Ciencias naturales I

Hallazgos inesperados alteran las vacaciones de un grupo de viejos amigos. Figuras extrañas en el cielo, campos marcados con círculos, piezas de naves espaciales... Varios enigmas, ¿una única respuesta? ¿Nos visitan los extraterrestres? ¿Pueden las ciencias naturales ayudarnos a responder a esta pregunta?

Diversidad, interacciones y cambios

Una historieta que plantea situaciones intrigantes, varios hechos curiosos, algunos absurdos y muchas preguntas. En definitiva, una invitación a explorar los conceptos y los modos de conocer de las ciencias para construir las respuestas que resolverán el caso.

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Ciencias Naturales Fuera de serie es un libro intervenido. Con sus notas marginales y recortes, el recorrido por los conceptos y los modos de conocer es acompañado por un lector cómplice. Se abordan los contenidos en contexto a través del enfoque de indagación escolar para alcanzar un verdadero aprendizaje significativo.

Recursos audiovisuales

educación secundaria

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¿Se animan a recorrer el camino? ¡Prepárense para una experiencia Fuera de serie!

Cu

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Ciencias Naturales Fuera de serie es además un libro expandido, que transciende los límites de sus páginas con reflexiones en torno a problemáticas reales y recursos audiovisuales para analizar resultados y repasar unidad a unidad los contenidos.

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Ciencias naturales I

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Fuera de

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OBRA COMPLETA

NAP: 7.º AÑO Y 1.º AÑO PBA: 1.º AÑO (7.º ESB) CABA: 7.º GRADO

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María Joselevich Milena Rosenzvit Sofía Martínez Laura Melchiorre Marcela Gleiser Rodrigo Laje Diego Galperin Ana Sargodoroschi

Dirección editorial Florencia N. Acher Lanzillotta

Dirección de arte Natalia Fernández

Coordinación editorial Pablo Salomón

Diseño de tapa Cecilia Aranda

Edición Andrés Albornoz Sofía Martínez Sebastián Vargas

Diseño de maqueta Natalia Fernández y Cecilia Aranda

Autoría Diego Galperin Marcela Gleiser María Joselevich Rodrigo Laje Sofía Martínez Laura Melchiorre Milena Rosenzvit Ana Sargorodschi Corrección Carolina Calabrese

Diagramación Verónica Trombetta y Silvia Prado [Estudio Golum] Documentación fotográfica Mariana Jubany Ilustraciones Camila Torre Notari Federico Combi Daniel Zilberberg Preimpresión y producción gráfica Florencia Schäfer

© 2014, Edelvives. Av. Callao 224, 2º piso. Ciudad Autónoma de Buenos Aires (C1022AAP), Argentina.

Ciencias naturales 7-1 / Milena Rosenzvit... [et.al.]; coordinado por Pablo Salomón; dirigido por Florencia N. Acher Lanzillotta; edición a cargo de Sebastián Vargas, Sofía Martínez y Andrés Albornoz; ilustrado por Gerardo Baró. - 1ª ed. - Ciudad Autónoma de Buenos Aires: Edelvives, 2014. 240 p.; 27 x 21 cm. ISBN 978-987-642-313-7 1. Ciencias Naturales. 2. Enseñanza Secundaria. I. Rosenzvit, Milena II. Salomón, Pablo A., coord. III. Acher Lanzillotta, Florencia N., dir. IV. Vargas, Sebastián, ed. V. Martínez, Sofía, ed. VI. Baró, Gerardo, ilus. CDD 570.712

Este libro se terminó de imprimir en el mes de octubre de 2014, en FP Compañía Impresora, Buenos Aires, Argentina. Reservados todos los derechos de la edición por la Fundación Edelvives. Queda rigurosamente prohibida, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de los ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo público. Queda hecho el depósito que dispone la ley 11.723.

Fotografía Experiencias: Paula Bonacorsi Página 50: Beatrice Murch/cc by 2.0; P 54: Martín Katz/Greenpeace; p55: Argmda/cc by-sa 3.0; p.111: ESO/S. Brunier; p.128: Nicolas Pérez/cc by 2.0; p.130: © Greenpeace / Martin Katz; p.169: Tangopaso/cc by-sa 3.0; p.170: Bengt Nyman/cc by 2.0; p. 175. Halley Pacheco de Oliveira/cc by-sa 3.0; p.178: KeresH/cc by-sa 3.0; p.186: Nathan Reading/cc by 2.0; p.186: MarkusHagenlocher/cc by-sa 3.0; p.199: © Greenpeace / Martin Katz; p.220: Bill Rhodes/cc by 2.0. NASA images.com Shutterstock: Yury Kosourov, Sergey Nivens, Sergio Stakhnyk, emin kuliyev, RomboStudio, Lena Lir, photopixel, Africa Studio, 2xSamara.com, Rueangrit Srisuk, relax_gap, Ivan Banchev, bibiphoto, Jultud, Marques, blackboard1965, SergeBertasiusPhotography, racorn, Giuseppe Parisi, Olaf Speier, matteo sani, meunierd, Bryan Pollard, Mykhaylo Palinchak, l i g h t p o e t, next143, zhangyang13576997233, pedrosala, Viacheslav Nikolaenko, Ulga, My Good Images, Henri et George, LIUSHENGFILM, D. Pimborough, Yermolov, M. Unal Ozmen, Arve Bettum, You Touch Pix of EuToch, BlueRingMedia, Slavo Valigursky, Aleksei Lazukov, Alberto Pérez Veiga, Gabriele Maltinti, Piotr Krzeslak, Tyler Olson, Yongyut Kumsri, arhip4, haveseen, FooTToo, peresanz, Richart777, TDway, khlongwangchao, Ksenia Ragozina, demarcomedia, mj007, David Steele, design56, Mariano N. Ruiz, Smileus, pedrosala, molekuul.be, Ian Grainger, Gary C. Tognoni, Jason X Pacheco, lzf, Giovanni Cancemi, bofotolux, aleksandr hunta, Robin Nieuwenkamp, kerstiny, Jarous, Madlen, vvvita, Ihar Palitanski, KPG Payless2, Ekachai Sathittaweechai, irisphoto1, Rostislav Glinsky, Marsan, nico99, zcw, c12, Dirk Ercken, areeya_ ann, Tracy Starr, Matt Gibson, schankz, Amir Ridhwan, smereka, edography, SassyWitchStudio, RnDmS, thatreec, ileana_bt, Eduard Kyslynskyy, francesco de marco, Filipe Frazao, Inge Jansen, Valentyna Chukhlyebova, UGREEN 3S, Alila Medical Media, Sebastian Kaulitzki, leonello calvetti, S K Chavan, Linda Bucklin, stihii, Designua, Kesu, Vankad, Puwadol Jaturawutthichai, Jakub Cejpek, sciencepics, Blamb, BlueRingMedia, stockshoppe, Alex Luengo, Arina P Habich, Cathy Keifer, Rido, design36, Tomislav Pinter, Galina Barskaya, Hayati Kayhan.

