INSTITUCION EDUCATIVA PABLO SEXTO DOSQUEBRADAS - RISARALDA “UNA PERSONA CON MENTALIDAD DE CAMBIO” AREA CIENCIAS NATURALES Y DEL MEDIO AMBIENTE Guía de materia y energía Grado octavo 1. Indicadores de Desempeño (Desempeño). -
Lleva todos los materiales que necesita para la clase. Presta atención a las explicaciones dadas por el profesor en clase. Interpreta graficas propias de la asignatura. Saca conclusiones acertadas de los conceptos vistos durante la clase. Analiza, interpreta y aplica correctamente los temas estudiados. Define los diferentes estados y cambios que sufre la materia. Reconoce y utiliza adecuadamente los materiales de laboratorio para la realización de prácticas. Resuelve ejercicios de conversión de unidades. Elabora e interpreta mapas conceptuales Identifica las unidades de temperatura y su conversión Realiza cálculos químicos. Compara masa, peso, cantidad de sustancia de diferentes materiales. Verifica las diferencias entre cambios químicos y mezclas.
Temas: Notación científica Unidades de medida de masa, volumen, cantidad de materia, Conversión de unidades de medida Calor y temperatura Unidades de temperatura y conversiones Reacciones químicas y ecuaciones químicas Balanceo de ecuaciones químicas. Formula mínima, molecular y cálculos porcentuales. MATERIA Y ENERGÍA Materia, en ciencia, término general que se aplica a todo lo que ocupa espacio y posee los atributos de gravedad e inercia. En la física clásica, la materia y la energía se consideraban dos conceptos diferentes que estaban detrás de todos los fenómenos físicos. Los físicos modernos, sin embargo, han demostrado que es posible transformar la materia en energía y viceversa, con lo que han acabado con la diferenciación clásica entre ambos conceptos. Sin embargo, al tratar numerosos fenómenos —como el movimiento, el comportamiento de líquidos y gases, o el calor— a los científicos les resulta más sencillo y práctico seguir considerando la materia y la energía como entes distintos. Ciertas partículas elementales se combinan para formar átomos, que a su vez se combinan para formar moléculas. Las propiedades de las moléculas individuales y su distribución y colocación proporcionan a las distintas formas de materia sus cualidades, como masa, dureza, viscosidad, color, sabor o conductividad eléctrica o calorífica, entre otras. En filosofía, la materia ha sido generalmente considerada como la base constituyente del mundo físico, aunque algunos filósofos de la escuela del idealismo, como el irlandés George Berkeley, han negado que la materia exista con independencia de la mente.
Energía, capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. La radiación electromagnética posee energía que depende de su frecuencia y, por tanto, de su longitud de onda. Esta energía se comunica a la materia cuando absorbe radiación y se recibe de la materia cuando emite radiación. La energía asociada al movimiento se conoce como energía cinética, mientras que la relacionada con la posición es la energía potencial. Por ejemplo, un péndulo que oscila tiene una energía potencial máxima en los extremos de su recorrido; en todas las posiciones intermedias tiene energía cinética y potencial en proporciones diversas. La energía se manifiesta en varias formas, entre ellas la energía mecánica. Todas las formas de energía pueden convertirse en otras formas mediante los procesos adecuados. En el proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma total permanece constante. Un peso suspendido de una cuerda tiene energía potencial debido a su posición, puesto que puede realizar trabajo al caer. Una batería eléctrica tiene energía potencial en forma química. Un trozo de magnesio también tiene energía potencial en forma química, que se transforma en calor y luz si se inflama. Al disparar un fusil, la energía potencial de la pólvora se transforma en la energía cinética del proyectil. La energía cinética del rotor de una dinamo o alternador se convierte en energía eléctrica mediante la inducción electromagnética. Esta energía eléctrica puede a su vez almacenarse como energía potencial de las cargas eléctricas en un condensador o una batería, disiparse en forma