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ÍNDICE DE CONTENIDO TEMA 1. ESTRUCTURA DE LA MATERIA...................................................................5 La teoría atómica de Dalton..................................................................................5 La estructura del átomo........................................................................................ átomo........................................................................................ 7 Modelo atómico de Bohr. estructura estructura electrónica.................................................... ..10 La tabla periódica...............................................................................................11 Las agrupaciones de átomos................................................................................12 La masa molecular.............................................................................................1 La cantidad de partículas. !l mol...................................................................... mol...................................................................... ....1 !l enlace "uímico...............................................................................................15 !#ercicios..........................................................................................................17 TEMA 2. FORMULACIÓN QUÍMICA......................................................................... QUÍMICA......................................................................... 21 $oncepto de n% de o&idación...............................................................................21 $ombinaciones binarias......................................................................................22 !#ercicios..........................................................................................................25 TEMA 3. MEZCLAS Y DISOLUCIONES.....................................................................29 Disoluciones......................................................................................................'0 La solubilidad de las sustancias............................................................................'1 (ormas de e&presar la concentración....................................................................'1 !#ercicios..........................................................................................................' TEMA 4. REACCIONES QUÍMICAS.......................................................................... QUÍMICAS.......................................................................... 37 (enómenos )ísicos )ísicos * )enómenos "uímicos........................................................ "uímicos........................................................ ......'7 ...... '7 Las reacciones "uímicas...................................................................................... "uímicas...................................................................................... '7 Le* de conser+ación de la masa...........................................................................', Las reacciones "uímicas * la teoría atómica.......................................................... atómica.......................................................... .'$álculos a partir de las ecuaciones "uímicas..........................................................0 $lases de reacciones..........................................................................................1 !nergía de las reacciones "uímicas....................................................................... "uímicas....................................................................... 2 eacciones ácido base........................................................................................5 !#ercicios .........................................................................................................7 TEMA 5. QUÍMICA ORGÁNICA...............................................................................51 !l origen de la "uímica orgánica........................................................................... orgánica........................................................................... 51 !l átomo de carbono...........................................................................................52 hidrocarburos....................................................................................................5' $ompuestos orgánicos orgánicos con grupos )uncionales..................................................... ..57 !#ercicios........................................................................................................../0 TEMA 6. ESTUDIO DEL MOIMIENTO....................................................................61 La +elocidad media............................................................................................./1 !l mo+imiento uni)orme....................................................................................../2 La aceleración media........................................................................................../' Mo+imiento uni)ormemente uni)ormemente acelerado................................................................... / !l mo+imiento uni)ormemente retardado............................................................... retardado............................................................... /5 !#ercicios..........................................................................................................// TEMA 7. DINÁMICA...............................................................................................73 La le* de la inercia.............................................................................................7' Le* de proporcionalidad entre )ueras * aceleraciones.............................................7 elación entre la )uera * el mo+imiento...............................................................7 La tercera le* de la dinámica...............................................................................75 Medida de )ueras..............................................................................................75 uma de )ueras ...............................................................................................75 !#ercicios..........................................................................................................77 TEMA !. INTERACCIÓN GRAITATORIA................................................................!1 Mo+imiento de caída libre....................................................................................,1 !l peso de los cuerpos........................................................................................,2 La posición de la tierra en el uni+erso...................................................................,' !l modelo geocntrico........................................................................................., !l modelo heliocntrico......................................................................................., La le* de la 3ra+itación 4ni+ersal........................................................................ 4ni+ersal........................................................................ .,5 La aceleración de la gra+edad............................................................................. gra+edad............................................................................. .,/ !#ercicios..........................................................................................................,, Física y Química 4º ESO
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TEMA 9. FENÓMENOS EN FLUIDOS........................................................................91 Medida de +olmenes.........................................................................................-1 !l principio de 6r"uímedes..................................................................................-' La presión.........................................................................................................-5 !l e&perimento de orricelli.................................................................................-/ La atmós)era.....................................................................................................-7 La presión hidrostática........................................................................................ -, 8rincipio de 8ascal..............................................................................................-!#ercicios........................................................................................................102 TEMA 1". TRA#A$O Y ENERGÍA...........................................................................1"7 (ormas de la energía........................................................................................107 !nergía mecánica.............................................................................................10, 8rocesos de trans)erencias de energía. traba#o mecánico....................................... 110 8otencia mecánica............................................................................................ 112 !#ercicios........................................................................................................11' TEMA 11. CALOR Y TEM%ERATURA......................................................................115 La temperatura................................................................................................115 elación entre calor trans)erido * +ariación de temperatura...................................11/ !"uilibrio trmico.............................................................................................117 La relación entre energía trmica * temperatura...................................................11, $alor * cambios de estado.................................................................................11Má"uinas trmicas............................................................................................120 !l principio de conser+ación de la energía......................................................... ...121 !#ercicios........................................................................................................122 TEMA 12. FENÓMENOS ONDULATORIOS..............................................................125 Magnitudes características de las ondas..............................................................125 e)le&ión * re)racción de ondas....................................................................... ...12/ 9ndas sonoras.................................................................................................127 La lu.............................................................................................................1'1 !l o#o humano.................................................................................................1'2 !#ercicios........................................................................................................1'5
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T&'( 1. E)*+,-*,+( & /( '(*&+0(. LA TEORÍA ATÓMICA DE DALTON. 6 principios del . :;:< un cientí)ico ingls llamado =ohn Dalton propuso una teoría "ue permitió e&plicar las le*es obser+adas en los cambios "uímicos. La teoría no tu+o un &ito inmediato sino "ue< por el contrario< debió transcurrir prácticamente todo el siglo :;: para "ue )uese admitida por la ma*oría de los cientí)icos. Las ideas )undamentales de esta teoría son> •
L( '(*&+0( &)* +'(( + ,() (+*-,/() ', &8,&() 8,& +&-0:& &/ ':+& & *').
•
E;0)*& 0&+&*&) -/()&) & *').
•
T) /) *') & ,( '0)'( -/()& *0&& ),) +0&(&) 0<,(/&).
La teoría atómica establece una correlación entre sustancias elementales * clases de átomos. De )orma "ue a cada sustancia elemental le corresponde un clase de átomos. 8or e#emplo a la sustancia elemental o&ígeno le corresponde una clase e&clusi+a de átomos< "ue llamaremos átomos de o&ígeno< lo mismo ocurre con la sustancia hierro< o con la sustancia plomo. !n la tabla periódica se muestran todas las sustancias elementales conocidas * por lo tanto las posibles clases de átomos. 6 cada una de las clases de átomos se les llamará a partir de ahora elementos "uímicos. 8ara representar
los elementos "uímicos
Dalton utilió di+ersos símbolos iconográ)icos< pero posteriormente un "uímico llamado Berelius sugirió una nue+a representación "ue es la "ue se utilia actualmente. e representa a los elementos mediante un símbolo "ue utilia solo las iniciales de los nombres de los elementos. !ste símbolo consistiría en la inicial del nombre latino del elemento. i dos elementos poseían la misma inicial< podía a?adirse una de las letras siguientes del nombre. TAMA=O
DE LOS ÁTOMOS
Los átomos podemos imaginarlos como es)eras cu*o tama?o +aría de un elemento a otro. us diámetros son mu* pe"ue?os * para e&presar su +alor se utilia un submltiplo del metro llamado picómetro 1 pm =10 -12 m . !l átomo de hidrógeno< el más pe"ue?o< tiene un diámetro del orden de 100 pm * los átomos de ma*or +olumen< como el cesio< llegan a tener un diámetro de unos 50 pm. (í#ate en la pe"ue?e de este submltiplo> @ Aace )alta di+idir un Física y Química 4º ESO
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metro en 1012 partes un billón de partes< para obtener la longitud de un picómetroC i colocamos átomos de hidrógeno uno al lado del otro cuántos cabrían en un metroE @4nos die mil millones de átomosC !ste nmero< es ma*or "ue el nmero de habitantes de la ierra. MASA DE LOS ÁTOMOS. Las masas de los átomos son e&tremadamente pe"ue?as. 6sí< la masa de un átomo de hidrógeno< el más ligero de todos< es de 1,7·10-28 kg * la masa de un átomo de plomo es tan sólo de 3,53·10 -26 kg . 6l seleccionar una unidad< con+iene elegirla de acuerdo con la cantidad "ue se desea medir. 6sí< la masa de una persona la e&presamos en FgG en el laboratorio< al realiar una e&periencia< pesamos en la balana unos gramos o uno miligramos de sustancia. $omo un átomo es mu* pe"ue?o< para medir su masa necesitamos una unidad mucho menor "ue el Fg< el g< e incluso el mg. Dónde encontrar una unidad tan pe"ue?aE ólo la podemos encontrar en el propio mundo del átomo. 8or ello< para medir las masas de los átomos se utilia como unidad< la unidad de masa atómica < abre+iadamente u. e de)ine la unidad de masa atómica HuI como la docea+a parte de la masa de un átomo de carbono12. e llama '()( (*>'0-( +&/(*0?( & , 0)>*< o masa isotópica< al cociente entre la masa de un átomo de un isótopo determinado * la docea+a parte de la masa de un átomo de carbono 12. 6sí< la masa isotópica del carbono1' es 1'<00'. !sto signi)ica "ue un átomo de carbono 1' tiene una masa 1'<00' +eces ma*or "ue la docea+a parte de la masa del átomo de carbono 12. !s lo mismo "ue decir "ue sus masa atómicas relati+as son 1'<00' * 12. La ma*oría de los elementos son meclas de isótopos todos con masas distintas *< como en "uímica lo "ue realmente se mane#an son los elementos * no los isótopos por separado< interesa de)inir una masa atómica relati+a "ue tenga en cuenta esta circunstancia. e de)ine la '()( (*>'0-( +&/(*0?( & , &/&'&*< o masa atómica< como el cociente entre la masa promedio de un átomo del elemento * la docea+a parte de la masa de un átomo de carbono 12. !ste es el dato "ue se muestra habitualmente en la tabla periódica. CONTANDO LOS ÁTOMOS. !n una masa "ue nosotros consideramos pe"ue?a e&iste una cantidad de átomos enorme< esto lle+a a introducir una nue+a unidad para medir la cantidad de átomos< esta unidad se denomina mol< "ue se de)ine como una cantidad igual a 6,022·1023 á!m!s .
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1 mol de átomos 6,022·10
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átomos
Las cantidades de átomos se indican en moles. 6sí se e&presa una cantidad como 2 moles de átomos de o&ígeno en +e de 1,244·10 24 á!m!s . 8ara contar la cantidad de átomos de una muestra no es posible contarlos uno a uno< su cantidad es demasiado grande< pero se puede realiar de )orma indirecta )ácilmente< simplemente pesando la muestra si conocemos cuantos átomos ha* en una masa determinada. 8ues bien esto es conocido< la masa de un mol de átomos de un elemento es igual al +alor de la masa atómica e&presada en gramos. 8or e#emplo si miramos la tabla periódica para el elemento o&ígeno se muestra una masa atómica de 1/< eso se "uiere decir "ue> 1 átomo tiene una masa de 1/ u. 1 mol de átomos tiene una masa de 1/ g. Lo mismo podríamos hacer para cual"uiera de los elementos. 6hora *a podemos calcular la cantidad de átomos presentes en una muestra de un elemento "uímico< para lo cual bastará di+idir la masa de la muestra entre el +alor de la masa atómica del elemento. "#m$%! &$ m!'$s = masa $( g%am!s masa a)mica
(= m * ̄
E$ERCICIO RESUELTO. $alcular el nmero de moles presentes en una masa de 5 gramos de magnesio. Masa atómica de Mg 2<' (= m = 45 = 1,85 m!'$s &$ *g * 24,3
̄
LA ESTRUCTURA DEL ÁTOMO. Dalton consideró a los átomos como las partículas más simples "ue e&istían< de hecho la palabra átomo signi)icaba en griego indi+isible. 8ero a+anado el siglo :;: surgieron obser+aciones * e&perimentos "ue apuntaban "ue esta era una idea incorrecta< "ue el átomo tenía una estructura interna. 6l )inal del siglo :;: * en las primeras dcadas del siglo :: hubo un rápido progreso en el conocimiento de la estructura * comportamiento de los átomos. !l resultado )ue la elaboración sucesi+a de +arios modelos atómicos "ue e&plicaban de )orma cada +e más precisa la estructura * el comportamiento de los átomos. Dos de los modelos los trataremos a continuación el conocido como modelo de uther)ord * el modelo de Bohr. $ada
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uno signi)icó un gran a+ance en el momento en "ue )ueron propuestos pero ho* en día han sido superados por el modelo cuántico. MODELO DE RUT@ERFORD. !n 1-11 a uther)ord< #unto con sus discípulos Aans 3eiger H1,,21-5I * 3regor Marsden H1,-01-5/I< se le ocurrió la idea de Jbombardear átomosK para intentar a+eriguar "u había en su interior< intentar JdesmenuarlosK. omaron como blanco laminas de oro de un espesor de unas cuantas diemilsimas de centímetro Hho* sabemos "ue contenía un espesor de 2.000 átomosI. Detrás de la lámina de oro se colocaba una pantalla )luorescente para poder detectar los impactos de las partículas positi+as o de otro tipo "ue pasaran. La e&periencia ha pasado a la historia de la ciencia como el &;&+0'&* & R,*&++ * sus resultados lle+aron a proponer un modelo del átomo. Las ideas )undamentales del modelo son> L)
*')
&)*
-)*0*,0)
+
(+*-,/()
),:(*>'0-()B /) +*&)B &,*+&) &/&-*+&). L) *') &)* &)* -)*0*,0) + , -/&B 8,& -,( /( (+*& -&*+(/ &/ *'B ,( -+*&(. E/ -/& &)* +'( + ) -/()&) & (+*-,/() /) +*&) /) &,*+&). L() (+*-,/() 8,& +'( /( -+*&( ) /) &/&-*+&). L) 0)*0*) &/&'&*) 8,'0-) )& 0&+&-0( &*+& ) + &/ '&+ & +*&) 8,& )&& & &/ -/&. Aa* "ue indicar "ue en realidad el modelo propuesto originalmente por uther)ord no se basaba en estas ideas e&actamente pues la e&istencia del neutrón no )ue constatada hasta mucho despus. %RO%IEDADES DE LAS %ARTÍCULAS SU#ATÓMICAS Los protones> ienen carga elctrica positi+a. La carga del protón es de 1,6·10-1+ . !sta carga se llama carga elemental por ser la más pe"ue?a conocida. La masa de un protón es de 1,67 ·10-27 kg .
Los neutrones no tienen carga elctrica. u masa es< apro&imadamente< igual a la del protón. Los electrones tienen una carga elctrica igual "ue la del protón< pero de signo contrario< poseen carga elctrica negati+a. u masa es1 ,0 +eces más pe"ue?a "ue la del protón. Física y Química 4º ESO
+
8uesto "ue un átomo es elctricamente neutro< es decir< no tiene e&ceso de cargas positi+as ni negati+as< el nmero de protones del ncleo es igual al nmero de electrones de la en+oltura. !l ncleo atómico ocupa una mínima )racción del +olumen total del átomo. 4n átomo está tremendamente +acío> la ma*or parte de su +olumen carece de materia< como los electrones tienen una masa despreciable< comparada con la del protón o neutrón< casi la totalidad de la masa del átomo reside en el ncleo< el cual posee una gran densidad. NMERO ATÓMICO Y NMERO MÁSICO. Los ncleos de átomos distintos se caracterian por su nmero atómico * su nmero másico de)inindose ambos como> N'&+ (*>'0- N'&+ & +*&) 8,& *0&& , *' & ), -/&B )& +&+&)&*( + Z N'&+ ')0- S,'( & +*&) ') &,*+&) & , *'B )& +&+&)&*( + A con una relación entre ambos A N Z A número másico ; N número de neutrones ; Z número de protones
E/ '&+ (*>'0- )& -++&/(-0( - /( -/()& & &/&'&* 8,'0- < *) /)
*') &+*&&-0&*&) ( , '0)' &/&'&* 8,'0- *0&& &/ '0)' '&+ & +*&)B así el nmero atómico caracteria a un elemento "uímico. odos los átomos de o&ígeno tienen , protones su nmero atómico , odos los átomos de plomo tienen ,2 protones su nmero atómico ,2 6hora puede ocurrir "ue dos átomos pertenecientes al mismo elemento "uímico< "ue poseen el mismo nmero de protones< di)ieran en su nmero de neutrones< es lo "ue se denominan isótopos. I)>*) ) *') 8,& )&& &/ '0)' '&+ & +*&) &+ 00&+& & &/ '&+ & &,*+&). 8or e#emplo e&isten átomos de carbono con seis protones * seis neutrones * otros con seis
protones * ocho neutrones. Desde el punto de +ista "uímico dos isótopos del mismo elemento se comportan igual< no ocurre lo mismo en su comportamiento )ísico< por e#emplo uno puede Física y Química 4º ESO
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ser radiacti+o * otro no. 8ara representar una clase de átomo determinado se utilia una notación compacta de la )orma "ue se muestra en la )igura. 8or e#emplo +eamos algunos casos Átomo 12 6
Nº protones 6 p%!!($s
Nº neutrones 6 ($u%!($s
Nº electrones 6 $'$c%!($s
14 6
6 p%!!($s
8 ($u%!($s
6 $'$c%!($s
11 p%!!($s
12 ($u%!($s
11 $'$c%!($
23 11
"a
MODELO ATÓMICO DE #O@R. ESTRUCTURA ELECTRÓNICA. ras uther)ord el siguiente paso en la me#ora en la compresión de los átomos se produce con Niels Bohr "ue propone un nue+o modelo en el cual se contempla "ue los electrones "ue +&( (/ -/& / (-& & +'( &)+&(( )0 8,& )& +<(0( & 0?&/&) - /( (+*0-,/(+0( & 8,& &/ '&+ 8,& -(:& & -(( ,( & &//) &) /0'0*(. Los electrones +an llenando los ni+eles sucesi+amente dando lugar a lo "ue se conoce como estructura electrónica del átomo. Los ni+eles se indican por el nombre de su capa * su subcapa. Los ni+eles correspondientes * el nmero má&imo de electrones "ue pueden contener correspondientes a los elementos "uímicos con nmero atómico hasta 1, se indican en la tabla $apa 1 $apa 2 $apa '
ubcapa s ubcapa s ubcapa p ubcapa s ubcapa p
1s 2s 2p 's 'p
$aben 2 electrones $aben 2 electrones $aben / electrones $aben 2 electrones $aben / electrones
Las capas * subcapas se llenan en orden de energía creciente "ue +iene dado por
1s 2s 2p 3s 3p !n el dibu#o se muestran los primeros 1, elementos "uímicos * como se distribu*en los electrones en las distintas capas * subcapas. 8ara saber el '&+ & &/&-*+&) & , *' ( 8,& *&&+ & -,&*( 8,& & &)*( &,*+ ), '&+ &) 0<,(/ (/ & +*&) &:& -0-00+ - &/ '&+ (*>'0- &/ *'. La raón es "ue la carga elctrica total del átomo en estado neutro debe ser nula * se compensan las cargas positi+as H"ue posee los protonesI con las cargas negati+as H"ue poseen los electronesI. 8ara representar la distribución de los electrones se emplea una notación en la "ue se indican Física y Química 4º ESO
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sucesi+amente las capas * subcla+ios "ue se +an llenando en orden creciente de energías indoicando con un superíndice el nmero de electrones "ue ha* en cada una. 8or e#emplo en el caso de un átomo de o&ígeno ha* un total de ocho electrones 2 en una subcapa 1s< dos en una subcapa 2s * cuatro en una subcapa 2p< la notación para reprensetar la con)iguración electrónica sería 1s 2 2s 2 2p4
LA TA#LA %ERIÓDICA. Los elementos "uímicos se pueden clasi)icar obtenindose como resultado la conocida como tabla periódica en ella se colocan todos los elementos conocidos organiados en nmeros atómicos crecientes de )orma "ue elementos con comportamiento similar se encuentren colocados en la misma columna. !n la tabla periódica se habla de períodos * grupos. %ERÍODOS Los elementos están alineados en )ilas horiontales llamadas períodos * numeradas de la 1 a la 7. $uando se ordenan de esta manera< se obser+a "ue< al llegar a un determinado elemento< si el siguiente lo ponemos deba#o del primero< los dos elementos de la misma columna tienen propiedades seme#antes. GRUPOS O FAMILIAS
!n cada columna se encuentran< pues< los elementos "ue presentan ciertas similitudes * )orman los llamados grupos o )amilias. !n la tabla periódica los grupos o )amilias +an numeradas del 1 al 1,. 1
) 3 5 0 / ( / A
2
) 3 & + + * 3 5 0 / ( / A
3
4
5
6
7
!
9
1"
M&*(/&) & *+()0-0>
11
12
13
14
) 3 & + + & T
) 3 & . 0 3 5 3 : + ( C
15
16
) 3 & . 0 3 5 & < 3 + * 0
) 3 5 & < 6 2 5 A
17
1!
) 3 5 & < > / ( @
) & / : 3 5 ) & ) ( G
N
L(*0) A-*0)
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C(( , & /) <+,) ('0/0() &) --0 - , ':+& &*&+'0( Los elementos del grupo l HLi< Na< O< b< $s< (rI son los metales alcalinos. !l grupo 2 está constituido por los llamados metales alcalinotrreos HMg< $a< r< Ba< aI. !l grupo 1' es la )amilia de los trreos HB< 6l< 3a< ;n< lI. !l grupo 1 es la )amilia de los carbonoideos H$< i< 3e< n * 8bI !l grupo 15 es la )amilia de los nitrogenoideos HN< 8< 6s< b< BiI. !l grupo 1/ es llamado )amilia de los an)ígenos H9< < e< e< 8oI. !l grupo 17 está constituido por los elementos llamados halógenos H(< $l< Br< ;< 6tI. !l ltimo grupo< el nmero 1,< lo )orman los gases nobles< llamados así por"ue di)ícilmente reaccionan con otros elementos. on gases monoatómicos.
LAS AGRU%ACIONES DE ÁTOMOS. Los átomos se unen entre sí para )ormar estructuras más comple#as< /() '/-,/() /) -+0)*(/&). Las uniones entre los átomos se producen mediante lo "ue se conoce como enlace "uímico< "ue puede ser de +arios tipos< iónico< co+alente o metálico. Las molculas son estructuras "ue se )orman por la unión entre dos átomos * se pueden clasi)icar segn su composición en> MOLHCULAS DE ELEMENTOS Los elementos gaseosos contienen< en estado natural< molculas separadas unas de otras< * además< )ormadas< en la ma*oría de los casos< por dos átomos Hmolculas diatómicasI. Aemos hablado de la molcula de hidrógeno< A2. !l subíndice signi)ica "ue está )ormada por dos átomo MOLHCULAS DE COM%UESTOS Las
combinaciones
de
átomos
*
molculas de elementos di)erentes )orman los "ue se llaman compuestos moleculares. on estructuras )ormadas por unos pocos o muchisimos átomos HmacromolculasI. Las uniones entre los di)erentes
átomos
se
realian Física y Química 4º ESO
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dierectamente entre ellos. !#emplos son la molcula de agua está constituida por un átomo de o&ígeno * dos de hidrógeno< o la de amoníaco )ormada por tres átomos de hidrógeno unidos a un átomo de nitrógeno< 8ero tambin es una molcula el 6DN )ormado por millones de átomos unidos entre sí. CRISTALES. Muchas sustancias sólidas no contienen molculas separadas unas de otras< sino "ue )orman cristales con numerosos átomos dispuestos ordenadamente. Los metales están constituidos por átomos iguales del propio elemento< ordenados en estructuras cristalinas. 9tros cristales están )ormados por iones de distinto signo> iones positi+os de elementos metálicos * negati+os de no metálicos. on los compuestos iónicos< entre los "ue se encuentran las sales. !l cristal de cloruro de sodio está constituido por iones negati+os de cloro * positi+os de sodio. 4n cristal iónico está )ormado por la unión de un metal * un no metal. Los metales * las sustancias iónicas son compuestos no moleculares. e presentan en )ormas cristalinas. FÓRMULAS QUÍMICAS Las )órmulas son la representación mediante símbolos de los compuestos "uímicos. indican los elementos "ue )orman el compuesto * el nmero de átomos de cada elemento en la molcula< o la proporción en "ue se combinan si el compuesto es iónico. Peamos algunos e#emplos> La )órmula del hidrógeno molecular es 2 < lo "ue indica "ue el símbolo del elemento es A * "ue una molcula está )ormada por dos átomos. La del o&ígeno es O 2 < tambin con dos átomos por molcula. La )órmula del agua es 2 O * representa "ue una molcula de agua tiene dos átomos de hidrógeno * uno de o&ígeno. La molcula del amoniaco es NA'< un átomo de nitrógeno unido a tres átomos de hidrógeno< * sa se toma como )órmula de este compuesto. La )órmula de la sal comn es "a' < lo "ue indica "ue en dicho compuesto e&iste un átomo de cloro por cada átomo de sodio< pues no contiene molculas de)inidas.
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LA MASA MOLECULAR. 6l ser las molculas agrupaciones de átomos unidos entre sí mediante enlaces "uímicos< si se desease conocer la masa de una molcula el procedimiento es sencillo< ),'(+ /( '()( & -(( , & /) *') 8,& -'& /( '/-,/(B ( &)*( -(*0( )& /( --& -' '()( '/&-,/(+. !#emplo calcular la masa molecular de trió&ido de dihierro
Fe 2 O 3
La molcula esta compuesta por 2 átomos de (e * por tres átomos de 9< si miramos en la tabla periódica las masa atómicas de cada clase de átomos son O = 16 u * F$ = 55,8 u . La masa molecular del F$ 2 O3 es> O > 16.3 F$ > 2.55 ,8
48,0 u 111,6 u ////////////// 15+,6 u
LA CANTIDAD DE %ARTÍCULAS. EL MOL. La teoría atómica propone "ue la materia no es continua sino "ue está )ormado por partículas * como tales será posible contarlas. 8ero al ser las partículas de tama?o tan pe"ue?o< en una masa de materia del orden de 1 gramo< habrá una cantidad enorme de partículas< por e#emplo en 2 gramos de hidrógeno ha* del orden de 102 partículas< cantidad "ue representa un billón de billones. Mane#ar nmeros de esta magnitud no es cómodo< así "ue se ha introducido una nue+a unidad para contar partículas< el '/< cu*a e"ui+alencia en cantidad de partículas es>
1 mol 6,022·10 23 partículas Las partículas de distintas sustancias di)ieren el +alor de sus propiedades como el caso de su masa por lo "ue la misma caridad de partículas de di)erentes sustancias tendrá distinta masa . La masa de un mol de partículas de una determinada sustancia es llamada masa molar de la sustancia . L( '()( & , '/ & (+*-,/() 6B"22J1"23 K & ,( ),)*(-0( )& &'0( '()( '/(+ & /( ),)*(-0(.
La unidad de masa molar "ue usaremos habitualmente es
g . m!'
Aa* "ue resaltar "ue se considera como partícula cual"uier entidad "ue se mue+a libremente así se inclu*en los átomos libres como las molculas. 6sí un mol de átomos de oro serán 6,022· 1023 átomos de oro.
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4n mol de molculas de agua serán 6,022·10 23 molculas de agua.
EL ENLACE QUÍMICO. La unión de átomos se logra mediante el enlace "uímico "ue se produce por la interacción entre los electrones de distintos átomos. !&isten tres clases de enlaces "uímicos el &/(-& 0>0-< el &/(-& -?(/&*& * el &/(-& '&*/0-. E/ &/(-& 0>0- se realia por trans)erencia de electrones * posterior atracción elctrica. e da entre elementos de las columnas 1/ * 17 con los de las columnas 1 * 2. 4n e#emplo de sustancia "ue presenta esta clase de enlace es el cloruro de sodio. !l enlace se )orma debido a la )ormación de iones< átomos con carga elctrica< el sodio pierde un electrón * "ueda cargado positi+amente. !l cloro gana un electrón * "ueda cargado negati+amente. 8osteriormente se atraen
ambos
iones
mediante
atracción elctrica. Mediante el enlace
iónico
no
se
)orman
molculas< sal+o en estado gaseoso sino cristales< cada ión está rodeado de muchos iones por los "ue atraído. E/ &/(-& -?(/&*& se produce por compartición de electrones. Mediante pares de electrones "ue pertenecen a ambos átomos se )orma la unión. Mediante esta compartición se logra "ue la ltima capa de cada uno de los átomos se encuentre llena. e pueden compartir uno< dos o tres pares de
electrones
)ormándose
enlace
co+alentes sencillos< dobles o triples. La unión es direccional< produciendo la unión entre dos átomos determinados entre sí. e da principalmente entre elementos de las columnas 15< 1/ * 17< tanto entre átomos del mismo elemento o de distinto elemento. 4n e#emplo de sustancia co+alente son las molculas homoatómicas como el cloro molecular (' 2 ) o
heteroatómicas como el agua ( 2 O ) o el amoníaco ( " 2 ) . Física y Química 4º ESO
16
E/ &/(-& '&*/0- se debe a la perdida de los electrones e&ternos * su compartición por todos los átomos agrupados. !s un enlace mu* comple#o * no se trata en este curso. e da entre elementos metálicos Hpor e#emplo columnas 1 * 2 entre otrasI. %RO%IEDADES DE LAS SUSTANCIAS SEGN EL TI%O DE ENLACE. Las propiedades )ísicas de las sustancias son el resultado de las interacciones de las molculas entre sí * la naturalea de stas está estrechamente relacionado con el tipo de enlace.