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Ciencias naturales I

Diversidad, interacciones y cambios

Bloque I. Los materiales 1. Los materiales y sus propiedades ¿De qué material está hecho? ¿Cómo averiguarlo?............15 Los materiales y sus propiedades...........................................16 Mientras tanto... “La historia de la lamparita incandescente”... 16 Propiedades intensivas y extensivas....................................17 Medición de las propiedades extensivas..............................18 Sistemas de unidades...............................................................18 Las propiedades intensivas......................................................19 Temperatura de fusión.............................................................19 Temperatura de ebullición.......................................................19 Mientras tanto… “La temperatura y sus escalas”.................19 Conducción de la electricidad.................................................20 Magnetismo...............................................................................20 Densidad....................................................................................20 Propiedades organolépticas.....................................................20 Solubilidad.................................................................................21 Notas de laboratorio N.º 1. ¿Cómo distinguir una sustancia por su solubilidad? .........................................21 El modelo corpuscular de la materia....................................22 Los estados de agregación de la materia.............................23 Mientras tanto… “Ríos de metano en Titán”.........................23 Los materiales en la historia..................................................24 Los metales................................................................................24 El vidrio......................................................................................24 Los cerámicos............................................................................25 Los plásticos..............................................................................25 La “huella digital” de los materiales.....................................26 Mientras tanto… “Materiales y naves espaciales”................26 Actividades de repaso e integración...................................27

2. Las mezclas ¿Existen los líquidos magnéticos?......................................29 Sistemas materiales.................................................................30 Fases de un sistema.................................................................31 Sistemas homogéneos y heterogéneos...................................31 Sustancias puras y mezclas...................................................32 Notas N.º 2. ¿De qué están hechas las cosas? ......................32 Clasificación de las mezclas...................................................33 Mezclas heterogéneas...............................................................33 Métodos de separación de fases............................................34 Mezclas homogéneas o soluciones.........................................35 Mientras tanto… “Se usará una nueva aleación...” ..............35 Métodos de separación de mezclas homogéneas...............36 Evaporación...............................................................................36 Destilación simple y fraccionada............................................36 La separación de sustancias en la industria..........................37 La solubilidad...........................................................................38 Solubilidad de sólidos en líquidos...........................................38 Las variaciones en la solubilidad............................................39 Notas N.º 3. Al aumentar la temperatura, ¿cuánto aumentará la solubilidad?........................................39 Solubilidad de gases en líquidos.............................................40 Solubilidad de líquidos en líquidos.........................................40 Solubilidad de sólidos en sólidos.............................................41 Métodos de purificación del oro..............................................41 Mientras tanto… “El oro en la exploración del espacio”........41 Separación de fases en la industria alimenticia.................42 Actividades de repaso e integración.....................................43

4

3. El agua ¿En qué estados se encuentra el agua en la Tierra?...........45 Los estados de agregación del agua......................................46 Mientras tanto… “¿Cómo se forman las nubes?”.................46 La presión y la temperatura de ebullición...........................47 Notas N.º 4. ¿Cómo cambia la temperatura de ebullición del agua según la presión atmosférica? ................................47 El agua como solvente.............................................................48 El agua y los seres vivos...........................................................48 El agua en el espacio...............................................................49 El agua en la Tierra...................................................................49 Mientras tanto… “Diálogos en el espacio”.............................49 El agua potable.........................................................................50 Mientras tanto… “El Palacio de las Aguas Corrientes”.........50 Obtención y potabilización......................................................51 Usos del agua en las actividades humanas.........................52 Usos consuntivos y no consuntivos........................................52 Disposición de las aguas..........................................................53 Depuración de efluentes..........................................................53 Contaminación el agua...........................................................54 Mientras tanto… “La contaminación en el Riachuelo”.........54 Actividades de repaso e integración...................................55

Bloque 2. El mundo físico 4. Movimientos y fuerzas ¿Por qué orbitan los satélites?.............................................61 Descripción del movimiento...................................................62 Sistema de referencia...............................................................62 Magnitudes escalares y vectoriales.......................................63 Trayectoria.................................................................................63 Rapidez y velocidad..................................................................64 Notas N.º 5. ¿Cuál es la rapidez de las hormigas con y sin carga?.........................................................................65 Medir la rapidez de los cuerpos...............................................65 Causas del movimiento...........................................................66 Interacciones más generales...................................................66 La fuerza como medida de interacción..................................67 Efecto de una fuerza: aceleración...........................................67 Superposición y balance de fuerzas........................................68 Aceleración de la gravedad......................................................68 Mientras tanto… “Aristóteles, Galileo y la caída...” ..............69 Inercia y masa...........................................................................70 Fuerzas de contacto..................................................................70 Fuerzas a distancia...................................................................71 Diferencia entre masa y peso..................................................71 La fuerza de rozamiento..........................................................72 La Ley de Gravitación Universal..............................................72 La atracción gravitatoria, una interacción mutua................73 El peso como aproximación.....................................................73 Caídas y órbitas.........................................................................74 Actividades de repaso e integración...................................75

5. La energía ¿Qué formas de energía existen?........................................77 Cambios en un sistema...........................................................78 Cambios complementarios......................................................78 Sistemas aislado y no aislados................................................79 Balance de cambios: la energía...............................................79 Formas de la energía...............................................................80

Energía cinética.........................................................................80 Energía potencial o de interacción..........................................81 Mientras tanto… “La combustión y los cohetes”..................83 Energía térmica.........................................................................84 Energía de radiación.................................................................84 Mientras tanto… “Energía nuclear en la Argentina”.............84 La “escalera” de energía............................................................85 Trabajo, calor y energía...........................................................86 El calor como transferencia de energía térmica....................86 El trabajo como transferencia mecánica de energía.............86 Máquinas simples.....................................................................87 La palanca..................................................................................87 El plano inclinado.....................................................................87 La polea......................................................................................87 Conservación de la energía.....................................................88 Sistemas aislados, cerrados y abiertos...................................88 Actividades de repaso e integración...................................89