de calor o emplearse para realizar trabajo en un dispositivo eléctrico. Todas las formas de energía tienden a transformarse en calor, que es la forma más degradada de la energía. En los dispositivos mecánicos la energía no empleada para realizar trabajo útil se disipa como calor de rozamiento, y las pérdidas de los circuitos eléctricos se producen fundamentalmente en forma de calor. Las observaciones empíricas del siglo XIX llevaron a la conclusión de que aunque la energía puede transformarse no se puede crear ni destruir. Este concepto, conocido como principio de conservación de la energía, constituye uno de los principios básicos de la mecánica clásica. Al igual que el principio de conservación de la materia, sólo se cumple en fenómenos que implican velocidades bajas en comparación con la velocidad de la luz. Cuando las velocidades se empiezan a aproximar a la de la luz, como ocurre en las reacciones nucleares, la materia puede transformarse en energía y viceversa. En la física moderna se unifican ambos conceptos, la conservación de la energía y de la masa. Densidad, masa de un cuerpo por unidad de volumen. En ocasiones se habla de densidad relativa que es la relación entre la densidad de un cuerpo y la densidad del agua a 4 °C, que se toma como unidad. Como un centímetro cúbico de agua a 4 °C tiene una masa de 1 g, la densidad relativa de la sustancia equivale numéricamente a su densidad expresada en gramos por centímetro cúbico. La densidad puede obtenerse de varias formas. Por ejemplo, para objetos macizos de densidad mayor que el agua, se determina primero su masa en una balanza, y después su volumen; éste se puede calcular a través del cálculo si el objeto tiene forma geométrica, o sumergiéndolo en un recipiente calibrando, con agua, y viendo la diferencia de altura que alcanza el líquido. La densidad es el resultado de dividir la masa por el volumen. Para medir la densidad de líquidos se utiliza el densímetro, que proporciona una lectura directa de la densidad. Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico. El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observación de que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición. En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes, el calor fluye del más caliente al más frío hasta que sus temperaturas sean idénticas y se alcance el equilibrio térmico. Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes: la temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. Los cambios de temperatura tienen que medirse a partir de otros cambios en las propiedades de una sustancia. Por ejemplo, el termómetro de mercurio convencional mide la dilatación de una columna de mercurio en un capilar de vidrio, ya que el cambio de longitud de la columna está relacionado con el cambio de temperatura. Si se suministra calor a un gas ideal contenido en un recipiente de volumen constante, la presión aumenta, y el cambio de temperatura puede determinarse a partir del cambio en la presión según la ley de Gay-Lussac, siempre que la temperatura se exprese en la escala absoluta.
ESCALAS DE TEMPERATURA Una de las primeras escalas de temperatura, todavía empleada en los países anglosajones, fue diseñada por el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit. Según esta escala, a la presión atmosférica normal, el punto de solidificación del agua (y de fusión del hielo) es de 32 °F, y su punto de ebullición es de 212 °F. La escala centígrada o Celsius, ideada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en casi todo el mundo, asigna un valor de 0 °C al punto de congelación del agua y de 100 °C a su punto de ebullición. En ciencia, la escala más empleada es la escala absoluta o Kelvin, inventada por el matemático y físico británico William Thomson , lord Kelvin. En esta escala, el cero absoluto, que está situado en -273,15 °C, corresponde a 0 K, y una diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un grado en la escala centígrada. EFECTOS DE LA TEMPERATURA La temperatura desempeña un papel importante para determinar las condiciones de supervivencia de los seres vivos. Así, las aves y los mamíferos necesitan un rango muy limitado