación y la lluvia ácida ........................................................................................................ 91 Reacciones de descomposición: la digestión de los alimentos ................................................................................. 92
Capítulo 4: El carácter eléctrico de la materia Un modelo para el átomo ............................................................................................................................................ 99 El número atómico y el número másico ................................................................................................................... 102 Los elementos químicos y la tabla periódica ........................................................................................................... 104
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La tabla periódica actual Los nombres de los elementos ..................................................................................................................... 105 Los elementos en nuestra vida cotidiana ................................................................................................................. 107 ¿Para qué se usa la tabla periódica de los elementos? ..................................................................................................... 108 Átomos, moléculas, iones y electrones ..................................................................................................................... 111
Capítulo 5: Los materiales frente a la electricidad ..................................................................113 ¿Cuándo un cuerpo está cargado eléctricamente? Cantidad de electricidad ........................................................................................................................................... 115 ¿Cómo logramos que a un cuerpo le “sobren” o le “falten” electrones? Por fricción .................................................................................................................................................... 116 Por contacto.................................................................................................................................................... 117 ...................................................................................................................... 118 Noción de campo eléctrico ........................................................................................................................................ 121 Conductores y aisladores Aislantes o dieléctricos
Conductores Semiconductores ........................................................................................................................................... 122 ¿Cuando un cuerpo se carga, cómo se distribuyen en él las cargas? Superconductores .......................................................................................................................................... 123
El pararrayos ............................................................................................................................................................... 124 Efectos causados por la electricidad estática .......................................................................................................... 125
Capítulo 6: El planeta eléctrico: el flujo de electrones que mueve el mundo .......127 De las ranas a la pila .................................................................................................................................................. 130 De qué depende la intensidad de la corriente .......................................................................................................... 133 El ritmo con el que la electricidad se transforma en otra forma de energía ............................................... 134 Ideas básicas sobre resistencia eléctrica ...................................................................................................... 136 No hay corriente eléctrica sin un circuito eléctrico .................................................................................................. 137 Algunas de las formas de conexión entre las partes de un circuito ............................................................. 139 Para recordar ............................................................................................................................................................... 140 Y la electricidad se transformó en calor .................................................................................................................... 145 ¿Cómo calcular el consumo del hogar? .................................................................................................................... 147 Uso racional de la energía: URE ................................................................................................................................. 148 A tener muy en cuenta: el peligro de las descargas eléctricas ................................................................................ 149 Consejo útil ..................................................................................................................................................... 150
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Capítulo 7: Magnetismo y materia
......................................................................................................153
¿Qué es un imán? ....................................................................................................................................................... 155 Conociendo las propiedades de un imán ...................................................................................................... 157 Líneas de campo magnético ...................................................................................................................................... 160 Encuentro entre el arte y la ciencia ........................................................................................................................... 160
Capítulo 8: Magnetismo y aplicaciones La brújula: la atracción de lo desconocido ............................................................................................................... 161 Partes de la brújula Consejos básicos para su uso ......................................................................................................................... 162 Por qué se orientan las brújulas ................................................................................................................................ 164 Uso cotidiano (y no tanto) de campos magnéticos ...................................................................................... 165 Trenes sin ruedas ........................................................................................................................................... 166 La resonancia magnética nuclear, RMN El gran colisionador de hadrones .................................................................................................................. 167 Corriente eléctrica y campo magnético .................................................................................................................... 169 De solenoides y electroimanes .................................................................................................................................. 170 Inducción electromagnética ...................................................................................................................................... 173 El transformador ........................................................................................................................................................ 175 Algo sobre motores .................................................................................................................................................... 177
Capítulo 9: Fuerzas y campos
.................................................................................................................179
Elementos característicos de una fuerza .................................................................................................................. 180 Algunas cosas más que deben saber acerca de las fuerzas. . . ................................................................................ 183 Invención y uso del concepto de campo ................................................................................................................... 185 A modo de síntesis: .................................................................................................................................................... 189
Bibliografía Bibliografía capítulos de Química Bibliografía capítulos de Física .................................................................................................................................. 191
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INTRODUCCIÓN ¿Qué es la ciencia?
Desde que el hombre apareció sobre la Tierra enfrentó dificultades y tuvo que resolver problemas: las enfermedades, los fenómenos naturales, la necesidad de conseguir alimentos, de fabricar herramientas y objetos, las hostilidades del clima. Su curiosidad lo hizo preguntarse el porqué y el cómo de las cosas que ocurrían a su alrededor. En una primera etapa, atribuyó a la magia todo aquello que parecía no tener una explicación, pero a medida que fue observando y acumulando experiencias, empezó a ensayar respuestas a sus interrogantes. El hombre estaba construyendo el conocimiento científico. Dos grandes temas desvelaron al ser humano desde el comienzo de la civilización: conseguir el elixir de la vida eterna (una mágica poción que permitiera prolongar la vida) y transformar los metales poco valiosos en oro: la transmutación. Muchos siglos han pasado, pero las preocupaciones del hombre no han cambiado demasiado: centenares de científicos en laboratorios y hospitales ensayan desde cremas y medicamentos, hasta cirugías y tratamientos para conservar la juventud y prolongar la vida. También sigue preocupando al hombre actual la forma de obtener ganancias y bienestar con el menor esfuerzo posible. Lo que ha cambiado, sin duda, es la eficiencia con que hoy se pueden resolver los mismos problemas.
El hombre descubrió el fuego en la edad de piedra; éste fue tal vez el más importante de todos los descubrimientos. Gracias al fuego el hombre obtuvo luz y calor, pudo mejorar su alimentación y utilizar los metales para cubrir algunas de sus necesidades
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¿Qué es la ciencia?
Fueron los griegos, que vivieron cinco siglos a. C., los primeros en tratar de dar explicaciones racionales y no mágicas a los fenómenos que observaban. Ellos comenzaron a preguntarse sobre la constitución de la materia, que hasta entonces se consideraba continua (indivisible). Así surgieron las primeras ideas sobre los átomos y la discontinuidad de la materia.
Los alquimistas inventaron el alambique, que fue un precursor del actual equipo de destilación. Con este aparato fabricaron perfumes, bebidas alcohólicas y medicinas
Con los conocimientos y los descubrimientos que iban acumulándose, en la Edad Media aparecieron los alquimistas, que eran unos personajes considerados en algunos casos farsantes, pero que no dejaron de tener su lugar en el mundo de la ciencia. Ellos, con sus trabajos en primitivos laboratorios, contribuyeron al desarrollo del método experimental, inventaron técnicas y fabricaron herramientas, que fueron la base de muchos aparatos y equipos actuales. Los alquimistas recorrían los reinos prometiendo a los monarcas, a cambio de dinero, hallar la piedra filosofal. Con ella, en una mezcla de química, filosofía, metalurgia y magia, aseguraban poder convertir el plomo y otros metales en oro, y transmitir la vida eterna. Hasta fines de la edad media, estuvo en su apogeo la doctrina de los cuatro elementos, que planteaba que había cuatro elementos fundamentales: aire, fuego, tierra y agua, que eran los que constituían a todos los demás. Hoy tal vez nos parece curioso y hasta ridículo que todos aceptaran esta teoría, pero en aquella época, con limitados conocimientos sobre la ciencia, no era descabellado pensar que todos los gases provenían del aire, los sólidos de la tierra y los líquidos del agua. ¿Y el fuego? El fuego siempre maravilló al hombre. Fue en el momento en que logró encenderlo y conservarlo cuando “se convirtió en químico”, ya que entonces pudo transformar la materia: cocinó los alimentos, fundió y mezcló los metales.
Nicolás Copérnico (1476-1543)
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En el siglo XVI, la astronomía interesó a muchos científicos de la Edad Moderna. Por entonces, Nicolás Copérnico tuvo el coraje de pensar y proponer un “nuevo modelo del mundo”. Hasta ese momento se creía que la Tierra era el centro del universo (teoría geocéntrica). Copérnico sostenía que la Tierra giraba alrededor del sol (teoría heliocéntrica). Años más tarde, Galileo Galilei apoyó y amplió las ideas de Copérnico, y las fundamentó con observaciones telescópicas y cálculos matemáticos. Sin saberlo, Galileo estaba utilizando el método científico.
INTRODUCCIÓN
Por supuesto, defender sus ideas no les fue nada fácil; fueron cuestionados y criticados, y sus teorías no se aceptaron hasta muchísimos años después. Era por entonces la época del renacimiento , y así como ocurría con las artes, las ciencias avanzaban y se modificaban. Comenzaba una revolución científica sin precedentes, que proponía una nueva relación del hombre con la naturaleza. Muchos investigadores siguieron trabajando y acumulando conocimientos, experiencias y observaciones. Era muy difícil la comunicación entre ellos, lo que hacía que muchas veces varios grupos de científicos trabajaran en el mismo tema sin saberlo y sin suponer que en muchos casos sus teorías coincidían. El camino comenzado por Galileo Galilei fue seguido años más tarde por Isaac Newton (1642-1727). Newton estudió los movimientos y los relacionó con fórmulas matemáticas, constituyendo los principios de la física clásica, que aún hoy están vigentes.
Galileo Galilei (1564-1642)
Pero a esta altura resultaba evidente que la naturaleza no solamente se regía por las leyes de la física y la astronomía, había que investigar en otros terrenos. Así lo creyó Antoine Lavoisier a fines del siglo XVIII, cuando en su laboratorio casero formuló leyes experimentales que transformaron la alquimia en química. Lavoisier fue el primero en decir que el aire no era un elemento, sino una mezcla de elementos entre los cuales estaba el oxígeno, gas que él mismo descubrió y relacionó con la combustión. Muchísimas fueron sus contribuciones al desarrollo de la química como ciencia, y bien ganado tiene el título de “padre de la química moderna”. Durante los siglos XIX y XX se construyeron una sucesión de modelos para representar los átomos; cada uno de ellos surgía cuando el anterior no era capaz de explicar las nuevas hipótesis, pero, sin duda, la experiencia previa era la base sobre la cual trabajaban los investigadores.
LA CIENCIA: UN PROCESO Como pudieron ver en este breve recorrido por la historia, la ciencia es el resultado del proceso de construcción del conocimiento a lo largo del tiempo. Los conocimientos y los saberes de los fenómenos del universo fueron organizados por los científicos en una rama de las ciencias que llamaron ciencias naturales. Podría definirse a las ciencias naturales como un conjunto de conocimientos que intenta explicar los fenómenos de la naturaleza. Los fenómenos no fueron explicados de la misma manera a lo largo del tiempo, ya que una de las características de la ciencia es la de ser provisoria, esto quiere decir que las ideas pueden modificarse, perfeccionarse y hasta descartarse por otras nuevas.
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¿Qué es la ciencia?
Otras características propias de la ciencia son: la de ser perfectible, es decir, capaz de ser perfeccionada, y la de ser fiable o confiable, por tener bases sólidas fundamentadas en la experimentación y la comprobación de las hipótesis. ¡Tanto trabajo de tantos científicos durante tanto tiempo!... Seguramente podríamos preguntarnos: ¿Para qué? Los objetivos de la actividad científica se podrían resumir de la siguiente manera: Buscar el conocimiento como un fin en sí mismo. Comprender los fenómenos para predecirlos y controlarlos. Mejorar la calidad de vida del hombre.
LAS CIENCIAS NATURA LES Las ciencias naturales se incluyen dentro de las ciencias fácticas, que son las que investigan los hechos de la realidad y se basan en experiencias sensoriales. A este grupo de ciencias pertenecen también las ciencias sociales en todas sus ramas, además de la física, la química, la biología y muchas otras. Existen también las ciencias formales, que trabajan con conceptos que no derivan de la experiencia sensorial, como la lógica y la matemática. Las ciencias naturales estudian los fenómenos naturales a través de la experimentación; por eso se consideran también ciencias experimentales.
LA FÍSICA Y LA QUÍM ICA La física es una disciplina que estudia el comportamiento de la energía y la materia, así como cualquier cambio que no modifique su estructura íntima, es decir, no se encarga de su composición,
sino de sus movimientos, sus fuerzas, su energía, etcétera. La química se ocupa de estudiar la composición de las sustancias, sus propiedades, sus transfor-
maciones y sus combinaciones, y los cambios de energía que las acompañan. Tanto la física como la química buscan comprender los fenómenos con el objetivo de gobernarlos, modificarlos y utilizarlos en beneficio del hombre. A medida que avanzó el conocimiento, tanto una como otra fueron especializándose y dividiéndose en distintas ramas: así surgieron la bioquímica, la física nuclear, la química analítica, la geofísica, la biología molecular, la termodinámica, la nanotecnología y muchas otras. Seguramente aparecerán nuevas especialidades en los próximos años.
¿QUÉ ES INV ESTIGAR? Investigar no es algo misterioso, seguramente ustedes muchas veces investigaron y siguen haciéndolo cuando tratan de averiguar y buscar información sobre algo que les ha llamado la atención. Investigar significa preguntar, buscar, indagar, informarse, inspeccionar, explorar. Pueden investigar, por ejemplo, cómo es por dentro un teléfono celular, cómo se filmaron los efectos especiales de una película, o algún contenido para una tarea escolar.
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INTRODUCCIÓN
LOS CIENTÍ FICOS Y EL MÉTODO CIEN TÍFICO Los científicos son las personas que investigan, se hacen preguntas y buscan las respuestas, estudian, consultan trabajos anteriores, se vinculan con otros científicos, observan, relacionan y trabajan con insaciable curiosidad y perseverancia. Un científico no trabaja necesariamente en un laboratorio, ya que un arqueólogo, un médico, un sociólogo, un geólogo, un biólogo y también, por supuesto, un físico o un químico pueden desarrollar sus tareas en otros ámbitos. Existen distintas estrategias para investigar o resolver problemas; en cada caso depende del tipo y de las características de aquello que se investiga. No es lo mismo investigar la cura de una enfermedad que la trayectoria de un planeta o el funcionamiento de un aparato electrónico. En general, los científicos tienen una metodología para organizar su trabajo y poder llegar a formular conclusiones: es el método científico. Como todo procedimiento, el método científico tiene etapas o pasos. El proceso comienza habitualmente con la observación atenta y cuidadosa de los hechos o de los fenómenos que van a investigarse. De esta forma, el investigador genera preguntas que lo llevan a plantearse el problema, que es el objetivo de la investigación. Una vez definido el problema a investigar, hay que recopilar toda la información disponible sobre el tema: experiencias anteriores, trabajos e informes, artículos y publicaciones. Con la lectura de toda la información, sus observaciones y preguntas, el investigador está en condiciones de plantear su hipótesis, que es lo que supone que será la respuesta al problema. Como la hipótesis es una suposición, para confirmar su veracidad o falsedad habrá que comprobarla por medio de la experimentación. La hipótesis tiene un valor predictivo, es decir, se supone que si
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¿Qué es la ciencia?
sucede lo planteado, entonces se obtendrá un determinado resultado o respuesta. Los experimentos realizados arrojan resultados e información que deben ser procesados e interpretados para elaborar con ellos una conclusión. Si la conclusión a la que se llega no concuerda con la hipótesis, habrá que formular una nueva hipótesis y volver a comprobarla. Si los resultados confirman la hipótesis y ésta se puede aplicar a casos semejantes, se podrá generalizar y luego arribar a la formulación de leyes o principios, con los cuales más adelante se puede elaborar una teoría. Un conocimiento se puede generalizar cuando es posible aplicarlo a todos las leyes o principios, entonces, es posible formular una ley. Un conjunto de leyes relacionadas entre sí y ordenadas generan una teoría. Tanto las teorías como las leyes son predictivas, es decir, que además de explicar fenómenos observados permiten predecir el comportamiento de fenómenos hipotéticos o que puedan ocurrir en el futuro. Aunque se trabaje con seriedad y rigurosidad científica, las leyes y las teorías que hoy son aceptadas como válidas pueden ser modificadas y hasta descartadas si nuevos hechos o experiencias demuestran que no son aplicables a algún caso. Se puede resumir el método científico con el siguiente esquema:
Observación del fenómeno
Enunciado del problema
Elaboración de la hipótesis
Si la conclusión no se formula una nueva hipótesis
Experimentación (comprobación)
Datos
Conclusión
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INTRODUCCIÓN
Un ejemplo para aplicar el método científico: Observación
La lluvia ácida es una consecuencia de la contaminación ambiental, que produce serios daños a los seres vivos. Seguramente alguna vez habrán leído o escuchado que la lluvia ácida daña los vegetales, retrasa su crecimiento e impide la germinación de las semillas. Es posible que se pregunten: ¿Todos los ácidos afectan de igual manera a las plantas? ¿Tendrá importancia la concentración del ácido? ¿Hay plantas más resistentes que otras? ¿Todas las semillas se comportarán de la misma manera? Planteo del problema
En este caso el objetivo de la investigación será estudiar la influencia de la acidez del agua en la germinación de las semillas. Habrá que buscar información sobre el fenómeno en libros, en Internet, en revistas científicas y de divulgación. Hipótesis
Se podrían plantear varias hipótesis, pero para hacer más simple el trabajo será conveniente trabajar de a una por vez. Una hipótesis de trabajo podría ser: “Si un cultivo está expuesto a la lluvia ácida, las semillas de los vegetales no germinarán o lo harán tardíamente”. Experimentación
Se podrían tomar dos cajas iguales y prepararlas para hacer germinar semillas (por ejemplo, con arena o algodón húmedo). Una de las cajas será el control y la otra el experimento. En cada una de las cajas se sembrará la misma cantidad de semillas iguales. Se mantendrán en las mismas condiciones de luz y calor. La caja control se regará con cierta cantidad de agua todos los días. La caja experimento se regará con la misma frecuencia e idéntica cantidad, pero en este caso con una mezcla formada por partes iguales de agua y vinagre (ácido). Es importante mantener controladas todas las otras variables (luz, calor, cantidad de líquido, frecuencia de riego, etc.) para que los resultados observados dependan solamente del tipo de agua utilizada para el riego. Datos
Se continuará con la experiencia por un cierto tiempo, registrando periódicamente los datos y las observaciones (se puede hacer un registro fotográfico, anotaciones, etcétera). Los datos tomados a lo largo del tiempo que dure la experimentación deberán ser procesados y analizados.
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¿Qué es la ciencia?
Se podrá hacer una tabla comparativa o un gráfico (de barras, circular o de otro tipo) donde se comparará la cantidad de semillas que han germinado en cada una de las cajas. Conclusiones
Si se comprueba que en la caja regada con agua ácida no han crecido plantas (o han crecido muy pocas) y sí han germinado en la caja control, entonces se habrá comprobado la hipótesis. En este caso habría que repetir la experiencia varias veces y con otros tipos de semillas, para poder generalizar la conclusión y corroborar que no fue un hecho casual. En caso de que los resultados no confirmen la hipótesis, habrá que plantear una nueva hipótesis que deberá ser verificada.
Actividad El problema del odontólogo
Un odontólogo está preocupado porque ha observado que en el último año han aumentado las consultas por caries dentales en sus pacientes más pequeños. Piensen en posibles causas de este problema: ¿será la alimentación? ¿La falta de higiene? ¿El consumo de gaseosas? ¿O las golosinas? ¿Cuál será el problema que el odontólogo quiere investigar? ¿Qué hipótesis querrá probar? Diseñen los experimentos que permitirían comprobar la hipótesis elegida. ¿Qué datos se deberían registrar? ¿Qué sucederá si no puede comprobar su hipótesis?
LOS GRÁFICOS Los gráficos se usan para representar y poder analizar los datos tomados durante las experiencias. Permiten, en forma rápida, comprender la información y sacar conclusiones. Existen distintos tipos de gráficos: Gráfico en ejes cartesianos
Permiten establecer la relación entre dos variables, analizar y sacar conclusiones. Por ejemplo, si se estudia el crecimiento de una planta, se podrá graficar en un eje la altura que va adquiriendo, y en otro, el tiempo.
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INTRODUCCIÓN
45 40 ) m35 c ( a 30 t n a 25 l p a 20 l e d 15 a r 10 u t l A 5 0 -5
0
1
2 3 Tiempo (semanas)
4
5
La curva ascendente indica cómo va aumentando el tamaño a lo largo del tiempo
Gráfico de barras
Estos gráficos son muy útiles cuando se quieren comparar varios datos al mismo tiempo. 100 % 90 % 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
Proteínas
Lípidos
Minerales
Ácidos Nucleicos
Agua
Carbohidratos
humano: agua 68 por ciento, proteínas 19 por ciento, lípidos 8 por ciento, minerales 1 por ciento, ácidos nucleicos 2 por ciento y carbohidratos 2 por ciento
Gráfico circular (gráfico de torta)
Estos gráficos son útiles para mostrar las proporciones entre los datos obtenidos. 1% 21 % 78 %
Nitrógeno
Oxígeno
Gases inertes
21 por ciento oxígeno, 1 por ciento gases inertes y otros gases)
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¿Qué es la ciencia?
LOS MODELOS Son representaciones que se construyen para explicar o comprender un proceso o un objeto de estudio.
Actividad Busquen en diarios o revistas un cartesianos). Indiquen: ¿Qué conclusiones se pueden extraer? Busquen tres ejemplos de simuladores. Indiquen su utilidad y las ventajas de utilizarlos.
Los modelos pueden ser representaciones mentales, concretas o experimentales, que nos dan una idea de la realidad que no podemos observar en forma directa, muchas veces porque la escala que debiéramos mane jar está fuera de nuestro alcance. No podemos ver el sistema solar, pero gracias a los modelos (dibujos, maquetas, simuladores en video, etc.) podemos tener una idea bastante exacta de su composición, sus movimientos y la distribución de los astros. Ocurre lo mismo con la estructura del átomo; no tenemos la posibilidad de la observación directa debido a su pequeñísimo tamaño, pero los modelos atómicos nos permiten comprender y estudiar el comportamiento de sus partículas, sus tamaños y sus ubicaciones, sus interacciones, etcétera. Actualmente los científicos utilizan modelos electrónicos realizados con computadoras, que permiten estudiar el comportamiento de objetos, materiales o moléculas en imágenes y animaciones tridimensionales. Los simuladores son modelos experimentales que imitan los acontecimientos y los procesos, con la ventaja de poder trabajar en condiciones controladas, ensayar diferentes posibilidades y analizar sus consecuencias.
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CAPÍTULO
Materia
1
MATERIA Y ENERGÍA Nuestros sentidos nos permiten relacionarnos con el mundo que nos rodea; a través de ellos percibimos objetos, plantas, animales y personas, como así también cosas que no vemos, pero que tienen aromas u olores. Quizás alguna vez se preguntaron: ¿de qué están hechas las cosas? Esta misma pregunta se la han hecho los hombres desde las épocas más remotas, y la inquietud se convirtió con el tiempo en el motivo de las primeras investigaciones de los filósofos griegos, que luego fueron ampliándose y perfeccionándose a lo largo de los siglos con el aporte y el trabajo de muchísimos científicos. En principio, podemos decir que todo está formado por algo en común que llamamos materia. Materia es todo lo que nos rodea, ocupa un lugar en el espacio, tiene masa y es perceptible por nuestros sentidos.
Se puede describir e identificar un tipo de materia por sus propiedades, como por ejemplo por el color, la textura, la dureza o un olor particular. La masa también es una propiedad de la materia. La masa de un cuerpo es la cantidad de materia que lo forma . Un cuerpo es una porción de materia, es decir, un objeto material que tiene una forma determinada. Por ejemplo, son cuerpos una mesa, un libro o una manzana. La materia está formada por pequeñísimas partículas que no pueden verse, pero se agrupan de formas diferentes, dando a los cuerpos aspectos y propiedades características. A esas pequeñas partículas se las denomina moléculas, que son las unidades de materia que forman todos los cuerpos. Las moléculas están formadas a su vez por partículas aún más pequeñas, que se llaman átomos. Una molécula puede estar compuesta por un solo átomo, como en el caso del helio, cuyo símbolo químico es He, (es el gas con el que se inflan esos globos que si no se sostienen bien, se elevan y se escapan); otras moléculas están formadas por dos o tres átomos, como el oxígeno, cuya fórmula es O 2, formada por dos átomos de oxigeno unidos entre sí por enlaces o uniones químicas. En el caso de la molécula de agua, su fórmula molecular H 2O nos indica que está compuesta por tres átomos, dos de hidrógeno y uno de oxígeno.
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1
Materia
En la naturaleza existen moléculas mucho más complejas, como por ejemplo, la glucosa, (C 6H12O6), que es un azúcar simple; su molécula está compuesta por 24 átomos: seis de carbono, doce de hidrógeno y seis de oxígeno. Las moléculas de glucosa pueden, a su vez, unirse unas con otras formando largas cadenas de cientos de moléculas, constituyendo macromoléculas, que son las que forman sustancias como el almidón y la celulosa, componentes de los organismos vivos. El átomo es, entonces, la menor partícula que compone la materia, que podemos, en principio, considerar indivisible (más adelante, al estudiar la estructura atómica, revisaremos esta consideración según las teorías actuales). Pero aun los pequeñísimos e invisibles átomos están constituidos por partículas subatómicas, que son los protones (con carga eléctrica positiva) y los neutrones (sin carga), que se ubican en una región central llamada núcleo atómico, y los electrones (con carga negativa) que se encuentran en una región exterior formando una “nube” donde se mueven a gran velocidad, ubicados en distintos niveles, según la energía que posean. Pero no todo el universo está compuesto por materia; por ejemplo, si se preguntan: ¿qué es lo que permite que las personas caminen? ¿Qué es la luz de una linterna? ¿Qué es el sonido de un piano? La respuesta podría resumirse en una sola palabra: energía. Estos son ejemplos de cosas que no podemos gustar, tocar ni oler, pero podemos percibir a través de sus efectos y sus manifestaciones: son formas de energía. El físico Albert Einstein en el año 1905 estableció que la materia y la energía son interconvertibles, esto quiere decir que la materia se puede transformar en energía y viceversa. Alguna vez habrán visto su famosa ecuación: E = m . c2 Donde: E = energía Albert Einstein (1879-1955), físico alemán. En sus investigaciones sobre el espacio y el tiempo desarrolló la teoría de la relatividad, uno de los pilares de la física moderna
m = masa
c = velocidad de la luz
Esto significa que a velocidades altísimas, como la velocidad de la luz, parte de la materia que parecería desintegrarse, en realidad está transformándose en energía. El principio de Einstein se puede observar en las reacciones nucleares donde se libera energía a partir del movimiento, a velocidades extremadamente grandes de las partículas que forman los átomos de la materia.
materia o una forma de energía.
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CAPÍTULO
1
CLASIFICACIÓN DE LA MATERI A Hay distintos criterios para clasificar la materia, por ejemplo, se puede dividir en dos grandes grupos según su origen o procedencia: orgánica (materia viva) e inorgánica (materia no viva). La materia inorgánica no se mueve por sí misma, no crece ni se reproduce, como las rocas o el agua. En contraposición, ejemplos de materia orgánica son todos los seres que existen sobre la Tierra, como los animales, las plantas y los microbios. La materia inorgánica puede clasificarse a su vez en dos grupos: Natural: aquella que se utiliza tal cual se presenta en
la naturaleza, como la arena o el carbón. Artificial: la materia que el hombre modifica de acuer-
do a sus necesidades, o elabora a partir de materiales naturales, como por ejemplo, el vidrio o el plástico. La materia orgánica puede clasificarse en dos grupos: de origen animal, como la lana, el cuero o la leche, y de origen vegetal, como el azúcar o el algodón.
De origen animal Orgánica De origen vegetal MATERIA
Natural Inorgánica
PROPIEDADES DE LA MATER IA Cuando los científicos hablan de las características de un material se refieren a sus propiedades. Los materiales tienen propiedades que los hacen aptos para determinados usos. En ciencias naturales se denomina material a cada clase de materia. Hay propiedades comunes a todas las clases de materia: Impenetrabilidad: el lugar que ocupa una materia no puede ser ocupado por otra, por ejemplo,
para llenar una botella con agua debe salir el aire que la estaba ocupando.
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Materia
Peso: es la fuerza con la que la Tierra atrae un cuerpo.
El peso depende de la masa, es decir, de la cantidad de materia que posea el cuerpo y del campo gravitatorio o fuerza de gravedad. Por esta razón, una persona que tiene una masa de 60 kg, que en la Tierra pesa 60 kgf, en la luna pesaría sólo 10 kgf, (a pesar de que su masa seguiría siendo 60 kg). Esto se debe a que en la luna el campo gravitatorio es menor, entonces, el cuerpo sería atraído con menor fuerza dando la sensación de ser más “liviano”. Nota: kgf (kilogramo fuerza) es una unidad de peso, y kg es una unidad de masa. Inercia: es la tendencia de un cuerpo a permanecer en
el estado de reposo o de movimiento en que se encuentra. Esto pueden percibirlo cuando, por ejemplo, viajan en un automóvil que frena repentinamente y se sienten impulsados hacia adelante, ya que el cuerpo tiende a continuar moviéndose en ese sentido.
Actividades 1 Dadas las siguientes propiedades de la materia, indicar cuáles de ellas son propiedades intensivas y cuáles extensivas:
Propiedades intensivas o específicas: Son aquellas
c) conductividad eléctrica
características propias del material que no dependen de la cantidad de materia, es decir, tienen el mismo valor en una cantidad grande o pequeña de materia, por ejemplo, los caracteres organolépticos (gusto, olor, color, textura), la composición química (elementos químicos que la forman), las constantes físicas (punto de fusión, densidad) etcétera.
d) brillo
Propiedades extensivas: Son aquellas propiedades
e) blancura
que dependen de la cantidad de materia, es decir, tienen distinto valor si se toma una porción pequeña o grande de materia. Son propiedades extensivas la masa, el volumen, el ancho, la longitud, etcétera.
a) masa b) dureza
f) punto de ebullición g) peso h) suavidad 2 Para los siguientes materiales: lana - vidrio - plástico - madera
b) Indicar los usos que conozcan para cada uno. c) Caracterizarlos mediante tres pro
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Existen otras propiedades que caracterizan e identifican las distintas clases de materia:
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Los sistemas materiales Si desearan estudiar las características y las propiedades de un material, por ejemplo, del agua, el oro o la sangre, deberían tomar una muestra para analizarla en detalle; esa muestra, que es el objeto de estudio, se llama sistema material.
Clasificación de los sistemas materiales 1) Según la interacción con el medio que los rodea: Sistemas abiertos
Son los que intercambian materia y energía (calor) con el medio que los rodea. Por ejemplo, una botella de alcohol abierta, que intercambia con el ambiente materia, ya que el vapor escapa por la boca y el calor a través de las paredes de la botella. Sistemas cerrados
Son los que no intercambian materia, pero sí energía con el entorno. Un ejemplo sería la misma botella del sistema anterior cerrada con un tapón. En este caso no hay intercambio de materia con el exterior. Sistemas aislados
Son sistemas que no intercambian ni materia ni energía con el exterior. Éste podría ser el ejemplo de un termo que tiene una cubierta aislante para evitar el intercambio de energía, en forma de calor, con el exterior. vapor
a
b
c
aislante calor
calor
a) Sistema abierto b) Sistema cerrado c) Sistema aislado
2) Según las propiedades de la materia: Los científicos clasifican los sistemas según las “partes” que puedan distinguir en ellos. Una “parte” es una porción del sistema que tiene las mismas propiedades intensivas en todos los puntos, y se la denomina fase del sistema. Sistemas homogéneos
Son aquellos que tienen una sola fase, es decir, la misma composición en todos los puntos del sistema (se perciben como una sola sustancia). El oro puro, el gas de una garrafa, un vaso de agua salada son buenos ejemplos de sistemas homogéneos.
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1
Materia
Sistemas heterogéneos
Son aquellos que presentan dos o más fases, es decir, que las propiedades intensivas son diferentes en distintas partes del sistema (a simple vista se advierten diversas partes). Algunos ejemplos de sistemas heterogéneos podrían ser: un recipiente con agua y aceite (el aceite flota sobre el agua), que constituye un sistema de dos fases, o un vaso con gaseosa y hielo, donde se distinguen tres fases: hielo, bebida y burbujas de gas.
a
refresco
b
hielo
agua con sal
aceite agua gas
a) Los sistemas homogéneos pueden tener más de un componente, pero no se distinguen b) En los sistemas heterogéneos se distinguen las fases, aunque se trate de un mismo componente en distinto estado de agregación.
Existen diferentes criterios para clasificar como homogéneos o heterogéneos los sistemas materiales, que dependen del método de observación que se utilice para estudiarlo. Por ejemplo, la leche a simple vista es un sistema homogéneo, pero si se observa en el microscopio una gota de leche, se distinguen en ella partículas de distintas sustancias que la componen, como los glóbulos de grasa, formando un sistema heterogéneo. El criterio que vamos a utilizar en este libro es el de considerar homogéneo a aquel sistema que se presenta como tal a simple vista (usando nuestros ojos como herramienta de observación).
Los corpúsculos de grasa se distinguen claramente en una imagen microscópica de la leche
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Cada una de los componentes que forma parte del sistema se denomina sustancia. Así, por ejemplo, en un vaso de agua salada hay una sola fase, ya que es un sistema homogéneo, pero en realidad hay dos sustancias presentes: agua y sal. Podríamos definir la sustancia pura como aquella que además de mantener en todos sus puntos las mismas propiedades intensivas, no puede fraccionarse, es decir, descomponerse en sustancias más simples. Las sustancias puras se consideran simples cuando están formadas por una sola clase de átomos, como el oxígeno (O 2), el aluminio (Al) o el hierro (Fe), y compuestas , cuando las forman dos o más clases de átomos, como por ejemplo, el agua (H 2O) o la sal (NaCl).
Simple: una sola clase de átomos Sustancia pura Compuesta: más de una clase de átomos MATERIA
Homogénea: solución Mezcla Heterogénea
Actividades 1 Dar un ejemplo de cada uno de los siguientes sistemas materiales: a) Sistema heterogéneo formado por un componente líquido y dos componentes sólidos. b) Sistema heterogéneo formado por un componente sólido, un líquido y un gas. c) Sistema homogéneo formado por dos sólidos y un líquido. d) Sistema homogéneo formado por tres líquidos. 2 Dado el siguiente sistema material: agua, alcohol, leche, hielo, un trozo de aluminio y arena. b) Determinar número de fases y componentes que lo forman. puestas.
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Materia
LA MATER IA Y SUS ESTADOS En la naturaleza la materia se presenta en distintos estados de agregación, con características y propiedades diferentes. Para poder comprender el comportamiento de la materia en sus diferentes estados, los científicos diseñaron un modelo llamado modelo cinético-corpuscular de la materia o simplemente modelo de partículas, que permite imaginar e interpretar la estructura íntima de los materiales. Se pueden sintetizar las ideas más importantes de este modelo: La materia está compuesta por partículas (corpúsculos). La diversidad de materiales se debe a la variedad de partículas que existe. Entre las partículas hay espacio vacío. Entre las partículas se ejercen fuerzas de diferentes intensidades. Las partículas de la materia están en movimiento (poseen energía cinética). Cuanto mayor es la temperatura tanto mayor es la energía de las partículas, y mayor su posibilidad de moverse y chocar entre ellas y con las paredes del recipiente. Los choques entre las partículas son perfectamente elásticos; esto significa que al chocar, las partículas no pierden energía. Podríamos agregar que esas partículas pueden ser de tres tipos: moléculas, átomos o iones. Las moléculas se unen entre ellas por medio de fuerzas intermoleculares. Estas fuerzas son de diferentes intensidades según la naturaleza del material (que depende de los átomos que la componen y del tipo de enlace químico entre ellos). Los átomos se unen entre sí por enlaces químicos, y los iones, que son partículas con carga eléctrica positiva y negativa, se atraen o rechazan según tengan cargas iguales u opuestas. De acuerdo a este modelo los científicos caracterizaron los estados de la materia de la siguiente manera:
Los sólidos Las partículas del sólido se atraen entre sí con gran intensidad, están situadas muy cerca unas de otras casi sin espacios vacíos entre ellas, ocupando posiciones fijas en el espacio en un ordenamiento regular, lo que permite que los sólidos tengan forma y volumen propio. También pueden mantener su forma a pesar de las presiones (son incompresibles), ya que no pueden “juntarse” para ubicarse en un volumen menor que el que ocupan. La energía cinética se manifiesta por vibraciones en una posición fija (movimientos oscilatorios). Una misma sustancia en estado sólido puede tener propiedades diferentes, dependiendo de la distribución espacial de las partículas que la constituyen.
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Es el caso del carbono, que en la naturaleza puede presentarse en dos ordenamientos espaciales diferentes: el grafito, que es de color negro, buen conductor de la electricidad, blando y quebradizo (conocido por su utilización en la fabricación de lápices), y el diamante, que es uno de los materiales naturales más duros que existen, incoloro y aislante eléctrico. La diferencia entre ambos materiales es la forma en que se ordenan los átomos de carbono que los forman; en el grafito se disponen en forma de planos hexagonales que se “apilan” unos sobre otros, y en el diamante, en una estructura geométrica compacta.
1
a
b
El grafito y el diamante son alótropos del carbono: formas puras del mismo elemento que difieren en la organización de sus átomos. Las propiedades de ductilidad (propiedad de formar hilos), maleabilidad y elasticidad de algunos sólidos se manifiestan cuando mediante la aplicación de una fuerza externa se logran vencer las fuerzas de atracción entre las partículas, haciendo que se desplacen y se reacomoden en la estructura. Estas propiedades son típicas de los metales y los sólidos amorfos.
b) Estructura cristalina del diamante
Hay sólidos que son frágiles, es decir, pueden quebrarse al ser golpeados. Estos sólidos tienen una estructura perfectamente ordenada ( estructura cristalina), formada por partículas con cargas positivas y negativas llamadas iones. Al golpearlos, una parte se desliza con respecto a la otra, entonces, partículas con la misma carga quedan enfrentadas y se rechazan separándose en dos partes. Otra propiedad de los sólidos es la dilatación, que es el aumento de volumen sin variar la masa. Esta propiedad puede explicarse por el movimiento vibratorio de las partículas. Al aumentar la temperatura de un cuerpo, aumenta la energía de sus partículas, que tratan de “separarse” unas de otras, como “estirando” las uniones entre ellas; esto produce un pequeño aumento del espacio entre partículas, que se traduce en un aumento de volumen. Si la temperatura aumentara lo suficiente, se romperían esas uniones, pasando el sólido al estado líquido; entonces el sólido se fundiría. a
Desplazamiento o reacomodamiento de partículas
b
Partículas con carga positiva
Partículas con carga negativa c
a) Deformación de un metal por una fuerza externa b) Representación de un sólido cristalino c) Dilatación de las uniones de las partículas. Al aumentar la temperatura, las partículas adquieren energía y aumentan las distancias entre ellas
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Materia
a
b
c
a) y b) Los líquidos conservan siempre la disposición esféricas, porque se deforman por la fuerza de atracción gravitatoria; si no existiera la fuerza de gravedad serían esferas perfectas
Los líquidos En los líquidos las partículas se atraen con menor intensidad que en los sólidos, pero con la suficiente fuerza como para que estén bastante cerca unas de otras, con pequeños espacios vacíos entre ellas; por eso los líquidos son casi incompresibles, pero sus partículas conservan la libertad de deslizarse unas sobre otras, moviéndose en conjunto (a esto se lo denomina fluir). La resistencia a este movimiento se llama viscosidad, y depende de la naturaleza de las fuerzas de atracción entre las partículas, como así también de la temperatura a la que se encuentre el líquido. Algunos líquidos son muy viscosos, fluyen con dificultad, como la miel, pero si se los calienta, sus partículas al moverse “rompen” algunas uniones entre ellas, permitiendo que puedan fluir con más facilidad. Las partículas de los líquidos, al no tener posiciones fijas, generalmente pueden tomar la forma del recipiente donde se encuentran, por eso los líquidos tienen volumen propio, pero no forma, ya que se adaptan al recipiente, conservando en su superficie la disposición plana y horizontal. Algunos líquidos presentan un comportamiento particular cuando se encuentran en pequeñas cantidades, donde toman importancia las fuerzas de interacción de las partículas del líquido con el medio que las rodea; esto explica la formación de gotas.
Los gases No tienen forma ni volumen propio, las partículas del gas chocan entre sí y con las paredes del recipiente, moviéndose en línea recta a gran velocidad. Prácticamente no se atraen, por eso están muy alejadas unas de otras, ocupando todo el espacio disponible y dejando mucho espacio vacío entre ellas. Frente a los aumentos de presión, las partículas del gas tienden a “juntarse” (en algunos casos pueden llegar a adoptar la disposición de los líquidos), por lo cual los gases son compresibles.
Sugerencias Pueden ver lo que leyeron en este video: http://www.youtube.com watch?v=Qb75G--wTNc
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Cuando se aumenta la presión sobre una masa gaseosa, las partículas se “acercan” unas a otras ocupando menor volumen
¿EXISTEN OTROS ESTADOS? Aunque por muchos años se consideró que existían tres estados de la materia, en la actualidad, con el avance de las investigaciones, se acepta que existen otros estados de agregación que se producen en condiciones de presión y temperatura extremas, tales como el plasma y el superfluido. En la atmósfera de la Tierra, cualquier átomo de una sustancia gaseosa puede perder electrones en su choque con otras partículas, pero los recupera rápidamente o los atrapa de otros átomos cercanos. Donde las temperaturas son muy altas, como en el sol, los átomos y las moléculas tienen tanta velocidad que se producen permanentemente choques, con la suficiente energía como para liberar electrones, generando partículas con carga negativa y dejando partículas con carga positiva por ausencia de sus electrones; estas partículas con carga eléctrica (positiva y negativa) se llaman iones. A esta mezcla de iones positivos y negativos, deslocalizados de sus átomos correspondientes, se la considera en sí misma un estado de la materia diferente, llamado plasma. Las sustancias en este estado se diferencian de los gases a temperatura ambiente, porque adquieren propiedades diferentes, como la conductividad eléctrica. En los laboratorios se pueden obtener gases en estado de plasma aplicando descargas eléctricas a sustancias gaseosas para que se desprendan de ellas electrones, llamados electrones libres, que luego, al chocar con otros átomos del gas, hacen que se desprendan de ellos más electrones, transformando el gas en una mezcla de iones. El 99 por ciento del total de la materia que constituye el universo posiblemente se encuentre en estado de plasma. Las lámparas fluorescentes contienen en su interior principalmente mercurio gaseoso en estado de plasma; los letreros de neón, las pantallas y los monitores contienen también gases en estado de plasma. Pueden obtenerse pequeñas cantidades de plasma de baja temperatura y densidad cuando se enciende una vela o un fósforo (lo pueden apreciar si observan con detenimiento esa pequeña zona anaranjada que rodea la llama).
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Materia
Algunos gases, como el helio, adquieren propiedades muy especiales cuando se reduce su temperatura a valores extremadamente bajos. Al bajar cada vez más la temperatura, se podría predecir que cualquier gas se transformaría en líquido y luego en sólido. En el caso del helio, éste permanece en estado líquido y nunca se congela, constituyendo un estado experimental de la materia llamado superfluido, en el cual el líquido fluye y se desplaza sin rozamiento, siendo capaz de trepar por las paredes del recipiente que lo contiene y escapar de él. Posiblemente, en el futuro y con nuevas investigaciones, puedan encontrarse aplicaciones a este curioso “nuevo estado de la materia”.