!NL6$! ;QN;$9
odos son sólidos con puntos de )usión mu* altos. !n general son duros pero )rágiles. !n estado sólido no conducen la electricidad< sí la conducen si están )undido o disueltos en agua<.. Muchos compuestos iónicos son mu* solubles en agua Hpero no todosI * en otros disol+entes polares
$9M84!9 M9L!$4L6!
No son conductores de la corriente elctrica. us puntos de )usión * ebullición son ba#os< pues las )ueras de atracción entre las molculas son dbiles. on solubles en disol+entes no polares< como el ' 4 Htetracloruro de carbonoI o el S2 Hdisul)uro de carbonoI.
$;6L! 6QM;$9
us puntos de )usión * ebullición son altos Hsuperiores a los '.500 %$I< debido a la )ortalea de los enlaces. No son solubles ni en disol+entes polares ni apolares uelen ser malos conductores< pero ha* e&cepcioners como el gra)ito.
!NL6$! $9P6L!N!
!NL6$! M!RL;$9
Los metales son todos sólidos a temperatura ambiente< sal+o el mercurio< Ag "ue es lí"uido. Los puntos de )usión * ebullición +arían mucho< pero por lo general son más altos "ue los de los elementos no metálicos. Aabitualmente< los metales son densos< * su densidad es ma*or en general "ue la de los no metales. Los metales son dctiles Hse pueden e&tender en hilos con poca di)icultadI * maleables Hse pueden laminar )ácilmenteI. u brillo metálico se debe a su alto poder de re)le&ión Hre)le#ar la lu "ue les llegaI. on buenos conductores de la electricidad * del calor< por estar los electrones libres en la red metálica.
Física y Química 4º ESO
17
E$ERCICIOS. 1/-!mp'$a $' sigui$($ cua&%! "!m%$ &$' $'$m$(!
Sím!'! uímic! &$' $'$m$(!
*asa a)mica
F'#!% ii! i$%%! !a'! "íu$' i(c *ag($si! 'ai(! !&! Esa! 2/-a'cu'a% 'a ca(i&a& &$ m!'$s u$ ay $( a 30 g%am!s &$ (i%)g$(!/ 25 g%am!s &$ O%!/ c 60 g%am!s &$ p!asi!/ & 1 g%am! &$ a'umi(i!/ 3/-9:!(&$ ay may!% ca(i&a& &$ á!m!s $( 2 g%am!s &$ i&%)g$(! ! $( 200 g%am!s &$ p'!m!; 4/-9uá(!s g%am!s p$sa%a( a 4 m!'$s &$ F$/ 2,2 m!'$s &$ '/ c 0,38 m!'$s &$ a/ & 35 m!'$s &$ a%!(!/ 5/-9uá(as á!m!s ay a E( 2 m!'$s &$ !%!/ E' &!s m!'$s &$ u%a(i!/ c E( 0,45 m!'$s &$ i$%%!/ 6/-9:!(&$ a%á may!% ca(i&a& &$ á!m!s $( 2 m!'$s &$ i$%%! ! $( 2 m!'$s &$ (i%)g$(!; 7/-9:!(&$ ay may!% ca(i&a& &$ á!m!s $( 4 g%am!s &$ !.íg$(! ! $( 4 g%am!s &$ (i%)g$(!; 8/-E.p'ica $( u$ &i
Física y Química 4º ESO
18
+/-!mp'$a% $' sigui$($ cua&%! S':/
N (*>'0-ZK 11 2 -2 1,2 20
N ')0- AK 2' 2', '20, '-
N & +*&)
N & &,*+&)
N & &/&-*+&)
10/-!mp'$a% $' sigui$($ cua&%! Sím!'!
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i&%)g$(!
1
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2
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3
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11
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12
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13
Si
14
15
S
16
'
17
@%
18
11/-9uá(!s á!m!s &$ ca&a $'$m$(!
1+
a/- :i).i&! &$ ca%!(! ( O 2) A /- Bci&! su'<#%ic! ( 2 SO4 ) A c/-Su'
13/-9uá(as pa%ícu'as &$ p%!pa(! ay $( 2 m!'$s &$ &ic! c!mpu$s!; 14/-9uá(as pa%ícu'as &$ &i).i&! &$ au<%$ ( SO 2 ) ay $( 100 g%am!s &$ &ic! gas; *asa g m!'a% 64 / m!'
15/-a'cu'a% 'a masa &$ 100 m!'$s &$ am!(íac! ( " 3) /*asa m!'a% 17
g / m!'
16/-9uá(!s m!'$s &$ am!(iac! (" 3 ) ay $( 100 g%am!s &$ &ic! gas;*asa m!'a% 17 17/-a'cu'a% 'a masa &$ 80 m!'$s &$ agua *asa m!'a% &$' agua 18
g m!'
g / m!'
18/-9uá(as pa%ícu'as a%á( $( 5 m!'$s &$ agua; 9 $( 5 m!'$s &$ am!(iac!; 9&!(&$ ay may!% (#m$%! &$ pa%ícu'as $( 100 g%am!s !.íg$(! m!'$cu'a% O 2 ! $( 100 g%am!s &$ am!(íac! ( " 3 ) 1+/-9uá(!s m!'$s &$ &i).i&! &$ ca%!(! ( O 2) ay $( 300 g%am!s &$ $s$ gas; 20/-a'cu'a% $' (#m$%! &$ m!'$s &$ ca&a susa(cia u$ ay $( a 200 g%am!s &$ áci&! su'<#%ic! ( 2 SO4 ) / 100 g%am!s &$ i&%).i&! s)&ic! ( "aO ) / c 150 g%am!s &$ g'uc!sa ( 6 12 O6 ) /
& 30 g%am!s &$ i&%)g$(! m!'$cu'a% H / 2
g 21/-9uá' $s 'a masa $( g &$ u(a pa%ícu'a &$ ua(!; *asa m!'a% 58 m!' /S$g#( '! $.p%$sa&! $( 'a a'a i(&ica $' ip! &$ $('ac$ u$ i$($ ca&a susa(cia
S,)*(-0( ustancia 6 ustancia B ustancia $
%,* & ,)0>
S/0:0/0( & (<,(
6lto Ba#o 6lto
i No No
C,-*0?0( &/-*+0-( !n disolución No i
Física y Química 4º ESO
20
Física y Química 4º ESO
21
T&'( 2. F+',/(-0> 8,'0-(. CONCE%TO DE N DE OIDACIÓN. !l nmero de o&idación se puede de)inir como la capacidad de combinación de un elemento "uímico con respecto a otros elementos< cuando )orman entre sí di+ersos compuestos "uímicos. Los nmeros de o&idación positi+os de algunos elementos más usuales se muestran en el siguiente cuadro. Nombre
ímbolo
N% Nombre o&idación
ímbolo
N% o&idación
Nombre
ímbolo
N% de o&idación
Litio
Li
S1
inc
n
S2
9&ígeno
9
2
odio
Na
S1
$admio
$d
S2
Aidrógeno
A
1
8otasio
O
S1
6luminio
6l
S'
(luor
(
1
ubidio
b
S1
$obalto
$o
S2< S'
$loro
$l
1
8lata
6g
S1
Aierro
(e
S2< S'
Bromo
Br
1
Berilio
Be
S2
Ní"uel
Ni
S2< S'
;odo
;
1
Magnesio
Mg
S2
9ro
6u
S1< S'
6u)re
2
$alcio
$a
S2
8lomo
8b
S2< S
!stroncio
r
S2
!sta?o
n
S2< S
Bario
Ba
S2
Mercurio
Ag
S1.S2
todos
átomos
COM#INACIONES MONARIAS on
compuestos
pertenecen
al
en mismo
"ue
elemento<
los
como
más
importantes citaremos las molculas del propio elemento como $, O 2, O3, " 2 , 2 , 4 on
compuestos
"ue
L0)*( & +&0) Mono
reciben
)recuentemente Di nombres +ulgares. u nomenclatura se limita a la ri
1
8enta
5
2
Ae&a
/
'
Aepta
7
9cta
,
utiliación de pre)i#os griegos ante el nombre del elemento en cuestión. ' 2 O3
etra
dicloro trio&ígeno
Física y Química 4º ESO
22
COM#INACIONES #INARIAS. !n el caso de compuestos binarios Hcompuestos )ormados por dos elementosI< se deben seguir como norma> !scribir siempre el elemento de nmero de o&idación positi+o a la i"uierda * el de nmero de o&idación negati+o a la derecha< aun"ue al nombrarlos se hace en orden in+erso. 6l escribir la )ormula de un compuesto se intercambian los nmeros de o&idación de los di)erentes átomos. grupos o iones "ue inter+ienen< colocándolos como subíndices * simpli)icándolos< teniendo en cuenta "ue el nmero 1 no se escribe * "ue en la )órmula )inal deben aparecer siempre nmeros enteros. ÓIDOS. e denominan ó&idos a los compuestos binarios del o&igeno con otro elemento. ÓIDOOÍGENOP ELEMENTO QUÍMICO N'&-/(*,+( *+(0-0(/ i el elemento "ue )orma el ó&ido sólo puede actuar con un nmero de o&idación se puede nombrar> $on la terminación ico $on la palabra ó&ido seguida de la preposición de * el nombre del metal. "a2 O : G.i&! &$ s!&i! u ).i&! s)&ic!/
i el elemento "ue )orma el ó&ido sólo puede actuar con dos nmeros de o&idación > e nombran con la palabra ó&ido seguida del nombre del metal terminado en ICO u OSO< segn "ue el metal acte con el M6T9 o con el M!N9 estado de o&idación. F$2 O3 > G.i&! !n esta nomenclatura se indica la proporción de los constitu*entes mediante pre)i#os los correspondientes a la tabla O 2 :Dióxído de p'!m!/ F$ 2 O3 > rió&ido de dihierro.
N'&-/(*,+( & S*- !n esta nomenclatura se nombran los compuestos nombrando el elemento con su nombre * el el caso de "ue posea más de un nmero o&idación se indica este entre parntesis. O 2 > Q&ido de carbono H;PI
Física y Química 4º ESO
23
" 2 O 5 > Q&ido de nitrogeno HPI N'&-/(*,+( *+(0-0(/
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
I 2 O
Q&ido de potasio
Monó&ido de dipotasio
Q&ido de potasio
>(O
Q&ido de inc
Monó&ido de inc
Q&ido de inc
F$O
Q&ido )erroso
Monó&ido de hierro
Q&ido de hierro H;;I
S(O 2
Q&ido estannico
Dió&ido de esta?o
Q&ido de esta?o H;PI
COM#INACIONES #INARIAS CON EL @IDRÓGENO. @IDRUROS METÁLICOS on compuestos en los cuales el hidrógeno acta con nmero de o&idación 1 * +a precedido en las )órmulas por el símbolo del metal. e siguen las mismas )ormulaciones anteriores pero ahora en +e de o&ido se denominan hidruros 2
Aidruro plumboso
Dihidruro de plomo
Aidruro de plomo H;;I
a 2
Aidruro cálcico
Dihidruro de calcio
Aidruro de calcio
S( 4
Aidruro estannico
etrahidruro de esta?o
Aidruro de esta?o H;PI
@ALUROS DE @IDRÓGENO ÁCIDOS @IDRÁCIDOSK !s la combinación del hidrógeno con alguno de los siguientes elementos> (< $l< Br< ; * los cuales actan con nmero de o&idación negati+os< actuando el hidrógeno con el nmero de o&idación S1. e nombran a?adiendo el no metal la terminación Uuro * completando con la e&presión de hidrógeno. !n disolución acuosa presentan nombre especiales< la siguiente tabla los muestra. C',&)*
N':+&
E 0)/,-0> (-,)(
F
(luoruro de hidrógeno
Rcido )luorhídrico
'
$loruro de hidrógeno
Rcido clorhídrico
?%
Bromuro de hidrógeno
Rcido bromhídrico
D
Toduro de hidrógeno
Rcido *odhídrico
2 S
ul)uro de hidrógeno
Rcido sul)hídrico
Los hidruros del 9< N * del 8 tienen nombre especiales.
Física y Química 4º ESO
24
C',&)*
N':+& &)&-0(/ (-&*(
" 3
6moníaco
2 O
6gua
3
(os)ina
"a
Aidruro sódico
Monohidruro de sodio
Aidruro de sodio
?a 2
Aidruro de bario
Dihidruro de bario
Aidruro de bario
@' 3
Aidruro de aluminio
rihidruro de aluminio
Aidruro de aluminio
@ALOGENUROS. on combinaciones de los halógenos con un metal< actuando el halógeno con el numero de o&idación H1I. N'&-/(*,+( *+(0-0(/
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
"a'
$loruro de sodio
$loruro de sodio
$loruro de sodio
a' 2
$loruro de calcio
Dicloruro de calcio
$loruro de calcio
F$' 3
$loruro )rrico
ricloruro de hierro
$loruro de hierroH;;;I
SULFUROS. on combinaciones del au)re con un metal< actuando el au)re con el numero de o&idación H 2I. N'&-/(*,+( *+(0-0(/
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
"a2 S
ul)uro de sodio
ul)uro de disodio
ul)uro de sodio
aS
ul)uro de calcio
ul)uro de calcio
ul)uro de calcio
F$S
ul)uro )rrico
Monosul)uro de hierro
ul)uro de hierroH;;I
Física y Química 4º ESO
25
E$ERCICIOS. 1/-!mp'$a 'a sigui$($ a'a &$ ).i&!s N'&-/(*,+( *+(0-0(/
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
@' 2 O3 O i 2 O aO @u2 O ?$O "iO !2 O 3 @g2 O gO "a2 O F$2 O 3 J2 O
2/-!mp'$a 'a sigui$($ a'a &$ i&%u%!s N'&-/(*,+( *+(0-0(/
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
J a 2
4 2 >( 2 i I
3/-!mp'$a 'a sigui$($ a'a &$ a'!g$(u%!s Física y Química 4º ESO
26
N'&-/(*,+( *+(0-0(/
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
>(' 2 ' 4 g' 2 &' 2 i' F$' 2 ?$' 2 @' ' 3
4/-!mp'$a 'a sigui$($ a'a &$ su'
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
F$2 S 3 S 2 ?aS gS S(S ?$S i 2 S S%S @u2 S @u2 S 3
1/-!mp'$a% '!s cua&%!s $( 'a(c! FÓRMULA
N. TRADICIONAL
N. SISTEMÁTICA
N. DE STOC
$loruro de bario Q&ido de aluminio 9&ido de esta?o H;PI Física y Química 4º ESO
27
FÓRMULA
N. TRADICIONAL
N. SISTEMÁTICA
N. DE STOC
!' 3
Q&ido mercrico etracloruro de esta?o >( 2
Aidruro de aluminio Monó&ido de dipotasio @' 2 S 3
9&ido ni"ueloso @u?%
$loruro de aluminio Q&ido de bario Dió&ido de plomo ?aS
$loruro de plata *g' 2
Aidruro de litio aO
$loruro de estroncio Monosul)uro de calcio Q&ido de sodio 9&ido de berilio g 2 S
ricloruro de hierro 9&ido de aluminio g'
9&ido de plata ricloruro de oro
Física y Química 4º ESO
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FÓRMULA
N. TRADICIONAL
N. SISTEMÁTICA
N. DE STOC
ul)uro )rrico "i' 2
$loruro de sodio ul)uro de potasio
Física y Química 4º ESO
2+
T&'( 3. M&-/() 0)/,-0&) !n el medio natural es mu* raro encontrar sustancias en estado puro. 8or e#emplo el agua "ue bebemos contiene sales disueltas * cuando la publicidad nos habla de agua pura< no lo es en sentido "ue se da al concepto de sustancia pura en "uímica< en realidad "uiere indicar "ue no ha sido modi)icado despus de ser recogida del medio natural. La norma general es "ue los sistemas materiales sean una mecla de muchas sustancias. La materia se clasi)ica en dos categorías principales> •
S,)*(-0() ,+() es una porción de materia "ue presenta una propiedades características Htemperatura de )usión< temperatura de ebullición< densidad...I "ue poseen unos +alores )i#os * "ue di)ieren de los de otras sustancias.
•
M&-/() son combinaciones de dos o más sustancias puras< cada una de las cuales mantiene su propia composición * propiedades.
Las de)iniciones para ser comprendidas en toda su e&tensión necesitan "ue se pro)undice en los conocimientos "uímicos< determinar si un sistema material es una sustancia pura o no< re"uiere "ue sea sometida a pruebas< cu*os resultados nos proporcionan la respuesta. Las meclas a su +e pueden ser homogneas o heterogneas. •
U( '&-/( '<&( a"uella presenta unas propiedades * una composición uni)ormes en todas sus porciones.
•
U( '&-/( &) &*&+<&( es a"uella cu*a composición * propiedades +aría en distintas porciones de la misma.
Las homogeneidad o no de una mecla depende de la escala de obser+ación "ue tomemos< por e#emplo a simple +ista la leche nos parece homognea< pero si la obser+amos a tra+s de un microscopio se +e "ue presenta heterogeneidades. i una de las sustancias "ue componen la mecla está en una proporción mu* superior al resto< a sta se la llama sustancia dispersante< al resto sustancias dispersas. 8ara distinguir entre distintas clases de meclas se ha tomado como criterio el tama?o "ue )orman los aglomerados de las sustancias dispersas. N':+& & /( '&-/(.
T('( & /) (
O:)&+?(-0> & /) (
E&'/.
uspensión
*ay!% u$ 10 m
Pisibles a simple +is ta o con un micros 8ol+o en suspensión en el aire. copio.
$oloide
E(%$ 10−+ m y 10 −6 m
Pisibles con ultrami crocopios o ilumina a+ia de los árboles. ción lateral
Disolución
*$(!% u$ 10−+ m
No +isibles con nin 6gua salada.
−6
Física y Química 4º ESO
30
gn instrumento.
DISOLUCIONES !n lo "ue sigue trataremos de las disoluciones< "ue de)iniremos como la mecla homognea de dos o más sustancias en la "ue no se pueden distinguir partes di)erentes mediante ningn instrumento. Las disoluciones reciben el nombre de binarias< ternarias...< segn "ue consten de dos< tres... componentes. !n las disoluciones se distinguen el disol+ente * los solutos. 8ara especi)icar a "ue sustancias le corresponden estas denominaciones se toma como criterio "ue el disol+ente es la sustancia en ma*or proporción si las sustancias "ue se meclan están en el mismo estado de agregación< o a"uel cu*o estado de agregación es el mismo "ue el de la disolución si los componentes< se encuentran en distinto estado de agregación. Las disoluciones se pueden )ormar entre sustancias "ue se encuentren en distinto estado de agregación< siendo posible todas las combinaciones. D0)/?&*& S>/0
3 * , / 3 S
L8,0
G()&)
S>/0
Bronce Hmecla de cobre * esta?oI. 6gua de mar.
Aumo HDisolución de partículas de carbón en aireI.
L8,0
Mercurio en cobre o inc HamalgamaI.
6lcohol * agua.
Niebla HDisolución de agua en estado lí"uido en aireI.
G()&)
Aidrógeno en paladio.
9&ígeno en agua.
6ire Hmecla de nitrógeno< o&ígeno * otros gases en menor proporciónI.
!l disol+ente más utiliado es el agua< las disoluciones acuosas son )undamentales en la naturalea< aun"ue muchas +eces se debe hablar de coloides o suspensiones más "ue de disoluciones. on tambin ampliamente utiliadas en los laboratorios "uímicos. 8ero e&isten otras muchas sustancias "ue se utilian como disol+entes en los laboratorios "uímicos como el tetracloruro de carbono< el he&ano o el alcohol. Los disol+entes se clasi)ican en dos grandes grupos los 0)/?&*&) /(+&) * /) 0)/?&*&) (/(+&). !ntre los primeros destaca el agua< entre los segundos se encuentran sustancias como el benceno< el tetracloruro de carbono * muchos otros disol+entes orgánicos. Los disol+entes polares * los apolares no se disuel+en unos en otros< son inmiscibles entre sí. !l carácter polar o apolar de una sustancia es una propiedad intrínseca a la misma los "ue hace "ue muchas sustancias "ue son solubles en disol+entes polares no lo sean en los apolares * +ice+ersa. Aa* muchas otras sustancias "ue se disuel+en en los dos tipos de disol+entes< esto se debe a la estructura microscópica de la sustancia. 4n e#emplo es el alcohol etílico "ue se disuel+e bien en agua * en muchos disol+entes apolares. !n general para la solubilidad Física y Química 4º ESO
31
e&iste una regla Vlo igual disuel+e a lo igualW.
LA SOLU#ILIDAD DE LAS SUSTANCIAS $uando se pretende disol+er un sólido en un lí"uido no
T(:/( & )/,:0/0(&)
es posible disol+er una cantidad ilimitada. !&iste una
S,)*(-0(
proporción má&ima solutoXdisol+ente< "ue al ser superada hace "ue aun"ue se adicione más soluto este
$loruro de sodio
'/
$loruro de potasio
'
no se disuel+a< esta cantidad se conoce como Nitrato de potasio solubilidad. !l +alor de la solubilidad es característico de Nitrato de sodio cada sustancia * depende de la temperatura * se suele Nitrato de plata e&presar en gramos de soluto por cada 100 gramos de $arbonato de sodio $arbonato de calcio
disol+ente.
ramos soluto 100 ramos aua
$lorato de sodio
$uando se una disolución contiene la má&ima cantidad Aidró&ido de sodio de soluto "ue es capa de disol+er en proporción a la
'1<5 ,, 222 21<5 0<001' 101 10,
cantidad de disol+ente se dice "ue la disolución está )(*,+((. 9tros dos conceptos cualitati+os relacionados con las proporciones disol+enteXsoluto son> D0)/,-0> --&*+((> cuando e&iste una alta proporción de soluto. D0)/,-0> 0/,0(> cuando e&iste una ba#a proporción de soluto. 6mbos conceptos son relati+os< dependiendo para clasi)icar a una disolución como concentrada o diluida de su relación con lo cerca "ue est de estar saturada. egn
el
modelo
corpuscular
la
disolución se produce al interponerse las partículas del disol+ente entre las de soluto.
FORMAS DE E%RESAR LA CONCENTRACIÓN Las disoluciones pueden presentar proporciones mu* di)erentes entre sus componentes. La proporción entre las cantidades de soluto * de disol+ente de una disolución< de)ine una característica de la misma denominada JconcentraciónK. C-&*+(-0> &) /( -(*0( & )/,* &;0)*&*& & -(( ,0( & &) ?/,'& & ,( 0)/,-0>.W Aa* muchas )ormas di)erentes de e&presar la concentración de una disolución< pero solo consideraremos tres> Física y Química 4º ESO
32
G+(')/0*+> es el nmero de gramos de soluto por litro de disolución. !(c$(%aci)(( g / )= m = g%am!s &$ s!'u! K i%!s &$ &is!'uci)( T(* + -0&* & '()( !s el nmero de gramos de soluto contenido en cada 100 g de disolución. L $( masa = g%am!s &$ s!'u! · 100 g%am!s &$ &is!'uci)( g%am!s &$ &is!'uci)( = g%am!s &$ s!'u! + g%am!s &$ &is!'M$($ Molaridad> !s el nmero de moles de soluto contenido en un litro de disolución. e representa por M. *!'a%i&a& * =
(º &$ m!'$s 'i%!s &$ &is!'uci)(
E$ERCICIOS
R&-+(+ 1 i%! ( )=1000 m
8ara cambiar de mililitros HmLI a litros ha* "ue di+idir por 1000 1 i%!( )=1000 cm3
8ara cambiar de centímetros cbicos (cm3 ) a litrosHLI ha* "ue di+idir por 1000 E$ERCICIO RESUELTO
e ha preparado una disolución< disol+iendo 200 g de sul)ato cprico ( uSO 4 ) < a?adiendo agua hasta completar un +olumen de ' litros. $alcular su molaridad. Masa molar del sul)ato cprico 15-
̄
Esa ca(i&a& &$ s!'u! $sá c!($(i&a $( 3 'i%!s &$ &is!'uci)(/ E( c!(s$cu$(cia, $' (#m$%! &$ m!'$s c!($(i&!s $( u( 'i%! &$ 'a misma $s *!'a%i&a& = 1,253 = 0,418 * 3
Física y Química 4º ESO
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!n muchas ocasiones el soluto es un lí"uido por lo "ue se necesita conocer cual es el +olumen "ue se necesitará para la preparación. E$ERCICIO RESUELTO e desea preparar 2 litros de una disolución de alcohol etílico en agua de concentración 0<25 M Yu +olumen de alcohol etílico deberemos tomarE g A *asa m!'a% = 46 g :a!s &$(si&a& a'c!!' $í'ic!=0,7+ m!' cm3
a%a 'a p%$pa%aci)( s$ ($c$sia%á u( (#m$%! &$ m!'$s igua' a (= * ·K =0,25·2=0,5 m!'$s uya masa $s m =( · * =0,5·46= 23 g%am!s ̄
m 23 = 2+,1 cm3 &$ a'c!!' Qu$ s$ c!%%$sp!(&$( c!( u( M!'um$( &$ K s!'u!= = & 0,7+
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E$ERCICIOS. 1/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( &is!'Mi$(&! 30 g%am!s &$ sa' $( 1 'i%! &$ agua/ a9uá' $s $' s!'u!; 9uá' $s $' &is!'M$($; c 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a $( g; 2/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( &is!'Mi$(&! 20 g%am!s &$ sa' $( m$&i! 'i%! &$ agua/ 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a $( g; 3/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( &is!'Mi$(&! 10 g%am!s &$ sa' $( 250 m &$ agua/ 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a $( g; 4/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( &is!'Mi$(&! 30 g%am!s &$ sa' $( 150 m &$ agua/ 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a $( g; 5/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( &is!'Mi$(&! 35 g%am!s &$ s!sa $( agua asa !$($% u( M!'um$( &$ &is!'uci)( &$ $( 125 cm3 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a $( g; 6/-9ua(!s g%am!s &$ sa' s$%á( ($c$sa%i!s pa%a p%$pa%a% m$&i! 'i%! &$ u(a &is!'uci)( &$ c!(c$(%aci)( 20 g; 7/-9ua(!s g%am!s &$ sa' s$%á( ($c$sa%i!s pa%a p%$pa%a% 200 m &$ u(a &is!'uci)( &$ c!(c$(%aci)( 50 g; 8/-S$ i$($( 200 cm3 &$ u(a &is!'uci)( &$ agua &$ ma% si$(&! su c!(c$(%aci)( $( sa' &$ 2 g si s$ $Map!%a s$ !&a $' agua 9ua(!s g%am!s &$ sa' u$&a%ía(; +/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( m$c'a(&! 30 g%am!s &$ sa' y 200 g%am!s &$ agua/ a9uá' $s $' s!'u!; 9uá' $s $' &is!'M$($; c 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a L $( masa; 10/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( m$c'a(&! 25 g%am!s &$ sa' y 450 g%am!s &$ agua/ 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a L $( masa; 11/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( m$c'a(&! 300 g%am!s &$ a'c!!' y 750 g%am!s &$ agua/ 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a L $( masa; 12/-S$ &isp!($ &$ u(a &is!'uci)( &$ a#ca% $( agua &$ u(a c!(c$(%aci)( &$' 5 L $( masa &$ a#ca% 9uH ca(i&a& &$ a#ca% a%á $( 400 g%am!s &$ &is!'uci)(; 13/-S$ &isp!($ &$ u(a &is!'uci)( &$ sa' $( agua &$ u(a c!(c$(%aci)( &$' 2 L $( masa &$ sa' 9uH ca(i&a& &$ sa' a%á $( 500 g%am!s &$ &is!'uci)(; 14/-S$ &isp!($ &$ u(a &is!'uci)( &$ s!sa $( agua &$ u(a c!(c$(%aci)( &$' 1 L $( masa &$ s!sa 9uH ca(i&a& &$ sa' a%á $( 250 g%am!s &$ &is!'uci)( Física y Química 4º ESO
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15/-S$ &isp!($ &$ u(a &is!'uci)( &$ sa' $( agua &$ u(a c!(c$(%aci)( &$' 6 L $( masa &$ sa' 9uH ca(i&a& &$ sa' a%á $( 2000 g%am!s &$ &is!'uci)( 16/-S$ a p%$pa%a&! u(a &is!'uci)(, &is!'Mi$(&! 100 g &$ c'!%u%! s)&ic! y aa&i$(&! agua asa c!mp'$a% u( M!'um$( &$ 2 'i%!s/ a'cu'a% su m!'a%i&a&/ *asa m!'a% &$' c'!%u%! s)&ic!58,5 g m!' 17/-9uá(!s g%am!s &$ m$a(!' s$ ($c$sia( pa%a p%$pa%a% 3 'i%!s &$ u(a &is!'uci)( 0,25 *; *asa m!'a% &$' m$a(!'31 gm!' 18/-S$ i$($ u(a &is!'uci)( &$ 20 g &$ $a(!' 2 5 O $( 250 m'/ 9uá' $s su m!'a%i&a&; *asa m!'a% &$' $a(!'46 gm!'/ 1+/-9)m! p%$pa%a%ías 500 cm3 &$ u(a &is!'uci)( 0,5 * &$ "aO; a masa m!'a% &$ "aO $s 40 gm!' 20/-E' Mi(ag%$ $s u(a &is!'uci)( acu!sa &i'ui&a &$ u(a g%a( ca(i&a& &$ susa(cias, si$(&! $' s!'u! u$ s$ $(cu$(%a $( may!% p%!p!%ci)( $' áci&! acHic!/ @' a(a'ia% u( Mi(ag%$ c!m$%cia' s$ $(c!(%) u$ $(ía u(a c!(c$(%aci)( m!'a% &$ 0,6 * 9uá(!s g%am!s &$ áci&! acHic! a%á( $( 200 m &$ $s$ Mi(ag%$; *asa m!'a% &$' áci&! acHic!62 gm!'/ 21/-S$ &isu$'M$( 7 g &$ saca%!sa $( 200 m &$ agua/ O$($% 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a $( g' y m!'a%i&a&/ *asa m!'a% &$ 'a saca%!sa 270
g m!'