6. Intercambios de energía ¿Cómo comunicarse con extraterrestres?...........................91 Temperatura y calor.................................................................92 La temperatura y el sentido del tacto.....................................92 Notas N.º 6. ¿Hay una relación unívoca entre la temperatura real de un objeto y la temperatura que percibimos?.................. 92 Mecanismos de transferencia de energía térmica..............92 La temperatura y los termómetros.........................................93 Equilibrio térmico, cambios de temperatura y calor.............93 Calor o conducción...................................................................94 Convección.................................................................................94 Radiación...................................................................................95 Aislamiento térmico, derroche y uso eficiente de la energía....95 Temperatura y materia............................................................96 Cambios de tamaño por temperatura....................................96 Temperatura, calor y cambios de fase....................................96 El agua y el calor......................................................................97 Densidad máxima del agua líquida........................................97 Hielo menos denso que el agua líquida..................................97 Ondas: perturbaciones que se propagan..............................98 Ondas materiales, ondas electromagnéticas y energía........98 Frecuencia, longitud de onda, amplitud y velocidad............99 Atenuación con la distancia....................................................99 El sonido...................................................................................100 Altura e intensidad de un tono..............................................100 Velocidad del sonido...............................................................100 Ondas electromagnéticas.......................................................101 El espectro electromagnético.................................................101 Ultravioleta..............................................................................101 Luz visible y colores................................................................102 Infrarrojo y calor.....................................................................102 Microondas..............................................................................102 Ondas de radio........................................................................102 Actividades de repaso e integración.................................103

Bloque 3. La Tierra y el Universo 7. La Tierra y el Sistema Solar ¿Cuál es nuestro lugar en el universo?.............................109 La observación del cielo........................................................110 Las cosas “raras” del cielo nocturno...................................111 Figuras en el cielo...................................................................112

Cambios y regularidades en el cielo...................................113 Notas N.º 7. ¿Cambia de posición la Luna con el correr de las horas?............................................................................113 El cielo da vueltas...................................................................114 Un reloj en el cielo nocturno................................................115 Notas N.º 8. ¿Se puede usar la Cruz como un calendario?....115 Las fases lunares....................................................................116 Los planetas en el cielo.........................................................117 Mientras tanto… “El desafío de los tres planetas”..............117 Un orden posible para el Universo......................................118 Otro orden posible: el Sol en el centro................................119 El Sol ya no es el centro.........................................................120 Actividades de repaso e integración.................................121

8. La Tierra y sus recursos ¿Los seres humanos son capaces de contaminar el espacio?..........................................................................123 Los recursos de la Tierra.......................................................124 Los subsistemas terrestres.....................................................124 Los recursos y los materiales...............................................127 El uso de los materiales a través del tiempo........................127 Los recursos y la energía......................................................128 Mientras tanto... “La revolución de la energía”...................128 Recursos renovables y no renovables.................................129 El uso de los recursos y la generación de residuos..........129 La gestión de los residuos y las consecuencias ambientales...130 El problema de las bolsas de plástico...................................130 La basura fuera de la Tierra...................................................131 Mientras tanto… “Una enorme bola de basura”.................131 Opciones para la gestión de residuos...................................132 Mientras tanto… “Programa de reciclado...”........................132 Las tres R: reducir, reusar, reciclar......................................133 Notas N.º 9. ¿Qué porcentaje de los materiales que desechamos puede recuperarse?...................................133 El cuidado de los recursos y las energías renovables......134 Actividades de repaso e integración.................................135

Bloque 4. Los seres vivos 9. Unidad y diversidad de la vida ¿Cómo sería, si existiera, la vida extraterrestre?..............141 La composición química de los seres vivos.......................142 Los niveles de organización de los seres vivos.....................143 Los seres vivos como sistemas abiertos.............................144 Los seres vivos se relacionan con el ambiente....................145 Notas N.º 10. ¿Cómo reaccionan las lombrices ante los estímulos del ambiente?..................145 La regulación del medio interno..........................................146 Los seres vivos se reproducen.............................................147 Los seres vivos se autoproducen...........................................148 Mientras tanto… “A 40 años de la autopoiesis...” ...............148 Los seres vivos cambian y se diversifican..........................149 Mientras tanto… “Diario de viaje de Darwin en el Beagle”.....149 La evolución y la adaptación a los ambientes.....................150 La biodiversidad......................................................................151 Mientras tanto… “Consumo, publicidad y seres vivos”......151 Clasificar la vida......................................................................152 Organizar la biodiversidad en el presente............................153 Las características que comparten los seres vivos...........154 Actividades de repaso e integración.................................155

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10. Los seres vivos autótrofos ¿De qué se alimentan las plantas?...................................157 La nutrición de las plantas...................................................158 Notas N.º 11. ¿De qué se alimentan las plantas?...............158 La fotosíntesis.........................................................................159 Diversidad de autótrofos.......................................................160 Protistas fotoautótrofos..........................................................161 Mientras tanto… “Recomendaciones acerca de la marea roja”.....................................................................161 Bacterias fotosintetizadoras..................................................162 Otros seres vivos autótrofos: las bacterias quimiosintéticas......................................................................164 Necesidades nutricionales de los autótrofos.....................165 Notas N.º 12. ¿Las plantas crecen de la misma manera si no hay nutrientes en el suelo?...........................................165 La circulación de los nutrientes en las plantas.................166 El cuerpo de las algas pluricelulares y unicelulares........167 Relación de las plantas con el medio..................................168 Notas N.º 13. ¿Las plantas captan las señales del entorno?...168 Las plantas y los estímulos....................................................169 Nastias y tropismos................................................................169 Fotoperiodicidad y latencia....................................................170 Actividades de repaso e integración.................................171