Actividades 1 Unir las siguientes características de la columna de la izquierda con el estado de agregación de la materia al cual corresponden: Tienen forma propia Ocupan todo el volumen disponible
Líquido
Entre sus partículas predominan las fuerzas de atracción No tienen forma ni volumen
Sólido
Tienen volumen pero no forma
Gaseoso
Sus partículas están en completo desorden Pueden expandirse 2 a) Dibujar una sustancia gaseosa encerrada en un recipiente según el modelo de partículas. b) Si por algún medio se pudiera extraer de ese recipiente (sin abrirlo) la mitad del gas que había inicialmente, ¿cómo se podría representar mediante un dibujo el gas que quedó en aquél? 3 Escribir las diferencias entre los siguientes términos: Gas-vapor / Licuación-condensación /
Ebullición-evaporación
4 Completar el siguiente cuadro comparativo Estado de la materia
Sólido Líquido Gaseoso
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Forma
Volumen
Tipo de movimiento
Fuerzas predominantes
Compresibilidad
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LOS CAMBIOS DE ESTADO Muchas veces habrán observado cómo se derrite un trozo de hielo a temperatura ambiente en un día cálido o cuando se empañan los cristales del automóvil en los días fríos, en ambos casos están observando cambios de estado del agua. Cada uno de esos cambios tiene en las ciencias naturales un nombre por el cual se los identifica: La fusión es el pasaje de cualquier material del estado sólido al líquido. Cuando un sólido aumenta su temperatura, sus partículas adquieren mayor energía, asociada al movimiento vibratorio, con lo cual sus fuerzas de atracción comienzan a debilitarse al alejarse una partícula de otra, permitiendo movimientos de desplazamiento, lo que significa que el sólido está fundiéndose. Cada material realiza este cambio de estado a una determinada temperatura, que es una propiedad intensiva de la materia, y se llama punto de fusión. Esta constante física es importante para identificar una sustancia. Es significativo destacar que mientras un sólido se funde, su temperatura no varía (permanece constante), porque toda la energía que recibe es empleada para romper los enlaces entre sus partículas. Para el agua el punto de fusión es 0°C, en cambio para el hierro es de 1535°C. En ambos casos, a presión atmosférica normal, a la temperatura del punto de fusión correspondiente, el hielo y el hierro pasarán a transformarse en agua y hierro fundido respectivamente. El cambio de estado opuesto, es decir, de líquido a sólido se denomina solidificación , y se explica en la pérdida de energía y, en consecuencia, de movimiento de las partículas al disminuir la temperatura. En estas condiciones, las partículas adoptan un estado de mayor organización, disminuyendo las distancias o los espacios entre ellas, permitiendo así que se recuperen las fuerzas de atracción. La vaporización (ebullición) es el cambio de estado de un líquido a vapor, que tiene lugar en toda la masa del líquido. Al aumentar la temperatura de un líquido, las partículas adquieren la energía suficiente como para “desprenderse” de otras partículas con las cuales están interactuando, “liberándose” en forma de vapor. Cuando las partículas de la superficie del líquido escapan al estado de vapor a cualquier temperatura, el proceso se llama evaporación . Decimos entonces que se vaporiza un líquido cuando hierve, y se evapora el agua de un charco. La temperatura a la cual el líquido hierve es también una propiedad que depende de la naturaleza de la materia y de la presión, por eso es una propiedad intensiva, que se llama punto de ebullición. Como en el caso del punto de fusión, es también una constante física del material. Cuando se alcanza la temperatura de ebullición de un líquido, aunque se continúe el calentamiento, la temperatura no aumentará hasta que todo el líquido pase al estado de vapor, ya que toda la energía será utilizada por el sistema para “romper” las uniones entre partículas y liberarlas en forma de vapor. Para el agua el punto de ebullición es 100°C a presión atmosférica normal (a nivel del mar), mientras que para el alcohol etílico es 78.5°C. Cuando el pasaje es del estado gaseoso al líquido, se llama condensación.
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Sugerencias Para jugar y analizar el comportamiento de la materia frente a los cambios de temperatura: http://concurso.cnice.mec.es/ cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/ estados/estados1.htm Un simulador para analizar los cambios de estado de la materia: http://phet.colorado.edu/en/ simulations/category/new (states of matter)
La condensación de un gas puede producirse por disminución de la temperatura, lo que explica que las partículas del gas al perder energía cinética tiendan a acercarse unas a otras, adoptando la disposición y las características del líquido. También existe un proceso industrial que se llama licuación, que consiste en la transformación de los gases en líquidos, pero en este caso por aplicación de grandes presiones que hacen que las partículas del gas se “junten”, adoptando el aspecto y las características de un líquido, mientras se mantenga esa presión. Este proceso es importante en la industria para obtener los “gases licuados”, como el amoníaco, que es un gas que se utiliza en la fabricación de muchos productos, como fertilizantes, medicamentos y plásticos. Existen otros cambios de estado, como la volatilización, que es el pasaje de un sólido al estado de vapor, sin pasar por el estado líquido. Algunos autores llaman a este cambio de estado de la materia sublimación, reservando el término sublimación inversa al proceso opuesto. Volatiliza la naftalina que se usa como antipolillas y el dióxido de carbono sólido (CO 2), conocido como “hielo seco,” precisamente porque a temperatura ambiente pasa al estado de vapor desde el estado sólido sin derretirse (produciendo un “humo” blanco característico). El pasaje de una sustancia en estado de vapor a estado sólido se llama sublimación (o sublimación inversa); no es muy frecuente en lo cotidiano, pero se pude observar, por ejemplo, en el laboratorio, experimentando con una sustancia llamada iodo, que tiene la propiedad de transformarse directamente en sólido desde el estado gaseoso al tomar contacto con una superficie fría.
SÓLIDO
LÍQUIDO
Fusión
Vaporización
Condensación
Sublimación Volatilización
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VAPOR
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Los cambios de la materia de un estado a otro pueden lograrse por medio de la variación de la presión, la temperatura, o ambas a la vez.
En todos los casos anteriores no producen transformaciones en las sustancias, por eso se denominan procesos o cambios físicos. Por ejemplo: el agua puede pasar de un estado a otro, o coexistir en los tres estados y presentarse como vapor en las nubes, sólido en la nieve o el hielo, o líquido en el agua de un lago, pero sigue siendo la misma sustancia: agua.
EL ESTADO GASEOSO Los gases nos rodean, y aunque la mayoría de las veces no podemos percibirlos con nuestros sentidos ya que en general son invisibles, y sólo en algunos casos podemos olerlos (como los perfumes), curiosamente es el estado de la materia que se puede estudiar con más facilidad. Algunos gases son esenciales para la vida, como el oxígeno y el nitrógeno que componen el aire, otros, como el butano y el metano, se usan como combustibles en el gas natural; están también el ozono, que filtra la radiación ultravioleta en la atmósfera, y el dióxido de carbono, que es responsable del efecto invernadero.
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Ya hemos estudiado las características del estado gaseoso según el modelo de partículas, y sabemos que se diferencian de los líquidos y los sólidos porque no tienen forma definida ni volumen propio; sus partículas se mueven casi libremente y al azar desplazándose de un lugar a otro, y por eso pueden ocupar todo el espacio disponible y adoptar la forma del recipiente que los contiene, y si dicho recipiente no está cerrado, escapan de él. Los gases pueden fluir; el viento es un ejemplo de aire fluyendo de un lado hacia otro. Además, pueden comprimirse y expandirse, es decir, modificar su volumen frente a cambios de presión. Las partículas de un gas se mueven en línea recta y chocan contra las paredes del recipiente unas contra otras, por eso en el estado gaseoso existe un desorden total. Habitualmente utilizamos como sinónimos las palabras gas y vapor, pero en realidad son dos conceptos diferentes: gas es una sustancia que en condiciones normales (presión atmosférica normal y temperatura ambiente) se encuentra en estado gaseoso, en cambio, vapor es la forma gaseosa de una sustancia que en condiciones normales sería sólida o líquida. La propiedad más notable de los gases es que todos se comportan de manera similar frente a los cambios de temperatura y presión, lo cual no ocurre con los líquidos y los sólidos dónde cada sustancia reacciona de manera particular.
VARIABLES DE ESTADO El estado de un gas puede describirse mediante tres propiedades que pueden observarse y medirse: la presión, el volumen y la temperatura. Los valores de estas propiedades dependen del sistema gaseoso y están relacionadas entre sí, por eso se llaman variables de estado. Presión: es la fuerza aplicada sobre una determinada superficie o área en un cuerpo.
En los gases la presión es el resultado de la fuerza que ejercen las partículas de gas al chocar contra las paredes del recipiente que lo contienen. Hay varias unidades para medir la presión, como el pascal (Pa) y los hectopascales (100Pa), las atmósferas (atm) y los milímetros de mercurio (mmHg). 1atm = 1013 hPa = 760 mmHg Los químicos miden la presión en atmósferas (atm) cuando trabajan con gases. Representamos la presión con la letra P. Volumen: es el espacio que ocupa la materia. Como el gas no tiene volumen propio, el volumen
de un gas es el del recipiente que lo contiene. Si el recipiente es más grande, las partículas estarán más separadas unas de otras, y si es pequeño, estarán más juntas .
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CAPÍTULO
ESCALA CELCIUS
El volumen puede medirse en litros (l), mililitros (ml), metros cúbicos (m 3) o centímetros cúbicos (cm 3). Para resolver problemas de estado gaseoso vamos a medir el volumen en litros (l). Representamos el volumen con la letra V .
ESCALA KELVIN
100° C
373° K
0° C
273° K
-273° C
0° K
Temperatura: es una medida de la energía térmica,
o sea, del calor, y está relacionada con el movimiento de las partículas, ya que a mayor energía en forma de calor, las partículas se mueven más y con más velocidad, generando mayor número de choques contra las paredes del recipiente. El instrumento utilizado para medir temperaturas es el termómetro, que puede estar graduado en varias escalas según los puntos de referencia que se tomen.
Cuando un sistema gaseoso se encuentra a una temperatura de 273°K (0°C) y a una presión de 1 atmósfera, se dice que está en condiciones normales de presión y temperatura (CNPT)
Nosotros en la vida cotidiana utilizamos la escala Celcius para medir la temperatura corporal y saber si tenemos fiebre, o para medir la temperatura ambiente. Se comprobó experimentalmente que para trabajar con gases se necesitan, muchas veces, temperaturas muy bajas (mucho menores que 0°C), por eso se utiliza una escala llamada Kelvin (°K) o escala absoluta. Esta escala toma como valor 0°K al valor más bajo de temperatura que puede llegar a tener la materia, que equivale a -273°C. Para expresar en °K una temperatura dada en °C sólo hay que sumarle el número 273 a la temperatura en grados Celcius. Es decir: T (°K ) = T(°C) +273
Representamos las temperaturas con la letra T.
LEY ES DE LOS GASES Relación entre presión y volumen
Ley de Boyle El científico inglés Robert Boyle realizó muchas experiencias con gases, y pudo comprobar que si una cantidad fija de gas se mantiene siempre a la misma temperatura (temperatura constante) y se somete a diferentes presiones (se varían las presiones), el volumen del gas aumenta cuando la presión disminuye, ya que las partículas al estar más libres para moverse ocupan más lugar porque se separan unas de otras.
P
ESTADO 1
P
P
ESTADO 2
P
P
P P
ESTADO 3
Al aumentar la presión, las partículas del gas se juntan cada vez más, disminuyendo el volumen
El volumen de una masa de gas a temperatura constante es inversamente proporcional a la presión de ese gas.
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1
Materia
Esta ley tiene una expresión matemática: P.V = constante
O sea que P1. V 1 = P2.V 2 = P3.V 3
) s o r t 1 i l ( n e m u l o V1/2
1/4
1
2
3
Aumento de presión
Presión (atm)
Relación Volumen - Presión (atm) a Temperatura constante
Problemas Se podría aplicar la Ley de Boyle para resolver el siguiente problema: El tubo de aire comprimido que utiliza un buzo para respirar bajo el agua contiene cinco litros del gas a 200 atmósferas de presión. ¿Qué volumen de aire comprimido habrá a presión atmosférica normal? Condiciones iniciales (1): P1: 200 atm Condiciones finales (2): P2:
V1. 5 litros
1 atm V2 x litros
Aplicando: P1.V1 = P2 .V2 200 atm. 5 l = 1atm. x l Entonces: x=
200 atm .5 l 1atm
= 1000 litros de aire comprimido
Como habrán observado, el gas (aire) que dentro del tubo que el buzo llevaba sobre su espalda ocupaba sólo cinco litros. En la superficie, y a presión atmosférica normal ocuparía 1000 litros, que es un volumen realmente grande, como el que tiene un tanque de agua de una casa.
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Relación entre la temperatura y el volumen:
Ley de Charles o primera Ley de Gay Lussac Las experiencias de estas variaciones fueron realizadas por el científico J. Charles en el año 1787, y verificadas por el científico Gay Lussac en1802. Si se calienta una cantidad fija de gas manteniendo su presión constante, el volumen aumentará. Esto se puede explicar porque al tener mayor energía, las partículas van a moverse más y van a chocar más veces contra las paredes del recipiente, y si éste lo permite (porque puede agrandarse), tratarán de empujar dichas paredes aumentando el lugar que ocupan (su volumen). Los globos aerostáticos se inflan porque se calienta el aire dentro de ellos, haciendo que su volumen aumente, y luego pueden elevarse por tener el aire caliente menor densidad que el aire frío (lo que lo hace más liviano). de gas, manteniendo la presión constante, su volumen aumenta.
ESTADO 1
ESTADO 2
P
P
Quiere decir que si las temperaturas se miden en °K, a presión constante el volumen del gas es directamente proporcional a la temperatura. Esta ley se expresa en forma matemática mediante la siguiente ecuación: V 1 T1
= V
resultando:
T
) s o r t i l ( n e m u l o V
V 2 T2
=
V 3 T3
= constante
1 3/4 1/2 1/4
100
200
Aumento de temperatura
300
Temperatura °K Gay Lussac hizo grandes aportes al conocimiento a volar en globo
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1
Materia
Problemas Utilizando la Ley de Gay Lussac se puede resolver el siguiente problema: ¿Cuál será el volumen final de 10 litros de aire a 12°C contenidos en un globo, si se lo expone al sol y la temperatura llega a 50°C? Resolución: Recordemos que en el caso de las sustancias gaseosas las temperaturas de trabajo se expresan en °K, entonces: 12°C = 12+273 = 285°K 45°C = 50+273 = 323°K Entonces aplicando la Ley de Charles-Gay Lussac: V 1 T1
=
V 2 T2
reemplazando por los valores: 10 litros = 285°K Donde resulta:
x litros 323°K
10 litros. 323°K 285°K
= 11,33 litros
Aquí pueden observar que el volumen del globo aumentó más de un litro, solamente por estar expuesto a una temperatura mayor. Esto nos permite entender cómo se infla el globo aerostático al calentar fuertemente el aire que contiene adentro.
Relación entre presión y temperatura
Segunda Ley de Gay Lussac Mayor temperatura
Al ganar más Energía Cinética, las partículas del gas chocan más contra las paredes del recipiente, aumentando la presión.
Luego de repetir muchas veces los experimentos, el científico llegó a la conclusión de que manteniendo constante el volumen (del recipiente que contiene el gas), la presión aumenta al aumentar la temperatura. Esto se explica porque al aumentar la temperatura del gas, sus partículas ganan cada vez más energía, se mueven rápidamente y chocan contra las paredes del recipiente con gran intensidad, haciendo que aumente la presión dentro del envase. Al aumentar la temperatura de una masa aumenta.
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Habrán observado que los envases de aerosol llevan la leyenda: “No exponer al fuego o a altas temperaturas” , justamente porque el calor haría que aumente la presión dentro del envase, pudiendo hacerlo explotar. La expresión matemática de esta ley es: P1
=
T1
P2 T2
=
P3 T3
P
o sea
Sugerencias
P3
Simuladores de los gases ideales: Para jugar con los cambios de temperatura y presión, y analizar consecuencias: http://platea.pntic.mec.es/ ~cpalacioapplet http://phet.colorado.edu/en/ simulation/gas-properties
P2 ) m t a ( n ó i s e r P
= constante
T
P1 P0
100
200
300
Temperatura °K
Problemas Se podría resolver el siguiente problema aplicando la segunda Ley de Gay Lussac: El gas dentro de un envase de aerosol a 20°C tiene una presión de 3 atm. ¿Qué presión tendría si se calienta el envase a 100°C? Resolución: 20°C = 20+273 = 293°K 100°C = 100+273 = 373°K P1 P2 Aplicando la segunda Ley de Charles-Gay Lussac: = T1 T2 Reemplazando por los valores correspondientes: 3 atm. 293°K
=
x atm 373°K
De donde resulta: 3 atm . 373 °K 293 °K
= 3,8 atm
Como verán, la presión aumenta casi una atmósfera con el calentamiento, por eso no deben calentarse envases de aerosol, ya que sería realmente peligroso.
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1
Materia
ECUACIÓN GENER AL DE ESTADO DE LOS GASES IDEALES
Problemas Podríamos aplicar la ecuación de estado de los gases ideales para resolver el siguiente problema: Una masa de gas ocupa un volumen de 3 litros cuando se encuentra a una presión de 2 atm y 25°C de temperatura. ¿Qué volumen ocupará cuando se lo comprime a una presión de 10 atm y la temperatura descienda a 10°C? Resolución: Primero tenemos que convertir las temperaturas a escala Kelvin, que es la adecuada para trabajar con sustancias gaseosas. 25°C = 25+273 = 298°K 10°C = 10+273 = 283°K Los datos del enunciado son: P1 = 2 atm P2 = 10 atm V1 = 3 litros V2 = x T1= 298°K T2 = 283°K Ahora se puede aplicar la ecuación general de estado de los gases ideales: P1 . V1
=
T1
=
10 atm. x litros 283°K
= 0,6 litros
El volumen final será: 0,6 litros
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Ecuación de estado del gas ideal P . V
O sea:
= constante
T P1 . V 1 T1
=
P2 . V 2 T2
Utilizando esta ecuación podemos calcular alguna de las magnitudes (P, V o T) si conocemos las otras.
T2
Donde: 2 atm. 3litros .283°K 10 atm. 298°K
La mayoría de los gases reales (los gases que todos conocemos) se comportan de manera bastante aproximada a los gases ideales o teóricos cuando las presiones son bajas y las temperaturas moderadas o altas, ya que entre las partículas del gas casi no existe ningún tipo de fuerzas y pueden moverse libremente con bastante energía .
P2 . V2
Reemplazando por los valores correspondientes: 2 atm. 3 litros 298°K
Las tres leyes que explicamos anteriormente se pueden relacionar matemáticamente, resultando una ecuación que nos permitirá calcular cómo cambian las condiciones de una masa fija de un gas cuando se modifican las variables que determinan su estado (presión temperatura y volumen).
Actividad respuestas: a) ¿Tendrían que llevar un abrigo si la temperatura fuera de 373°K? b) ¿Cuál de los siguientes cuerpos tiene más temperatura? Un trozo de metal a 250°K o un trozo de metal a 20°C. c) El pentano es un componente del petróleo que tiene un punto de ebullición de 309°K y un punto de fusión de 143°K. Expresar esas temperaturas en °C.
CAPÍTULO
1
Actividades 1 2
3
Un recipiente de 10 litros contiene una cierta cantidad de un gas a 39°C y 2 atmósferas de presión. ¿Qué volumen ocupará en CNPT (0°C y una atmósfera)? Cierta masa de gas ocupa un volumen de un litro a 0°C y una atmósfera de presión. ¿A qué temperatura habría que calentarla para que duplicara su volumen manteniendo la misma presión? El amoníaco es un gas que se utiliza en muchas industrias. Un volumen de cinco litros de amoníaco se mantiene en un recipiente rígido a presión atmosférica normal (una atmósfera) y 4°C de temperatura. ¿Qué presión alcanzará cuando el recipiente, expuesto al sol, alcance una temperatura de 50°C?
Lectura Dióxido de carbono: un gas muy especial
El dióxido de carbono (CO 2), también conocido como bióxido de carbono, óxido de carbono y anhídrido carbónico, es uno de los gases más abundantes en la atmósfera y juega un papel importante en los procesos vitales de plantas, animales y, en definitiva, para el ser humano, formando parte de la fotosíntesis, la respiración y diversas actividades internas del cuerpo humano. El CO2, en cantidades adecuadas, es uno de los gases de efecto invernadero que contribuye a que la Tierra tenga una temperatura habitable, ya que impide la salida de calor de la atmósfera. Es que sin CO 2, la Tierra sería un bloque de hielo. El físico y químico escocés Joseph Black descubrió el CO2 alrededor de 1750. A temperatura ambiente, el CO 2 es un gas inodoro e incoloro, ligeramente ácido y no inflamable. Cuando alcanza los -78°C se vuelve sólido y se hace líquido cuando se disuelve en agua, aunque si la presión desciende intentará escapar al aire, dejando una masa de burbujas. Sin embargo, un exceso de CO 2 en la atmósfera provoca una subida excesiva de la temperatura, dando lugar al calentamiento global, del que se sospecha que puede provocar un aumento de la actividad de las tormentas o el derretimiento de las placas de hielo de los polos, lo que provocaría diversos problemas ambientales, como inundaciones o sequías en los continentes habitados. El análisis de gases retenidos en muestras de hielo de la Antártida y Groenlandia ha permitido conocer la concentración de CO 2 atmosférico y de otros gases de efecto invernadero de los últimos 160.000 años. Con los datos obtenidos, los científicos han detectado que los niveles actuales de CO2 en la atmósfera son los mayores desde que se tiene constancia, produciéndose un aumento sustancial y acelerado durante los últimos 160 años, es decir, desde
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1
Materia
el inicio de la Revolución Industrial. Además, los científicos han estudiado que el CO 2 se escapa del suelo cada vez más rápido, lo que acelera aún más el calentamiento global. El incremento de las emisiones de dióxido de carbono provoca alrededor del 50-60% del calentamiento global. La combustión de combustibles fósiles para la generación de energía provoca alrededor del 70-75% de las emisiones de CO 2, mientras que el resto de las emisiones son provocadas por los tubos de escape de los vehículos. Pero la emisión de CO 2 surge también de los propios consumidores: en España cada hogar produce hasta 5 toneladas de CO2 anuales, según datos del Ministerio de Medio Ambiente. Sólo el automóvil y la calefacción concentran el 54% del CO2 emitido por el consumo familiar. Para restringir las emisiones de gases invernadero, principalmente CO2, se rubricó en diciembre de 1997 el protocolo de Kyoto, donde los países firmantes se comprometían a reducir estas emisiones en una media de 5,2% hasta el 2012 respecto a los niveles de 1990. Sin embargo, según un informe de Naciones Unidas, las emisiones de gases contaminantes, sobre todo de CO2, aumentarán en los países industrializados en un 17% en los próximos 10 años a pesar de los compromisos por reducirlos. Estados Unidos, principal emisor de CO 2 del mundo, no ha firmado el protocolo porque considera que los perjuicios para su economía son mayores que los supuestos beneficios para el medio ambiente. No obstante, el Protocolo podría originar grandes ganancias para aquellos países que desarrollen tecnologías ecológicas y para los que emiten menos gases con efecto invernadero de lo permitido, puesto que esas tecnologías se podrán vender a aquellos países que no cumplen con los objetivos. Aplicaciones del CO2
El CO2, además de sus funciones en la naturaleza, es utilizado por el ser humano para diversas aplicaciones: : por su papel en el crecimiento de las plantas, a veces se utiliza como abono. : en bebidas refrescantes y cerveza, para hacerlas gaseosas. : en forma de gas o como sólido no conduce la electricidad y
puede emplearse contra fuegos de equipos eléctricos en tensión (donde no puede utilizarse agua). A su vez no deja residuos. : en máquinas frigoríficas o congelado como hielo seco, en la obtención de
la cafeína y en el proceso de descafeinar el café, en síntesis de determinados pigmentos, en el lavado de pulpa de papel y el procesamiento del cuero, entre otros. Análisis: ¿Por qué se produce el efecto invernadero y qué consecuencias ocasiona? ¿En qué consiste el calentamiento global y cuáles son sus causas y consecuencias? ¿Qué actividades humanas producen mayores emisiones de CO2? ¿Por qué el CO2 es importante para los seres vivos? Busquen información sobre la lluvia ácida y relaciónenla con la presencia de cantidades ex-
cesivas de CO2 en la atmósfera (pueden usar Internet).
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CAPÍTULO
1
Lectura El universo es un plasma
Diálogo con Fernando Minotti, doctor en Física de la UBA Por Leonardo Moledo. Extraído de Página/12, 18 de diciembre 2013 A pesar de que hace años que la industria recurre a fenómenos relacionados con el plasma, como la reacción de gases a una descarga eléctrica que enciende nuestros tubos de luz y da color a nuestros televisores, es una rama en la que aún queda mucho por descubrir. –¿Qué es un plasma?
–Es un gas que se calienta mucho, de manera que se ioniza y empieza a tener interacciones entre partículas cargadas (electrones e iones positivos). Es un gas con una dinámica muy interesante porque presenta fuerzas electromagnéticas. Y la mayor parte del universo está formada de plasma (salvo en la Tierra). –Y en Júpiter...
–No, en Júpiter también. En temperaturas relativamente bajas, que son las necesarias para la vida tal como la conocemos, el plasma no se desarrolla. Para ionizar un gas hacen falta altas temperaturas o densidades muy bajas, de manera que casi no hay plasma. Las partículas del gas no tienen tiempo de recombinarse. La presencia de partículas ionizadas (electrones, protones) se da en el espacio, por ejemplo. –O sea que el universo es un plasma.
–El 99,99 por ciento de la materia visible del universo está en estado de plasma: el Sol, las estrellas, la materia interestelar... –Salvo pequeñas islas como la Tierra.
–Claro. –¿De qué temperaturas estamos hablando?
–Para empezar a tener ionizaciones, por encima de los diez mil grados. Ese es el límite. –Pero la superficie del Sol está a seis mil grados...
–Bueno, pero entran a jugar otros factores, como por ejemplo la densidad. En el interior del sol hay millones de grados, por otra parte. –¿Y qué hace usted con eso?
–En muchas aplicaciones industriales, el gas con el que se trabaja está en esas condiciones. Nosotros intentamos comprender la dinámica de eso para saber cómo va a evolucionar. –¿Las pantallas de plasma?
–Bueno, ahí lo que hay son pequeñas cavidades que están con un gas a baja presión, donde se hacen descargas que justamente lo que hacen es producir un plasma muy chiquitito que produce luz. De acuerdo con el material se producen distintos colores.
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1
Materia
–Agreguemos que ionizar es cargar.
–Claro, sacar o meter un electrón, de modo tal que no sea neutro. Ese es sólo un ejemplo, pero también están los tubos fluorescentes, por ejemplo. El gas que está dentro está levemente ionizado. Es un plasma de electrones muy calientes que genera reacciones que emiten luz. En general, casi todo proceso industrial medianamente elaborado incluye un plasma. –No sólo el universo sino la industria.
–En la industria tenemos que meter energía para lograr un plasma; en el universo no hace falta.
–Elabora, a partir de las pocas cosas que sabe, algunas hipótesis. –¿Y qué es lo que usted no sabe y está tratando de averiguar?
–Por ejemplo, ahora empezamos a estudiar unos propulsores de plasma para satélites. Hace poco se puso en órbita el Capitán Beto, el nanosatélite argentino, y la gente que puso en órbita el satélite se puso en contacto con nosotros para desarrollar dos propulsores, para ese satélite, de plasma. Se hace una descarga eléctrica, esa descarga eléctrica sublima o evapora material de un aislante y ese material se expulsa del propulsor, que genera pulsitos, o descargas, que acumuladas en el tiempo son capaces de darle impulso al satélite. Ahora estamos buscando cuál es la mejor manera de construir esos propulsores, con todas las limitaciones que uno tiene (la poca potencia de los satélites chiquitos, por ejemplo). Hay muchas condiciones, muy restrictivas, en las cuales uno tiene que calentar material, evaporarlo y acelerar con muy poca potencia disponible. Nos vemos obligados a estudiar todos los procesos microscópicos, a ver cómo una descarga eléctrica genera ciertos productos, que junto a la radiación ultravioleta evaporan el material aislante y cómo interactúa el plasma con una corriente electromagnética... –¿Qué ocurre?
–Esencialmente, se ponen los electrodos con una diferencia de potencial importante. Por varios mecanismos, algún electrón puede ser emitido de alguno de los electrodos y ese electrón, en su movimiento en el gas, y si el campo eléctrico es lo suficientemente intenso, se acelera en ese campo, gana suficiente energía y puede ionizar las moléculas del gas. Y a su vez puede generar nuevos electrones, una especie de reacción en cadena. Si entre colisión y colisión el campo eléctrico es lo suficientemente alto como para que se acelere el nuevo electrón, entonces eso se puede sostener y generarse una cantidad de portadores de carga que conducen carga eléctrica de un lado a otro. –Eso es carga eléctrica llevada “al hombro”; no es una onda electromagnética.
–No, es una cascada de ionización. –Se lleva la electricidad “a mano”.
–Claro. –Es un proletariado eléctrico. Ahora... cuando usted dice que el 99, 99 de la materia visible es plasma, es una cosa que poca gente sabe. Cuando dice que toda la industri a de avanzada utiliza plasma, no lo entiendo bien. Por ejemplo: la industria del automóvil. No entiendo cómo podría usar plasma.
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CAPÍTULO
1
–No sé el caso puntual, pero supongo que usa plasma. Se usa mucho para el tratamiento de superficie, para cambiar propiedades (endurecerlas, hacerlas más resistentes al desgaste, al rallado). Allí se depositan películas muy duras que se pegan al material y lo endurecen. –¿Y en computación?
–Ahí es esencial, para los circuitos integrados, por ejemplo. Las tabletas de silicio son con descargas, con plasma... –¿Y cómo se maneja el tema de la temperatura?
–Lo que pasa es que éstas son cosas que se hacen a baja presión, donde al estar más separados los componentes les cuesta más recombinarse. Es lo que le contaba que pasa en el espacio: no necesariamente la temperatura tiene que ser alta, pueden estar separados los materiales. –La temperatura es muy baja en el polvo interestelar.
–El problema es que no hay equilibrio termodinámico allí, entonces no es fácil hablar de temperaturas. Puede ser que tenga electrones, partículas sueltas con mucha energía que, en ese sentido, están calientes. Pero como no interactúan con otra cosa, no tienen forma de intercambiar y calentar o enfriarse ellos. Por eso es difícil hablar de temperatura. –¿Alcanza con una partícula para que haya plasma?
–El plasma es una sustancia que requiere un comportamiento colectivo; hacen falta muchas partículas para llamarlo plasma. Si son partículas sueltas, no hay plasma. Como interactúan a través de campos electromagnéticos, en el espacio se dan fenómenos colectivos. –¿Somos plasmadependientes?
–Hoy en día, creo que sí, que una enorme parte de nuestra tecnología, incluso en medicina se necesita plasma. Y se está investigando mucho para seguir avanzando.
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1
Materia
¿Vamos al laboratorio? Experiencia N° 1: El punto de ebullición del agua Objetivo:
Comprobar la temperatura de ebullición del agua. Materiales:
Procedimiento:
Coloquen agua en el vaso de precipitados (50 ml). Apoyen el vaso sobre la tela metálica ubicada encima del trípode. Enciendan el mechero y comiencen a calentar. Sumerjan el termómetro en el vaso sin que toque las paredes ni el fondo. Midan la temperatura cada 30 segundos y registren los datos (tomen datos durante 10 minutos). Vuelquen los datos en una tabla como la que sigue:
Tiempo (segundos) 0
Temperatura (°C)
´
30 60
´
´
Construyan con los datos un gráfico (x/y). Anoten en el eje x los tiempos y en el eje y las temperaturas.
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CAPÍTULO
1
Conclusiones:
Analizando el gráfico que construyeron respondan: a) ¿A qué temperatura comenzó la ebullición del agua? b) ¿Qué ocurrió con la temperatura una vez que se alcanzó el punto de ebullición? c) ¿Se podría comprobar el punto de fusión del agua con un experimento similar? d) ¿Cómo harían el experimento? ...................................................................................................................................................... Experiencia N° 2: La Volatilización y sublimación del Iodo Objetivo:
Verificar los cambios de estado de sólido a gaseoso y de gaseoso a sólido. Materiales:
Procedimiento:
Coloquen, utilizando la espátula, una pequeña cantidad de cristales de Iodo en el vaso de precipitados. Apoyen el vaso sobre la tela metálica ubicada encima del trípode. Enciendan el mechero con una llama moderada, observen lo que sucede y tomen nota. Coloquen sobre el vaso un vidrio de reloj (a modo de tapa) y sobre el vidrio, unos cubitos de hielo. Apaguen el mechero y esperen unos minutos. Levanten con cuidado el vidrio y retiren el hielo. Observen lo sucedido. Anoten en sus carpetas lo que observaron en la experiencia. Conclusiones:
¿Qué cambios de estado ocurrieron en esta experiencia? ¿Se produjo un fenómeno físico o químico? ¿Por qué?
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CAPÍTULO
2
Mezclas y soluciones
La mayor parte de los materiales que nos rodean son en apariencia sustancias homogéneas. El vidrio, el agua de mar, el aire, el acero, la manteca parecerían estar formados por una única clase de materia, aunque en realidad son mezclas de dos o más sustancias puras que el hombre utiliza como tales o se encarga de separarlas para poder emplearlas. Algunas veces los componentes de una mezcla pueden distinguirse a simple vista: si mezclamos agua y arena, en unos pocos minutos las partículas de arena decantarán en el fondo del recipiente formando un sistema heterogéneo en el que claramente se definirán dos fases. En otros casos, cuando las partículas son pequeñas, permanecerán suspendidas por un tiempo bastante largo aparentando ser una mezcla homogénea, hasta que finalmente sedimentarán. Este tipo de mezclas se llaman suspensiones. Algunos ejemplos de suspensiones son las mezclas de arcilla o arena fina y agua, o los medicamentos en forma de jarabe que se preparan en el momento de utilizar agregando agua. Ocurre en muchas mezclas que las partículas que las componen son tan pequeñas que no pueden distinguirse a simple vista, ni aun con los microscopios más potentes; tampoco sedimentan ni pueden retenerse con un filtro. Estas mezclas forman sistemas homogéneos llamados soluciones o disoluciones. En las soluciones los componentes pueden separarse por métodos físicos, como la destilación, la cromatografía o la evaporación.
Vocabulario
+
Suspensión Sistema heterogéneo donde las partículas tienen un tamaño tal que quedan retenidas por un filtro, sedimentan y pueden verse con un microscopio.
Solución Sistema homogéneo formado por
más de un componente.
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2
Mezclas y soluciones
Las soluciones son muy importantes en nuestra vida cotidiana, forman parte de los alimentos y las bebidas, como el vinagre, los jugos y el vino; de los artículos de limpieza e higiene, como el agua lavandina y el sham poo; de los medicamentos, de la solución fisiológica, y en el cuerpo humano se encuentran componiendo los fluidos corporales, como las lágrimas, el sudor y la orina.
El agua mineral es una solución de varios minerales, como sodio, calcio y magnesio en agua
La luz es dispersada por las partículas del coloide, viéndose nítidamente la trayectoria del haz
Vocabulario
+
Sistema coloidal Mezcla heterogénea, cuyas partículas dispersas tienen un tamaño intermedio entre las partículas de una solución y las de una suspensión.
Entre los dos tipos de mezclas que nombramos anteriormente existen las llamadas coloides o sistemas coloidales, en las cuales las partículas son lo suficientemente pequeñas como para no quedar retenidas por un filtro ni formar sedimentos, pero pueden detectarse al ser observadas en el microscopio con gran aumento o cuando el recipiente que contiene la dispersión coloidal es iluminado por un rayo de luz (por ejemplo, un rayo láser) en forma transversal, un fenómeno llamado efecto Tindall. Tal vez en alguna oportunidad observaron unos pequeños puntos brillantes cuando un rayo luminoso se filtra y atraviesa una habitación oscura. Lo que produce este fenómeno es la luz al ser reflejada y refractada por las pequeñísimas partículas de polvo que están dispersas en el aire y que no podemos ver a simple vista. El aire con sus partículas en suspensión es un ejemplo de coloides; también pertenecen a este tipo de mezclas las gelatinas, el humo, la leche, los aerosoles y la mayonesa. En las soluciones verdaderas el tamaño de las partículas es tan pequeño que éstas no llegan a afectar la trayectoria de la luz.
Mezcla Heterogénea Suspensión MEZCLA
Coloides
Homogénea
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Solución
CAPÍTULO
2
EL AGUA Y LAS SOLUCIONES Los líquidos tienen gran capacidad para disolver otras sustancias, por ejemplo, la nafta y el querosén disuelven las grasas; y el aguarrás, el barniz y las pinturas. El agua es el líquido que más sólidos, líquidos y gases disuelve. Cuando el disolvente es el agua, las soluciones se llaman acuosas. En la naturaleza no existe ninguna sustancia acuosa que no sea una solución. La sangre, las lágrimas, la lluvia, la leche, son soluciones y coloides en medio acuoso, por eso es que no se encuentra en estado natural el agua pura, pero sí el agua como el componente principal de la mayoría de las soluciones. Esta es la razón por la cual vamos a prestar especial atención a las soluciones en las cuales el líquido es el componente que disuelve a la otra sustancia, que puede estar en estado sólido, líquido o gaseoso.
Una aleación es una solución de dos sólidos; en el caso del bronce con el que está hecha la estatua, los componentes son dos metales: cobre y estaño
¿Cómo están formadas las soluciones? Las soluciones se forman por combinaciones entre sólidos, líquidos y gases, siempre que la mezcla resultante sea homogénea. Combinación
Ejemplos
Sólido y sólido
Aleación cobre y estaño (bronce)
Sólido y líquido
Agua con sal
Líquido y líquido
Agua con alcohol
Líquido y gas
Oxígeno disuelto en agua
Gas y gas
Aire puro
El agua de mar es una solución formada por varias sales, como cloruros de sodio, potasio y magnesio en agua
Los componentes de una solución se llaman soluto y solvente, y habitualmente se definen de la siguiente manera: Soluto: es la sustancia que se encuentra en menor proporción, y es disuelta por la otra sustancia. Solvente (o disolvente): es la sustancia que se encuentra en mayor proporción, y es la que disuelve.
La atmósfera es una solución de gases donde no se pueden distinguir los solutos y los solventes; la composición aproximada es 21 por ciento de oxígeno, 78 por ciento de nitrógeno y 1 por ciento de otros gases
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2
Mezclas y soluciones
En general se considera solvente de una solución al componente que está en el mismo estado de agregación que la solución resultante. Una solución de agua y azúcar se encuentra en estado líquido, que es el estado del solvente (el agua).
¿TODAS LAS SUSTANCIA S PUEDEN DISOLVERSE? Para que se forme una solución, las partículas de soluto tienen que poder separarse unas de otras para ubicarse entre las partículas del solvente. Para que esto ocurra deben intervenir las siguientes fuerzas: Fuerzas de atracción entre las partículas de solvente. Fuerzas de atracción entre las partículas de soluto. Fuerzas de atracción entre soluto y solvente. La temperatura. La presión (si es un gas). Para que el soluto se disuelva, las partículas de solvente tienen que ser capaces de “romper” las poderosas fuerzas que mantienen unidas las partículas de soluto, para formar uniones o enlaces entre las partículas de soluto y solvente, es decir, tiene que haber fuerzas de atracción entre los componentes de la solución. Si las fuerzas que atraen entre sí a las partículas de soluto son suficientemente fuertes, como ocurre con las moléculas de aceite, la sustancia será poco o nada soluble en agua, ya que no podrán establecerse uniones entre las moléculas de agua y aceite.
Proceso de disolución
Soluto
Solvente
Soluto soluble
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Solución
Soluto insoluble
CAPÍTULO
Concentración de las soluciones Es necesario ponerse de acuerdo sobre qué significa “mucho” o “poco” soluto o solvente para poder expresar la concentración de una solución. La relación numérica entre la cantidad de soluto y la cantidad de solvente se denomina concentración de la solución.
Concentración =
cantidad de soluto cantidad de solución
2
Para recordar... La diferencia entre peso y masa: la masa se refiere a
la cantidad de materia que posee un cuerpo, y se mide en kg (kilogramos masa), y el peso es una medida de la fuerza con la cual la Tierra atrae un objeto o cuerpo, y se mide en kgf (kilogramo fuerza).
Existen diferentes unidades de concentración, que dependen de las unidades en que se expresen las cantidades de soluto y solvente. Según el estado en que se encuentren los componentes de la solución y la solución misma, resulta más práctico utilizar unidades de masa o volumen. Si el soluto está en estado sólido, como la sal, el azúcar, el polvo para preparar jugo o el café instantáneo, será más conveniente medir su masa. Las masas se miden con una balanza y se expresan en gramos (g), kilogramos (kg), miligramos (mg). La unidad más comúnmente utilizada en las soluciones es el gramo (g). Si se necesita conocer la masa de un líquido, una de las formas es medir la masa del recipiente vacío (pesarlo) y luego descontar esa masa del valor que indica la balanza para el recipiente con el líquido. Si el soluto o el solvente son líquidos, como el agua o el alcohol, es más conveniente medir su volumen. Para medir volúmenes hay muchos tipos de recipientes graduados en el laboratorio: matraces, pipetas, vasos de precipitado o probetas. También en la cocina hay vasos u otros recipientes que con una escala indican el volumen de los líquidos.
Vaso de precipitado
Bureta
Pipeta
Matraz
Pipeta Probeta Elementos para medir líquidos en laboratorio
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2
Mezclas y soluciones
Los volúmenes se miden en litros (l), sus múltiplos y submúltiplos, entre los cuales las unidades más utilizadas son los mililitros (ml). Es conveniente recordar que: 1 litro = 1 decímetro cúbico = 1000 mililitros = 1000 centímetros cúbicos 1 l = 1 dm 3 = 1000 ml = 1000 cm 3 (1000 cc) Hay varias formas de indicar las concentraciones de las soluciones según los porcentajes de soluto y solvente: Porcentaje masa en masa (% m/m)
Indica la masa de soluto (en gramos) que hay cada 100 gramos de solución. Porcentaje masa en volumen (% m/V)
Indica la masa de soluto (en gramos) que hay cada 100 mililitros de solución. Porcentaje volumen en volumen (% V/V)
Indica el volumen de soluto (en mililitros) que hay cada 100 mililitros de solución.
PORCENTAJE MASA EN MASA (% m/m) Si tenemos una solución de sal en agua de concentración 10% m/m significa que se han pesado 10 gramos de sal y se disolvieron en agua, hasta que la solución tuvo una masa final de 100 gramos. Gramos
10
% Cada 100
m
soluto
m
solución
Gramos
Expresión de la concentración % m/m
Hay que tener en cuenta que la masa de la solución se obtiene sumando la masa de soluto más la masa de solvente: Masa de solución= masa de soluto + masa de solvente
SOLUCIÓN A 100 g de solución 10% m m
90 g H2O 10 g azúcar
180 g H2O 20 g azúcar
SOLUCIÓN B 200 g de solución m 10% m
Ambas soluciones tienen la misma concentración (10% m/m). Para poder compararlas debemos referirnos a la misma cantidad de solución (100 g), es decir, determinar cuánto soluto hay en cada una de ellas en una masa de 100 g de solución
56
CAPÍTULO
2
Problemas Ejemplo 1:
Si en un recipiente colocamos 20 gramos de azúcar y 150 gramos de agua, ¿cuál es la concentración de la solución que se forma? Resolución: Masa de soluto + masa de solvente = masa de solución Masa de azúcar + masa de agua = masa de solución 20 gramos + 150 gramos = 170 gramos de solución Entonces, en 170 gramos de solución hay 20 gramos de azúcar. ¿Cuántos gramos de azúcar habrá en 100 gramos de solución? 170 g de solución-------hay-------------20g de soluto 100 g de solución ------habrá------------ x X=
100 g de solución.20 g de soluto 170 g de solución
X= 11.76 g de soluto cada 100 g de solución, por lo tanto la concentración es 11,76 % m/m Si dividiéramos la solución obtenida en dos recipientes, la concentración en cada uno seguiría siendo la misma, ya que en un volumen mayor o menor, o hasta en una gota de la misma solución, la concentración indica la relación o la proporción entre soluto y solvente, independientemente del volumen de solución que se tome. Ejemplo 2:
Si se desea preparar 300 gramos de una solución de azúcar en agua que tenga una concentración 20% m/m ¿Cuántos gramos de soluto (azúcar) se necesitan? Resolución: Una concentración 20% m/m significa que en 100 gramos de solución están disueltos 20 gramos de azúcar: Si 100 gramos de solución-------contienen---------------20 gramos de soluto 300 gramos de solución-------contienen---------------x gramos de soluto X=
300g de solución.20 g de soluto 100g de solución
X= 60 gramos de soluto (azúcar)
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2
Mezclas y soluciones
Actividades 1 Soluto
Componente de la solución que disuelve a otro
Solución
Forma de expresar la concentración de una solución
Porcentaje m/m
Relación entre la cantidad de soluto y solvente
Solvente
Solución de dos sólidos
Concentración
Componente de la solución disuelto por otro
Aleación
Mezcla homogénea fraccionable
2 Representen con el modelo de partículas una solución diluida, y otra con una concentración triple que la primera. 3 Calcular la concentración % m/m de una solución formada por 40 gramos de café instantáneo y 500 gramos de agua. 4 ¿Qué masa de soluto se necesita para preparar 200 gramos de una solución de concentración 5 % m/m?