de temperatura corporal para poder sobrevivir, y tienen que estar protegidos de temperaturas extremas. Las especies acuáticas sólo pueden existir dentro de un estrecho rango de temperaturas del agua, diferente según las especies. Por ejemplo, un aumento de sólo unos grados en la temperatura de un río como resultado del calor desprendido por una central eléctrica puede provocar la contaminación del agua y matar a la mayoría de los peces originarios. Los cambios de temperatura también afectan de forma importante a las propiedades de todos los materiales. A temperaturas árticas, por ejemplo, el acero se vuelve quebradizo y se rompe fácilmente, y los líquidos se solidifican o se hacen muy viscosos, ofreciendo una elevada resistencia por rozamiento al flujo. A temperaturas próximas al cero absoluto, muchos materiales presentan características sorprendentemente diferentes. A temperaturas elevadas, los materiales sólidos se licúan o se convierten en gases; los compuestos químicos se separan en sus componentes. La temperatura de la atmósfera se ve muy influida tanto por las zonas de tierra como de mar. En enero, por ejemplo, las grandes masas de tierra del hemisferio norte están mucho más frías que los océanos de la misma latitud, y en julio la situación es la contraria. A bajas alturas, la temperatura del aire está determinada en gran medida por la temperatura de la superficie terrestre. Los cambios periódicos de temperatura se deben básicamente al calentamiento por la radiación del Sol de las zonas terrestres del planeta, que a su vez calientan el aire situado por encima. Como resultado de este fenómeno, la temperatura disminuye con la altura, desde un nivel de referencia de 15 °C en el nivel del mar (en latitudes templadas) hasta unos -55 °C a 11.000 m aproximadamente. Por encima de esta altura, la temperatura permanece casi constante hasta unos 34.000 m. (En cuanto al índice de temperatura-humedad). TRABAJO EN GRUPO
1.
Enuncie la interpretación o significado que tiene para usted cada término que se presenta en el cuadro No 1. Formule al menos tres ejemplos para cada uno.
2.
Establezca relación y/o diferencias entre los términos presentados en el cuadro No 1. Agrúpelos, si es necesario.
3.
Con sus palabras, construya un documento que involucre algunos de los términos mencionados en el cuadro No 1. Presente un documento relacionado con el tema de materia y energía en el que usted a resaltado términos mencionados en el cuadro No 1. Cuadro No 1 Materia Masa Peso
Energía Energía cinética Energía Potencial
Sustancia
Tipos de Energía
Elemento
Proceso endotérmico Proceso exotérmico
Compuesto 4.
Cambio Físico Propiedad Física Cambio químico
Sustancia pura Sustancia impura Mezcla homogénea Propiedad química Mezcla heterogénea Propiedad Calor intensiva Propiedad Temperatura extensiva
El sodio metálico Na, cloruro de sodio NaCl, aceite de cocina CxHyOz, agua H2O, anhídrido carbónico CO2 y nitrógeno N2 son sustancias químicas. Basándose en sus propiedades físicas o químicas: a.
Diga el estado en el que esperaría encontrar cada una de esas sustancias cuando una pequeña cantidad es colocada en un recipiente sellado de gran volumen y es sometida a una temperatura de 120 K. Repita el ejercicio usando 223 K, 273 K, 293 K, 373 K y 1273 K. Sustente su respuesta.
b.
Forme grupos de a dos y tres sustancias. Diga el tipo de mezcla que se produce e identifique cambios físicos y/o químicos que se puedan presentar cuando cada de los grupos obtenidos es sometido a la temperatura de 120 K. Repita el ejercicio usando 223 K, 273 K, 293 K, 373 K y 1273 K. Sustente su respuesta.
5.
Clasifique cada una de las siguientes sustancias químicas como elemento compuesto o mezcla. Justifique su respuesta. Azúcar disuelto en agua, Plata, pasta de dientes, carbonato de calcio, palomitas de maíz, aire, hierro, bronce, sal, azufre, gasolina, oxigeno y grasa.
6.
Basándose en objetos que rodean su vida cotidiana de ejemplos de sustancias que sean elementos, compuestos y mezclas.
7.
¿Cuáles de los siguientes procesos son exotérmicos?, ¿cuales endotérmicos?, combustión, congelación del agua, fusión del agua, ebullición del agua y condensación del vapor.