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T&'( 4. R&(--0&) 8,'0-(). FENÓMENOS FÍSICOS Y FENÓMENOS QUÍMICOS. i miramos a nuestro alrededor< +eremos "ue todo se trans)orma constantemente< cambios de posición< de )orma de temperatura< e incluso en la propia naturalea de las sustancias. i se buscase clasi)icar estas trans)ormaciones< se harían dos grandes grupos> Las trans)ormaciones en las cuales no cambia la naturalea "uímica de los cuerposG es decir< no aparecen sustancias nue+as< "ue denominaran trans)ormaciones )ísicas. Las trans)ormaciones en las "ue cambia la naturalea de las sustancias< "ue se denominan trans)ormaciones "uímicas. $omo e#emplo de trans)ormación "uímica< podríamos citar el proceso por el cual troo de hierro a la intemperie durante cierto tiempo< se recubre de herrumbrG "ue es una sustancia con distintas propiedades de las del hierro< otros e#emplos de )enómenos "uímicos son la combustión del butano< la )abricación de #abón< la o&idación de un metal< las )unciones de nutrición de los seres +i+os< los procesos "ue tienen lugar en los alimentos al cocinarlos< la constitución de las rocas * los minerales< etc. $omo e#emplo de )enómenos )ísicos citaremos< la caída de un cuerpo por la atracción gra+itatoria de la ierra< el cambio de estado de una sustancia por +ariación de su temperatura< la re)le&ión de la lu en super)icies especularesG la dilatación de un cuerpo por e)ecto del calor< el paso de la corriente elctrica por un conductor< etc.< no suponen cambios de las sustancias "ue inter+ienen en estos procesos. $ual"uier cambio o trans)ormación de sustancias en otras di)erentes se denomina )enómeno "uímico.
LAS REACCIONES QUÍMICAS. !n las reacciones "uímicas la materia se trans)orma< *a "ue las sustancias "ue ha* al comenar el proceso no son las mismas "ue al )inaliar ste. 8or e#emplo se produce un )enómeno "uímico cuando al bicarbonato de sodio se le a?aden unas gotas de +inagre< se produce un gas< "ue se mani)iesta por las burbu#as de la e)er+escencia.< si se identi)ican las sustancias obtenidas< se comprueba "ue el gas es dió&ido de carbono * tambin se obtiene cloruro de sodio. 9tro e#emplo se da< cuando ponemos en contacto un trocito de sodio * agua en un +aso de Física y Química 4º ESO
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precipitados se produce una reacción espontánea * +iolenta en la "ue se )orman hidró&ido de sodio e hidrógeno. Las propiedades de ambas sustancias son mu* di)erentes a las "ue tienen el sodio * el agua< se ha producido< por tanto< una reacción "uímica. !n las trans"ormaciones #uímicas, tam$i%n llamadas reacciones #uímicas, aparecen sustancias nue&as, la materia se trans"orma' ECUACIONES QUÍMICAS. !n toda trans)ormación "uímica desaparecen sustancias * aparecen nue+as sustancia. Las sustancias iniciales se denominan +&(-*0?) * a las sustancias )inales +,-*). 8ara describir una reacción "uímica se utilia una simbología "uímica "ue consiste en escribir las sustancias reacti+o< a continuación una )lecha * detrás las sustancias producto. Susa(cias %$aciM! Susa(cia p%!&uc! Las reacciones "uímicas se representan mediante ecuaciones "uímicas. !n el primer miembro
de la ecuación se escriben las )órmulas de los reacti+os< * en el segundo las de los productos. Los dos miembros se separan por una )lecha . 8or e#emplo< la reacción del ácido clorhídrico ' con el hidró&ido de sodio "aO se escribe así> Bci&! c'!%í&%ic! i&%).i&! &$s!&i! '!%u%! &$ s!&i! agua ' "aO "a' 2 O
LEY DE CONSERACIÓN DE LA MASA. !n una reacción "uímica< la masa de los reacti+os es igual a la masa de los productos. !s decir< la masa del sistema HreacciónI permanece constante. !sta le* )ue enunciada por La+oisier "ue< despus de numerosas e&periencias< llegó a la siguiente conclusión> !n cual"uier sistema "uímicamente cerrado las masas )inales se conser+an iguales a las iniciales< cuales"uiera "ue ha*an sido los cambios internos. masa &$ %$aciM!s=masa &$ p%!&uc!s 6sí< por e#emplo< cuando reaccionan g de au)re con 7 g de hierro se obtienen 11 g de sul)uro de hierroH;;I. 8odría ocurrir "ue en la reacción "uímica uno de los productos )uera un gas< en cu*o caso< para "ue la masa se conser+ara< habría "ue realiar dicha reacción en un recipiente cerradoG un e#emplo de este tipo de situación es aO3 aO O2 i la reacción tiene lugar en un recipiente abierto< la descomposición de 100 g de carbonato de calcio se produce 5/ g de producto )inal< puesto "ue uno de los productos de la reacción< el $92< ha escapado por ser gaseoso en las condiciones de la reacción Física y Química 4º ESO
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LAS REACCIONES QUÍMICAS Y LA TEORÍA ATÓMICA Dado "ue los átomos son inmutables en las reacciones "uímicas la cantidad de átomos de cada clase de elemento "uímico "ue inter+iene no cambia< ha* los mismos antes * despus de la reacción "uímica. !n una reacción "uímica lo "ue cambia es como se encuentran unidos los átomos rompindose enlaces * )ormándose otros nue+os. La teoría atómica de la materia interpreta "ue> ()na reacci*n #uímica es una reorani+aci*n de los átomos #ue "orman las sustancias reaccionantes reacti&os- para o$tener otras nue&as, de propiedades di"erentes, llamadas productos de reacci*n, sin #ue apare+can ni desapare+can nue&os átomos, e.iste la misma cantidad de cada clase antes / despu%s de la reacci*n $uando reacciona el cloro ' 2 con el hidrógeno 2 < reacti+os< se )orma cloruro de hidrógeno ' < producto. La ecuación "uímica del proceso es 2 ' 2 2 '
8ara poner de mani)iesto la conser+ación del nmero de átomos de cada elemento aparece en las ecuaciones "uímicas un nmero delante de una de las )órmulas "uímicas< estos nmero se denominan coe)icientes este"uiomtricos * se colocan por"ue la cantidad total de átomos de cada clase no +aría en una reacción "uímica. La bs"ueda de los coe)icientes este"uiomtricos
se
conoce
como
a#uste
de
ecuaciones "uímicas. 4na )orma de representación de reacciones es el modelo de bolas< en el cada átomo se representa por una es)era. E$ERCICIO RESUELTO. 6#usta la reacción del sodio con el agua para dar hidrógeno e hidró&ido de sodio> "a 2O "aO 2
6un"ue ninguna de las sustancias "ue inter+ienen es de )ormulación mu* complicada< comenaremos por el "aO por"ue contiene más elementos Hsodio< o&ígeno e hidrógenoI.
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;gualamos el nmero de hidrógenos en ambos miembros de la reacción colocando el coe)iciente 2 al 2 O * al 2 al "aO < con lo "ue se tienen átomos de hidrógeno a cada lado. "a 2 2 O 2"aO 2
$omo los átomos de o&ígeno *a están a#ustados H2 átomos en cada miembroI< sólo es necesario a#ustar los de sodio< lo "ue se soluciona colocando el coe)iciente 2 al Na. 2"a 2 2 O 2"aO 2
La ecuación está a#ustada< sus coe)icientes son enteros * los menores posibles< pues no son di+isibles.
CÁLCULOS A %ARTIR DE LAS ECUACIONES ECUACIONES QUÍMICAS. $ada +e "ue se realia una reacción con ob#eto de preparar un compuesto "uímico debemos )ormulamos preguntas como> "u cantidad de cada reacti+o debe pesarse * de#ar "ue reaccione para producir la cantidad deseada de productoE i sólo se dispone de unos pocos gramos de reacti+o< "u cantidad del otro reacti+o será necesariaE Yu cantidad de producto podrá obtenerse a partir de una cantidad dada de los materiales de partidaE 8ermanecerá inalterada alguna cantidad de los reaccionantesE $omo *a hemos indicado< las ecuaciones "uímicas representan un lengua#e mu* preciso * +ersátil. De ellas se puede obtener importante in)ormación cualitati+a *< lo "ue es más importante< in)ormación cuantitati+a. La presencia de trió&ido de au)re en el aire como polucionante se debe a la reacción del dió&ido de au)re con el o&ígeno atmos)rico. 2 SO 2 + O 2 → 2 SO 3
La ecuación "uímica a#ustada anterior nos proporciona distintas in)ormaciones C(( 2 molculas de 92 2 moles de 92
R&(--0( - 1 molcula de 92 1 mol de 92
%(+( +'(+ 2 molculas de 9 ' 2 moles de9'
12, g de 92
'2 g de 92
1/0 g de 9'
Las relaciones de una ecuación "uímica pueden e&presarse como relaciones de molculas< de moles o de masas. !l conocimiento de las relaciones "ue se deri+an de la in)ormación contenida en la ecuación
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"uímica permitirá utiliando las reglas de proporcionalidad responder a las preguntas "ue se realiaban al principio Bre+emente diremos "ue para resol+er los problemas de este"uiometría se precisan cuatro etapas> 1 !scri$ir la ecuaci*n #uímica iualada' 2 rans"erir en moles la in"ormaci*n suministrada' 3 asar la in"ormaci*n de moles a ramos' 4'!sta$lecer las relaciones entre las sustancias' E$ERCICIO RESUELTO. Yu masa de o&ígeno se re"uiere para "ue reaccionen completamente 2 gramos de metano< $AE ecordando la ecuación igualada> O 2 4 2O 2 1 m!' 2 m!'$s 1 m!' 16 g 64 g 44 g
2 2O 2m!'$s 36 g
!sto nos indica "ue 1/ g de metano reaccionan con / g de o&ígeno< por lo "ue se puede establecer la siguiente proporción de reacción> 16 g &$ 4 −−−−−−−64 g &$ O 2 24 g &$ 4 −−−−−−−− . g &$ O ¿ despe#ando se obtiene . = 24⋅64 =+6 g &$ O 2 16
CLASES DE REACCIONES. Las reacciones "uímicas se pueden clasi)icar en distintos tipos< a continuación +eremos tres de ellos< aun"ue ha* otros distintos> REACCIONES DE SÍNTESIS. i en una cápsula de porcelana se coloca un poco de au)re en pol+o< de color amarillo< * algunas limaduras )inas de hierro< cu*a masa sea casi el doble de la del au)re. e meclan bien las dos sustancias. e coloca la cápsula sobre la llama del mechero de gas * se calienta sua+emente. 8ronto aparece una incandescencia ro#a "ue se e&tiende a toda la mecla. e puede apreciar "ue< aun"ue no se contine calentando< la reacción sigue por sí sola. Física y Química 4º ESO
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!l producto obtenido tiene color grisáceo *< al acercarle un imán< sólo e&perimenta una dbil atracción magntica. !s el sul)uro de hierro H;;I. La ecuación correspondiente al proceso es F$ S F$S
!n esta reacción dos elementos se han unido para )ormar un compuesto> este tipo de reacción de combinación recibe el nombre de reacción de síntesis. 9tra )orma de reacción de síntesis es la "ue tiene lugar entre molculas sencillas de compuestos "ue se unen para )ormar una molcula más comple#a. 6sí sucede< por e#emplo< en la siguiente reacción> SO 3 O 2 2 SO4
5eacciones de síntesis son a#uellas en #ue las mol%culas de dos elementos o compuestos se unen para "ormar la mol%cula de otro compuesto' REACCIONES DE DESCOM%OSICIÓN. !sta clase de reacciones es< en cierto modo< el caso contrario de las reacciones de síntesis. $omo e#emplo se puede tomar la descomposición del clorato de potasio I'O 3 . !n un tubo de ensa*o se coloca un poco de clorato de potasio pul+eriado. !sta sustancia es un producto cristalino de color blanco. ambin se a?ade una pe"ue?a cantidad de otra sustancia< el dió&ido de manganeso< Mn92< cu*a nica )inalidad es la de )a+orecer la descomposición del clorato. 6l calentar con la llama del mechero de gas< se +a descomponiendo el clorato. i acercamos a la boca del tubo un palito de madera con un punto de ignición< se obser+a cómo se a+i+a la llama< debido a "ue en dicha descomposición se produce o&ígeno. La ecuación "ue describe esta reacción es la siguiente> 2 I'O 3 2 I' 3 O 2
5eacciones de descomposici*n consisten en #ue una sustancia se descompone en otras más sencillas'
ENERGÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS. ENERGÍA QUÍMICA. Aabitualmente se "uema madera< petróleo< gas o carbón para obtener calor. !ste calor se emplea en producir el +apor de agua necesario para mo+er las paletas de una turbina< "ue< a su +e< mo+erá el electroimán de un alternador< generándose corriente elctrica. ambin se puede obtener corriente elctrica< aun"ue en menor escala< a partir de una pila o de una batería. !n uno u otro caso< la energía almacenada en ciertas sustancias Hlos combustibles o los compuestos "ue contiene la pilaI se ha trans)ormado en otra )orma de energía.
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e llama energía "uímica a la energía almacenada en los enlaces de las sustancias. 6 di)erencia de otras )ormas de energía< la energía "uímica se almacena * se transporta con )acilidad. REACCIONES EOTHRMICAS Y ENDOTHRMICAS odas las reacciones "uímicas transcurren con un intercambio de energía con el medio ambiente. La energía "ue entra en #uego en una reacción "uímica es generalmente energía calorí)ica< aun"ue en muchos casos +iene acompa?ada de energía luminosa o energía elctrica. 4na combustión< por e#emplo< genera lu * calor. 4na reacción e&otrmica es una reacción en la "ue se desprende energía. Las combustiones * un gran nmero de reacciones de )ormación de compuestos a partir de sus elementos Hpor e#emplo< agua a partir de hidrógeno * o&ígenoI son reacciones e&otrmicas. !s importante se?alar "ue muchas reacciones e&otrmicas necesitan un pe"ue?o aporte inicial de energía para producirse Huna chispa elctrica o una pe"ue?a llama< por e#emploI. 6hora bien< una +e iniciada la reacción< la cantidad de energía "ue se desprende es mu* superior "ue la energía "ue ad"uiere a la "ue se suministró al principio de la reacción. 4na reacción endotrmica es una reacción "ue necesita un aporte continuo de energía para producirse. La descomposición< mediante el calor< del carbonato de calcio en ó&ido de calcio * dió&ido de carbono aO3 aO O 2 es una reacción endotrmica. REACCIONES DE COM#USTIÓN !stamos habituados a utiliar sustancias< como la madera< el carbón o el butano< $ A10< para apro+echar el calor producido cuando las "uemamos. !ste proceso< llamado combustión< constitu*e un tipo mu* importante de reacción "uímica. Peamos cómo tiene lugar. $uando encendemos una +ela< la cera< "ue es una mecla de hidrocarburos< es decir< de sustancias )ormadas por carbono e hidrógeno< se )unde< se +aporia * se "uema produciendo lu * calor. La cera es un combustible. 6hora bien< para la combustión se necesita algo más "ue el combustible< se necesita o&ígeno. La combustión no comiena espontáneamente< sino "ue debe iniciarse mediante aplicación de una llama o de una chispa elctrica< despus< contina por sí misma. !l primer combustible empleado por el ser humano )ue la madera. 8osteriormente< con el paso de los siglos< se ha obtenido energía utiliando otros combustibles< como el carbón. Más tarde empeó a utiliar el gas naturalG el propano 3 8 G el butano 4 10 Gla gasolinaG etc.< "ue son hidrocarburos. La combustión del carbono produce dió&ido de carbono< mientras "ue la combustión de los Física y Química 4º ESO
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compuestos hidrocarbonados< como el alcohol< la cera< el butano< etc... produce además +apor de agua La combustión es la reacción de una sustancia llamada combustible con o&ígeno< al "ue llamamos comburente. !n ella se desprende gran cantidad de energía en )orma de lu * calor 4na ecuación genrica de la combustión de un compuesto orgánico sería> !mpu$s! P%gá(ic! 2 O2 2 O $($%gía
!s una reacción de gran importancia< tanto en la naturalea como para la acti+idad humana< *a "ue es la )orma en "ue los seres +i+os * nuestras má"uinas obtienen de )orma mu* ma*oritaria su energía. eacciones de combustión particularmente importantes son> L( -':,)*0> &/ -(+:. u ecuación "uímica es la siguiente> + O2 → O2 !l producto es dió&ido de carbono * se desprende energía lumínica * calorí)ica. $uando esta reacción tiene lugar con poco o&ígeno< la reacción es entonces> 2 + O 2 → 2 O )ormándose monó&ido de carbono< un gas +enenoso * mu* peligroso. La combustión de hidrocarburos Hcompuestos cu*a base es carbono e hidrógenoI. !n esta reacción se )orma $92 * +apor de agua. !s la reacción "ue tiene lugar en la combustión de los combustibles )ósiles Hcarbón * petróleoI< )uente básica de obtención de energía en nuestra sociedad. 4n e#emplo de esta reacción es la combustión del metano> 4 + 2 O2 → O 2 + 2 2 O
L( -':,)*0> & /( 6a com$usti*n es la reacci*n de una sustancia llamada com$usti$le con el Física y Química 4º ESO
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o.íeno, al #ue llamamos com$urente' !n ella se desprende ran cantidad de enería en "orma de lu+ / calor )na ecuaci*n #uímica en%rica de la com$usti*n de un compuesto oránico sería7 8ompuesto oránico
o.íeno
di*.ido de car$ono
aua
enería
REACCIONES ÁCIDO #ASE Nuestro sentido del gusto distingue muchos sabores. abemos "ue el +inagre para ensaladas< el umo de naran#a * más el de pomelo * el de limón< tienen un sabor ácidoG así mismo hemos sentido alguna +e acide de estómago< cu*o remedio lo encontramos con la sal de )rutas o con el bicarbonato< "ue son sustancias "ue de alguna manera reducen o eliminan esa acide. !ste conocimiento data de tiempos antiguos< *a los ácidos eran )amiliares a los romanos. De hecho< la palabra ácido pro+iene del latín ácidus "ue signi)ica VagrioW. Los antiácidos "ue denominaremos bases< aun"ue se utiliaron tambin desde tiempos mu* antiguos H)abricación de #abón< etc.I< solamente comenaron a ser clasi)icadas como un grupo por los árabes como un tipo di)erente de sustancias< a las "ue dieron el nombre de álcalis< palabra "ue signi)ica Zcenia de plantasZ< *a "ue las cenias de ciertas plantas tienen propiedades de las bases. 6demás del sabor e&isten otras propiedades "ue caracterian a los ácidos * las bases. Ácidos
ienen sabor ácido o agrio Hparecido al +inagreI. us disoluciones conducen la corriente elctrica. !nro#ecen la tintura aul de tornasol. eaccionan con las bases HneutraliaciónI. La ma*oría son corrosi+os para la piel. $on el mármol producen e)er+escencia. Disuel+en muchas sustancias.
Bases
ienen sabor amargo o cáustico Ha le#íaI. No reaccionan con los metales. us disoluciones conducen la corriente elctrica. 6ulean el papel de tornasol. eaccionan con los ácidos HneutraliaciónI. La ma*oría son corrosi+os para la piel. eaccionan con las grasas dando #abones. 8recipitan muchas sustancias "ue son solubles en los ácidos.
4na magnitud "ue será )undamental en el estudio del comportamiento de los ácidos * las bases es la conocida como @ 8,& &*&+'0( &/ <+( & (-0& & :()0-0(. S, ?(/+ ?(+( &*+& " 14B -/()00-)& /() ),)*(-0() & Á-0() su pA es menor "ue 7 HpA[7I #)0-() su pA es ma*or "ue 7 HpA \ 7I. !n la siguiente tabla se muestran los pA de di)erentes sustancias Física y Química 4º ESO
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M,&)*+( Rug! gás%ic! &$' $s)mag! Rug! &$ 'im)( Ki(ag%$ i$' uma(a $c$ @gua pu%a Sa(g%$ ág%imas :$$%g$($ &!mHsic! a as$ &$ am!(íac! :is!'uci)( &$ s!sa
@ 1-2 2-4 3 5,5 6,5 7 7,3-7,4 7,4 11,5 13-14
INDICADORES ÁCIDO#ASE $iertas sustancias< llamadas indicadores< adoptan un color distinto segn sea el pA del medio. $ada indicador cambia de color en un margen distinto de pA< por lo "ue son mu* tiles para a+eriguar el grado de acide o basicidad de una disolución. T(:/( 00-(+&) -0:()& N':+& &/ 00-(+ 6naran#ado de metilo 6ul de bromotimol ornasol (enol)taleína
C/+ -0
C/+ :)0-
ro#o
6marillo
amarillo
6ul
ro#o
6ul
;ncoloro
osa
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E$ERCICIOS 1/-Ja!(a y c!mp'$a i(&ica(&! $' ip! &$ %a(s( 322 g%am!s &$ >(SO 4 4 g%am!s &$ 2 4//- TTT g%am!s &$ ' 2 2 g%am!s &$ 2 73 g%am!s &$ ' 4/c/- TTT g%am!s &$ 2 32 g%am!s &$ O2 36 g%am!s &$ O2 4/&/- 126 g%am!s &$ I'O 3 TTTT g%am!s &$ I' 48 g%am!s &$ O 2 5/-J$a'ia% $' c!%%$sp!(&i$($ &iag%ama &$ !'as %$p%$s$(aiM!s &$ 'a sigui$($s $cuaci!($s uímicas =i(a $( ca&a %$acci)( ca&a ip! &$ á!m! c!( u( c!'!% &isi(! y $( $( cu$(a '!s c!$
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5//- O 2 O2 5/c/- 2 O2 2 O 5/&/- 4 2 O2 O 2 2 2 O 5/$/- 3 8 5 O2 3 O 2 4 2 O 6/-D(&ica cua'$s &$ 'as sigui$($s %$acci!($s uímicas $sá( ausa&as 6/a/- 2 2 + O2 → 2 2 O 6//- SO 2 + O2 → SO3 6/c/- 2S + O2 → SO 2 6/&/- 2"O2 → " 2 O 4 7/-@usa% 'as sigui$($s $cuaci!($s uímicas 7/a/- + O2 → O 7//- " 2 + 2 → " 3 7/c/- ' 2 + O 2 → ' 2 O 3 7/&/- F$ + O 2 → F$O 7/$/- " 2 + O 2 → "O2 7/
+/a/-
+ __ moles de O 2 → __ moles de H 2 O
TT g%am!s &$ 2 + TT g%am!s &$ O2 → 36 g%am!s &$ 2 O
10 g%am!s &$ 2 + TT g%am!s &$ O2 → TT g%am!s &$ 2 O Física y Química 4º ESO
4+
2 C
+ O2 → 2 C O
2 m!'$s &$ + TT m!'$s &$ O2 → TT m!'$s &$ O 10/-/ TT g%am!s &$ + 32 g%am!s &$ O 2 → TT g%am!s &$ O
5 g%am!s &$ + TT g%am!s &$ O2 → TT g%am!s &$ O " 2 + 3 2 → 2 " 3
1 m!' &$ " 2 + TT m!'$s &$ 2 → TT m!'$s &$ " 3 11/-c/28 g%am!s &$ " 2 + TT g%am!s &$ 2 → TT g%am!s &$ " 3
100 g%am!s &$ " 2 + TT g%am!s &$ 2 → TT g%am!s &$ " 3 12/-E' ica%!(a! &$ s!&i! %$acci!(a c!( $' áci&! c'!%í&%ic! p%!&uci$(&! &i).i&! &$ ca%!(!, agua y c'!%u%! &$ s!&i! m$&ia($ 'a %$acci)( "aO 3 + ' → "a' + O 2 12/a/- 9a $cuaci)( uímica $sa ausa&a; Si (! '! $sá, a#sa'a/ 12//-9uá(!s g%am!s &$ ' s$ ($c$sia%á( pa%a %$acci!(a% c!( 2 g%am!s &$ ica%!(a! &$ s!&i!; 12/c/-9uá(!s g%am!s &$ c'!%u%! &$ s!&i! s$ !$(&%á(; 13/-E' mag($si! %$acci!(a c!( $' !.íg$(! c!( u(a ''ama muy 'umi(!sa y s$ !i$($ ).i&! &$ mag($si!/ a %$acci)( &$' p%!c$s! $s Mg + O 2 → MgO
9uá(!s g%am!s &$ ).i&! &$ mag($si! s$ !i$($( a pa%i% &$ 10 g%am!s &$ mag($si!; 14/-E' ca%!(a! &$ ca'ci! (aO 3 ) %$acci!(a c!( $' áci&! c'!%í&%ic! ( ' ) , !$(iH(&!s$ c'!%u%! &$ ca'ci! (a' 2 ) , &i).i&! &$ ca%!(! (O 2 ) y agua ( 2 O ) / a $cuaci)( &$' p%!c$s! $s CaCO 3 + HCl → CaCl 2 + C O 2 + H 2 O
15/-a'cu'a% '!s g%am!s &$ c'!%u%! &$ ca'ci! ( a' 2) u$ s$ !$(&%á( a pa%i% &$ 200 g%am!s &$ ca%!(a! &$ ca'ci! (aO3 ) /
Física y Química 4º ESO
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16/-@' ca'$(a% $' %i!.!c'!%a! &$ p!asi! ( I'O 3 ) , s$ &$sc!mp!($ $( c'!%u%! &$ p!asi! ( I' ) y !.íg$(! m!'$cu'a% ( O 2) , KClO3 KCl O 2
17/-9uá(!s g%a(!s &$ I' s$ !i$($( a' &$sc!mp!($% 50 g &$ ( I'O 3 ) ; 18/-ua(&! s$ u$ma ca%)(, si (! $.is$ au(&a(cia &$ !.ig$(!, i$($ 'uga% 'a %$acci)( C + O 2 → CO 2 9ua(!s
g%am!s &$ &i).i&! &$ ca%!(! s$ !i$($( $( 'a c!musi)( &$ 240 g
&$ ca%!(!; 1+/-9uá(!s g%am!s &$ !.ig$(! $ i&%)g$(! s$ p%!&uc$( a' &$sc!mp!($% 300 g%am!s &$ agua; a %$acci)( &$' p%!c$s! $s 2 O → 2 + 2 20/-a'cu'a $' (#m$%! &$ g%am!s &$ ca%!(a! &$ ca'ci! ( aO 3 ) u$ s$ ($c$sia( pa%a !$($% 84 g &$ ).i&! &$ ca'ci!/ 9uá(!s m!'$s &$ ( O 2 ) s$ p%!&uc$(; a %$acci)( &$ &$sc!mp!sici)( H%mica &$' ca%!(a! &$ ca'ci! $s aO3 → aO + O 2 21/-@' ca'$(a% $' %i!.!c'!%a! &$ p!asi! s$ &$sc!mp!($ $( c'!%u%! &$ p!asi! y !.ig$(! m!'$cu'a% 9uá(!s g%am!s &$ I' s$ !i$($( a' &$sc!mp!($% 80 g &$ ( I'O 3 ) ; KClO3 → KCl + O 2
22/-a g'uc!sa &$ 'a uMa p%!&uc$ p!% <$%m$(aci)( a'c!!' $í'ic! s$g#( 'a %$acci)( 6 12 O 6 → 2 2 5 O + 2O 2 E' a'c!!' m$c'a&! c!( $' %$s! &$' m!s! c!(siuy$ $' Mi(!/ 9uá(!s g%am!s &$ a'c!!' s$ !$(&%á( a pa%i% &$ 500 g &$ g'uc!sa; 23/-E' su'
23/a/-@usa 'a $cuaci)( uímica 23//-9uá(!s g%am!s &$ &i).i&! &$ au<%$ s$ !i$($( a pa%i% &$ u( ki'!g%ams &$ su'(SO 4 m$&ia($ '$ p%!c$s!