PORCENTAJE MASA EN VOLUMEN (% m/V) Esta forma de expresar la concentración resulta muy útil cuando el soluto es sólido y el solvente líquido. Si se dice que una solución de azúcar en agua es 3% m/V, significa que se han medido tres gramos de azúcar y se los ha disuelto en agua hasta que la solución final ocupó un volumen de 100 mililitros. Gramos
3
% Cada 100
Expresión de la concentración % m/v
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m
soluto
V
solución
Mililitros
CAPÍTULO
2
La solución fisiológica que se utiliza para las nebulizaciones contiene nueve gramos de sal (cloruro de sodio) por cada litro de solución, por lo tanto, tiene una concentración 0,9% m/m, ya que si en 1000 mililitros de solución hay 9 gramos de sal, entonces, en 100 mililitros de solución hay 0,9 gramos de sal. La dipirona es un medicamento que se utiliza en forma de jarabe, para bajar la fiebre y como analgésico. La composición del jarabe se informa de la siguiente manera: Dipirona (soluto) ...........................................................................................5 gramos Excipiente autorizado cantidad suficiente para .......................................... 100 mililitros (solución) (El excipiente es una sustancia que se mezcla con el medicamento para facilitar su dosificación, como por ejemplo, agua). En este caso la concentración de dipirona del jarabe es 5% m/V, ya que cada 100 mililitros de jarabe hay cinco gramos de medicamento.
Problemas Ejemplo: Si el médico indica tomar 20 mililitros de jarabe de dipirona cada doce horas, ¿cuántos gramos de medicamento se toman en un día? Resolución: La concentración 5% m/V expresa que 100 ml de jarabe contienen 5 g de dipirona Entonces: 100 ml de solución--------contienen-------------5 gramos de soluto 20 ml de solución--------contienen--------------x gramos de soluto 20ml de solución.5 g de soluto X=
100 ml de solución
= 1 gramo de soluto (medicamento)
Luego: Si cada 12 horas se toma 1gramo de medicamento, en un día (24 horas) se tomarán 2 gramos de medicamento.
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Mezclas y soluciones
¿CÓMO MEDIR CORRECTAMEN TE UN VOLUMEN? Para medir volúmenes con gran exactitud se utilizan recipientes con cuellos delgados y altos, para que pequeñas variaciones de volumen se evidencien por grandes cambios en la altura del líquido. Estos recipientes graduados que se utilizan en el laboratorio tienen marcas grabadas en el vidrio llamadas aforos, que indican la calibración exacta del volumen. Cuando se mide el volumen de un líquido, el ojo del observador debe colocarse a la altura del aforo. El líquido cuando está en un tubo delgado forma una curvatura en la parte superior llamada menisco; la línea tangente al menisco debe coincidir con el aforo para que la medida del volumen sea exacta.
Si la observación se realiza a una altura diferente, se puede cometer un error de medición
RELACIÓN ENTRE % m/m y % m/V Algunas veces se conoce la concentración de una solución en % m/m, pero si el solvente es un líquido, resulta más práctico medir su volumen para expresar la concentración en %m/V.
m V
Existe una manera de vincular ambas formas de expresar las concentraciones, que es utilizando una propiedad intensiva de las soluciones llamada densidad.
=
m V
V =
m=
m
V
Si “tapamos” la variable que necesitamos averiguar, el esquema nos recuerda la fórmula que debemos utilizar para obtenerla a partir de los datos conocidos
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La densidad indica la cantidad de masa que posee un determinado volumen de solución, por ejemplo, si una solución tiene una densidad de 1,2 g/ml, significa que una masa de 1,2 gramos de solución ocupará un volumen de 1mililitro. La unidad de densidad más utilizada es gramos por mililitro = g/ml La densidad de una solución varía según la cantidad de soluto que tenga disuelta; esto diferencia las soluciones de las sustancias puras, en las cuales la densidad es invariable. Por ejemplo, un gramo de agua pura ocupa siempre un mililitro de volumen, y las soluciones de agua y azúcar tiene diferentes densidades según la cantidad de soluto (azúcar) que tenga cada solución.
CAPÍTULO
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La densidad tiene una expresión matemática: = m/V
La densidad del hielo es 0.9168 g/ml. Este comportamiento particular del agua tiene gran importancia para la biología, ya que cuando se congelan los lagos o los mares, el hielo flota y el agua se mantiene líquida en la profundidad, permitiendo la vida de la flora y la fauna.
Problemas Un ejemplo concreto de la relación entre las concentraciones % m/m y % m/V Se tiene una solución de una sal en agua de concentración 5% m/m y densidad 1,08 g/ml. ¿Podemos calcular cuál sería su concentración expresada en % m/V? Resolución: Una concentración 5% m/m indica que en 100 gramos de solución hay 5 gramos de sal disueltos. Necesitamos saber cuántos gramos de sal están disueltos en 100 mililitros de solución. Entonces como: = m/V V = m/d Reemplazando: 100g V = = 92,59 ml 1,08 g/ml Quiere decir que 100 g de solución van a ocupar un volumen de 92,59 ml. Entonces: En 100g de solución que tienen un volumen de 92,59 ml-----------hay-----5 g de soluto En 100 ml-----------hay-------x x=
El agua tiene su máxima densidad a 3°C (1g/ ml), es decir, que el hielo tiene menor densidad que el agua líquida, ya que al congelarse, su volumen aumenta
Actividad ¿Quieren comprobar el comportamiento particular del agua?
Tomen un vaso de plástico descartable y con un marcador indeleble hagan una marca hasta donde llenarán con agua. Colóquenlo en el freezer hasta que el agua se congele. Observen ahora hasta dónde llega el hielo.
100ml de solución. 5 g de soluto 92,59 ml de solución
x = 5,4 g de soluto en 100 ml de solución, o sea, que la concentración es 5,4 % m/V De manera similar podemos expresar una concentración % m/V en % m/m.
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Mezclas y soluciones
PORCEN TAJE VOLUMEN EN VOLUMEN (% V/V) Cuando el soluto y el solvente se encuentran en estado líquido es mucho más conveniente medir sus volúmenes que sus masas, por eso en este caso la concentración % V/V es el tipo de unidad elegida. Si se dice que una solución de alcohol en agua es al 20 % V/V, se está indicando que se han medido 20 mililitros de alcohol y se disolvieron en agua hasta que la solución ocupó un volumen total de 100 mililitros. Los perfumes son soluciones de esencias en alcohol en distintas concentraciones. Las bebidas alcohólicas se clasifican por la materia prima que se utilizó para su elaboración y por su graduación alcohólica, que no es otra cosa más que su concentración de alcohol en % V/V. Cuando se lee en una botella de cerveza que su graduación alcohólica es 7°, significa que su concentración de alcohol es 7 % V/V; el whisky, el vodka o el tequila tienen una graduación mucho más alta, que generalmente supera los 40°, porque el alcohol se ha concentrado por un proceso de destilación. En este caso la graduación indica que la bebida tiene 40 o más mililitros de alcohol cada 100 mililitros de bebida. Mililitros
40
% Cada 100
V
soluto
V
solución
Mililitros
Expresión de la concentración % v/v
Problemas Ejemplo1: El vinagre casero se prepara realizando una solución de ácido acético en agua con concentración 5% V/V. ¿Qué volumen de ácido acético se necesita para preparar 250 mililitros de vinagre? Resolución: Una concentración 5 % V/V indica que en 100 mililitros de solución hay 5 mililitros de soluto. Entonces: Si en 100 ml de solución (vinagre) --------- ---hay---------------5 ml de soluto (ácido acético) En 250 ml de solución (vinagre) ------------hay---------------x ml de soluto X=
250 ml de solución. 5 ml de soluto 100 ml de solución
X =12 ,5 ml de soluto, o sea, que se necesitan 12,5 ml de ácido acético
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CAPÍTULO
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Ejemplo 2: ¿Cuál es la concentración de una solución para batería de autos que se prepara agregando 24 ml de ácido sulfúrico al agua para obtener 250 ml de solución? Resolución: Si en 250 ml de solución----------hay-------------24 ml de soluto (ácido) En 100 ml de solución----------hay-------------x ml de soluto X=
100 ml de solución . 24 ml de soluto 250 ml de solución
= 9,6 ml de soluto
Entonces si hay 9,6 ml de soluto cada 100 ml de solución, la concentración será 9,6 % V/V.
OTRAS UNIDADES DE CONCENTR ACIÓN Existen algunas otras formas de expresar la concentración de las soluciones. Un caso es el de las unidades químicas, como por ejemplo, la molaridad (M) y la normalidad (N), que son unidades que se usan habitualmente para el trabajo en el laboratorio y para la resolución de problemas específicos. En la industria farmacéutica se utiliza la relación gramos por litro (g/l) o miligramos por litro (mg/l), para especificar la concentración de los componentes activos de un medicamento, ya que en estos casos la cantidad de soluto es pequeña en comparación con la cantidad de solvente. Cuando se habla de contaminación del agua, del aire o de los alimentos, la concentración de los tóxicos se expresa en partes por millón (ppm). Una parte por millón de tóxico indica que hay una parte de tóxico por cada millón de partes de solución, por ejemplo, un gramo de contaminante en un millón de gramos de solución. En soluciones acuosas esta expresión es equivalente a miligramo por litro (mg/l). El monóxido de carbono (CO) es un gas tóxico que se produce en la atmósfera a partir de la combustión en los motores de los vehículos. En las grandes ciudades generalmente el aire está contaminado con CO. Para evaluar la calidad del aire, se considera como cantidad máxima tolerable de CO nueve ppm. En las horas de mayor tránsito, esta cifra puede trepar hasta 35 ppm; un valor que puede causar daños a la población en general y más especialmente a los niños y a los ancianos.
El CO se produce cuando se queman combusti do de producción de CO es el automóvil
Sugerencias Concentración de las soluciones:
Pueden practicar con un simulador para analizar lo que ocurre cuando aumenta o disminuye la cantidad de soluto y solvente: http://phet.colorado. edu/en/simulation/ sugar-and-salt-solutions
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Mezclas y soluciones
Actividades 1
correspondientes en cada caso: a) En 200 ml de solución 20% V/V hay 20 ml de soluto. b) Una solución de concentración 30% m/V tiene 30 g de soluto en 100 g de solución. c) Si se tienen 6 g de soluto en 200 ml de solución, la concentración es 3% m/V.
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Resuelvan los siguientes problemas: a) Calcular la densidad de una solución que tiene una masa de 108 gramos en 100 ml de volumen. b) ¿Cuántos mililitros de alcohol ingiere una persona que bebe dos vasos (250 ml c/u) de vino de 12° de alcohol (12% V/V)? c) La densidad de una solución es 1,9 g/ml. ¿Cuál será el volumen que ocupan 500 g de solución? d) Se tiene una solución de concentración 10 % m/V y una densidad 1,3 g/ml. Expresar esta concentración en % m/m.
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Consigan una etiqueta de una botella de agua mineral y anoten los datos de su composición. Responder: bebemos habitualmente? (Si es necesario investiguen en Internet). un perfume y una loción refrescante corporal (body splash). Relaciónenla con lo que aprendieron sobre concentración de las soluciones.
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CAPÍTULO
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TIPOS DE SOLUCIONES SEGÚN LA CONCENTR ACIÓN Sabemos que la relación entre las cantidades de soluto y solvente que forman una solución se denomina concentración de la solución. Según como sea esa relación, las soluciones se pueden clasificar en concentradas, diluidas, saturadas y sobresaturadas. Se denominan soluciones diluidas a las soluciones que tienen poco soluto en relación con la cantidad de solvente, por ejemplo, cuando preparan un jugo artificial, si disuelven el sobre de polvo en mucha cantidad de agua resultará una bebida “aguada”, esto es una solución diluida. Cuando la proporción de soluto es alta en relación con la cantidad de solvente, la solución es concentrada. Un ejemplo podría ser un té o un café demasiado “fuerte” o el mismo jugo del ejemplo anterior si se lo preparara con menos agua que la indicada; en este caso la bebida nos queda demasiado “pura” en el lenguaje cotidiano, es, entonces, una solución concentrada. En muchos casos la intensidad del color de la solución obtenida es un indicador de la concentración, como ocurre con los jugos, el té y el café. Al colocar una pequeña cantidad de sal en un vaso de agua, por ejemplo, NaCl (cloruro de sodio, que es la sal que utilizamos en la cocina), se puede observar que se disuelve con facilidad, formando una solución diluida. Si seguimos agregando sal a la misma temperatura, la solución será cada vez más concentrada, hasta que llegará un punto en el cual la sal no se disuelve más a esa temperatura, y comenzará a depositarse en el fondo. La solución que se formó es una solución saturada, que es aquella que tiene la máxima cantidad de soluto que el solvente puede disolver a determinada temperatura. Al calentar la solución saturada, parte del sólido que se había depositado en el fondo comenzará a disolverse, formando parte de la solución: se habrá obtenido una solución sobresaturada, que es un sistema inestable, ya que sólo se mantendrá disuelto el exceso de soluto mientras se mantenga la temperatura. Una solución sobresaturada tiene disuelta mayor cantidad de soluto que la permitida para una temperatura dada. Solución diluida
Solución concentrada
Más soluto
Soluto
Solución saturada
Más soluto
Soluto en exceso
Solución sobresaturada
Aumento de temperatura
Disminución de temperatura
SOLUBILIDAD Cuando se realiza una solución se puede observar que no es posible disolver cualquier cantidad de soluto en una determinada cantidad de solvente. Por el contrario, existe una cantidad máxima que es posible disolver, y si se siguiera agregando soluto, éste se depositaría en el fondo del recipiente. A esta cantidad máxima se la denomina solubilidad.
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Mezclas y soluciones
La solubilidad de un soluto en un solvente depende de las características del soluto, del solvente, de la temperatura, y en los gases, también de la presión. La medida de la solubilidad de una sustancia es la concentración de su solución saturada (la que tiene la cantidad máxima de soluto a determinada temperatura).
INFLUENCIA DE LA TEMPERATUR A Y LA PRESIÓN EN LA SOLUBILIDAD La solubilidad de las sustancias en muchos casos varía con el aumento de la temperatura del solvente. En la mayoría de las soluciones de sólidos en líquidos al aumentar la temperatura, la solubilidad aumenta, pero existen algunos casos en los cuales puede disminuir al aumentar la temperatura, o permanecer casi inalterable. Por eso siempre que se expresa un dato de solubilidad se informa la temperatura. Las gaseosas tienen CO2 disuelto a una presión cuatro veces mayor que la de la atmósfera. Al abrir la lata o la botella disminuye la presión dentro del envase, y parte del gas se “escapa” produciendo el sonido característico
La solubilidad se expresa en gramos de soluto por cada 100 gramos de solvente. Por ejemplo, la solubilidad del cloruro de sodio (sal de cocina) es 35,7 g cada 100 g de agua a 25°C. 35,7g Solubilidad del NaCl = a 25°C. 100g H2O
En las soluciones de sólidos y líquidos en solventes líquidos la presión prácticamente no influye en la solubilidad, por eso no es relevante informarla. En las soluciones en que el soluto es un gas y el solvente un líquido, la solubilidad disminuye al aumentar la temperatura; esto explica por qué cuando una gaseosa está caliente tiene muy pocas burbujas de gas, ya que al aumentar la temperatura, el gas se disuelve menos en el líquido y “escapa” del recipiente. Como los gases son compresibles, al aumentar la presión, las moléculas del gas son “empujadas” o forzadas a disolverse en el líquido, por eso la solubilidad de los gases aumenta al aumentar la presión. Este principio se utiliza en la fabricación de soda y gaseosas.
CURVAS DE SOLUBILI DAD La variación de la solubilidad en función de la temperatura se puede representar en un gráfico de ejes cartesianos. Estos gráficos son muy útiles en el trabajo de laboratorio y en la resolución de problemas. En el eje Y se representa la variación de la solubilidad, y en el eje X la temperatura. Los puntos sobre la curva representan la solución saturada a diferentes temperaturas, la región por encima de la curva corresponde a las soluciones sobresaturadas, y por debajo de ella a las soluciones no saturadas.
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) a u g a e d90 s o m80 a r g 0 70 0 1 a d60 a c l a 50 s e d s 40 o m a 30 r g ( d20 a d i l i b10 u l o S
Soluciones sobresaturadas i o s t a o
p d e o t
r a c l o e d d a r a
Soluciones no saturadas
u
i ó n
l u c S o
10
20
30
40
t s a
50
60
70
80
90
2
EJE X
EJE Y
Temperatura °C
Solubilidad g soluto/ 100 g H 2O
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
3,3 5,0 7,4 10,5 14,0 19,3 24,5 31,5 38,5 48,0 57,0
Temperatura °C
gramos de clorato de potasio se disuelven en 100 gramos de agua a 40°C o, por ejemplo, a qué temperatura se disolverán 30 gramos de clorato de potasio en 100 gramos de agua.
Para interpretar el gráfico se debe leer cada par ordenado de valores. Por ejemplo, para un valor 40 en el eje X (40°C) corresponde un valor 14 en el eje Y (14 g de clorato de potasio disueltos en 100g de H2O).
Actividades Analicen la siguiente situación y respondan relacionando con lo que aprendieron en este capítulo: Un señor compró un pez en el acuario, al llevarlo a su casa preparó la pecera, y para asegurarse de que el agua no estuviera contaminada, la hirvió por un largo rato. Dejó que se enfriara el agua, llenó la pecera y colocó con cuidado el pez dentro de ella. Cuando fue a mirarlo luego de unas horas comprobó con tristeza que el pez había muerto. ¿Por qué pueden respirar los peces bajo el agua? ¿Qué ocurre cuando se hierve el agua? (piensen en las burbujas que se observan). ¿Qué debía haber sabido el señor de la historia?
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Mezclas y soluciones
Actividades solubilidad de distintas sustancias (es conveniente utilizar un papel milimetrado o cuadriculado). Temperatura °C
Solubilidad (g de soluto/100g de solución) Nitrato de potasio Cloruro de potasio Cloruro de sodio
Sulfato de cobre
0°C
13
24
35,6
14
20°C
32
38
35,7
21
40°C
64
40
36
29
60°C
110
45
36,6
40
80°C
169
51
37
55
100°C
190
60
40
80
¿Cuál de las sustancias es más soluble en agua a 30°C? ¿A qué temperatura se disuelven 30 g de cloruro de potasio? Si se disuelven 20 g de nitrato de potasio a 20°C ¿Cuántos gramos habrá que agregar para obtener una solución saturada? En el caso del cloruro de sodio, ¿se disolverá más sal que la disuelta a 20°C si el agua se calienta a 80°C?
SEPARACIÓN DE LOS COMPONENTES DE UNA SOLUCIÓN Una solución es una mezcla homogénea fraccionable, ya que sus componentes pueden separarse por procedimientos llamados métodos de fraccionamiento. Los métodos utilizados para separar los componentes de las soluciones son: la destilación simple, la destilación fraccionada, la cristalización y la cromatografía. Dependiendo del estado de los componentes se puede seleccionar el método más adecuado. Los cristales son sólidos cuyos átomos y moléculas tienen una distribución geométrica
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Si quisiéramos separar un soluto sólido de un solvente líquido y no tuviéramos interés en conservar el líquido, podríamos utilizar el método de cristalización.
CAPÍTULO
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El procedimiento es muy simple, consiste en calentar suavemente la solución para lograr que todo el solvente se vaya eliminando en forma de vapor y sólo quede el soluto. Si se quieren obtener cristales, la evaporación debe hacerse lentamente, a temperatura ambiente. La cristalización es un método utilizado para purificar la sal de mesa cuando se extrae de las salinas. Cuando la solución está formada por un soluto sólido y un solvente líquido y se desean obtener ambos componentes, el método apropiado es la destilación simple. Tomemos como ejemplo una solución de agua y sal (cloruro de sodio). El equipo necesario para realizar este procedimiento se arma en el laboratorio. En un recipiente (balón de destilación) se coloca la solución. El balón tiene una salida lateral que se conecta con un refrigerante, que es un tubo de vidrio doble. Por la parte externa del refrigerante circula agua fría, y por el interior circula el vapor que se produce en la destilación. Utilizando un mechero se calienta la solución hasta que el agua comienza a hervir y a transformarse en vapor. El vapor va saliendo del balón por el tubo lateral y al llegar al refrigerante se condensa convirtiéndose nuevamente en agua líquida, que es recogida en un frasco colector (a la salida del refrigerante). De esta manera en el balón queda la sal y en el frasco colector el agua, separándose así los dos componentes de la solución. Termómetro Soporte
Cabeza de destilación
Pinza Nuez Matraz
Refrigerante
Alargadera
Placa calefactora
Equipo de destilación
Recipiente colector
Cuando la mezcla que se desea separar está formada por soluto y solventes líquidos, el método más conveniente es la destilación fraccionada. Este método es muy similar al anterior, pero tiene en cuenta los puntos de ebullición de los líquidos. Los líquidos más volátiles (de menor punto de ebullición) son los que se transforman en vapor más rápidamente. Como la temperatura se mantiene constante mientras se destila cada sustancia, colocando un termómetro en la zona de salida del vapor se puede saber cuándo ha terminado de destilar una fracción y comienza a destilar el otro componente de la solución. Éste es el método que se utiliza para separar los hidrocarburos que forman el petróleo.
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Mezclas y soluciones
Gas (Butano
20 °C
y propano) Productos químicos
70 °C
Combustible para vehículos (gasolina)
140 °C Queroseno
190 °C
270 °C 320 °C
La técnica de cromatografía permite separar e identificar los componentes de una solución cuando éstos son muy similares entre sí y, por ejemplo, sus puntos de ebullición están demasiado cercanos como para utilizar un procedimiento de destilación.
Combustibles Diesel
Este método se basa en las diferencias de solubilidad de los solutos en un solvente.
Combustible para calefactores (Fuel oil)
Existen muchas variantes de la técnica, pero en todos los casos hay una fase móvil que generalmente es un líquido (puede ser un gas) que se desplaza por un soporte que puede ser un papel poroso, una columna rellena con material absorbente como el yeso o una tiza, que es la fase estacionaria.
Lubricantes, ceras
335 °C Asfalto
400 °C
El equipo tiene una serie de platillos a distintas alturas donde se van recogiendo los diferentes líquidos a medida que se van separando (en orden creciente de sus puntos de ebullición).
350 °C
Equipo de destilación fraccionada utilizado en destilación de petróleo
Sugerencias Pueden ver este video para entender el proceso de destilación simple y fraccionada en: http://www.youtube.com/ watch?v=W7Vlxn4e2v0
De acuerdo con la afinidad que tenga cada soluto con la fase móvil o con la fase estacionaria se desplazará por el soporte con mayor o menor rapidez. Si la sustancia es muy soluble en el solvente (fase móvil), se moverá rápidamente por el soporte, en cambio, si es poco soluble, quedará en la fase estacionaria moviéndose lentamente. Como resultado de este procedimiento se separarán los componentes de la solución formando bandas que pueden ser visualizadas directamente, si la sustancia tiene pigmentos coloreados o revelados por algún reactivo o se la ilumina con luz ultravioleta. La técnica fue inventada en el año 1903 por el botánico Michael Tswett, cuando realizaba sus investigaciones sobre los pigmentos de los vegetales, y la llamó de esta manera tomando las palabras griegas chroma, que significa color, y graphein: escribir, (escribir en color), haciendo alusión a las bandas de distintos tonos de verdes y amarillos que se formaban al analizar la clorofila por este método.
La cromatografía es una técnica analítica muy utilizada en medicina y estudiar las sustancias que componen los genes; o en la industria, para detectar los colorantes utilizados en los alimentos o los componentes de una mezcla gaseosa, entre sus muchas aplicaciones
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CAPÍTULO
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Lectura El drama del agua (Un cuento de ciencia ficción para reflexionar) Estamos en el año 2070. Termino de cumplir los 50, pero mi apariencia es de alguien de 85. Tengo serios problemas renales porque bebo muy poca agua. Creo que me resta poco tiempo. Hoy soy una de las persona más viejas en esta sociedad. Recuerdo cuando tenía 5 años. Había muchos árboles en los parques, las casas tenían bonitos jardines y yo podía disfrutar de un baño quedándome debajo de la ducha por una hora. Ahora usamos toallas humedecidas en aceite mineral para limpiar la piel. Antes todas las mujeres mostraban sus bonitas cabelleras. Ahora debemos raparnos la cabeza para mantenerla limpia sin usar agua. Antes mi padre lavaba el auto con el agua que salía de una manguera. Hoy los niños no creen que el agua se utilizaba de esa manera. Recuerdo que había muchos anuncios que decían “CUIDA EL AGUA”, sólo que nadie le hacía caso; pensaban que el agua jamás se podía terminar. Ahora, todos los ríos, represas, lagunas y mantos acuíferos están irreversiblemente contaminados o agotados. Inmensos desiertos constituyen el paisaje que nos rodea por todos lados. Las infecciones gastrointestinales, enfermedades de la piel y de las vías urinarias, son las principales causas de muerte. La industria está paralizada y el desempleo es dramático. Las fábricas desalinizadoras son la principal fuente de empleo y te pagan con agua potable en lugar de salario. Los asaltos por un bidón de agua son comunes en las calles desiertas. La comida es 80% sintética. Antes, la cantidad de agua indicada como ideal para beber eran ocho vasos por día para una persona adulta. Hoy sólo puedo beber medio vaso. La ropa es descartable, lo que aumenta la cantidad de basura; tuvimos que volver a los pozos ciegos (cámara séptica) como en el siglo pasado porque las redes de cloacas no se pueden usar por falta de agua. La apariencia de la población es horrorosa, cuerpos desfallecidos, arrugados por la deshidratación, llenos de llagas en la piel por los rayos ultravioletas que no tienen la capa de ozono que los filtraban en la atmósfera. Por la sequedad de la piel una joven de 20 años está como si tuviera 40. Los científicos investigan, pero no hay solución posible. No se puede fabricar agua, el oxígeno también está degradado por falta de árboles lo que disminuyó el coeficiente intelectual de las nuevas generaciones.
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Mezclas y soluciones
Se alteró la morfología de los espermatozoides de muchos individuos. Como consecuencia hay muchos chicos con insuficiencias, mutaciones y deformaciones. El gobierno hasta nos cobra por el aire que respiramos, 137 m 3 por día por habitante y adulto. La gente que no puede pagar es retirada de las “zonas ventiladas”, que están dotadas de gigantescos pulmones mecánicos que funcionan con energía solar. No son de buena calidad, pero se puede respirar. La expectativa de vida es de 35 años. En algunos países quedaron manchas de vegetación con su respectivo río que es fuertemente vigilado por el ejército. El agua se volvió un tesoro muy codiciado, más que el oro o los diamantes. Aquí en cambio, no hay árboles porque casi nunca llueve, y cuando llega a registrarse una precipitación, es de lluvia ácida. Las estaciones del año están severamente transformadas por las pruebas atómicas y de las industrias contaminantes del siglo XX. Se advertía que había que cuidar el medio ambiente y nadie hizo caso. Cuando mi hija me pide que le hable de cuando era joven, describo lo bonito que eran los bosques. Le hablo de la lluvia, de las flores, de lo agradable que era darse un baño y poder pescar en los ríos y en las represas, beber toda el agua que quisiese. Y lo saludable que era la gente. Ella me pregunta ¿Papá por qué se acabó el agua? Entonces, siento un nudo en la garganta. No puedo dejar de sentirme culpable, porque pertenezco a la generación que terminó destruyendo el medio ambiente o simplemente no tomamos en cuenta tantos avisos. Ahora nuestros hijos pagan un precio alto. Sinceramente creo que la vida en la Tierra ya no será posible dentro de muy poco porque la destrucción del medio ambiente llegó a un punto irreversible. Cómo me gustaría volver atrás y hacer que toda la humanidad hubiera comprendido esto... ... cuando todavía podíamos hacer algo para salvar nuestro planeta Tierra. Espero que con esto contribuyamos un poco en tomar conciencia acerca de la situación del agua. Esto no es un juego, es ya hoy nuestra realidad. Hazlo por tus hijos, si hoy no tienes tal vez un día los tengas, no les heredes un desastre... Herédales la vida. Fuente: revista Crónica de los Tiempos (2002). Autor desconocido Análisis:
a) Enumeren causas y consecuencias de la escasez de agua. b) ¿Qué es una planta desalinizadora?
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CAPÍTULO
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¿Vamos al laboratorio? Experiencia N° 1: Densidad de las soluciones Objetivo
Observar la variación de la densidad de una solución a medida que va cambiando su concentración. Materiales
Procedimiento
1) Midan la masa de la probeta vacía en la balanza (registren el dato). 2) Preparen una solución en el vaso de precipitados colocando una cucharada de sal y agregando agua hasta completar 50 ml, agiten con la varilla hasta su disolución completa. 3) Lleven la solución a la probeta, hasta un volumen exacto de 50 ml. 4) Midan la masa de la probeta con solución (registren el dato). 5) Calculen la masa de la solución: Masa de solución = masa de la probeta con solución – masa de la probeta vacía 6) Calculen la densidad (en g/ml) con los datos obtenidos: d= m/V. 7) Vuelvan a colocar la solución en el vaso y agreguen otra cucharada de sal, agiten y repitan el procedimiento anterior, recordando siempre llenar la probeta hasta un volumen de 50 ml (registren los resultados). 8) Repitan la operación colocando ahora tres cucharadas de sal.
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Mezclas y soluciones
Registro de datos
Completen la tabla siguiente con los datos que obtuvieron: Solución
Cantidad de soluto (sal)
Volumen de solución
Masa de solución
Densidad de solución
Conclusiones
¿Qué ocurre con la densidad cuando aumenta la cantidad de soluto en la misma cantidad de solvente, (aumenta la concentración)? ¿Si en lugar de una solución se tratara de agua pura, la densidad sería mayor o menor? ...................................................................................................................................................... Experiencia N° 2: Separación de los componentes de una solución por el método de cristalización. Objetivo
Obtener cristales de diferentes sales. Materiales
Reactivos (sustancias)
Procedimiento
Preparen una solución concentrada de cada una de las sales en un vaso de precipitados.
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CAPÍTULO
2
Coloquen una pequeña cantidad de cada solución obtenida en un vidrio de reloj y busquen un lugar en el laboratorio donde las muestras puedan permanecer varios días, hasta que el agua se evapore (hay que tener paciencia). Cuando se haya evaporado todo el solvente, observen con una lupa los cristales obtenidos. Anoten las características y dibujen lo observado en sus informes. Calienten suavemente sobre la tela metálica el resto de la solución que prepararon hasta que se evapore todo el solvente. Observen y registren los resultados. Conclusiones
¿Qué diferencias encuentran entre los productos obtenidos en los dos procedimientos? ¿En qué casos resulta útil el método de cristalización? ¿Qué otro método de fraccionamiento de soluciones podría haberse utilizado para obtener la sal? .......................................................................................................... Experiencia N° 3: Cromatografía Objetivo
Separar los componentes de una tinta. Materiales
Reactivos
Procedimiento
Dibujen un trazo o una mancha de marcador con tinta negra “al agua” sobre la parte más angosta de la tira de papel secante (fase estacionaria), a 2 cm del borde. Coloquen en el vaso de precipitado 1 o 2 cm de altura de agua (fase móvil).
Papel absorbente
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Mezclas y soluciones
Cromatograma
Clip Varilla Mancha de tinta
Solvente Tira de papel
(el clip sujeta la tira de papel sobre la varilla)
nivel de líquido. Sostengan la tira de manera que quede en forma vertical (pueden usar para esto una pinza de madera o una varilla de vidrio sobre la boca del vaso y un broche tipo “clip” para sostener el papel en la varilla). Antes de que el solvente alcance el extremo superior, retiren el papel y dejen secar al aire. Repitan ahora la experiencia utilizando marcadores “al solvente” y alcohol, en lugar de agua como fase móvil. Se pueden mezclar tintas de varios colores (realizando trazos superpuestos) para obtener resultados más interesantes. Conclusiones
¿Cuántas tintas diferentes observaron? ¿Todos los colores se separaron? ¿Cuál de los pigmentos es más afín con el solvente en cada caso? ¿Podrían haber utilizado una técnica de destilación para separar las tintas? ¿Por qué? Nota
Esta misma técnica se puede utilizar para separar los diferentes pigmentos que componen la oscuro como la espinaca) machacándolas en un mortero; se pueden ayudar utilizando unas gotas de alcohol o acetona. Luego se colocarán unas pequeñísimas gotas sobre la tira de papel secante (se puede hacer un trazo o una mancha con un palillo de madera). Una vez seca la mancha se procede como en los casos anteriores, utilizando como solvente o fase móvil alcohol etílico.
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CAPÍTULO
Cambios físicos y cambios químicos
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En la naturaleza permanentemente ocurren cambios y transformaciones; si miramos a nuestro alrededor, podemos observar que el agua se evapora, algunos metales se oxidan, los alimentos se modifican cuando se cocinan, el papel se quema al acercarse al fuego. En los seres vivos ocurren muchísimos cambios que no podemos advertir, pero que son esenciales para mantener la vida: la respiración, la digestión y la fotosíntesis ocurren en el interior de los organismos vivos a partir de sustancias que se incorporan desde el medio exterior. Hablamos de cambio cuando un sistema pasa de un estado a otro diferente. Durante las transformaciones o los cambios, los sistemas tienden a estados más estables. En los cambios físicos ocurren algunas transformaciones de la materia, pero su composición química no se modifica. Por ejemplo, cuando el agua, formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H 2O), se congela, cambia su estado, su densidad y su aspecto, pero sigue siendo agua, con sus dos átomos de hidrógeno y su átomo de oxígeno. Han cambiado las fuerzas de atracción entre un átomo y otro, lo que produce modificaciones en las características de la sustancia, pero la sustancia sigue siendo la misma. Algo similar ocurre cuando el agua pasa del estado líquido al gaseoso.
Molécula de agua
a) Estado sólido
+ calor
+ calor
- calor
- calor
b) Estado líquido
c) Estado gaseoso
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Cambios físicos y cambios químicos
La mayoría de los cambios físicos son reversibles, esto significa que las sustancias que se han transformado pueden volver a su estado original; así, al congelarse el agua se forma el hielo, que cuando se derrite vuelve a ser agua líquida. Entonces, al romper, triturar, doblar, aplastar, fundir o congelar una sustancia se producen cambios físicos que no originan sustancias nuevas, sino modificaciones en el aspecto o en el estado de la misma sustancia. En los cambios químicos o en las reacciones químicas, las sustancias experimentan modificaciones que las transforman en otras sustancias diferentes; estos procesos ocurren por la ruptura o la formación de enlaces entre los átomos que forman las moléculas.
Vocabulario
+
Cambio físico Transformación en la cual las sustancias intervinientes no se convierten en otras, son las mismas antes y después del proceso.
En general, en las transformaciones químicas hay evidencias o signos que nos permiten percibirlas, por ejemplo, la generación de calor, el cambio de color, la producción de luz o la formación de un gas que origina desprendimiento de burbujas. En algunos casos los cambios no son tan perceptibles: ¿podríamos darnos cuenta de que una planta está haciendo fotosíntesis? Todos los procesos conocidos como reacciones químicas tienen las siguientes características: Las sustancias presentes inicialmente se transforman durante el proceso en otras sustancias nuevas. Durante el transcurso de la reacción química se libera o absorbe energía en forma de calor, luz o electricidad. Las reacciones químicas consisten en reordenamientos de átomos, como consecuencia de ruptura y formación de enlaces químicos. La mayoría de las reacciones químicas son procesos irreversibles , en los cuales no es posible recuperar las sustancias originales una vez ocurrida la transformación; son cambios permanentes que no se pueden deshacer, por ejemplo, no se pueden recuperar los ingredientes de una torta una vez que se ha horneado.
La fotosíntesis es un conjunto de reacciones químicas en las cuales el agua que la planta absorbe por las raíces y el dióxido de carbono que toma del aire se combinan, en presencia de la luz solar captada por glúcidos y oxígeno
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CAPÍTULO
Pero existen también algunos procesos químicos reversibles; son reacciones de “ida y vuelta” que generalmente se producen al mismo tiempo, pero según las condiciones, la reacción será más fuerte en uno u otro sentido. Son procesos muy interesantes para la industria, la medicina y la tecnología, ya que permiten controlar y modificar las variables para lograr beneficios o ventajas.
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Actividad procesos físicos o químicos:
Los cambios químicos o las reacciones quími cias, dando lugar a la formación de nuevas
En las reacciones químicas, las sustancias que reaccionan y están presentes en el comienzo de la reacción se llaman reactivos, y aquellas que se forman como consecuencia del proceso se denominan productos.
¿CÓMO OCURR E UNA REACCIÓN? Para que una reacción química ocurra, es necesario que entren en contacto las partículas (átomos moléculas o iones) que forman los reactivos. Las partículas deben “chocar” entre sí para lograr romper los enlaces que mantienen unidos los átomos de los reactivos, que una vez separados forman nuevas uniones, constituyendo moléculas diferentes. Este modelo de representación se llama teoría de las colisiones.
C C
+ +
do en polvo en agua ción del agua
O
O O
C
C
O O
O O2
CO2
La molécula de oxígeno (O2) primero rompe la unión entre sus dos átomos, que una vez libres forman dos nuevos enlaces con el carbono (C), transformándose en una nueva sustancia, el dióxido de carbono (CO2)
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Cambios físicos y cambios químicos
Sugerencias Pueden ver dos lindos videos para diferenciar fenómeno físico y reacción química, y comprender la teoría de colisiones. http://videos.educ.ar/play/ Velocidad_de_reacciones_quimicas http://videos.educ.ar/play/ Reaccion_quimica
Para que una reacción se produzca, no siempre basta con poner los reactivos en contacto. Las reacciones necesitan para iniciarse un mínimo de energía que se llama energía de activación; en algunos casos la temperatura ambiente es suficiente para que la reacción comience, son las reacciones espontáneas; un ejemplo sería la reacción entre el bicarbonato de sodio y el vinagre, que comienza al mezclar ambas sustancias con desprendimiento de gas en forma de burbujas, y finaliza cuando uno o ambos reactivos se agotan. No todas las reacciones se producen con la misma velocidad, hay algunas que ocurren instantáneamente, como la explosión de una bomba, y otras que son muy lentas, como la oxidación del hierro o la digestión de los alimentos. Para medir la velocidad de una reacción, se
El tiempo que tarda en ocurrir una reacción química, es decir, su velocidad, depende de muchos factores, entre ellos, el estado de agregación de los reactivos, ya que en estado gaseoso o líquido las reacciones ocurren más rápidamente que cuando los reactivos son sólidos; esto se explica ya que en los estados anteriores es mayor la movilidad de las partículas y la probabilidad de que choquen entre sí, que cuando reaccionan sustancias sólidas. También tiene importancia la superficie de contacto entre las sustancias, esto es, el grado de división, ya que mientras más pequeñas sean las partículas, tienen más posibilidades de interactuar. La temperatura y la luz son factores que, en general, aceleran las reacciones químicas, porque ambas incrementan la energía de las partículas y, por lo tanto, su movilidad.
El gas que se produce en la reacción entre bicarbo nato de sodio y vinagre es dióxido de carbono (CO2) En inicia una combustión, o puede ser necesario calentar por algún tiempo para lograr que la reacción se produzca, como sucede en la cocción de los alimentos.
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Otras causas que modifican la velocidad con que ocurren las reacciones son: la naturaleza o la clase de reactivos , ya que hay sustancias que por su composición o características son más reactivas que otras y sus concentraciones; esto se puede explicar considerando que en una solución concentrada hay mayor cantidad de partículas, lo que implica mayor número de colisiones o choques entre ellas.
CAPÍTULO
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Existen además unas sustancias llamadas catalizadores, que son materiales que aumentan la velocidad de las reacciones sin consumirse, ya que no intervienen en la reacción o se regeneran al final de ella. Los catalizadores se utilizan en cantidades mínimas, por esa razón algunas veces se pueden usar materiales costosos como el platino; además, son específicos, lo cual significa que aumentan la velocidad de una determinada reacción, no de todas; esto indica que hay un catalizador especial para cada tipo de reacción. Hay una clase de catalizadores muy importantes para los organismos vivos, que se denominan enzimas, y son las que se encargan de acelerar la velocidad de las reacciones biológicas, como la digestión de los alimentos o la fermentación, que de otra manera serían extremadamente lentas, ya que ocurren a temperaturas bajas, como la del cuerpo humano.
La industria farmacéutica elabora medicamentos en forma de polvos, pastillas efervescentes o cápsulas con líquidos, para lograr que la velocidad de acción sea más rápida que cuando se toma un comprimido
LAS ECUACIONES QUÍMICAS Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas, que son expresiones que indican la naturaleza y la cantidad de los reactivos y los productos que intervienen en la reacción. El sentido de la flecha indica la dirección en la cual se produce la reacción; cuando la flecha es doble, significa que se trata de una reacción reversible. combina con”
Producto
A
+
B
Reactivos
C “igual” de la reacción)
y los estudiantes del mundo)
Los símbolos en las reacciones químicas Algunos otros símbolos se pueden colocar para describir características de la reacción, por ejemplo: Estado de agregación de las sustancias: sólido (s), líquido (l), gaseoso (g). La formación de un gas generalmente se simboliza así: La formación de un precipitado (sustancia sólida que aparece en una reacción generalmente entre reactivos líquidos) se simboliza de esta manera: (ppt) o
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Cambios físicos y cambios químicos
, luz
.
El medio donde se produce la reacción: medio acuoso (aq). Las sustancias, sean reactivos o productos, se representan en las ecuaciones por medio de símbolos químicos, que son letras que corresponden a los átomos de los elementos. Cuando los átomos se combinan entre sí dan lugar a compuestos químicos que se representan por medio de fórmulas químicas. En el siguiente ejemplo, utilizando toda la simbología, la reacción de combustión del carbón resultaría: C (s) + O2 (g)
CO2
Se lee: “El carbono en estado sólido reacciona con el oxígeno en estado gaseoso para producir dióxido de carbono gaseoso con desprendimiento de energía en forma de calor”.
La masa en las reacciones químicas Cuando ocurre una reacción química, los productos que se obtienen son nuevas sustancias con propiedades diferentes a las de los reactivos, por ejemplo, a temperatura ambiente, el hidrógeno y el oxígeno son dos gases incoloros; cuando reaccionan, en determinadas condiciones, se obtiene como producto agua que a temperatura ambiente es un líquido incoloro. Sin embargo, a pesar de las transformaciones, la cantidad o masa de producto que se obtiene es exactamente igual a la suma de las masas de los reactivos. 2 H2(g) + O2(g)
2 H2O(l)
Todos los procesos físicos y químicos cumplen con la ley de conservación de la masa (Ley de Lavoisier).
En consecuencia, cuando se produce una reacción química, la cantidad y el tipo de átomos que constituyen los reactivos deben ser iguales a la cantidad y a la clase de átomos de los productos formados.
C + O2
C O2 Reactivos
Producto
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CAPÍTULO
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EL BALA NCEO QUÍMICO Balancear o equilibrar una ecuación implica buscar números, que se llaman coeficientes estequiométricos , que indican la relación entre las cantidades de reactivos y productos, es decir, encontrar la proporción en que deben combinarse los reactivos para poder formar el o los productos. Cuando se prepara una torta para cuatro personas siguiendo una receta, se utiliza cierta cantidad de azúcar, harina, huevos y demás ingredientes. Si se quiere preparar la misma receta, pero en este caso para ocho personas, se modificarán las cantidades de los ingredientes, conservando la proporción entre ellos, es decir, si se duplica la cantidad de harina, se hará lo mismo con el azúcar y los demás ingredientes. De la misma manera se trabaja en química, la ecuación química balanceada nos indica la proporción en que se combinan los reactivos, y nos permite calcular las cantidades de reactivos que se deben utilizar para obtener la masa de productos deseada. Hay varios métodos para balancear ecuaciones; el método de comparación o tanteo es el procedimiento más sencillo, pero es necesario cumplir con las siguientes condiciones: Los coeficientes se colocan siempre delante de las sustancias. No pueden modificarse los subíndices de las fórmulas, ya que se modificaría la identidad de la sustancia.