11. Los seres vivos heterótrofos ¿Solo los animales se alimentan de otros seres vivos?...174 La nutrición de los animales................................................174 La alimentación de los vertebrados......................................175 La alimentación en los vertebrados......................................176 Notas N.º 14. ¿Cómo se relaciona el aparato bucal de un insecto con su alimentación?.....................................176 La digestión de los animales................................................177 Mientras tanto… “Vacas mochileras...”................................177 Diversidad de seres vivos heterótrofos...............................178 Los protistas heterótrofos......................................................179 Las bacterias heterótrofas......................................................180 Los hongos...............................................................................181 La organización del cuerpo de los heterótrofos................182 Notas N.º 15. ¿Cómo puede diferenciarse el micelio de los hongos del plasmodio de los mixomicetes?................182 Los mecanismos heterótrofos en el ambiente ..................183 Importancia de los microorganismos heterótrofos para el ser humano................................................................184 Actividades de repaso e integración.................................185

12. Los ecosistemas ¿Cómo se relacionan los seres vivos con el ambiente?...187 Los ambientes naturales.......................................................188 Ecología: sistemas y ecosistemas..........................................188 Los componentes de los ecosistemas.................................189 Las interacciones en un ecosistema...................................190 Las relaciones dentro de una comunidad..........................191 Las relaciones alimentarias en una comunidad...............192 Cadenas tróficas......................................................................192 Notas N.º 16. ¿El tamaño de una población influye en el tamaño de las poblaciones de sus predadores?..............193 Redes tróficas...........................................................................193 La materia en los ecosistemas.............................................194 La materia se recicla...............................................................194 Los ciclos de la materia.........................................................195

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Ciclo del carbono.....................................................................195 Ciclo del nitrógeno..................................................................195 Notas N.º 17. ¿Cómo influye la presencia de hongos descomponedores en el crecimiento de las plantas?...............196 Mientras tanto… “Los anillos de hadas”..............................196 La energía fluye......................................................................197 El estudio de los ecosistemas...............................................198 Desequilibrios peligrosos......................................................199 Mientras tanto… “Los polizones de cola larga...”................200 Acciones humanas responsables........................................200 Actividades de repaso e integración.................................201

13. El organismo humano como sistema ¿Cómo se comunican los sistemas del cuerpo?...............203 Las funciones del cuerpo humano......................................204 La organización del cuerpo humano....................................204 La organización de los sistemas del cuerpo......................205 La función de sostén y movimiento: el sistema osteoartromuscular............................................206 Mientras tanto… “Las prótesis y los deportes”....................207 La función de nutrición y los sistemas...............................208 La función de relación, control y regulación......................209 El sistema nervioso.................................................................209 Notas N.º 18. ¿Cómo se modifican la frecuencia cardíaca y la respiratoria con la actividad física?...............210 Los estímulos y los sentidos..................................................211 El sistema endocrino..............................................................212 La función de defensa: el sistema inmunológico..............213 Mientras tanto… “La enfermedad celíaca y la ley celíaca”..213 La función de reproducción..................................................214 El sistema reproductor masculino........................................214 El sistema reproductor femenino..........................................215 Mientras tanto… “Casi con la precisión...”...........................215 El desarrollo y los cambios en la adolescencia....................216 La producción de las células sexuales masculinas y femeninas.............................................................................216 Actividades de repaso e integración.................................217

14. Nutrición y alimentación en el ser humano ¿Cómo se eliminan del cuerpo las sustancias de desecho?.. 219 Los nutrientes como materiales del cuerpo.......................220 Mientras tanto… “La enfermedad de los marineros”.........220 Notas N.º 19. ¿Influye la dieta en la enfermedad de los marineros?....................................................................221 La importancia de los nutrientes en la dieta.......................221 La función de los nutrientes..................................................222 Alimentación y nutrición: dos conceptos diferentes........223 La alimentación en los seres humanos..............................224 La nutrición en los seres humanos.....................................225 La digestión.............................................................................226 La absorción de los nutrientes...............................................227 Las glándulas anexas..............................................................227 Mientras tanto… “Experimentos del pasado”......................227 La circulación..........................................................................228 El corazón.................................................................................229 El movimiento del corazón....................................................229 La respiración.........................................................................230 La excreción............................................................................231 Mientras tanto… “Aprender a comer sano...” .....................232 Actividades de repaso e integración.................................233

¿Cómo es este libro? “Nada del otro mundo” Una novela gráfica que plantea varios enigmas en los que las ciencias tienen mucho para aportar... Hallazgos inesperados alteran las vacaciones de un grupo de viejos amigos. Figuras extrañas en el cielo, campos marcados con círculos, piezas de naves espaciales... Varios enigmas, ¿una única respuesta? ¿Nos visitan los extraterrestres? ¿Pueden las ciencias naturales ayudarnos a responder a esta pregunta? ¿Se animan a acompañar a los protagonistas para resolver el misterio?

Sobre el margen de las páginas encontrarán anotaciones que acompañarán y guiarán la lectura.

En birome se incluyen aclaraciones sobre palabras desconocidas, propuestas para revisar otras partes del libro e ideas clave sobre los contenidos de la página. En lápiz van a encontrar preguntas y actividades que los ayudarán a comprender el tema.

¡El libro está lleno de recortes de diarios, revistas, folletos y libros! Mientras tanto, en otro lugar Porque no hay una única fuente de información que sea válida para comprender un tema, el libro incluye propuestas para el análisis de los contenidos científicos a través de la óptica de los medios masivos de comunicación, el cine, la literatura y otros productos culturales.

Notas de laboratorio. Propuestas de trabajo para el desarrollo de competencias experimentales genuinas. Invita a reproducir experiencias históricas o actuales.

¿Quién dijo que solo se aprende a imaginar e interpretar experimentos en el laboratorio? Cada vez que encuentren una imagen como esta, preparen el celu, la tablet o la netbook. Estos códigos les permiten acceder a los contenidos audiovisuales con solo apuntar con la cámara de sus dispositivos.*

Al finalizar cada capítulo, van a encontrar variedad y riqueza de actividades de repaso e integración que desarrollan sus competencias cognitivo-científicas. ¡Ayudan a desarrollar el pensamiento científico!

* Para tener más información sobre el uso de los códigos QR, visiten la siguiente dirección: http://bit.ly/EDVCN007

Conclusiones que vinculan el enigma de la apertura con los contenidos del capítulo. De este modo, se aplican los aprendizajes en el análisis de casos concretos. ¡Buenísimo!

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¿Cómo averiguar si el “moco” es producid o por un ser vivo? ¡V er capítulo 9!