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H 2 SO 4 Zn ZnSO 4 H 2
24/a/-a'cu'a '!s g%am!s &$ ci(c ($c$sa%i!s pa%a p%!&uci% 100 g%am!s &$ su'
25/a/-a'cu'a '!s g%am!s &$ O2 p%!&uci&!s a' %$acci!(a% 100 g%am!s .$ g'uc!sa/ 25//-a'cu'a '!s g%am!s &$ O2 ($c$sa%i!s pa%a u$ %$acci!($( 100 g%am!s &$ g'uc!sa/ 26/-Esc%i$ 'as $cuaci!($s &$ c!musi)( c!%%$sp!(&i$($s a 'as sigui$($ susa(cias a %!pa(! ( 3 8 ) A ?ua(! ( 4 10 ) c @'c!!' $í'ic! 2 6 O & $.a(!/ 6 14 27/-!mp'$a y ausa 'as sigui$($s %$acci!($s &$ c!musi)( 27/a/- 4 + TTTTTT →
O 2 +
2 O
27//- 2 6 + O 2 →
TTTTTT +
2 O
27/c/- 6 6 + O 2 →
O2 + TTTTTTT
27/&/- 5 10 + O 2 →
TTTTTT + TTTTTT
28/-E' m$a(! 4 y $' ua(! 4 10 s$ ui'ia( c!m! c!musi'$s/ !mpa%a '!s g%am!s &$ &i).i&! &$ ca%!(! u$ s$ p%!&uc$( cua(&! s$ u$ma u( ki'!g%am!s &$ ca&a c!musi'$;
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Física y Química 4º ESO
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T&'( 5. Q,'0-( +<0-(. EL ORIGEN DE LA QUÍMICA ORGÁNICA. La utiliación de sustancias pro+enientes de los seres +i+os ha sido practica habitual de las sociedades humanas desde los tiempos más remotos como alimento< combustible< uso mdico o para la )abricación de utensilios * herramientas. ustancias como el alcohol< el ácido actico o el índigo son conocidas * utiliadas pos el hombre desde tiempos le#ano. !l rápido aumento en los conocimientos "ue se produce desde el enacimiento tambin tu+o su re)le#o en el descubrimiento * preparación de nue+as sustancias< así en el siglo :P;;; se obtu+ieron sustancias como el alcohol metílico< la sacarosa o la urea. !ste aumento del nmero se sustancias conocidas lle+ó a intentar su clasi)icación. (ue Berelius "uien propuso la clasi)icación de las sustancias en dos grandes grupos 0+<0-() * +<0-()< la primera se obtenían a partir de la materia inanimada mientras "ue las segundas pro+enían de los seres +i+os. (ue por in)luencia de algunas creencias religiosas por lo "ue a las segundas se les dotó de una propiedad especial< la posesión de )uera +ital< una esencia propia e&clusi+amente de los seres +isos * "ue implicaba "ue estas sustancias solo las podían )abricar en e&clusi+a los seres +i+os< nunca a partir de las sustancias inorgánicas< )ue la teoría conocida como ?0*(/0)'. La+oisier estudió muchas sustancia orgánicas encontrando "ue todas estaban compuestas basicamente por carbono e hidrógeno pero eso no basto para modi)icar las teoría +italista< "ue comenó a tambalearse cuando en 1,2, el "uímico alemán ]óhler< a los 2, a?os< sintetió la urea a partir del calentamiento de un compuesto inorgánico. !n una carta dirigida a su pro)esor Berelius escribía al respecto> J... 8uedo producir urea sin necesidad de un ri?ón< sin un animal Hsea una persona o un perroI...K 6 pesar de ello no se abandonó inmediatamente la teoría +italista "ue persistió de una )orma u otra durante unos +einte a?os más< mostrando así< una +e más< "ue no basta con "ue los resultados de un e&perimento contradigan una teoría para "ue sta sea inmediatamente abandonada. in embargo< durante los a?os posteriores a la síntesis de la urea< se produ#eron nue+as síntesis de compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas. Oolbe Halumno de ]óhlerI obtu+o ácido actico a partir de los elementos constitu*entes Hcarbono< hidrógeno * o&ígenoIG el "uímico )rancs Berthelot sintetió otras sustancias> alcohol metílico< alcohol etílico< metano< benceno< acetileno< etc. 6demás< la e&istencia de una J)uera +italK como e&plicación de un tipo de cambio no resultaba compatible con el principio de conser+ación de la energía "ue< por a"uella poca< acababa de desarrollarse. odo ello contribu*ó a "ue Física y Química 4º ESO
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)inalmente se abandonara la teoría +italista< a la +e "ue comenaba el desarrollo de la Yuímica orgánica. uperada< pues< la barrera "ue separaba la materia inorgánica de la orgánica< *a no tenía sentido seguir distinguiendo entre Yuímica inorgánica * Yuímica orgánica. De hecho< ho* en día se pre)iere hablar de JYuímica del carbonoK< admitindose el trmino de Yuímica orgánica< aun"ue sin su sentido original. 8or "u raón< entonces< se sigue estudiando de )orma particular una "uímica "ue gira en torno a un solo elementoE 6 continuación trataremos de dar respuesta a esta cuestión.
EL ÁTOMO DE CAR#ONO. !l carácter tan especial de la Yuímica del carbono pro+iene )undamentalmente de su enorme capacidad para )ormar compuestos. La presencia de un nmero tan grande de compuestos de carbono en la naturalea hace posible "ue e&ista una +ariación mu* gradual de propiedades al pasar de unas sustancias a otras< lo "ue puede hacer "ue las cantidades de energía implicadas en dichos cambios no sean mu* grandes. No es< pues< de e&tra?ar "ue la +ida est asociada al carbono. La característica )undamental del átomo de carbono "ue lo hace especial< es su e&traordinaria capacidad para combinarse con compuestos de carbono estables con largas cadenas< de )orma "ue algunas molculas pueden contener 100 o más carbonos enlaados !l átomo de carbono )orma cuatro enlaces co+alentes< bien con otros átomos de carbono o con otros elementos "uímicos. u gran capacidad de combinación se basa en la gran estabilidad del enlace − < "ue resulta ser el segundo enlace más )uerte entre dos átomos "ue comparten un par de electrones Hsólo superado por el enlace − I. Los enlaces "ue )orma el carbono son enlaces co+alentes por lo tanto dirigidos< por lo "ue las molculas de compuestos de carbono presentan estructuras espaciales. RE%RESENTACIÓN DE LOS COM%UESTOS DE CAR#ONO Las )órmulas moleculares no son tiles en "uímica orgánica debido a "ue puede haber di)erentes compuestos con la misma )órmula molecular. on más tiles las llamadas semidesarrolladas * las desarrolladas< *a "ue indican la )orma en "ue se enlaan los di)erentes átomos de la molcula. F>+',/( '/&-,/(+> indica el nmero de átomos * de "u tipo )orman parte del compuesto . F>+',/( )&'0&)(++//((> muestra los enlaces entre átomos de carbono. F>+',/( &)(++//(( &)*+,-*,+(/ cuando e&presa la )ama de unirse los átomos.
Física y Química 4º ESO
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8ara la molcula de butano estas son los tres tipos de )órmulas
@IDROCAR#UROS. Los átomos de carbono pueden enlaarse entre sí de )orma co+alente< para )ormar largas cadenas< las más sencillas son las
"ue
corresponden a los
hidrocarburos< )ormados por
compuestos carbono e
hidrógeno. Los hidrocarburos pueden se de cadena lineal o de
%+&0) ,*0/0() & /() -(&() -(+:(() )&< ), '&+ & *') %REFI$O
N DE CAR#ONOS
Met
$adena de 1 átomo de carbono
!tna
$adena con 2 átomos de carbono
8rop
$adena con ' átomos de carbono
But
$adena con átomos de carbono
8ent
$adena con 5 átomos de carbono
Ae&
$adena con / átomos de carbono
Aept
$adena con 7 átomos de carbono
9ct
$adena con , átomos de carbono
Non
$adena con - átomos de carbono
Dec
$adena con 10 átomos de carbono
cadena rami)icada segn como sea
la
disposición
de
los
di)erentes átomos de carbono. !l más simple es el metano "ue presenta cuatro
enlaces co+alentes simples entre el carbono * el hidrógeno − < con una estructura tridimensional tal "ue los cuatro átomos de hidrógeno se encuentren en los +rtices de un tetraedro< "ue es la "ue logra el má&imo ale#amiento posible entre los pares de electrones. i aumentamos el nmero de carbonos de la cadena tenemos hidrocarburos como etano> 3− 3 propano> 3− 2 − 3 nbutano> 3− 2 − 2− 3
ienen nombre comn< cuando aumenta más el nmero de carbonos en la cadena el se nombran con un pre)i#o indicati+o del nmero de átomos de carbono< al "ue se le a?ade la terminación ano. Los primeros se muestran en el cuadro.odos ellos responden a la )órmula general ( (+ 2 < donde n toma +alores enteros. Física y Química 4º ESO
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Aidrocarburos De cadena rami)icada. Las cadenas de átomos de carbono pueden )ormar tambin estructuras rami)icadas. La nomenclatura de estos compuestos sigue una serie de reglas > e toma como cadena principal a"uella "ue contenga el grupo )uncional de ma*or prioridad * "ue presente ma*or nmero de átomos de carbono. !l orden de pre)erencia +iene dado por a'u$(! =a'ui(! U=%a&ica' La cadena principal se numera asignando a cada átomo de carbono un nmero localiador< siguiendo las reglas> e numeran los átomos de carbono de la cadena principal de tal )orma "ue el grupo )uncional principal tenga el nmero localiador menor. i se trata de un alcano las rami)icaciones serán las "ue tengan los nmeros localiadores menores. i en la cadena principal hubiera dos o más radicales iguales< se emplearán los pre)i#os di< tri< tetra...< * en el nombre se indican las posiciones. !ntre nmero * nmero se intercala una coma< * entre nmero * letra< un guión. 8ara nombrar los radicales se cambia la terminación ( por 0/. !#emplo se muestran a la derecha $uando ha* +arios sustitu*entes distintos se nombran ordenándolos al)abeticamente 6lgunos e#emplos son>
ALQUENOS Y ALQUINOS. Los átomos de carbono además de )ormar enlaces sencillos carbonocarbono presentan la posibilidad de )ormar enlaces dobles * triples< compartiendo dos o tres pares de electrones< en Física y Química 4º ESO
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el caso de los hidrocarburos esto da lugar a compuestos denominados al"uenos * al"uinos @0+-(+:,+) (/0(*0-) A/-()
A/8,&)
A/8,0)
E/(-& )&-0//
E/(-& :/&
E/(-& *+0/&
J− − − JV
J− = − J V
J− ≡ −J V
Los al"uenos son hidrocarburos no saturados "ue presentan al menos un doble enlace entre sus carbonos. ambin son denominados hidrocarburos etilnicos. esponden a la )órmula general ( 2( . e nombran igual "ue los alcanos< pero sustitu*endo el su)i#o ano por eno. $$(! > 2 2
p%!p$(! > 3 − 2 2 3eneralmente< es necesario indicar la posición del doble enlace< lo cual se hace con un nmero localiador Hel menor posibleI< "ue se sita delante del nombre del al"ueno * se separa de ste con un guión. !#emplos> 2 − p$($(! > 3− − 2− 3 1 − p$($(! > 3 − 2− 2− 2
$uando ha* más de un doble enlace< se utilian los pre)i#os di< tri< indicándose la posición "ue ocupan los dobles enlaces> etc. !#emplo> 1,3 − ua&i$(! > 2 − 2
Los al"uinos son hidrocarburos no saturados con triple enlace entre dos de sus átomos de carbonos. ambin se les denomina hidrocarburos acetilnicos. u )ormula general es ( 2(−2 . e nombran igual "ue los alcanos< pero ahora con la terminación ino. $i(! ! ac$i'$(!A ≡
p%!pi(! A ≡ − 3 1 −ui(!A ≡ − 2− 3 Física y Química 4º ESO
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8uede suceder "ue en una misma cadena e&istan dobles * triples enlaces. !n este caso para nombrar el compuesto se siguen las siguientes reglas> La numeración de los carbonos se realia de )orma "ue el doble enlace tenga el nmero localiador más ba#o. 6l nombrarlo nombrarlo se toma la cadena cadena principal como correspondient correspondientee al doble enlace por lo "ue se emplea el su)i#o en * a continuación se indica la posición del triple * el su)i#o ino. 1 −u$(− 3 −i(! > 2 = − ≡
2 − p$($( −4−i(!A 3− = − ≡ @IDROCAR#UROS CÍCLICOS. Los hidrocarburos cíclicos son hidrocarburos de cadena cerrada< *a sea saturada o insaturada. @0+-(+:, @0+-(+:,+) +) (/0*0-) (/0*0-) se nombran anteponiendo el pre)i#o ciclo al nombre del hidrocarburo de cadena abierta e"ui+alente< con las terminaciones ano para los hidrocarburos saturados< * eno o ino para los insaturados. !#emplos> @0+-(+:,+) (+'*0-) en (+'*0-) en un principio< el cali)icati+o de aromático "ue se dio a estos compuestos era debido a su aroma agradable< pero posteriormente se empl empleó eó para para desi design gnar ar a a"ue a"uellllos os comp compue uest stos os "ue "ue pres presen enta taba ban n una una gran gran estabilidad. !l benceno es el hidrocarburo aromático más sencillo * el origen de esta )amilia de sustancias orgánicas. u estructura )ue determinada por OeFule "ue propuso< en 1,/5< "ue la estructura del benceno era un ci clo he&agonal con un átomo de carbono en cada +rtice< todos ellos e"ui+alentes * a igual distancia.
Los hidrocarburos aromáticos son deri+ados del benceno< bien por sustitución de algn átomo de hidrógeno del ncleo bencnico por radicales al"uílicos< o bien por condensación de ncleos bencnicos. !l carbono puede )ormar enlaces co+alentes no sólo con el hidrógeno< sino tambin con l mismo * con otros elementos )ormando cadenas abiertas o cerradas "ue dan lugar a un gran nmero de compuestos distintos< "ue luego trataremos. 6demás de las posibilidades rese?adas de combinación del carbono consigo mismo * con el hidrógeno< tambin se produce la combinación con otros átomos o grupos de átomos< con lo "ue dichas posibilidades se amplían toda+ía más.
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8or e#emplo< es posible sustituir ' hidrógenos del metano por átomos de cloro * obtener el compuesto llamado triclorometano Ho cloro)ormoI usado hace a?os como anestsico.
COM%UESTOS ORGÁNICOS CON GRU%OS FUNCIONALES. 6demas de carbono e hidrógeno en muchos compuestos e&isten otra clase de átomos como o&ígeno < nitrógeno o compuestos halogenados. !stos al )ormar estructuras determinadas )orman los llamados grupos )uncionales. iendo determinantes en proporcionar una reacti+idad especí)ica a los compuestos. 6lgunos de los más simples los +eremos a continuación. DERIADOS @ALOGENADOS. Los deri deri++ados ados halog alogen enaados dos son los los "ue "ue se obt obtiene ienen n por por sustitución de uno o +arios hidrógenos por átomos de elementos halógenos< )lor< cloro< bromo o iodo. e nombran indicando el localiador del átomo de carbono en el "ue se encuentra el átomo de halogeno * a continuación el nombre del átomo. '!% '!%!$ !$a a(!A (!A 2 ' − 3 2−%!m!ua(! > 3 − ?% − 2− 3
1,2 −&ic'!% &ic'!%!p%! !p%!pa(!A pa(!A 2 ' −' − 3 ALCO@OLES. Los alcoholes resultan de sustituir uno o +arios hidrógenos de un hidrocarburo por grupo 0+;0 O@K. N'&-/(*,+( para N'&-/(*,+( para nombrarlos si se encuentra el grupo hidro&i en un carbono terminal se sustitu*e la terminación del hidrocarburo por a terminación ^ol' ^ol' $a(!' > 3− 2 O
p%!pa(!' > p%!pa(!' > 3− 2 − 2 O i el grupo hidro&i se encuentra en un carbono no terminal se indica el numero del carbono en "ue se encuentra siempre numerando los carbonos de )orma "ue el nmero "ue el carnono "ue posee el hidro&ilo tenga en menor nmero posible 3 − 2 − 2 −O − 3 A 2− p$(a(!'
Física y Química 4º ESO
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HTERES. 8oseen el grupo 9 . e nombran a?adiendo a la palabra ter los dos radicales "ue lo )orman en e n orden al)abtico. 3− 2− O − 3 A $i'm$i'H$%
3 −O − 3 A &im$i'H$% ALDE@ÍDOS. on compuestos "ue poseen el grupo carbonilo $9 en un e&tremo de la cadena.. e nombran como el hidrocarburo del mismo nmero de átomos de carbono< pero con la terminación -a'/ O A m$a(a' (
3 − O O $a( $a(a' a' ( ac$a'&$í&!) CETONAS. on compuestos "ue poseen el grupo carbonilo − = O en un carbono unido a otros dos átomos de carbono. e nombran como el hidrocarburo del mismo nmero de átomos de carbono con la terminación ona * se?alando la posición del grupo gr upo carbonilo. p%!pa(!(a (ac$!(a ) A 3 − O − 3
ua(!(aA 3 −O − 2 − 3 2− p$(a(!(a A 3 −O − 2 − 2 − 3
ÁCIDOS CAR#OÍLICOS. 6l de#ar una botella de +ino abierta< al cabo de unos días< se a+inagra. !l alcohol del +ino HetanolI se ha o&idado por la acción del o&ígen o&ígeno o en presen presencia cia de ciertos ciertos microo microorga rganis nismos mos.. La sustan sustancia cia obte obteni nida da es el +ina +inagr gree Háci Hácido do act actic ico o o etan etanoi oico coI. I. ambi ambin n contienen ácidos orgánicos la mante"uilla rancia< el "ueso )uerte * la leche agriada. Los ácidos orgánicos son deri+ados de los hidrocarburos hidr ocarburos con el grupo carbo&ilo en un e&tremo. e les nombra con el nombre del hidrocarburo del "ue proceden acabado en oico. i ha* dos grupos carbo&ilos< uno en cada e&tremo< se denomina dioico. No obstante se utilian más los nombres +ulgares "ue los sistemáticos. Física y Química 4º ESO
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ácido metanoico o )órmico> OO ácido etanoico o actico> 3 − OO ácido etanodioico u o&álico> OO − OO ácido propanoico o propiónico> 3− 2 −OO HSTERES. La reacción de un alcohol con un ácido orgánico da lugar a los steres. e nombran como sales de ácidos< es decir< sustitu*endo la terminación oico del ácido por la ato de la sal< seguida de la preposición de * el nombre del radical. acetato de etilo
CH 3− COO − CH 2− CH 3
metanoato de etilo
H −COO − CH 2−CH 3
AMINAS. e consideran deri+ados del amoniaco. i se sustitu*e un hidrogeno del amoniaco por iun radical< la amina es primaria < si dos< es secundaria < si tres< terciaria e nombran a?adiendo el su)i#o amina al nombre del hidrocarburo. Metilamina> 3 − " 2 H amina primariaI etilmetilamina> 3 −" − 2 − 3 H amina secundaria I dimetiletilamina> ( 3 )2−" − 3 H amina terciariaI AMIDAS. Las amidas presentan el grupo −O −" 2 se pueden considerar como deri+ados de los ácidos carbo&ílicos por sustitución del grupo −O por
el grupo −" 2 . e nombran sustitu*endo la terminación
oico por amida Metanoamida> O" 2 !tanoamida> 3− O" 2
Física y Química 4º ESO
62
E$ERCICIOS 1/-"!m%a% a 3− 32− 2− 2− 3 − 2− 3 A 3− 2− 32− 2 − 3 A c 3− 3 2− 3 2− 2− 2 − 3 A & 3 − 3 2 − 3 A $ 3− ≡ − 3 − 3 A < ≡ 2− 2 2 − 3 2− 3 A g 3 − 2− 2− 2 − 3 − 2 − 3
2/-F!%mu'a% a 2,2-&im$i'$.a(!A 2-m$i'$.a(!A c 3-$i'-3,4,5-%im$i'$pa(!A & 2m$i'-p$(a(!A & 2-m$i'$pa(!A
$ 2-m$i'ua(!A < 3-m$i'p$(a(!A g 2,3-
&im$i'p$(a(! 3/-"!m%a% a 3− 2− 2 − = 2 A 2= 2− 3 A c 3− = − 2− 3 A & 3− = − = 2 A$ 3− 2− 2 − 2− = 2 /A
≡ − 2 − 2− 3 A
3− ≡ − 3 A
<
3− 2− 2− ≡ A
i 3− 2− 2 − 2 − 2− = − 3 A
g
3− ≡ − ≡ A k 3 − ≡ − 2− 2 − 2− = 2 ' 3− 2− ≡ − 2− = − 3 A
m 3− = − ≡ A (A ≡ − 2− ¿ 2 ! 3− ≡ − ≡ 4/-F!%mu'a% a 2-u$(!A 1-$.$(!A c 2,4-$.a&i$(!/A & 3-!c$(!A $ 1,4-$pa&i$(!A < 2-p$(i(!A g 1-$pi(!A 3-$.i(!A i 2-!ci(!A 1,6-!ca&ii(!A k 2-$.$(-4-i(!A m 1$p$(-5-i(!A ( 3-$.$(-1-i(!A ! 4-!c$(-7-i(!A p 1-!c$(-6-i(! 5/-"!m%a% a 3− 2− O− 2− 3 A 3− 2− OO− 3 A c 3−O −O − 3 A & 3 − 2−O A
$ 3− 2−OO A
< 3− O A
3− OO− 2− 3 A i 2 O − 2− 2 O A
g 3− 2− 2− OO A
3− 2 −O − 2− 3 A k
" 3 3 A i
3− 2− 2− O A 3 − O− 3 A k 3 − 2− 2 O
6/-F!%mu'a% a 2-$.a(!'A 3,5-$pa(!&i!'A c $(a(a'A & @ci&! p$(a(!ic!A $ Ei'p%!pi'$$%A < 3-$.a(!(aA g 1,2-p%!pa(!&i!'A ?ua(!(aA i @ci&! $.a(!ic!A Ea(!a! &$ p%!pi'!A k *$a(!a! &$ $i'!
Física y Química 4º ESO
63
T&'( 6. E)*,0 &/ '?0'0&*. LA ELOCIDAD MEDIA. e de)ine la +elocidad media como el cociente entre el espacio recorrido por un cuerpo * el inter+alo de tiempo in+ertido en recorrerlo. M$'!ci&a& m$&ia= $spaci! %$c!%%i&! i($%Ma'! &$ i$mp!
:
6bre+iadamente lo e&presaremos M m=
$
Las unidades de +elocidad se construirán a partir de unidades de longitud * de tiempo< pudiendo e&istir di)erentes posibilidades por e#emplo una posible unidad sería abre+iadamente
m s
m$%! s$gu(&!
o
.
m 4na +elocidad de 1 será la "ue lle+a un cuerpo "ue recorra un metro cada segundo. s 9tra posible unidad sería N(a M$'!ci&a& &$ 1
km h
ki')m$%! km o abre+iadamente . !%a
s$%á 'a u$ ''$Ma u( cu$%p! u$ %$c!%%a u( ki')m$%! ca&a !%a/
CAM#IO DE UNIDADES DE ELOCIDAD i nos planteamos la siguiente cuestión> 4n mó+il lle+a una +elocidad de 23
m km * otro una de +0 $uál irá más rápidoE s
8ara obtener la respuesta deberemos en primer lugar e&presar ambas +elocidades en la mismas unidades * posteriormente comparar las cantidades. !n esta caso ha* dos posibilidades o bien e&presar ambas +elocidades en
m km o bien en . i e&presamos ambos en s
m +0 km en m deberemos e&presar s s
!mplearemos la siguiente estrategia< cambiaremos cada unidad presente por su e"ui+alencia en las otras unidades< así sustituimos 1 km= 1000 m G 1 = 3600 s < * luego realiaremos las correspondientes operaciones algebraicas
Física y Química 4º ESO
64
+0 km =+0 · 1000 m = 25 m 3600 s s
m km 9bser+amos "ue +0 es una +elocidad ma*or "ue 23 s m ratemos ahora el problema in+erso al anterior conocida la +elocidad e&presada en < obtener s km . !l proceso se podría realiar de igual )orma "ue el caso anterior< sustituir cada unidad por su e"ui+alencia por e#emplo 1 m=0,001 km G 1 s =0,0002 7 < esto nos obligaría a su +alor en
traba#ar con cantidades decimales * además del engorro introduciría errores e+itables en los cálculos. 8or esto usaremos el siguiente procedimiento "ue consiste en introducir las e"ui+alencias en )orma de cantidad )raccionaria< este caso serían 1 m=
1 1 km * 1 s= 1000 3600
para la operatoria recuerda las operaciones con )racciones. Peamos un e#emplo> m
km
E.p%$sa% 'a M$'!ci&a& &$ 30 s $(
1 1000 m 3600 =108 km = 30 · i recordamos las e"ui+alencias obtenemos 30 s = 30 1000 1 3600
CALCULANDO ELOCIDADES MEDIAS. 6 continuación procederemos a calcular +elocidades medias aplicando directamente la de)inición de +elocidad. E$ERCICIO RESUELTO. N( m)Mi' %$c!%%$ 30 km $( 30 mi(u!s 9ua' s$%á su M$'!ci&a& m$&ia; !&presaremos la +elocidad media en
km para ello e&presaremos el espacio recorrido en
Fm * el inter+alo de tiempo en horas. $= 30km M = $ = 30 km = 60 km =0,5 m 0,5
EL MOIMIENTO UNIFORME. !l mo+imiento más simple "ue puede tener un cuerpo es el mo+imiento uni)orme. La Física y Química 4º ESO
65
característica de este mo+imiento es "ue su +elocidad es constante< lo cual implica "ue e&ista una relación entre el espacio recorrido por el cuerpo $ * el inter+alo de tiempo transcurrido * la +elocidad del mó+il M < dada por e & t
de ella se pueden obtener otras e&presiones tiles utiliando los conocimientos del Rlgebra como &
e t e o t &
!stas e&presiones nos permiten obtener los +alores de una de las magnitudes conocidas las otras dos * teniendo cuidado en "ue las undades sean compatibles entre sí 1 GRÁFICA ES%ACIOTIEM%O. La realiación de grá)icas "ue muestren como dependen dos magnitudes entre sí es una herramienta )undamental en el estudio de los )enómenos )ísicos. !n el caso del mo+imiento uni)orme la grá)ica de espacio recorrido )rente al tiempo sale una línea recta. Las grá)icas espaciotiempo nos permiten determinar si un mo+imiento es uni)orme obser+ando si el resultado es una línea recta o no. !n la practica mu* pocas +eces la grá)ica sale una recta e&acta< pero en mucha ocasiones la grá)ica sale una recta apro&imada lo cual permite tomar el mo+miento como apro&imadamente uni)orme.