8.
¿Cual, de dos recipientes con diferente cantidad de agua que se calientan con la misma intensidad hervirá primero?. Explique su respuesta.
9.
Para cada oración que se presenta indique si es falsa o verdadera y justifique su respuesta: a.
Las sustancias químicas poseen energía, si esto es cierto, entonces, podemos considerarla como energía potencial.
b.
El análisis dimensional es un método matemático utilizado para establecer magnitudes y unidades. Justifique su respuesta.
c.
Los científicos escriben los números en forma exponencial para abreviar su escritura.
d.
Los datos utilizados en el desarrollo de experimentos pueden ser exactos y poco precisos.
e.
Los cambios o transformaciones de la materia suelen ir acompañados por cambios de energía.
f.
Los cambios o transformaciones que se dan en la naturaleza suelen darse en un solo sentido, el hielo siempre se derrite, la pólvora se quema.
g.
El azúcar es una sustancia pura por que esta formada por la misma clase de moléculas.
h.
La densidad es una propiedad extensiva por que depende de la cantidad de sustancia presente.
i.
Los cambios físicos son cambios reversibles, mientras que los cambios químicos no.
10.
Una sustancia sólida blanca A se calienta intensamente en ausencia de aire y se descompone para formar una nueva sustancia blanca B y un gas C. El gas tiene exactamente las mismas propiedades que el producto que se obtiene cuando se quema carbono en exceso de oxigeno. ¿ Que podemos decir acerca de si los sólidos A y B y el gas C son elementos o compuestos?.
11.
Una persona, al estudiar las propiedades de una sustancia química desconocida X, obtiene los siguientes resultados: A temperatura ambiente es un sólido. Posee punto de fusión alrededor de 200 oC. Forma una solución coloreada cuando se coloca en agua. Se obtiene más de un producto por electrolisis. Al calentarla en presencia de aire se forma un sólido blanco. Basado en los datos obtenidos, el investigador afirma que la sustancia desconocida es un elemento. Indica si crees correcta esta conclusión y explica tus razones. TRABAJO INDIVIDUAL
1.
Un termómetro Fahrenheit y otro Celsius se introducen en un mismo sistema cuya temperatura se quiere medir. En los siguientes casos, ¿A qué temperatura Celsius, corresponde una lectura numérica en el termómetro Fahrenheit? a. Igual que la del termómetro Celsius. b. Dos veces la del termómetro Celsius. c. una octava parte la del termómetro Celsius. d. 300 o más alta que la del termómetro Celsius.
2.
Juan inventa una escala de temperatura que va desde los 30 grados como punto de fusión y 90 grados como punto de ebullición. Si tengo 20 grados Celsius a cuantos grados Juan corresponden?.
3.
Si tengo una cadena de plata que pesa 30 gramos y cuesta 30000 pesos. Cuánto vale un mililitro de plata?. (Consulte la densidad de la plata en la tabla periódica). Reacción química Una reacción química, cambio químico o fenómeno químico, es todo proceso termodinámico en el cual una o más sustancias (llamadas reactantes), por efecto de un factor energético, se transforman, cambiando su estructura molecular y sus enlaces, en otras sustancias llamadas productos. Esas sustancias pueden ser elementos o compuestos la representación simbólica de las reacciones se les llama ecuaciones químicas.
Tipos de reacciones . Podemos clasificarlas de acuerdo al tipo de productos que resulta de la reacción. En esta clasificación entran las reacciones de síntesis (combinación), descomposición, de sustitución simple, de sustitución doble: Nombre
Reacción de síntesis
Descripción Elementos o compuestos sencillos que se unen para formar un compuesto más complejo.
Representación A+B → AB Donde A y B representan cualquier sustancia química.