8

¿Existen los extraterrestres? ¿Qué dice la ciencia al respecto? ¡Investigar!

9

¿Basta que varios sucesos hayan ocurrido al mismo tiempo para afirmar que fueron causados por el mismo fenómeno?

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¿Se puede averiguar de qué material está hecho un objeto? ¿Cómo? ¡Ver capítulo 1!

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Bloque I

los materiales y sus propiedades

¿De qué material está hecho? ¿Cómo averiguarlo?

¿Qué métodos existen para identificar un material? ¿Cuáles son los elementos más comunes en el universo? ¿Y en la Tierra?

1

Continuará en la página 29.

Bloque I

los materiales

Los materiales y sus propiedades

¿Para qué se puede usar un material?

¡Analizar sus propiedades!

La sociedad humana cambia en el tiempo, y también desarrolla los objetos que utiliza, la utilidad que les da y su habilidad para modificarlos. Los vehículos modernos, por ejemplo, se construyen con materiales muy distintos de los que se usaban antiguamente. En la actualidad, es posible viajar a lugares muy distantes de manera rápida, cómoda y segura, en automóviles y aviones fabricados con materiales muy resistentes y, a la vez, relativamente livianos. Pero ¿cómo se elige el material adecuado para cada uso? ¿Se emplean los mismos materiales en un auto familiar que en una nave espacial? Las características de los materiales, aquellas que se estudian para saber si son útiles para un propósito en particular, se llaman propiedades. T E C N O L O G Í A E N L A H I S TO R I A

LA HISTORIA DE LA LAMPARITA INCANDESCENTE Thomas Alva Edison (1847-1931) fue un exitoso inventor y empresario estadounidense. Patentó más de mil inventos, muchos de los cuales cambiaron para siempre la vida de las personas. Uno de los más conocidos es, sin dudas, la lamparita eléctrica. la época de Edison, muchos E ninvestigadores buscaban mejorar

las formas de iluminación de las viviendas y de la vía pública. Por aquel entonces se empleaban para ello lámparas de gas o de querosén, que además de brindar una iluminación pobre, implicaban un gasto muy grande. Los científicos e inventores sabían que algunos materiales se calientan cuando a través de ellos circula corriente eléctrica, y que, al calentarse, emiten luz. Se pensaba que aquel fenómeno podía aprovecharse para hallar una solución al problema de la luz artificial; pero la posible solución debía superar un obstáculo importante: para que la generación de luz resultara eficiente, el material elegido debía llevarse a una temperatura muy alta,

¿Qué condiciones debía reunir el material que los científicos buscaban para fabricar el filamento de la lámpara incandescente?

16

pero sin que el material se ablandara, se agrietara ni se fundiera. Edison, mientras buscaba inventar una lámpara eléctrica, probó con muchísimos materiales. Patentó una de las primeras lamparitas incandescentes usando filamentos de carbón, que obtenía quemando tiras de papel, filamentos de coco o hilos de algodón, entre otros materiales. Pero todos estos materiales duraban muy poco. Antes de Edison, otros investigadores habían descubierto que el platino era un buen material para construir filamentos para una lamparita, porque soporta temperaturas de hasta 1.768 °C sin fundirse y, al ser un metal, conduce muy bien la corriente eléctrica; pero el platino era demasiado caro. Edison probó con otros metales

Los investigadores se basan en el trabajo de otros científicos que los precedieron, y así reúnen más información e ideas sobre un tema.

Thomas Alva Edison

más baratos, pero no consiguió lo que buscaba: el paladio se agrietaba y burbujeaba, el níquel se oxidaba con facilidad; el rutenio, el iridio y el rodio tampoco funcionaron. El problema fue resuelto en 1907 por los austríacos Alexander Just y Franz Hanaman, con la ayuda de William Coolidge, cuando desarrollaron la famosa lamparita de tungsteno, que es la que se usó hasta hace muy poco tiempo, cuando se reemplazó por las lámparas de bajo consumo que funcionan con gases fluorescentes. Aunque no fue Edison el que finalmente patentó la lámpara de tungsteno, su trabajo fue fundamental para que otros pudieran llevar esas investigaciones a buen puerto.

los materiales y sus propiedades

Capítulo 1

Propiedades intensivas y extensivas Al seleccionar qué material conviene utilizar para fabricar un objeto, hay que analizar qué requisitos debe cumplir el material para resultar adecuado para ese uso. Por ejemplo, se debe determinar si se quiere que el objeto que se elabore sea capaz de conducir la corriente eléctrica, de calentarse, de emitir luz, de resultar atraído por imanes, entre muchas otras posibilidades. En definitiva, hay que reconocer las propiedades que los materiales buscados deberían tener. Muchas propiedades no dependen de la cantidad de material considerada. Por ejemplo, cualquier objeto de platino, sea cual sea su forma y su tamaño, es sólido a temperaturas menores a 1.768 °C y conduce la corriente eléctrica. De la misma manera, los cables de cobre conducen la electricidad, sin importar cuán largos y delgados sean. Estas propiedades son intrínsecas para cada material y están relacionadas con su estructura interna; se las llama propiedades intensivas o específicas. La temperatura a la que hierve una sustancia, la cantidad de ese material que cabe en un determinado volumen y si es atraído o no por un imán son también ejemplos de propiedades intensivas. Hay otras propiedades de los materiales que sí tienen que ver con la cantidad de materia considerada, es decir, con la extensión del objeto que se está estudiando. A estas propiedades se las llama extensivas o generales. Mediante el estudio de estas propiedades se puede responder a preguntas como: ¿cuánto mide?, ¿cuánto pesa? o ¿cuánto lugar ocupa? Algunos ejemplos de propiedades extensivas son la longitud, el volumen y la cantidad de masa.

de los Edison quería que el material iera: pud as par lám las filamentos de , ica ctr elé nte rie cor la » conducir la él por ar pas al se » calentar corriente y » emitir luz al calentarse. ¿Cómo está compuesta la materia? ¿Cuál es su estructura interna?

El cobre es un material conductor de la corriente, por eso se lo emplea en la fabricación de cables y artefactos eléctricos.

A

B

Propiedades intensivas: tienen que ver con la estructura interna o “identidad” de cada sustancia o material. Si se mide con exactitud una propiedad intensiva, ¿se podrá saber qué material es?

