B a c h i l l e r a t o
a ñ o s
Química 2 Víctor Manuel Mora González
desarrolla COMPETENCIAS
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QuímICA 2
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Mora González, Víctor Manuel Química 2 : Bachillerato / Víctor Manuel Mora González; il. Miguel Cabrera, José Salazar. – México: ST Editorial, 2010. 200 pp.: il.; 28 cm. Bibliograía: p. 195 ISBN 978 607 7529 36 1 1. Química – Estudio y enseñanza (Superior). 2. Química – Problemas, ejercicios, etc. I. Cabrera, Miguel, il. II. Salazar, José, il. III. t. .
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540-scdd20
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Biblioteca Nacional de México
ST Distibci, S.A. de C.V. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, registro número 3342. © Derechos reservados 2010 Primera edición: Estado de México, enero de 2010 © 2010, Víctor Manuel Mora González ISBN: 978 607 7529 36 1
Pesidete: Alonso Trejos Diecto eea: Joaquín Trejos Diectoa editoia: Áurea Camacho Coodiadoa editoia: María Laura Sessa Edici: Alredo López Asistete editoia: Liliana Ortega Diecto de ate: Miguel Cabrera Coodiadoa de podcci: Daniela Hernández Diaaaci: Jerey Torres Potada: Miguel Cabrera Istacioes: Miguel Cabrera, José Salazar Asistete de podcci: Raquel Fernández Fotoaas: Stockxchange, archivo ST Editorial Prohibida la reproducción total o parcial de este libro en cualquier medio sin permiso escrito de la editorial. Impreso en México. Printed in Mexico. Química 2 , de Víctor Manuel Mora González, se terminó de imprimir en enero de 2010 en los talleres de Reproducciones Fotomecánicas S. A. de C. V., con domicilio en Democracias #116, col. San Miguel Amantla, Delegación Azcapotzalco, C.P C.P.. 02700 México, D. F.
a ñ o s
En química, una molécula es una partícula neutra ormada por un conjunto de átomos ligados por enlaces. Cuando se tienen moléculas complejas, como las que estudia la química orgánica, no es suiciente la órmula química para representar un compuesto y es necesario emplear una órmula estructural, que nos muestre de orma gráica cómo están dispuestos espacialmente los grupos uncionales que la integran. Aquí se aplica muy bien aquello que dice: “Una imagen vale más que mil palabras”, pues gracias a estas representaciones podemos comprender las estructuras de las sustancias, su comportamineto y demás características de los compuestos biológicos.
PrESEnTACIón La química es una ciencia que se encarga del estudio de la estructura y las propiedades de la materia, así como los procesos que pueda presentar. Para ello toma como reerencia la composición atómica de cada una de las sustancias que convierte en su objeto de estudio. toma como punto de partida los conocimientos desarrollados en el libro Química 1, por lo que es importante tenerlos bien claros y deinidos. El libro se compone de varias secciones que acilitan la labor del docente en el aula y omen tan la adquisición de competencias en los alumnos. Las lecturas, las imágenes, las actividades (grupales e individuales), el glosario, los mapas conceptuales, las evaluaciones, las prácticas y experimentos de laboratorio, los inográicos, los juegos didácticos y el desarrollo tanto de conocimientos, y habilidades como de actitudes y valores, permitirán a los estudiantes tener en sus manos una herramienta didáctica para poder entender cuáles son los procesos químicos y repercusiones ambientales que pueden surgir como resultado de cualquier actividad cotidiana e industrial sobre el entorno. Química 2
Está estructurado en cinco bloques, tal como vienen expresados en el programa de estudios de Química 2 que corresponde
al segundo semestre de la Reorma Integral de la Educación Media Superior (riems) de la Dirección General de Bachillerato (dgb), la cual promueve, en sus planes curriculares, el enoque de competencias para lograr el desarrollo integral del estudiante en los ámbitos personal, social, académico y laboral. Además, sus contenidos están desarrollados bajo un marcado enoque teórico, metodológico y pedagógico constructivista, con un manejo adecuado de los niveles de enseñanza: • Descriptivo: manejo teórico de los temas. • Metodológico: forma circular de la exposición de los temas. • Epistemológico: nivel del saber que se desea obtener en los
estudiantes (comprensivo y relexivo). • Didáctico: tipo de actividades diseñadas (pedagogía cons-
tructivista). Este enoque le permite a los estudiantes identiicar problemas de su entorno inmediato y relexionar sobre posibles soluciones a éstos, siempre con una postura valorativa, crítica y comprensiva. De antemano, se agradece cualquier comentario o sugerencia por parte de los lectores que sirva para mejorar esta obra; se pueden enviar al autor a la siguiente dirección electrónica: coetaios@st-editoia.co
COnTEnIDO Pesetaci Cooce t ibo recooce ts copetecias ¿Co ipeeta e e aa e desaoo de poectos? ¿Co evaa bajo e eoqe de copetecias?
3 6 8 10 11
BlOQuE 1 Apica a oci de o e a catifcaci de pocesos qicos PArA COmEnzAr...
14
TEmA 4: DESCrIBE lA InVErSIón TérmICA, El ESmOg y lA lluVIA áCIDA Inversión térmica Esmog Lluvia ácida
57 57 58 59
TEmA 5: IDEnTIFICA lOS COnTAmInAnTES DEl AguA DE uSO InDuSTrIAl y urBAnO Contaminación del agua por uso industrial Contaminación del agua por uso urbano
60 60 61
EVAluACIón
64
BlOQuE 3
TEmA 1: DESCrIBE Al mOl COmO lA unIDAD BáSICA DEl SI PArA mEDIr lA CAnTIDAD DE SuSTAnCIA
17
Copede a tiidad de os sisteas dispesos
TEmA 2: DESCrIBE El SIgnIFICADO DE lAS lEyES POnDErAlES Ley de la conservación de la masa Ley de las proporciones defnidas o de Proust Ley de las proporciones múltiples o de Dalton
21 22 26 29
PArA COmEnzAr...