LA ACELERACIÓN MEDIA. 4na magnitud de mucho inters en el estudio del mo+imiento es la aceleración "ue mide la +ariación de la +elocidad de un mó+il en un determinado inter+alo de tiempo. 6$!L!6$;QN M!D;6. > e de)ine la aceleración media como el cociente entre la +ariación de +elocidad * el inter+alo de tiempo en "ue se produce M < −M 0 M < ≡M$'!ci&a&
1 ecuerda "ue las "ue corresponden al ; son todas compatibles entre sí. Física y Química 4º ESO
66
!n el ; su unidad es el<
m m 2 un cuerpo lle+a una aceleración de 1 2 s s
cuando su +elocidad
m aumenta en 1 cada segundo. s E$ERCICIO RESUELTO. m
4n cuerpo lle+a una +elocidad de 8 s en un determinado instante< 5 segundos despus su m
+elocidad es 18 s $uál ha sido su aceleración media M < = 18 m s M i = 8 m s = 5 s
a m= 18 m/ s − 8 m / s = 2 m2 5s s
MOIMIENTO UNIFORMEMENTE ACELERADO. Pamos a continuación a estudiar un tipo de mo+imiento en el cual su +elocidad +aría de )orma regular< así si se toman inter+alos de tiempo )i#os su +elocidad aumente en la misma cantidad siempre. i nos )i#amos en la de)inición de aceleración decir lo anterior es decir los mismo "ue su aceleración sea constante< además para simpli)icar aun más supondremos "ue el mó+il parte del reposo. e cumplirá pues este tipo de mo+imiento la relación entre la +elocidad * el tiempo & a t
"ue nos indica "ue la +elocidad es proporcional al tiempo a doble de tiempo transcurrido doble de +elocidad< a triple de tiempo triple de +elocidad. 9btener la relación entre el tiempo "ue transcurre * el espacio "ue recorre un mó+il "ue lle+a esta clase de mo+imiento es lo "ue abordaremos a continuación. La relación "ue se utiliaba en el caso del mo+imiento uni)orme $=M · ahora no es +álida< simplemente "ue +elocidad debemos tomar para colocar en la )órmulaE la inicial< la )inal.. !n el mo+imiento uni)ormemente acelerado< el espacio recorrido es igual a e
1 2 a t 2
!n un mo+imiento uni)ormemente acelerado se cumplen las relaciones dadas por la e&presiones>
Física y Química 4º ESO
67
& " a t e 1 a t 2 2
EL MOIMIENTO UNIFORMEMENTE RETARDADO. rataremos ahora el caso de un mo+imiento "ue en +e de aumentar regularmente su +elocidad la disminu*e regularmente es el conocido como mo+imiento uni)ormemente retardado. 4n mo+imiento "ue lle+a deceleración Haceleración negati+aI constante. Las e&presiones matemáticas de este mo+imiento son & " & 0 a·t e & 0 · t 1 ·a·t 2 2
Física y Química 4º ESO
68
E$ERCICIOS 1/-as M$'!ci&a&$s &$ &iM$%s!s a(ima'$s $( su &$sp'aami$(! s!( 'as i(&ica&as $( $' cua&%! km
m
$.p%$sa&as $( camia%'as a s
2/-amia% 'as sigui$($s m$&i&as &$ M$'!ci&a& $.p%$sa&as $(
m m km m m a / a 10 s A 15 s A c 40 s s
m A & 25 s 3/-as (aM$s $spacia'$s u$ Ma( acia !%!s p'a($as a( &$ a'ca(a%, a' sa'i% &$ 'a Wi$%%a u(a m km M$'!ci&a& &$ 11200 s / E.p%$sa% &ica M$'!ci&a& $( / m km 4/-:!s m)Mi'$s @ y ? ''$Ma( M$'!ci&a&$s %$sp$ciMas 20 s y 70 9uá' &$ '!s &!s $(&%á u(a
M$'!ci&a& may!%;/ m km 5/-:!s m)Mi'$s ''$Ma( M$'!ci&a&$s %$sp$ciMas &$ 15 s y 75 / Rusi
M$'!ci&a&/ 6/-N( m)Mi' %$c!%%$ 5 km y 300 m$%!s $( u( mi(u!, !$($% su M$'!ci&a& m$&ia y $.p%$sa%'a km
m
$' y $( s
7/-a'cu'a% 'as M$'!ci&a&$s m$&ias u$ ''$Ma $' m)Mi' $( ca&a u(! &$ '!s %am!s y 'a M$'!ci&a& m$&ia !a' 9Es p!si'$ ca'cu'a% 'a M$'!ci&a&
m$&ia
!a' &i%$cam$($ a pa%i%
&$
'as
M$'!ci&a&$s m$&ias &$ ca&a %am!; 8/-E' gu$pa%&!, $' más M$'! &$ '!s a(ima'$s $%%$s%$s, a'ca(a u(a M$'!ci&a& &$ 32
m / s
Física y Química 4º ESO
6+
a'cu'a% 'a &isa(cia u$ $s$ mamí<$%! $s capa &$ %$c!%%$% $( u(a ca%%$%a &$ 15 s, sup!(i$(&! u$ su m!Mimi$(! $s u(i
km 9cuá(! i$mp! a%&a%á $( %$c!%%$% 300
m;/ 12/-9QuH $spaci! %$c!%%$%á $( 5 mi(u!s u( au!m)Mi' u$ ma%ca a u(a M$'!ci&a& c!(sa($ km &$ 80 13/-N( m!!cic'isa %$c!%%$ 6200 m $( 3 mi(u!s 9ca'cu'a% su M$'!ci&a& m$&ia y $' $spaci! u$ %$c!%%$%ía $( 25 mi(u!s si
am!s pa%$( &$' mism! pu(! a' 'a M$ 9QuH &isa(cia '!s s$pa%a%á a' ca! &$ u( mi(u! 15/-N( m)Mi', p%!Mis! &$ m!Mimi$(! u(i
0
/
10
12
1/
2
'0
50
E)(-0 +&-++0 'K
0
2
70
,
112
15/
210
'50
1+/-N( m)Mi' s$ &$sp'aa &$
Física y Química 4º ESO
70
I*&+?(/ & *0&' )K
0
5
10
1
20
25
'0
50
E)(-0 +&-++0 'K
0
10
20
'0
0
50
/0
70
20/-J$a'ia 'a g%á
km h
21/-Ni'ia(&! '!s mism!s $$s c!!%&$(a&!s %$a'ia 'as g%á
m m y !%! c!( M$'!ci&a& 5 y c!($sa a 'a sigui$($ cu$si)( 9)m! s s
i(<'uy$ 'a M$'!ci&a& $( 'a g%á
m $( $' i(sa($ 0 s$gu(&!s/ s
m / a'cu'a% su ac$'$%aci)( m$&ia/ s
23/-a'cu'a% 'a ac$'$%aci)( m$&ia &$ u( m)Mi' u$ pa%i$(&! &$' %$p!s! a'ca(a u(a M$'!ci&a& km &$ +0 $( 10 s$gu(&!s/ 24/-N( c!$$ u$ pa%$ &$' %$p!s! a'ca(a a' ca! &$ u( mi(u! u(a M$'!ci&a& &$ 2000
km
9ua(! Ma'&%á su ac$'$%aci)( m$&ia; km 25/-N( cu$%p! ''$Ma u(a M$'!ci&a& &$ 20 , a' ca! &$ m$&i! mi(u! su M$'!ci&a& km aum$(a asa 85 9uá' a si&! su ac$'$%aci)( m$&ia; 26/-U ( c!c$ ''$Ma u( m!Mimi$(! u(i
m s2
a'cu'a% '!s $spaci! u$ %$c!%%$ a a '!s 2 s$gu(&!sA a '!s 30 s$gu(&!sA @' ca! &$ u( mi(u!/ m 27/-N( cu$%p!, pa%i$(&! &$' %$p!s!, s$ mu$M$ c!( u(a ac$'$%aci)( c!(sa($ &$ 8 2 / s 9uá(! i$mp! a%&a%á $( %$c!%%$% 100 m; 9uá' s$%á su M$'!ci&a& $( $' i(sa($ $( u$ a'ca(c$ &ica &isa(cia; 28/-J$a'ia% 'a g%á
Física y Química 4º ESO
71
m ''$Ma u(a ac$'$%aci)( c!(sa($ &$ 4 2 / s 2+/-J$a'ia% 'a g%á
m s2
30/-9QuH &i<$%$(cia $(cu$(%as $(%$ 'as g%á
km , pa%i$(&!
&$' %$p!s! y ac$'$%a(&! u(i
m 9QuH $spaci! %$c!%%$%á $( 2 mi(u!s; s2
9uH M$'!ci&a& ''$Ma%á $( $s$ i(sa($; 33/-N( m)Mi' u$ pa%$ &$' %$p!s! s$ mu$M$ c!( m!Mimi$(! %$ci'í($! u(i
km a '!s 10 s$gu(&!s &$ c!m$(a% su
ac$'$%a&! si a'ca(a u(a M$'!ci&a& &$ 50
m!Mimi$(!/ a 9QuH $spaci! a%á %$c!%%i&! a '!s 10 s$gu(&!s; ? 9 ua(! a%&a%á $( %$c!%%$% 2 km; 34/-N( m)Mi' u$ pa%$ &$' %$p!s! ''$Ma u( m!Mimi$(! u(i
km 9QuH $spaci! a%á %$c!%%i&! &u%a($ &ic! i($%Ma'! &$
i$mp!; 35/-N( m)Mi' u$ pa%$ &$' %$p!s! s$ mu$M$ c!( m!Mimi$(! %$ci'í($! u(i
m a '!s 15 s$gu(&!s &$ c!m$(a% su m!Mimi$(!/ s
a9QuH $spaci! %$c!%%$%á $( u( mi(u! si c!(i(uas$ c!( 'a misma ac$'$%aci)(; 9 uá(! a%&a%á $( %$c!%%$% 500 m; 36/-N( %$(, pa%i$(&! &$' %$p!s!, a%&a 40 s $( a'ca(a% u(a M$'!ci&a& &$ 10
m , c!( *N@/ s
a'cu'a% su ac$'$%aci)( y $' $spaci! u$ %$c!%%$ $( '!s 40 s/ Un cuerpo sigue un MU siendo su aceleración de 2
m 2 ! Calcular la "elocidad #ue lle"ar$ al ca%o de un minu&o! s
37/-N( %$(, pa%i$(&! &$' %$p!s!, ''$Ma m!Mimi$(! u(i
72
a'ca(a% u(a M$'!ci&a& &$ 10
m / a'cu'a% $' $spaci! u$ %$c!%%$%á $( u( mi(u!/ s
38/-9QuH $spaci! %$c!%%$%á u( cu$%p! $( u( mi(u! si sigu$ u( m!Mimi$(! u(i
m ; s2
3+/-N( c!c$ u$ ''$Ma u( *N@ pa%i$(&! &$' %$p!s! a'ca(a $( 2 s$gu(&!s u(a M$'!ci&a& &$ 50 km 9QuH $spaci! %$c!%%$%á $( 10 s$gu(&!s;
40/-N( cu$%p! u$ ''$Ma u( *N@ %$c!%%$ 100 m $( 4 s$gu(&!s 9QuH M$'!ci&a& ''$Ma%á $( $s$ i(sa($ 41/-N(a icic'$a ci%cu'a a u(a M$'!ci&a& &$ 18
km , <%$(a y s$ &$i$($ $( 1,4 s$gu(&!s
9QuH $spaci! a%á %$c!%%i&! &u%a($ $' p%!c$s! &$ <%$(a&!; 42/-N( m)Mi', u$ %$c!%%$ u(a %$ca, p!s$$ u(a M$'!ci&a& &$ 30 i(sa($ 30 s, su M$'!ci&a& $s &$ 5
m $( $' i(sa($ i(icia'/ E( $' s
m / a'cu'a% su ac$'$%aci)( sup!(i$(&! u$ $s c!(sa($/ s
m 43/-a M$'!ci&a& &$ u( m)Mi' $s &$ 60 / Si <%$(a u(i
&$$($%s$/ c Su M$'!ci&a& a '!s 8 s &$ a$% $mp$a&! a <%$(a%/ 44/-N( m)Mi' ''$Ma u(a M$'!ci&a& &$ 80
m km , <%$(a c!( u(a ac$'$%aci)( &$ −10 2 , 9uá(! s
a%&a%á $( &$$($%s$; 9uH $spaci! %$c!%%$%á a($s &$ &$$($%s$; 45/-!s <%$(!s &$ u( c!c$ pu$&$( p%!p!%ci!(a% u(a ac$'$%aci)( ($gaiMa &$ 20
m / Si $' s2
km c!c$ Ma a 108 y <%$(a/ 9QuH $spaci! %$c!%%$ asa pa%a%s$; m km 46/-N( c!c$ ''$Ma u(a M$'!ci&a& &$ 100 <%$(a %uscam$($ c!( u(a ac$'$%aci)( &$ 20 2 s a 9ua(! i$mp! a%&a%á $( &$$($%s$; 9QuH $spaci! a%á %$c!%%i&!; 47/-J$p%$s$(a% 'as g%á
Física y Química 4º ESO
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p%im$%!s s$gu(&!s &$' m!Mimi$(!,&$ u( m)Mi' u$ ''$Ma u(a M$'!ci&a& i(icia' M 0 = 30
m y s
m sigu$ u( m!Mimi$(! u(i
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Física y Química 4º ESO
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T&'( 7. DINÁMICA LA RELACIÓN ENTRE EL MOIMIENTO Y SUS CAUSAS. Aasta ahora hemos hablado de mo+imiento< sus clases * magnitudes características< pero no hemos tratado las causas de los mo+imientos cual es la causa de "ue se desarrolle un mo +imiento uni)orme o uno uni)ormemente aceleradoE.rataremos ahora de relacionar el mo+imiento con sus causas. !sta relación de determina mediante tres le*es conocidas como le*es de la dinámica o le*es de Ne_ton< son las conocidas como le* de la inercia o primera le* de Ne_ton< le* de proporcionalidad entre )ueras * aceleraciones o segunda le* de Ne_ton * le* de acción * reacción o tercera le* de Ne_ton.
LA LEY DE LA INERCIA !l mo+imiento "ue lle+a un cuerpo depende de las acciones "ue e#eran otros cuerpos sobre l. 8ara comprender como las acciones de otros cuerpos in)lu*en en el estado de mo+imiento de un cuerpo comenaremos respondiendo a la cuestión $ómo será el mo+imiento de un cuerpo sobre el "ue no e&ista ninguna acción e&ternaE Pamos a dar las respuestas "ue dieron a esta cuestión en la 6ntigua 3recia< donde 6ristóteles )ue "uien propuso las respuesta "ue se aceptó como correcta durante casi 2000 a?os< hasta "ue 3alileo 3alilei propuso una nue+a respuesta. Las dos respuestas son por una lado la de 6ristóteles basada en dos ideas> ●
:i un cuerpo se encuentra en estado de reposo / si so$re %l no actúa aluna acci*n el cuerpo seuirá en estado de reposo
●
:i so$re un cuerpo en mo&imiento no actúa ninuna acci*n, al ca$o de un tiempo se aca$ará deteniendo, permaneciendo a partir de ese momento en estado de reposo'
Las ideas de 3alileo eran las siguientes> ●
:i un cuerpo se encuentra en estado de reposo / si so$re %l no actúa aluna acci*n el cuerpo seuirá en estado de reposo
●
:i so$re un cuerpo en mo&imiento no actúa ninuna acci*n el cuerpo con tinuara inde"inidamente con un mo&imiento rectilíneo de rapide+ constante'
!n ambos casos coinciden en "ue le ocurre a un cuerpo en reposo sobre el "ue no se e#erce ninguna acción e&terna. !n cambio di)ieren en los "ue ocurre cuando se encuentran en mo+imiento. La idea de 6ristóteles parece a primera +ista más de acuerdo con nuestra e&periencia cotidiana< pero un análisis más detallado lle+ó a 3alileo a no aceptarla proponiendo otra en su lugar "ue ho* en día es la aceptada * ha sido corroborada en todos los casos. !sta Física y Química 4º ESO
76
idea de tendencia de un cuerpo en mo+imiento a seguir en mo+imiento si no se e#erce una acción sobre l se conoce como inercia.
LEY DE %RO%ORCIONALIDAD ENTRE FUERZAS Y ACELERACIONES 8asemos ahora al caso de "ue e&ista una interacción sobre un cuerpo< la primera di)icultad es cómo medir la acciónE La magnitud "ue se utilia es la "ue se denomina "uer+a< * su medida se tratará posteriormente. $uando sobre un cuerpo acta una )uera neta su e)ecto será el cambio en la +elocidad del cuerpo o si se dice a la in+ersa si un cuerpo +aría su +elocidad es por el e)ecto de una )uera. !l cambio de +elocidad o aceleración del cuerpo dependerá por un lado de la intensidad de la )uera * por otro de una característica del cuerpo< su masa< "ue es una medida de la inercia del cuerpo de la di)icultad "ue presenta a cambiar su estado de mo+imiento. La unidad de masa en el ; es Fg. ;saac Ne_ton enunció esto mediante una le* > 6a aceleraci*n #ue ad#uiere un cuerpo es directamente proporcional a la "uer+a neta #ue se e;erce so$re %l e in&ersamente proporcional a su masa' a
< m
RELACIÓN ENTRE LA FUERZA Y EL MOIMIENTO !l tipo de mo+imiento de un cuerpo está determinado por como sea la )uera "ue acta sobre el cuerpo. !l cuadro muestra un resumen de la relación entre la )uera neta * el tipo de mo+imiento "ue sigue un cuerpo.
ipo de mo&imiento Mo+imiento rectilíneo * uni)orme.
!.presiones matemáticas $= M
No nula pero constante $= 1 a 2 2 en el sentido del Mo+imiento uni)ormemente acelerado M = a
mo+imiento. No nula pero constante en el sentido opuesto Mo+imiento uni)ormemente retardado
M < =M 0 −a
al mo+imiento. Pariable
$= M 0 − 1 a 2 2
Mo+imiento +ariado Hno estudiado en este curso
Física y Química 4º ESO
77
LA TERCERA LEY DE LA DINÁMICA ;saac Ne_ton enunció una tercera le* "ue tal +e presenta más di)icultades ser captada< esta le* trata la imposibilidad de e&istencia de interacciones aisladas< la interacciones siempre apar aparec ecen en a pare paress si un cuer cuerpo po "ue "ue deno denomi mina nare remo moss 6 inte intera racc ccio iona na sobr sobree otro otro "ue "ue denominaremos B< el B e#ercerá una interacción sobre el 6 de la misma intensidad * dirección pero de sentido sentido opuesto. 6sí las interacci interacciones ones entre cuerpos siempre aparecen a pares< de la misma intensidad * dirección pero de sentido opuesto. 8odría pensarse "ue estas interacciones se deben cancelar pero no es así pues actan sobre cuerpos di)erentes. !sta le* )ue enunciada por Ne_ton * se podría enunciar así> :i un cuerpo A e;erce so$re un cuerpo = una "uer+a < A= el cuerpo = e;ercerá so$re el cuerpo A una "uer+a < =A #ue tiene la misma intensidad / direcci*n #ue la primera pero sentido opuesto < A=
< =A
MEDIDA DE FUERZAS 4no de los mtodos más antiguos "ue se conocen para medir )ueras es el uso de resortes o muelle muelles. s. De hecho hecho muchas muchas balan balanas as comerc comercial iales es )uncio )uncionan nan con muelle muelles< s< por lo "ue no necesitan pesas. 6demás es )ácil comprobar "ue para de)ormar un resorte ha* "ue hacer )uera Hresortes de los bolígra)os< aparatos con muelles para hacer musculatura en las manos< etcI. La propiedad "ue hace "ue ciertos materiales elásticos sean tiles para su uso en la medición de las )ueras )ueras es "ue cumplan la llamada llamada le* de AooFe< "ue e&ista e&ista proporci pro porcionali onalidad dad entre las )ueras de)ormadoras * el alargamiento Ho acortamientoI "ue e&perimente e&peri mente el resorte. 4na +e "ue se consigue medir la )ueras es necesario necesario establecer establecer una unidad de )uera )uera en el istema ;nternacional la "ue se denominará Ne_ton< abre+iadamente se representa por N< es apro&imadamente la )uera "ue hacemos para le+antar una masa de 100 gramos.
SUMA DE FUER ZAS ZAS !sta nue+a magnitud +a a tener una característica no+edosa< pertenecerá a una nue+a clase de magnitudes las magnitudes +ectoriales< las cuales para ser determinadas además de conocerse su intensidad intensidad H"ue llamaremos llamaremos '>,/I< '>,/I< es necesario conocer su 0+&--0> * )&*0. )&*0. 4na )orma sencilla de representarlas es mediante un segmento orientado.
Física y Química 4º ESO
78
La )uera por ser magnitudes +ectoriales *a no se sumarán siguiendo la reglas del álgebra *a conocidas conocidas por ustedes< ustedes< en su lugar la suma tendrá un carácter geomtrico. geomtrico. las reglas son las siguientes 1.
e
dibu#an
los
+ectores representati+os de las )ueras. 2. e desplaa una de ellas< sin "ue +aríe su modulo< modulo< su dirección dirección * su sentido< colocándose su origen en el e&tremo de la otra< en este punto puede surgir una duda "u )uera desplaamos * cual de#amos "uietaE la respuesta es "ue es indi)erente pues la suma de )ueras es conmutati+a @ F ? =F ? F @ F
'. !l resultado de la suma es una )uera "ue se obtiene tomando como origen el origen de la primera )uera * e&tremo el e&tremo de la segunda )uera !s posible obtener de )orma sencilla el +alor numrico del módulo de la resultante en tres casos.
Física y Química 4º ESO
7+
E$ERCICIOS 1/-N( !$! &$ masa 400 kg ''$Ma u(a ac$'$%aci)( &$ 2
m 9QuH
$!; 2/-S!%$ u( !$! ac#a u(a
m s2
9cuá' s$%á 'a masa &$' cu$%p!; 3/-S!%$ u( !$! &$ 40 kg &$ masa ac#a u(a
4/-N( cu$%p! &$ 10 kg &$ masa ''$Ma u(a ac$'$%aci)( &$ 0,5 cu$%p!;
5/-S!%$ u( !$! &$ 100 kg &$ masa ac#a u(a
m 6 m a 2 $( 8 s$gu(&!s/ s2 s
7/-S!%$ u( cu$%p! &$ 50 ki'!g%am!s &$ masa s$ $$%c$ u(a
&$i$($ $( 1,5 s$gu(&!s/9ua' $s $' Ma'!% &$ 'a
80
13/-S!%$ u( !$! &$ masa 20 kg ac#a( &!s
1.b.
15/-a%a &$sp'aa% u( c!c$ su m!!% %$a'ia u(a
m!!% $s &$ 5000 " 9uá(! Ma'&%á 'a
=!(s$! $mpi$a p!% ca'cu'a% 'a
s$gu(&!s/ Si 'a
a'ca(a(&! u(a M$'!ci&a& &$ +0 / Si s$ sup!($ u$ 'a ac$'%aci)( a si&! c!s(a($ y 'a
Física y Química 4º ESO
81
21/-a'cu'a% 'a ac$'$%aci)( &$ ca&a u(! &$ cu$%p!s &$ 'a
22/-S$ ui$%$ &$sp'aa% u(a caa m$&ia($ &!s p$%s!(as u$ i%a( p$%p$(&icu'a%m$($ $(%$ si c!(
Física y Química 4º ESO
82
T&'( !. I*&+(--0> <+(?0*(*+0( MOIMIENTO DE CAÍDA LI#RE. 4na de las cuestiones cu*a respuesta )ue )undamental para determinar el camino "ue tomaría la (ísica tras el enacimiento )ue el estudio de la caída libre< el mo+imiento de un cuerpo ba#o el nico e)ecto de la atracción de la ierra. La cuestión *a )ue tratada por distintos pensadores griegos< incluida en el estudio general del mo+imiento de los cuerpos. !l pensamiento griego tu+o su má&ima e&presión teórica con las ideas propuestas por 6ristóteles "ue se mantu+ieron como correctas hasta "ue 3alileo las puso en duda< * mostró la necesidad de su re+isión< proceso "ue culminó con Ne_ton al proponer sus le*es de la Dinámica. 6ristóteles proponía para la caída libre "ue Vlos cuerpos más pesados caerían más rápidamente de )orma "ue si un cuerpo tiene un peso doble "ue otro< tardaría la mitad de tiempo en caer desde una cierta alturaW. !sta idea perduró durante muchos siglos. !n el enacimiento< 3alileo propuso unas ideas "ue di)erían de las de 6ristóteles * para demostrarlas sugirió algo re+olucionario Vla realiación de una e&perienciaW "ue ha pasado a la historia como Vel e&perimento de la orre ;nclinada de 8isaW< "ue consistía simplemente en de#ar caer desde lo alto de ella dos balas de ca?ón con un peso mu* distinto * obser+a cual llegaría primero al suelo. i se hace una e&periencia similar se obser+a "ue los dos cuerpos llegan prácticamente a la +e al suelo. Ao* en día sabemos "ue el mo+imiento de caída libre cumple las siguientes dos le*es> 1. odos los cuerpos< si se desprecia el roamiento< caen con un mo+imiento uni)ormemente acelerado. 2. La aceleración de caída de los cuerpos es igual para todos los cuerpo independientemente de su peso teniendo un +alor la aceleración en la super)icie de la ierra de +,8
m s2
6sí podremos aplicar lo "ue se ha +isto para el mo+imiento uni)ormemente acelerado para este caso. Las ecuaciones "ue se aplican al mo+imiento serán> La distancia +ertical "ue recorre Haltura caídaI será igual a un medio del producto de la aceleración de la gra+edad +,8
m multiplicado por el +alor del tiempo transcurrido s2
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83
ele+ado al cuadrado. = 1 g 2 2 La +elocidad "ue ad"uiere será igual al producto de la aceleración de la gra+edad +,8 m2 multiplicado por el +alor del tiempo transcurrido. s
M =g EL LANZAMIENTO ERTICALB i en +e de caer el cuerpo es lanado +erticalmente con una +elocidad M 0 hacia arriba<
el
mo+imiento
será ahora
un
mo+imiento uni)ormemente retardado con m una aceleración de retardo igual a +,8 2 las s
ecuaciones cinemáticas serán ahora =M 0 − 1 g 2 2 M =M 0 −g
EL %ESO DE LOS CUER%OS. 6l tratar las le*es de Ne_ton introdu#imos el concepto de )uera como una medida de la acción entre los cuerpos. $omo e#ercicio inicial se propone "ue describas tres situaciones en las "ue aparecan )ueras. 4na primera idea es asociar la idea producción de una )uera con la acción de un ser +i+o< * no considerar "ue pueden aparecer )ueras por la acción entre cuerpos no animados. La )uera más representati+a de este caso es la )uera del peso. !l peso es la "uer+a con la cual la ierra atrae a los cuerpos
!l peso es una )uera cu*a dirección es +ertical< siendo su sentido hacia en centro de la ierra * su modulo es igual al producto de la masa del cuerpo multiplicada por la aceleración de la gra+edad p m
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84
DIFERENCIA ENTRE %ESO Y MASA. !s el momento de di)erenciar dos conceptos la masa del peso de un cuerpo< un e#emplo donde aparece la di)erencia es el hipottico caso de un cuerpo "ue se encontrase en la ierra * "ue )uese lle+ado a la Luna< donde la aceleración de la
'()**
+U,
MS
80 kg
80 kg
-)SO
784 N
128 N
m gra+edad +ale g =1,6 2 . s 4n ob#eto de masa ,0 Fg pesaría en la ierra p= 80·+,8 = 784 " < al lle+arlo a la Luna su masa no cambia< pero ahora su peso será p=80·1,6 =128 " .
LA %OSICIÓN DE LA TIERRA EN EL UNIERSO $uando el hombre tu+o consciencia de su propia e&istencia surgió su asombro ante lo "ue obser+aba al mirar hacia arriba. !laboró las primeras e&plicaciones "ue hablaban de la e&istencia del hombre * de los cielos. $ada cultura creó su propia concepción< con sus dioses * mitos< asignando un lugar determinado a la ierra< al ol< la Luna< las estrellas * los planetas< con su propia historia de cómo llegaron a )ormarse * como )uncionan. !stas obser+aciones tu+ieron tambin gran importancia práctica< pues cuando las sociedades humanas se hicieron sedentarias * aumentaron su comple#idad necesitaron de algunas manera ordenar su tiempo. (ueron las obser+aciones del cielo con sus regularidades las "ue le permitieron con)eccionar los calendarios "ue gobernaban los acontecimientos sociales. estimonio de su importancia son monumentos de pocas remotas como tonehenge en ;nglaterra< $hichn ;tá en M&ico< 6ngFor Pat en $ambo*a< los Mohai en apa Nui H;sla de 8ascuaI o 6bu imbel en !gipto. !l rasgo comn de las e&plicaciones acerca de los cielos de estas primeras culturas era la idea de un cielo organiado por la +oluntad de los dioses. La lucha entre el Bien * el Mal era la causa de los acontecimientos< los hombres debían comportarse para "ue el Bien triun)ase< el cielo era un $aos. 8or ello la interpretación de los deseos de los dioses se con+irtió en )uente de poder lo "ue lle+ó a la clase sacerdotal a reser+arse para sí el conocimiento )ruto de las obser+aciones * la e&periencia. $omo resultado la di)usión del conocimiento )ue mu* escasa.
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85
EL MODELO GEOCHNTRICO !n la antigua 3recia surgió un nue+o concepto< el intento de e&plicar el mundo a tra+s del pensamiento racional. La elaboración un sistema de ideas "ue permitiera e&plicar el orden * el mo+imiento de los astros en su totalidad. 6un"ue no acertaron con sus ideas< )ue el primer gran salto "ue entronca directamente con el conocimiento moderno. $onsideraron los cielos como un sistema organiado un C)') con le*es "ue regían su comportamiento< )rente al caos de un mundo regido e&clusi+amente por el capricho de los dioses< aun"ue ha* "ue indicar "ue para los griegos los dioses seguían e&istiendo * de +e en cuando inter+enían directamente. res )ueron las ideas erróneas cu*a sustitución )ue necesaria para "ue se desarrollase la +isión moderna del mundo> ➢!l
8osmos está di&idido en dos
reiones la su$lunar / la celeste, di"erentes en su naturale+a / en las
le/es
#ue
rien
su
comportamiento ' ➢6a
ierra es el centro del 8osmos, el resto de los astros se mue&en alrededor de
ella' ➢6a
per"ecci*n de los cielos conlle&a$a #ue los astros tu&ieran "ormas es"%ricas /
sus mo&imientos "ueran circulares / uni"ormes' olamente cuando )ue posible sustituir estos paradigmas por otros se pudo a+anar en la compresión e interpretación de los )enómenos celestes. 8odríamos preguntarnos por "u sobre+i+ieron tanto tiempo estas ideas como correctas pero si se analian se obser+a "ue< unas están de acuerdo con nuestras percepciones inmediatas * otras proporcionan conceptos del mundo en "ue el orden pre+alece.