La siguiente es la forma general Un ejemplo de este tipo de que presentan este tipo de reacción es la síntesis del reacciones: cloruro de sodio: AB → A+B Reacción de descomposición
Reacción de desplazamiento o simple sustitución
Reacción de doble desplazamiento o doble sustitución
•
Ejemplo
2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s)
Un compuesto se fragmenta en Donde A y B representan elementos o compuestos más 2H2O(l) → cualquier sustancia química. sencillos. En este tipo de 2H2(g) + reacción un solo reactivo se O2(g) Un ejemplo de este tipo de convierte en zonas o productos. reacción es la descomposición del agua: A + BC → AC + B Donde A, B y C representan cualquier sustancia química. Un elemento reemplaza a otro en un compuesto.
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Un ejemplo de este tipo de reacción se evidencia cuando el Cu hierro(Fe) desplaza al cobre(Cu) en el sulfato de cobre (CuSO4): AB + CD → AD + BC
Los iones en un compuesto Donde A, B, C y D representan NaOH + cambian lugares con los iones cualquier sustancia química. HCl → de otro compuesto para formar NaCl + H2O dos sustancias diferentes. Veamos un ejemplo de este tipo de reacción:
BALANCEO DE ECUACIONES
Balancear una ecuación es realmente un procedimiento de ensayo y error, que se fundamenta en la búsqueda de diferentes coeficientes numéricos que hagan que el numero de cada tipo de átomos presentes en la reacción química sea el mismo tanto en reactantes como en productos Hay varios métodos para equilibrar ecuaciones : 1. MÉTODO DEL TANTEO O INSPECCIÓN Este método es utilizado para ecuaciones sencillas y consiste en colocar coeficientes a la izquierda de cada sustancia, hasta tener igual número de átomos tanto en reactantes como en productos. EJEMPLO:
N2
+
H2
→
NH3
En esta ecuación hay dos átomos de nitrógeno en los reactantes, por tanto se debe colocar coeficiente 2 al NH3, para que en los productos quede el mismo número de átomos de dicho elemento. N2
+
H2
→
2NH3
Al colocar este coeficiente tenemos en el producto seis átomos de hidrógeno; para balancearlos hay que colocar un coeficiente 3 al H2 reactante : N2
+
3H2
→
2NH3
La ecuación ha quedado equilibrada. El número de átomos de cada elemento es el mismo en reactivos y productos.
Calculo de Fórmulas Empíricas y Moleculares A partir de la composición centesimal de un compuesto químico podemos determinar su formula empírica. La fórmula molecular se obtiene a partir de la empírica utilizando la masa molecular del compuesto, que puede determinarse mediante la espectrometría de masas. Determinación de la fórmula empírica y molecular de la cortisona La composición centesimal de la cortisona es: 69,96 % de C; 7,83 % de H y 22,21 % de O. Determinar la fórmula empírica. Sabiendo que la masa molecular es 360,43 obtener la fórmula molecular. 