68
TEmA 1: COnCEPTuAlIzA y DEFInE ElEmEnTO, COmPuESTO, mEzClA hOmOgénEA y mEzClA hETErOgénEA y EnunCIA SuS CArACTEríSTICAS DISTInTIVAS Elemento químico Compuesto Mezclas homogéneas y heterogéneas
71 71 71 72
TEmA 2: ClASIFICA lAS CArACTEríSTICAS DE lOS SISTEmAS DISPErSOS QuE ESTán PrESEnTES En Su EnTOrnO
74
TEmA 3: IDEnTIFICA lAS SuSTAnCIAS PurAS y mEzClA DE DOS O máS SuSTAnCIAS QuE FOrmAn lA mATErIA Sustancia pura Mezcla de dos o más sustancias
76 76 76
TEmA 4: DESCrIBE lOS méTODOS DE SEPArACIón DE mEzClAS Filtración Destilación Cromatograía Cristalización Centriugación Decantación Sublimación Tamizado Magnetismo
78 78 79 80 80 80 81 81 81 82
TEmA 5: DESCrIBE El COnCEPTO y rECOnOCE lAS DIFErEnCIAS EnTrE DISOluCIón, COlOIDE y SuSPEnSIón, COn BASE En El TAmAñO DE lA PArTíCulA DE lA FASE DISPErSA y DISPErSOrA Características de las disoluciones Características de los coloides Características de las suspensiones
84 85 87 91
TEmA 6: DEFInE COnCEnTrACIón mOlAr, POrCEnTuAl y PArTES POr mIllón DE unA DISOluCIón ACuOSA
92
TEmA 3: AnAlIzA lAS ImPlICACIOnES ECOlógICAS, InDuSTrIAlES y ECOnómICAS DE lOS CálCulOS ESTEQuIOméTrICOS Determinación del reactivo limitante Rendimiento teórico, rendimiento real y % de rendimiento de una reacción La estequiometría y su implicación en la industria, en la economía y en la ecología Tabla periódica de los elementos químicos
34 36
EVAluACIón
37
31 31 33
BlOQuE 2 Actúa paa disii a cotaiaci de aie, de aa de seo PArA COmEnzAr...
42
TEmA 1: DESCrIBE El OrIgEn DE lA COnTAmInACIón DEl AguA, AIrE y SuElO Contaminación del agua Contaminación del aire Contaminación del suelo
45 45 46 47
TEmA 2: IDEnTIFICA lOS COnTAmInAnTES AnTrOPOgénICOS: PrImArIOS y SECunDArIOS Contaminantes primarios Contaminantes secundarios
50 50 51
TEmA 3: IDEnTIFICA lAS rEACCIOnES QuímICAS InVOluCrADAS En lA COnTAmInACIón DEl AIrE, El AguA y El SuElO Aire Agua Suelo
52 52 55 56
Tipos de concentración Modos de calcular la concentración de una disolución
TEmA 7: IDEnTIFICA lAS SOluCIOnES áCIDAS y BáSICAS COnSIDErAnDO lA COnCEnTrACIón DE IOnES hIDrógEnO PrESEnTES Teoría de Arrhenius Teoría de Brönsted-Lowry Teoría de Lewis
92 94
101 102 102 102
Alcoholes Éteres Aldehídos Cetonas Aminas Ácidos carboxílicos Ésteres Amidas Halogenuros de alquilo
TEmA 8: DEFInE ExPErImEnTAlmEnTE lOS áCIDOS y lAS BASES, COnSIDErAnDO El grADO DE ACIDEz O DE BASICIDAD DE lA SOluCIón
104
BlOQuE 5
EVAluACIón
106
Idetifca a ipotacia de as acoocas ataes sitticas
EVAluACIón
BlOQuE 4 Vaoa a ipotacia de os copestos de caboo e s etoo PArA COmEnzAr...
110
135 138 139 140 141 142 144 145 146
147
PArA COmEnzAr...
152
TEmA 1: DEFInE El COnCEPTO DE mACrOmOléCulAS, POlímErOS y mOnómErOS
155
TEmA 2: ClASIFICA A lOS CArBOhIDrATOS, líPIDOS y PrOTEínAS Carbohidratos Lípidos Proteínas Procesos de abricación de los polímeros sintéticos: de adición y concentración
177
119 119
EVAluACIón
181
122 123 129 131 132
Pcticas de aboatoio Evaaci fa Paa teia. Atoevaúa ts copetecias Fetes costadas E cidado de t pesoa de t etoo
TEmA 1: IDEnTIFICA lA COnFIgurACIón ElECTrónICA y lA gEOmETríA mOlECulAr DEl CArBOnO Confguración electrónica del carbono e hibridación (sp, sp2, sp3)
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TEmA 2: IDEnTIFICA lA gEOmETríA mOlECulAr DE lOS COmPuESTOS DEl CArBOnO
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TEmA 3: ClASIFICA lOS TIPOS DE CADEnA E ISOmEríA Tipos de cadenas TEmA 4: DESCrIBE lAS PrOPIEDADES FíSICAS, nOmEnClATurA y El uSO DE lOS COmPuESTOS DEl CArBOnO Alcanos Alquenos Alquinos Hidrocarburos aromáticos
113
157 157 168 173
SECCIón FInAl 186 190 194 195 196
RECONOCE TUS COmPETEnCIAS Las copetecias son capacidades que una persona desarrolla en orma gradual durante el proceso educativo, que incluyen conocimientos, habilidades, actitudes y valores, en orma integrada, para dar satisacción a las necesidades individuales, académicas, laborales y proesionales. Existen principalmente tres tipos de competencias: genéricas, disciplinares y laborales.
Las competencias genéricas le permiten al individuo comprender el mundo, aprender a vivir en él y aportar lo propio para transormarlo en niveles superiores.
disciplinar, para que los estudiantes puedan aplicarlos en dierentes contextos y situaciones en su vida.
Estas competencias se podrán entretePor su parte, las competencias disciplina- jer más adelante con las competencias res engloban los requerimientos básicos laborales, para conormar un todo armó–conocimientos, habilidades, actitudes y nico que le da pleno sentido al proceso valores– que se necesitan en cada campo educativo.
COmPETEnCIASgEnérICAS A continuación se muestran algunos ejemplos de este libro donde se aplican las oncecompetencias genéricas.
B4 / p. 127. Actividad grupal 1
Conocerse, valorarse y abordar los problemas y retos a partir de objetivos.
Desarrollar innovaciones y proponer soluciones a problemas a partir de un método seleccionado.