Es considerado el padre de la química moderna, ya que a partir de sus experimentos y descubrimientos produjo un cambio revolucionario en la forma en que se concebía la química hasta ese momento. Entre sus importantes aportes, diseñó un sistema de alumbrado público, descubrió el rol del oxígeno descubrió que el agua no era un elemento, como se creía hasta entonces, sino un compuesto formado por dos elementos químicos. Aunque tal vez su aporte más relevante fue la ley de conservación de la masa , ya que al introducir el uso de la balanza se cambió la forma en que se estudiaba la materia y sus combinaciones. Lavoisier participó en la Revolución
Un coeficiente multiplica toda la fórmula. Por ejemplo: 2 H2O significa que hay cuatro átomos de Se utilizan como coeficientes números enteros y pequeños. Veamos el siguiente ejemplo: Cuando el hierro se oxida, ocurre una reacción química en la cual el hierro se combina con el oxígeno del aire, según la siguiente ecuación: 2
Esta ecuación no cumple con la ley de conservación de la masa; si observamos, en los reactivos hay dos átomos de oxígeno (O 2) y en los productos sólo uno (O). Por lo tanto, es necesario colocar los coeficientes que la equilibren, para que la cantidad de productos y reactivos sean iguales.
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Cambios físicos y cambios químicos
Comenzamos colocando un coeficiente 2 del lado de los productos:
Sugerencias
2
Un juego para balancear ecuaciones químicas http://phet.colorado.edu/en/ simulation/balancing-chemicalequations
Como el 2 multiplica toda la fórmula, habrá como pro 2
Ahora la cantidad de átomos de hierro también está igualada y la ecuación queda balanceada.
O
O
Masa de los reactivos
Masa de los productos
=
Actividades
2
Balanceen o equilibren las siguientes ecuaciones por el método de tanteo: a) Ca + O2
CaO
c) Al + O2
Al2O
b) P + O 2
P2O5
d) N2 + H2
NH
Completen las siguientes oraciones: Una reacción química se representa por medio de................................................................ Las sustancias que se obtienen en una reacción química se llaman .................................... ...................... ................................................................... La masa de los reactivos es .................................. a la masa de los productos, según la ley de .............................................................................................................................................. La energía necesaria para que se inicie una reacción se llama ............................................. La rapidez o velocidad con que ocurre una reacción química depende de muchos factores como: ...................................................................... , ................................ y ........................... Los catalizadores son sustancias que ..................................................................................... Las enzimas son .......................................................................................................................
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CAPÍTULO
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LA ENERGÍA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS En todas las reacciones químicas se producen variaciones de energía; en algunos casos se pueden percibir, por ejemplo, el calor y la llama que se origina en la combustión de un material, en otros casos resulta difícil, ya que la energía se disipa al ambiente, como cuando se oxida lentamente un metal. En el organismo humano se produce un proceso llamado respiración celular, en el cual el oxígeno que inhalamos es llevado por el torrente sanguíneo hasta las células, donde se combina con algunos nutrientes, y como resultado se produce la energía necesaria para mantener el calor corporal y realizar todos los procesos vitales. Las reacciones exergónicas son aquellas que liberan energía al producirse. Cuando esta energía se manifiesta en forma de calor, las reacciones se llaman exotérmicas, como por ejemplo, la combustión del gas al encender una hornalla. Otras transformaciones, en cambio, para producirse necesitan absorber energía, son las reacciones endergónicas. Cuando absorben energía térmica, es decir, calor, se llaman endotérmicas. Las reacciones endotérmicas son más difíciles de identificar en la vida cotidiana. Algunos ejemplos de reacciones endotérmicas: los alimentos se cocinan y cambian su composición química mediante la absorción de energía caloríca; el fenómeno de la formación del ozono (O ) en las altas capas de la atmósfera se produce por la absorción de energía radiante por parte de los átomos de oxígeno (O 2). O2 + energía
2 O. (radical oxígeno)
(Ruptura de enlaces entre átomos de O 2) O2 + O.
O (ozono)
Para poder determinar si una reacción es endotérmica o exotérmica es necesario conocer el calor del sistema antes y después de la reacción. La cantidad de calor se denomina entalpía del sistema. Si la entalpía final del sistema es mayor que la inicial (al final del proceso hay más calor que al inicio), significa
Actividad ¿Conocen esta canción? Es un fragmento de un tema del compositor Jorge Drexler. Todo se transforma
Tu beso se hizo calor, luego el calor, movimiento, luego gota de sudor que se hizo vapor, luego viento que en un rincón de La Rioja movió el aspa de un molino mientras se pisaba el vino que bebió tu boca roja. Tu boca roja en la mía, la copa que gira en mi mano, y mientras el vino caía supe que de algún lejano rincón de otra galaxia, el amor que me darías, transformado, volvería un día a darte las gracias. Cada uno da lo que recibe y luego recibe lo que da, nada es más simple, no hay otra norma: nada se pierde, todo se transforma
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Cambios físicos y cambios químicos
que durante la reacción se absorbió calor, entonces la reacción será endotérmica, y si la entalpía final es menor que la inicial, quiere decir que el sistema cedió calor al entorno, entonces la reacción es exotérmica. Todos los procesos físicos y químicos cumplen con la ley de conservación de la energía:
Por lo tanto, en una reacción química, la energía ganada o perdida por los reactivos será igual a la energía perdida o ganada por los productos.
CLASIFICACIÓN DE LAS REACCIONES QUÍMICAS Las reacciones químicas se clasifican de diversas formas, según el criterio que se utilice, por eso hay reacciones que pueden entrar en más de una clasificación, por ejemplo, la reacción de combustión del carbón con el oxígeno del aire puede también considerarse una reacción de combinación. Un criterio, por ejemplo, considera la cantidad de productos y reactivos. Otros consideran la naturaleza de las reacciones o el sentido en que éstas se producen. En el siguiente cuadro se muestran ejemplos de algunas reacciones con una expresión generalizada: Tipo de reacción
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Síntesis o combinación
A partir de dos sustancias se obtiene una tercera.
Descomposición
A partir de una sustancia se obtienen dos o más.
Sustitución
Intervienen dos o más reactivos que se reemplazan entre sí para obtener dos o más productos.
Reversibles
La reacción se produce en ambos sentidos.
Irreversibles
reacción todos los reactivos se transforman en productos.
Combustión
Reacción de una sustancia con el oxígeno del aire.
Precipitación
Óxido-reducción o Redox
Reacción donde se produce una transferencia de electrones de un átomo a otro.
Ejemplo
A+B
AB
AB +CD
A+B
A+B
C + O2
A +B
Reactivo que se Oxida (pierde electrones)
C
A+B
AC+ BD
C+D
C+D
CO2
C (sólido)
Reactivo que se reduce (gana electrones)
CAPÍTULO
3
LAS REACCIONES QUÍMICA S EN NUESTRA VI DA COTIDIANA A nuestro alrededor ocurren muchísimos fenómenos químicos. Sería interesante analizar algunos de ellos:
Combustión La combustión es una reacción de combinación entre un combustible y un comburente , que produce luz y calor, por lo tanto, se podría clasificar también como una reacción exotérmica. Un combustible es una sustancia que es capaz de arder. La leña, la nafta, el gas, el alcohol y muchos otros materiales son combustibles; la mayor parte de estas sustancias tienen en común que su componente principal es el elemento químico carbono (C). El comburente es la sustancia necesaria para mantener la combustión, el oxígeno (O 2) es el comburente natural. Todos los combustibles derivados del petróleo, como el gas natural, la nafta, el gasoil, el querosén o los gases propano y butano de las garrafas están formados por átomos de carbono e hidrógeno, y se llaman hidrocarburos. La combustión de hidrocarburos produce dióxido de carbono y agua (en forma de vapor); cuando la cantidad de oxígeno es suficiente, la combustión es completa, esto significa que como todo el combustible se combinará con el oxígeno, no quedarán residuos, y los productos dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), que no son tóxicos, se incorporan a la atmósfera. Como resultado de una combustión completa se produce una llama azul que es muy calorífica.
H
H
H C
H
H CH
+ +
O
O
O
O
2 O2
C
O O
+
O O
H H H
+2
H2 O
CO2
El metano es el principal componente del gas natural que llega a nuestros hogares a través de la red, su olor penetrante y desagradable se debe a unas sustancias llamadas mercaptanos , que se agregan para que sirva de alerta a los usuarios sobre fugas o pérdidas
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Cambios físicos y cambios químicos
Si la cantidad de oxígeno es insuficiente, parte del combustible no se combinará y quedará un residuo de carbono llamado hollín (como el residuo negro que deja una vela al quemarse); está reacción es una combustión incompleta, y sus productos serán el agua (H2O) y el monóxido de carbono (CO), que es un gas tóxico que cuando se lo inhala produce un envenenamiento que puede llevar a la muerte si la exposición es prolongada. La combustión incompleta produce una llama amarilla, humeante y poco calórica.
C
O C
C C
C
+ +
C
O
C
O O
CO
O2
C
+ +
C Hollín
LA COMBUSTIÓN Y LOS INCEN DIOS Un incendio es la ocurrencia descontrolada de fuego que puede ser muy peligrosa para los seres vivos. En los seres humanos, la exposición a un incendio puede ocasionar quemaduras graves y los síntomas propios de la inhalación de humo. En los hogares, un incendio puede iniciarse por accidentes en la cocina, fallas eléctricas, derrames de combustibles o negligencia en el manejo de pirotecnia, velas, cigarrillos o fósforos. Los incendios forestales, en su mayoría, se producen por descuidos o intención de los seres humanos, y provocan daños grandes al ambiente y a los individuos que habitan los bosques. Para que ocurra un incendio deben coincidir tres factores en la proporción adecuada, el combustible, el calor y el oxígeno. Estos mismos elementos son los que deben ser tenidos en cuenta en el momento de querer extinguir un incendio, para decidir en cada caso cual será la acción más apropiada.
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CAPÍTULO
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Según el tipo de combustible, los incendios se clasifican en cuatro categorías: Clase A: materiales orgánicos (que alguna vez fueron parte de los seres vivos), por ejemplo, madera, telas, cueros. Clase B: sólidos fácilmente fundibles, gases y líquidos volátiles, por ejemplo, alcohol, gas, plásticos. Clase C: equipos eléctricos. Clase D: metales combustibles, por ejemplo, sodio, magnesio, potasio.
Los extinguidores o matafuegos llevan indicaciones incendio para los cuales son aptos
Actividades
a) Indiquen cuáles son los combustibles en los incendios domésticos y en los incendios forestales.
2
En las reacciones de combustión se libera energía en forma de calor. ¿Cómo se llaman este tipo de reacciones?
Observando el triángulo del fuego: ¿qué tres acciones consideran que pueden realizarse para apagar un incendio? ¿Con qué elementos puede realizarse cada una de ellas?
5
Algunos extinguidores tienen en su interior dióxido de carbono (CO 2). Investiguen: ¿por qué el CO2 es apto para apagar el fuego de los incendios?
REACCIONES DE ÓXIDO -REDUCCIÓN O REACCIONES REDOX Este tipo de reacciones son muy frecuentes en la vida cotidiana. Muchas veces habrán observado el oscurecimiento de una manzana expuesta al aire o la oxidación de algún objeto de hierro, tal vez en alguna ocasión se preguntaron qué ocurría dentro de una pila, o se habrán enojado por una mancha de lavandina que arruinó su remera preferida; éstos son ejemplos de reacciones redox. En estas transformaciones se produce un pasaje o transferencia de electrones de un átomo a otro. La oxidación es el proceso en el cual un reactivo pierde electrones y se transforma en una sustancia distinta, que forma parte de los productos; esos mismos electrones son captados por el otro reactivo, que en este caso gana electrones en un proceso que se llama reducción.
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Cambios físicos y cambios químicos
Es importante destacar que se trata de dos reacciones que ocurren en forma simultánea, y q ue los electrones que una especie pierde son los mismos que la otra gana. En procesos biológicos importantes como la fotosíntesis y la respiración celular se producen por medio de una serie de reacciones de óxido-reducción.
LA CORROSIÓN Y LA METALU RGIA DEL HIERRO La corrosión es un problema muy serio para la economía de los países, ya que afecta la infraestructura, los puentes, los edificios y las construcciones, las maquinarias, las herramientas y los transportes, ocasionando fallas en los materiales, que pueden causar graves accidentes o pérdidas económicas. La corrosión ocurre cuando el material de hierro está expuesto al aire húmedo; la presión y la temperatura alta aceleran este proceso, por eso es un fenómeno muy común en las calderas que generan vapor en las fábricas. Al oxidarse, el hierro se transforma en óxido de hierro y se dice que el metal tiene herrumbre, lo que provoca un deterioro del material. Para evitar que se produzca la reacción redox entre el hierro y el oxígeno del aire, los objetos y las estructuras de este material se protegen con diversos tipos de pinturas o revestimientos que los mantienen aislados del aire y la humedad, prolongando su vida útil. El proceso opuesto a la oxidación del hierro es la reducción, y consiste en la transformación del óxido de hierro, que es la forma en que el hierro se encuentra en la naturaleza, para obtener de él el metal. El proceso de obtención de metales a partir de los minerales que los contienen se denomina metalurgia, y en el caso particular del hierro la metalurgia se denomina siderurgia. En este proceso se busca que el hierro “recupere” los electrones que había perdido al transformarse en óxido, que es su estado natural; esto se consigue cuando se lo hace reaccionar con carbono a altas temperaturas: el hierro capta electrones y se reduce a hierro metálico, y el carbono pierde sus electrones y se oxida, convirtiéndose en dióxido de carbono .
El hierro es uno de los metales más importantes para la industria; a partir de él se obtiene el acero, un material muy utilizado para la construcción y la fabricación
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Toda la operación se lleva a cabo en altos hornos, que son torres muy altas dentro de las cuales se cargan los reactivos, y se obtienen por la parte inferior el hierro el dióxido de carbono (CO 2).
CAPÍTULO
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LAS REACCIONES DE COMBINACIÓN Y LA LLUV IA ÁCIDA El dióxido de carbono (CO 2) producido por los automóviles y las maquinarias, por las empresas que producen energía eléctrica y diversas industrias se acumula en la atmósfera. Otros gases, como los óxidos de azufre (SO 2 y SO) y nitrógeno (N 2O5 y N2O), se generan también en las fábricas y escapan por las chimeneas, difundiendo en el aire y mezclándose con él. Estos gases contaminantes se combinan con las minúsculas gotas de agua que forman las nubes mediante una serie de reacciones químicas, para dar como producto ácidos. Cuando llueve, estos ácidos formados en las nubes caen diluidos en el agua de lluvia, nieve o granizo, dando origen al fenómeno de lluvia ácida. CO2 + H2O
H2CO
Dióxido de carbono + agua N2O + H2O
ácido carbónico HNO
Óxido de nitrógeno + agua SO + H2O Trióxido de azufre + agua
ácido nítrico H2SO ácido sulfúrico
Estas precipitaciones algunas veces ocurren en zonas muy alejadas de las fuentes contaminantes, ya que las nubes no respetan fronteras políticas, convirtiéndose en un grave fenómeno global. Las precipitaciones ácidas originan daños a los seres vivos y al ambiente, ya que acidifican los lagos y los cursos de agua dañando la flora y la fauna, perjudican los bosques y los sembrados, producen afecciones pulmonares a los hombres y dañan sus bienes y edificaciones, ya que atacan los materiales con los que están construidos. Afortunadamente, nuestra sociedad está tomando conciencia sobre la imperiosa necesidad de cuidar el ambiente; las políticas medioambientales se deben basar en una buena información con la cual se pueda realizar un balance inteligente y responsable sobre los riesgos y los beneficios de la actividad industrial; a esto se lo denomina desarrollo sustentable.
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Cambios físicos y cambios químicos
Se han propuesto numerosas medidas para reducir la emisión de los contaminantes tóxicos que producen este fenómeno ambiental, entre ellas: Reducir el nivel máximo de azufre en diferentes combustibles. Trabajar en conjunto con las industrias para reducir la producción de óxidos de azufre, nitrógeno y carbono. Impulsar el uso de gas natural en diversas industrias. Reemplazar por gas natural comprimido (GNC) el combustible de los vehículos. Ampliar el sistema de transporte eléctrico (trenes). Instalar equipos de control en distintos establecimientos. Evitar el uso de sustancias químicas (fertilizantes y plaguicidas) en los cultivos. Agregar algún compuesto que compense la acidez en lagos y ríos.
REACCIONES DE DESCOMPOSICIÓN: LA DIGESTIÓN DE LOS ALIMENTOS La función del aparato digestivo es convertir los alimentos en unidades más pequeñas llamadas nutrientes, que pasan al torrente sanguíneo, que será el encargado de llevarlos a todas las células del cuerpo, donde se transformarán para producir la energía necesaria para mantener el calor corporal y realizar las actividades de todos los días. El proceso de digestión es muy complejo, comienza en la boca cuando se ingieren los alimentos, continúa en el estómago y finaliza en el intestino, e involucra una serie de reacciones químicas que son ayudadas por las enzimas, que son sustancias aceleradoras de las reacciones químicas en los seres vivos. Para cada alimento y etapa del proceso existe una enzima específica que el organismo elabora en los distintos órganos y glándulas. Los alimentos están constituidos fundamentalmente por hidratos de carbono, proteínas y lípidos; estos compuestos se llaman biomoléculas, ya que son moléculas indispensables para la vida. Los hidratos de carbono o glúcidos son producidos por las plantas durante la fotosíntesis, están formados por largas cadenas de moléculas de glucosa unidas unas a otras, constituyendo alimentos como el azúcar y el almidón, presentes en las harinas y en los granos de cereales. Cuando se degradan los hidratos de carbono, se transforman en unidades de glucosa, fructosa y otros azúcares simples. Los lípidos están formados por moléculas de ácidos grasos y glicerol, y se encuentran en la estructura de los aceites, la manteca y las grasas. Las proteínas son los constituyentes fundamentales de todos los organismos vivos, y están formadas por cadenas de unidades más simples llamadas aminoácidos. La carne, los huevos y los lácteos son alimentos ricos en proteínas.
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CAPÍTULO
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Durante el proceso de digestión, los alimentos se degradan mediante una serie de reacciones químicas hasta transformarse en unidades que los componen, que son moléculas de tamaño tan pequeño como para poder pasar a la sangre e ingresar en las células. Resumiendo: Hidratos de carbono Lípidos Proteínas
glucosa ácidos grasos + glicerol aminoácidos
POLISACÁRIDO (Harina) O H C H 2
H | C | OH MONOSACÁRIDO (Glucosa)
| C | H
OH | C | H
O
H | C | OH
H | C | OH
Hidratos de carbono: Los polisacáridos, como el almidón (harinas), al degradarse producen monosacáridos, que son azúcares
simples, como la glucosa PROTEÍNA (Secuencia de aminoacidos)
AMINOÁCIDO
Las proteínas están formadas por secuencias de aminoácidos, que al degradarse se liberan
ÁCIDO GRASO
Los lípidos son estructuras complejas que se degradan lentamente, convirtiéndose en moléculas de ácidos grasos y glicerol
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Cambios físicos y cambios químicos
Actividad Disolución de un comprimido efervescente
combinación
Incendio forestal
descomposición
Digestión de los alimentos
exotérmica
Oxidación del hierro
combustión
Oscurecimiento de una manzana
reversible
Putrefacción de la materia orgánica
irreversible
Actividad Análisis del artículo periodístico de la página siguiente Lean en forma completa el texto del artículo y respondan las siguientes cuestiones: ¿Cómo hay que actuar frente a una intoxicación con CO? ¿Cuáles son las medidas preventivas para evitar los accidentes por inhalación de CO?
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CAPÍTULO
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Lectura Artículo periodístico
Cómo prevenir la intoxicación con monóxido de carbono Con la llegada del invierno aumenta el riesgo de posibles intoxicaciones por monóxido de carbono (CO). Este es un gas venenoso, sin color, que aunque no tiene olor en sí mismo, en combinación con otros gases producto de la combustión produce un olor característico. La principal fuente de gas la constituyen los motores de combustión interna. Otras fuentes de CO incluyen las plantas eléctricas que utilizan carbón, gas o petróleo, o los incineradores de basura. Dentro del hogar el CO puede provenir del horno, de la chimenea donde se quema leña, de un calefón, termotanque o de una pantalla que se utilice como estufa. Se emite más CO al aire durante los meses de invierno ya que el combustible es consumido con menos eficiencia a bajas temperaturas. El riesgo de envenenamiento con CO se incrementa durante estos meses, ya que es cuando los aparatos de calefacción no son usados debidamente o no funcionan correctamente. Cuando ocurre envenenamiento con CO se reduce la cantidad de oxígeno que llega al cerebro, corazón y al resto del cuerpo, debido a que la hemoglobina (molécula encargada de repartir oxígeno) se encuentra ocupada con CO. La hemoglobina toma CO y lo reparte en lugar del oxígeno, por lo que el mismo no llega a los tejidos. La hemoglobina es una proteína presente en los glóbulos rojos de la sangre, la reacción reversible que representa el transporte de oxígeno puede simbolizarse con la siguiente ecuación: Hb + O2
HbO2
Donde Hb es la hemoglobina sin oxígeno o desoxihemoglobina y HbO 2 es la hemoglobina con oxígeno u oxihemoglobina. La exposición prolongada a altos niveles de CO, puede generar los siguientes síntomas: dificultad respiratoria o respiración rápida, dolor de pecho, convulsiones, mareo, somnolencia , desmayos, dolor de cabeza, presión arterial baja, irritabilidad, debilidad muscular, náuseas, vómitos y hasta pérdida del conocimiento. La intoxicación con CO resulta particularmente peligrosa para los niños pequeños y los ancianos. Se recomienda a la población verificar periódicamente el funcionamiento de artefactos a gas y la correcta instalación de ventilación con técnicos calificados. Chequear que la llama de la combustión sea de color azul y no amarilla o anaranjada, ya que esto significa que el aparato no está funcionando correctamente. En estos casos es conveniente apagarlo de inmediato, ventilar el lugar y consultar a un gasista matriculado. En caso de utilizar brasero o estufa de leña, se debe mantener los ambientes bien ventilados y evitar que queden encendidos durante la noche. Es importante recordar que el CO es un gas altamente venenoso, que se mezcla con el aire y resulta difícil de reconocer porque no tiene olor ni color. Todo artefacto usado para quemar combustible puede producir este gas. asistencia médica o concurra al centro de salud más cercano. Panorama regional
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3
Cambios físicos y cambios químicos
¿Vamos al laboratorio? Objetivo
Producir dióxido de carbono (CO 2) mediante una reacción química y comprobarlo utilizándolo Materiales
Reactivos
Procedimiento
budo para que no se derrame. 2) Coloquen ahora dos cucharadas de bicarbonato de sodio en el globo (utilicen el embudo seco). la botella). 5) ¡Ahora sí! Vacíen el contenido del globo en la botella. Observen, toquen la botella y noten su temperatura. Registren los datos. Conclusiones
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CAPÍTULO
3
Objetivo
Materiales
Reactivos
Procedimiento
Utilizando una espátula o una cucharita para los sólidos y un gotero o una pipeta para los líquidos, colocar en cada tubo de ser de color, temperatura, formación de burbujas etc.). Es necesario observar con atención y realizar las experiencias con cuidado, y de a una por vez. ¡Atención! Las sustancias químicas no deben tocarse con las manos.
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3
Cambios físicos y cambios químicos
Número de reacción
Comprimido efervescente(un trocito)
Agua
2
Leche
Jugo de limón
Cáscara de huevo molida
Vinagre
Solución de sal en agua
Nitrato de plata (gotas)
5
Bicarbonato de sodio o polvo para hornear
Vinagre
6
Hidróxido de sodio
Agua
Sulfato de cobre*
Calentar sobre el mechero
Observación
cambio, dejar en la gradilla hasta que se enfríe. Observar la zona cercana a la boca del tubo. Cuando el tubo ya esté frío, agregar unas gotas de agua y observar. Conclusiones
Completen el siguiente cuadro: Número de reacción 2 5 6
98
CAPÍTULO
El carácter eléctrico de la materia
4
UN MODELO PAR A EL ÁTOMO En el siglo V a. C., eran los filósofos quienes se encargaban de pensar y proponer teorías científicas sin demasiadas bases experimentales. En esas épocas, Demócrito, un destacado pensador griego, decía que todo lo que existía, el cielo, la tierra, los seres que la habitaban, todo estaba formado por pequeñas partículas invisibles e indivisibles. A esas partículas, que eran las más pequeñas en que la materia podía fragmentarse, las llamó átomos (derivado del griego: indivisible). Según su teoría, los átomos existían en cantidades infinitas, y seguramente debía haber algún tipo de unión entre ellos para que la materia tuviera el aspecto con el que se la percibía a través de los sentidos. Aristóteles, que era uno de los filósofos más importantes de aquella época, rechazó y desacreditó
esta teoría, de tal forma que no volvió a hablarse de ella hasta dos mil años después. Durante los siglos XVIII y XIX, poco a poco los hombres de la ciencia se fueron dando cuenta de que sólo se podían aceptar como válidas las ideas y las teorías que pudieran comprobarse experimentalmente. Así, los hechos experimentales se iban acumulando a lo largo del tiempo, y era hora de encontrar algún modelo teórico que pudiera explicarlos. Fue entonces cuando el físico inglés John Dalton (1766-1844), basándose en las ideas de Demócrito, volvió a postular la existencia de los átomos como las unidades indivisibles e indestructibles que forman la materia, plasmándolas en la primera teoría atómica, que fue el punto de partida de la química moderna. Dalton suponía que la materia estaba formada por diminutas esferas indivisibles, que se caracterizaban por su masa y su capacidad de combinarse. Su teoría permitía explicar los hechos experimentales conocidos hasta entonces, como la formación y la descomposición de sustancias, y la ley de conservación de la masa. Pero poco tiempo después la teoría tropezó con algunas dificultades: no podía explicar nuevos hallazgos y hechos experimentales, como por ejemplo, la electrólisis, que es la descomposición de la materia por el pasaje de la corriente eléctrica, este fenómeno hacía sospechar en una íntima relación entre la materia y la electricidad. Nuevos descubrimientos científicos iban dando la pauta de que el átomo era bastante más complejo que lo que Dalton imaginaba, por lo cual su teoría fue relegada, pero sus aportes fueron la base sobre la cual otros investigadores propusieron sus modelos.
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El carácter eléctrico de la materia
Los experimentos posteriores demostraron que el átomo estaba formado por un número igual de partículas con carga eléctrica positiva y partículas con carga eléctrica negativa. Las primeras fueron llamadas protones, y las segundas, con carga negativa, electrones. Hacia fines del siglo XIX Joseph Thomson propuso un modelo que incluía los nuevos descubrimientos. El modelo de Thomson presentaba un átomo como una esfera de carga eléctrica positiva con cargas negativas distribuidas uniformemente en ella (de la misma manera que las pasas de uva están distribuidas en un budín). a)
b)
En 1909, el físico Robert Millikan, realizandoingeniosas experiencias, pudo determinar el valor de la carga del electrón y comprobar que su masa era casi dos mil veces más pequeña que la masa del átomo. Para entonces ya no se pensaba que el átomo era indivisible, se había comprobado que existían partículas que lo formaban, y que una de ellas, el electrón , era una partícula subatómica que podía transferirse de un átomo a otro. También por esa misma época se descubrió que había ciertos átomos que podían emitir energía en forma espontánea, era el fenómeno de radiactividad. Había que pensar en un nuevo modelo del átomo que pudiera explicar estos avances del conocimiento.
c)
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Ernest Rutherford, en el año 1911, luego de realizar in-
a) Átomo de Dalton b) Modelo atómico de Thomson: en este modelo el átomo estaba formado por una esfera con carga positiva, en la cual las cargas negativas se encontraban distribuidas en forma uniforme c) Modelo atómico de Rutherford: según Rutherford el átomo tenía un núcleo central donde se concentraban las cargas positivas, alrededor del cual giraban los electrones con gran velocidad, quedando mucho espacio vacío entre el núcleo y los electrones
teresantes pruebas en las cuales observó la trayectoria de las partículas que incidían sobre una lámina de oro, dedujo que las cargas eléctricas positivas no estaban uniformemente distribuías, sino concentradas en una zona central del átomo, a la que llamó núcleo atómico. En el modelo propuesto por Rutherford, las cargas negativas o electrones se encontraban girando a gran velocidad en órbitas alrededor del núcleo, quedando grandes espacios vacíos entre el núcleo y los electrones. Su modelo era similar a un sistema solar en miniatura.
Imagen real del átomo de hidrógeno (microscopio electrónico de barrido)
Esta representación del átomo fue perfeccionada por Neils Bohr, quien en 1913 presentó su modelo, que proponía que los electrones estaban distribuidos en niveles de energía concéntricos a distintas distancias del núcleo, a los que llamó órbitas. Los electrones más cercanos al núcleo tenían menor energía que los que se hallaban en niveles más alejados, y era posible que los electrones “saltaran” de uno a otro nivel absorbiendo o emitiendo energía. La cantidad de protones y electrones era la misma, pero al tener cargas eléctricas opuestas, la carga neta del átomo resultaba cero. Este modelo fue completado unos años después (1932) por James Chadwick, al descubrir que existía en el núcleo del átomo una tercera partícula subatómica de tamaño aproximadamente igual al del protón, pero sin carga eléctrica, por lo tanto neutra, a la que llamó neutrón.
CAPÍTULO
4
Con el aporte de muchos investigadores, ya la ciencia contaba con un modelo que permitía explicar todo lo que hasta ese momento se sabía y se había experimentado. El modelo de Bohr-Chadwick es aún un buen modelo; permite explicar en forma sencilla y en un esquema plano todo lo que los estudiantes necesitan comprender para poder ingresar en el apasionante mundo de la ciencia, pero no deja de ser una versión simplificada del modelo actual. Esto quiere decir que lógicamente los científicos siguen investigando; y existe un nuevo modelo atómico, tridimensional y mucho más complejo, en el cual el núcleo es de una forma esférica, formado por protones y neutrones, rodeado de una “nube” electrónica (donde es probable encontrar los electrones distribuidos en distintos niveles llamados orbitales, y en continuo movimiento). Cuando los neutrones entraron en escena, parecía que ya no había más partículas por conocer, pero el uso de aceleradores de partículas y otros sofisticados dispositivos y experimentos fueron ampliando cada vez más el conocimiento de los corpúsculos elementales, descubriéndose que a su vez esas mínimas partículas estaban formadas por otras mucho más pequeñas llamadas quarks. Y como el deseo de saber es insaciable, los científicos siguen buscando y encontrando nuevas partículas; tal vez dentro de unos años modifiquen la concepción que hoy tenemos de los átomos.
Electrón
R1
R2
Electrón Neutrón
En el modelo que vamos a utilizar para estudiar la estructura íntima de la materia, la mayor parte del átomo está vacía y, para que tengan una idea, si el núcleo tuviera el tamaño de una arveja, el tamaño del átomo sería el de un estadio de fútbol, donde los electrones comenzarían a situarse en niveles desde la primera línea de tribunas hacia afuera. Los átomos son tan pequeños que no pueden verse en forma directa, ni aun con los microscopios más avanzados. En estos últimos años se han desarrollado los microscopios de barrido electrónico, que a través de complejos procedimientos ofrecen una imagen no muy clara del relieve y de las características externas de los átomos. Seguramente dentro de pocos años más podremos ver en forma directa a los átomos y sus maravillosas partículas.
Núcleo
a)
Protón
b)
Neutrón
Electrón
Podemos resumir en forma sencilla la estructura atómica: Protón Partícula
Símbolo
Carga
Ubicación
Protón
P+
Positiva
Núcleo atómico
Electrón
e-
Negativa
Órbitas
Neutrón
N
Sin carga
Núcleo atómico
a) Modelo de Bohr -Chadwick: el átomo tiene un núcleo central donde se ubican los protones y los neutrones; alrededor giran los electrones en órbitas o niveles de energía b) Modelo actual
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El carácter eléctrico de la materia
Sugerencias Un video muy cortito para entender la evolución de los modelos atómicos: http://videos.educ.ar/play/Disciplinas/_Quimica/Modelo_atomico_Thomson__Rutherford__Bohr
¿Sabías que...? Curiosidades de la ciencia
El daltonismo de Dalton John Dalton nació en Inglaterra en1766. Desde muy joven se interesó en la matemática, la física y la química. Su teoría atómica fue aceptada en forma inmediata con gran entusiasmo por los científicos de aquella época, y sentó las bases de las propuestas que los investigadores fueron haciendo a lo largo del tiempo. Dalton era considerado una persona sumamente inteligente, pero llamaba la atención de todos su poca discreción al elegir los colores de su vestimenta. Esto se debía a que padecía de un defecto visual (acromatopsia) que le hacía confundir los colores, especialmente el rojo y el verde. Hoy se sabe que este defecto es una alteración genética que produce la ceguera hacia los colores. Dalton estudió su problema y ensayó una teoría sobre las causas del fenómeno, y aunque rápidamente su hipótesis fue desacreditada, su paciente, profunda y metódica investigación hizo que su nombre se convirtiera en el término común para denominar la ceguera al color: el daltonismo.
John Dalton
EL NÚM ERO ATÓMICO Y EL NÚM ERO MÁSICO Una vez conocida la estructura atómica, los científicos se ocuparon de tratar de descubrir las propiedades que diferenciaban los distintos tipos de átomos. Llegaron a la conclusión de que estas propiedades dependían principalmente de la cantidad de protones del núcleo, ya que la cantidad de protones no cambiaba en los átomos de un mismo elemento, mientras que el número de neutrones y electrones podía variar en átomos del mismo elemento. El número de protones que tiene un átomo en su núcleo se llama número atómico, y se simboliza con la letra Z.
El número de protones del núcleo coincide con el número de electrones que se encuentran en la periferia.
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Entonces: En todos los átomos, el número de protones es igual al número de electrones.
Sugerencias
En símbolos: Z = P+ = e-
Como los electrones son muchísimo más pequeños que los protones y los neutrones, su masa, en comparación con la de las otras partículas, prácticamente no contribuye a la masa total del átomo y se puede despreciar. Entonces, se puede considerar que toda la masa del átomo está concentrada en el núcleo, y es la suma de la masa de los protones y los neutrones.
Pueden intentar con un juego para construir átomos a partir de sus partículas elementales: protones, neutrones y electrones. http://phet.colorado.edu/en/ simulation/build-an-atom
La masa de un átomo se indica con un número denominado número másico, que se simboliza con la letra A. En símbolos: A = P+ + N
Como ya saben que los átomos son extremadamente pequeños, tanto que no se pueden ver ni aun con un potente microscopio, no podría esperarse que para conocer su masa fuera factible colocar un átomo en una balanza. Es imposible comprobar su masa en forma directa. ¿Y entonces, el número másico?
Los químicos son ingeniosos y se dieron cuenta de que se podían obtener datos de las masas de los elementos por comparación. Por ejemplo, por medio de experimentos comprobaron que la masa del oxígeno era casi dieciséis veces mayor que la del átomo de hidrógeno. Construyeron así, una escala donde asignaron el valor uno (1) al átomo más pequeño, el hidrógeno (H), y fueron calculando los valores para los demás elementos: 35 para el cloro (Cl), 32 para el azufre (S), 14 para el nitrógeno (N), y así para cada uno de los elementos químicos.
Actividad Ordenen los conceptos en el siguiente esquema: Materia – neutrón – átomo – protón – molécula – electrón
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El carácter eléctrico de la materia
LOS ELEMEN TOS QUÍM ICOS Y LA TABLA PERIÓDICA
Actividad Examinen la veracidad de las siguientes afirmaciones y justifiquen sus decisiones: (V/F). a La masa del protón es igual a la masa del electrón. b Las cargas del protón y del electrón son iguales, pero de signo opuesto. c El número atómico es la suma de protones y neutrones. d Los protones ocupan la zona nuclear. e El número másico es el número de neutrones. f El átomo tiene grandes espacios vacíos. g Los electrones forman parte del núcleo atómico. h Los electrones se ubican en un solo nivel energético.
Hidrógeno
Azufre
L Plomo
Nitrógeno
Magnesio
S
Plata
Carbono
I
Hierro
Oro
Oxígeno
Z
Cinc
Mercurio
Fósforo
C
Cobre
Calcio
Símbolos circulares de Dalton: un primer intento de representar los elementos
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En el contexto de las ciencias naturales, elemento significa un tipo de materia constituida por una clase de átomos. Por ejemplo, cuando se habla del elemento oro, se entiende que se hace referencia a los átomos de oro. Un elemento es una sustancia que no puede ser descompuesta en otras más simples por medio de una reacción química.
Las sustancias están formadas por elementos, por ejemplo, el ozono (O 3) y el oxígeno (O2 ) son dos sustancias simples diferentes, formadas por un mismo elemento químico, el oxígeno (O).También el oxígeno forma parte de la composición del agua ( H 2O), en este caso en combinación con el elemento hidrógeno (H). Algunos elementos, como el oro y el hierro, fueron conocidos y utilizados por el hombre desde la antigüedad. John Dalton, para fines del siglo XVIII, ideó una serie de símbolos o dibujos con los cuales representaba los elementos químicos que se conocían en esa época, y combinando estos símbolos representaba las sustancias. Pero iban descubriéndose nuevos elementos y era necesario identificarlos de alguna manera más simple. En el año 1830, el químico John Berzelius propuso representar los elementos utilizando la primera letra de su nombre en latín, seguida de alguna otra letra presente en el nombre cuando dos elementos comenzaran con la misma letra, por ejemplo N para el elemento nitrógeno y Ni para el níquel. Actualmente, con algunas modificaciones, se sigue utilizando la misma simbología, aunque ya no se utilizan el latín ni el griego para los nombres de los elementos, pero algunos de ellos conservan sus símbolos antiguos. A principios del siglo XX, ya eran muchos los elementos conocidos, y los científicos comenzaron a buscar alguna forma de ordenarlos. Ya habían observado que había algunos elementos que tenían propiedades químicas similares, como el cobre y la plata. Muchos científicos intentaron, sin demasiado éxito, distintos modos de organización de los elementos químicos; probaron en grupos de tres y de ocho, también ensayaron reunirlos por propiedades similares, pero fue
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el profesor ruso Dimitri Mendeleiev quien logró encontrar la forma de hacerlo: escribió los nombres de los elementos y las características conocidas de ellos en tarjetas separadas y trató de descubrir alguna lógica o propiedad que permitiera agruparlos. Pensó entonces en las investigaciones de otro científico inglés, John Newlands, que intentó ordenarlos por sus pesos atómicos en forma creciente (de menor a mayor), y observó que la propiedades se repetían periódicamente, es decir, cada cierto número de elementos, entonces comenzó a ordenarlos en períodos o filas. En 1868, Mendeleiev comenzó a construir una tabla periódica donde agrupó los elementos, siguiendo el orden creciente de los pesos atómicos, en períodos, pero cuidando que los que tuvieran las mismas propiedades quedaran en la misma columna, o sea, un mismo grupo o familia. Mendeleiev estaba tan convencido de su trabajo, que cuando en el ordenamiento faltaba un elemento que no existía hasta entonces, dejaba un casillero vacío, con la seguridad de que con el tiempo se completaría con algún elemento que faltaba descubrir. Como ocurre siempre, los científicos no lo tomaron en serio, pero ¡tenía razón!; en los años que siguieron se descubrieron los elementos que faltaban hasta completar los 92 elementos naturales que hoy se conocen. Con el correr de los años se fueron agregando a la tabla los elementos nuevos que se fueron sintetizando o “fabricando” artificialmente.
LA TABLA PERIÓDICA ACTUAL Luego de nuevos ensayos y pruebas, los químicos decidieron ordenar los elementos según sus números atómicos crecientes, es decir, de acuerdo a la cantidad de protones que se hallan en el núcleo. Esto permitió corregir algunos errores que se producían en el ordenamiento anterior. Además de agregarse los nuevos elementos, se los organizó en siete períodos o filas (horizontales) y dieciocho grupos o columnas (verticales). Actualmente se suele agregar un octavo período para ubicar los nuevos elementos. Hay también dos filas que generalmente se colocan debajo de la fila ocho, son las tierras raras o elementos de transición interna, cuya ubicación real debería ser otra. Toda la primera fila debería estar en el casillero del elemento lantano (La); a estos elementos se los llama lantánidos. La segunda fila debería estar en el lugar del actinio (Ac): son los actínidos. Estos elementos son poco frecuentes (por eso, raros). Todos ellos tienen masas atómicas y propiedades casi iguales. Un lugar especial ocupa el hidrógeno (H), ya que por ser el de número atómico más pequeño, uno, se ubica en la primera columna, pero separado de los demás elementos del grupo, ya que sus propiedades son muy diferentes a las de todos los demás elementos de la tabla periódica.
Los nombres de los elementos Muchos de los nombres de los elementos provienen del latín, por eso sus símbolos no coinciden con las iniciales del nombre con el cual hoy los conocemos, por ejemplo, el hierro tiene como símbolo Fe, ya que su nombre proviene de la palabra latina ferrum. Lo mismo ocurre con el sodio, cuyo símbolo es Na, de su nombre en latín natrium. Otros nombres hacen referencia a un país o a un continente, como francio (Fr) o europio (Eu), y hay también elementos químicos cuyos nombres se eligieron como un homenaje a grandes hombres de la ciencia, como el mendelevio (Md).
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El carácter eléctrico de la materia
s o t n e m e l e s o l e d a c i d ó i r e p a l b a T
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Es muy importante escribir los símbolos de los elementos en forma correcta, ya que son del idioma o los caracteres usados en la escritura, los símbolos se escriben de la misma
LOS ELEMENTOS EN NUESTR A VIDA COTIDIANA Algunos elementos tienen nombres bastante raros, como el americio o el antimonio. Otros son poco abundantes en la naturaleza, y por eso valiosos, es el caso del oro, la plata y el platino, pero hay elementos químicos que son comunes y familiares para la mayoría de nosotros:
El aluminio es un elemento muy versátil, es decir, que por sus características puede tener variadas aplicaciones: envases, láminas, construcción (puertas y ventanas).
El mercurio , conocido por su utilización en la fabricación de termómetros, se usa también para odontología, para producir pilas y baterías, y en las
El titanio es un material liviano, inoxidable y resistente; sus características lo hacen apto para prótesis en medicina, como así también para la construcción de naves espaciales.
El uranio es el combustible de las centrales nucleares
El hidrógeno es el combustible de los cohetes espaciales; actualmente se están diseñando automóviles que también utilizan este combustible. Tiene además la ventaja de ser no contaminante.
El neón produce una luz muy vistosa al ser atravesado por una corriente eléctrica, y se utiliza para carteles luminosos.
El silicio, principal constituyente de la arena, se utiliza para fabricar chips y celdas solares.
El carbono liza para fabricar lápices y como lubricante. En su forma de carbón vegetal, se usa como combustible.
El cobre se utiliza en electricidad por ser un excelente conductor, también para fabricar aleaciones, como el bronce y el latón.
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El carácter eléctrico de la materia
¿Para qué se usa la tabla periódica de los elementos?
Actividad Redacten un párrafo en el cual incluyan los siguientes conceptos: Elemento – símbolo – universal – tabla periódica – grupos – períodos. Busquen en la tabla periódica todos los elementos que conozcan e indiquen sus aplicaciones.
N° atómico
Símbolo
Cada casillero de la tabla periódica está ocupado por un elemento químico. La tabla periódica reúne muchísimos datos sobre los elementos, como por ejemplo, su nombre y su símbolo químico, la densidad, los puntos de fusión y ebullición, el número de protones y electrones, la masa atómica, el estado de agregación y otros. Además, tiene un valor predictivo, es decir, que por su ubicación se puede estimar el tipo de características y reacciones químicas probables de los elementos que no se conocen, comparándolos con elementos de la misma familia o grupo. Utilizando los datos de la tabla periódica se puede saber qué tipo de enlace o unión química tienen los átomos que forman las moléculas, y esto es muy importante, ya que es la clave para conocer las características y el comportamiento de las sustancias.