C

D

La balanza mide el peso de los objetos (A); la probeta, el volumen de los líquidos (B); la regla, la longitud de cuerpos medianos (C). El calibre o calibrador es un instrumento utilizado para medir dimensiones de objetos relativamente pequeños (D).

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Bloque I

los materiales

Medición de las propiedades extensivas

Los instrumentos de medición se gradúan según medidas preestablecidas internacionalmente. ¿Cómo se puede conocer el volumen de un objeto sólido?

¿Se podrán usar los mism os patrones de medición en distintos planetas? ¿Pesa lo mismo un objeto en la Tie rra que en la Luna?

Un patrón sirve como referencia para medir. Cuando se mide, siempre se está comparando con “algo”.

Para saber cuánto se tiene de un material, se elige un instrumento de medición, se mide la muestra que se quiere estudiar y se lee el valor indicado por el instrumento. Los valores que proporciona el instrumento de medición (como por ejemplo las marcas de milímetros y centímetros de una regla o las de gramos de una balanza) se incluyen por el fabricante en el instrumento, a partir de las indicaciones de un organismo internacional que se ocupa de definir las unidades de medida. De este modo, se puede expresar la magnitud que se quiere medir en las unidades de medida correspondientes. Las unidades en las que se expresa el volumen de un objeto, es decir, la cantidad de espacio que ocupa, son litros (l), mililitros (ml), centímetros cúbicos (cm3), entre otras. Si lo que se analiza es un líquido, para medirlo se pueden usar pipetas, probetas o jarras medidoras que estén graduadas en las unidades adecuadas. La masa es una medida de la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Se expresa en kilogramos (kg), gramos (g), toneladas (tn), entre otras unidades. Para medirla se utilizan balanzas.

Sistemas de unidades A lo largo de la historia, todas las sociedades han ideado sistemas de medida, para los cuales construyeron patrones que definen las unidades y las subunidades. Los patrones son modelos que se emplean como muestra para medir alguna magnitud o para replicarla. Los antiguos chinos, por ejemplo, usaban partes del cuerpo (brazo, pulgar, pie) como unidades de medida de longitud. Pero no todas las personas miden lo mismo, y en consecuencia, las mediciones variaban mucho. Los babilonios usaban una unidad de longitud, el cubit, que también era usada por los egipcios y los griegos. Cada cubit egipcio estaba dividido en 12 dígitos (dedos); pero cada cubit griego estaba dividido en 24 dígitos. Para determinar cuánto medía un cubit, especialmente en el comercio, y evitar peleas, los egipcios tenían un patrón hecho de granito negro: todos los cubits debían medir lo mismo que el patrón. En la actualidad, para evitar confusiones, casi todos los países usan el Sistema Internacional de Unidades. Así, todas las personas entienden a qué se refiere una longitud expresada en metros o una masa expresada en gramos. Magnitud

Patrón de medida de la masa. Es la masa que tiene un cilindro de platino e iridio protegido dentro de dos cápsulas de vidrio y guardado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en Sèvres, Francia.

18

Nombre de la unidad

Símbolo de la unidad

Longitud

metro

m

Masa

gramo

g

Tiempo

segundo

s

Corriente eléctrica

ampere

A

grado Kelvin

K

Cantidad de materia

mol

mol

Intensidad luminosa

candela

Cd

Temperatura termodinámica

los materiales y sus propiedades

Capítulo 1

Las propiedades intensivas Las propiedades intensivas son numerosas y definen características y comportamientos de la materia muy diferentes. El estudio de las propiedades intensivas de una sustancia es útil para decidir qué material es más adecuado para construir un objeto; pero, además, también puede ayudar a identificar un material desconocido. Algunas de las propiedades intensivas de los materiales son las temperaturas de fusión y de ebullición, la conductividad eléctrica, el magnetismo, la densidad y la solubilidad.

Temperatura de fusión Una de las magnitudes intensivas más fáciles de medir es la temperatura de fusión: es aquella temperatura por encima de la cual una sustancia pasa de ser un sólido a transformarse en un líquido; y viceversa: es también la temperatura bajo la cual, si está en estado líquido, el material se solidifica. Mientras que el agua se derrite a 0 °C, el tungsteno funde recién a 3.422 °C, y por eso se mantiene sólido a altísimas temperaturas, y se puede usar en las lámparas incandescentes. Lo notable es que cuando se tiene un sólido y este empieza a fundirse, su temperatura se mantiene hasta que toda la sustancia haya cambiado de estado. Por más calor que se le entregue, la temperatura no subirá hasta que todo el sólido se haya fundido.

¿Qué propiedades se podrá estudiar para identificar un material “misterioso”?

Cada sustancia funde (“se derrite”) a una temperatura determinada. ¿Se podrán cambiar las propiedades intensivas de una sustancia en condiciones determinadas?

¿Qué instrumento se usará para medir la temperatura de fusión?

Temperatura de ebullición Al igual que en el pasaje de estado sólido a líquido, cuando un líquido se evapora, la temperatura del sistema no aumenta ni disminuye hasta que todo el líquido se haya convertido en vapor. Este punto, conocido como temperatura de ebullición, es otra propiedad intensiva que contribuye a la identificación de un material.

Termómetro de alcohol con escala en grados Celsius.

LA TEMPERATURA Y SUS ESCALAS

M

ientras buscaban formas de medir la temperatura de los objetos, muchos científicos de la antigüedad ensayaron con distintos aparatos. Las primeras referencias fijas en un termómetro fueron definidas por el médico italiano Santorio Santorio (1561-1636): su escala, que tenía diez puntos, iba desde la “temperatura de la nieve” a la de “la llama de una vela”. En 1655, el holandés Christian Huygens (16291695) sugirió usar la temperatura de ebullición del agua como referencia. Pero fue Anders Celsius (1701-1744) quien “dio en la tecla” al publicar en 1741 su propuesta de una escala

dividida en 100 partes, en la cual el punto de ebullición del agua marcara el cero y el de fusión del hielo el 100. Al año siguiente, Jean-Pierre Christin propuso invertirla, y desde entonces la escala quedó como hoy la conocemos y usamos. Actualmente, en la Argentina, como en muchos otros lugares del mundo, se emplea la escala Celsius o centígrada: cero grados es la temperatura en que se congela el agua y cien grados, la temperatura a la que hierve. En los Estados Unidos, en cambio, se emplea la escala Fahrenheit; en esta escala, el agua se congela a 32° y hierve a 212°. ¿Qué ventajas tiene utilizar las temperaturas de fusión y de ebullición del agua para construir una escala? ¿Qué pasaría si se utilizara tungsteno como referencia? 19

Bloque I

los materiales

Conducción de la electricidad

esfera de vidrio cable conductor

tubo de vidrio electrificado

plumitas

Experimento de conducción eléctrica de Gray y Desaguliers.