Participar y colaborar de manera eectiva en trabajos de equipo.
B5 / p. 180. Actividad de1 Lee
2
Ser sensible al arte, apreciarlo e interpretarlo en todas sus expresiones.
B3 / p. 107. Habilidades 1
B1 / p. 35. Actividad grupal 1
B3 / p. 82. Retrato 1
1
Elegir y practicar estilos de vida saludables.
B3 / p. 100. Lee. Inciso 31
5
B4 / p. 137. Actividad grupal 1
Participar con una conciencia cívica y ética en la vida de la comunidad, de la región, de México y el mundo.
9
B1 / p. 29. Act. ind. Inciso 11
4
Escuchar, interpretar y emitir mensajes pertinentes en distintos contextos, mediante la utilización de herramientas y medios apropiados.
B4 / p. 115. Actividad grupal 1
6
Mantener una postura personal sobre temas de interés y considerar otros puntos de vista de manera crítica y refexiva.
8
3
7
Aprender por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida.
B2 / p. 56. Act. gru. Inciso 11
10
Mantener una actitud respetuosa hacia la diversidad de culturas, creencias, valores, ideas y prácticas sociales de otras personas.
B2 / p. 43. Actitudes y valores 1
11
Contribuir al desarrollo sustentable del medio ambiente, de manera crítica y con acciones responsables.
COmPETEnCIASDISCIPlInArES A continuación se muestran las competencias disciplinares básicas del campo de las ciencias experimentales que deben manejarse en esta materia, como lo señala el programa de estudios.
B5 / p. 177. Retrato 1
Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específcos.
B2 / p. 47. El mundo que1 te rodea
Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.
B3 / p. 75. Act. ind. Inciso 12
Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o un experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.
B2 / p. 56. Act. gru. Inciso 12
Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisacer necesidades o demostrar principios científcos.
B4 / p. 111. Actitudes y valores 1
Identifca problemas, ormula preguntas de carácter científco y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.
B2 / p. 59. Figura 9 1
Relaciona las expresiones simbólicas de un enómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científcos.
Obtiene, registra y sistematiza la inormación para responder a preguntas de carácter científco, consultando uentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.
B1 / p. 20. Actividad grupal 1
B2 / p. 59. Act. ind. Inciso 13
Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos enómenos naturales a partir de evidencias científcas.
B3 / p. 103. Actividad individual 1
Explicita las nociones científcas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.
B5 / p. 179. Act. ind. Incisos 1 3y4
B1 / p. 26. Actividad grupal 1
Analiza las leyes generales que rigen el uncionamiento del medio ísico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.
Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.
Ua a Utiliza la noción de mol para realizar cálculos estequiométricos en los que aplica las leyes ponderales y argumenta la importancia de tales cálculos en procesos que tienen repercusiones económicas y ecológicas en su entorno.
Bu 1 Aplica la noción de mol en la cuantiicación de procesos químicos Bu 1
Bloque 2
Bloque 3
Aplica la noción de mol en la cuanticación de procesos químicos
Actúa para disminuir la contaminación del aire, del agua y del suelo
Comprende la utilidad de los sistemas dispersos
Haba
• Utilizalosconceptosdemol,masafórmula,masamolary volumen molar en cálculos estequiométricos (relaciones
mol-mol,masa-masayvolumen-volumen)queimplicanla aplicación de las leyes ponderales.
• Determinalafórmulamínimaymoleculardeloscompuestos a partir de su composición porcentual.
• Calcula,paraunareacciónquímica,elreactivolimitante y el rendimiento teórico.
• Analizalaimplicaciónecológicayeconómicadela estequiometríaenlasindustrias. • Utilizacálculosestequiométricosenlaelaboración deprácticasdelaboratorio.
Bloque 4
Bloque 5
Valora la importancia de los compuestos del carbono en su entorno
Identica la importancia de las macromoléculas naturales y sintéticas
Au y va
• Valoralaimportanciadelmolpararealizarcálculos enellaboratorioyenlaindustriaquímica. • Reexionasobrelaimportanciadelaaplicacióndecálculos estequiométricosparaevitarproblemasdecarácter ecológico y económico.
• Promueveelcuidadoambientalapartirdelalimpieza en el aula.
Para comenzar... Para que pueda comprender lo tema de ete bloque, e necearo que recate la competenca (conocmento, habldade, acttude y valore) que ya ha adqurdo a lo largo de tu vda. Haz tu mejor euerzo para reponder y detecta aquello apecto que no conoce o domna para enocar tu etudo.
Conocimientos I.
Completa el siguiente cuadro con el nombre o el símbolo del elemento químico que corresponda.
Nombre
Símbolo
Nombre
Símbolo
Hidrógeno
Br
Berilio
Cl Fr
Circonio
Se
Calcio
Si
Vanadio
C
Fe
Completa el cuadro con el nombre o la órmula apropiada.
Nombre
Nombre
Fórmula
Óxido de hierro (II) Sulato de amonio
Nitrato de manganeso (II)
(NH4)2S Mg(NO2)2
Ácido sulúrico
Ácido clorhídrico III.
Fórmula
HClO2 Fe2O3
14
Símbolo Ne
Flúor
Escandio
II.
Nombre
H2S
Coloca los coefcientes que permitan el ajuste correcto de las siguientes ecuaciones químicas.
1.
C2H5OH +
2.
Al +
3.
HNO3 +
O2
Fe2O3 Ca(OH)2
CO2 + Al2O3 +
H2O Fe
Ca(NO3)2 +
H2O st-editorial.com
AplicA lA noción de mol en lA cUAntificAción de procesos qUímicos
IV.
De los siguientes conceptos, registra tu nivel de dominio y marca una X donde corresponda. Al fnal, suma las X de cada columna.
Concepto
Nada
Poco
Bastante
Elemento Compuesto Masa atómica Molécula Enlace iónico Enlace covalente Reacción química Reactivos Productos Ley de la conservación de la masa Balanceo redox Balanceo por tanteo Total
Habilidades I. Realiza
un mapa mental con el tema “Química: una herramienta para la vida”. Piensa en siete o diez palabras que permitan justifcar esta afrmación y cuáles serían los campos de aplicación. Recuerda utilizar colores, símbolos, dibujos, etc.
II.