Clasificación de los elementos químicos Los elementos ordenados por su número atómico creciente, están, además, divididos en seis grandes grupos (identificados por el color de fondo de la casilla): Los metales: también llamados metales reactivos,
se ubican en la tabla periódica en las dos primeras columnas o grupos. Masa atómica
Nombre
Son buenos conductores del calor y la electricidad, son sólidos, resistentes y duros, brillantes cuando se pulen, tienen altos puntos de fusión y ebullición, son dúctiles (puede formar hilos o alambres) y maleables (pueden deformarse y extenderse en forma de láminas). Excepción: el sodio es un metal blando. Los no metales: se ubican a la derecha de la tabla
Sugerencias Para jugar al tetris con la tabla periódica
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periódica (separados por una línea escalonada), y pertenecen a los grupos trece al diecisiete. Son malos conductores del calor y la electricidad, son frágiles y opacos, tienen baja densidad, sus puntos de fusión y ebullición son relativamente bajos, y pueden presentarse en estado sólido, liquido o gaseoso a temperatura ambiente.
CAPÍTULO
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Excepción: el carbono en su forma grafito es conductor de la electricidad, y en su forma diamante es el material más duro de la naturaleza. Los elementos de transición o metales de transición Se ubican en la parte central de la tabla periódica, en los grupos tres al doce. Hay un subgrupo de elementos que se pueden clasificar como otros metales o metales pobres, ya que se parecen mucho a los elementos de transición, pero tienen algunas propiedades químicas distintas. En el grupo trece: aluminio, galio, indio, talio y unutrio. En el grupo 14: estaño, plomo y ununquadio. En el grupo 15: bismuto y ununpentio. En el grupo 16: polonio y ununhexio Este grupo de elementos tiene propiedades metálicas que van disminuyendo al recorrer la tabla hacia la derecha, a medida que se van acercando a la zona de los no metales, por eso la palabra transición se refiere al cambio progresivo de características y propiedades al pasar de la zona de metal a la de no metal. Excepción: el mercurio, que es un metal, pero a temperatura ambiente se encuentra en estado líquido. Los gases inertes : también llamados gases raros o
gases nobles, se ubican en la última columna de la derecha de la tabla periódica, en el grupo dieciocho. En condiciones normales no reaccionan con ningún elemento de la tabla periódica, se encuentran en estado gaseoso, y sus moléculas están formadas por un solo átomo (son monoatómicos).
Actividad Utilizando la tabla periódica encuentren los siguientes elementos químicos y anoten sus nombres y sus símbolos: a) Tercer metal alcalino: ............................................................. b) Cuarto gas inerte: .............................................................
El hidrógeno: se ubica solo (en la primera columna
y en la primera fila). Se lo considera un no metal, pero en realidad no tiene características que permitan ubicarlo en ningún grupo, es un elemento especial, con propiedades y reactividad particulares.
c) Elemento del grupo 5 y período 6: ............................................................. d) Elemento del grupo 14 y período 3:
Las tierras raras o elementos de transición interna: se ubican al final de la tabla periódica por razo-
.............................................................
nes de comodidad, ya que son poco utilizados en la práctica y poco abundantes. Su ubicación correcta sería: los lantánidos todos en el casillero del lantano y los actínidos en el del actinio.
e) Último elemento descubierto:
Son dos filas de elementos poco frecuentes, cuyas masas son muy similares entre sí, algunos de ellos son sintéticos, es decir, fabricados por el hombre.
............................................................. f) Primer elemento del grupo 17: .............................................................
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El carácter eléctrico de la materia
Actividades 1 Encuentren, con la ayuda de la tabla periódica, los elementos cuyos nombres se asocien a: a) Continentes. b) Países. c) Nombres de personas de la ciencia. d) Planetas. Anoten el nombre del elemento, su símbolo y su número atómico (Z). 2 Completen el cuadro con los datos de la tabla periódica:
Elemento
hierro
cobre
plata
hidrógeno
argón
cloro
oxígeno
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Símbolo
Número atómico (Z)
Grupo
Período
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ÁTOMOS, MOLÉCULA S, IONES Y ELECTRONES Los átomos tienen igual número de protones y electrones. Los electrones se encuentran distribuidos en niveles, y la forma en que se distribuyen depende del tipo de átomo, pero en general todos tienden a tener ocho electrones en el nivel de energía más externo. Algunos átomos tienen muy pocos electrones en su último nivel, (son los que tienen uno, dos o tres); a este grupo pertenecen los metales. También hay otros elementos, los no metales, que en su última órbita tienen muchos electrones (seis o siete). Los elementos que tienen muchos electrones tienen una tendencia a “arrancar” electrones a los que tienen pocos, de esta manera ambos tienden a quedarse con ocho en su nivel más externo para conseguir la estabilidad. Los átomos que han ganado o perdido electrones se llaman iones. Los iones de los átomos que perdieron electrones llevan carga positiva y se denominan cationes, los que ganaron electrones y tienen, entonces, carga negativa, son los aniones. Para conservar la estabilidad, los iones de distinto signo se unen entre sí formando las moléculas. La formación de moléculas no ocurre siempre por agrupación de iones, hay otras maneras de formación de enlaces químicos, que permiten obtener por combinación entre átomos toda la variedad de sustancias que existen. Los electrones son considerados partículas elementales porque no pueden descomponerse en otras partículas más simples, y a pesar de su pequeño tamaño (1836 veces más pequeño que el protón), son responsables del comportamiento químico de los átomos por su participación en las uniones químicas. También son determinantes en los fenómenos físicos de electricidad, conductividad térmica y magnetismo. e-
7e-
8e-
17 P+ 18 N
e-
e-
e17 P+ 18 N
e-
Na
e-
+
ee-
Cloro
Ión de cloro, Cl
a) Un átomo de cloro capta un electrón y se convierte en un ion cloruro
[Na]+
-
e-
8e-
8e-
e-
+
Cl
ee-
e-
b) Un átomo de cloro “arranca” un electrón al átomo de sodio
[Cl]+
c) Un átomo de sodio con un electrón menos adquiere carga positiva (catión) d) El átomo de cloro capta un electrón y se convierte en ion cloruro (anión)
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El carácter eléctrico de la materia
Lectura Nanotecnología: una ciencia a la medida del átomo Muchos de nosotros hemos sido testigos en los últimos años de la miniaturización de los componentes de objetos electrónicos, como teléfonos celulares o computadoras portátiles. En la microelectrónica se ha reducido enormemente el tamaño, pero un transistor, por ejemplo, sigue teniendo millones de átomos y podemos verlo sin necesidad de un microscopio. La nanotecnología, en cambio, maneja átomos individuales, que no podemos ver. Los microcircuitos electrónicos se miden en micrómetros, esto es, millonésimas de metro. Las nanoestructuras se miden en nanómetros, una unidad mil veces menor. En la nanotecnología ya se están construyendo nanocircuitos y nanomáquinas que cambiarán nuestro mundo de una manera que apenas vislumbramos. Por ejemplo, un nanorobot podría entrar al cuerpo humano a destruir células cancerosas y un nanocircuito podría ser el componente principal de un audífono insertado en el oído humano. La capacidad de manipular átomos a voluntad es la base de la nanotecnología y esta habilidad se ha desarrollado increíblemente en la última década. Un ejemplo natural de lo que pasa cuando se colocan los mismos átomos en forma diferente es el del grafito y el diamante. Ambos están compuestos por átomos de carbono, pero la colocación de estos átomos es muy distinta. En el caso del diamante los átomos forman estructuras tetraedrales, mientras que en el grafito los átomos se encuentran colocados en las esquinas de hexágonos y forman capas laminares. El diamante es transparente y muy duro, el grafito es negro y suave. Como ya se mencionó, en los seres vivos hay muchos ejemplos de la importancia del nanomundo. Las proteínas funcionan como nanomáquinas en las células vivas. Son máquinas moleculares con relativamente pocos átomos, que construyen a su vez otras moléculas. Los ingenieros genéticos han aprendido este camino y cultivan bacterias específicas para hacer proteínas al gusto. Moléculas en la nanotecnología más que ciencia, parece ciencia ficción. La posibilidad de construir estructuras diminutas de unos cuantos átomos empieza a modificar desde las computadoras hasta la atención a la salud. Se calcula que en la próxima década habrá un salto de la macro a la nanoescala y los Gobiernos de diversos países establecen planes para apropiarse de esta nueva revolución tecnológica. Las grandes compañías ya invierten grandes cantidades de dinero y tiempo en nanotecnología, pero hay espacio para iniciativas más modestas. Muchas universidades están dedicando un gran esfuerzo al estudio de las pequeñas estructuras del tamaño de nanómetros con propiedades espectaculares. Claro que las universidades son sobre todo generadoras de conocimiento y para enfrentar este reto con éxito se requiere que el Gobierno y la industria cumplan un programa para fomentar la nanociencia y la nanotecnología. Conceptualmente, el mayor desafío es entender lo pequeño para modificarlo. Fuente: revista ¿Cómo Ves? 15 de septiembre de 2013 UNAM (Universidad Nacional Autónoma de México)
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Aurora era la diosa romana del atardecer, y el término “aurora borealis” fue acuñado por Galileo en 1621 para describir las asombrosas “luces del norte”, que también existen en el sur. Las auroras polares se explican por la acción de cargas eléctricas sobre la atmósfera. El campo magnético de la Tierra forma un escudo protector llamado magnetosfera y las partículas con carga eléctrica que llegan con el viento solar sólo pueden penetrar por los polos y al interactuar con los gases de nuestra atmósfera liberan energía en forma de luz azul y violeta en el caso del nitrógeno o rojo, amarillo y verde cuando se trata del oxígeno; tomando diversas formas como arcos, bandas, cortinas, sábanas, etcétera.
Numerosos son los espectáculos naturales en cuyo origen se involucran cargas eléctricas, como la caprichosa e incomparable belleza de una aurora polar o la caída de un rayo. Si bien el asombro se remonta a los comienzos de la historia del hombre, recién en los últimos 3000 años encontramos las primeras interpretaciones rudimentarias, de la mano, por ejemplo, del griego Thales de Mileto (c. 625-c. 546 a. C.), alguien preocupado por contestar la pregunta: “¿De qué está hecho todo lo que hay en la naturaleza?”. Entre sus logros se encuentra la explicación de los eclipses de sol y de luna, y sus experimentos con ámbar. El ámbar se forma de la resina vegetal fosilizada de árboles que datan de hace 25 a 40 millones de años. Thales comprobó las propiedades eléctricas del ámbar, el cual al ser frotado con una pieza de lana era capaz de atraer pequeños objetos, y descubrió que dos varillas de ámbar luego de ser frotadas se repelían, aunque nunca comprendió por qué sucedía esto.
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Siglos después, otro griego, Teofrasto, escribió el primer tratado de electricidad, donde describía los diferentes materiales que eran capaces de producir fenómenos eléctricos. Hubo que esperar casi dos mil años para que alguien se ocupara nuevamente del tema. Esa persona se llama William Gilbert, y era el médico de cámara de la reina Isabel I de Inglaterra. En su obra De Magneticisque Corporibus et de Magno Magnete Tellure detalló que algunas sustancias, como el vidrio, el azufre y la resina se comportaban como el ámbar, y cuando eran frotadas atraían objetos livianos; mientras que otras, como el cobre o la plata, no ejercían ninguna atracción. A las primeras las llamó “eléctricas”, mientras que a las segundas las denominó “aneléctricas”. Niccolo Cabeo, un jesuita italiano contemporáneo de Gilbert, analizó sus experimentos, y fue el primero en comentar que había fuerzas de atracción entre ciertos cuerpos, y de repulsión entre otros. Alrededor de 1672, el físico alemán Otto von Guericke desarrolló la primera máquina electrostática para producir cargas eléctricas. Consistía en una bola de azufre atravesada por un eje, con una manija que permitía hacerla girar. Mientras con una mano se hacía girar la bola velozmente, con la otra se la frotaba. El roce entre la mano y la bola producía una carga mayor que la conseguida hasta entonces. A fines de 1673, el francés François de Cisternay Du Fay identificó la existencia de dos cargas eléctricas, una positiva y otra negativa. Comprobó también experimentalmente que los objetos frotados contra el ámbar se repelían. También se repelen los objetos frotados contra una barra de vidrio. Sin embargo, los objetos frotados con el ámbar atraen los objetos frotados con el vidrio. Según su teoría, existían dos tipos de fluidos eléctricos: uno de atracción y otro de repulsión. En octubre de 1705, Francis Hauksbee investigaba sobre una nueva fuente de luz cuando reemplazó el azufre de la máquina de Gilbert por vidrio y obtuvo los efectos eléctricos más fuertes que nadie había visto nunca antes. A fines del siglo XVIII, los experimentos del físico francés Charles Coulomb le permitieron definir las relaciones entre las variables que intervenían en una interacción eléctrica, y expresarlas en forma de ley. La fórmula recuerda asombrosamente a la de la gravitación universal. Máquina de Francis Hauksbee
F = k.
Q1 . Q2 r2
“La fuerza eléctrica ejercida entre dos cuerpos cargados eléctricamente, es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que están separados”.
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El descubrimiento de esta ley fue el primer paso concreto en el estudio de las propiedades de la carga eléctrica. Desde ese momento hasta la actualidad, la ciencia ha mejorado sus observaciones y sus métodos, pero sigue sosteniendo que: a) Hay dos clases de cargas eléctricas. b) Las fuerzas entre cargas eléctricas se ejercen según la línea que las une, y su valor es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. c) Estas fuerzas son proporcionales al producto de las cargas.
¿CUÁNDO UN CUER PO ESTÁ CARGADO ELÉCTRICAMEN TE? Dos materiales distintos al ser frotados por un mismo objeto adquieren la propiedad de atraerse, por ejemplo, si a una barra de caucho y a otra de vidrio las frotamos con un paño, al acercarlas entre sí comprobamos que se atraen. Decimos que una tiene carga eléctrica de un tipo y la otra de otro tipo. Fue Benjamín Franklin quien les asignó los nombres de cargas positivas y cargas negativas. Para entender el origen de estas cargas y cómo se producen estos fenómenos, debemos repasar cómo está compuesta la materia. Un material cualquiera está formado por moléculas, y éstas están formadas por átomos. Los átomos poseen, básicamente, tres tipos de partículas: electrones, protones y neutrones. Los electrones poseen carga negativa, y los protones, idéntica cantidad, pero positiva. Al tomar un cuerpo de cualquier material, lo más probable es que éste no posea carga eléctrica, lo que de ninguna manera significa que no tenga electrones ni protones, sino que los tiene, pero en igual cantidad de unos y otros. Podemos concluir, entonces, que la carga negativa de un electrón se anula con la carga positiva de un protón. Por lo tanto, al tener un cuerpo la misma cantidad de electrones que protones, eléctricamente se dice que está neutro o que está sin carga. Para que un cuerpo tenga carga neta debe tener un desequilibrio entre la cantidad de protones y electrones: un cuerpo está cargado negativamente si tiene un exceso de electrones, y está cargado positivamente si tiene una ausencia de electrones, es decir, si tiene más protones que electrones. Un cuerpo que se carga eléctricamente por algún mecanismo, se dice que adquiere carga electrostática . A los electrones que están en viaje entre átomo y átomo los llamaremos electrones libres. Si se pudiera filmar el comportamiento de los electrones libres en un cuerpo cualquiera, veríamos que se mueven en forma caótica.
CANT IDAD DE ELECTRICIDAD La carga eléctrica de un cuerpo es proporcional a la cantidad de electrones que posee en exceso o en defecto respecto a su estado neutro. Se representa con la letra Q, y es una magnitud, ya que entre estas cantidades se puede establecer la igualdad y la suma. Como a toda magnitud, se le asigna por convenio una unidad de comparación, que en este caso se llama coulomb o culombio y representa la cantidad de carga que tienen reunidos 6,24 x 10 18 (un uno seguido por 18 ceros) electrones. La cantidad de carga eléctrica se conserva. Es decir, si consideramos las cargas eléctricas de todos los cuerpos, la suma total de la cantidad de carga se mantiene constante. Se verifica, entonces, que si un cuerpo “pierde” carga eléctrica, hay otro u otros que la están “ganando” para sí.
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¿Sabías que...? En 1909 Robert Millikan descubrió que un cuerpo al cargarse solo podía recibir cantidades de carga determinadas por números enteros de electrones, que es la unidad de carga eléctrica. Se dice que la carga está cuantizada. Hoy se sabe que un electrón está formado por tres quarks (según como está compuesta la terna de quarks, tenemos electrones, protones y neutrones). Aunque aún no se ha detectado una carga libre cuya magnitud sea inferior a la medida de carga que tiene un electrón, hay quienes postulan que los quarks deberían tener carga fraccionaria, por ejemplo, e/3; -e/3; 2e/3. En términos de los quarks la cuantificación de la carga sería: toda carga que posee un cuerpo es un múltiplo entero positivo o negativo de e/3.
¿CÓMO LOGRAMOS QUE A UN CUERPO LE “SOBREN” O LE “FALTEN” ELECTRONES? Si por algún mecanismo logramos que los electrones libres de un cuerpo pasen a otro cuerpo, entonces tendríamos que a uno le faltarían electrones, en consecuencia, estará cargado positivamente. Y el cuerpo que los recibe, si antes estaba neutro, ahora estará cargado negativamente. A este tipo de electricidad la llamamos estática, porque las cargas no fluyen, y si lo hacen, es a distancias muy cortas. Las cargas de igual signo se repelen entre sí y no permiten que se las amontone; si hubiera una posible ruta de escape por la cual pudieran alejarse unas de otras, la tomarían. Por ejemplo, la carrocería de un auto, cargado eléctricamente por rozamiento con el aire, descarga sus electrones excedentes hasta perder la totalidad de su carga a través de nuestro cuerpo hasta llegar a tierra, cuando al descender tomamos contacto con la puerta. A los procedimientos por los cuales un cuerpo neutro eléctricamente adquiere carga eléctrica de algún tipo se los denomina procesos de electrización. Se conocen tres: por fricción, por contacto y por inducción.
Por fricción Consiste en frotar dos cuerpos neutros eléctricamente entre sí; a nivel superficial se produce un traspaso de electrones de un cuerpo a otro. Aquel que reciba más electrones quedará cargado negativamente, y el otro, que cedió más electrones, quedará cargado positivamente. Por ejemplo, si frotamos un pañuelo de seda con una varilla de vidrio, el pañuelo toma carga negativa y la varilla positiva. Si, en cambio, la varilla es plástica y la frotamos con un paño de lana, la varilla quedará negativa y el paño positivo. De modo que existen materiales que, por características propias, al ser frotados van a quedar con un tipo determinado de carga. En este proceso, la carga que “pierde” un cuerpo la “gana” el otro, por lo tanto, la carga total entre ambos cuerpos se mantiene constante. Mujer peinándose de Dante Rossetti (1828-1882)
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En la carga por fricción se transfiere gran cantidad de electrones, porque la fricción aumenta el contacto de un material con el otro. La cantidad de energía que liga los electrones exteriores al núcleo varía de una sustancia a otra. Por ejemplo, los electrones son retenidos con mayor fuerza en la resina que en la lana, y si se frota un trozo de resina con un tejido de lana bien seco, se transfieren los electrones de la lana a la resina. Por consiguiente, la resina queda con un exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, el tejido de lana queda con una deficiencia de electrones y adquiere una carga positiva. Los átomos con deficiencia de electrones son iones positivos, porque al perder electrones (que tienen carga negativa), su carga neta resulta positiva.
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Algunos materiales según su capacidad para generar electricidad estática Negativas (-)
Positiva (+)
Algodón Goma Acrílicos Poliuretano PVC Telgopor
Vidrio Cabello humano Nylon Lana Piel Aluminio Poliéster Papel
Por contacto Como su nombre lo indica, el procedimiento es muy simple: basta ponerlos en contacto, que se toquen entre sí. Durante el contacto la carga total que existe entre ambos cuerpos tiene a dividirse proporcionalmente según las capacidades que tienen cada uno de ellos para poseer carga eléctrica; consecuencia de esto es que el cuerpo previamente cargado, por ejemplo, negativamente, le traspasa, a nivel superficial, parte de sus electrones que tenía en exceso al que estaba neutro. De esta forma, el que estaba neutro quedará cargado negativamente y el que estaba cargado previamente seguirá cargado, pero con menor carga que la que tenía. Al final del proceso ambos cuerpos quedan cargados negativamente y, nuevamente, se tiene que la carga total del conjunto de los dos cuerpos se mantiene constante. Por ejemplo, si arrastran los pies sobre una alfombra, el cuerpo adquiere carga por frotamiento, si luego toman la mano de otra persona, se traspasarán las cargas eléctricas negativas de sus manos a la de ella, quedando ambos con igual tipo de carga. En cambio, si acercan la mano al picaporte de una puerta, el exceso de carga pasará a tierra y quedarán descargados. Lo mismo sucederá si caminan descalzos.
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Por inducción o por influencia La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los electrones de la superficie de un segundo objeto que está en estado neutro. Al acercar los cuerpos sin que haya contacto, en el cuerpo neutro se produce una polarización, y el cuerpo cargado atrae las cargas opuestas del que está descargado. Por ejemplo, cuando se frota un globo y se lo acerca a una pared, observaremos que el globo se mantendrá pegado a la pared debido a la fuerza atractiva ejercida por dos superficies con cargas opuestas. Es decir, la superficie de la pared gana una carga eléctrica inducida, pues los electrones libres de la superficie del muro son repelidos por los electrones que ha ganado el globo al frotarse; se crea así por inducción electrostática una superficie de carga positiva en la pared, que atraerá a la superficie negativa del globo.
¿Vamos al laboratorio? Buscando respuestas en los experimentos
Un sencillo experimento puede realizarse suspendiendo una esfera conductora no cargada de un hilo aislante. Al acercarle una varilla cargada negativamente, los electrones de con como resultado, dicho lado se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva. La esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de atracción entre el lado cercano de aquélla y la propia varilla es mayor que la de repulsión entre el lado lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza eléctrica neta, aun cuando la carga neta en la esfera como un todo sea cero. La carga por inducción no se restringe a los conductores, sino que puede presentarse en todos los materiales. La lapicera y los papelitos
Pongan unos papelitos sobre la mesa. Froten una birome contra su ropa o contra su pelo. Acerquen la birome a los papelitos. Podrán observar que la birome los atrae. Esto también puede pasar al cortar telgopor. Quedan un montón de bolitas que se atraen. Algo parecido pasa al peinarse. Un peine frotado o una birome frotada pueden atraer pequeños objetos y hacer que queden pegados. Muchas veces sucede que al frotar un objeto se comprueba que después de frotado, el cuerpo “queda cargado” y empieza a atraer otros objetos.
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Inclinar un hilo de agua
Con un peine o una hoja de papel de diario previamente cargada por frotación pueden torcer un hilo de agua que sale de una canilla, desviándolo para el lado donde pongan el objeto cargado. El globo y su estante invisible
Froten un globo con un paño de lana, de este modo le darán una fuerte carga negativa. Apóyenlo sobre una pared. Generalmente, el globo queda adherido durante horas, porque los electrones no se mueven muy bien sobre él. Lentamente los electrones migran del globo a la pared, y cuando esto sucede, el globo cae. Péndulo eléctrico
Para realizar esta experiencia deben colgar una esferita de telgopor de un soporte utilizando un hilo de seda. Necesitan, además, un paño de lana, el cuerpo de plástico (PVC) de una lapicera y una varilla de vidrio de las que se usan en laboratorio para revolver. Una vez armado el dispositivo, comiencen por frotar en el paño el tubo plástico (desde ahora, barra). Acérquenlo (sin que toque) a la esferita. ¿Qué ocurre? ¿Qué sucede si alejamos la barra? ¿Y si la volvemos a acercar (siempre sin que entre en contacto con la esferita de telgopor)? Con la barra bien frotada toquen la esferita y luego alejen la barra. ¿Qué pasa al acercar la barra, nuevamente frotada, a la esferita? Prueben ahora frotando una barra de vidrio con el paño. ¿Qué ocurre al acercar la barra de vidrio al telgopor que estuvo en contacto con la barra de PVC? ¿Qué puede decirse de las cargas eléctricas que adquieren el PVC y el vidrio al ser frotados con el mismo material? ¿Por qué es conveniente realizar estos experimentos en ambientes secos?
Nota: El telgopor (poliestireno expandido) es un material que posee características interesantes: es un aislante muy eficaz, se electriza fuertemente por rozamiento y tiene una densidad sumamente reducida, es fácil de cortar y es fácil de conseguir (a partir de elementos descartados: bandejas de alimentos y diversos tipos de envases). Si no consiguen una esferita pueden modelarla usando un cúter y papel de de electrostática funcionan mejor en lugares con muy poca humedad.
¿Todos los materiales permiten el paso de las cargas eléctricas con la misma facilidad?
Veamos un experimento que permita investigarlo. Usando como apoyo un vaso de precipitado se colocarán los distintos materiales que se van a investigar (caño de aluminio, tubo de ensayo de vidrio, etc.), de modo que la esfera de telgopor del péndulo eléctrico quede a uno o dos centímetros de distancia de dicho material. A cada material se le acerca, por el extremo opuesto al péndulo, la varilla de PVC frotada (¡sin que se toquen!). ¿Qué se observa con el péndulo en cada uno de los casos? ¿Cómo podría explicarse este fenómeno?
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¿Vamos al laboratorio virtual? Experimentos simulados Globos y electricidad estática es una simulación que pueden ejecutar en línea (elijan
“ejecutar ahora”), o la pueden descargar y luego ejecutarla en sus netbook (elegir la opción “descargar”) en http://phet.colorado.edu/es/simulation/balloons. Una vez iniciado, hagan clic en “reiniciar todo”. Asegúrense de que sólo el ítem “mostrar todas las cargas” y el botón “pared” estén seleccionados. Miren el globo. ¿Qué se puede decir acerca de su carga? (Sugerencia: contar ambos tipos de cargas). Hagan clic y arrastren el globo para frotarlo contra el pulóver. ¿Qué pasa con el globo? ¿Cómo logran cargar el globo? ¿Con qué tipo de carga? ¿De dónde viene esa carga? ¿Qué pasó con el pulóver? ¿Cómo se carga? Lleven el globo al centro (entre el pulóver y la pared) ¿Qué sucede si sueltan el globo? ¿Por qué? ¿Puede el globo simplemente quedarse en el medio? Observen la pared, ¿cuál es la carga total de la pared? Predigan qué sucedería si acercan el globo a la pared. Hagan la prueba, pongan el globo en contacto con la pared. ¿Qué sucede con las cargas en la pared? ¿Cómo se llama ese proceso de carga? ¿Qué sucede con las cargas negativas en la pared cuando se mueve el globo cerca de ella? ¿Qué sucede con las cargas positivas en la pared cuando se mueve el globo cerca de ella? ¿Por qué no todas las cargas positivas se mueven hacia el globo? Suelten ahora el globo. ¿Qué le sucede? Expliquen. Hagan clic en el botón “restablecer todo”. Seleccionen “mostrar todas las cargas”, y “dos globos”. ¿Qué se puede decir acerca de la carga total de todos los objetos de la ventana de simulación? Seleccionen “mostrar diferencias de carga”. Froten cada globo contra el pulóver. ¿Qué le sucede a cada uno de ellos? ¿Por qué quedan los dos globos pegados al pulóver? Exploren otras posibilidades y anoten sus conclusiones.
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NOCIÓN DE CAM PO ELÉCTRICO Como hemos visto, la existencia de cuerpos cargados modifica las propiedades del espacio que los rodea, creando en cada punto de éste un campo eléctrico, de modo tal que una carga colocada en cualesquiera de esos puntos experimenta la acción de una fuerza de atracción o de repulsión eléctrica. Para identificar un campo eléctrico bastará observar la aparición en el lugar de fuerzas eléctricas (atracciones o repulsiones). Para definirlo en un punto cualquiera de aquél, necesitamos una carga de prueba q0 suficientemente pequeña, y por convenio positiva. Al ser la carga de prueba muy pequeña, su propio campo eléctrico se considera insignificante frente al que vamos a medir. Al ubicar la carga de prueba en el campo, actúa sobre ella una fuerza F, cuya dirección es la misma que la del campo en ese punto. La intensidad del campo eléctrico E en el punto es el resultado de dividir la fuerza actuante por la carga de prueba q0, es decir, E = F/q0. Supongamos un campo eléctrico creado por una carga positiva, a la que llamaremos carga fuente (q f ). Por lo que hemos visto podemos anticipar que si colocamos una pequeña carga positiva en algún punto del campo, aparecerá una fuerza repulsiva cuya dirección coincide con el radio de la circunferencia, cuyo centro está en la carga fuente.
Actividad Lean, analicen y discutan...
Dispongan de una hoja de diario y un cepillo para ropa. Sequen la hoja en una estufa por un rato. Estiren el papel sobre la pared y comiencen a frotarlo con el cepillo, del mismo modo que un empapelador estira el papel para que se pegue bien. Retiren las manos. Pueden comprobar que la hoja de diario queda “pegada”. Si es posible que la habitación esté en penumbras, pueden retirar con una mano el papel y, manteniéndolo en el aire, acercar los dedos de la otra mano... si el día es seco, de sus dedos saldrán chispas blanco-azuladas.
Si ubicamos la carga de prueba en puntos cada vez más próximos a qf (ver figura ), podremos comprobar que es rechazada cada vez con más fuerza, produciéndose en 1 la fuerza máxima y en 5 la menor. Noten que en los puntos 2 y 3 la fuerza será la misma por estar a igual distancia de la carga fuente. De modo que si quisiéramos acercar la carga de prueba a la carga fuente deberíamos realizar un trabajo en contra del campo. Pueden probar simularlo en http://phet.colorado.edu/ sims/charges-and-fields/charges-and-fields_es.html. Cada punto de un campo eléctrico queda caracterizado por un número al que llamamos potencial eléctrico, y representa el trabajo eléctrico necesario para transportar una carga de prueba positiva hasta ese punto. El potencial aumenta al acercarse a la carga fuente y disminuye al alejarse.
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Si comparamos dos puntos cualesquiera del campo, llamaremos diferencia de potencial al trabajo eléctrico necesario para llevar la carga de prueba desde el de menor potencial al de mayor potencial. A la diferencia de potencial se la puede medir, por lo tanto, es una magnitud. La unidad se llama volt o voltio y se define de la siguiente manera: entre dos puntos del campo eléctrico habrá una diferencia de potencial de un volt , cuando para transportar de uno a otro la carga de un coulomb hay que realizar un trabajo de un joule. El trabajo es una forma de transferir energía cuando existe un desequilibrio no térmico. Siempre representa un intercambio de energía entre un sistema y su ambiente. Se realiza trabajo cuando una fuerza provoca un desplazamiento. De modo que la unidad de trabajo (y, por consiguiente, la unidad de energía) resulta, en el Sistema Internacional de Unidades, del producto de newton (fuerza) por metro (desplazamiento), recibiendo el nombre de joule (J).
CONDUCTORES Y AISLA DORES En un átomo cada orbital puede tener un número determinado de electrones. En el caso del orbital externo, este número varía entre uno y ocho. Esta cantidad es determinante de las propiedades eléctricas de cada elemento. Cuantos menos electrones tenga en el último orbital, más fácil será que pueda dejarlos en libertad. Los electrones son atraídos por el núcleo con una fuerza que es proporcional a la distancia que los separa. Los electrones más externos están más débilmente enlazados, y cuando son pocos tienen la facilidad de moverse caóticamente en el espacio que existe entre sus átomos. Se los llama electrones libres. A la propiedad de los materiales de disponer de electrones libres capaces de desplazarse por la superficie del material se la llama conductividad. Debido a esta propiedad, los materiales se pueden clasificar en aislantes, conductores y semiconductores.
Aislantes o dieléctricos Su estructura atómica no les permite disponer de electrones libres, limitando el desplazamiento de cargas a través de ellos. Su baja conductividad los convierte en excelentes acumuladores de electricidad estática. Por ejemplo, son buenos aislantes: la porcelana, el vidrio, los plásticos, la madera, la mica, el aire.
Conductores La estructura atómica de estos materiales es tal que los electrones del último orbital (el más alejado del núcleo) adquieren una enorme libertad de movimiento, convirtiéndose en verdaderos vehículos de transporte de carga eléctrica. Su elevada conductividad no les permite acumular electricidad estática. Por ejemplo, son buenos conductores: la plata, el oro, el cobre, el aluminio, el estaño, etcétera.
Semiconductores Un átomo de cualesquiera de estos elementos posee cuatro electrones en su última capa. Tienen la particularidad de poder ser manipulados para adquirir algún grado deseado de conductividad.
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Esto se logra por adicción de determinadas impurezas en su estructura cristalina, por exposición a la luz o elevando su temperatura. Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico, pero superior a la de un buen aislante. Ejemplo de elementos semiconductores son el silicio y el germanio. Son utilizados en una enorme variedad de componentes de la industria electrónica; se hallan presentes en la mayoría de los dispositivos que utilizamos ( netbook , teléfonos celulares, etcétera).
Superconductores: Son una categoría de materiales que no ofrecen ninguna resistencia al paso de la corriente eléctrica continua a temperaturas muy bajas. A diferencia de los materiales comunes cuya conductividad aumenta paulatinamente al bajar la temperatura, los superconductores, una vez alcanzado el umbral crítico, pierden toda resistencia. Encontramos algunos ejemplos en la aleación de niobio y titanio, en compuestos de talio, mercurio, cobre, bario, calcio y oxígeno, y cerámicas que asocian el Itrio, el Bario y el Cobre.
¿Cuando un cuerpo se carga, cómo se distribuyen en él las cargas? La respuesta cambia si se trata de aislantes o de conductores, ya que mientras los primeros tienen dificultad para permitir a sus electrones cierto grado de movilidad, los últimos permiten fácilmente la movilidad de las cargas: las cargas de la misma polaridad se repelen y se acumulan en los extremos agudos de los objetos conductores. A este fenómeno se lo llama efecto de puntas.
¿Sabías que...? Franklin y el pararrayos
Benjamín Franklin se hizo famoso por descubrir que el rayo de una tormenta era, en gran escala, de la misma naturaleza que las chispas eléctricas que el producía en su laboratorio. Para probarlo desarrolló el ingenioso experimento en el que usó un barrilete. Franklin fue muy cauto. Conocía los peligros de un rayo (matar personas, animales, provocar incendios). Una vez remontado el barrilete, en el extremo del cable ató una llave. Ató al cable una cuerda seca y se colocó sobre suelo seco, bajo techo. Usando la cuerda manipuló el barrilete. Durante el experimento, Franklin acercó la llave a una botella de Leyden (*). Se preguntaba si la energía de la tormenta llenaría la “botella” del mismo modo que como él la llenaba al frotar ámbar con lana. Efectivamente observó que se cargó, con lo que quedó demostrado que en las tormentas había electricidad. Probó que el rayo era simplemente una manifestación poderosa de la electricidad estática. Tuvo suerte de que ningún rayo descargara por el cable y llegara hasta él, de modo que sobrevivió a la arriesgada experiencia. Se dio cuenta de que un objeto cargado perdía rápidamente su carga si tenía punta. Pensó que la idea podía funcionar para el rayo y colocó una punta sobre una casa, la conectó a un cable y lo enterró. ¡Funcionó!, convirtiéndose en el responsable del primer uso práctico de las investigaciones sobre electricidad estática: el pararrayos. (*) Es un almacén de cargas eléctricas que consiste en una botella de vidrio parci almente llena de agua con un gancho metálico que cuelga a través del corcho.
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EL PAR ARRAYOS Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo y canalizar la descarga eléctrica hacia tierra, de modo tal que no cause daños a construcciones o personas. Está compuesto por una barra de hierro coronada por una punta colocada en la parte más alta del edificio al que protege. La barra está unida, mediante un cable conductor, a tierra (la toma de tierra es la prolongación del conductor que se ramifica en el suelo, o placas conductoras también enterradas, o bien un tubo sumergido en el agua de un pozo). En principio, el radio de la zona de protección de un pararrayos es igual a su altura desde el suelo, y evita los daños que puede provocar la caída de un rayo sobre otros elementos, como edificios, árboles o personas. El pararrayos tiene puntas para generar el efecto del mismo nombre. La idea es bastante sencilla. La punta es una superficie muy pequeña, por lo que ante una misma cantidad de carga, en ella están “amontonadas” (la densidad superficial de carga es muy grande). Esto produce la ionización del aire (se carga eléctricamente) a su alrededor atrayendo con más intensidad las cargas de la nube y, por lo tanto, los rayos. Es decir, la atracción de las cargas positivas que hay en la punta sobre las negativas del aire (los electrones) es tan fuerte, que los electrones son arrancados de los átomos y las moléculas que forman los gases existentes en el aire. Esos iones (lo que queda después del electrón, por eso se llama ionizar) están cargados positivamente, por lo que a su vez ionizan otras moléculas y átomos. Así se forma un camino de cargas positivas que facilita la descarga del rayo desde la nube. El rayo no entrará al edificio, las cargas eléctricas seguirán el camino de menor resistividad eléctrica, por lo cual un metal se convierte en un camino favorable al paso de la corriente eléctrica. Los rayos caen también principalmente en los objetos más elevados, ya que su formación se favorece cuanto menor sea la distancia entre la nube y la tierra.
Vocabulario Densidad superficial Nos indica la cantidad de cargas por unidad de superficie. C/mm 2
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EFECTOS CAUSADOS POR LA ELECT RICIDAD ESTÁTICA Desde los crujidos (y hasta a veces chispitas) que suceden al sacarse un pulóver o acercar el vello del brazo a la pantalla recién apagada de un televisor, hasta la molesta adherencia entre la primera hoja de una carpeta y su tapa de acetato de celulosa son efectos de la electricidad estática. Hay aplicaciones prácticas que nos benefician, por ejemplo, para pintar se utilizan los pulverizadores electrostáticos, en los que las gotitas de pintura se cargan al atravesar la boquilla y, de esta manera, el objeto pulverizado se cubre con una capa uniforme de pintura sin necesidad de darlo vuelta y sin desperdiciar pintura. Se utilizan también en las fotocopiadoras, las impresoras láser, los filtros de hollín y polvo en chimeneas, los empalmes invisibles de hilos en la industria textil y muchas otras aplicaciones. Sin embargo, la electricidad estática es la causa de pérdidas en tiempo material y dinero, en muchos campos de la industria, especialmente en procesos de fabricación en las industrias electrónica, gráfica, papelera y farmacéutica. Un capítulo aparte merecería el riesgo de incendio en los camiones que transportan combustible, ya que pueden saltar chispas al descargarse las cargas acumuladas por fricción de los neumáticos contra el pavimento e inflamar el combustible transportado. La electrización por fricción es frecuente en la vida cotidiana; los que poseen un auto probablemente alguna vez hayan experimentado, sobre todo en invierno y en tiempo seco, una pequeña descarga al momento de abrir la puerta. El vehículo cuando está en movimiento está en constante fricción con el aire, además de que sus mecanismos móviles también lo están, en consecuencia, al cabo de un tiempo el vehículo se cargará eléctricamente, ya que los neumáticos (caucho) impiden que se descargue, y al tocar una persona el borde de la puerta para bajarse recibe una “patada”. En este caso lo que sucede es que la carga electrostática que acumuló el automóvil durante su movimiento se ha descargado a través del cuerpo de la persona hacia tierra. Bajo el nombre de colita rutera se conoce a una banda de goma con alma de cuatro o seis cables de cobre, que se coloca en contacto con el chasis de los vehículos y cuelga tocando el pavimento para descargar la corriente estática del rodado.
Actividades que este fenómeno causa en sus líneas de producción. tucumano (y excelente guitarrista) Alberto Rojo, en su libro La física en la vida cotidiana .
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Los materiales frente a la electricidad
Sugerencias Sugiero que utilicen la simulación Travoltage (pueden correrla o bajarla desde http://phet.colorado.edu/es/simulation/travoltage). ¿Podrían anticipar que le sucederá a John si frota su pie en la alfombra? Hagan clic sobre el pie de John y frótenlo en la alfombra ¿Qué le sucede? ¿Podrían anticipar que le sucederá a John si toca el picaporte de la puerta? Hagan clic y arrastren la mano de John para que se acerque al picaporte de la puerta. ¿Qué sucede? ¿Cómo llamarían a lo que le pasó a John? Traten de cargar el cuerpo de John, mientras que su dedo está en el picaporte. ¿Qué sucede? ¿Qué hace falta para que la chispa salte aun cuando John tiene su dedo alejado? ¿Reconocen alguna propiedad nueva en el espacio en torno a John cuando su pie se frota en la alfombra? Encuentren similitudes y diferencias entre esta situación y la planteada con el simulador anterior entre el globo, el pulóver y la pared. Si les gusta ver las experiencias en video pueden buscar en la web; algunas opciones pueden ser: http://videos.educ.ar/play/Disciplinas/_Fisica/Fuerza_entre_cargas_electrostaticas. http://www.acienciasgalilei.com/videos/electroestatica.htm. http://museodelaciencia.blogspot.com.ar/2010/02/experimentos-sobre-electrostatica.html. https://www.youtube.com/watch?v=t_d2PLoOGcI. https://www.youtube.com/watch?v=F1nMHISRwDw. Pueden repasar utilizando la animación de la página http://recursosyoestudio.mineduc.cl/TP/ ELECTRICIDAD/ELECTRICIDAD/electrizacion.swf
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CAPÍTULO
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La electricidad es una propiedad general de la materia. Como ya hemos visto, existe en forma de “cargas” que forman parte de los átomos e intervienen en las uniones entre éstos para formar todo lo que nos rodea. Si sometemos las cargas eléctricas a un campo eléctrico, generamos un desequilibrio, de forma tal que dichas cargas comienzan a moverse de manera ordenada en el espacio. Si dispusiéramos de dos recipientes con agua ubicados a distinta altura y los uniéramos mediante una cañería, el agua fluiría del que está más alto al que está más bajo. Si el agua fuera carga, y el desnivel la diferencia de potencial eléctrico, el agua que se mueve representaría el movimiento de cargas. agua corriente
desnivel
El término corriente se refiere al transporte o al movimiento de algo a través del espacio; el agua que se mueve en un río es una corriente de agua; cuando en ciertas regiones del océano observamos que hay grandes masas de agua moviéndose en su superficie, las llamamos corrientes marinas. Análogamente, cuando hablamos de la corriente eléctrica nos referimos al movimiento de cargas a través de un material o incluso del vacío. Las cargas en movimiento transportan energía en diferentes materiales; en los sólidos esa tarea recae en los electrones. En líquidos y gases son los iones los que se mueven y realizan el transporte.
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¿Sabías que...? La ordenación regular interna de los átomos integrantes de los elementos químicos que forman un mineral se denomina estructura cristalina, y la manifestación exterior de este ordenamiento es lo que se llama cristal. Cuando estos electrones se mueven en forma ordenada, se produce una transferencia grande de carga eléctrica negativa, y esto constituye el flujo de corriente eléctrica. Cuando se cierra un interruptor, las lámparas encienden “instantáneamente”; este hecho lleva a creer que la corriente eléctrica es muy rápida, sin embargo, la velocidad de los electrones pocas veces supera el milímetro por segundo, de manera tal que a un electrón que parte del generador le lleva cierto tiempo completar el circuito.
En un átomo los electrones se distribuyen según diferentes niveles de energía, de modo que algunos se encuentran más cerca y otros más lejos del núcleo. En el caso de los metales, los electrones más alejados del núcleo (electrones de valencia) forman una capa que en los cristales se combina en una gran nube que cubre de manera homogénea todo el cristal. Se dice entonces que los electrones de la última capa se han deslocalizado; tienen la libertad de moverse por todo el cristal, de modo que no siempre se encuentran orbitando en torno a un mismo núcleo, sino que se van moviendo a través de los átomos del material. Se los denomina electrones libres o de conducción. Cuando estos electrones están sometidos a una diferencia de potencial o, dicho de otra forma, se encuentran dentro de un campo eléctrico, se mueven de manera ordenada constituyendo una corriente eléctrica. La conductividad en medios líquidos está relacionada con la presencia de sales en solución, cuya disociación genera iones positivos y negativos capaces de transportar la energía eléctrica si se somete el líquido a un campo eléctrico. Estos conductores iónicos se denominan electrolitos o conductores electrolíticos; en ellos los iones se desplazan conforme a su “signo”, con una velocidad media que depende de su tamaño, de la intensidad del campo eléctrico, de la temperatura y de la concentración de la solución.