EL MODELO @ELIOCHNTRICO La primera gran inno+ación en la e&plicación del mo+imiento de los astros se debe a Nicolás $oprnico. $oprnico propuso un nue+o modelo para describir el )irmamento "ue se conoce como el Física y Química 4º ESO
86
V)0)*&'( &/0-*+0-W >!l centro del uni&erso no es la, ierra, es el :ol, / alrededor su/o iran los planetas, alunos de los cuales, al iual #ue la ierra, tienen sus propios sat%lites>' $oprnico aun consideraba la circun)erencia * la es)era como )iguras geomtricas per)ectas "ue debía seguir la naturalea por ello adoptó la )orma es)rica para la ierra * el $osmos * la circun)erencia para las ór bitas de los planetas. $omo 6ristóteles< $oprnico pensaba "ue los )enómenos terrestres correspondían a un con#unto de le*es< * "ue los cuerpos celestiales `di+inos` se regían por le*es distintas. ambin al igual "ue 6ristóteles< $oprnico consideraba "ue las estrellas estaban )i#as * no cambiaban< el cosmos de $oprnico aun se encontraba limitado por una nica capa e&terna )ormada por las estrellas.
LA LEY DE LA GRAITACIÓN UNIERSAL Ne_ton publicó en 1/,/ su teoría de la gra+itación< )ue el salto de)initi+o de la (ísica< el punto "ue marca un antes * un despus. Demostró "ue aplicando con#untamente la le* de la 3ra+i tación 4ni+ersal * las le*es de la dinámica se deducían las le*es de Oe pler< pero )ue más allá * propuso "ue dicha )uera e&istía entre dos cuerpos cuales"uiera del +erso<
4ni lo
"ue permitió además e&plicar la le* de la caída libre. Lo "ue toda+ía "uedaba del modelo de 6ristóteles< la idea de le*es di)erentes para regir el mo+imiento de los cuerpos en los mundos celeste * sublunar
Física y Química 4º ESO
87
desaparecerá. La primera gran síntesis de la (ísica< se había comple tado * con ella la primera * más importante re+olución cientí)ica< *a no se +i+irá con la idea de un pasado me#or "ue ha* "ue recuperar< había nacido para "uedarse la idea de progreso. L( /& & /( G+(?0*(-0> U0?&+)(/ se enuncia como> (!ntre dos cuerpos de masas ? / m separados una distancia r e.iste una "uer+a de atracci*n #ue es proporcional a la masa de los cuerpos e in&ersamente pro porcional al cuadrado de las distancia #ue los separa' < @
?m r 2
La )uera siempre es atracti+a * tiene de dirección la línea "ue une ambos cuerpos. La constante de proporcionalidad<
.<
se denomina $onstante de 3ra+itación 4ni+ersal * es − 11
considerada una constante )undamental de la (ísica , tiene un +alor de C=6,67 ·10
" m2 su kg 2
+alor es independiente del medio en el "ue se encuentren los cuerpos< )ue obtenido por A. $a+endish un siglo despus de "ue Ne_ton publicase su teoría sobre la gra+edad. ras la aceptación de la le* de la 3ra+itación 4ni+ersal< había sido sustituido el ltimo de los paradigmas "ue )undamentaban la +isión cosmológica griega< a partir de este momento habrá una nue+a +isión de los cielos * sobre todo una nue+a )orma de abordar la compresión de los )enómenos naturales
LA ACELERACIÓN DE LA GRAEDAD La le* de la 3ra+itación 4ni+ersal permite obtener teóricamente el +alor de la aceleración de la gra+edad HgI. i consideramos la segunda le* de la dinámica con#untamente con la le* de la 3ra+itación 4ni+ersal para un cuerpo en la super)icie de la ierra se obtiene * m C W 2 JW * =C 2W a= g= F = m m J W 6
partir
de
los datos
de
la
masa
de
la
ierra *
el
radio
de
la
misma.
Ja&i!=6,37 ·106 m A *asa= 5,+8·1024 kg/ ustitu*endo 24 g= 6,67 ·10−11 5,+8·106 2 = +,8 m2 6,37·10 s
De esto tambin se deduce "ue el +alor de la aceleración disminu*e con la altura pues aumenta el +alor de r la distancia entre el cuerpo * la ierra. !n trminos prácticos para los entornos cotidianos sin embargo la disminución es poco apreciable pues es mu* pe"ue?a Física y Química 4º ESO
88
incluso para lugares tan altos como la cima del monte !+erest.
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8+
E$ERCICIOS 1/-N(a p$'!a s$ a caí&! &$s&$ u( $a&! &$ u(a casa u$ i$($ 10 m$%!s &$ a'u%a 9ua(! a%&a%á $( c!ca% c!( $' su$'!; 2/-9:$s&$ uH a'u%a a caí&! u(a p$'!a, sai$(&! u$ a' su$'! a a%&a&! 4 s$gu(&!s $( c!ca% c!( $' su$'!; 3/-N( cu$%p! $( caí&a 'i%$ a&ui$%$ u(a M$'!ci&a& &$ 100
m 9uá(! i$mp! a &u%a&! 'a s
caí&a; 9:$s&$ uH a'u%a a caí&!; 4/-9QuH i$mp! a%&a%á $( ''$ga% a' su$'! u( !$! u$ ca$ &$ u( aMi)( u$ Mu$'a a 1+60 m
(
m &$ a'u%a;9!( uH M$'!ci&a& ''$ga%á a' su$'!; g= +,8 2 s 5/-N( !$! ca$ 'i%$m$($ &$s&$ u(a a'u%a &$ 30 m$%!s 9uá(! a%&a%á $( c!ca% c!( $' su$'!; 9!( uH M$'!ci&a& c!ca%á c!( $' su$'!; 6/-N( !$! s$ &$a ca$% a'
m 9&$s&$ uH s
a'u%a s$ a &$a&! ca$%; 8/-S$ &$a ca$% u( !$! 'i%$m$($, u$ c!ca c!( $' su$'! a u(a M$'!ci&a& &$ 60
km
9uá(! i$mp! a%á &u%a&! su caí&a; 9:$s&$ uH a'u%a a caí&!; +/-a ac$'$%aci)( &$ 'a g%aM$&a& $( 'a sup$%
m 9!( uH M$'!ci&a& s2
''$ga%ía a' su$'! 'u(a% u( cu$%p! &$a&! ca$% si( M$'!ci&a& i(icia' &$s&$ 5 m &$ a'u%a; E.p%$sa% $' %$su'a&! $( km/ 10/-S$ 'a(a M$%ica'm$($ acia a%%ia u( cu$%p! c!( u(a M$'!ci&a& &$ 25
m a 9QuH a'u%a s
má.ima a'ca(a%á;, 9uá(! i$mp! a%&a%a $( a'ca(a% $sa a'u%a; 11/-S$ 'a(a u( cu$%p! c!( u(a M$'!ci&a& &$ 40
m 9@ uH a'u%a s$ $(c!(%a%á a' ca! &$ 1 s
s$gu(&!;9uá' $s su M$'!ci&a& $( $s$ i(sa($; 12/-N( cu$%p! $s 'a(a&! M$%ica'm$($ y a' ca! &$ %$s s$gu(&!s a'ca(a su má.ima a'u%a/ a 9!( uH M$'!ci&a&
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+0
13/-S$ 'a(a M$%ica'm$($ u( !$! c!( u(a M$'!ci&a& &$ 200
km 9asa uH a'u%a má.ima
sui%á; 14/-!mp'$a $' cua&%! ui'ia(&! 'a masa &$ u cu$%p!/ g=Wi$%%a +,8 ms2 A g=u(a 1,6 ms 2 '()**
15/-E' p$s! &$ u( !$! $s &$ 300 "/ a'cu'a su masa g=Wi$%%a +,8 ms2 16/-@p'ica(&! 'as '$y$s &$ 'a &i(ámica c!mpa%a 'a &i<$%$(cia
+U,
MS -)SO
$' 'a ac$'$%aci)( &$ caí&a $(%$ &!s cu$%p!s, u(! &$ 50000 kg &$ masa y !%! &$ 300 g &$ masa/ 17/-N( asc$(s!% i$($ u(a masa &$ 1000 kg si asci$(&$ c!( u(a M$'!ci&a& c!(sa($ 9ua(! Ma'&%á 'a
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+1
kgA * S1030 kgA * 7,34·1022 kg 26/-a'cu'a% 'a
−11
'i%$m$($; * W 6·10 kgA JW 6370 kmA C = 6,67 ·10 24
27/-a'cu'a% 'a
" m2 9 uá(! Ma'&%ía 'a ac$'$%aci)( &$' saH'i$ si cay$s$ 'i%$m$($; kg 2
28/-O$($% $' Ma'!% &$ g pa%a $' cas! &$ 'a u(a c!( '!s &a!s &$ su masa y %a&i!/ Ja&i! =1,74·10 6 mA *asa= 7,34·10 22 kg/ 2+/-a''a% $' Ma'!% &$ 'a i($(si&a& &$ 'a g%aM$&a& $( 'a sup$%
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+2
T&'( 9. F&>'&) & /,0). MEDIDA DE OLMENES. CALCULO DE OLMENES !l cálculo de los +olmenes de los cuerpos se puede realiar mediante e&presiones
matemáticas en el caso de "ue el cuerpo sea regular< o bien di+idindolo en porciones regulares * sumando el +olumen total de stas. !n el dibu#o se muestran tres )iguras regulares
* la correspondiente e&presión para el cálculo de su +olumen. De )orma e&perimental se puede medir el +olumen de un cuerpo sólido midiendo cual es el +olumen de lí"uido "ue desalo#a al Física y Química 4º ESO
+3
ser introducido en el interior de ste. UNIDADES.
6demás de masa< los cuerpos tienen una e&tensión en el ALGUNAS EQUIALENCIAS espacio< ocupan un +olumen. !l +olumen de un cuerpo DE UNIDADES DE OLUMEN representa la cantidad de espacio "ue ocupa su materia * "ue 3 3
no puede ser ocupado por otro cuerpo< *a los cuerpos son
1 m =1000 &m
1 &m3 =1000 cm3
impenetrables.
3 3 !l +olumen es una propiedad general de la materia *< por 1 cm =1000 mm tanto< no permite distinguir una clase de sustancia< de otra< *a 1 cm3=1 m' "ue todas pueden tener cual"uier +olumen. 1 =1000 m
$uando un cuerpo está hueco o posee una conca+idad< sta 1 =1000 cm3 puede rellenarse con otra sustancia. 6sí una botella o un +aso se pueden llenar de un lí"uido o de aire. !l +olumen de lí"uido
1 =1 &m3
1 m3=1000
"ue puede contener se llama capacidad.
!l +olumen< como la masa< puede medirse en muchas unidades< sobre todo dependiendo de la nación o la comarca en la "ue se +i+e. !n el istema ;nternacional H;I el +olumen se mide en metros cbicos m3 < aun"ue tambin es mu* empleado el litro< sobre todo para medir capacidades. DENSIDAD 6un"ue toda la '(*&+0( posee masa * +olumen< la misma '()( de sustancias di)erentes tienen ocupa di)erentes ?/'&&)< así notamos "ue el hierro o el hormigón son Xp$sa&!sY, mientras "ue la misma cantidad de goma de borrar o plástico son V'ig$%asY . La propiedad "ue nos permite medir la ligerea o pesade de una sustancia recibe el nombre de &)0(. La &)0( se de)ine como el c!ci$($ $(%$ 'a '()( &$ u( cu$%p! y $' ?/,'& u$ !cupa densidad
masa ; &olumen
u unidad en el ; es el Filogramos por metro cbico
d
m A
kg . m3
!sta u(i&a& &$ m$&i&a< sin embargo< es mu* poco usada< *a "ue obligaría a utiliar nmeros grandes para indicar la cantidad. 8ara el agua< por e#emplo< la densidad será de> & =
1 kg =1000 kg 0,001 m3 m3
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+4
La ma*oría de las susa(cias sólidas tienen densidades del mismo orden de magnitud "ue la del agua por lo "ue< de usar esta unidad< se estarían usando siempre nmeros mu* grandes. 8ara e+itarlo< se suele emplear en la +ida cotidiana otras u(i&a&$s c!m! p!% $$mp'! &$ el <+(' + -&*'&*+ -:0-
< en esta unidad la densidad del agua es igual a 1 cmg g cm 3
3
Las medidas de la &)0( "uedan< en su ma*or parte< ahora mucho más pe"ue?as * )áciles de usar. !l cambio de unidades de la densidad e&presada en
g kg a o +ice+ersa es sencillo basta con cm3 m 3
seguir dos sencillas reglas> •
8ara pasar de la medida e&presada en
g kg se multiplica por 1000. 3 a cm m 3
•
8ara pasar de la medida e&presada en
kg g a se di+ide por 1000. m 3 cm3
EL %RINCI%IO DE ARQUÍMEDES. !l principio de 6r"uímedes se aplica a los )luidos< por lo "ue lo primero es conocer a "ue se denominará )luido. Decimos "ue un cuerpo )lu*e cuando al estar sometido a alguna )uera adapta su )orma al camino "ue recorre. !n nuestrla deo entorno cercano la )rontera entre decir "ue un cuerpo es )luido o no se toma teniendo en cuenta su comportamiento ba#o la acción de la )uera de la gra+edad. $on esta idea las sustancias en estado lí"uido o gaseoso serían )luidas< en cambio los sólidos no. 6un"ue si re)le&ionamos podemos encontrar alguna contradicción a la a)irmación de "ue los cuerpos sólidos no son )luidos. 8or e#emplo la arena se puede comportar como un )luido pues adapta su )orma a la de los recipientes< pero la consideramos una sustancia sólida. De hecho muchos cuerpos sólidos se comportan en ciertas condiciones como )luidos< un e#emplo es mo+imiento de toda la cortea terrestre< la llamada T&-*>0-( & %/(-(). 6sí hasta los cuerpo más rígidos pueden )luir basta con e#ercer unas )ueras lo su)icientemente intensas. !l principio de 6r"uímedes describe )ísicamente el )enómeno "ue obser+amos cuando nos introducimos en una piscina o en el mar< notamos la sensación de `pesar menos`G en realidad no es "ue nuestro peso disminu*a sino "ue se +e en parte compensado por una )uera +ertical ascendente "ue llamamos empu#e. !sta )uera aparece
Física y Química 4º ESO
+5
cuando los cuerpos se encuentran en el interior de )luidos. ;ncluso en nuestro alrededor donde nos encontramos en el interior de un )luido el aire la )uera de empu#e está actuando< siendo la responsable del mo+imiento +ertical de los globos aerostáticos. !ste principio de 6r"uímedes dice> XT -,&+ ),'&+<0 & , /,0 &;&+0'&*( , &',& ?&+*0-(/ ()-&&*& 8,& &) ,'+0-('&*& 0<,(/ (/ &) &/ /,0 &)(/(. X
!&presión "ue se obtiene al considerar "ue m =& K ! d " A d
La otra )uera de ínteres es el peso se puede e&presar en )unción de la densidad * +olumen del cuerpo P d cuerpo V cuerpo g
4na magnitud deri+ada del empu#e * el peso es la conocida como peso aparente e igual a la di)erencia entre el peso * el empu#e eso aparente eso !mpue
a !
E$ERCICIO RESUELTO. kg &$ + cm3 &$ M!'um$(/ a 9uá' $s su p$s!; m3
W$($m!s u( ci'i(&%! &$ a'umi(i! & =2700
9QuH $mpu$ su<%$ a' i(%!&uci%'! $( agua y cuá' $s su p$s! apa%$($ $( $' agua; :$(si&a& kg &$' agua 1000 3 m
& =2700 kg3 Datos m 3 K = + m =0,00000+ m 3
u peso es =& c K · g =2700·0,00000+·+,8 =0,238 " !l empu#e "ue su)re +aldrá> E = m& · g =& < · K & · g = 1000 kg3 ·0,00000+ m3 ·+,8 =0,088 " m
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+6
!l peso aparente es a = −E apa%$($ = 0,238− 0,088 =0,150 "
ARQUÍMEDES RESUELE UN %RO#LEMA `Aieron< despus de con"uistar el poder en iracusa< resol+ió o)recer una corona de oro a los dioses. !ntregó al #o*ero una e&acta cantidad de oro * ste< en la )echa acordada entregó con satis)acción del re* una piea de or)ebrería e&"uisitamente terminada * se +io "ue el peso de la corona correspondía al oro entregado. 8ero más adelante surgió la sospecha de "ue se había sustituido oro por su peso e"ui+alente en plata. Aieron< o)endido por haber sido enga?ado * no sabiendo cómo probar el robo< acudió a 6r"uímedes para "ue estudiara el asunto. 6r"uímedes< preocupado siempre por el caso< al meterse un día en la ba?era obser+ó "ue cuanto más se metía su cuerpo tanto más agua rebosaba de la ba?era. $omo esto indicaba la manera de resol+er el problema< sin tardar un momento * con gran alegría saltó )uera de la ba?era * corrió por la calle desnudo gritando repetidamente en griego> @eureFaC< @eureFaC H@lo encontrCI. 6l parecer 6r"uímedes introdu#o en una +asi#a completamente llena de agua una piea de oro de igual masa "ue la corona * comprobó "ue la cantidad de agua "ue rebosaba era menor "ue cuando repetía el e&perimento con la corona.
LA %RESIÓN. La acción de una )uera sobre un cuerpo pro+oca de)ormaciones en el mismo< es esta una idea "ue parece e+idente. !sta de)ormación * del tama?o de la super)icie en "ue se distribu*e %+&)0> K &) 0<,(/ (/ --0&*& &*+& /( ,&+( /( ),&+0-0& & 8,& )& (/0-( resi*n
"uer+a < ; p super"icie :
La magnitud presión es una magnitud deri+ada * sus unidades se constru*en a partir de las unidades de )uera * super)icie o deri+adas de alguna situación )ísica especí)ica. !n la práctica se utilian di+ersas unidades para medir presiones. Peamos ahora algunas de las unidades de presión.
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+7
La unidad del ; se denominan 8ascal * es igual a la presión "ue se e#erce cuando una )uera de 1 Ne_ton se reparte por una super)icie de 1 m2 . 1 asca' =
1 "$Z!( A 1 a= 1 " 2 1 m$%! cua&%a&! 1m
9tra unidad es el llamado Filogramo por centímetro cuadrado
kg * es e"ui+alente a la pre cm2
sión "ue e#erce una )uera igual al peso de una masa de 1 Ig "ue se reparte sobre una super)icie de 1 cm2 . La e"ui+alencia entre ambas será 1 1
kg = +,8 " =+8000 a luego podremos poner "ue cm2 10−6 m2
kg 1 kg 2 =+8000 aA 1 a = +8000 cm2 cm
!s posible tambin establecer mltiplos * submltiplos utiliando los pre)i#os habituales
EL E%ERIMENTO DE TORRICELLI. (ue el )ísico italiano !+angelista orricelli< en 1/'< "uien realió un )amoso e&perimento "ue lle+a su nombre. Llenó de mercurio un tubo de +idrio de un metro de longitud< cerrado por un e&tremo. apando el otro e&tremo< lo introdu#o boca aba#o en un recipiente lleno de mercurio. 6l destaparlo< comenó a salir el mercurio< pero el tubo no se +acío por completo. Yuedó mercurio dentro hasta una altura de unos 7/ cm. orricelli propuso como e&plicaciones a los resultados del e&perimento las siguientes ideas> 1. E/
(0+&
&)
,
/,0
'(*&+0(/. L( )0*,(-0> & &8,0/0:+0 &/ /8,0 )& &:( ( 8,& /( +&)0> 8,& &&+-&+( /( -/,'( & '&+-,+0 &:0( ( ), &) &
&/
,*
(K
)&
&8,0/0:+(:( - /( 8,& )& &&+-( & &/ ,* :K &:0( (/ (*'>)&+(.
&)
&
/(
2. E /( (+*& ),&+0+ &/ *,:B /( 8,& 0+( & 76 ( 1"" -' &;0)*0+( , ?(-. Física y Química 4º ESO
+8
La e&periencia proporciona un procedimiento para calcular el +alor numrico de la presión "ue e#erce el peso de la atmós)era sobre los cuerpos "ue se encuentran en su interior. La presión de la atmós)era es igual a la "ue e#erce una columna de mercurio de 7/ cm de altura "ue +aldrá. u +alor al ni+el del mar es p=
$s! = ( S & g ) = & g =0,76 m· 313600 kg ·+,8 m =101300 a sup$%
6 partir de esta e&periencia se de)inen +arias unidades mu* utiliadas +eamos sus de)iniciones * e"ui+alencia. ✗A*'>)&+( 4nidad
"ue e"ui+ale a la "ue e#erce una columna de mercurio de 7/ cm
de altura. ✗M0/'&*+
& '&+-,+0 '' & @
e"ui+alente a la de una columna de 1 milímetro de mercurio. ✗C&*'&*+
& '&+-,+0 -' & @ 1 am)s<$%a= 760 mm &$ g =76 cm &$ g =101300 a
9tra unidad mu* utiliada es el '0/0:(+< sus e"ui+alencias con el pascal * la atmós)era son 1 am=1013 m A ecordar otra e"ui+alencia importante *a +ista 1
1 m=100 a kg = +8000 a cm2
#ARÓMETRO 8ara la medición de la presión atmos)rica se utilia el barómetro. La )orma más sencilla de medir la presión atmos)rica es obser+ar la altura de una columna de lí"uido cu*o peso compense e&actamente el peso de la atmós)era. 4n barómetro de agua sería demasiado alto para resultar cómodo. !l mercurio< sin embargo< es 1'
LA ATMÓSFERA. La atmós)era es la capa de gases "ue rodea la ierra. u Física y Química 4º ESO
++
composición no es uni)orme presentado +ariaciones de un punto a otro. u constitución a ni+el del mar está )ormada principalmente por nitr*eno DEF- / o.íeno 21F-' !l 1F restante lo "orman el ar*n 0,GF-, el di*.ido de car$ono 0,03FI< distintas pro porciones de +apor de agua< * traas de hidrógeno< oono< metano< monó&ido de carbono< helio< neón< Friptón * &enón. e di+ide en +arios ni+eles< la capa in)erior< la *+)&+( se e&tiende hasta unos 1/ Fm. 6 continuación está la &)*+(*)&+( hasta una altura de casi 50 Fm. !l siguiente estrato es la '&))&+(B "ue +a desde los 50 a los ,0 Fm. 8or encima se e& tiende hasta los /0 Fm< recibe la 0)&+(. La región "ue ha* más allá de la ionos)era recibe el nombre de e&ós)era * se e&tiende hasta los -./00 Fm< lo "ue constitu*e el límite e&terior de la atmós)era. La presión atmos)rica disminu*e con la altitud *a "ue disminu*e la cantidad de aire por encima * por tanto su peso< esta disminución no es constante< a medida "ue se gana altura< cada +e ha* "ue subir más metros para conseguir la misma disminución de la presión> al ni+el del mar< ha*a "ue subir unos , metros para "ue la presión ba#e 1 milibarG a 5.000 metros< ha* "ue subir 20 metros. !n las cercanías del suelo se puede hacer una apro&imación si se supone "ue la densidad no +aría mucho con la altura. La densidad promedio de la atmós)era cerca del suelo es 1,2+3
kg tendremos entonces "ue p =−12,67· . $ada +e "ue subimos un metro m3
la presión disminu*e 12,67 a o 1,25·10− 4 am o 0,0+5 mm &$ g o 0,1267 m .
LA %RESIÓN @IDROSTÁTICA. odo cuerpo "ue se encuentra en el interior de un )luido soporta una presión a causa del peso del )luido "ue se encuentra sobre el cuerpo< es la llamada +&)0> 0+)**0-(. 8ara obtener su +alor tomemos una columna de li"uido * obtengamos el peso por unidad de su per)icie "ue e#erce< será el +alor de la presión hidrostática. La presión e#ercida es p= = m g = & K g = S & g S S S S p C d
De a"uí se in)iere "ueG ➢6a
presi*n depende proporcionalmente de la pro"undidad'
Física y Química 4º ESO
100
➢6a
presi*n depende de la densidad del lí#uido en #ue encuentre sumerido'
La presión podría pensarse dado su origen "ue se e#ercería e&clusi+amente en dirección +ertical pero esto no así la presión se e#erce sobre el cuerpo hacia dentro de ste * en todas direcciones. ambin es posible calcular cual es la +ariación entre dos puntos a distinta pro)undidad p = a− 0= & g a− & g 0 =& g a−0
por lo tanto "ueda p = & g
EQUILI#RIO DE FLUIDOS. e dice "ue un )luido está en e"uilibrio cuando no e&iste mo+imiento de materia en su interior. !l e"uilibrio es una condición mecánica< "ue conlle+a "ue la )uera neta sobre cada partícula del )luido debe ser nula. !l caso de e"uilibrio "ue trataremos ahora es el e"uilibrio ba#o la acción de la )uera del peso del propio )luido * la condición "ue se debe cumplir es la siguiente )n "luido está en e#uili$rio $a;o la acci*n de la "uer+a ra&itatoria cuando todos los punto de una misma línea Cori+ontal se encuentran a la misma presi*n 4na consecuencia de esto es el )enómeno conocido como +asos comunicantes< se trata de recipientes "ue se encuentran interconectados en su parte in)erior de )orma "ue se pueda des plaar lí"uido de unos a otros. e obser+a "ue el ni+el "ue alcana el lí"uido es el mismo en todos los recipientes * no depende de la )orma de cada recipiente.