Integra un equipo y realicen una lluvia de ideas con el grupo de clase sobre algunos de estos temas: • • • • •
Propiedades de la materia. Fuerzas intermoleculares. Características de los puentes de hidrógeno. Conceptos de oxidación y reducción. Reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas.
Actitudes y valores Medita sobre las preguntas siguientes. Es recomendable que compartas con el proesor tus ideas para que el curso que estás iniciando cumpla tus expectativas.
1. ¿Qué te ha parecido el curso de Química 1? Justifca tu respuesta.
2. ¿Qué esperas del curso de Química 2? Para lograrlo, ¿a qué te comprometes?
3. ¿Cómo vas a aplicar lo que aprendas en este curso?
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BloqUe 1
Introducción
o hallazgo arqueológco no demuetran que dede la aparcón de la prmera cvlzacone la necedad de contar o medr ha etado empre preente.
L Evidencias de aprendizaje Presenta un resumen o cuadro
sinópticodelosconceptosdemol, masafórmula,masamolar y volumen molar. Resuelve un elenco de ejercicios donde aplica las leyes ponderales en
El ámbto de aplcacón de la químca no e la excepcón, dada la mportanca de poder cuantcar –con la mayor exacttud– la cantdad de producto que e pueden obtener a partr de la matera prma que e ngrea a un determnado proceo. Sólo de eta manera puede hacere má ecente la labor de toda la emprea que dearrollan proceo químco o e benecan de ello. En la cuantcacón de eto proceo, la nocón de mol deempeña un papel crucal, tal como lo entenderá al dearrollar lo tema y actvdade de ete bloque, que puede aprecar en el mapa conceptual que aparece a contnuacón.
cálculosmasa-masa,mol-mol y volumen-volumen. Resuelve un elenco de ejercicios
Noción de mol en la cuantifcación de los procesos químicos
dondedeterminalafórmulamínimayla fórmulamoleculardeuncompuestoa partir de su composición porcentual. Realiza una práctica experimental donde constata la aplicación de las leyes ponderales y entrega el reporte correspondiente incluyendo cálculos y siguiendo los pasos del método
cientícoexperimental.
argumenta la importancia de
conoce
noción de mol
leyes ponderales
para eectuar
incluyen
cálculos estequiométricos
conversiones por ejemplo
en
incluye
ecología
rendimiento
industria
reactivo limitante
masa-volumen mol-volumen
economía
masa-mol
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ley de la conservación de la masa
ley de las proporciones defnidas
ley de las proporciones recíprocas
ley de las proporciones múltiples
enunciada por
propuesta por
enunciada por
cuyo autor es
Lavoisier
Proust
Richter-Wenzel
Dalton
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ta 1 Para comenzar...
Describe al mol como la unidad básica del si para medir la cantidad de sustancia
Tema 2
Tema 3
Describe el signicado de las leyes ponderales
Analiza las implicaciones ecológicas, industriales y económicas de los cálculos estequiométricos
Como ya conoce de etudo anterore, el metro e una medda de longtud; el klogramo, de maa; el egundo, de tempo; el ampero, de ntendad de la corrente eléctrca, pero... ¿y el mol?, ¿qué pena que puede medr?
La estequiometría, palabra que e derva del gre- atómca –en el cao de un elemento– o a la maa go stoicheion, que gnca “elemento”, y metron, molar –cuando e trata de un compueto–, habrá un mol del elemento o del compueto en cue“ medda”, e la rama de la químca que e encarga del etudo de la relacone cuanttatva entre tón (gura 2). Eto mplca que e pean cuelemento y compueto dentro de una reaccón dadoamente en la balanza 63.5 g de cobre puro, químca (gura 1). El etudo de eta relacone e tene un mol de cobre; ammo, e pean tene como bae el mol, que e la undad báca del 18.0 g de agua (cantdad gual a u maa molar), Stema Internaconal de Undade ( si), denda e tene un mol de agua. como la cantdad de una utanca que contene tanta entdade elementale –átomo, molécula, 1 mol de Cu = 63.5 g de Cu one, electrone u otra partícula– como átomo 1 mol de H 2O = 18.0 g de H 2O hay exactamente en 12 g de carbono 12. A partr de numeroo cálculo y expermento, Para eectuar lo cálculo etequométrco conlo centíco han logrado determnar la cantdad vene utlzar el método de actores de conversión, que de átomo, molécula, one, electrone o partícu- conte en exprear la gualdad en orma de raccón, la preente en un mol. Tal cantdad e aproxma- donde la undad a elmnar e encuentra en el denodamente gual a 6.0221 × 10 23, valor que e conoce mnador y la undad a la cual e etá convrtendo como número de Avogadro (NA) en honor al íco e coloca en el numerador. Por ejemplo, la prmera talano Amadeo Avogadro (1776-1856), quen lo gualdad e puede ecrbr de do manera: determnó medante expermento con gae. Otra nocón de mol ndca que cuando e 1 mol de Cu o 63.5 g de Cu tene una cantdad de utanca gual a la maa 63.5 g de Cu 1 mol de Cu st-editorial.com
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BloqUe 1
¿Cómo aber cuál actor de converón uar para dar le olucón a un problema? S e requere convertr maa a mole, e utlza la expreón 1 mol de Cu / 63.5 g de Cu; por el contraro, e pde cambar de mole a maa, e utlza 63.5 g Cu / 1 mol de Cu [Ej. 1].
Ejemplo 1 Calcula la cantidad de moles presentes en las siguientes muestras: Figura 1. La medición de los reactivos iniciales que entran en reacción es necesaria para determinar el resultado fnal que se intenta obtener.
a. 75 g de hierro (Fe) b. 200 g de sulato de aluminio (Al 2(SO4)3)
su e-
La tabla periódica, que aparece en la página 36 de este bloque, indica que la masa atómica del hierro es igual a 55.84 g/mol. Como se trata de una conversión de masa a mol, se utiliza un actor de conversión donde aparece el mol en la parte superior y la masa en la parte inerior, con lo cual se cancelan los gramos y se obtiene como unidad resultante el mol de hierro. g a. n = 75.0 [
de Fe ×
1mol de Fe 55.84 [ g de Fe
= 1.34 moles de Fe
b. Se calcula en primera instancia la masa Figura 2. De acuerdo con la noción de mol, la masa atómica de dierentes elementos contiene el mismo número de átomos.
molar del sulato de aluminio:
Al: 2 × 26.98 = 53.96 g de Al S: 3 × 32.06 = 96.18 g de S O: 12 × 15.99 = 191.88 g de O
• • •
Masa molar = 342.02 g/mol de Al 2(SO4)3 A continuación, para obtener el total de moles, se usará un actor de c onversión con el dato recién calculado: n=
200 [ g
de Al2(SO4)3 ×
1mol de Al2 ^SO4h3 342.02 [ g de Al2 ^SO4h3
= 0.58 mol de Al 2(SO4)3
Por un procedmento mlar, e puede calcular la maa a partr de lo mole de un elemento o compueto [Ej. 2 y 3].