Un profesor de electrotecnia solía usar en su explicación la siguiente analogía: “Supongamos que los electrones libres del metal son una bandada de mosquitos que vuelan desordenadamente a una velocidad de centenares de km/s entrechocando unos con otros y con los iones metálicos que constituyen la estructura cristalina del metal. Bajo esas condiciones la corriente eléctrica equivale a una suave brisa: los insectos continúan volando desordenadamente, pero la bandada en su conjunto se desplaza con el viento”.
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CORRIENTE
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Algo semejante sucede en un medio gaseoso ionizado: los portadores de carga son iones. Por ejemplo, en el interior de un tubo fluorescente conectado a la red eléctrica. Volviendo al ejemplo de los dos recipientes con Volviendo con agua, si colocamos entre ellos un dispositivo capaz de hacer volver el agua del depósito inferior al depósito superior, por ejemplo, con una bomba o un molino, mantendríamos el desequilibrio y tendríamos el agua recorriendo un camino cerrado de forma continua. En electricidad, al camino cerrado se lo llama circuito eléctrico, al desequilibrio generado generado lo llamamos diferencia de potencial o tensión y al movimiento ordenado de cargas, corriente eléctrica. En la actualidad existe una serie de dispositivos (pilas eléctricas, baterías, dínamos, celdas solares, conexiones de la red eléctrica domiciliaria, etc.) que proporcionan, entre dos contactos, el desequilibrio eléctrico necesario para que funcionen todos los aparatos eléctricos que usamos a diario. Históricamente, el primero de ellos en hacer que circuHistóricamente, len cargas fue la pila. Hoy las usamos en los controles remotos y en los dispositivos portátiles portátiles más sofisticados. En su forma más simple, una pila es un dispositiv dispositivoo que convierte energía química en electricidad. Veamos Ve amos un retazo retazo de su historia historia
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¿Sabías que...? Un tubo fluorescente es un tubo de descarga que contiene gas argón y cierta cantidad de mercurio. En los extremos del tubo hay dos filamentos que inicialmente se calientan, haciendo que se vaporice el mercurio en función de la presión que reina en el interior; el gas se vuelva conductor y se inicia la descarga. La pared interior del tubo se encuentra recubierta con una capa de sustancia que le da la tonalidad blanca a los tubos (compuestos en base a fósforo). Cuando la radiación ultravioleta que se produce durante la descarga choca con los átomos de fósforo, los excita y origina una luz que está dentro del rango visible. Las lámparas de “bajo consumo” son fluorescentes; en ellas se ha compactado el tubo, se ha cambiado el sistema de fijación para hacerlo compatible con los portalámparas comunes y, especialmente, el encendido es comandado por un circuito electrónico, obteniendo un dispositivo más eficiente.
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DE LAS RANAS A LA PILA Corría el año 1780 cuando se iniciaba una historia que culminó en la construcci construcción ón de una pila. No fue en un laboratorio de física donde apareció una corriente eléctrica, sino en el de un médico, en la ciudad de Bolonia, Italia. Se trata del fisiólogo italiano Luigi Galvani, y la culpa de su descubrimiento tuvo de protagonistas protagonistas a la casualidad y a una rana, más aún, la pata diseccionada de una rana. Comprobó que al conectar el nervio y las patas de una rana con un arco bimetálico se producía una contracción muscular. Luego de diversos experimentos, concluyó que el tejido animal contenía una fuerza vital, innata, que denominó “electricidad animal”. Un flujo eléctrico debía ser la causa que activaba los nervios y los músculos cuando eran atravesados por sondas de metal. Veamos Ve amos com comoo él lo cuent cuentaa con sus prop propias ias pala palabras bras... ...
Yo disequé una rana... entonces, teniendo que hacer otras cosas, coloqué la rana en la misma mesa donde había una máquina eléctrica... Cuando uno de mis ayudantes aplicó la punta de un bisturí a los nervios crurales de la rana, repentinamente se observó que todos los músculos de la rana se contraían... Otro asistente observó que esto ocurría cuando la máquina electrostática estaba en funcionamiento... Yo mismo apliqué la punta del bisturí primero a uno y después al otro nervio crural, mientras que al mismo tiempo uno de mis asistentes producía la chispa. Llegué a la conclusión que para provocar el fenómeno se precisaban tanto del contacto con un cuerpo como de la chispa eléctrica... ...En las repeticiones del experimento usamos siempre el mismo bisturí... Si los dedos sólo hacían contacto con el mango de hueso no había contracciones, bastaba que un dedo descanse sobre la hoja (metálica) para que las hubiera.... Para verificar que la electricidad del rayo tenía el mismo efecto, organicé un pararrayos en el portal, conecté el nervio de una rana a un alambre que había conectado al pararrayos y esperé a que se desatara una tormenta. Como esperábamos, los resultados fueron similares... siempre que relampa gueaba, los músculos de la rana sufrían violentas contracciones... contracciones...
Estos trabajos sobre el efecto de la electricidad sobre la pata de esa anónima rana llamaron la atención de otro italiano, Alejandro Volta. Para él las contracciones de la rana no correspondían a una electricidad distinta a la ya conocida, no existía para él la electricidad animal. La sospecha lo llevó a experimentar sin tener en cuenta a la rana, directamente con dos metales distintos, y como resultado obtuvo una chispa eléctrica, y poco después un dispositivo al que hoy llamamos pila.
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¿Sabías que...? Voltaa describe su invento en una carta Volt carta a la prestigiosa Royal Society , en 1800. Parte de la carta dice: Sí, el aparato del que os hablo, y que os sorprenderá sin dudas, no es más que el ensamble de un número de buenos conductores, de diferentes especies, dispuestos de manera determinada: 30, 40, 60 o más piezas... ...Me proveí de algunas docenas de pequeñas placas redondas o discos de cobre, latón o, mejor, de plata, de una pulgada de diámetro más o menos (monedas, por ejemplo), y de un número igual de placas de estaño o, lo que es mucho mejor, de zinc, más o menos de la misma forma y tamaño que las anteriores: digo más o menos de la misma forma y tamaño, porque la exactitud no es un requisito indispensable y, en general, el tamaño y la forma de estas piezas metálicas son arbitrarios, se debe cuidar solamente que se las pueda colocar cómodamente unas sobre otras en forma de columna. Preparo, además, un número bastante grande de ruedecillas de cartón, cuero o de cualquier otra materia esponjosa, capaz de absorber y conservar mucha agua o humedad, pues es necesario, para el éxito de la experiencia, que estén bien empapadas. empapadas. Estas ruedecillas, que llamaré discos mojados, las hago un poco más pequeñas que los discos o platillos metálic metálicos os a fin de que interpuestas entre estos, no sobresalgan... ...Dispongo, ...Dispon go, pues, horizontalmente sobre una mesa o banco cualqu cualquiera iera uno de los discos metálicos, por ejemplo, uno de plata, y sobre éste adapto uno de zinc; sobre el segundo segun do coloco uno de los discos mojados y después otro de plata, seguido inmediatamente inmediatament e por otro de zinc, al que hago acompañar todavía un disco mojado. Continúo de la misma manera, acoplando un disco de plata con uno de zinc, y siempre en el mismo sentido, es decir, la plata abajo y el zinc arriba, o viceversa, según como se haya comenzado, e intercalando entre cada uno de estos pares un disco mojado sigo formando con estos pisos una misma columna hasta la altura que puede lograrse sin que se desplome.... Al poner en contacto la cabeza y el pie de la columna logro producir una chispa, y también de hacer cosquillear los dedos al tocar las dos extremida extremidades... des...
Fue de este modo que la humanidad dispuso del primer generador de corriente continua, que dejó arrumbados en un rincón de los laboratorios de física a los generadores electrostáticos que producían las habituales descargas de alto voltaje. En homenaje eterno a la figura que nos permitió domesticar la electricidad, se le puso el nombre de voltio (V) a la unidad de diferencia de potencial eléctrico o voltaje. Alejandro Volta
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¿Vamos al laboratorio? Construcción de una pila
Existen diferentes posibilidades para construir una pila. Como han podido leer en “De las ranas a la pila”, Volta usó dos metales distintos y una solución conductora. De modo que pueden usar papel aluminio (viene en rollos y se vende en almacenes y supermercados), monedas, cartulinas o cartones, y agua con sal. También es necesario disponer de dos pequeños trozos de cable y un LED (se consigue en casas de electrónica) Consigan algunas monedas de 50 centavos y límpienlas con una lija de grano fino. Llenen de agua un plato hondo y agreguen sal revolviendo suavemente hasta que se disuelva. Corten cuadrados de cartón de 2 cm de lado y sumérjanlos en el agua con sal. Corten cuadrados de 2 cm de lado del papel aluminio. Coloquen un cuadrado de aluminio, luego uno de cartón húmedo y sobre él una moneda. Luego otro papel de aluminio con su cartón y su moneda, así hasta completar una pila de seis. Apilen al menos seis de estos grupos. Pelen los dos extremos de dos cables. Utilizando cinta adhesiva peguen un extremo del cable a la moneda que quedó arriba de la pila y un extremo del otro cable al papel aluminio que quedó debajo de la pila. Conecten los extremos libres de los cables al LED, cuidando que la “pata” larga del LED quede conectada al cable que viene de la moneda. El LED debería emitir luz. Si esto no sucede revisen los contactos. Si disponen de un multímetro, midan la diferencia de potencial que genera la pila.
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Si retomamos el ejemplo del río como corriente de agua, su caudal, o sea, la cantidad de agua que pasa por un lugar del río, representa la intensidad. Si buscáramos otro ejemplo, podríamos contar los vehículos que circulan por una calle en un intervalo de tiempo. El cociente entre el número de vehículos y el tiempo nos permite cuantificar la intensidad del tránsito de esa calle, lo que nos da, en este caso, el número de autos por minuto. El ancho del camino y de qué está hecho permitirá que pasen más o menos vehículos. Piensen, ¿la calle influye? ¿Es lo mismo una calle que una avenida? ¿Ripio, tierra o asfalto? Imaginen que los vehículos equivalen a cargas y la calle es el medio en el que se mueven. La intensidad de la corriente eléctrica guarda la misma relación: la cantidad de cargas eléctricas que pasan por la sección de un conductor en cada unidad de tiempo. Poco más que seis trillones de electrones forman la unidad de carga (como ya vimos, 6,24 x 10 18), el coulomb o culombio. Cuando la cantidad de carga que circula por segundo asume este valor, la corriente que circula vale un ampere o amperio, recordando al físico francés André Marie Ampére. I =
Q t
Donde I es la intensidad de la corriente que se mide en amperios, Q la carga que se mide en coulomb y t el tiempo que se mide en segundos. La carga no fluye a menos que haya una diferencia de potencial. La generación de una diferencia de potencial se lleva a cabo mediante técnicas muy diferentes.Existen dos tipos de corriente: la corriente continua y la corriente alterna. a) Corriente continua: se denomina así a aquella
en la cual las cargas se mueven con intensidad y sentido constantes. Por ejemplo, la que puede proveer una pila o batería. Un ejemplo de aplicación de este tipo de corriente es la alimentación eléctrica en los automóviles, donde todos los dispositivos que se utilizan (faros de iluminación, limpiaparabrisas, desempañadores, etc.) se alimentan a partir de una batería, usualmente de 12 V.
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b) Corriente alterna: se denomina así a la corriente que varía alternativamente de sentido y mag-
nitud. En este caso el generador recibe el nombre de alternador, que es el dispositivo utilizado en las centrales eléctricas para proveer energía a la red domiciliaria. En nuestro país la tensión de esta red es de 220 voltios y 50 Hz ( hertz ), lo que significa que cambia de sentido 50 veces por segundo. Otros países, como por ejemplo Estados Unidos, utilizan 110 voltios y 60 Hz. La elección del uso de la corriente continua o la alterna dependerá de su aplicación. Para la transmisión y el uso de energía en gran escala, como la necesaria para alimentar ciudades, la corriente alterna es la que se ha impuesto por la facilidad con la que se pueden cambiar sus valores de diferencia de potencial (tensión) y corriente por medio del uso de un transformador.
¿Sabías que...? La corriente eléctrica puede manifestarse en diferentes rangos de intensidades: desde valores muy pequeños hasta valores tan grandes, que cuesta imaginarlos. Quizás la siguiente tabla ayude a identificarlos: Orden de magnitud de diferentes intensidades de corriente eléctrica Impulso nervioso
0,000000000002 amperios
Evaporador de pastillas para alejar mosquitos
0,004 amperios
Impresora
0,06 amperios
Lámpara
0,2 amperios
Plancha
7 amperios
Horno de fundición de aluminio
15.000 amperios
Rayo
100.000 amperios
DE QUÉ DEPENDE LA INTENSIDAD DE LA CORRIE NTE Todos los materiales tienen una propiedad que limita (en mayor o menor medida) el movimiento ordenado de las cargas, y recibe el nombre de resistencia eléctrica (en adelante resistencia). Esta propiedad es inversa a la conductividad: cuando la resistencia es baja, se dice que el material es conductor , y cuando es muy elevada lo llamamos aislante. En los metales, la facilidad de disponer de electrones en libertad hace que sean muy buenos conductores y presenten poca resistencia. Los cables de todas las instalaciones y artefactos que utilizamos están fabricados con ellos. A la resistencia la podemos medir, o sea, que estamos en presencia de una nueva magnitud. La unidad elegida fue el ohmio, en homenaje a Georg Ohm, el físico alemán que encontró una interesante relación entre la causa (diferencia de potencial), el efecto (intensidad de la corriente) y el material (resistencia que lo caracteriza). Hoy se la conoce como Ley de Ohm.
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Triángulo de la Ley de Ohm
V= I . R
V I
I= V/R R
R= V/I
Sugerencias Sugerimos ejecutar en línea una animación muy clara en http://phet.colorado.edu/sims/ resistance-in-a-wire/resistancein-a-wire_es.html o descargarla de http://phet.colorado.edu/es/ simulations/translated/es. Pueden reforzar los conocimientos si utilizan el recurso ubicado en http:// phet.colorado.edu/sims/ohms-law/ ohms-law_en.html.
Problemas Algunos ejemplos del uso de la Ley de Ohm: Si necesitamos calcular la intensidad de una corriente eléctrica que atraviesa una resistencia de 6 ohmios y que tiene una diferencia de potencial entre los extremos del circuito de 12 voltios, el cálculo es sencillo: tenemos una corriente de 2 amperios. Si, en cambio, deseamos calcular la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito por el que circula una corriente de 8 amperios y hay una resistencia de 6 ohmios, tenemos que el valor buscado: 48 V.
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Fue entre los años 1825 y 1826, que este físico y matemático hizo su trabajo sobre las resistencias, aunque publicó sus resultados un año después en el libro Tratado matemático de circuitos eléctricos . Allí describe la relación entre la corriente que pasa por un conductor y la diferencia de potencial entre sus extremos. Aplicó diferentes voltajes, midió intensidades de corriente, probó con diferentes materiales y ensayó con conductores de diverso largo y grosor. Los resultados de estos trabajos están condensados en dos relaciones que, con algunas limitaciones, resultan ser de gran utilidad. La primera, conocida como Ley de Ohm, relaciona el voltaje en los extremos de un conductor con la intensidad de corriente que pasa por él. Expresado en palabras la intensidad de la corriente resulta directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia del sistema. La segunda da cuenta de cómo la resistencia de un conductor depende de las dimensiones de éste y del tipo de material con que está hecho, expresada en una fórmula: .L R= S Donde es la resistividad (*), L es la longitud y S la sección transversal. metro de longitud y milímetro cuadrado de sección. Por ejemplo, la resistividad del cobre es de
El ritmo con el que la electricidad se transforma en otra forma de energía La electricidad se nos presenta como una fuente de energía muy adaptable, con innumerables aplicaciones: desde mover una locomotora de ferrocarril a permitirnos ver un video en nuestra netbook , o comunicarnos usando un teléfono móvil. Todo los aparatos que utilizan electricidad tienen una capacidad para transformarla en otro tipo de energía (lumínica, calorífica, mecánica, etc.). Cada uno se caracteriza por su potencia. Ésta es la magnitud que caracteriza la rapidez con que la energía se transforma o se transmite de un sistema a otro.
En símbolos, la potencia se escribe de la siguiente manera: E P= t
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Esto nos indica cuánta energía se utilizó en un tiempo determinado. En términos eléctricos, resulta de multiplicar la causa (diferencia de potencial) por el efecto (intensidad de la corriente), de modo que: P=VxI
Dicho en palabras: la diferencia de potencial en voltios por intensidad de la corriente en amperios nos da la potencia en vatios o watts. Veamos un ejemplo con un artefacto que seguro conocen: el secador de cabellos, que utiliza la convección forzada (el aire se calienta y luego pasa entre los cabellos húmedos) para secarlos. La cantidad de energía necesaria dependerá de la cantidad de cabello y de cuán húmedo esté. Cualquier secador podría realizar la tarea, pero supongamos que disponemos de un secador de viaje de 400 W y uno profesional de 1600 W. La elección es fácil, ambos secarán nuestro pelo, pero el profesional lo hará cuatro veces más rápido.
Problemas Veamos un ejemplo de cálculo: La batería de un automóvil aplica una diferencia de potencial a los terminales del motor de arranque, de 12 V, generándose una corriente de 50 A. De modo que la potencia desarrollada vale: P = V x I = 12V x 50A = 600 W En cada segundo, 600 J de energía eléctrica se transformarán en energía mecánica de rotación del motor (despreciando las pérdidas por calentamiento en esta máquina). Hay otras dos formas de calcular la potencia, que surgen de aplicar la Ley de Ohm. En el primer caso, si en P = V x I reemplazamos V = I x R, nos da P = I x I x R = I 2 x R El valor de la potencia se obtiene elevando al cuadrado el valor de la intensidad de corriente en am la carga o consumidor conectado al propio circuito. La segunda fórmula se obtiene reemplazando I = V/R en la fórmula de potencia P=
V x V R
=
V2 R
Es decir, la potencia podemos obtenerla elevando al cuadrado el valor del voltaje de la red eléctrica y dividiéndolo a continuación por el valor en ohmios que posee la resistencia de la carga conectada. Por ejemplo, si queremos averiguar la potencia de un horno eléctrico para pizzería, que tiene una resistencia de 8 ohmios y por el cual circula una corriente de 27,5 amperios, deberíamos hacer P = I2 x R = (27,5 A) 2 x 8 ohmios= 6050 W. Si deseamos saber el valor de la resistencia de una plancha, y el fabricante indica que tiene una potencia de 1600 W y funciona con la diferencia de potencial de la red domiciliaria de 220 V, despejando de P = V2/R, la resistencia se calcula haciendo R = V2/P = (220)2
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Sugerencias Para repasar, como la variación de una de las magnitudes afecta a las otras, pueden usar el recurso de la página http://www.educaplus.org/ play-328-Ley-de-Ohm-y-potenciaeléctrica.html, con el que podrán comprobar, por ejemplo, que si se reduce la resistencia, la potencia aumenta. Sugerimos que concreten una actividad de aplicación que les permitirá, además, comprobar que la resistencia varía con la temperatura. La propuesta requiere analizar cómo funciona una lámpara incandescente (por ejemplo, el foco de un auto), medir su resistencia en frío y calcular, de acuerdo con la tensión y la potencia informadas por el fabricante, el valor de la resistencia en funcionamiento (R = V 2/P). Luego pueden armar un circuito, medir tensión y corriente, y determinar la resistencia de funcionamiento (en caliente) como el cociente entre ellas (R = V/ I ). Una opción para hacer cálculos pueden encontrarla en la página http:// www.tuveras.com/electrotecnia/resistividad/resistividad.htm.
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Ideas básicas sobre resistencia eléctrica multímetro. del material con que está fabricado (resistividad ) pende de su longitud, cuanto más largo es, más resistencia presenta. de de su sección transversal, a mayor área o sección transversal, menor resistencia. cada material tiene un coeficiente de variación. por su fabricante se lo llama resistor. distintos materiales, según el uso que se les va a dar y la potencia que deban disipar. cuerpo del resistor: puede ser directamente con un número o con un código normalizado de colores.
R=
L
A
R = R0 [1 + (T- T0) [
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¿Sabías que...? Cómo leer el valor de una resistencia
El primer color indica la decena, el segundo color la unidad y el tercer color la cantidad de ceros que completan su valor. En el caso de la imagen, el rojo representa el dos y el marrón indica que
Resistores
Rango: indica el mínimo y máximo que puede medir, referente a la magnitud
Display
Voltaje directo Voltaje alterno
La franja dorada más separada de los otros colores indica su tolerancia, es decir, en qué porcentaje se puede apartar de su valor indicado. En este caso el dorado indica un 5%.
Amperio
Selector de funciones mili Amperio DC
Continuidad diodo Resistencia Multímetro digital
NO HAY CORRIENT E ELÉCTRICA SIN UN CIRCUITO ELÉCTRICO Para manipular la electricidad se necesitan circuitos eléctricos. Se definen como el conjunto de elementos que, conectados entre sí, permiten el paso de la energía eléctrica y la transforman en otro tipo de energía: lumínica, magnética, térmica…
Filamento
Polo +
RECEPTOR (Lámpara)
CONDUCTOR (Cable)
GENERADOR (Pila)
Polo -
Dirección de la electricidad
El símbolo que se utiliza para la pila es una línea delgada y más larga para el polo positivo y una gruesa y más corta para el negativo
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Los elementos que constituyen un circuito eléctrico se clasifican en cuatro grupos, tres de ellos indispensables: Generador : es el dispositivo que permite transformar en eléctrica a otra forma de energía. Por
ejemplo las pilas transforman energía química en eléctrica y los paneles fotovoltáicos energía solar en eléctrica. El alternador el más usado, ya que es el que alimenta de energía eléctrica a las líneas de distribución domiciliaria.
Cables y conectores: son los materiales que permi-
ten el paso de la electricidad. El más utilizado es el cable de cobre, normalmente forrado en un aislante, como el PVC. Receptor: es el artefacto o dispositivo eléctrico que
queremos hacer funcionar, en él se transforma la energía eléctrica en algún otro tipo de energía. El cuarto grupo lo integran los elementos de maniobra, control y protección: permiten modificar las condiciones del circuito (interruptores, conmutadores, pulsadores…) y/o lo protegen (fusibles, disyuntores, llaves termomagnéticas).
Fusibles
Interruptor
El instrumento para medir la magnitud eléctrica “intensidad” de una corriente se llama amperímetro
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El aparato para medir la diferencia de potencial se llama voltímetro
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Algunas de las formas de conexión entre las partes de un circuito Podemos encontrar diferentes formas de conectar los elementos de un circuito. Decimos que varios elementos de un circuito van conectados en serie cuando se colocan uno a continuación del otro (la salida del primero va conectada a la entrada del segundo, la salida del segundo a la entrada del tercero, y así sucesivamente), de manera que por todos ellos circula la misma intensidad de corriente. El voltaje entre la entrada del primero y la salida del último es igual a la suma de los voltajes en cada uno de los elementos.
Por ejemplo, en el circuito de la figura, la pila da una tensión de 30 V; si todas las lamparitas son La resistencia del conjunto de receptores conectados en serie es igual a la suma de las resistencias individuales de cada uno de ellos. En el ejemplo: Por eso, en el circuito de la figura, al tener más resistencia las tres lámparas que una sola, oponen más dificultad al paso de los electrones, y por eso las lámparas brillan menos. Mientras más lámparas coloquemos en serie menos brillarán. Decimos que varios elementos de un circuito están conectados en paralelo cuando se conectan entre sí los inicios de cada receptor, y del mismo modo todos los finales. Un circuito paralelo es un circuito con varios “caminos” o ramificaciones a través de los cuales fluye la corriente eléctrica. La corriente total será igual a la suma de la que circula en cada rama. En los diagramas de cableado, los circuitos paralelos se parecen a una escalera, con dos o más rectángulos que contienen cargas (luces, resistores, motores, etc.).
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Las ramificaciones de los circuitos paralelos son independientes entre sí, pues cada una está conectada directamente, siendo el voltaje total, a través de cada “camino” del circuito, igual al voltaje de la fuente o generador de energía. Los circuitos en serie y en paralelo se pueden combinar, dando lugar a circuitos mixtos.
PAR A RECORDAR 1. En un circuito en serie, la corriente es la misma a lo largo de todos los puntos del alambre. 2. La resistencia efectiva o total de un circuito en serie es la resistencia de un resistor que produce el mismo efecto que todos los resistores del circuito juntos. 3. En un circuito en serie, la suma de las diferencias de potencial en cada resistor es igual a la diferencia de potencial entregada por la fuente (tensión de la fuente). 4. En un circuito en paralelo, cada resistor provee una ruta distinta por la cual puede fluir la corriente. 5. La resistencia total de un circuito en paralelo disminuye a medida que se añaden más resistores. 6. La corriente total de un circuito en paralelo es igual a la suma de las corrientes en sus ramificaciones. 7. La caída en potencial a través de cada ramificación es igual al voltaje de la fuente. 8. En un circuito combinado existen asociaciones en serie acopladas en paralelo o asociaciones en paralelo conectadas en serie.
¿Vamos al laboratorio virtual? Para aprender haciendo Proponemos utilizar materiales de fácil obtención para algunos experimentos, y para reducir tiempos, recurrir a un simulador de circuitos muy sencillo de utilizar diseñado por especialistas de la Universidad de Colorado. Pueden hacer la descarga gratuita de la página http://phet.colorado.edu/es/simulations/translated/es (también se lo puede utilizar on line). Posee tres opciones de tamaño: pequeño, mediano y grande, con dos presentaciones visuales, esquemática y realista, permitiendo ocultar o mostrar los valores de cada componente. La opción avanzada permite darle valor a la resistencia eléctrica de los cables (en el rango poco-mucho), así como ocultar el movimiento de los electrones. Dispone de instrumentos (voltímetro, amperímetro, cronómetro...) entre los que se destaca una pinza amperométrica (amperímetro sin contactos) que facilita los ensayos. Para armar un circuito deben hacer clic en el elemento, por ejemplo una lámpara, y arrastrarla con el mouse a la estructura principal de la simulación. Repitan la acción para cables, pilas, interruptores, etc. Para cambiar los valores de la resistencia interna de lámparas o el voltaje de las pilas, hagan clic con el botón derecho del mouse sobre la lámpara y seleccionen “cambiar resistencia”. La misma acción permite elegir “mostrar valor”, de modo que pueden conocer en pantalla magnitudes, como resistencia y voltaje.
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¿Vamos al laboratorio virtual? Un cortocircuito Conecten entre sí una pila, un interruptor y un par de cables. ¿Qué sucedería si cierran el interruptor? Prueben hacerlo. ¿Por qué creen que la pila está en llamas? ¿Qué pasaría si realizan esta conexión con una pila real y un cable? ¿Cuál es el voltaje a través de la batería ahora? Expliquen las causas de la diferencia entre el circuito simulado y el real. Utilicen el voltímetro para medir el voltaje a través de diversas secciones de los cables y las pilas. Dibujen el circuito y marquen los voltajes que puedan encontrar. ¿Dónde se encuentra el voltaje más alto? Añadan un amperímetro al circuito y midan la corriente que circula (amperios). Si tuvieran una pila, una lamparita y sólo un cable, ¿cómo harían para encender la lamparita? ¿Qué sucede? ¿Por qué en este caso la pila no está en llamas? Conductores y aislantes Armen un circuito con una pila, cables, un interruptor y una lámpara. Cierren y abran el interruptor, y registren lo que sucede. Quiten el interruptor y coloquen en su lugar un clip, un billete, una moneda, una goma o cualquier objeto de la bolsa.. Prueben colocando la mano: a) ¿A qué voltaje comienza a circular una corriente que puedan medir con el amperímetro? (Hagan clic en la batería para cambiar el voltaje, y marquen la casilla “más tensión”, para obtener aún más tensión si es necesario.) b) Teniendo en cuenta el voltaje y la corriente que encontraron en la parte (a), ¿cuál es la resistencia de la mano del hombre? ¿Qué sucedería con esta resistencia si la mano estuviera mojada? Clasifiquen los materiales de la bolsa según su comportamiento eléctrico: los que dejan pasar la corriente eléctrica y los que no la dejan pasar. Comparen la resistividad de los buenos aislantes con los buenos conductores.
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¿Vamos al laboratorio virtual? Trabajando con pilas Si disponen de un multímetro, pueden hacer algunas mediciones. Etiqueten tres pilas reales, 1, 2 y 3, con cinta adhesiva. Midan el voltaje de cada una por separado y registren el voltaje real en una tabla como la que se muestra. Luego combinen las pilas sosteniendo el extremo de una con el final de la siguiente, de manera de medir la diferencia de potencial (voltaje) de las combinaciones. Usando el simulador, realicen el mismo procedimiento y registren los resultados de la tercera columna. Pilas
Voltaje (V) Real
Voltaje (V) Simulación
1 2 3 1+2 1+2+3
Describan la relación entre el número de pilas y el voltaje, y expliquen lo que creen que podría estar sucediendo físicamente. ¿Cómo es que los datos del mundo real se diferencian de la simulación? Expliquen lo que podría provocar esas diferencias. ¿Cuáles creen que son los beneficios del uso de la simulación?
Pensando alrededor de un circuito básico Utilicen la simulación para construir un circuito con una pila y una lamparita en el modo visual realista. Dibujen el esquema del circuito. Describan lo que está sucediendo. Traten de explicar por qué el circuito hace lo que hace. ¿Qué representan los puntos azules? Midan con el voltímetro la diferencia de potencial de la batería. Hagan lo mismo con el de la lámpara. Expliquen qué es lo que piensan que sucede. Si disponen de los materiales adecuados pueden plantearse el experimento real. Predigan qué le sucederá a la luz cuando se aumenta el voltaje, y luego elijan nuevos valores de voltaje para la pila (haciendo clic derecho sobre ella). Anoten sus observaciones y mediciones, (pueden utilizar el amperímetro sin contacto, colocándolo sobre cualesquiera de los cables). Pensando en una lamparita de luz real y una pila, expliquen lo que piensan que está sucediendo físicamente. Cuando realizaron los cambios en el voltaje de la pila, ¿qué sucedió con la velocidad de los “puntos azules”(electrones)? ¿Cómo influye el voltaje aplicado a un circuito en la intensidad de la corriente que circula por él?
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¿Vamos al laboratorio virtual? Verificando la Ley de Ohm Armen un circuito con una pila, cables, un interruptor y una resistencia. Intercalen un amperímetro en el circuito para leer la corriente. Trataremos de averiguar cómo influye la diferencia de potencial (voltaje) aplicada en la intensidad de la corriente. Utilizando el botón derecho del mouse hagan clic sobre el resistor y la pila asignándoles valores de 9 ohmios y 9 voltios. Cierren el interruptor y midan la corriente que circula. Registren los valores obtenidos en una tabla. Diferencia de potencial (V)
Intensidad de la corriente (A)
9 18 27 36 54 72
Cambien el voltaje de la pila asignándole 18 voltios ¿Cuánto vale ahora la intensidad? Registren los valores en la tabla. Sigan cambiando los valores del voltaje, haciéndolos igual a 36, 54 y 72 voltios, midiendo y registrando los valores obtenidos en la tabla. Analicen dichos valores. ¿A qué conclusión llegan? Prueben la influencia del valor de la resistencia. Utilizando el botón derecho del mouse hagan clic sobre el resistor y la pila asignándoles valores de 9 ohmios y 9 voltios. Cierren el interruptor y midan la corriente que circula. Cambien el valor de R, asignándole valores de 18, 27, 36, y 54 ohmios, y anoten los cambios en la intensidad. Completen una tabla como la siguiente
Intensidad de la corriente (A)
9 18 27 36 54 72
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¿Vamos al laboratorio virtual? Analicen los valores obtenidos. ¿A qué conclusión llegan? Hagan clic en “reiniciar todo” y armen un nuevo circuito, esta vez con una lámpara. Antes de cerrar el interruptor miren los valores de voltaje y resistencia, y utilizando la Ley de Ohm, anticipen cuál será el valor de intensidad de la corriente que circulará en el circuito. Cierren el interruptor y, utilizando el amperímetro sin contactos, verifiquen la predicción. ¿Podrían anticipar qué sucedería si agregan una nueva pila, conectada a continuación de la que ya tienen? ¿Y si en cambio agregan una nueva lámpara? Hagan clic en “opciones avanzadas” y alteren la resistencia de los cables. Describan lo que sucede en el circuito. ¿Qué cambios se registran? ¿Por qué suceden? También pueden asignarle resistencia interna a la pila, observando y registrando los cambios. ¿Cuánto valdría la resistencia total del circuito? ¿Qué creen que sucede en un circuito real? Hagan clic con el botón derecho sobre la pila y la lamparita, y seleccionen “mostrar valor”. Armen un circuito con una lámpara, una resistencia y un amperímetro. Observen lo que sucede. Aumenten el valor de R. ¿Qué ocurrirá con el brillo de cada lámpara? Hagan un experimento similar, pero agregando otra lámpara. Armen un circuito que conste de tres lámparas iguales conectadas una a continuación de la otra (en serie). Para ello hagan clic en la lámpara y arrastren con el mouse a la estructura principal de la simulación. Repitan la acción tres veces. Hagan lo mismo con los cables y la batería. Con tres lámparas encendidas, desconecten una de las lámparas. Para hacerlo basta hacer clic con el botón derecho del mouse sobre la lámpara y seleccionar “eliminar”. Describan y expliquen lo que sucede. Haciendo clic sobre cada lámpara, cambien el valor de su resistencia, de modo que sean todos distintos ¿Notan alguna diferencia entre el brillo de las lamparitas de este circuito con las del anterior? ¿A qué conclusión arriban luego de esta observación? Armen un circuito que conste de tres lámparas iguales conectadas inicio con inicio y final con final (en paralelo). Con las tres lámparas encendidas, desconecten una de las lámparas, (hagan clic con el botón derecho del mouse sobre la lámpara y seleccionen “eliminar”. Describan lo que sucede. Expliquen. Comparen este resultado con el obtenido cuando las tres luces estaban conectadas en serie. ¿A qué conclusión llegan? Expliquen por qué el brillo de las lámparas de la misma resistencia interna sigue siendo el mismo, independientemente del número de lámparas conectadas. Haciendo clic sobre cada lámpara, cambien el valor de su resistencia, de modo que sean todos distintos ¿Notan alguna diferencia entre el brillo de las lamparitas de este circuito con las del anterior? ¿A qué conclusión arriban luego de esta observación? ¿Cuál de estos circuitos que han ensayado se parece al de la instalación de sus casas? ¿Cuál es la diferencia entre un circuito en serie y uno en paralelo?
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Y LA ELECTRICIDAD SE TRANSFORMÓ EN CALOR Se conoce como efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura de aquél. Este efecto fue descubierto por el físico James Prescott Joule, y en honor a él es que lleva ese nombre (efecto Joule). Descubrió que cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, se genera calor en éste y lo explicó de la siguiente manera: una corriente eléctrica es justamente un movimiento de electrones. Éstos tienen masa, y por tener una velocidad, adquieren cierta energía cinética. Pero los conductores no son perfectos, y el movimiento de esos electrones es además desordenado. Como resultado, se producen muchos choques, en donde parte de la energía cinética se transforma en energía térmica, que termina elevando la temperatura del conductor.
En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos, como las planchas para la ropa, los hornos, las tostadoras, los secadores de cabello, los calefactores eléctricos, los alambres para evitar el empañamiento en vidrios de las ventanas traseras de automóviles y algunos aparatos empleados industrialmente, como por ejemplo, los soldadores, en los que el efecto útil buscado es, precisamente, el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente. En otros artefactos eléctricos es un efecto indeseado y la razón por la que disponen de un ventilador que disipe el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos. Un ejemplo son las computadoras, que utilizan varios ventiladores para proteger sus componentes. Otra aplicación del efecto Joule se encuentra en la construcción de fusibles, elementos que se emplean
James Prescott Joule , por Henry Roscoe, 1906
¿Sabías que...? El primer ensayo de alumbrado público fue realizado en la Plaza de la Concorde de París (Francia), el 20 de octubre de 1843. Diez años más tarde un odontólogo de origen vasco-francés, Juan Echepareborda, realizó el primer ensayo de iluminación eléctrica en la ciudad de Buenos Aires utilizando un arco eléctrico entre electrodos de carbón. Desde que Humphry Davy demostrara en 1802 el efecto lumínico de una corriente eléctrica, se ensayaron diferentes tipos de lámparas. Recién en 1879, Edison logró una versión innovadora de lámpara eléctrica (barata, duradera y de fabricación industrial). Este producto revolucionó la iluminación, y con ella, la forma de vivir. La lámpara incandescente llegó a la ciudad de La Plata en 1883, para utilizarse en el alumbrado público. La instalación quedó terminada y funcionando en 1886, convirtiendo esta ciudad en la primera de América Latina en ser iluminada por un sistema eléctrico.
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para limitar la corriente que pasa por un circuito eléctrico, por ejemplo, en un automóvil, una casa, un aparato electrodoméstico, etc. Estos dispositivos están constituidos por un hilo metálico (generalmente plomo, aleaciones de plata o estaño) que tiene un punto de fusión bajo; de esta manera, cuando la corriente que pasa por el fusible sobrepasa cierto valor (el amperaje propio de cada fusible), el calor generado por el efecto Joule produce la fusión del elemento, interrumpiendo así el paso de la corriente y protegiendo el resto de la instalación eléctrica. Otra aplicación similar y actualmente más difundida en los hogares son las llaves térmicas. Estos dispositivos cortan la alimentación cuando la corriente supera cierto valor establecido. La gran ventaja que poseen es que no hay ningún elemento que se destruya, como en el caso de los fusibles, por lo que una vez eliminada la causa del exceso de corriente, se puede restablecer la energía eléctrica simplemente accionando una tecla. Borne de conexión
¿Sabías que...?
Dispositivo térmico. Bimetálico
Un par bimetálico es un dispositivo formado por dos tiras de metales diferentes una sobre la otra. Al tener cada metal un coeficiente de dilatación diferente, cuando aumenta la temperatura las láminas se dilatan y se separan abriendo el circuito.
Dispositivo magnético. Electroimán Palanca de accionamiento
El funcionamiento de un interruptor termomagnético se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el térmico (efecto Joule). El dispositivo consta, por lo tanto, de dos partes, un electroimán y un par bimetálico conectado en serie, por el que circula la corriente hacia la carga.
Cámara de extinción (apaga chispas)
Borne de conexión
Veamos algunos ejemplos entre los aparatos electrocaloríficos de uso frecuente:
En el soldador se calienta una pieza de metal que cede el calor, a través de la punta, al punto de soldadura. Esta forma de transmisión del calor se denomina conducción. En el secador de cabello, un ventilador fuerza al aire a pasar entre los conductores calientes y luego envía el aire caliente sobre el cabello. A esta forma de transferencia se la conoce como convección forzada. Las lámparas de cuarzo calientan principalmente los objetos que se encuentran directamente frente al campo de radiación, no precisándose ningún medio para el transporte. De este modo también se calienta el aire, que por convección va calentando el recinto donde se encuentra el calefactor eléctrico.
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¿Vamos al laboratorio? Prueben hacer un experimento Con materiales fáciles de conseguir podrán montar una “sierra eléctrica” para, por ejemplo, cortar telgopor. Los materiales necesarios son: una batería de 9 V, cables, terminales para la batería, alambres de cobre de diferentes diámetros, un trozo de madera o aglomerado, clavos medianos y un martillo. Los pasos a seguir son: Clavar los clavos en los extremos de una tabla, de forma que queden altos uno frente a otro, y enrollar el hilo de alambre en la cabeza de los clavos, de forma que quede tenso entre los clavos. Enganchar dos cables (o los terminales de la pila), uno a cada clavo, y conectar los extremos libres a la pila. ¿Qué creen que sucederá?, ¿qué sucede realmente? El hilo de cobre debe calentarse. Pueden cortar un trozo de telgopor pasándolo por el hilo. Si cambian el hilo de cobre fino por otro más grueso. ¿Qué sucede?, ¿el hilo se calienta de la misma forma?, ¿cortan de igual modo el hilo grueso que el fino?, ¿por qué les parece que ocurre esto?
¿CÓMO CALCULAR EL CONSUMO DEL HOGAR? Cuando los aparatos eléctricos están funcionando, utilizan energía eléctrica en función de la potencia que tengan y del tiempo en que estén en funcionamiento. Para calcular el consumo eléctrico del hogar, se deben sumar los consumos individuales de los artefactos que en él se utilizan. La energía consumida resulta de multiplicar la potencia del artefacto eléctrico por el tiempo que estuvo funcionando, E = P x t. Por ejemplo, una plancha que consume 1000W (1 Kw) durante una hora, habrá consumido un kilovatio hora, cantidad que se escribe 1 Kw.h. Si se usó la plancha 15 minutos, son 1/4 Kw.h = 0.25 Kw.h. Esto no es muy riguroso, porque en la plancha, como caso particular, se cierra y se abre el termostato cuando se alcanza la temperatura de corte, por lo que el consumo no es constante como estamos suponiendo. Para determinar el valor monetario del kilowatt.hora deberemos remitirnos a nuestra factura de energía eléctrica: en ella figura el valor de cada Kw.h, el valor del consumo y de los impuestos y agregados que conforman el importe a abonar. Generalmente cuando compramos un artículo electrodoméstico (televisor, refrigerador, lavadora, secadora, etc.), estamos agregando un consumo adicional al diseño original de nuestro circuito
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eléctrico, lo cual puede generar un sobreconsumo (sobrecarga) que puede redundar en un peligro de incendio, producto del recalentamiento de los conductores (cables eléctricos). Para no exponerse a esta situación es recomendable, antes de instalar un artefacto, asegurarse que nuestra instalación tiene la capacidad necesaria para absorber este nuevo elemento, es decir, poder entregar el exceso de corriente sin sobrecalentarse y tener los artefactos de protección debidamente instalados (por ejemplo, llaves térmicas).
USO RACIONAL DE LA ENERGÍA: URE El uso racional de la energía eléctrica es el uso consciente para utilizar lo estrictamente necesario. Esto lleva a maximizar el aprovechamiento de los recursos naturales. Es más barato ahorrar un kilowatt por hora que generarlo .
Generalmente es posible disminuir el consumo eléctrico de una serie de artefactos de uso cotidiano en nuestros hogares mediante la aplicación de ciertas normas de uso, que no aparecen incluidas en los manuales provistos por los fabricantes. Describiremos algunos casos sólo a modo de ejemplo. Muchos equipos que suelen formar parte de las pertenencias de una familia permanecen conectados a la red eléctrica las 24 horas: DVD, hornos de microondas, televisores, equipos de audio, etcétera. Estos artefactos no tienen (o no la usamos, tal el caso del televisor) una tecla de apagado total, por lo que cuando no son utilizados quedan con el circuito primario encendido ( stand by ), lo que se indica mediante una lucecita roja. Si bien ese consumo de energía inútil es muy bajo, la suma del consumo inútil de todos los aparatos hace que tenga incidencia sobre nuestra factura de electricidad. Para contribuir a que el lector se forme una idea de la real dimensión de la energía que derrochamos y que pagamos sin que nos reditúe en confort, proponemos algunos casos como ejemplo, donde hemos incluido el consumo en stand by por día y por bimestre: Aparato
Consumo en uso
En stand by por hora
En stand by por día
En stand by por bimes tre
Televisor
0,058 kw/h
0,013 kw/h
0,312 kw/h
18,7 kw/h
Horno de microondas
1,166 kw/h
0,003 kw/h
0,053 kw/h
3,1 kw/h
Reproductor de DVD
0,016 kw/h
0,003 kw/h
0,053 kw/h
3,1 kw/h
Equipo de audio
0,036 kw/h
0,024 kw/h
0,576 kw/h
34,5 kw/h
Si sumamos ese derroche, llegamos a la conclusión de que estamos pagando por algo que no usamos. Tomemos otros dos ejemplos de electrodomésticos muy utilizados: la heladera y el lavarropa. Hoy en día la eficiencia de los refrigeradores se puede reconocer en la letra que tienen pegada en su puerta. La heladera tipo A es la más eficiente, luego B, y así sucesivamente. Al instalarla conviene que no esté colocada en un hueco; si bien queda estético desde el punto de vista arquitectónico, técnicamente se impide que el calor expulsado por la parrilla trasera, que es extraído del interior de la heladera, se disipe rápidamente, lo cual produce que el equipo se sobrecargue y funcione más
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de lo necesario, y consuma más energía. Esto puede solucionarse con dos rejillas de ventilación colocadas en la pared donde comienza y donde termina el radiador posterior de la heladera. Todas las heladeras poseen un control de temperatura, el cual regula el valor de aquélla en el interior del gabinete y, por lo tanto, el tiempo de funcionamiento. Deberíamos colocarlo a mayor temperatura en invierno, lo que corresponde menos marcha de la heladera, y en un punto medio en verano. Debe evitarse la acumulación de hielo en el congelador, ya que esta anormalidad afecta el funcionamiento del termostato, que produce el corte y la marcha del motor. Debe controlarse el cierre hermético de la puerta. Ésta posee un burlete elástico que impide la fuga de aire hacia o desde el compartimiento de alimentos; estas fugas traen aparejada la mayor marcha del equipo y, como consecuencia, un mayor consumo de energía. El gran invento para ahorrar tiempo y esfuerzo es el lavarropa, un artefacto de gran consumo de energía. Las consideraciones a tener en cuenta podrían ser: no cargarlo de ropa más de lo que indican las instrucciones del fabricante, ya que con ello aumentamos el consumo energético y deterioramos el artefacto. Conviene utilizarlo en horarios de menor consumo, por ejemplo, de tarde entre las 14 h y las 18 h. Generalmente poseen un filtro de pelusa, que se debe limpiar periódicamente, ya que al estar obstruido hace que no desagote y siga funcionando la bomba que tiene para tal fin. Si les interesa, cada artefacto tiene su manual y en él encontrarán información útil para usarlo correctamente y ahorrar energía.