%RINCI%IO DE %ASCAL. !ste principio dice "ue> 6a presi*n e;ercida en un punto de un "luido incompresi$le se trasmite con la misma intensidad en todas las direcciones'
Física y Química 4º ESO
101
4na consecuencia es la obser+ación de un recipiente lleno de un lí"uido "ue se encuentra hermticamente
cerrado por medio de un
mbolo. !l recipiente está pro+isto de +arios ori)icios aleatoriamente distribuidos< en cada uno de los cuales se halla situado un manómetro. i por medio de un mbolo e#ercemos una )uera sobre el lí"uido< obser+aremos "ue todos los manómetros< independientemente de su posición< se?alan una misma presión< "ue es #ustamente la e#ercida por el mbolo LA %RENSA @IDRÁULICA. 4na aplicación tecnológica inmediata del anterior principio es la prensa hidráulica. u )inalidad consiste en modi)icar el +alor de una )uera< pudindose< tal como +eremos a continuación< aumentar considerablemente el +alor de la misma. La prensa hidráulica consta de dos cilindros< pro+istos de sus correspondientes mbolos. !l cilindro pe"ue?o< llamado JbombaK< se comunica a su +e con un recipiente au&iliar "ue contiene aceite. 6l aplicar una )uera sobre un mbolo< se produce una presión "ue se transmite a tra+s del )luido hasta el otro mbolo. egn el principio de 8ascal la presión debe ser igual en ambos mbolos. i designamos por S1 * S2 las super)icies del mbolo pe"ue?o * del mbolo grande< respecti+amente. La )uera F 1 "ue se aplica sobre el mbolo pe"ue?o origina una )uera sobre en otro mbolo F 2 . La relación entre ambas se puede obtener mediante el siguiente raonamiento. La )uera F 1 creará una presión en ese mbolo igual a 1=
F 1 . egn el principio de 8ascal< S1
esta presión se trasmite íntegra a todos los puntos del lí"uido. !n consecuencia< la presión se cumplirá p1 = p 2 < de modo "ue puede escribirse>
Física y Química 4º ESO
102
p1 = p 2 A
F 1 F 2 = s1 S 2
8or lo tanto las )uera "ue aparece sobre el segundo mbolo es distinta a la e#ercida sobre el primero. 6mbas )ueras serán directamente proporcionales a las respecti+as super)icies de dichos mbolos. De acuerdo con esto< si se dispone de una prensa hidráulica tal "ue la super)icie del mbolo grande es 100 +eces ma*or "ue la del mbolo pe"ue?o< la )uera "ue es necesario realiar en ste será 100 +eces in)erior a la "ue acte sobre a"ul. E$ERCICIO RESUELTO. Las super)icies de los mbolos de una prensa hidráulica son 1,2 m2 * 80 cm2 . Yu )uera se debe e)ectuar sobre el mbolo pe"ue?o< si con el grande se desea ele+ar un coche "ue pesa 1000 NE Llamando a la )uera "ue deseamos calcular F < * estableciendo la proporcionalidad entre 1
)ueras * super)icies< tenemos> F 1 F 2 F S 0,008 m2 ·14000 " = A F 1 = 2 1 A F 1= =+3,3 " S1 S2 S2 1,2m2
Física y Química 4º ESO
103
E$ERCICIOS 1/-!mp'$a 'a a'a D
cm3
i%!s
m3
0<2
2/-a'cu'a% $' M!'um$( &$ u(a $s<$%a &$ 25 cm &$ %a&i!/
'0
3/-N(a caa i$($ 'as sigui$($s &im$(si!($s 25.15.10 cm/ :$$%mi(a su M!'um$(/ 4/-N(a aiaci)( i$($ 'as &im$(si!($s, 2,60 m &$ 'a%g!, 1, 75 m &$
/70 0<5 5 500
a(c! y 2,40 m &$ a'u%a 9uá' $s $' M!'um$( &$ 'a aiaci)(; 5/-a a'a s$ mu$s%a( '!s Ma'!%$s &$ 'a &$(si&a& pa%a &i<$%$($s
susa(cias
$.p%$sa&as
$(
kg y g m3 cm3
c!mp'Ha'a 6/-a'cu'a% $' M!'um$( &$ u( %!! &$ ma&$%a &$ 400 g &$ masa sai$(&! u$ su &$(si&a& $s &$ +00
Wa'a D Densidad
ustancia
kg 3 m
en
en
g 3 cm
6gua
1000
1
6ceite
-20
0<-2
8lomo
11<'
6cero
7,00
kg m3
Mercurio
1'/00
kg
6ire
Madera
7/-E' a'umi(i! i$($ u(a &$(si&a& &$ 2700 m3 9uá' s$%á $'
Densidad
0<1<'
M!'um$( &$ 300 g &$ a'umi(i!; 8/-E' ac$i$ i$($ u(a &$(si&a& &$ +20
kg O$($% 'a masa &$ 1 'i%! &$ ac$i$/ m3
+/-9ua' s$%á 'a masa &$ 20000 'i%!s &$ ai%$ si 'a &$(si&a& &$' ai%$ $s &$ 1,3
kg ; m3
10/-N(a pi$&%a &$ 6,5 &m 3 &$ M!'um$( s$ $(cu$(%a sum$%gi&a $( u( %í!/ a'cu'a% $' $mpu$ kg u$ $.p$%im$(a/ :$(si&a& &$' agua 1000 3 m
11/-N(a pi$a &$ i$%%! cuy! M!'um$( $s 80 cm3 $sá !a'm$($ sum$%gi&a $( agua9ua' s$%á $' Ma'!% &$ su p$s!; 9ua' s$%á $' Ma'!% &$' $mpu$ cua(&! s$ sum$%a $( agua; kg kg :$(si&a& &$' i$%%! 7800 3 / :$(si&a& &$' agua 1000 3 m
m
12/-a'cu'a% uH ma%ca%á u( &i(am)m$%! &$' u$ s$ a susp$(&i&! u(a !'a &$ a'umi(i! &$ 50 cm3 cua(&! Hsa s$ ma(i$($ !a'm$($ sum$%gi&a $( a'c!!'/ :$(si&a& &$' a'umi(i! 2,7 g 3 :$(si&a& &$' a'c!!' 0,7+ g 3 / cm cm
13/-Wi$($s &!s $s<$%as &$ igua' ama!, 'a p%im$%a &$ p'!m! y 'a s$gu(&a &$ a'umi(i!/ Si 'as Física y Química 4º ESO
104
sum$%g$s $( agua, 9cuá' &$sa'!a más agua;A 9cuá' su<%$ u( $mpu$ may!%; 14/-9QuH
15/-N(a $s<$%a &$ i$%%! &$ 10 cm &$ %a&i! s$ i(%!&uc$ p%im$%! $( agua y p!s$%i!%m$($ $( a'c!!'/ :$$%mi(a $' p$s! &$ 'as $s<$%a, $' $mpu$ u$ su<%$ y $' p$s! apa%$($ $( am!s kg kg cas!s/ :$(si&a& &$' i$%%! 7800 3 / :$(si&a& &$' agua 1000 3 /:$(si&a& &$' a'c!!' m
m
0,7+ g 3 cm
kg kg kg 16/-amia% 'a sigui$($s u(i&a&$s a 25 2 a aA 400 a a a aA 2 A c 0,034 cm cm cm2 & 0,0036 a a
kg cm2
17/-N(a pi$&%a &$ ca%as %$ca(gu'a%$s i$($ u(a masa &$ 18 kg/ Sus &im$(si!($s s!( 30 cm &$ '!(giu&, 20 cm &$ a(cu%a y 10 cm &$ a'u%a/ a'cu'a% 'a p%$si)( $( a u$ $$%c$ s!%$ $' su$'! a' ap!ya%'a s!%$ ca&a u(a &$ sus ca%as/ 18/-N(a m$sa i$($ 4 paas cua&%a&as &$ 4 c m . 4 c m ca&a u(a/ a'cu'a% 'a p%$si)( u$ $$%c$ s!%$ $' su$'! si su masa $s &$ 20 kg/ 1+/-N( $suia&!%, u$ s$ a''a s!%$ u( $%%$(! !%i!(a', i$($ u(a masa &$ 75 kg c!( su $uip!/ a sup$%
Física y Química 4º ESO
105
g cuya &$(si&a& $s 2 3 / a'cu'a% 'a p%$si)( u$ $$%c$ s!%$ $' su$'! a' ap!ya%s$ $( ca&a cm
u(a &$ sus ca%as/ 25/-N(a p$%s!(a u$ p$sa 80 kg s$ $(cu$(%a c!( '!s &!s pi$s ap!ya&!s $( 'a (i$M$/ a'cu'a% 'a p%$si)( u$ $$%c$ s!%$ $' su$'!, sai$(&! u$ 'a sup$%
kg / cm2
kg cm 2
kg 28/-9@ cuá(!s mm &$ g $uiMa'$( 3,86 2 cm
2+/-9uá(as am)s<$%as s!( 2 735 a =$c!pasca'$s; 30/-9@ cua(!s ka $uiMa'$ u(a p%$si)( &$ 300 mm &$ m$%cu%i!; 31/-9QuH
kg m3
34/-N( a%)m$%! $sá g%a&ua&! &$s&$ +20 asa 1050 mi'ia%$s/ :$$%mi(a%, $( mi'ím$%!s &$ m$%cu%i!, 'as p%$si!($s má.ima y mí(ima u$ pu$&$( m$&i%s$ c!( &ic! a%)m$%!/ 35/-N( a%)m$%! &$ m$%cu%i! s$a'a u(a a'u%a &$ 74+ mm/ a'cu'a% 'a p%$si)( $( am)s<$%as y $( mi'ia%$s/ 36/-?usca i(
38/-a u( &iu! u$ mu$s%$ 'as &i<$%$($s capas &$ 'a am)s<$%a y sus 'imi$s &$ a'u%a/ J$a'ia% u(a g%á
106
3+/-a%a u$ 'a p%$si)( am!s
kg / a'cu'a% 'a &ismi(uci)( &$ p%$si)( u$ $.m3
p$%im$(a u(a p$%s!(a cua(&! asci$(&$ a u(a m!(aa &$ 500 m &$ a'u%a/ 41/-E' W$i&$, i$($ u(a a'u%a &$ 3700 m/ 9uá' s$%á 'a p%$si)( $.is$($ $( &ica cima, cua(&! $( a 'a !%i''a &$' ma%, $' a%)m$%! s$a'$ 768 mm/ :$(si&a& &$' ai%$ $s 1,3
kg m3
42/-@' sui% &$s&$ $' (iM$' &$' ma% asa 'a cima &$ u(a m!(aa, 'a c!'um(a a%!mH%ica a $.p$%im$(a&! u( &$sc$(s! &$ 53 mm &$ g/ a'cu'a% 'a a'u%a &$ 'a m!(aa/ :$(si&a& &$' ai%$ $s 1,3
kg m3
43/-ua(&! u(a aMi!($a &$sp$ga &$' a$%)&%!m! &$ !s J!&$!s, u$ s$ $(cu$(%a a 600 m s!%$ $' (iM$' &$' ma%, 'a !%%$ &$ c!(%!' '$ i(
kg m3
44/-QuH p%!
kg m3
45/-:$$%mi(a% 'a p%$si)( $.is$($ a 6 m &$ p%!
kg m3
46/-E(%$ '!s pis!s p%im$%! y #'im! &$ u( $&i
47/-E( u(a !(a &$' ma% $( 'a u$ 'a &$(si&a& &$' agua $s &$(si&a& &$' agua sa'a&a $s 1030 kg3 m
, 9cuá' $s $' aum$(! &$ p%$si)( u$ $.p$%im$(a u( uc$a&!% a' pasa% &$ u(a
p%!
107
am)s<$%as si 'a &$(si&a& &$' agua &$ ma% s$ !ma c!m! 1030
kg m3
4+/-E' &$p)si! &$si(a&! a' sumi(is%! &$ agua a u(a p!'aci)( s$ $(cu$(%a a 160 m &$ a'u%a s!%$ $''a/ a'cu'a% c!( uH p%$si)( ''$ga $' agua a u(a MiMi$(&a siua&a a 10 m &$ a'u%a s!%$ $' (iM$' m$&i! &$ %$<$%$(cia &$ 'a ca''$ &$(si&a& &$' agua $s 1000
kg m3
50/-a'cu'a% 'a p%$si)( i&%!sáica $( $'
kg 9uá' $s 'a p%$si)( !a' m3
s!%$ $'
% 2 &$ '!s Hm!'!s &$ u(a p%$(sa i&%áu'ica $s 4 9uá(as M$c$s % 1
may!% $s 'a
Física y Química 4º ESO
108
T&'( 1". T+(:( &&+<(. 4no de los grandes problemas de la ci+iliación actual es aumento de la cantidad de energía necesaria para las acciones "ue realiamos cotidianamente< encender un lu< "ue )uncione el coche< la )abricación de los ob#etos... .De hecho muchos economistas proponen como indicador )undamental del ni+el de desarrollo de una sociedad el consumo de energía por persona. 8or e#emplo la cantidad de energía consumida per capita en !!44 es 1000 +eces ma*or "ue la "ue se consume al algunas aldeas remotas de la ;ndia. Yu ocurrirá el día en "ue estos países alcancen un ni+el de +ida me#orE erá posible proporcionar la energía necesaria en ese momentoE ;ndudablemente ese será el ma*or reto de las pró&imas generaciones. La energía es una magnitud )ísica< cu*a importancia radica en "ue en todas las trans)ormaciones "ue ocurren en la naturalea producen intercambios de energía. 8ero "u es la energíaE La respuesta a esta cuestión no es sencilla ni )ácil de e&plicar en el lengua#e corriente< por lo "ue nos introduciremos en el concepto utiliando no su de)inición sino algunas de sus propiedades como> ➢
L( &&+<( &) ,( '(<0*, )0-( &)-(/(+ (0*0?(.
➢
L( &&+<( )& +&)&*& & 0)*0*() +'() ,0)& *+()+'(+ &*+& ).
➢
L( &&+<( )& -)&+?(.
FORMAS DE LA ENERGÍA. 4na de las propiedades de /( &&+<( es su mani)estación de mu* di+ersas )ormas< "ue para ser medidas necesitan de di)erentes procedimientos. 8ero "ue son trans)ormables unas en otras< siendo la energía total de un cuerpo la suma algebraica se todas las )ormas de energía "ue posee. odas las )ormas en "ue se presenta la energía son contabiliadas utiliando las mismas unidades<. !n el SI /( ,0( & '&0( &) &/ $,/0 $K.
!&isten muchas )ormas en las "ue se presenta la energía< algunas de ellas son elementales< otras deri+an de estas )ormas elementales. 6 continuación trataremos algunas de las )ormas más elementales en "ue se presenta la energía< la energía cintica * la energía potencial gra+itatoria. ENERGÍA CINHTICA !stá )orma de energía se asocia con el mo+imiento de un cuerpo. Depende de la +elocidad del cuerpo * de su masa del cuerpo. u +alor +iene dado por la e&presión 1 E($%gía ci(Hica= mM 2 2
Física y Química 4º ESO
10+
ENERGÍA %OTENCIAL GRAITATORIA !stá asociada a la posición de un cuerpo en un campo gra+itatorio. !n nuestro entorno el campo gra+itatorio es creado por nuestro planeta la ierra. !sta )orma de energía depende de la masa del cuerpo * de la altura a la "ue se encuentre. u +alor +iene dado por> E($%gía p!$(cia' g%aMia!%ia=masa· ac$'$%aci)(&$ 'ag%aM$&a& ·a'u%a E p =m g E$ERCICIOS RESUELTOS. 4n cuerpo de masa 10 Fg marcha a una +elocidad de -0 FmXh. Determinar la energía cintica asociada al cuerpo. m= 10 kg M = +0 km =+0 · 1000 m =25 m 3600 s s
E c = 1 mM 2= 1 10·25 2 = 3125 R 2 2
$uál es la energía potencial gra+itatoria asignada a un cuerpo de masa 10 Fg cuando se encuentra a 20 m de alturaE. m= 10 kg g = +,8 m2 s = 20 m
E p = m·g·=10·+,8·20 =1+60 R
ENERGÍA MECÁNICA. 6 la suma de la energía cintica * la energía potencial de un cuerpo se la conoce como energía mecánica. E($%gía m$cá(ica=$($%gía ci(Hica $($%gía p!$(cia' E m = E c E p
La energía mecánica es importante pues posee una propiedad< su conser+ación. :i so$re un cuerpo solamente e.isten intercam$ios entre enería cin%tica / enerías potenciales la enería mecánica del cuerpo se conser&a' !nería mecánica inicial !nería mecánica "inal !mi !m"
!ste principio no se cumple siempre sino solamente cuando actan en proceso )ueras Física y Química 4º ESO
110
conser+ati+as. 4n e#emplo en el "ue se cumple es cuando un cuerpo se mue+e siendo la nica )uera "ue realia un traba#o es la )uera de peso. !#emplos de situaciones en las "ue ocurre esto es cuando un cuerpo cae libremente o bien se ele+a contra la acción e&clusi+amente de la gra+edad. 9tra situaciones se dan cuando un cuerpo deslia a lo largo de super)icies en las "ue el roamiento se desprecia o cae su#eto a una cuerda como en los pndulos. e de#a caer desde una altura de 10 metros un ob#eto de ' Fg de masa. $alcular aI su energía potencial< cintica * mecánica cuando comiena a caer. bI u energía potencial< cintica * mecánica cuando se encuentra a ' metros de altura. cI u energía potencial< cintica * mecánica cuando choca con el suelo. aI $uando comiena a caer se encuentra a 10 de altura * lle+a una +elocidad nula por lo "ue sus energías potencial * cintica serán Ep =m g =3·10·+,8 = 2+4 R
Ec = 1 mM 2= 1 · 3 · 02= 0 R 2 2
la energía mecánica será Em =EpEc = 2+40= 2+4 R bI $uando se encuentra a ' metros de altura desconocemos su +elocidad< se podrá calcular directamente la energía potencial pero no la energía cintica< "ue calcularemos teniendo en cuenta "ue la energía mecánica segn su principio de conser+ación se mantiene constante. La energía potencial +ale Ep=m g = 3·3·+,8 = 88,2 R La energía mecánica +ale 2+4 R La energía cintica será la di)erencia entre la energía mecánica * la energía potencial Em =EpEc Ec = Em−Ep =2+4−88,2 = 205,8 R
cI $uando llegue al suelo la energía potencial es nula pues la altura es nula< por lo "ue la energía cintica será igual a la energía mecánica La energía potencial +ale Ep=m g =3·0·+,8=0 R La energía mecánica +ale 2+4 R La energía cintica será la di)erencia entre la energía mecánica * la energía potencial Em =Ep Ec Ec =Em−Ep = 2+4− 0= 2+4 R
Física y Química 4º ESO
111
%ROCESOS DE TRANSFERENCIAS DE ENERGÍA. TRA#A$O MECÁNICO. !n todos los procesos de la naturalea se producen trans)erencias de energía entre los cuerpos< &)*) +-&)) & 0*&+-(':0 ) ) -/()&)B :0& & +'( & *+(:( :0& & +'( & -(/+. 8ara "ue se realice trans)erencia de energía en )orma de traba#o entre dos sistemas debe e&istir una interacción mecánica entre ambos< es decir e&istir una )uera * además producirse un desplaamiento. !&iste un caso sencillo cuando la )uera "ue se e#erce sobre un cuerpo * el desplaamiento "ue se produce lle+an la misma dirección< en este caso el traba#o "ue se realia sobre el cuerpo es el producto del +alor de la )uera por el espacio recorrido. [ =W%aa! [ = F ·$ F =
c!m! 'a a'u%a (! Ma%ía 'a #(ica Ma%iaci)( s$%á 'a &$ 'a $($%gía ci(Hica [ =Ec < − Ec i
@' s$% (u'a 'a $($%gía ci(Hica i(icia' [ = Ec < E' %aa! %$a'ia&! p!% 'a
Física y Química 4º ESO
112
A%LICACIÓN AL CASO DE LA %ALANCA 4na aplicación del concepto de traba#o mecánico es la le* de la palanca< una herramienta sencilla "ue consiste en una barra rígida "ue puede girar alrededor de un punto< "ue permite multiplicar la )uera pero a costa de alargar el recorrido. i en uno de sus e&tremos se e#erce una )uera F 1 < en el otro e&tremo aparece una )uera
F 2 < ambas
)ueras se relacionan teniendo en cuenta "ue el traba#o "ue realian es igual F 1 ·$1 =F 2 ·$ 2 o bien
F 1 $2 = F 2 $1
como el cociente entre los espacios recorridos es igual al cociente entre las distancias al e#e de giro
$2 & 2 = se obtiene la le* de la $1 & 1
palanca F 1 ·& 1=F 2 ·& 2 . Las má"uinas basadas en esta le* de la palanca se denominan má"uinas simples< e&istiendo una +ariedad de ellas< algunas de ellas * la relación entre la )uera motri * la )uera resistente se muestran en el dibu#o.
Física y Química 4º ESO
113
%OTENCIA MECÁNICA. !n muchas ocasiones es mu* importante una magnitud "ue mide la rapide con "ue se realia un traba#o< conocida como potencia mecánica< por e#emplo en el estudio de las má"uinas< las cuales para realiar un proceso necesitan o producen una cantidad de energía en un período de tiempo. !l cociente entre el tra$a;o reali+ado por una má#uina / el tiempo #ue tarda en reali+arlo se conoce como potencia mecánica' !$(cia m$cá(ica= W%aa! %$a'ia&! A = [ Wi$mp! $mp'$a&! La unidad de potencia mecánica en el ; es el ?(*0 K< "ue se de)ine como la potencia "ue tendrá un sistema "ue realice un traba#o de 1 #ulio en cada segundo !&iste otra unidad "ue no pertenece al ; de amplio uso es el llamado caballo de +apor H$PI siendo su e"ui+alencia con el +atio> 1 K = 735,5 [ 6 partir de la unidad de potencia se de)ine una unidad de energía ampliamente usada el Filo+atiohora HF]hI< es esta la energía "ue transmite una má"uina de potencia 1 F] al )uncionar durante una hora> [ = =1 IZ − =1000 [ · 3600 s=3600000 R 4na +ariante de la e&presión de la potencia "ue hemos +isto es utiliada en muchas ocasiones cuando el traba#o se emplea en +encer una resistencia constante. =
[ = F $ = $ = F F M
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114
E$ERCICIOS 1/-:$$%mi(a% 'a $($%gía ci(Hica &$ u( cu$%p! &$ 500 g%am!s &$ masa u$ ''$Ma u(a M$'!ci&a& &$ 72 km/ 2/-N( !$! i$($ u(a $($%gía &$ 100 R $(
Sup!(i$(&! (u'! $' %!ami$(! c!( $' ai%$, ca'cu'a% a Su $($%gía ci(Hica $( $' i(sa($ &$ 'a(a%'! Su $($%gía ci(Hica y p!$(cia' g%aMia!%ia cua(&! $sá a 10 m &$ a'u%a/ W!ma% g+,8 ms2/ 5/-S$ 'a(a u(a p$'!a &$ 200 g &$ masa acia a%%ia y ''$ga a u(a a'u%a &$ 7 m/ a'cu'a% 'a M$'!ci&a& c!( u$ s$ 'a 'a(), sup!(i$(&! u$ sa'i$%a &$s&$ $' su$'!, 6/-S$ ca$ u( sac! &$ 50 kg &$s&$ '! a'! &$ u( a(&ami! u$ $sá $( $' pis! ui(c$ =a 50 m &$' su$'!/ 9QuH M$'!ci&a& ''$Ma cua(&! pas$ p!% $' pis! !c! =a 24 m &$' su$'!; 7/-N(a $suia&!%a i(icia $' &$sc$(s! &$ u(a p$(&i$($ &$s&$ u(a a'u%a &$ 40 m, aM$%igua 'a M$'!ci&a& c!( u$ ''$ga%á a' pu(! más a! &$' p'a(! / 8/-N( !$! s$ &$a ca$% &$s&$ u(a a'u%a &$ 15 m$%!s 9!( uH M$'!ci&a& c!ca%á c!( $' su$'!; +/-N(a !'a &$sci$(&$ p!% u( p'a(! i(c'i(a&!, si pa%$ &$s&$ u(a a'u%a &$ 15 m$%!s 9cua' s$%á su M$'!ci&a& a' ''$ga% a 'a as$ &$' p'a(!; 10/-N( pH(&u'! !sci'a 'i%$m$($ si $' pu(! más a'! &$ 'a !sci'aci)( i$($ u(a a'u%a 30 cm más a'a u$ $' pu(! más a! 9!( uH M$'!ci&a& pasa%á p!% $' pu(! más a!; 11/-N( (i! $mpua $( u( su$'! !%i!(a' u(a caa aci$(&! s!%$ $''a u(a
Física y Química 4º ESO
115
14/-N(a g%#a $'$Ma u( cu$%p! &$ 300 kg &$ masa asa u(a a'u%a &$ 15 m$%!s 9QuH aum$(! &$ $($%gía m$cá(ica a%á a&ui%i&! $' cu$%p!; km 15/-N( au!m)Mi' &$ 1500 kg &$ masa ma%ca a u(a M$'!ci&a& &$ +0 <%$(a y %as %$c!%%$% 150 m$%!s s$ &$i$($ 9uá' a si&! 'a
Física y Química 4º ESO
116
T&'( 11. C(/+ *&'&+(*,+(. $uando tratamos de cuerpos macroscópicos además de las energía cintica * potencial de los mismos ha* "ue tener en cuenta la llamada energía interna cu*o origen son las energías cinticas * potenciales propias de las partículas. !sta energía se mani)iesta a ni+el macroscópico mediante los conocidos como )enómenos calorí)icos. Dos son los conceptos elementales para su estudio< la temperatura * el calor< "ue si bien en la +ida cotidiana suelen ser utiliados para dar cuenta de la misma idea desde el punto de +ista )ísico son di)erentes.
LA TEM%ERATURA. 8ara
comenar
el
estudio
de
la
temperatura lo haremos por cómo medirla. La medición de la temperatura hace necesario establecer una escala numrica "ue permita la comparación entre dos temperaturas< por raones históricas esta escala no es nica e&istiendo en la actualidad tres de amplio uso> ➢
La escala C&/)0,) -&*<+((< se uso habitual en nuestro país * otros europeos.
➢
La escala F(+&&0* de uso habitual en !!44<
➢
La escala &/?0< "ue es la escala cientí)ica por e&celencia.
Las escalas $elsius * (arenheit se constru*en asignando +alores numricos a unos puntos )i#os "ue se corresponde con la temperatura a la "ue ocurren ciertos )enómenos )ísicos. 6mbas escalas di)ieren en los +alores "ue se asignan a estos puntos )i#os. !n cuanto a la Oel+in su origen tiene "ue +er con el estudio de los gases * cobra su sentido )ísico cuando se correlaciona la temperatura con alguna propiedad Física y Química 4º ESO
117
microscópica de los sistemas.
RELACIÓN ENTRE CALOR TRANSFERIDO Y ARIACIÓN DE TEM%ERATURA. i ponemos en comunicación dos sistemas a di)erente temperatura al cabo de un tiempo el sistema "ue posee ma*or temperatura disminu*e su temperatura mientras "ue tiene menor temperatura la aumenta hasta "ue las temperaturas de ambos se igualan. !n este momento se dice "ue el con#unto se encuentra trmico.
en e"uilibrio
D) )0)*&'() 8,& )& &-,&*+( ( /( '0)'( *&'&+(*,+( )& &-,&*+( & &8,0/0:+0 *+'0-. 8odría pensarse "ue lo "ue ocurre es "ue un sistema cede temperatura al otro de )orma "ue< p!% ca&a g%a&! u$ &ismi(uya 'a $mp$%au%a &$ u( sis$ma aum$(a u( g%a&! 'a &$' !%! < pero esto no ocurre así. ealmente lo "ue se trans)iere no es directamente la temperatura es energía en )orma de calor< de )orma "ue cada unidad de energía en )orma de calor "ue cede un cuerpo es absorbida por el otro cuerpo. La +ariación de temperatura se debe a "ue los cuerpos cuando absorben calor aumentan su temperatura * cuando lo ceden la disminu*en< pero una misma cantidad de calor no pro+oca el mismo aumento de temperatura en todos los sistemas. La relación entre la cantidad de calor "ue cede o absorbe un cuerpo * lo "ue +aría su temperatura depende además de otros dos )actores ●
La masa del sistema.
●
La naturalea del sistema.
La relación numrica es W < −W i =
Q m c $
Donde el signi)icado de cada trmino es
Q = ca'!% as!%i&! !c$&i&! $s p!siiM!si s$ as!%$y ($gaiM! si s$ pi$%&$ W < =W$mp$%au%a
Física y Química 4º ESO
118
c $= ca'!% $sp$ci
ca(i&a& &$ ca'!% masa· Ma%iaci)( &$ $mp$%au%a
c $=
Q m W < −W i
e trata de una magnitud característica de las sustancias Hcada sustancia presenta un +alor determinado "ue podría utiliarse para distinguir una sustancia de otraI. u unidad en el ; es Ru'i! R = ki'!g%am!·k$'Mi( kg I
8or raones históricas para medir el calor se utilia otra unidad la caloría< "ue se de)ine como la cantidad de calor necesaria para "ue la temperatura de un gramo de agua a %$ se ele+e 1 %$. La e"ui+alencia entre #ulio * caloría es 1 R = 4,18 ca' L() ,0(&) -++&)0&*&) & &/ SI (+( -(( '(<0*, )
M(<0*,
4nidad correspondiente en el ;
9tras unidades
C(/+
=ulio H=I
$aloría
'()( C(/+ &)&-00-
Oilogramo HFgI
3ramo
R kg I
ca' g º
!"ui+alencias 1 caloría<1, #ulios 1 #ulio0<2 calorías 1Fg1000 g 1
ca' R = 4180 g º kg I
!l calor es una energía en tránsito de un sistema a otro< cu*a causa impulsora es la di)erencia de temperatura entre ambos sistemas.
EQUILI#RIO THRMICO. i se meclan dos sustancias a distinta temperatura al cabo de cierto tiempo la temperatura de ambos sistema se iguala alcanándose el e"uilibrio trmico< durante el proceso se ha producido una trans)erencia de energía en )orma de calor desde el cuerpo de ma*or temperatura al de menor temperatura siendo ambas cantidades de la misma magnitud. 8ara poner de mani)iesto "ue una de las cantidades se absorbe * la otra se cede se le asigna signo positi+o a la absorbida * negati+o a la cedida. a'!% as!%i&! p!% 'a susa(cia a=−ca'!% c$&i&! p!% 'a susa(cia
Física y Química 4º ESO
11+
i sustituimos la cantidad de calor por la e&presión Q= m c $ W < − W i "uedaría / =−/ 0 m c ' −' =−m 0 c 0 ' 0 −'
LA RELACIÓN ENTRE ENERGÍA THRMICA Y TEM%ERATURA. $omo *a hemos +isto cuando dos cuerpos están di)erentes temperaturas se trans)iere calor de uno a otro< ambos conceptos están mu* relacionados pero son distintos. 8odríamos comprender me#or su di)erencia mediante una simple analogía< si suponemos dos recipientes llenos de lí"uido al ponerlos en comunicación parte del lí"uido de un recipiente pasará al otro. !l tras+ase tendrá lugar en el sentido tal "ue pase lí"uido del recipiente en "ue el lí"uido alcance una ma*or altura hacia el "ue el lí"uido alcance una altura menor. !sto es independiente de la cantidad de lí"uido "ue ha* en cada recipiente pudiendo pasar lí"uido de un recipiente con menor cantidad de lí"uido a otro con ma*or cantidad de lí"uido. $on la temperatura * la energía trmica ocurre algo similar< la temperatura es una medida del ni+el de energía trmica de un cuerpo relacionándose con la energía cintica promedio de las
Física y Química 4º ESO
120
partículas "ue )orman el cuerpo. La energía trmica es la suma de todas las energía cinticas de las partículas de un cuerpo. $uando dos cuerpos con di)erentes temperaturas< di)erentes energía cinticas promedio se ponen en contacto el "ue tiene ma*or temperatura< cede parte de su energía trmica hasta "ue ambas temperaturas se igualan. 6l )inal las energías cinticas promedio se igualan< pudiendo ocurrir "ue la energía trmica se trans)iera desde el cuerpo "ue inicialmente tenía una menor cantidad hacia el "ue tenía una ma*or cantidad. !n resumen la V)uera impulsoraW para la trans)erencia de energía trmica de un cuerpo a otro es la di)erencia de ni+el de energía trmica no la cantidad de energía trmica< la energía trmica se trans)iere no desde el cuerpo "ue tiene más energía trmica al "ue tiene menos< sino desde el "ue tiene un ma*or ni+el de energía trmica al "ue tiene un menor ni+el.