Ejemplo 2 Calcula la masa de las siguientes muestras: a. 0.05 mol de calcio (Ca) b. 1.5 mol de
nitrato de plata (AgNO3)
su El actor de conversión para obtener la solución deberá tener la masa en el numerador y el mol en el denominador. a. m = 0.05 mol
de Ca ×
40.08 g 1 mol de Ca
= 2.00 g de Ca
b. El
nitrato de plata (AgNO 3) tiene una masa molar de 169.84 g/mol, se calcula de la siguiente manera:
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AplicA lA noción de mol en lA cUAntificAción de procesos qUímicos • • •
Ag: 1 × 107.87 = 107.87 g de Ag N: 1 × 14.00 = 14.00 g de N O: 3 × 15.99 = 47.97 g de O
R etrato
Masa molar = 169.84 g/mol de AgNO 3 En consecuencia, la masa de 1.5 mol del compuesto se calcula de la siguiente manera: m = 1.5
mol
de AgNO3 ×
169.84 g de AgNO 3
= 254.76 g de AgNO 3
1 mol de AgNO3
Averigua el total de partículas (átomos o moléculas) en las siguientes muestras: a. 0.005 g de zinc (Zn) b. 1 × 10-3 g de óxido de plomo IV (PbO 2) c. 0.03 mol de sulato de cobre
II (CuSO 4)
su El procedimiento que se eectúa es distinto en cada caso. Se debe prestar atención si se está trabajando con mol o con gramos y si la muestra es de un elemento químico simple o de un compuesto. a. Se convierten los gramos de zinc a moles
y se multiplican por el número de Avogadro
(fgura 3): n = 0.005 [g de Zn × (7.64 × 10-5
mol
Los conocimientos de Avogadro se extendieron al análisis de la cinética de partículas gaseosas. En sus conclusiones, este ísico y químico italiano recurrió a experimentos cuyas principales variables eran la modiicación de la presión y la temperatura, de esta manera se evidenció que las partículas en estado gaseoso adquirían distintas energías cinéticas según las condiciones presentes en la prueba. Formuló entonces la denominada ley de Avogadro, que dice que volúmenes iguales de gases distintos (bajo las mismas condiciones de presión y temperatura) contienen igual número de partículas. Amadeo Avogadro.
Ejemplo 3
1mol de Zn 65.41[ g de Zn
de Zn) ×
= 7.64 × 10 -5 mol de Zn
]6.022 # 1023 moléculas de Zng 1mol de Zn
= 4.600 × 1019 átomos de Zn
b. Una vez calculada la masa molar del óxido de
plomo IV (PbO 2), se convierte la masa a moles y posteriormente se calcula el total de moléculas en la muestra: Masa molar del PbO 2 = 239.18 g/mol n = 1 × 10 -3 [g de PbO2 × (4.18 × 10-6 de PbO2
mol
1mol de PbO2 239.18 [ g de PbO2
de PbO2) ×
= 4.18 × 10-6 mol de PbO2
^6.022 # 1023 moléculas de PbO 2h
1 mol de PbO 2
= 2.517 × 10 18 moléculas
c. Para el último caso, puesto que ya se conoce
el número de moles de la muestra, solamente se necesita multiplicarlo por el número de Avogadro: 0.03 mol de CuSO4 ×
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^6.022 # 1023 moléculas de CuSO4h
1 mol de CuSO 4
Figura 3. El número de Avogadro indica el total de partículas (átomos, moléculas, iones) presentes en un mol de cualquier sustancia.
= 1.806 × 1022 moléculas de CuSO4
19
BloqUe 1
daa a
actividad individual
1. Investiga sobre las unidades undamentales del Sistema Internacional ( si) y completa el cuadro siguiente: Magnitud física
Unidad básica
Símbolo de la unidad
Descripción
Longitud segundo kg Flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material
ampere Temperatura
K mol
mol
candela
2. Realiza un cuadro sinóptico con los conceptos de mol, masa órmula, masa molar y volumen molar. 3. Eectúa en tu cuaderno las conversiones que se solicitan para que apliques los conocimientos adquiridos. Puedes anotar aquí la respuesta. a. Convierte 82 g de azure (S) a mol. b. Convierte 0.02 mol de sodio (Na) a gramos. . Calcula el total de moléculas presentes en 0.08 mol de ácido clorhídrico (HCl). . Calcula la masa en gramos que equivale a 6.023 x 1023 átomos de hierro (Fe).
daa a
actividad grupal
¿Qué tan grande es un mol? Reunidos en equipos, utilicen la calculadora para desarrollar los cálculos que se solicitan. Cada uno de los casos les ayudará a comprender la dimensión de un mol si lo trasladamos a escala macroscópica.
1. Supongamos que el volumen de un huevo es de, aproximadamente, 7 x 10 -5 m3. Asimismo, consideraremos que una gallina ponedora puede producir unos 250 huevos al año y la granja tiene 1 000 gallinas ponedoras. Con esta inormación, respondan: a. ¿Cuál es el volumen de un mol de huevos? b. ¿Cuántos años tardarán las 1 000 gallinas en producir un mol de huevos?
2. Los estudiantes de cierta escuela, preocupados por el deterioro ambiental, se han propuesto reunir un mol de latas de reresco para que puedan reciclarse. El volumen aproximado de cada lata de reresco es de 3 x 10-4 m3 y participarán en la tarea 3 000 alumnos. a. ¿Qué volumen ocupará un mol de latas de reresco? b. ¿Cuánto tiempo tardarán los 3 000 alumnos en reunir un mol de latas de reresco, si se considera que cada uno de ellos puede recolectar 10 latas por día? Para cerrar la actividad, comparen sus resultados con los obtenidos por otros equipos y escriban aquí las conclusiones.