1. Dividir los porcentajes en masa por la masa atómica del elemento. C:69,96/12,01=5,825; H:7,83/1,008=7,768;O:22,217/16,00=1,388 2. Dividir los resultados anteriores entre el más pequeño. C:5,825/1,388=4,20;H:7,768/1,388=5,60;O:1,388/1,388=1 3. Si los valores anteriores no son enteros se multiplican por un factor que lo convierta en enteros. En este caso el factor es 5. C:4,20×5=21;5,60×5=28;1×5=5 4. Escribimos la fórmula empírica (C21H28O5)n El parámetro n se determina dividiendo la masa molecular del compuesto entre la masa molecular de la fórmula empírica n=360,4321×12,01+28×1,008+5×16,00=1 5. Escribimos la fórmula molecular C21H28O5 Existen miles de moléculas que cumplen la fórmula anterior (isómeros). Los espectros (IR, RMN) permiten determinar cual de esas moléculas corresponde a la cortisona. ACTIVIDAD: BALANCEA Y CLASIFICA LAS SIGUIENTES ECUACIONES Sabes que es necesario ser perseverante, no te desanimes si no puedes a la primera vez, inténtalo, cuantas veces sea necesario. 1) Mg + O2 ___ MgO
2) Na + H2O _____ NaOH 3) Mg + N2 ____ Mg3N2 4) MnO2 + Al ____ Al2O3 + Mn 5) H2 O ____ H2 + O2 6) Ca + O2 ___ CaO 7) P4O10 + H2O _____ H3PO4 8) Ca + N2 ____ Ca3N2 9) CdCO3 ____ CdO + CO2 10) C2H6 O + O2 ____ CO2 + H2O ACTIVIDAD 1. Hallar el número de moles, átomos y gramos presentes en: a. 7 g Ca b. 8,5 g S 2. Hallar el Número de moles presentes en: a. 20 g C b. 8,4 g Al c. 3,5 g Si
d. 5,3 g Ni
3. Cuál es el peso en gramos de un átomo de: a. Cu b. Fe c. Au d. Ag e. Hg 4. El peso molecular (PM ó M): Es la suma total de los pesos atómicos de los elementos que forman parte de la molécula. Ej. Hallar el peso molecular de: a. H2SO4 b. Al2(SO4) 2 a. H2SO4 H= 1gx2= 2g S = 32 g x 1 = 32 g O = 16 g x 4 = 64 g 98 g ∕ mol
b. Al2(SO4)3 Al = 26,981 g x 2 = 53,962 g S = 32,064 g x 3 = 96,192 g O = 15,999 g x 12 = 191,988 g 342,142 g ∕ mol
ACTIVIDAD Hallar el peso molecular de los siguientes compuestos: a. HNO3 b. Ca(OH)2 c. NaHCO3 d. C12H22O11 g. CaO h. CaH2 i. H2O2
e. K2Cr2O7
f. Ba(ClO3)2
ACTIVIDAD Hallar el número de moles y moléculas presentes en 20 gramos de H2SO4 Determine el número de moles y moléculas presentes en los siguientes compuestos: a. 35 g de C12H22O11 b. 48 g de CaO c. 70 g de Ca3(PO4)2 d. 100 g de CO2 e. 50 g de HClO4 f. 85 g de FeSO4
EJERCICIOS PROPUESTOS.
1. El análisis de un diurético indica la siguiente composición porcentual: H = 5%, N = 35%, y O = 60%; la masa molecular de la sustancia es 80 g. Hallar la fórmula molecular del diurético. 2. La masa molecular de una sustancia es 180.07 g y su composición centesimal es: 26.68% de C, 2.24% de H y 71. 08% de O. Halla sus fórmulas empíricas y molecular. 3. Un compuesto cuya masa molecular es 126 g contiene 25.4 g de azufre, 38.1% de O y 36.5% de sodio. Cual es su fórmula molecular. 4. En 1,07 g de un compuesto de cobre hay 0.36 g de este metal y 0.16 g de nitrógeno. El resto es oxígeno. Hallar la fórmula empírica del compuesto. 5. La sulfadiacina, un medicamento que se utiliza en el tratamiento de las infecciones bacterianas, después de un análisis químico, dio la siguiente fórmula empírica: C 10H10N4SO2, y una masa molecular de 250 g. Determina la fórmula molecular de la sulfadiacina. 6. En el ciclo propano, hidrocarburo gaseoso que se emplea como anestésico, se determinó la siguiente composición porcentual: 85.6% de carbono y 14.4% de hidrógeno, y una masa molecular de 42 g. Determina la fórmula molecular del ciclopropano. 7. El nylon 6 utilizado en la industria tiene la siguiente composición porcentual: 63.68% de carbono, 12,38% de nitrógeno, 9.8% de hidrógeno y 14. 14% de oxígeno. Calcula su fórmula empírica. 8. Dos hidrocarburos tienen la misma fórmula empírica CH. Uno de ellos posee una masa igual a: 26.04 g, y el otro 52.07 g. Determina sus fórmulas moleculares.