A TENER MU Y EN CUENTA: EL PELIGRO DE LAS DESCARGAS ELÉCTRICAS
La electricidad es una parte tan común de nuestras vidas que es fácil olvidar los peligros asociados con su uso. Conviene informarse de las normas de seguridad, recurriendo a los folletos que tienen las empresas que distribuyen energía eléctrica, y los manuales de usuario de los diferentes artefactos. La falta de respeto hacia esos peligros trae como resultado un número elevado de muertes por electrocución en el trabajo y en el hogar. Bastan 16 mA (miliamperes) de corriente eléctrica que pasen a través del cuerpo humano para provocar quemaduras graves internas y externas, que pueden producir la muerte por paro cardíaco. No hay riesgo si trabajan con pilas o incluso baterías. Los riesgos eléctricos comienzan cuando la diferencia de potencial es mayor que 42 V; de todos modos, nunca trabajen sobre dispositivos
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energizados, ni asuman a priori que están desconectados. Nunca limpien un artefacto o una lámpara sin haberlo desenchufado o sin haber cortado el suministro eléctrico desde el interruptor general de la casa o de la escuela. No manipulen artefactos eléctricos pisando una superficie húmeda, o con el cuerpo o la ropa mojados. La electricidad siempre fluye a través del camino que ofrezca la menor resistencia. El cuerpo humano presenta poca resistencia a la corriente eléctrica debido a su alto contenido de agua y electrólitos; deben evitar formar parte de un circuito eléctrico.
Consejo útil Verifiquen que la casa tenga instalado un interruptor diferencial (también llamado disyuntor); si no lo tiene, preocúpense por que se instale a la brevedad. Su rol principal es el de evitarnos descargas eléctricas cuando tenemos un aparato con su estructura aislante dañada; ante una eventual falla, el aparato corta la corriente. Y su función secundaria es la de prevenir una falla de aislación en las líneas eléctricas que recorren una casa. Esa falla, en muchas ocasiones, es muy pequeña para accionar los fusibles o el interruptor termomagnético, pero el medidor de energía de la compañía de electricidad la suma como si fuera una carga útil, y la factura. Para profundizar y discutir en clase: un artículo y un video
Sugerencias
La red de energía eléctrica
El canal de televisión Encuentro dispone de una amplia variedad de videos educativos, muchos de ellos utilizables en la clase de ciencias. Les proponemos ver Red de energía eléctrica. Entornos invisibles , capítulo 3, que pueden verlo o descargarlo en http://www.encuentro.gov.ar/sitios/encuentro/Programas/ver?rec_id=50684. Las siguientes son algunas de las preguntas que pueden responder al terminar de ver el video: 1.- ¿Hasta qué punto dependemos de la electricidad? 2.- ¿Con qué conceptos relacionan la frase: menos zapatillas y más tomacorrientes? 3.- ¿Por qué decimos: “Llegó la cuenta de la luz”? 4.- ¿Qué diferencias plantea el video entre corriente continua y alterna? 5.- Para explicar el funcionamiento de un circuito eléctrico el video usa el modelo de una bomba de agua. ¿Cuáles son las equivalencias entre el circuito hidráulico y el eléctrico? 6.- Expliquen el funcionamiento del transformador. 7.- Expresen la relación que existe entre el número de vueltas de cada bobina del transformador y las diferentes magnitudes eléctricas. 8.- Construyan un cuadro que indique las ventajas y las desventajas de los diferentes tipos de centrales eléctricas. 9.- ¿En qué consiste el sistema argentino de interconexión? 10.- ¿Para que sirve la tercera “pata” de una ficha monofásica? 11.- ¿Por qué al disyuntor se lo llama diferencial?
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Lectura La guerra de las corrientes Por *Claudio H. Sánchez, del suplemento “Futuro” del diario Página/12 Cuando los hermanos Malcolm y Angus Young tuvieron que elegir un nombre para su banda de rock , recordaron haber visto las letras AC/DC en una máquina de coser eléctrica. A ellos les pareció que las letras estaban asociadas a la idea de energía, pero desde el punto de vista de la historia de la tecnología sintetizan el episodio conocido como “guerra de las corrientes”. Las letras AC/DC impresas en un artefacto eléctrico indican que el mismo puede funcionar tanto con corriente alterna (AC) como con corriente continua o directa (DC), las dos formas en que la electricidad puede moverse dentro de un circuito. En una linterna, por ejemplo, las cargas eléctricas salen de un extremo de la batería, recorren todo el camino hasta la lamparita, pasan por la lamparita haciéndola brillar y terminan su recorrido en el otro extremo de la batería. Esto es lo que sucede en un circuito de corriente continua. En un circuito de corriente alterna, en cambio, la electricidad no circula realmente de un lado a otro sino que vibra hacia delante y hacia atrás dentro del cable, siempre en el mismo lugar. A fines del siglo XIX, estas dos formas de circulación enfrentaron a los especialistas en la llamada guerra de las corrientes. En particular al conocido inventor Thomas Edison (1847-1931) del lado de la corriente continua y al mucho menos conocido Nikola Tesla (1856-1943) del lado de la corriente alterna. Los primeros circuitos eléctricos que se construyeron con fines experimentales estaban alimentados por baterías que proporcionaban corriente continua. El comportamiento de la electricidad en un circuito de corriente continua es fácil de entender: la electricidad circula por el cable como el agua que circula por una tubería. El caso de la corriente alterna es mucho más complejo. La vibración de las cargas eléctricas dentro del cable produce un campo magnético cuyos efectos no son fáciles de entender sin conocimientos matemáticos bastante avanzados. Edison era autodidacta, aprendía todo por prueba y error, y no tenía esos conocimientos. Por eso, en todos sus experimentos y desarrollos trabajaba con corriente continua. El problema de la energía
Las primeras redes de distribución eléctrica que Edison instaló en Nueva York y en Europa consistían en una planta generadora relativamente pequeña, ubicada dentro de la ciudad, y que abastecía un número reducido de usuarios. Pero, cuando comenzaron a construirse centrales mucho más grandes, ubicadas lejos de las ciudades, surgió el problema de cómo llevar toda esa energía desde la central de generación hasta los consumidores. La energía que transporta una corriente eléctrica depende de dos cosas: la cantidad de cargas que viajan por un cable y la fuerza que empuja las cargas a lo largo de ese cable. La cantidad de cargas eléctricas que circula por un cable se llama intensidad. Es como el caudal de agua que circula por una tubería, pero no se mide en litros por hora o alguna unidad similar sino en amperes. Por el otro lado, la fuerza que empuja las cargas a lo largo del cable se llama tensión y se mide en voltios. Para transportar una gran cantidad de energía se puede usar alta tensión y baja intensidad o baja tensión y alta intensidad. El problema es que las altas tensiones (de miles de volt ios) son peligrosas. Y las altas intensidades requieren cables muy gruesos, pesados y costosos, así como se necesita un caño muy grueso para transportar una gran cantidad de agua. La solución ideal para este problema sería usar alta tensión (y baja intensidad) para recorrer el camino desde la central hasta la ciudad. Una línea de alta tensión no sería problema en el espacio
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abierto entre la central y la ciudad y la baja intensidad permitiría usar cables más delgados y económicos. Al llegar a la ciudad, se bajaría la tensión a niveles seguros y se elevaría la intensidad para recorrer el último tramo hasta cada consumidor. La solución de Tesla
Tesla, que era ingeniero y tenía los conocimientos teóricos que le faltaban a Edison, sabía cómo variar la tensión y la intensidad trabajando con corriente alterna. En pocas palabras, el campo magnético que produce una corriente alterna en un circuito puede inducir una segunda corriente en otro circuito. Según los tamaños relativos de ambos circuitos, se puede variar tensión e intensidad para un determinado valor de la energía. Eso es lo que hacen los transformadores que usamos todos los días en multitud de aparatos eléctricos. Tesla había sido empleado de Edison pero, disconforme con el trato que recibía, se pasó a la Westinghouse , que competía con la General Electric de Edison. A Edison no le hizo mucha gracia lo que consideraba una traición por parte de Tesla. Además, algunos de los equipos que Edison había desarrollado para sus instalaciones no funcionaban con corriente alterna y eso desató la guerra. Para demostrar la supuesta peligrosidad de la corriente alterna, Edison hacía electrocuciones públicas de animales. Pionero también del cine, filmó la electrocución de un elefante en 1903. De estas experiencias nació la silla eléctrica, usada por primera vez en 1890. Mientras tanto, Tesla hacía sus propias exhibiciones, demostrando que, usada correctamente, la corriente alterna podía ser más segura que la continua. Finalmente, la tecnología de Tesla demostró ser superior. En 1893, Westinghouse pudo abastecer de electricidad a la feria mundial de Chicago a un costo muy inferior al presupuestado por Edison. En el mismo año, la Westinghouse fue contratada para usar la tecnología de Tesla en la central hidroeléctrica de las cataratas del Niágara. Tesla también creó generadores y motores de corriente alterna que eran mucho más eficaces que sus similares de corriente continua. Por todo eso, Tesla y la corriente alterna ganaron la guerra de las corrientes. Todo lo que sé de ciencia lo aprendí mirando Los S impson.
Después de leer el artículo pueden plantearse:
Cuando en el artículo se plantea la solución ideal, ¿cuál es el dispositivo indispensable para lograr ponerla en práctica? ¿Dónde se localizaba y que características tenía la primera central eléctrica que utilizaba generadores de corriente alterna? ¿Por qué es inconveniente usar corriente continua cuando el generador y el usuario están separados por una gran distancia?
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Magnetismo y materia materia
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El magnetismo es un fenómeno conocido desde la más má s remota antigüedad; por ejemplo, el griego Tales de Mileto describe el fenómeno de la atracción magnética siete siglos antes de nuestra era. Incluso existen descripciones anteriores procedentes de China e India que hablan de chum-buk o o piedra que besa, describiendo vivamente el efecto atractivo de estos materiales. Diversas leyendas envuelven los orígenes del descubrimiento del magnetismo. De acuerdo con una de ellas relatada por un poeta griego llamado Nicandro, en el siglo II después de Cristo, el pastor Magnes (de allí magnetismo) mientras cuidaba su rebaño en las faldas del monte Ida, se quedó pegado a la tierra, ya que los clavos de sus zapatos habían sido atraídos por la magnetita. Según otra versión, el nombre magnetismo viene de Magnesia, región de Grecia donde abunda el mineral. Otras leyendas nos hablan de estatuas de hierro suspendidas en el aire debido a su colocación en domos magnéticos. La atracción magnética entre el hierro y ciertas “piedras” (magnetita) es un fenómeno físico asombroso y excitante para la imaginación, al que llamamos magnetismo. La fuerza “a distancia” que ejercen los imanes es fácil de identificar, a diferencia de las débiles y cambiantes fuerzas fuerzas eléctricas que podían obtenerse frotando el ámbar, lo que dio lugar en la antigüedad a especulaciones, incluso a atribuirle alma o virtudes divinas al imán. Aristóteles hablaba del espíritu que reside en la piedra, que puede transmitirse al hierro o al acero por contacto o frotamiento,, y da origen en ellos a la misma propiedad atractiva que posee el imán original. tamiento Por otra parte, Platón (428-348 a. C.) en su diálogo Ión hace decir a Sócrates que la magnetita no sólo atrae anillos de hierro, sino que les imparte un poder similar para atraer a otros anillos, fenómeno que en la actualidad llamamos magnetización por inducción. De esta manera se formaban cadenas de anillos, colgados unos de otros, que eran llamados anillos de Samotracia, por ser los mineros de esta isla griega quienes habían descubierto este fenómeno.
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Magnetismo y materia
El “experimento” es probablemente uno de los primeros del que tenemos conocimiento. Hoy podemos reproducirlo fácilmente con unos clips metálicos y un pequeño imán... aunque ya no despierta tanta admiración como en los tiempos antiguos. En la actualidad sabemos que el magnetismo no sólo se manifiesta en nuestro planeta, sino también en otros planetas, y en especial en las estrellas. Una de las unidades que se han establecido para cuantificar la intensidad de los fenómenos magnéticos se llama gauss. Sólo a modo de ejemplo pueden consultar esta tabla donde seguramente encontrarán algún objeto conocido.
Vocabulario V ocabulario
+
El magnetismo es la “propiedad de los imanes y las corrientes eléctricas de ejercer acciones a distancia, tales como atracciones y repulsiones mutuas, imanación por influencia y producción de corrientes eléctricas inducidas”.
Objeto
Campo magnético
Campo galáctico
0.00001 gauss
Nube molecular interestelar
0.001 gauss
Campo magnético terrestre
0.5 gauss
5 gauss
Imán para puertas de heladera
100 gauss
Mancha solar
1.000 gauss
Electroimán Electroim án
20.000 gauss
Bobina superconductora
120.000 gauss
Estrella enana blanca
1.000.000 gauss
1.000.000 gauss
Estrella de neutrones
1.000.000.000.000 gauss
Desde comienzos del siglo XX, los físicos tuvieron la idea de que el electrón, además de girar alrededor del núcleo, núcl eo, lo hacía sobre sí mismo. Esta propiedad del electrón elect rón fue llamada spin, que en inglés significa girar. Hace tiempo que esta idea ha sido confirmada experimentalmente. experimentalmente. Al girar el electrón sobre su propio eje genera un campo magnético,, de modo que cada electrón es, por su natumagnético raleza, un pequeño imán.
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CAPÍTULO
Desde el punto de vista del comportamiento magnético, podemos clasificar los materiales en tres categorías: paramagnéticos, ferromagnéticos y diamagnéticos, según como respondan al estímulo de un campo magnético externo: no lo modifican demasiado, lo mejoran notablementee o se oponen a él. notablement Si intentáramos clasificar todos los elementos de la tabla periódica, podríamos considerar que son diamagnéticos (es decir, se oponen a un campo magnético) alal rededor de la mitad; la otra mitad son paramagnéticos (no lo modifican demasiado), y sólo cinco presentan un comportamiento magnético radicalmente distinto: el hierro, el cobalto, cobalto, el níquel (los más conocidos) tienen la extraordinaria extraordi naria propiedad de magnetizarse en una proporción enormemente mayor que q ue todos los restantes y mantener su magnetización luego de retirarse el campo magnético que las magnetizaba. A los elementos y a las sustancias (óxidos y aleaciones) que tienen esta propiedad se los denomina ferromagnéticos .
Vocabulario V ocabulario
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Un óxido es un compuesto químico de un metal con el oxígeno, y una aleación es un material de características y propiedades parecidas a las de un metal, formado por fusión de dos o más elementos químicos, de los cuales al menos uno es metal.
A bajas temperaturas también son ferromagnéticos el gadolinio (Gd) y el disprosio (Dy). Son representativos de los paramagnéticos: el platino, el osmio, el litio y el oxígeno oxígeno.. El cobre, la plata, el oro, el mercurio y el nitrógeno lo son de los diamagnéticos.
¿QUÉ ES UN IMÁN? IM ÁN? Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior exterior y atraer el hierro y todas las sustancias ferromagnéticas. ferromagnéticas. En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos llamados polos. Estos polos se denominan norte y sur y, en el caso de imanes industriales o comerciales, se identifican con las letras N y S grabadas o pintadas sobre el imán. En el caso particular de los imanes en barra es frecuente que la mitad esté pintada de un color y la otra mitad de otro. Si rompemos un imán permanente en dos trozos se puede observar que cada una de las nuevas partes mantienen las propiedades magnéticas, por lo que hemos obtenido dos imanes. Si repetimos este procedimiento sucesivas veces, conseguiremos imanes cada vez más pequeños, siempre con un polo norte y otro sur. Si pudiéramos conseguir trozos diminutos del material, veríamos que el fenómeno se repite. Cada pequeño imán microscópico que constituye un material ferromagnético se denomina dominio magnétic magnético o. En el caso de un material no magnetizado, los distintos dominios magnéticos se encuentran desordenados en el material, apuntando apuntand o en distintas direcciones. Esto produce que se anulen los pequeños campos magnéticos magnéticos entre los dominios, resultando que la magnetización total es nula. En cambio, si ponemos el material en la proximidad de un potente campo magnético, los infinitos dominios se alinean por influjo de dicho campo, su magnetización se suma y se produce una magnetización magnetización del conjunto. Hemos obtenido un nuevo imán.
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Si alejamos nuestro material del campo magnético externo, pueden ocurrir dos cosas. Una, que los dominios se vuelvan a desordenar y cese el efecto magnético magnético en nuestro material, que sería el caso de los materiales paramagnéticos. La segunda posibilidad es que nuestro material quede imantado: es el caso de los materiales ferromagnéticos con los que se fabrican los imanes permanentes. Además de la clásica herradura, un imán puede tener diferentes formas rígidas o flexibles: anillos, barras, discos, láminas, etcétera. Las desventajas de los imanes flexibles son la baja resistencia a la oxidación y su escasa potencia magnética (como los imanes que se pegan en la puerta de la heladera). Existen diversas utilidades, entre las que podemos mencionar: mencion ar: tarjetas magnéticas, bocinas, cierres de puertas, motores eléctricos, detectores de metales, brújulas, auriculares, grúas, generador generadores es de electricidad, entre otras muchas aplicaciones.
Sugerencias Ver: https://www. https://www.youtube. youtube. com/watch?feature=player_ embedded&v=soRYETB3QjY.
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CAPÍTULO
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Conociendo Conocien do las propiedades de un imán Dados dos imanes con forma de barra: ¿Qué sucede al acercar los dos imanes?
Al aproximar un imán a otro enfrentando los polos magnéticos distintos, se atraen. La fuerza de atracción intenta juntarlos. Si acercamos un imán a otro enfrentando los polos iguales, aparece una fuerza de repulsión que busca alejarlos. ¿Qué se obtiene al partir en dos un imán?
La respuesta cambia según como realicemos el corte. ¿Qué sucede si el corte es transversal?
Las partes cortadas se atraen mutuamente. Se generan dos imanes independientes. Si a cada uno de ellos lo volvemos a cortar transversalmente, tendríamos cuatro imanes. ¿Qué sucede si el corte es longitudinal?
Una vez separadas las dos partes, se rechazan mutuamente, ya que ambas conservan la posición de los polos que tenían antes del corte. ¿Cuál es el origen de los imanes que utilizamos?
Cuando el imán es un mineral natural, lo llamamos imán natural, como por ejemplo, la magnetita (óxido ferroso). El resto de los imanes adquirió artificialmente artificialmen te (es decir, por acción del hombre) sus propiedades, por lo que reciben el nombre de imanes artificiales. Un material ferromagnético se puede imantar por diversos procedimientos, el más fácil de realizar es por frotamiento con un imán natural o artificial, siempre en la misma dirección. Otra forma es utilizando una corriente eléctrica, eléctr ica, método cuyos fundamentos se tratan más adelante en este libro. El hierro, el cobalto, el níquel y la l a mayoría de los aceros se utilizan para fabricar imanes. Actualmente A ctualmente se ha generalizado el uso de una tierra rara llamada neodimio (dentro de la tabla periódica de los elementos es un “lantánido”) “lantáni do”) con hierro y boro, y una cobertura de níquel (para evitar la oxidación), para fabricar imanes de alta energía y potencia, con alta resistencia a la desmagnetiz desmagnetización. ación. ¿Qué sucede si calentamos un imán?
Dependerá de qué está hecho y de cuánto lo calentemos. Los imanes sufren el aumento de la temperatura, pues pierden la imanación. Los materiales ferromagnéticos se caracterizan por la propiedad de poder organizar todos los “imanes elementales” que los componen, de modo que apunten en el mismo sentido.
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Sugerencias Pueden repasar lo visto en el video de magnetismo de la serie Proyecto G del canal de televisión Encuentro, en http://www.encuentro.gov. ar/sitios/encuentro/Programas/detallePrograma?rec_ id=50756&capitulo_id=112378. Para ampliar y realizar ejercicios sobre magnetismo, pueden visitar la página: http://ieselaza. educa.aragon.es/FisicaConceptualAplicada/Capitulo5/Archivos/ Magnetismo.swf
Pierre Curie (1859-1906) descubrió que cada material magnetizable magnetizab le tenía una temperatura crítica, que cuando se alcanzaba perdía el magnetismo. Hoy se conoce esa temperatura con su apellido, Curie. La siguiente tabla nos permite reconocer la diversidad de temperaturas de Curie para los materiales ferromagnéticos. Disprosio
- 188ºC
Gadolinio
16 ° C
Níquel
35 8 º C
H i e r ro
77 0 º C
Cobalto
11 3 0 º C
Los imanes de “neodimio” tienen una temperatura de Curie de 140ºC.
¿Vamos al laboratorio virtual? Explorando un imán
Desde la página http://phet.colorado.edu/es/simulations/translated/es, descarguen el archivo “imanes y electroimanes” eligiendo la opción descargar, o bien pueden abrirlo utilizando la opción “iniciar ahora”. En cualquier caso deberán tener instalada en sus computadoras la aplicación Java (http://www.java.com/es/download/). Completen las siguientes tareas para investigar un imán utilizando el simulador “imanes y electroimanes”: Pueden agregar otros experimentos que los ayuden en este proceso, teniendo la precaución de anotar procedimientos y resultados. Comiencen utilizando el contenido de la solapa “barra imantada”. En el panel derecho mantengan tildado “sólo mostrar brújula”. Cambien la posición de la barra imantada y registren qué sucede. Muevan la brújula ubicándola en diferentes lugares próximos a la barra imantada. Expliquen qué sucede. Dibujen la situación en una hoja de papel, agregando una representación de las líneas de campo magnético. Seleccionen “mostrar campo” y repitan el paso anterior. ¿Cómo se orienta la brújula respecto al campo? ¿Coincidió lo observado con la representación gráfica? Seleccionen “ver dentro del imán” y comparen el campo dentro y fuera de él. El simulador dispone de la opción “mostrar medidor de campo”. El medidor se puede mover hacia diversas ubicaciones e indica la intensidad de campo magnético en el punto de mira (+). Si deciden activar la opción, pueden establecer la relación entre la intensidad de campo B y la distancia. Pueden hacer clic en “invertir polaridad”, repetir los pasos y registrar sus conclusiones.
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CAPÍTULO
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¿Vamos al laboratorio? Trabajando con imanes
El trabajo con un imán nos presenta una oportunidad para mostrar cómo se manifiesta, natural y espontáneamente, una fuerza a la que se puede dar nombre propio (fuerza magnética), y sobre cuyas acciones se puede experimentar sin riesgos y fácilmente. Comiencen sus pruebas buscando responder: ¿qué sucede cuando se acercan dos imanes? ¿Para que un objeto de hierro sea atraído por un imán, es necesario tocarlo con éste? ¿Un imán atrae cualquier objeto? ¿Dónde encontramos imanes? ¿Para qué se utilizan? ¿Qué sucederá si entre el imán y el material atraído se le interponen otros materiales? ¿Qué ocurre si colocan una hoja de papel entre el imán y un clavo? Prueben repetir el experimento anterior con trozos de madera, plástico y vidrio. Con estos materiales ¿el imán continúa atrayendo al clavo? Con un imán recto toquen un clavo, acercando el otro extremo de éste a otro clavo. Describan lo observado. ¿Por qué sucede? ¿Qué nombre recibe este fenómeno? Si en el experimento anterior en el extremo libre del segundo clavo se coloca otro, y así sucesivamente, ¿cuántos clavos puede contener la cadena? ¿De qué dependerá esta respuesta? Compartan con el resto de su clase las respuestas obtenidas luego de la exploración. Comparar imanes según su fuerza de atracción
Proponemos construir un sencillo aparato al que llamaremos “magnetómetro a reacción elástica”, que sirve para intentar una clasificación aproximada y, como excusa, para plantearnos preguntas y buscar respuestas. ¿La fuerza con que el imán atrae determinados cuerpos es siempre la misma? ¿Depende de algún factor? ¿Cuál? ¿Todos los imanes pueden ejercer la misma fuerza? Una de sus formas posible (seguramente ustedes podrán enriquecer esta idea) requiere disponer de una regla de madera (30 cm), una gomita o banda elástica, un pequeño objeto de hierro (clip, arandela o similar), diferentes imanes y tachuelas (u otros elementos de fijación). En un extremo de la banda elástica se ata la arandela, y se fija el otro extremo de la banda elástica sobre la regla (con una tachuela). Los imanes se acercan al objeto de hierro ligado a la banda elástica hasta que queden pegados. Luego se tira de ellos hasta que se desprendan. Cuanto más debamos estirar el elástico para lograr desprender el objeto del imán, más intensa será la fuerza ejercida por éste. La escala de la regla puede usarse como ayuda para la estimación. Tachuela de
Arandela o tuerca
Imán a ser probado
Regla
Banda elástica
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LÍNEAS DE CAMPO MAGNÉTICO Uno de los físicos más destacados del siglo XIX introdujo el concepto de líneas de fuerza. Se invita a los lectores a repetir el procedimiento que suponemos siguió Michael Faraday para pensar la cuestión. Colocó debajo de un papel un par de imanes. Luego espolvoreó limaduras de hierro sobre el papel. Un ligero golpe al papel ayudó para que las limaduras se acomodaran un poco, ... las limaduras parecían alinearse realmente según curvas que iban del polo de uno de los imanes al polo del otro. Faraday observó, se tomó su tiempo..., las líneas situadas exactamente entre los dos polos eran rectas. El resto se alineaba, pero trazando una curva. Cuanto más afuera estaban las limaduras, más curvada era la línea que dibujaban.¡Ya lo tenía! Entre el polo norte de un imán y su propio polo sur corrían líneas magnéticas que llegaban muy lejos de los polos.
La presencia de un imán, (o de una carga eléctrica) modifica las propiedades del espacio que los circunda, de modo que si colocamos otro imán (u otra carga) experimentará una fuerza de atracción o repulsión que lo hará mover siguiendo una trayectoria. Al espacio cuyas propiedades se han modificado lo llamamos campo, y a la trayectoria la denominamos línea de campo o línea de fuerza. De modo que las posibles acciones del campo se representan mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias, cerradas que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el interior de éste.
ENCUENTRO ENTR E EL ARTE Y LA CIENCIA Si tienen oportunidad pueden usar sus imanes en la clase de arte para crear imágenes originales y distintas. Por ejemplo, mojen pequeños clavos con pintura (pueden ser clips mojados en colorante para comidas). Luego déjenlos caer simultáneamente sobre el centro de un papel blanco donde se han dispuesto en círculo entre seis y ocho imanes, (los resultados mejoran usando imanes potentes). O bien uno a uno, permitiendo que cada objeto al caer se aproxime al imán más cercano, dejando un rastro de pintura o colorante de comida detrás. Otra opción es colocar varios clavos mojados con pintura de diferentes colores y manipularlos con un imán sostenido debajo del papel o del cartón. Los resultados obtenidos son “formas que no se ven en ningún lugar de la naturaleza”; cada lector podría crear la suya y no habría dos exactamente iguales.
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LA BRÚJU LA: LA ATRACCIÓN DE LO DESCONOCIDO Las fuerzas invisibles que puede ejercer un imán han despertado curiosidad, y alguna vez formaron parte de los tableros adivinatorios de los “magos” chinos, pero su utilidad práctica innovadora fue la brújula. Su aparición supuso un progreso gigantesco para la navegación, con las lógicas consecuencias en el incremento del comercio y de los descubrimientos geográficos. Durante siglos los viajeros se valieron de ella y de las estrellas para orientarse. Su funcionamiento es muy simple. Una aguja imantada, que puede girar libremente, se orienta según el campo magnético terrestre apuntando a los polos norte y sur. Con ella podemos orientar un mapa correctamente, identificar nuestra posición y darnos una dirección de viaje o rumbo a un punto de referencia. Su nombre procede del italiano bussola, que significa caja, y ésta a su vez procede del latín buxis, con el mismo significado. Quizá esto tenga que ver con que fue un armero italiano, llamado Flavio Gioja, quien en el siglo XIV perfeccionó el dispositivo. Suspendió la aguja sobre una púa de forma similar a la que se usa actualmente y encerró el sistema en una caja con tapa de vidrio.
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¿Sabías que...? La brújula parece ser un invento chino, al menos hay algunos indicios tomados de diversos textos que mencionan la brújula y su uso. Fei Tsen, muerto en el 233 a. C. describe el hecho de que una agu ja de imán señala el Sur. 27, cuyo autor es Wang Tchong, detalla una muy ingeniosa forma de brújula: una cuchara de magnetita en equilibrio sobre un plato de bronce, cuyo mango señala al Sur. Las reproducciones de este artefacto se pueden encontrar hoy en día en cualquier bazar como recuerdo para turistas… Libro del amo del Valle del Diablo , describe su uso en la búsqueda de senderos. Durante la XIX dinastía china, bajo el reinado de Song, se detalla el procedimiento de fabricación de una brújula, texto que firma Chen Koua (1032-1096). Un libro chino de 1084, escrito por Tseng Kung-Liang describe una aguja de hierro imantado con forma de pez, dentro de un trocito de caña que flota en un recipiente con agua y que se orienta libremente siglo XII, los chinos ya estaban valiéndose del enorme valor práctico de las brújulas en la navegación.
Partes de la brújula La base: la mayoría es de plástico transparente y tiene
forma rectangular. Suele llevar inscriptas en sus costados pequeñas reglas y escalas. Un elemento fundamental de la base es la flecha de dirección, que se emplea para señalar el rumbo y para indicar nuestro sentido de marcha. El limbo: es un anillo giratorio, graduado, que muestra
los puntos cardinales. Un verdadero transportador para medir ángulos. Las brújulas estándar tienen una división mínima de dos grados, suficiente para viajes de mediana longitud sin muchas correcciones. (Es mejor que esta división sea lo más pequeña posible para evitar errores adicionales.) En su interior contiene las líneas N-S, que sirven de referencia con las líneas del plano o mapa en la definición de rumbos. La aguja magnética: es el imán que gira libremente,
quedando posicionado en el centro del limbo. Está coloreada diferente en sus dos mitades. La parte que señala el Norte en la foto es blanca, pero puede ser negra, azul o roja.
Consejos básicos para su uso Se coloca la brújula sobre una superficie plana (la palma de la mano o una tabla), para permitirle a la aguja moverse libremente, ubicando la flecha indicadora (negra en este caso) frente al objeto o al lugar al cual se pretende ir. La aguja imantada comenzará a oscilar, y su punta (blanca en este caso) marcará el Norte. Sin mover la brújula, giramos el anillo graduado (limbo) hasta que el Norte coincida con la punta de la aguja
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magnética. La flecha de dirección del viaje nos indicará el camino que debemos seguir. Podemos definir una dirección como la línea recta que une el punto de inicio de un itinerario (posición) con el punto de destino (otra posición). Estas líneas rectas podemos trazarlas en una carta, podemos observarlas en el terreno a través de referencias o podemos observarlas en la brújula. Es decir, pueden ser reales o imaginarias. Las mediremos como ángulos, en sentido horario y a partir de un origen que se ha establecido en el N (Norte). Por ejemplo, al Este le corresponde 90º, al Sur 180º y al Oeste 270º. Para definir el rumbo se mide la cantidad de grados que existe entre el Norte y el punto hacia el que indica la flecha de dirección, en el sentido de las agujas del reloj (en el caso de nuestra brújula, 54º). Como no caminaremos mirando constantemente la brújula, debemos buscar con ella un punto fijo a la distancia (árbol, roca, etc.) hacia el cual nos dirigiremos. Una vez que llegamos allí, buscamos otro punto de referencia con ayuda del instrumento, para continuar nuestro viaje. Las brújulas que hoy en día se usan para la navegación utilizan una aguja o un disco magnetizados dentro de una cápsula llena con algún líquido, generalmente, aceite, querosén o alcohol, y será ese fluido el que hará que la aguja se detenga rápidamente en vez de oscilar repetidamente alrededor del norte magnético. Si bien las brújulas se han mantenido prácticamente inalterables a través del tiempo, algunas, incluso en versiones muy mejoradas, incluyendo iluminación, los sistemas de navegación satelitales, como el GPS (Sistema de Posicionamiento Global), han conseguido superarlas y ofrecen, además de precisión, una mayor cantidad de datos.
¿Vamos al laboratorio? Construcción de una brújula
Necesitan un imán (pueden conseguirlo en una casa de reparación de parlantes o de un parlante que tengan para descartar). En los laboratorios escolares suele haber imanes rectilíneos con sus dos polos identificados. Pueden imantar con él un clavo, una hoja de afeitar o una aguja gruesa (frotándolos con uno de los extremos del imán siempre en el mismo sentido). Luego de verificar que la “aguja” haya quedado imantada (acercándola a un trozo de hierro), se la ata del centro con un hilo de seda, para colgarla dentro de un recipiente con tapa plástica. Observen cómo se comporta: ¿qué sucede con ella si acercamos un imán a uno de sus extremos? Comparen la dirección en que está la aguja en cada uno de los frascos que armaron en la clase. ¿Cuál Para completar la construcción del dispositivo pueden diseñar un indicador de los puntos cardinales, por ejemplo, una cinta marcada que se pegue horizontalmente en torno al frasco. Pueden optar por colocar su “aguja” sobre en trozo pequeño de telgopor, y poner ambos a flotar en un recipiente.
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¿Sabías que...? En las primeras mediciones que se hicieron del campo magnético terrestre se comprobó que el eje geomagnético no coincide con el eje geográfico de la Tierra, sino que forma con él cierto ángulo, cuyo valor es en la actualidad de unos 11,5°. Debido a esto, los polos magnéticos no coinciden con los geográficos en su ubicación, pero tampoco coinciden en el nombre, ya que en la actualidad en el hemisferio norte se localiza el polo magnético sur, mientras que en el hemisferio sur se localiza el polo magnético norte. Los especialistas en paleomagnetismo han demostrado que los polos magnéticos de la Tierra se invierten. En los últimos 15 millones de años se han invertido cuatro veces.
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POR QUÉ SE ORIENTAN LAS BRÚJULAS El planeta Tierra tiene propiedades magnéticas, podríamos decir que es una especie de imán gigantesco. Pese a ser imperceptible para los humanos, nuestro planeta tiene un campo magnético que lo rodea y orienta a todas las brújulas. En el año 1600, el físico inglés de la corte de Isabel I, William Gilbert, publicó la obra titulada De magnete, considerada como el primer tratado de magnetismo. Gilbert talló un imán en forma de bola y estudió la distribución del campo magnético en su superficie. Encontró que la inclinación del campo en este imán esférico coincidía con lo que se sabía acerca de la distribución del campo terrestre.
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William Gilbert concluyó de este experimento que la Tierra era un gigantesco imán esférico. Posteriormente, los estudiosos del geomagnetismo observaron que, tomando en cuenta la declinación, la mejor representación del campo terrestre sería un imán esférico cuyo eje de rotación estuviera desviado unos 11º del eje geográfico de la Tierra. El polo sur magnético se encuentra a unos 1500 km del polo norte geográfico. En consecuencia, una brújula no apunta exactamente hacia el Norte geográfico; la diferencia, medida en grados, se denomina declinación magnética. Además, el campo magnético no es paralelo a la superficie de la Tierra en todos sus puntos; el ángulo que forma el campo magnético terrestre con la horizontal se llama inclinación magnética. El valor de la inclinación, al igual que el de la declinación, es diferente de un punto a otro de la superficie de la Tierra. Respecto al origen del campo magnético terrestre, la ciencia parece aceptar la teoría que lo asocia a las corrientes eléctricas que ocurren por el movimiento del núcleo terrestre, recibiendo el nombre de dínamo automantenido. Sus efectos se extienden unos cinco diámetros terrestres hacia el espacio, y crean la magnetosfera, que es una especie de burbuja magnética que rodea la Tierra y que la protege de la radiación espacial y las tormentas solares. En el interior de la magnetosfera , a varios miles de kilómetros de distancia de la superficie terrestre, se han formado, como resultado de la interacción entre el viento solar y el campo magnético terrestre, los cinturones de Van Allen, que están constituidos por partículas de alta energía y rodean casi totalmente la Tierra, dejando tan sólo dos pasillos o aberturas a la altura de los polos magnéticos. El campo se comprime en la dirección frontal hacia el sol y se alarga en la dirección opuesta, quedando anulado fuera de cierta región, en la que queda confinado. Así se produce el límite del campo magnético terrestre llamado magnetopausa.
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Sugerencias Para explorar las características del campo magnético terrestre pueden ejecutar o descargar el simulador de la página http://phet.colorado. edu/sims/faraday/magnet-andcompass_es.jnlp, activando la opción “mostrar planeta Tierra”.
¿Sabías que...? Las palomas saben orientarse longitudinalmente al campo magnético, es decir, norte-sur y este-oeste, y también según la latitud, o sea, según la inclinación de dicho campo. También sucede en otras especies, como las abejas, las mariposas monarca, los topos, las tortugas marinas, las aves migratorias e incluso, en diversos tipos de bacterias que nadan paralelamente a las líneas del campo magnético terrestre. Las bacterias magnetotácticas poseen en su interior pequeños cristales de magnetita que utilizan como brújula; no para encontrar el Norte, sino el fondo del medio acuoso en el que viven, que se encuentra a gran profundidad. Por suerte para ellas, todas las brújulas, no sólo las de las bacterias, indican el Norte, pero no en forma horizontal, sino con una pequeña inclinación hacia abajo. Esa inclinación es la indicación que la bacteria usa para orientarse y dirigirse hacia el fondo.
Uso cotidiano (y no tanto) de campos magnéticos Las propiedades magnéticas de la materia y los imanes de diversas formas y potencias tienen hoy un uso extendido en nuestra vida cotidiana, desde los decorativos imanes para heladeras hasta las bandas magnéticas de
Podemos encontrar imanes en los cierres de pulseras
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Magnetismo y aplicaciones
las tarjetas de crédito, de teléfono… Éstas guardan la información a través de diminutos dominios magnéticos. Al pasar la tarjeta por el lector, la variación del campo magnético provocada por el movimiento de la tarjeta induce una corriente eléctrica sobre una pequeña bobina. Por lo tanto, hay que tener cuidado, ya que una forma de estropear una tarjeta es acercarla a intensos campos magnéticos. Es posible fabricar memorias de computadora utilizando “dominios burbuja”. La memoria de burbujas es un tipo de memoria de ordenador no volátil (es decir, que mantiene la información aunque se corte la alimentación) que utiliza una película delgada de un material magnético para mantener pequeñas regiones de magnetización, paralelas o antiparalelas a la magnetización global del material, conocidas como dominios burbuja. Son microestructuras de cerca de un micrón, de una aleación níquelhierro con ventajas con respecto a otros sistemas de almacenamiento de datos en tiempos de acceso, costo y confiabilidad. Según esté magnetizada en un sentido o en otro, la burbuja indica un uno o un cero, por lo que actúa como dígito en el sistema binario empleado por los ordenadores. Cuando abrimos una cerradura a distancia sin usar la llave, hay un campo magnético que está resolviendo nuestra necesidad de abrir la puerta. Al cargar un lavarropas y ponerlo en funcionamiento, es la interacción entre campos magnéticos la que permite el movimiento del tambor y el correspondiente lavado. Cuando cargamos la batería de nuestro celular, el magnetismo interviene en la adecuación de la energía que ofrece la red eléctrica y la que necesita el teléfono celular. Cuando escuchamos un timbre (por ejemplo, el que avisa que alguien llama a la puerta), es un campo magnético el responsable de la vibración del martillo que pega en una campanilla para producir el sonido. La lista es larga y ustedes pueden ampliarla; les propondremos algunos usos no tan domésticos de los campos magnéticos, que quizá activen su curiosidad y los inviten a una búsqueda más profunda.
Trenes sin ruedas Un ejemplo de alta tecnología moderna son los trenes de levitación magnética que utilizan poderosos imanes para elevarse por encima de los rieles y evitar el rozamiento. Un tren magnético no posee ruedas. Se mantiene suspendido sobre un riel, por acción de un fuerte campo magnético. Al fenómeno se lo bautizó “levitación magnética”. Un dado material puede, literalmente, levitar gracias a la repulsión existente entre los polos iguales de dos imanes, o bien debido al “efecto Meissner”, que es una propiedad inherente a los materiales que llamamos superconductores, porque en ciertas condiciones su resistencia eléctrica tiende a cero. La superconductividad aparece en algunos compuestos, cuando la temperatura de éstos se encuentra por debajo de cierta temperatura crítica para cada uno de ellos, y bajo esa condición no oponen resistencia al paso de la corriente. En estas condiciones, no sólo son capaces de transportar energía eléctrica sin ningún tipo de pérdidas, sino que además poseen la propiedad de rechazar las líneas de un campo magnético aplicado. A este fenómeno, por el cual un superconductor puede rechazar un campo magnético que intente penetrar en su interior se lo denomina “efecto Meissner”.
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Sugerencias Para ver como funcionan estos trenes, sugerimos las siguientes animaciones: http://www.ipcc.cl/videos/superconductor. swf http://www.juntadeandalucia.es/ averroes/~cepco3/escuelatic2.0/MATERIAL/ Maglev.swf
En resumidas cuentas, si acercamos un imán a un superconductor, se genera una fuerza magnética de repulsión capaz de contrarrestar el peso del imán, produciendo así su levitación.
La resonancia magnética nuclear, RMN En diagnóstico médico se utiliza la resonancia magnética nuclear (RMN), una importante herramienta en la que se usan campos magnéticos de gran intensidad. La RMN emplea un campo magnético potente, pulsos de radiofrecuencia y una computadora para crear imágenes detalladas de los órganos, los tejidos blandos, los huesos, y prácticamente el resto de las estructuras internas del cuerpo. Cuando una persona es colocada dentro de un resonador magnético, las máquinas magnetizan los átomos en su cuerpo. El núcleo del átomo envía una señal magnética a los otros componentes de las máquinas que producen un escaneo de varias áreas del cuerpo. Los médicos pueden examinar las imágenes obtenidas en la pantalla del computador, pueden transmitirla electrónicamente o copiarla en un DVD. Este procedimiento permite una vista increíblemente detallada del interior de una persona, sin tener que usar radiación ionizante (rayos X) o cirugía.
El gran colisionador de hadrones La física podría definirse como la ciencia que estudia la naturaleza de la materia y cómo ésta interacciona con el medio que la rodea. Una de las herramientas más importantes de las que se dispone para investigar es el acelerador de partículas. En el sentido más amplio, un acelerador es un instrumento que acelera las partículas hasta obtener velocidades próximas a la de la luz (300.000 km/s) y hacerlas colisionar con otras partículas, lo cual produce la generación de nuevas partículas de alta energía, que son objeto de estudio.