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Tema 1 Describe al mol como la unidad básica del si para medir la cantidad de sustancia
ta 2 Describe el signicado de las leyes ponderales
Tema 3 Analiza las implicaciones ecológicas, industriales y económicas de los cálculos estequiométricos
La palabra ponderal e reere a algo pertenecente o relatvo al peo. Al conjunto de leye que tenen como objetvo el etudo del peo relatvo de la utanca en una reaccón químca e le llama leye ponderale. ¿Ere capaz de menconar alguna de ella?
El etudo de lo proceo químco puede realzare tanto de manera cualtatva como cuanttatva. En el prmer cao, olamente e decrbe lo que ucede tomando en cuenta lo apecto má vble o la aplcacón de modelo teórco para explcar un determnado enómeno. Una decrpcón cuanttatva, por u parte, mplca etablecer con precón la cantdade de reactvo o producto mplcado en una reaccón químca. En lo prmero tempo de la químca, la ma yoría de lo enómeno etudado ólo e decrbían ndcando cuále reactvo eran necearo y cuále producto e eperaban de una reaccón. Con el pao de lo glo y la aparcón del método centíco expermental, e ue hacendo necearo medr, contar y calcular con la mayor exacttud poble cuále producto y en qué cantdad podían obtenere de uno determnado reactvo. st-editorial.com
Para el conocmento químco, ue determnante conocer qué relacón exte entre la cantdade de lo cuerpo que ntervenen en una reaccón, ademá de paar de lo puramente cualtatvo a lo cuanttatvo. El hallazgo de un ntrumento de medcón, la balanza, y u aplcacón de orma temátca a la nvetgacón de la tranormacone químca por parte del químco rancé AntoneLaurent de Lavoer (1743-1794), propcaron el decubrmento de la leye de la combnacone químca y el etablecmento de la químca como cenca. La leye ponderale, que erán el tema de etudo de eta eccón, on una expreón clara de ea necedad de encontrar la regulardade en lo enómeno y utlzar ete conocmento para aprovechar mejor la reaccone químca. 21
BloqUe 1
Ley de la conservación de la masa
Figura 4. El ser humano ue especializándose en el uso del uego y en su empleo para producir energía y cambios en la materia.
E l mundo que te rodea
En los cálculos estequiométricos, el actor de conversión debe colocarse de tal manera que las unidades que se desean eliminar se coloquen en posiciones opuestas, esto hace posible la obtención de la unidad solicitada. Los volúmenes iguales de gases dierentes medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura contienen igual número de moléculas. Ésta es la base para deinir la noción de volumen molar en las reacciones químicas.
La combutón ha do uno de lo enómeno má obervado por lo ere humano dede el decubrmento del uego hace má de un mllón de año (gura 4). El Homo ergaster llegó a conocerlo por caualdad y bucó cómo preervarlo. En prmera ntanca lo mportante era la utldad materal del uego, pero luego tracendó como objeto de conocmento humano a nvel de la cosmología. Hace 2 500 año lo grego e planteaban pregunta como: ¿por qué razón alguno cuerpo pueden arder mentra que otro no lo hacen? Ello uponían que todo lo que podía entrar en combutón llevaba dentro de í el elemento uego y que éte e lberaba bajo condcone apropada. Lo alqumta, anteceore del conocmento químco, penaban de manera emejante: para ello la utanca combutble poeían el “prncpo de azure” que le permtía tal capacdad. En el año 1702, Georg Ernet Stahl (1660-1734), pretgoo médco y químco alemán, preentó la denomnada teoría del fogto para explcar el proceo de la combutón. De acuerdo con eta teoría, el fogisto o prncpo nfamable era una utanca mponderable, mteroa, que ormaba parte de lo cuerpo combutble. Fue Lavoer quen demotró la nextenca del fogto medante expermento donde cudadoamente mdó la maa de la utanca ante, durante y depué de la combutón. Con u expermento entó la bae de la químca moderna al ncorporar a la obervacón herramenta para medr cudadoamente lo que ucede durante el proceo de lo enómeno químco. Fruto de u obervacone logró enuncar la mportante ley de la conservación de la masa, que e exprea de la guente manera: en toda reaccón químca la maa e conerva, eto e, la maa total de lo reactvo e gual a la maa total de lo producto.
Relaciones estequiométricas y la ley de la conservación de la masa Hay tre tpo de relacone etequométrca en la que aplcamo drectamente la ley de la conervacón de la maa: relacone mol-mol, relacone maa-maa y relacone volumen-volumen. Relaciones mol-mol. Proporconan lo mole que e obtenen de una utanca a partr de lo mole de otra egún la ecuacón químca balanceada [Ej. 4]. Relaciones masa-masa. A partr de la maa de una utanca e calcula la maa de un reactvo o de un producto [Ej. 5]. Relaciones volumen-volumen. A partr del volumen de una utanca e determna el volumen de otra; e toman en cuenta la condcone de preón y temperatura en la que e dearrolla la reaccón [Ej. 6].
Homo ergaster .Homínido–individuopertenecientealordendelosprimatessuperiores,conunaconstituciónfísica
Glosario
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muysemejantealadelserhumanoactual–queaparecióaproximadamentehaceunos2millonesdeañosenÁfrica,y desaparecióhace1millóndeaños. Cosmología. Conocimientodelordendelmundo. st-editorial.com
AplicA lA noción de mol en lA cUAntificAción de procesos qUímicos
Ejemplo 4 El sulato de sodio (Na 2SO4), compuesto que se utiliza en algunas etapas del proceso de abricación del papel y que sirve para obtener compuestos resistentes al uego, se puede producir por la reacción entre el ácido sulúrico (H 2SO4) y el hidróxido de sodio (NaOH) (fgura 5): H2SO4 + NaOH
Na2SO4 + H2O
→
Si se suministran a la reacción 4 moles de NaOH, ¿cuántos moles de Na 2SO4 se obtendrán?
su En primera instancia, la ecuación química debe cumplir con la ley de la conservación de la masa, es decir, debe estar balanceada, por lo cual se colocan los coefcientes necesarios: H2SO4 + 2NaOH
→
Na2SO4 + 2H2O
Figura 5. El NaOH, que se utiliza en la abricación de jabones, es un uerte corrosivo y cuando reacciona libera gran cantidad de calor.