¿Cuántos metros son 800 pies?

Los materiales ferromagnéticos se “contagian” el magnetismo de un imán.

Algunos materiales, como los metales y el carbón, tienen la propiedad de conducir la electricidad. La magnitud de esa capacidad de conducción se puede determinar y se llama conductividad eléctrica. Entre 1729 y 1736, Stephen Gray (1666-1736), un tintorero y astrónomo aficionado inglés, y Jean Desaguliers (1683-1744), un filósofo natural francés, realizaron en Inglaterra una serie de investigaciones sobre la capacidad de ciertos materiales de conducir la electricidad. Propusieron que la electricidad que se consigue al frotar un tubo de vidrio con una lana puede transmitirse a través de algunos materiales. Uno de sus experimentos consistió en colocar una esfera de vidrio a unos 800 pies de distancia de un tubo de vidrio previamente electrificado. Bajo la esfera de vidrio se colocaron unas cuantas plumas pequeñas y livianas. Luego conectaron la esfera, sucesivamente, a cables de metal, cuerdas de cáñamo, hilos de seda y otros materiales. En los casos en que la electricidad del tubo se transmitía a la esfera, esta atraía las plumas. Si la electricidad no se conducía, las plumas permanecían inmóviles. Descubrieron así que algunos de materiales, como los metales, conducían muy bien la electricidad, mientras que otros, como la seda, no la conducían.

Magnetismo Algunos materiales tienen una propiedad muy particular: cuando se les acerca un imán, adquieren propiedades magnéticas. Estos materiales son llamados ferromagnéticos. Entre ellos están el cobalto, el hierro y el níquel.

Densidad

Magnetización de clavos de hierro al acercarles un imán.

Si se compara el espacio que ocupa igual cantidad de masa de distintas sustancias, se observa que ocupan distinto volumen: un kilo de plomo, por ejemplo, ocupa mucho menos espacio que un kilo de plumas. La densidad es la magnitud que indica cuánta materia cabe en un volumen determinado; por ejemplo, de 1 cm3. La unidad de densidad es “gramos por centímetro cúbico” (g/cm3). Se dice que el plomo es más denso que las plumas porque, a igual volumen, habrá una masa mayor de plomo que de plumas.

Propiedades organolépticas Hay algunas propiedades de los materiales que están relacionadas con lo que percibimos con nuestros sentidos: son las llamadas propiedades organolépticas. Algunas de ellas son la textura, el sabor, el olor y el color. Las mediciones de propiedades sensoriales son difíciles de hacer porque dependen de la interacción con nuestros sentidos, y las personas no somos todas iguales. Aquí no hay mediciones exactas, sino evaluaciones subjetivas: nosotros decimos “qué nos parece”. Como los principales “aparatos” de medición de estas propiedades están en nosotros mismos, para armar escalas y poder agrupar objetos según, por ejemplo, la dulzura, se convoca a expertos. Estos expertos han “entrenado” y calibran sus sentidos para hacer evaluaciones sensoriales lo más ajustadas que sea posible. 20

los materiales y sus propiedades

Solubilidad Los materiales también se distinguen por la propiedad de combinarse con otros, dando por resultado una mezcla en la que no se distinguen los materiales originales. Por ejemplo, al agregar azúcar a una taza de té, lo que se consigue es una infusión dulce, en la cual el azúcar se habrá incorporado al líquido. Pero si se agrega arena a la misma infusión, esta no “cambiará el sabor” del té, sino que simplemente, pasado un breve tiempo, se depositará en el fondo. La diferencia de comportamiento frente a la disolución se puede medir, y es una propiedad intensiva: la solubilidad. La solubilidad se expresa en g/ml: gramos del material minoritario, también llamado soluto (el azúcar del ejemplo) que se disuelven por cada mililitro de solvente (el material mayoritario, que aquí sería la infusión). Su valor depende de las identidades del soluto y del solvente y de la temperatura a la cual se mida.

Capítulo 1

Propiedades organolépticas: tienen que ver con los órganos de los sentidos. ¿Todos percibimos las pticas de la propiedades organolé misma manera?

Soluto: material que se incorpora o disuelve en otro. Solvente: material que recibe o en el cual es incorporado el soluto. Solvente + Soluto = Solución Para repasar lo visto hasta acá: página 27, actividades 1 a 4.

RATORIO

NOTAS DE LABO

¿Cómo distinguir una sustancia por su solubilidad? Hipótesis: Las sustancias tienen distinta solubilidad en agua. Predicción: La solubilidad en agua de algunas sustancias será mayor que la de otras. Materiales: 3 recipientes, agua, azúcar, bicarbonato de sodio. Procedimiento: Se toman tres recipientes iguales y se colocan 10 ml de agua en cada uno. En uno se agrega una porción de azúcar de 1 g y se revuelve la mezcla. Esto se repite, agregando cada vez 1 g de azúcar, hasta que el azúcar deja de disolverse. En otros dos recipientes se hace lo mismo con sal y con bicarbonato de sodio. Resultados: En los tres recipientes se pudieron disolver, respectivamente, 20 g de azúcar, 3 g de sal y 1 g de bicarbonato. No olvidar responder en el informe: 1. ¿Cuál sustancia es más soluble en agua: el azúcar, la sal o el bicarbonato? 2. ¿Cuál es el valor de solubilidad que pueden calcular en cada caso?

experiencia n.º 1

sal bicarbonato de sodio

La solubilidad cambia con distintos solutos. ¿Pasará algo si se cambia el solvente?

: Ver experiencia en N021 VC D E y/ t.l http://bi

21

Bloque I

los materiales

El modelo corpuscular de la materia

Aristóteles

Demócrito

Los atomistas pensaban que la materia está formada por partículas y vacío. Los continuistas, en cambio, pensaban que había una continuidad ininterrumpida de materiales o esencias. ¿Existirán los mismos tipos de átomos en todos los planetas? Las distintas sustancias están formadas por átomos que se agrupan de distintas maneras.