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Los primeros modelos de aceleradores fueron el “betatrón”, basado en un diseño de Rolf Wideröe, y el “ciclotrón”, construido por Ernest Lawrence en 1930. El ciclotrón fue el primer modelo en emplear un campo magnético que obliga a las partículas a describir una órbita espiral haciéndolas pasar muchas veces a través de un campo eléctrico acelerador. El acelerador más grande del mundo es el gran colisionador de hadrones (1), un anillo metálico de 27 kilómetros de circunferencia, ubicado a 100 metros de profundidad en la frontera franco-suiza. Con una temperatura interior de 271 grados bajo cero, y utilizando campos magnéticos 100.000 veces más grandes que el terrestre (2), buscará identificar certeramente elementos fundamentales con los que se formaron las estrellas, los planetas y hasta los seres humanos. En este proyecto intervienen 80 países, entre ellos el nuestro. En la etapa inicial trabajaron ocho científicos argentinos, número que se incrementó luego de la puesta en funcionamiento del acelerador.
Sugerencias Una forma amena de entender el trabajo y el funcionamiento de este acelerador pueden encontrarla en el Rap del colisionador , una obra de la que es autora Kate McAlpine, quien se desempeñó en la oficina de prensa del CERN. Educar Chile la subtituló en castellano. La página para verlo es http:// www.educarchile.cl/ech/pro/app/ detalle?id=188297 Para saber más pueden visitar la página: http://www.heraldo.es/ uploads/documentos/documentos_acelerador_final_353c12b8.swf
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(1) Con este acelerador se pretende generar nuevas partículas de energía extremadamente alta. Entre ellas el tan buscado “bosón según la hipótesis de su trabajo, permitiría explicar el mecanismo del origen de la masa de las partículas que componen el universo. http://lhc-webcast.web.cern.ch/lhc-webcast/ http://home.web.cern.ch (2) Miles de imanes de diferentes variedades y tamaños se utilizan para dirigir los haces alrededor del acelerador.
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CORRIENT E ELÉCTRICA Y CAMPO MAGNÉTICO En 1820 se realiza una experiencia clave que permitió demostrar que los fenómenos eléctricos y magnéticos estaban íntimamente relacionados entre sí: ¡el pasaje de una corriente eléctrica por un conductor actuaba sobre una brújula colocada en las inmediaciones! (1777-1851). Las cargas eléctricas no sólo creaban un campo eléctrico cuando se encontraban en reposo, sino que cuando se ponían en movimiento creaban un campo magnético.
I=0
brújulas rodeando un hilo conductor. En ausencia de corriente eléctrica las brújulas apuntan al Norte (a). Cuando circula una corriente por el conductor las brújulas se orientan en torno al conductor(b).
I
(a)
(b)
Poco después, el mismo Oersted observó el fenómeno inverso: un imán ejerce fuerzas sobre una corriente eléctrica. La extensión del trabajo de Oersted a la interacción magnética entre corrientes y la determinación de su valor según leyes matemáticas precisas fueron realizadas, principalmente, por los estudios del físico francés André Ampère (1775-1836), reportados en sus publicaciones de 1822 y 1826, y por la colaboración entre los físicos franceses Jean-Baptiste Biot (1774-1862) y Félix Savart (1791-1841), quienes describieron en detalle el campo magnético generado por una corriente y la fuerza ejercida sobre otra corriente (Ley de Biot-Savart). Fue también Ampère quien sugirió que diminutas corrientes cerradas en el interior de un material podrían ser el origen de sus propiedades magnéticas; de esta manera unificó la explicación del fenómeno como debido siempre a corrientes eléctricas. Estas ideas fueron precursoras del entendimiento moderno del magnetismo de la materia, que atribuye sus propiedades a corrientes electrónicas cerradas en el interior del átomo y del mismo electrón ( spin). Los experimentos de Oersted mostraban las propiedades de orientación de una aguja magnética en las inmediaciones de una corriente. Tiempo más tarde, Ampère encontró que ¡no sólo existen fuerzas recíprocas entre corrientes e imanes sino, también, entre las mismas corrientes!
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¿Vamos al laboratorio virtual? Rehaciendo la experiencia de Oersted en forma virtual
Accedan on line a la simulación de la página: http://recursos.encicloabierta.org/ telesecundaria/2tls/2_segundo/2_Fisica/2f_b04_t03_s02_a_flash/oersted.swf. Observen la posición de las brújulas. Utilizando el mouse, coloquen la intensidad en valor 1 y re mouse en “dibujar campo magnético del cable”. Observen y respondan: ¿Qué forma tiene? Muevan algunas de las brújulas usando el mouse. ¿Encuentran mouse en “cambiar cables”. ¿Qué sucede? ¿Podrían redactar sus conclusiones? Pueden utilizar también la animación de la página http://www.walter-fendt.de/ph14s/mfwire_s.htm. Si disponen de los materiales, pueden realizar en clase este mismo experimento.
DE SOLENOIDES Y ELECTROIMANES Debido a que el campo magnético alrededor de un cable es circular y perpendicular al cable, una manera simple de amplificarlo es construir una bobina. Las bobinas son alambres de cobre, aislados y arrollados en muchas vueltas, que cuando tienen forma cilíndrica reciben el nombre de solenoides.
La imagen nos muestra que el “espectro” visualizable a través de las limaduras de hierro es semejante al de un imán recto.
La intensidad del campo magnético creado por un solenoide al ser recorrido por una corriente depende de la intensidad de ésta y de las características físicas del solenoide: el área de sus espiras, el número de espiras y la longitud. Una espira o un solenoide actúan como si fueran un imán al ser circulados por una corriente eléctrica, se forman polos magnéticos en ambos lados. Cuando miramos de frente a la espira y vemos que la corriente circula en el mismo sentido que las agujas del reloj, se trata de la cara que hace de polo sur, mientras que si vemos que la corriente circula en sentido contrario al de las agujas del reloj, es la cara norte. De modo que para invertir la polaridad basta con invertir el sentido de circulación de la corriente. La presencia de materia en un campo magnético producido por corrientes modifica dicho campo, y la materia queda influida por él. Usando materiales ferromagnéticos como núcleos de un solenoide, logramos un campo magnético mucho más intenso: estamos en presencia de un electroimán.
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CAPÍTULO
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Este dispositivo se aplica a la construcción de otros aparatos, aparato s, entre los que se encuentra una larga lista en la que aparecen: motores, válvulas de seguridad de calefactores a gas, cabezas de lectura/escritura para discos compactos, relés, discos duros, cerraduras, parlantes, interruptores eléctricos de seguridad, etc. Los usamos cada vez que arranca un automóvil, al encender una computadora portátil o cuando nos sometemos a un estudio de alta complejidad complejidad.. Los grandes electroimanes tienen su uso intensivo en depósitos de chatarra y en plantas de recuperación de desechos metálicos para mover grandes pilas de chatarra. Asociados a una grúa pueden levantar toneladas de material y transportarlo a una ubicación diferente para procesarlo. Resumiendo: 1) Un campo magnético se crea en torno a un cable cuando por él circula corriente. 2) Este pequeño campo magnético es la base de un electroimán. 3) Un electroimán tiene un campo magnético temporal, temporal, existe mientras circula corriente. 4) Al controlar la corriente eléctrica, el electroimán se puede controlar.
¿Vamos al laboratorio virtual? Explorando un electroimán
Completen las siguientes tareas para investigar un electroimán utilizando utilizand o el simulador “imanes y electroimanes” electroima nes”.. Pueden agregar otros experimentos que los ayuden en este proceso, teniendo la precaución de anotar procedimientos y resultados. Comiencen utilizando el contenido de la solapa electroimán. En el panel derecho mantengan tildado “sólo mostrar brújula”. Cambien la posición del electroimán y registren qué sucede. Muevan la brújula ubicándola en diferentes lugares próximos próximos al electroimán. Expliquen qué sucede. Dibujen la situación en una hoja de papel, agregando una representación de las líneas de campo magnético.
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Magnetismo y aplicaciones
Seleccionen “mostrar campo”, ¿coincide su representación con la propuesta por el simulador? Seleccionen “mostrar medidor de campo” y ubíquenlo ubíquenl o a la izquierda de la pila y delante de la bobina. En el menú de la derecha se puede ajustar el número de vueltas (espiras) en el electroimán. Para cada número de vueltas de una a cuatro, anoten la l a intensidad de campo en la tabla siguiente. si guiente. Vueltas
Intensidad de campo (en gauss)
1 2 3 4
Seleccionen “mostrar electrones”. Anoten el sentido de circulación de la corriente. Manteniendo el número de vueltas en cuatro y dejando el medidor de campo en la misma posición que en el ensayo anterior, modifiquen la diferencia de potencial que entrega la pila (sobre ella hay una barra de desplazamiento que así lo permite). ¿Qué relación encuentran entre la intensidad del campo y la corriente? ¿Qué sucede si eligen la opción 0 (cero volt) para la diferencia de potencial de la pila? Completen Complet en la tabla y redacten sus conclusiones conclusiones.. Voltaje (en V)
Intensidad de campo (en gauss)
0 2 4 6 8 10
Si deslizan el cursor que se ubica sobre la pila a la posición extrema contraria, habrán invertido la circulación de corriente ¿Qué consecuencias observan en el campo magnético del electroimán? Comparen el campo magnético dentro del electroimán con el campo magnético del interior de la barra imantada ¿A qué conclusión llegan? ¿Qué sucede con la intensidad de campo magnético cuando se alejan del electroimán? Pueden comprobarlo moviendo el medidor de campo a la posición que quieran ensayar. Expliquen las similitudes y las diferencias de un imán y un electroimán.
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CAPÍTULO
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¿Vamos al laboratorio? Construyendo electroimane electroimaness
A partir de diferentes trozos de alambre de cobre de los utilizados en talleres de reparación o fabricación de motores, pueden construir diferentes tipos de bobinas. Será fácil comprobar la ausencia de magnetismo (aproximando a ellas objetos de hierro o una brújula) si no las conectan a una fuente de energía eléctrica. Utilizando una pila pueden energizar eléctricamente varias bobinas, comprobando la aparición de un campo magnético, magnético, y al cambiar de a una las variables del ensayo, ir registrando los resultados obtenidos para luego compararlos compararlos y discutirlos. Busquen responder preguntas tales como: ¿pueden encontrar una forma para que el electroimán haga más fuerza? ¿Qué pasa si en vez de una pila colocan dos, una a continuación continuaci ón de la otra? ¿Qué ¿Qué podría pasar si aumentan la cantidad cant idad de vueltas? ¿Funciona igual un electroimán al cambiar el metal usado como núcleo? ¿Pueden inventar una regla para expresar de qué depende la fuerza de atracción de un electroimán? Sugerimos comenzar por el número de vueltas de alambre de la bobina, luego ensayar diferen montón de clips y cierren el circuito. ¿Qué pasa? ¿Cómo lo explican? ¿Qué sucede si uno de los extremos del cable se desconecta de la pila? Pueden visualizar el campo magnético producido en cada caso, derramando limaduras de hierro sobre un papel que cubra holgadamente el electroimán. ¿Podrían utilizar alguno de estos procedimientos para fabricar imanes?
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Los experimentos mostraron mostraron que a partir de campos magnéticos variables respecto al tiempo, se pueden generar campos eléctricos y, en consecuencia, corrientes eléctricas. El mismo efecto se obtiene si se mueve un imán manteniendo fija una bobina, o dejando fijo el imán y moviendo la bobina (o si se mueven los dos simultáneamente). simultáneamente). También se obtiene corriente inducida si el imán se sustituye por una bobina y se modifica la posición relativa entre los elementos, o si una de las bobinas está conectada conectada a un voltaje alterno. En cualquiera de los casos la causa es la misma. La inducción electromagnética es el proceso mediante el cual se genera una corriente La inducción eléctrica en un circuito como resultado de la variación de un campo magnético.
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Magnetismo y aplicaciones
¿Vamos al laboratorio virtual? Los invito a pensar sobre esos experimentos con ayuda de un simulador llamado Laboratorio electromagnético de Faraday; pueden verlo on line desde http://phet.colorado.edu/sims/ faraday/faraday_es.jnlp. Se puede descargar desde http://phet.colorado.edu/es/simulations/ translated/es. Utilizando la solapa “bobina inducida” podrán recrear la interacción de una barra imantada con una bobina.
Mantengan tildado “mostrar campo” y “mostrar electrones”. a) Verifiquen que al mover el polo norte del imán, acercándolo a la espira, aparece una corriente que enciende la lámpara. A esta corriente se la llama inducida. ¿En qué sentido se mueve? Registren qué sucede cuando alejan el imán de la espira. b) Si invierten la polaridad del imán y acercan el polo sur, ¿sucede lo mismo? ¿Qué cambio se registra? Anoten qué sucede cuando alejan el imán de la espira. c) Reflexionen: ¿qué sucedería si el sentido de la corriente inducida fuese el contrario? ¿Cuál sería la polaridad del imán y cuál la de la espira? Describan qué consecuencias tendría. Las diferentes situaciones nos indican que mientras haya movimiento del imán aparece una corriente (aumenta el flujo de líneas), y que si el imán se detiene (no hay variación del flujo), la corriente en la espira desaparece. g) ¿Qué sucedería si dejan quieto el imán y mueven la espira? h) ¿Cambian los efectos si modifican la velocidad de desplazamiento del imán? i) ¿Verifican algún cambio si aumentan el número de espiras? j) Redacten sus conclusiones. Utilizando la solapa “transformador” podrán comprobar el principio de su funcionamiento.
La primera bobina está conectada a una pila (corriente continua). Como pueden visualizar, los electrones se desplazan por la primera bobina. a) ¿Pueden reportar algún cambio en la segunda bobina? b) Manteniendo fija la posición relativa de las bobinas, ¿circula corriente por la lámpara? c) ¿Podrían proponer un procedimiento para que la lámpara encienda? e) Cambien la fuente de alimentación de CC por la de CA. ¿Qué sucede? ¿Por qué en este caso circula corriente por la segunda bobina? f) Exploren el simulador registrando cambios en la producción de luz. ¿Bajo qué condiciones obtienen la mayor cantidad de luz?
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Como habrán podido experimentar, no resulta nada práctico mantener un imán en movimiento por dentro de una bobina de forma manual, ni mover una bobina de igual forma, ni tampoco abrir y cerrar manualmente un interruptor o invertir la conexión de la pila para hacer que se induzca corriente eléctrica en la otra bobina. En la práctica, la solución tecnológica más utilizada es conectar una de las bobinas, que pasará a llamarse primaria, a una fuente de corriente alterna. El cambio constante de polaridad propio de este tipo de corriente provoca la formación de un campo electromagnético variable capaz de inducir por sí mismo corriente eléctrica, igualmente alterna, en la otra bobina colocada a su lado, a la que llamaremos secundaria.
EL TRANSFORMADOR Como su nombre lo indica, es un dispositivo que permite cambiar la diferencia de potencial o la corriente entregada en un circuito de corriente alterna. Para ello dispone de dos bobinas, una llamada primaria y la otra secundaria, que están montadas sobre las mismas chapas de hierro o acero que constituyen el núcleo. Al aplicar una diferencia de potencial sobre sus terminales y hacer circular una corriente por el bobinado primario se genera un campo magnético que también atraviesa al bobinado secundario. Si este secundario tiene una “carga” o un elemento que cierre el circuito, se generará una corriente por este bobinado. El valor de la diferencia de potencial que aparece en los terminales de la bobina secundaria dependerá de la relación entre la cantidad de vueltas que tienen las bobinas primaria y secundaria. Vp Vs
=
Np Ns
Donde Vp y Vs son las diferencias de potencial (tensiones) de cada bobinado y Np y Ns indican la cantidad de vueltas de cada bobina primaria y secundaria respectivamente. Por lo tanto, si el bobinado secundario tiene menor cantidad de vueltas que el primario, el transformador hará bajar la tensión en su salida. Y de la misma forma, si Ns es mayor que Np, el transformador eleva la tensión de salida. Los transformadores tienen una gran variedad de aplicaciones. Por ejemplo, para bajar la tensión de alimentación de la gran mayoría de artefactos de uso hogareño: televisores, computadoras, equipos de audio, etcétera. Bobinado primario
Is
Ip
Bobinado secundario
Flujo magnético
Vp a.C
Np
Ns
NÚCLEO
Vs a.C carga
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Magnetismo y aplicaciones
¿Vamos al laboratorio? Interacciones magnéticas
Para los que prefieran hacer los experimentos, les proponemos armar una “hamaca” que permita comprobar la existencia de una fuerza magnética sobre un conductor por el cual circula una corriente en presencia de un campo magnético. Deben armar un circuito eléctrico en el que hayan intercalado la “hamaca” conductora, que pueda balancearse fácilmente. El interruptor (si es posible un pulsador) es fundamental, porque el circuito sólo tiene que estar cerrado unos segundos, los suficientes para observar efectos y verificar predicciones. (Como recordarán, este circuito al tener resistencia muy baja es un “cortocircuito”). Predigan qué sucedería si se acerca el polo norte del imán a la parte inferior de la hamaca, y luego se cierra el circuito. Verifiquen la predicción realizando la experiencia. A partir de los resultados obtenidos, realicen predicciones para las siguientes situaciones, y luego verifiquen mediante experimentos: a) Inviertan la polaridad del imán, haciendo que el polo sur esté cerca de la hamaca al cerrar el interruptor. b) Inviertan los contactos de la pila y acerquen primero el norte y luego el sur del imán. c) Acerquen el imán colocándolo paralelo a la parte inferior de la “hamaca” y cierren el interruptor. d) Elijan cualquiera de los poClavija de madera los, y comprueben qué sucede si: 1) lo acercan a la “hamaca”, 2) lo alejan de la “hamaca”. Cable (pelado en las puntas
Redacten sus conclusiones. Las interacciones que han experimentado son la base sobre la que se sustenta un dispositivo cuyo uso ya les es familiar: el motor eléctrico.
Imán
Soporte Interruptor
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Baterías
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Problemas Para alimentar un equipo de audio se necesita reducir la tensión de la red eléctrica de 220 V a 15 V. Calcular la cantidad de vueltas de la bobina secundaria que debe tener un transformador que tiene 200 vueltas en su bobinado primario. Vp= 220V, Vs= 15 V, Np= 200 Debemos calcular Ns, despejando de la fórmula anterior Ns =
Vs . Np Vp
=
15 V . 200 220 V
=13,60
Así el bobinado secundario deberá tener 14 vueltas para reducir la diferencia de potencial de 220 V a 15 V., mucho más manejable para los equipos de uso habitual. Después esta diferencia de po
ALGO SOBRE MOTORES En una cortadora de césped doméstica, un motor eléctrico permite convertir electricidad en el movimiento de la herramienta que realiza la tarea. Los motores eléctricos son dispositivos limpios, silenciosos y eficientes. Pueden usarse para mover el pequeño ventilador que refrigera un ordenador o para mover un tren de carga.
I I
N
I
I
S
Si buscamos sus orígenes, podríamos considerar encontrarlos en los experimentos de Faraday de 1821. Fue I I el primer esbozo de un motor eléctrico. En sus escritos inicia la descripción con estas palabras: “Se realizaron (+) (-) dos pruebas groseras con intención de construir máquinas magnetoeléctricas...”, aunque hay otros científicos que pueden compartir o disputar tal honor, tales como Oersted, Ampere y Schweigger o el mismo Peter Barlow, con su “rueda” descripta por el mismo Faraday renglones más abajo de su propio experimento. Recién en 1832 se logró que uno de estos dispositivos arrastrara una máquina y tuviera utilidad práctica; el mérito fue del inglés Sturgeon. Siguiendo este desarrollo, en 1837 los hermanos Davenport patentaron el primer motor de uso comercial. En 1845 Wheatstone reemplazó el imán permanente del motor por un electroimán accionado por una batería externa, una mejora que hizo que el motor fuera más eficiente. Aunque todos convierten energía eléctrica en energía mecánica, sus mecanismos se han perfeccionado con el tiempo, y hoy tienen innumerables aplicaciones.
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Magnetismo y aplicaciones
La base de su funcionamiento puede resumirse así: Si una bobina por la cual circula corriente se encuentra en presencia de un imán permanente y es libre de girar, empezará a hacerlo debido a la interacción entre el campo magnético del imán y el de la bobina.
La rotación de la bobina se aprovecha para hacer trabajo mecánico a través de un sistema de poleas o engranajes.
Sugerencias Sugerimos que exploren el principio de funcionamiento de un motor utilizando el recurso de la página http://www.fisica-quimica-secundaria-bachillerato.es/animaciones-flash-interactivas/ mecanica_fuerzas_gravitacion_energia/aplicacion_fuerza_lorentz_motor_electrico_principio.htm. Visualizando los principios físicos del motor eléctrico
Si quieren ampliar, pueden recurrir a la simulación de un motor eléctrico. Descarguen http://www.walter-fendt.de/ph14s/ ; en línea http://www.walter-fendt.de/ph14s/ electricmotor_s.htm. Quienes prefieran un video, Conectar igualdad ofrece el siguiente: http://videos.educ.ar/play/ Disciplinas/_Fisica/Motor_y_generador_electrico o bien en youtube: https://www.youtube.com/watch?v=Au6vtu4qGrE. Si son curiosos, pueden encontrar una descripción de cómo construir un pequeño motor eléc
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Fuerzas y campos La primera noción que las personas tenemos de una fuerza es la sensación de un esfuerzo muscular que debemos realizar para producir una deformación de un cuerpo, o bien para moverlo, empujarlo, pararlo, girarlo, subirlo, etcétera. Cuando alguien patea una pelota hace fuerza con el pie. Cuanto mayor es la fuerza, más lejos llegará la pelota. Todas las fuerzas son el producto de interacciones entre objetos materiales. Un jugador de fútbol interactúa con la pelota al realizar un tiro libre; al patear la pelota, la intensidad de la interacción es medida por medio del producto de la masa de la pelota por la aceleración (variación de la velocidad) adquirida por ella. A ese producto lo denominamos fuerza. Como fórmula se expresa: F = m .a
En el caso de la pelota que es atajada o desviada por el arquero, hay una nueva interacción; el arquero ejerce una fuerza sobre la pelota, tanto si la ataja, porque la pelota que se movía se detuvo, como si la desvía de su trayectoria. Si varias personas ayudan a empujar un auto que se ha quedado detenido, tienen que hacer fuerza. También para doblar un trozo de alambre o mantener un cuerpo en equilibrio hay que hacer fuerza. El viento, la nieve o la lluvia interactúan contra una estructura y ejercen una presión que se define como fuerza por unidad de área. Por ejemplo, el peso de la nieve acumulada sobre la superficie de un techo.
Foto de Nina Leen
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Fuerzas y campos
Las fuerzas se miden por los efectos que producen, es decir, a partir de las deformaciones o los cambios de movimiento que producen sobre los objetos. Uno de los instrumentos que se utiliza para medir las fuerzas es llamado dinamómetro, que no es otra cosa que una balanza de resorte, en la que el estiramiento es proporcional a la carga o la fuerza que se ejecuta.
1 Newton = 1 kg x
m s2
=1N
La unidad legal de fuerza se llama newton, en honor a quien descubriera las leyes del movimiento y la gravitación universal. Un newton es abreviado con “N”. Esto significa que en el Sistema Internacional de Unidades la fuerza se mide en newtons: 1 newton (N) es la fuerza que proporciona a un objeto de 1 kg de masa a una aceleración de 1 m/s².
Hay otras unidades de fuerza como la dina, definida como aquella capaz de comunicarle a la masa de un gramo la aceleración de 1 cm/s 2. O el kilopondio o kilogramo de fuerza, definido como la fuerza con que la Tierra es capaz de atraer un kilogramo masa ubicado al nivel del mar y a 45º de latitud. La fuerza es una magnitud vectorial, y la representamos con una “flecha”(vector) que posee cuatro elementos fundamentales; éstos son: punto de aplicación, dirección, sentido y módulo.
ELEMEN TOS CARACTERÍSTICOS DE UNA FUERZ A La dirección X-X1 Representa la trayectoria del cuerpo bajo acción de la fuerza (recta de acción). Punto de aplicación
Sentido El punto de aplicación “O” Punto del cuerpo sobre el que actúa la fuerza (puede trasladarse sobre la recta de acción). El sentido OS orden de los puntos del segmento: de O a S, se acompaña con el nombre de la fuerza, en este caso F1.
F1
X S
X1 O
Módulo El módulo o intensidad Determina la magnitud del esfuerzo o efecto realizado por la fuerza. Se representa por la longitud del segmento en forma proporcional, para lo cual es necesario adoptar una escala.
Dirección
Veamos un ejemplo: si tuviéramos que representar una fuerza cuyo módulo fuera 50 N ( newtons), lo podríamos representar a través de una flecha de 5 cm de longitud, donde hemos considerado que cada centímetro representa 10 newtons, es decir, que la escala es de 10 N: 1 cm.
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Llamamos escala a la relación entre la cantidad a representar y la cantidad que la representa.
Es importante que tengan en cuenta es que no alcanza con decir que la fuerza vale o tiene un módulo de 50 N (newton), debemos indicar la dirección y el sentido, por ejemplo, formando un ángulo de 30º con la dirección del eje de las abscisas (x).
30°
Recién al completar estos datos queda definida la fuerza. Si debiéramos representar un vector de 40 N, 270°, la representación gráfica sería: 270°
X
Componentes de una fuerza
Dos fuerzas son iguales cuando tienen igual intensidad, igual dirección y el mismo sentido , aunque no tengan el mismo punto de aplicación. Dos fuerzas son opuestas o contrarias cuando tienen igual intensidad, igual dirección y sentido contrario . Pueden o no coincidir en su punto de aplicación. Toda fuerza puede ser representada por dos componentes perpendiculares entre sí, de modo tal que la suma vectorial de las fuerzas componentes es la fuerza original. El conjunto de fuerzas que actúa sobre un cuerpo se llama sistema de fuerzas. Cada fuerza recibe el nombre de componente del sistema. La fuerza que actuando sobre el cuerpo produce el mismo efecto que el con junto de todas las otras fuerzas, y recibe el nombre de resultante (R) del sistema, y se obtiene haciendo la suma vectorial de todas las componentes.
Fuerzas concurrentes
R F2
Dos o más fuerzas son concurrentes cuando sus direcciones se cortan en un punto. La resultante de un sistema de fuerzas concurrentes está dada por la diagonal que pasa por el punto de concurrencia del paralelogramo cuyos lados representan las componentes.
F1
Resultante de un sistema de fuerzas
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Fuerzas y campos
Es decir, que podemos reemplazar las dos fuerzas F1 y F2 por una única fuerza Fr, que es la suma vectorial de ambas.
Sugerencias Sugerimos a los lectores el uso on line o la descarga de “Adición de vectores” en http://phet.colorado.edu/es/ simulations/translated/es. Con este simulador se pueden ensayar diferentes sistemas de fuerzas y obtener la resultante de aquéllos.
Se llaman fuerzas equilibradas, a las fuerzas que actuando simultáneamente sobre un cuerpo no le causan aceleración. Por ejemplo, en un momento de una “cinchada” o juego de la soga pareja, si las fuerzas que tiran en la misma dirección y en sentido opuesto son de igual intensidad, decimos que están equilibradas. Al sostener un bolso, estamos equilibrando su peso y evitando que caiga por efecto de la gravedad.
Si hay deformación en un cuerpo o cambio de su movimiento, se acepta que una fuerza es la causa de estos hechos; pero también se pueden ejercer varias fuerzas sobre los cuerpos
¿Vamos al laboratorio virtual? Utilicen el simulador fuerzas y movimientos de la página http://phet.colorado.edu/es/. Simulen una “cinchada” entre los equipos azul y rojo; cada uno puede tener entre uno y cuatro integrantes, elegidos según la fuerza que pueden hacer: uno grande, uno mediano y dos pequeños. Prueben diferentes posibilidades y luego respondan: a) ¿Cómo podrían estar conformados los equipos para que la “cinchada” sea equilibrada? (suma de fuerzas igual a cero). determinando cuánto vale la fuerza que mueve los equipos hacia la izquierda en cada caso.
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¿Vamos al laboratorio virtual? Utilicen la animación de la página: http://www.walter-fendt.de/ph14s/forceresol_s.htm (deben tener cargada la computadora con la aplicación Java para poder usarlo). Calculen y anoten las componentes de: - Una fuerza de 5 N y 60º con los ejes. - Una fuerza de 4 N y 45º. - Una fuerza de 3 N y 30º. Mediante las animaciones de la página web http://www.walter-fendt.de/ph14s/resultant_s. htm hay que obtener la resultante de dos, tres y cinco fuerzas cualesquiera. Recuerden que en la animación pueden variar cada fuerza en intensidad, dirección y sentido. En la resultante de cuatro fuerzas modifíquenlas como crean conveniente para que la resultante sea nula, (o sea, que valga cero). Dibujen estas fuerzas, de suma cero, en sus carpetas. En la animación de un motor eléctrico ya sugerida anteriormente, se pueden activar las opciones campo magnético radial y fuerza de Lorentz que se representan mediante vectores (http:// zas_gravitacion_energia/aplicacion_fuerza_lorentz_motor_electrico_principio.htm).
ALGU NAS COSAS MÁS QUE DEBEN SABER ACERCA DE LAS FU ERZAS. . . Aunque no las podemos ver, y a veces ni nos percatamos de su existencia, en la naturaleza hay cuatro fuerzas fundamentales que son aquellas que ejercen su influencia desde las estructuras atómicas, a las que la materia debe todas sus propiedades y transformaciones. Esta clasificación atiende al origen, a la intensidad y a la distancia de la actuación de la fuerza. Fuerza nuclear fuerte: se denomina nuclear porque
¿Sabías que...? Cuando hay una carga moviéndose dentro de un campo magnético, aparece sobre ella una fuerza, conocida como fuerza de Lorentz. Esta fuerza es proporcional a la carga y a la rapidez con que se mueve, actuando perpendicular al desplazamiento y al campo magnético.
se manifiesta en el interior del núcleo atómico, es de corto alcance pero muy fuerte, ya que es la responsable de mantener unidos (pese a la repulsión eléctrica) los protones (también a los neutrones) en el interior del núcleo. Fuerza nuclear débil: es una fuerza de menor intensi-
dad y alcance que la anterior, es la responsable de la desintegración de ciertas partículas inestables, es decir, de aquellos procesos en los que algunas partículas se descomponen (decaen) en otras más ligeras.
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Fuerzas y campos
¿Sabías que...? Uno de los objetivos principales de la física teórica es poder unificar la descripción de las cuatro interacciones en una sola teoría de campos, que sirva para explicarlas todas al unísono.
Por extensión, es la que origina las reacciones nucleares. Por ejemplo, las que suceden en el interior del sol; estas reacciones sirven para producir la energía radiante que recibimos en nuestro planeta. Fuerza electromagnética: opera en toda la escala de
distancias y es una interacción que ocurre entre las partículas con carga eléctrica, responsable de fenómenos a gran escala presentes en nuestra vida cotidiana, como la propagación de la luz, la corriente eléctrica, las señales de televisión y las reacciones químicas (y, por consiguiente, de todos los fenómenos biológicos). Fuerza gravitatoria: es la fuerza de atracción mutua
que se produce entre dos objetos del universo, debido a una propiedad común a todos ellos denominada masa. Esta interacción es la responsable de la configuración a escala macroscópica del universo y de su estabilidad: mantiene a los planetas girando en torno al sol, agrupa a las estrellas en cúmulos y en galaxias, etc. También es identificable en nuestra vida diaria asociada a la caída de cuerpos. En la vida diaria interactuamos de muchas y diversas formas con todo lo que nos rodea, nos referimos a una acción recíproca entre dos objetos, manifestándose como atracciones o repulsiones. Cuando se fija en una forma particular de interacción sobre algún objeto, se utiliza usualmente el término fuerza para indicar la intensidad de la interacción. Algunas de éstas suceden por contacto entre dos o más cuerpos. Por ejemplo, las fuerzas de fricción entre piezas mecánicas en movimiento o simplemente entre las zapatillas de un caminante y el suelo. El roce del aire sobre un vehículo en movimiento, el empuje del agua sobre un bote, etcétera. Otras son a distancia (no implican un contacto entre cuerpos). Podemos citar como ejemplo la gravedad, y mejor aún, los cambios de la marea que se producen en las aguas terrestres por su interacción con la luna. Otro ejemplo lo encontramos en la interacción entre dos imanes o entre uno de ellos y un clavo: dicha interacción se hace visible aunque no estén en contacto.
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INVENCIÓN Y USO DEL CONCEPTO DE CAMP O Faraday, al introducir la idea de líneas de fuerza, fue el iniciador de la construcción del concepto de campo, donde las interacciones a distancia (fuerzas eléctricas, fuerzas magnéticas y fuerzas gravitatorias) quedan explicadas como manifestaciones de las acciones que el campo ejerce sobre los objetos. Dicho en sus palabras: “De mis primeros experimentos sobre la relación de la electricidad y el magnetismo, he tenido que pensar y hablar de líneas de fuerza magnética como representaciones del poder magnético, no sólo en puntos de calidad y dirección, sino también en cantidad” (Faraday, 1885, p. 344). La idea de campo surge ante la necesidad de explicar la forma de interacción entre cuerpos en ausencia de contacto físico y sin medios de sustentación para las posibles interacciones. La acción a distancia se explica, entonces, mediante los efectos provocados por la entidad causante de la interacción, definida en cada punto de una región del espacio y del tiempo. Es decir, un campo representa una cantidad medible y variable que depende de la ubicación del punto que se considera y de cuándo se haya hecho la medida. La importancia de este concepto para explicar muchas de las interacciones que suceden en la naturaleza queda subrayada en las palabras de Albert Einstein, un notable físico del siglo XX: “Para el físico, el campo es tan real como la silla donde se sienta”. Consideren su salón de clases. En cada punto del espacio dentro del salón actúa la presión atmosférica, la temperatura del aire, la aceleración gravitatoria y el campo magnético terrestre. De modo que podemos considerar el salón como un campo de presión, un campo de temperatura, un campo gravitatorio y un campo magnético. Con un termómetro podrían medir la temperatura en cada rincón del salón, ya que cada punto del espacio tiene un valor, constituyendo el conjunto el campo escalar de temperatura. Con la ayuda de un barómetro podrían hacer lo mismo con la presión. Si el ensayo consistiera en dejar libre una tiza en cualquier lugar del salón, veríamos que ésta describe una trayectoria recta hacia el piso. La caída define “el abajo” de donde cayó la tiza. Desde más altura, más cerca de la ventana o de la puerta, el resultado es un movimiento de caída vertical. La causa de dicha caída es que el salón está inmerso en el campo gravitatorio terrestre que tiene dirección vertical y sentido hacia el centro de la Tierra, por lo que resulta un campo vectorial. Si llevan una brújula a su salón de clases, en cualquier punto de éste se orientará señalando el Norte. El concepto de campo se ha extendido en su uso, y hoy hablamos de campos que pueden ser escalares, como el de presión o el de temperatura, o vectoriales, como el gravitatorio o el magnético. Los campos escalares se representan mediante las líneas que unen los puntos del campo para los cuales la magnitud escalar tiene un mismo valor. Encontramos un buen ejemplo en dos variables meteorológicas: la presión atmosférica y la temperatura del aire. Para comprender el estado de la atmósfera, se crean líneas imaginarias que unen puntos con igual presión atmosférica, llamadas isobaras, o con igual temperatura, llamadas isotermas. Estas líneas nunca se tocan o se cruzan ya que en un mismo punto no puede tener dos valores diferentes. Se dibujan de modo que cada dos contiguas exista siempre la misma diferencia entre los valores de la magnitud escalar. De esta forma, si están próximas, la variación de la magnitud en esa región es grande, y si están separadas, pequeña.
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Fuerzas y campos
Empleando las isobaras e isotermas, junto a imágenes satelitales, los meteorólogos identifican rasgos importantes en los campos de presión y temperatura: centros de baja presión (B), centros de alta presión (A), frentes fríos y cálidos. La principal fuerza que activa el movimiento horizontal del aire se origina en las diferencias de presión. El viento fluye desde las zonas de alta presión a las regiones donde ésta es menor.
del campo de presión atmosférica al nivel medio del mar.
Para visualizar los campos vectoriales se utilizan las líneas de campo, que son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios de dirección al pasar de un punto a otro. Si eligen un punto cualquiera de una línea de fuerza dibujada sobre una hoja, sólo podrán trazar una recta que contenga al punto y no corte la línea. Se dice entonces que en cada punto el vector campo definido en él es tangente a la línea, indicando la dirección de la fuerza que actuaría sobre una carga, un imán o un cuerpo que estuviera allí. La figura nos muestra el caso de una línea de campo magnético.
Vocabulario
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La presión atmosférica es la presión que ejerce el aire atmosférico en cualquier punto de la atmósfera. En un punto concreto, la presión atmosférica representará el peso de una columna de aire recta que se extenderá desde el mencionado punto hasta el límite superior de la atmósfera.
Estas líneas imaginarias pensadas por Faraday permiten describir: la trayectoria de un cuerpo que cae en un campo gravitatorio. la trayectoria que seguiría la unidad de carga positiva dejada en libertad dentro del campo eléctrico. la trayectoria que seguiría de existir un monopolo norte dentro de un campo magnético. Las líneas representan las posibles acciones del campo. La densidad de líneas de campo, es decir la cantidad de ellas que por metro cuadrado atraviesa perpendicularmente un área en el espacio tridimensional, indica en determinada escala cual es la intensidad del campo en esa zona.
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CAPÍTULO
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Una descripción de diferentes campos vectoriales nos permitirá reconocer algunas diferencias que existen entre ellos: Comencemos por el campo gravitatorio. Todo lo que tiene masa genera un campo gravitatorio, por ejemplo nuestra estrella, el sol, el planeta Marte o el planeta Júpiter. Cuanto mayor es la masa más intenso es el campo gravitatorio. Dentro de cualquier campo gravitatorio, por ejemplo el de nuestro planeta, todo cuerpo que está apoyado o suspendido ejerce una fuerza llamada peso (o se cae con movimiento acelerado si es libre de caer). Nuestro campo gravitatorio se extiende hasta la luna y más, su valor cambia con la distancia. Por ejemplo, la mochila de un andinista no pesa lo mismo en la base que en la cima del Aconcagua, y mucho menos a la altura que orbita un satélite (entre 10.000 y 36.000 km). La fuerza peso disminuye al alejarse de la superficie terrestre. El campo gravitatorio es solo atractivo, ya que no existen campos gravitatorios repulsivos, donde las fuerzas tiendan a alejar los cuerpos unos de otros . Las líneas de campo gravitatorio apuntan hacia el centro de la Tierra y las fuerzas de interacción se reducen con el cuadrado de la distancia. El campo solar actúa sobre los planetas, planetas enanos y cuerpos menores, aun cuando todos ellos están separados por grandes distancias, manteniéndolos en sus órbitas. Sus efectos atractivos se extienden a los confines del Sistema Solar. Con la existencia de un campo eléctrico se propone explicar la atracción entre cargas eléctricas de signos distintos, o el rechazo entre cargas del mismo signo, aun cuando no hay contacto físico entre ellas. La intensidad del campo se visualiza a través del acercamiento relativo entre las líneas de fuerza: a mayor densidad de líneas, mayor intensidad de campo. Dos líneas de fuerza o de campo eléctrico no pueden cruzarse, debido a que el campo en cada punto tiene una dirección y un sentido único. Cada línea indica la posible trayectoria que seguiría la unidad de carga positiva si se la abandona libremente en un punto del campo, por eso todas salen de las cargas positivas y llegan a las cargas negativas.
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Fuerzas y campos
¿Vamos al laboratorio virtual? Simulando campos eléctricos
Ingresen en http://phet.colorado.edu/sims/charges-and-fields/charges-and-fields_es.html y ejecuten la simulación. Seleccionen “mostrar campo E”, “rejilla” y “mostrar números”. Coloquen una carga positiva en la grilla (rejilla). Esta posición de la grilla será su origen (0,0). Coloquen una carga negativa a dos metros a la derecha de la carga positiva. Las flechas representan la dirección de la fuerza neta sobre una carga de prueba positiva en cada ubicación. El sombreado representa la fuerza relativa, de modo que las flechas más oscuras indican que el campo es más intenso y las más claras menos intenso. Observen que cada flecha tiende a apuntar hacia la cola de la otra flecha. Si conectan estas flechas con una línea suave y continua, habrán dibujado una línea de campo. Como pueden observar, las líneas van siempre de + a - y nunca se cruzan. Pueden reproducir esta distribución de cargas y el campo de líneas asociado utilizando papel milimetrado. Repitan la secuencia haciendo clic en “borrar todo” para reemplazar la carga negativa por una positiva. Hagan clic en “borrar todo”, y a continuación, coloquen dos cargas negativas en la red horizontal separadas por dos metros de distancia. Comparen el campo resultante con el que obtuvieron en las anteriores simulaciones. Busquen semejanzas y diferencias.
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CAPÍTULO
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Si observamos la imagen, podemos reconocer que las agujas magnéticas interactúan sin contacto con el imán en herradura. El espacio que rodea al imán queda modificado por su presencia, decimos que las agujas están inmersas en un campo magnético. Las líneas del campo magnético salen del polo norte, y curvándose por el espacio llegan al polo sur de este o de otro imán. Las líneas están más juntas en las cercanías de los polos, y más separadas cuando se alejan. Este acercamiento relativo entre las líneas de fuerza (a mayor densidad de líneas, mayor intensidad de campo) permite visualizar donde el campo es más intenso. No se conoce aún la existencia de monopolos (no hay un norte o un sur aislados), lo que hace que las líneas de campo magnético no comiencen o terminen: forman bucles cerrados tanto fuera como dentro de un imán.
A MODO DE SÍNT ESIS: Un campo es cualquier región del espacio cuyos puntos están caracterizados por el valor de una variable física. Para que exista un campo de fuerzas es necesaria la presencia de un cuerpo capaz de crearlo. La fuerza que actúa en cada punto se pone de manifiesto al colocar en él una partícula que posea una propiedad susceptible de experimentar la acción del campo. Es decir, si las fuerzas son de naturaleza eléctrica, una partícula con carga eléctrica o, si son de naturaleza gravitatoria, una partícula con masa sobre las que el campo pueda actuar.
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Bibliografía
Bibliografía, capítulos de Química T. L. Brown, H. E. LeMay, Jr., B. E. Bursten, Química: la ciencia Central, México, Prentice Hall Hispanoamericana, 1998. H. M. Ceretti, Experimentos en contexto, Buenos Aires, Pearson Educación, 2000. R. Chang, Química, México DF, Mc. Graw Hill, 1992. C. Di Risio, Química básica, Buenos Aires, EUDEBA, 2000. Enciclopedia de la ciencia, Buenos Aires, Clarín, 2004.
E. D. Enger- B. F. Smith, Ciencia ambiental: un estudio de interrelaciones , Puerto Rico, Mc. Graw Hill, 2006. R. Lewis, Hawley - Diccionario de química y productos químicos , España, Omega, 2009. Manual de la UNESCO para la enseñanza de las ciencias , Buenos Aires, Sudamericana, 1997.
Bibliografía, capítulos de Física Paul Tipler, Física , Tomo II, Barcelona, Editorial Reverté, 1996. H. Hübscher, Electrotecnia. Curso elemental, Barcelona, Editorial Reverté, 1982. Paloma Varela y otros, Electricidad y magnetismo, Madrid, Síntesis Educación, 2000. Hilda Weissmann, Circuitos eléctricos, magnetismo y electromagnetismo, Buenos Aires, Editorial Colihue, 1986. F. Cabana, S. Games, P. Bergero, compilado por C. von Reichenbach, Polo Sur: experimentos de electromagnetismo, Buenos Aires, Consejo Nacional de Investigaciones Científicas - CONICET. Universidad Nacional de La Plata, 2010. Miguel Faraday, Investigaciones experimentales de electricidad , Buenos Aires, EUDEBA, 1971. D. Halliday y R. Resnik, Física , Tomo II, México, CECSA, 1977. Paul Hewitt, Física Conceptual, México, Pearson 1999. Lilia Romanelli y Alejandro Fendrik, Física , México, Pearson, 2001. Alberto Maiztegui y Jorge Sabato, F í sica, Buenos Aires, Kapelusz, 1972. Armando Zandanel, Primera Luz, enseñanza de la ciencia y la tecnología en la escuela , Buenos Aires, AJOTABE Editores, 1996. B. Bújovtsev, Física 3, Editorial Mir, Moscú, 1986. Alberto Heinemann, Física, Buenos Aires, Editorial Estrada, 1985. Alberto Rojo, La física en la vida cotidiana , Buenos Aires, Siglo XXI, 2010.
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