Los coefcientes de una ecuación balanceada representan los moles de cada una de las sustancias participantes. En este ejemplo se tiene que 1 mol de H 2SO4 reacciona con 2 moles de NaOH para producir 1 mol de Na 2SO4 y 2 moles de H 2O. De acuerdo con esto, la relación de moles de NaOH y Na 2SO4 se puede expresar de la siguiente manera: 1 mol de Na 2SO4 se obtiene a partir de 2 moles de NaOH. Para resolver el problema conviene expresar la relación anterior de la siguiente manera: 1mol de Na2 SO4 2 moles de NaOH
Al utilizar el dato del problema, la solución se escribe así: 4
moles
de NaOH ×
1mol de Na2 SO4 2 moles de NaOH
= 2 moles de Na2SO4
Ejemplo 5 El hipoclorito de sodio (NaClO), ingrediente activo de muchos blanqueadores comerciales, puede obtenerse mediante la reacción controlada entre el hidróxido de sodio y el cloro elemental: 2NaOH + Cl2
→
NaClO + NaCl + H 2O
De acuerdo con la reacción, ¿cuántos gramos de NaOH son necesarios para obtener 500 g de NaClO?
su Se aplica la siguiente estrategia: a. Convertir los gramos de NaClO a moles utilizando su masa molar.
n = 500 [g de NaClO ×
1mol de NaClO 74.42 [ g de NaClO
= 6.72 moles de NaClO
b. Establecer
la relación de moles a partir de la ecuación balanceada y calcular los moles de NaOH. 6.72
moles
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de NaClO ×
2 moles de NaOH 1 mol de NaClO
= 13.44 moles de NaOH 23
BloqUe 1 c. Por último, cambiar los moles de NaOH a gramos utilizando su masa molecular, con
lo cual se obtiene el resultado pedido. 13.44
moles
de NaOH ×
40.08 g de NaOH 1 mol de NaOH
= 538.67 g de NaOH
Observa que el proceso requiere convertir gramos a moles, establecer la relación molar y cambiar de moles a gramos. Esto puede hacerse mediante una sola operación, como se muestra enseguida: 500 g de NaClO × NaOH
1 mol de NaClO 74.42 [ g de NaClO
×
2 moles de NaOH 1 mol de NaClO
×
40.08 g de NaOH 1 mol de NaOH
= 538.67 g de
El resultado se obtiene multiplicando todas las cantidades que se encuentran en los numeradores y dividiendo posteriormente este resultado entre el producto de todos los denominadores: ]500g]1 g]2 g]40.08g = 538.67 g de NaOH ]74.42g]1 g]1 g
Ejemplo 6 La reacción entre el monóxido de nitrógeno (NO) y el oxígeno (O) da como resultado la ormación del dióxido de nitrógeno (NO 2), sustancia que participa en la producción del esmog otoquímico (fgura 6). 2NO(g) + O2(g)
→
2NO2(g)
Si la reacción se desarrolla en condiciones estándar de temperatura y presión, ¿cuántos litros de oxígeno se necesitan para reaccionar con 150 L de monóxido de nitrógeno?
su En las condiciones estándar de temperatura y presión (T = 0°C y 1 atm), un mol de cualquier gas ocupa un volumen de 22.4 L. Al tomar como punto de partida esta inormación, se procede con la siguiente estrategia: a. Convertir los litros de NO a moles. b.
Establecer la relación molar que proporciona la ecuación balanceada. c. Transormar moles
150 [ L de NO ×
de O 2 a litros.
1 mol de NO 22.4 [ L de NO
×
1 mol de O 2 2 mol de NO
×
22.4 L de O2 1 mol de O 2
= 75 L de O2
Figura 6. La exposición a largo plazo en niveles bajos de óxido de nitrógeno puede ser causante de alteraciones irreversibles en el tejido pulmonar de las personas.
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AplicA lA noción de mol en lA cUAntificAción de procesos qUímicos
daa a
actividad individual
1. Para resolver un cálculo estequiométrico de relación masa-masa se sigue, básicamente, un proceso de varios pasos. Elabora un mapa conceptual del proceso. 2. Actualmente el amoniaco (NH3) se produce con el proceso Haber-Bosch, el cual hace reaccionar el hidrógeno (H2) y el nitrógeno (N 2): 3H2 + N2 2NH3 →
Si se suministra a la reacción 100 g de H 2, responde: a. ¿Cuántos moles de NH3 se producen?
b. ¿Cuántos moles de N2 se necesitan para completar la reacción?
. ¿Cuánta masa (g) se obtiene de NH3?
3. El clorato de potasio (KClO 3) es un compuesto que se utiliza en la elaboración de ósoros, en la industria pirotécnica y de uegos artifciales. En el laboratorio, una de sus aplicaciones principales es la producción de oxígeno cuando es sometido a descomposición mediante calentamiento: 2KClO3 2KCl + 3O2 →
a. ¿Cuántos gramos de KClO se necesitan para obtener 200 g de O 2?
b. ¿Cuántas moles de KCl pueden producirse a partir de 245 g de KClO?
páa aba El contenido estudiado en este tema puede ser repasado en la práctica de laboratorio “Ley de la conserva- ción de la masa” (p. 186) que se encuentra en la Sección fnal.
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BloqUe 1
Ley de las proporciones defnidas o de Proust Eta ley ue ormulada por Joeph Lou Prout (1754-1826), detacado químco rancé, conderado uno de lo padre de la químca moderna, y u enuncado e el guente: cuando do o má elemento e combnan para ormar un determnado compueto lo hacen en una relacón en peo contante, ndependentemente del proceo egudo para ormarlo. Tomemo como ejemplo al metano (CH4), el hdrocarburo má encllo, que e produce naturalmente por la putreaccón anaeróbca de la planta o por decompocón de matera orgánca en lo pantano; en la ndutra e obtene a partr de la detlacón racconada del petróleo. En ambo cao, la compocón del metano (ya ea “natural” o “ntétco”) empre e la mma: un átomo de carbono por cuatro átomo de hdrógeno, con la mma caracterítca y propedade.