CALOR Y CAM#IOS DE ESTADO. $uando un cuerpo absorbe o cede calor uno de los posibles e)ectos es la producción de cambios de estado de agregación. 8ara "ue tenga lugar un cambio de estado se debe alcanar una temperatura "ue es característica de cada sustancia. Las temperaturas a las "ue ocurren estos cambios de estado se denominan> T&'&+(*,+( & ,)0> para el cambio de estado de sólido a lí"uido. T&'&+(*,+( & &:,//0-0> para el cambio de estado de lí"uido a gas. Las obser+aciones realiadas muestran "ue los +-&)) & -(':0) & &)*( -,++& ( ,( *&'&+(*,+( -)*(*&B )0 /( ),)*(-0( 8,& ),+& &/ -(':0 & &)*( &) ,( ),)*(-0( ,+(< no ocurriendo así en cuando no se trata de meclas en la "ue la temperatura +aría durante el proceso de cambio de estado. La temperatura de )usión no se mu*
in)luenciada
por
las
condiciones en "ue se realia el proceso * es relati+amente )i#a por lo "ue es utiliada en Yuímica en la determinación cualitati+a de la naturalea de sustancias. La temperatura de ebullición depende ampliamente de la presión a la "ue se desarrolla el procesos de cambio de estado por lo "ue al darlas a su +e se indica la presión a la se Física y Química 4º ESO
121
ha medido. 6sí el agua hier+e a 100% $ a ni+el del mar * cuando nos ele+amos< por e#emplo subiendo a una monta?a su temperatura de ebullición disminu*e. !n los procesos de cambios de estado se absorbe o cede calor la cantidad de calor "ue se absorbe por una de masa se conoce como calor latente por unidad de masa * e&isten &/ -(/+ & ,)0> < =
Q Q * el -(/+ & ?(+0(-0> M = . m m
!n el cuadro se muestran los +alores de L) * L+ para di)erentes sustancias.
R $alor de +aporiación M kg
R kg
ustancia
$alor de )usión <
22,6·10 5
6luminio
8,6·10 5
$obre
2,0·105
13,4·10 5
8lomo
0,24·10 5
6cetona
5,2·10 5
Aierro
2,0·10 5
$loro)ormo
2,4·105
6gua
3,4·105
ustancia 6gua
6lcohol ter
4,0·10 5
MÁQUINAS THRMICAS. 4n tipo de má"uinas mu* importantes "ue trans)ieren energía son las '8,0() *+'0-()< en ellas se recibe la energía en )orma de calor * se trans)iere en )orma de traba#o. odas las má"uinas trmicas traba#an entre dos )ocos a distinta temperatura< uno el )oco caliente "ue cede calor< "ue se trans)orma parte en traba#o * se cede el resto al )oco )río. RENDIMIENTO DE UNA MÁQINA THRMICA !l rendimiento de una má"uina trmica se de)ine como el cociente entre la energía apro+echada en )orma de traba#o * el calor proporcionado al sistema J$(&imi$(!=
%aa! %$a'ia&! ·100 ca'!% p%!p!%ci!(a&!
!l ob#eti+o ltimo de una má"uina trmica es lograr "ue todo el calor "ue se cede del )oco caliente se con+ierta en traba#o pero esto no es posible< la naturalea impone límites solo es trans)ormable en traba#o una )racción. !sta imposibilidad
de poder
trans)ormar
la
totalidad del calor para producir traba#o mecánico Física y Química 4º ESO
122
conduce a lo "ue se conoce como &<+((-0> & /( &&+<(B -,( & , +-&) (+*& & /( &&+<( )& *+()0&+& & +'( & -(/+ &)*( &) )0:/& 8,& )&( +&-<0( + *+( '8,0( *+()+'(( **(/'&*& & *+(:(. e dice "ue la trans)erencia de energía en )orma de calor es menor calidad.
EL %RINCI%IO DE CONSERACIÓN DE LA ENERGÍA. 6nteriormente se ha mencionado la e&istencia de di)erentes )ormas de energía "ue se pueden intercon+ertir entre sí< en determinadas condiciones. 6demás es posible medir las distintas cantidades de cada )orma de energía< pues bien tal +e la propiedad más importante * de ma*ores implicaciones es el hecho de "ue la energía total se conser+e. 4n sistema es una porción del uni+erso "ue se elige de )orma arbitraria. !l sistema tendrá una )rontera mediante la cual interaccionará con el resto del uni+erso con el "ue intercambiará '(*&+0( &&+<(. i el sistema no intercambia materia es cerrado * si no intercambia materia ni energía es aislado. e han realiado multitud de obser+aciones e&perimentales de los más di+ersos sistemas )ísicos macroscópicos< no encontrándose nunca ningn sistema )ísico "ue incumpla el siguiente principio2 >
L( &&+<( **(/ & , )0)*&'( (0)/( &+'(&-& -)*(*&B 0 )& -+&( 0 )& &)*+,& )/('&*& )& *+()+'(. 4n sistema +aría su energía siempre por cesión o absorción de energía< hablándose de procesos e&oenergticos * endoenergticos. !sto aplicado a la situaciones cotidianas es lo "ue hace de la bs"ueda de )uentes de energía< una de las grandes necesidades de las sociedades especialmente la más desarrolladas. !l gran reto de las pró&imas generaciones será como proporcionar la energía necesaria para sus necesidades
2 La denominación de principio signi)ica "ue no es demostrable mediante ningn raonamiento< en ciencia se acepta su +alide por"ue no se ha obser+ado su incumplimiento en ninguna situación. Física y Química 4º ESO
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E$ERCICIOS 1/-a $mp$%au%a $( "u$Ma !%k $s &$ 50 ºF 9@ uH $mp$%au%a $( º $uiMa'$; 2/-9 @ uH $mp$%au%a $( I $uiMa'$( 40 º; 3/-N( 3/-N( $%m)m$%! c'í(ic! c'í(ic! ma%ca ma%ca $( sus $.%$m!s $.%$m!s 35º y 42º / Si '! g%a&uás$m!s g%a&uás$m!s $( ºF u$ Ma'!%$s s$ '$ &$$%ía c!'!ca%/ 4/-a''a% $' Ma'!% $( g%a&!s Fa%$($i &$ u(a $mp$%au%a &$ -5 º/ 5/-a''a% a uH $mp$%au%a $( º $uiMa'$( 400 I/ 6/-9QuH $mp$%au%a $s más $'$Ma&a 40ºF ! 10º; 7/-a'cu'a a uH $mp$%au%a $( k$'Mi( $uiMa'$( 80 ºF/ 8/-S$ p%!p!%ci!(a( a 450 g &$ i$%%! a 20º , 3000 R &$ $($%gía $(
$(
6gua
1,0
3licerina
2'0
Aelio
5220
6luminio
,-
a u(a u(a $mp $mp$% $%aau%a u%a &$ 120 120 º $(<%i (<%iá( á(&! &!ss$ asa asa u(a u(a
$obre
',-
$mp$%au%a &$ 30º/ E' ca'!% &$sp%$(&i&! p!% $' c!%$ $s
Aierro
752
as!%i&! p!% 500 g%am!s &$ agua a u(a $mp$%au%a &$ 10º
8lata
2'
9uá' $s 'a $mp$%au%a
8lomo
12-
13/-S$ i(%!&uc$ u( p$&a! &$ p'aa &$ 225 g%am!s a u(a
R &$ $($%gía $(
$mp$%au%a &$ 600 º $( u( a! &$ g'ic$%i(a cuya masa $s &$ 2000 2000 g a u(a u(a $mp$ $mp$%a %au%a u%a &$ 10º 10º / a ua ua(&! (&! 'a $mp$%au%a &$ 'a p'aa $s &$ 30º 9uH ca(i&a& &$ $($%gía $(
124
15/-S$ m$c'a( 40 kg &$ agua a 60 º c!( c!( 20 kg &$ agua a 5 º/ a'cu'a a'cu'a 'a $mp$%au%a
R A =2,26·106 R W $=100º kg·I M kg
5 R 21/-E 21/-E'' ca'! ca'!%% &$ Map! Map!%i %ia aci ci)( )( &$' &$' a'c! a'c!! !'' $s M =8,7+·10 9QuH ca(i&a& &$ ca'!% s$%á kg
W $=78º ($c$sa%ia pa%a $Map!%a% 10 g &$ a'c!!' a 78º ; W
22/-a' 22/-a'cu' cu'a% a% 'a ca(i ca(i&a& &a& &$ $($%gí $($%gíaa u$ s$ &$sp%$( &$sp%$(&$ &$ a' $(<%ia% $(<%ia% 3 kg &$ agua agua $( $sa&! $sa&! gas$!s! a 100 º asa -30 º; $ ( agua 'í)= 4180
R A ( agua s)' )= )= 2050 R M = 2,26·106 R > W $= 100º 100º A W < =0º $ kg·I kg·I kg
23/-9ua( 23/-9ua(!s !s u'i!s s$ &$$%á( p%!p!%ci!(a p%!p!%ci!(a%% a 1 W &$ i$%%! s)'i&! a 25 º &$ $mp$%au%a $mp$%au%a $ ( i$%%! s)' )=386 pa%a
R = 2,0·10 5 R A W =1356º kg·I M kg <
' $alorímetro> instrumento de laboratorio laboratorio utiliado para la medida de cantidades cantidades de calor calor trans)eridos. trans)eridos. Física y Química 4º ESO
125
Física y Química 4º ESO
126
T&'( 12. F&>'&) ,/(*+0). Los )enómenos )ísicos de la lu * el sonido son ambos de carácter ondulatorio. !n el caso del sonido< una onda material< en el caso de la lu una onda electromagntica. Las ondas
son
)enómenos
)ísicos
"ue
se
desplaan transportando energía pero sin producir transporte de materia. Las ondas de generan en un punto en el cual se produce una perturbación como puede ser una de)ormación en un medio elástico para el caso de las ondas materiales o bien un campo electromagntico para las ondas luminosas. !n la propagación de una onda material cada uno de las partículas del medio se mue+e con un mo+imiento +ibratorio a ambos lados de un punto central propio. Dependiendo de si esta +ibración es en la dirección de propagación de la onda o en dirección perpendicular se distinguen dos tipos de ondas las longitudinales * las trans+ersales. O() /<0*,0(/&) la dirección de +ibración de las partículas del medio es la misma "ue la de propagación de la onda. O() *+()?&+)(/&) la dirección de +ibración de las partículas del medio es perpendicular a la de propagación de la onda.
MAGNITUDES CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS Las propiedades características de las ondas son> %&+ TK> $ada punto del medio realia un mo+imiento +ibratorio cu*o p$%i!&! W $s igua' a' tiempo "ue emplea una cual"uiera de las partículas del medio en e)ectuar una oscilación completa. F+&-,&-0( K> !l nmero de +eces "ue realia un ciclo cada partícula del medio en la unidad de tiempo< es lo "ue se denomina )recuencia< magnitud relacionada con el período Física y Química 4º ESO
127
" 1
e mide en hertios HAI siendo un hertio e"ui+alente a una +ibración por segundo. 8or ello< tambin se utilia el s -1 como unidad para medir la )recuencia. L<0*, & (
> 4na onda armónica al propagarse origina el mo+imiento de las
partículas del medio "ue oscilan. i en un instante dado se sacara una )otogra)ía del aspecto "ue presenta el medio< por e#emplo una cuerda por la "ue se propaga una onda armónica< el resultado sería una línea sinusoidal "ue constitu*e el per)il de la onda en ese instante. e obser+a "ue e&isten puntos con la misma elongación * +elocidad< de los "ue se dice "ue están en )ase * "ue la distancia entre ellos se repite de )orma periódica. La distancia mínima entre los puntos en )ase es la longitud de onda
.
A'/0*, AK La amplitud representa el má&imo desplaamiento "ue e&perimenta una partí cula del medio respecto de su posición de e"uilibrio. !n el caso de ondas trans+ersales podíamos considerar "ue es la altura de la onda. &/-0( & ( ?K La +elocidad de propagación de una onda es la distancia "ue recorre la onda en la unidad de tiempo< depende e&clusi+amente de las propiedades )ísicas del medio de propagación * se relaciona con el período * la longitud de onda> &
"
REFLEIÓN Y REFRACCIÓN DE ONDAS $uando una onda alcana
la
super)icie
de
separación entre dos medios de distinta naturalea
se
pueden producir los )enómenos de re)le&ión
o
de
re)racción de la onda. !n el caso de la re)le&ión la onda rebota cambiando su dirección de propagación. !n el caso de la re)racción la onda sigue a+anando pero cambia su dirección propagación. 6mbos )enómenos son de gran importancia pues son la base de muchos )enómenos )ísicos. Física y Química 4º ESO
128
Las relación entre las direcciones con "ue llega la onda * continua despus es determinada por una le*es características
ONDAS SONORAS Las ondas sonoras son ondas mecánicas< necesitan un medio material elástico para su propagación "ue puede ser sólido< lí"uido o gaseoso. Las partículas materiales "ue transmiten tales ondas oscilan en la misma dirección de propagación de la onda. e trata pues de ondas longitudinales "ue podríamos imaginar como impulsos periódicos "ue se +an desplaando. 4n )rente de partículas empu#ará a las "ue se encuentran delante )renándose * retornando hacia atrás hasta "ue es +uelto a empu#ar hacia delante por el siguiente * así sucesi+amente. i se realiase una sucesión de )otogra)ías del medio se podría obser+ar como en cada momento e&isten onas de ma*or * menor densidad material< esta +ariaciones de densidad se desplaan a tra+s del medio de )orma "ue no e&iste un transporte neto de materia pero si un transporte de energía * momento lineal. MAGNITUDES CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS SONORAS
$omo toda onda las ondas sonoras tienen asociada una onda * una )recuencia. L( +&-,&-0( " +iene determinada por el nmero de )rentes de ondas "ue atra+iesan un punto del espacio en la unidad de tiempo. L( /<0*, & (
es la distancia entre dos puntos en el mismo estado de +ibración.
L( ?&/-0( & /( (
v
es el espacio "ue recorre un )rente de onda en la unidad de
tiempo. Las tres magnitudes guardan entre sí la relación M = < .
M&0 '(*&+0(/ 6ire H1% $I
LA ELOCIDAD DE %RO%AGACIÓN DE LAS ONDAS SONORAS
Papor de agua
La +elocidad de transmisión del sonido depende de la 6gua
8lomo
naturalea del medio material especialmente de su elasticidad< Pidrio su capacidad de recuperar el estado de e"uilibrio tras ser 6cero
&/-0( ')K '0 500 150 2000 5700 /000
sometido a una de)ormación. $uanto ma*or sea esta tendencia< a ma*or +elocidad se desplaa el sonido. La transmisión del sonido es más rápida en el agua "ue en el aire< por"ue sus partículas están mas #untas * esto origina ma*ores )ueras recuperadoras.
Física y Química 4º ESO
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ES%ECTRO DE LAS ONDAS SONORAS Las ondas sonoras se clasi)ican en tres tipos 9NHA: IN<5A:JNI8A: 9 IN<5A:9NIH9:7 cu*a )recuencia es menor de 20 A< las producen osciladores de grandes dimensiones. 4n e#emplo de estas se producen en los terremotos 9NHA: :JNI8A: 9 :9NIH9: > tienen )recuencias entre 20 A * 20000 A< clasi)icán dose a su +e en gra+es o agudos si su )recuencia se encuentra en la ona de ma*or o menor )recuencia. 9NHA: )65A:JNI8A: 9 )65A:9NIH9:7 su )recuencia es ma*or de 20000 A< pudindose llegar a )recuencias como 10, A . ienen aplicaciones en medicina Hecogra)íaI o en mediciones de pro)undidad entre otras. INTENSIDAD DE UNA ONDA SONORA La energía "ue transporta una onda por unidad de tiempo * área
se conoce como intensidad de onda. !n el caso de
ondas sonoras se utilia una unidad especial "ue además presenta un característica peculiar * es "ue se e&presa en una escala logarítmica. !sta unidad se conoce como &-0 :&/0 !l origen del uso de esta unidad se encuentra en "ue la re lación entre la intensidad má&ima "ue puede percibir un oído humano medio Hcuando la sensación de sonido pasa a ser de dolor auditi+oI * la del sonido más dbil sea de alrededor de u( i'')(, lo cual ha lle+ado a adoptar una escala comprimida HlogarítmicaI conocida como ni+el de intensidad sonora< cu*a unidad es el decibelio HdBI. !l oído humano percibe la intensidad de )orma similar a esta escala logarítmica. 6sí< mientras 20 dB es die +eces más in tenso "ue 10 dB< nosotros percibimos sólo el doble de +olumen sonoro. !n esta escala< 0 decibelios signi)ica el +alor de la intensidad más dbil "ue nuestros oídos pueden detec tar. 6 partir de a"uí< cada +e "ue la intensidad se multiplica por 10< se a?aden 10 decibelios al ni+el. 8or e#emplo< un sonido "ue e#erce una intensidad sonora 1.000 +eces más grande "ue otro tendrá un ni+el de intensidad sonora '0 decibelios ma*or. $omo regla una Física y Química 4º ESO
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subida de ' dB e"ui+ale a multiplicar por 2 la intensidad sonora. 6sí "ue 5' dB representa $' &!'$ &$ i($(si&a& "ue 50 dB. 8ara hacernos una idea en la tabla puedes comparar distintos ni+eles de intensidad sonora< con )enómenos cotidianos.
9tro dato interesante es como disminu*a la intensidad de la onda al ale#arnos del )oco< cada +e "ue nos distanciamos el doble de lo "ue estábamos de una )uente sonora< el ni+el de intensidad sonora ba#a / dB. %ERCE%CIÓN DE ONDAS SONORAS %OR EL OÍDO Los seres humanos con la +ariaciones indi+iduales son capaces de captar las ondas sonoras cu *as )recuencias se encuentran entre 20 A * 20000 A. !l órgano "ue capta los sonidos para "ue posteriormente sean procesados en el cerebro es el oído "ue se di+ide en tres partes. O &;*&+> $omprende el pabellón auricular o auditi+o la Vore#aW Hlóbulo e&terno del oí doI * el conducto auditi+o e&terno< "ue mide tres centímetros de longitud. !l conducto auditi+o medio posee pelos * glándulas secretoras de cera. u )unción es canaliar * dirigir las ondas sonoras hacia el oído medio. O '&0 !s un conducto estrecho "ue se e&tiende unos "uince milímetros en un recorrido +ertical * otros "uince en recorrido horiontal !s hueco< * está lleno de aire< limitando de un lado por el tímpano * del otro por la +entana o+al * la +entana redonda< "ue lo comunican con el oído interno. !stá en comunicación directa con la nari * la garganta a tra+s de la trompa de !usta"uio< "ue permite la entrada * la salida de aire del oído medio para e"uili brar las di)erencias de presión entre ste * el e&terior. !n su interior ha* una cadena )ormada por cuatro huesos pe"ue?os * mó+iles HhuesecillosI "ue lo atra+iesa. !stos cuatro huesos reciben los nombres de martillo< *un"ue< lenticular * estribo * sir+en para transmitir las +ibraciones del tímpano al oído interno.
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O 0*&+ !l oído interno o laberinto se encuentra en el interior del hueso temporal "ue contiene los órganos auditi+os * del e"uilibrio< "ue están iner+ados por los )ilamentos del ner +io auditi+o. !stá lleno de lí"uido * tiene tres ca+idades> &/ ?&)*:,/< di+idido en dos partes< utrículo * sáculoG /) *+&) -((/&) )&'0-0+-,/(+&)< órgano del sentido del e"uilibrio< Hllenos de endolin)aIG * &/ -(+(-/ ->-/&(< largo tubo arrollado en espiral donde se encuentran las clulas receptoras de los sonidos< pro+istas de cilios< cada una de las cuales está adaptada para la recepción de sonidos de un tono determinado. Las )ibras ner+iosas "ue salen del caracol * de los canales semicirculares se renen para )ormar el ner+io acstico< "ue sale del sáculo por un tubo "ue atra+iesa el hueso temporal hasta la ca+idad craneana. !l oído humano presenta uno rango de audición "ue depende de la )recuencia de la onda sonora * de su intensidad. !l rango má&imo de audición inclu*e )recuencias de sonido desde 1/ hasta 2,.000 ciclos por segundo. !l menor cambio de tono "ue puede ser captado por el oído +aría en )unción del tono * del +olumen. Los oídos humanos más sensibles son capaces de detectar cambios en la )recuencia de +ibración HtonoI "ue correspondan al 0<0' de la )recuencia original< en el rango comprendido entre 500 * ,.000 +ibraciones por segundo. !l oído es menos sensible a los cambios de )recuencia si se trata de sonidos de )recuencia o de intensidad ba#as. La sensibilidad del oído a la intensidad del sonido H+olumenI tambin +aría con la )recuencia. La sensibilidad a los cambios de intensidad es ma*or entre los 1.000 * los '.000 ciclos< de manera "ue se pueden detectar
cambios de un decibelio. !sta
sensibilidad es menor cuando se reducen los ni+eles de intensidad de sonido. EL ECO Y LA REER#ERACIÓN !l eco es una repetición del sonido< producido por la re)le&ión del sonido en un ob#eto< por lo tanto un eco es una onda sonora re)le#ada. !l
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inter+alo de tiempo entre la emisión * la repetición del sonido corresponde al tiempo "ue tardan las ondas en llegar al obstáculo * +ol+er. 3eneralmente el eco es de representación dbil por"ue no todas las ondas del sonido original se re)le#an. Los ecos escuchados en las monta?as se producen cuando las ondas sonoras rebotan en gran des super)icies ale#adas más de '0 m de la )uente. L( +&?&+:&+(-0> es la persistencia del sonido tras la e&tinción de la )uente sonora debido a las mltiples ondas re)le#adas "ue conti nan llegando al oído. !s la continua +uelta del sonido causada por e)ectos de acstica ambiental. !l sonido producido en una habitación normal se +e algo modi)icado por las re+erberaciones debidas a las paredes * los mueblesG por esta raón< un estudio de radio o tele+isión debe te ner un grado de re+erberación moderado para conseguir una reproducción natural del sonido. 8ara lograr las me#ores cualidades acsticas< las salas deben dise?arse de )orma "ue re)le#en el sonido lo su)iciente para proporcionar una calidad natural< sin "ue introducan una re+erberación e&cesi+a en ninguna )recuencia< sin "ue pro+o"uen ecos no naturales en determinadas )recuencias * sin "ue producan inter)erencias o distorsiones no deseables. !l tiempo "ue necesita un sonido para disminuir su intensidad original un millón de +eces se denomina tiempo de re+erberación. 4n tiempo de re+erberación apreciable me#ora el e)ecto acstico< especialmente para la msicaG en un auditorio< un sonido intenso debe oírse ligerísi mamente durante uno o dos segundos despus de "ue su )uente ha*a de#ado de emitirlo. !l tiempo de re+erberación de un ambiente depende de la absorción de sus elementosG cuando son mu* absorbentes< el tiempo es pe"ue?o * se dice "ue la sala es sorda. i los elementos son re)lectores< el tiempo es mu* grande * los sonidos se percibirán entremeclados * con)u sosG entonces de dice "ue la sala es resonante. La re+erberación determina la buena acstica de un ambiente. u eliminación se logra recubriendo las paredes de materiales< como corcho o mo"ueta< "ue absorben las ondas sonoras e impiden la re)le&ión.
LA LUZ La lu es una onda electromagntica "ue se pr opaga sin necesidad de un medio material< siendo esta una di)erencia )undamental con las ondas sonoras "ue si necesitan un medio material para propagarse. La lu "ue +emos tiene su origen bien emitida por ob#etos o bien al ser re)le#ada por otros ob#etos. 4na de las propiedades )undamentales de la lu es su color. Los colores de la lu pueden bien básicos o bien originados por meclas de colores básicos. La lu blanca es una mecla de toso los colores. !n el dibu#o se muestra la relación entre cada color * su longitud de onda. !l "ue la lu banca sea una mecla de colores da lugar al )enómeno Física y Química 4º ESO
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conocido como dispersión de la lu e e&plica por"ue el índice de re)racción de un medio transparente es di)erente para cada una de las longitudes de onda < siendo menor cuanto ma*or sea la longitud de onda considerada. $uando un ra*o de lu blanca atra+iesa un prisma óptico< el ángulo de des+iación de cada radiación será di)erente< siendo el ma*or el de la lu +ioleta * el menor el de la lu ro#a !s este )enómeno el causante de la )ormación del arco iris< cuando los ra*os de lu solar atra+iesan las gotas de agua. 8uede obser+arse cuando llue+e * el ol se encuentra a nuestra espalda. LA ELOCIDAD DE LA LUZ Y EL ÍNDICE DE REFRACCIÓN Durante
muchos siglos se
dudó
entre la
posibilidad de "ue la lu +ia#ara de )orma instantánea o "ue su +elocidad< siendo mu* ele+ada< )uera )inita. Ao* en día sabemos "ue esto no es correcto< la +elocidad de la lu mu* grande pero es in)inita. La +elocidad de la lu no es igual en todos los medios en "ue se puede propagar. !l medio en "ue se propaga con ma*or +elocidad es el +acío donde su
Í0-&) & +&+(--0> & (/ <,) '&0) +&)&-* &/ ?(- KGE3 A . M&0 A0+& " CK 1B"""3 A<,(
1B333
+elocidad es de '00000 FmXs< en otros medios transparentes su +elocidad es menor.
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1B45!
D0('(*&
2B417
4na propiedad característica de cada medio transparente es su es
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una propiedad característica es el índice de re)racción del medio "ue
N(C/
1B544
se de)ine como el cociente entre la +elocidad de la lu en el +acío * la +elocidad de la lu en ese medio. e representa por la letra ( . (=
c M
!l índice de re)racción de una sustancia depende además de la longitud de onda de la lu "ue incida en esa sustancia.
EL O$O @UMANO !l o#o es el órgano sensorial "ue capta la lu. !n el caso del o#o humano se trata de un órgano mu* e+olucionado * comple#o. La estructura "ue lo contiene se denomina globo
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ocular< está alo#ado en la órbita ciliar en la cara< tiene )orma apro&imadamente es)rica< de unos 2<5 cm de diámetro< * está constituido por tres capas di)erentes< la esclerótica< la coroi des * la retina. !n la parte )rontal se encuentra la cornea "ue es una estructura transparente por donde pa sará la lu< tras ella está el iris< un dia)ragma circular de radio a#ustable * "ue permite controlar la cantidad de lu "ue accede a interior del o#o. !l globo ocular está di+idido en dos cámaras< separadas por una estructura elástica * transparente llamada cristalino< "ue está situada inmediatamente detrás del iris * su#eta por sus e&tremos al globo ocular mediante los msculos ciliares "ue< segn la presión "ue e#ercen< hacen "ue el cristalino se cur+e más o menos +ariando así su radio de cur+atura. La cámara anterior contiene el humor acuoso< * la cámara posterior la ocupa una sustancia gelatinosa "ue es el humor +ítreo. !n la parte mas interna de o#o se encuentra la retina en donde se encuentran la clulas capaces de captar la lu< los conos * bastones * producir los impulsos ner+iosos "ue son en+iados a una ona del cerebro conocida como cortea +isual< mediante el ner+io óptico para "ue elabore las percep ciones +isuales "ue percibimos. La retina tiene una ligera depresión< la )ó+ea< "ue es la ona de má&ima sensibilidad * tiene conos e&clusi+amente< de )orma "ue< al mirar un punto< el o#o se orienta para "ue en ella se )orme la imagen. 9tra estructura )undamental es el llamado punto ciego es el punto donde con+ergen las tres capas * de donde parte el ner+io óptico. EL O$O Y LA ISIÓN !l o#o humano solo permite una correcta +isión cuando se en)oca la imagen en la retina. 8uesto "ue los ob#etos "ue deseamos +er se pueden encontrar a di)erentes distancias< la lente del o#o< el cristalino< posee la propiedad llamada acomodación<
puede
alterar
su
espesor
*
)orma<
modi)icando su distancia )ocal para en)ocar los ra*os e&teriores sobre la super)icie de la retina< al mismo tiempo "ue la pupila se abre o se cierra dependiendo de la luminosidad. !sta +ariación de la distancia )ocal es un proceso in+oluntario "ue realian los msculos ciliares * "ue tiene límites< son los llamados puntos pró&imo * remoto< todo ob#eto "ue se encuentre entre ambos puntos podrá se en)ocado en la retina. !l punto pró&imo< es el punto más cercano al o#o "ue puede +erse con nitide< +aría de unas personas a otras * con la edad> para un adulto es de unos 25 cm< para un ni?o de 10 a?os es de unos 7 cm * a partir de los 5 a?os apro&imadamente se +a ale#ando. !l punto remoto para un o#o normal está en el in)inito.
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DEFECTOS DE LA ISIÓN on
muchas
las
ocasiones
en "ue el )uncionamiento
incorrecto de un
órgano nos permite a+an ar en la comprensión de su )uncionamiento. !n el caso de la +ista< dos sus de)ectos nos pueden permitir comprender me#or el mecanismo de la +isión la
miopía
*
la
hipermetropía. La miopía consiste en la de)iciente +isión de los ob#etos le#anos< aparecen borrosos< no ha* un correcto en)o"ue de la imagen. !l problema se debe a "ue la imagen se )orma no en la retina sino en una posición anterior a sta. u corrección se hace interponiendo una lente di+ergente de potencia adecuada. !n la hipermetropía e&iste una +isión de)iciente de los ob#etos cercanos. !l problema consiste ahora en "ue la imagen se )orma detrás de la retina. u corrección se hace mediante una lente con+ergente de potencia adecuada.
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