Composición porcentual Figura 7. Un nivel excesivo de concentración de una sustancia química puede causar daños a los consumidores.
Uno de lo problema má cotdano que enrentan lo nvetgadore de eta cenca conte en determnar la clae y cantdad de elemento químco que orman parte de una muetra analzada y en qué cantdad lo hacen (gura 7). Lo reultado del anál químco e reportan como porcentaje de cada elemento preente en la muetra. En ete entdo e habla de compocón porcentual. El cálculo de la compocón porcentual a partr de la órmula molecular e muy encllo. Bata averguar la maa molar y dvdr entre ella la maa de cada elemento preente en la órmula. Al multplcar el reultado por cen e obtene el porcentaje [Ej. 7].
Ejemplo 7 Determina la composición porcentual del sulato de calcio (CaSO4).
su La masa molar del CaSO 4 se calcula de la siguiente manera: a. Ca: 40.08 × 1 = 40.08 g de Ca b. S: 32.06 × 1 = 32.06 g de S c. O: 15.99 × 4 = 63.96 g de O
Masa molar = 136.10 g/mol de CaSO 4. La composición porcentual se determina así: a. Ca:
40.08 136.10
× 100% = 29.45% de Ca
b. S:
32.06 136.10
× 100%= 23.55% de S
c. O:
63.96 136.10
× 100%= 47.00% de O
La comprobación se eectúa sumando los porcentajes obtenidos. El resultado debe ser muy cercano o igual a 100%.
daa a
actividad grupal
En equipos de dos o tres integrantes analicen por qué es importante mantener un con- trol riguroso de los porcentajes de combinación de los elementos o compuestos de una sustancia. ¿Qué sucedería si se combinan elementos sin saber cuáles s on sus propieda- des? Expongan los resultados al resto de la clase.
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AplicA lA noción de mol en lA cUAntificAción de procesos qUímicos
Fórmula mínima y órmula molecular S e conoce la compocón porcentual de un compueto puede determnare la órmula mínma, tambén denomnada órmula empírca [Ej. 8]. Para ello e utlza el guente procedmento: 1. Se tranorman lo porcentaje en maa, a partr del upueto de que la muetra en cuetón tene una maa de 100 g. 2. A contnuacón e calculan lo mole de cada uno de lo elemento químco al d vdr la maa entre u maa atómca. 3. De lo reultado obtendo en el pao número 2 e elge el de menor valor y entre éte e dvden todo y cada uno. S al termnar lo cálculo e obtenen número racconaro, entonce éto e multplcan por una cantdad que lo tranorme en entero. 4. Se contruye la órmula utlzando lo reultado del pao 3 como ubíndce.
Ejemplo 8 La estricnina es un veneno muy peligroso y se usa como raticida. Su composición es: C (75.45%), H (6.587%), N (8.383%), O (9.581%). Con estos datos, encuentra su órmula empírica.
su Se supone que la muestra tiene una masa de 100 g, con lo cual los porcentajes se transorman directamente a gramos. Al seguir los pasos explicados, la solución se encuentra de la siguiente manera: Elemento
Masa(g)
Relaciónmolar
(g/mol)
Moles de cada elemento
6.306 = 10.5 0.598
Masa atómica
C
75.45
12.011
75.75 = 6.306 12.011
H
6.587
1.008
6.587 = 6.535 1.008
N
8.383
14.007
8.383 = 0.598 14.00
0.598 = 1.0 0.598
O
9.581
15.999
9.581 = 0.598 * 15.999
0.598 = 1.0 0.598
6.535 = 10.9 0.598
`
11.0
*Indica el menor valor que se situará como denominador en la columna de la relación molar.
En una primera aproximación, la órmula empírica queda así: C 10.5H11N1O1. Sin embargo, la órmula mínima o empírica requiere que se tengan números enteros para todos los átomos participantes. Para lograrlo se multiplican, en este caso, todos los subíndices por 2 y se tiene la solución al problema: C 21H22N2O2.
La órmula mínma o empírca muetra la relacone de número entero má mple, mentra que en la órmula molecular o verdadera e tene la correcta relacón de átomo que conorman un compueto determnado [Ej. 9]. Para obtener la órmula molecular convene utlzar eta ecuenca de pao: 1. Calcular la órmula mínma o empírca. 2. Calcular la maa molecular de la órmula mínma o empírca. 3. Dvdr la maa molecular verdadera (normalmente, un dato del problema) entre la obtenda en el pao 2; de ete modo e obtene un actor. 4. Multplcar lo ubíndce de la órmula mínma o empírca por el actor obtendo en el pao 3. st-editorial.com
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Química 2 Este libro está estructurado en cinco bloques, los cuales se basan en los contenidos del programa de Química II, que corresponde al primer semestre de la Reorma Integral de la Educación Media Superior ( riems) de la Dirección General de Bachillerato (dgb). Busca desarrollar en los alumnos competencias genéricas y disciplinares. Presenta novedosas secciones
destinadas a desarrollar las competencias que les permitan crear su propio conocimiento, a partir de la comprensión de cada objeto o enómeno que ocurre en el universo, ya que en todos participa, de una u otra orma, la química. Todo esto con la fnalidad de que los estudiantes resuelvan los problemas cotidianos y comprendan racionalmente su entorno inmediato.
Colección
Sobre el autor Víctor Manuel Mora González. Es ingeniero químico industrial ( ipn ) y proesor de bachillerato con más de 20 años de experiencia. Participó en la revisión de los programas de Química 1 y Química 2 de la reorma curricular de la dgb y en la elaboración de los nuevos programas de 2009 (riems). Colabora en la ormación de docentes a nivel de bachillerato.
Bachillerato
Esta colección tiene como propósito cubrir las necesidades surgidas a raíz de la riems, a través de la cual se plantea el enfoque de competencias para este nivel educativo. Los libros de esta colección se encuentran totalmente apegados a los programas de estudio de la dgb.
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Diseño educativo Optimizado para acilitar el aprendizaje de manera visual.
Recursos didácticos Secciones dirigidas al alumno y al docente para la comprensión, el desarrollo y la evaluación de competencias.
El cuidado de tu persona y de tu entorno Destinada a que el alumno refexione cómo valorarse, cuidarse y respetarse a sí mismo y a su entorno.
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