Muchas propiedades del agua se pueden explicar tomando las moléculas de agua como partículas. En la imagen, las esferas verdes representan las moléculas de agua.

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Los seres humanos se han preguntado, desde los comienzos de la historia, de qué están hechas las cosas. Responder a esta inquietud ha presentado varias dificultades en distintas épocas. Por ejemplo, no es posible observar de forma directa los componentes básicos de la materia dado que no hay instrumentos de observación adecuados para ver estructuras tan pequeñas. Por eso, para explicar y predecir el comportamiento de fenómenos naturales que resultan demasiado grandes o demasiado pequeños para ser percibidos por el ojo humano, los científicos imaginan diversas representaciones, llamadas modelos. Los primeros modelos sobre la naturaleza de la materia nacieron en la antigua Grecia. El filósofo Demócrito (460-370 a. C.) y sus colegas, los atomistas, sostenían que la materia está compuesta por corpúsculos o partículas de distintas formas, muy pequeñas e indivisibles, a las que llamaron átomos. Y decían que el espacio entre los átomos está vacío: la materia, de acuerdo con esta idea, está formada por átomos y vacío. Tiempo después, el filósofo griego Aristóteles (384-322 a. C.) y los continuistas decían que no puede existir el vacío, y por lo tanto la materia es continua. Según ellos, toda la materia está formada por distintas combinaciones de cuatro “elementos”: agua, aire, fuego y tierra; aunque agregaban a ellos la quintaescencia, un quinto elemento que llenaba los espacios vacíos. Mucho tiempo ha pasado desde las ideas de Demócrito y Aristóteles hasta hoy, y muchos fueron los modelos propuestos desde aquel entonces. Numerosos experimentos aportaron evidencias que apoyan la idea de que la materia está conformada por átomos, y esa es la teoría científica que se acepta en la actualidad. A pesar de que la idea que los científicos actuales tienen sobre los átomos es muy diferente de la que tuvo Demócrito, todos coinciden en que las características de la materia se acercan más al pensamiento atomista de Demócrito que a la concepción aristotélica. Distintos tipos de átomos presentan distintas características, y se clasifican en los llamados elementos. Al día de hoy, se conocen unos 200 elementos diferentes (oxígeno, mercurio, sodio, carbono, hidrógeno, etcétera) y se postula que estos elementos componen la materia que forma todo el Universo. Los átomos tienen distintas maneras de interactuar. A veces se unen tan fuertemente que forman pequeños grupos que es muy difícil separar: las moléculas. La sustancia agua, por ejemplo, está formada por moléculas que contienen átomos de los elementos hidrógeno y de oxígeno. Las uniones entre los átomos de oxígeno y los de hidrógeno son tan fuertes que, para explicar algunas de las propiedades del agua, las partículas que se usan en el modelo no son los átomos, sino las moléculas completas. Para estudiar ciertos fenómenos, no hace falta conocer en detalle las características de los átomos y de las moléculas. En este caso, se los puede representar mediante un modelo simplificado que los describe como puntos o esferas. Esta simplificación, que resulta útil para estudiar muchas propiedades de la materia, se conoce como modelo corpuscular o de partículas.

los materiales y sus propiedades

Capítulo 1

Los estados de agregación de la materia Si se emplea el modelo que propone que las sustancias están compuestas por partículas, se puede explicar cómo se producen los cambios de estado de la materia. Para eso, se necesita, además de la presencia de átomos, considerar la existencia de fuerzas que los mantienen juntos y que son las responsables de los distintos estados de la materia. En una sustancia sólida, las partículas que la forman están acomodadas muy ordenadamente, y como están unidas por fuerzas muy intensas, es difícil separarlas. Si se entrega al sólido la suficiente energía, por ejemplo, en forma de calor, este se funde. Entonces, las partículas toman esa energía y comienzan a separarse de sus vecinas: ahora pueden moverse unas sobre otras, fluyen, y decimos que el sólido se transformó en un líquido. Si se entrega todavía más calor, se logra que el líquido se transforme en gas; se habrá entonces entregado tanta energía a la sustancia que cada partícula podrá “escaparse” de las demás, alejándose lo más posible entre sí. En este caso, la sustancia ocupará más volumen, hasta abarcar todo el recipiente en el cual se halla contenida. Si los átomos que integran una molécula son diferentes, las fuerzas que los unen también lo serán, y las temperaturas de fusión y ebullición serán particulares para cada sustancia.

Estados de la materia sólido líquido gaseoso

Al calentar una sustancia, sus partículas toman energía para separarse y moverse. Para repasar lo visto hasta acá: página 27, actividades 5 a 9.

M I E N T R A S TA N T O , E N O T R O L U G A R

RÍOS DE METANO EN TITÁN L

as sondas Cassini y Huygens, que están estudiando la luna Titán, el satélite más grande de Saturno, han enviado a la Tierra una información impactante: en ese cuerpo celeste, con una temperatura superficial de -179 °C, existen ríos de metano, y el agua se encuentra en estado sólido, como las rocas en la Tierra. Los científicos se enfrentan al problema de traer a la Tierra muestras de esos materiales para estudiarlos, pues al cambiar las condiciones de temperatura y presión, su estado de agregación cambiará. En la Tierra, en los rangos de temperatura y presión normales de nuestro

medio ambiente, el metano es un gas (es el componente principal del gas natural que se usa en las cocinas). Cuando pensamos en el agua, es muy probable que la imaginemos en estado líquido, como se encuentra en ríos y mares. También sabemos que es fácil hallarla en otros estados de agregación: sólido en las cumbres nevadas y en los glaciares, o gaseoso, como vapor de agua cuando la hervimos en una olla. En cambio, al metano, el hidrocarburo más simple y principal componente del gas natural, lo imaginamos por lo general como un gas. •

se hace refe1. ¿A qué tipo de propiedades de la materia rencia en el artículo? Den ejemplos. rían al tomar 2. ¿Qué dificultades concretas se presenta la Tierra? muestras de elementos de Titán y traerlos a

de distintos Las condiciones las que planetas hacen n en distintos sustancias esté gación. estados de agre rá usarse el En Titán… ¿pod cinar? metano para co

Sonda Cassini, de la NASA.

Foto tomada por la sonda Cassini, donde se ven los ríos de metano de Titán.

23

Bloque I

los materiales

Los materiales en la historia Las propiedades de los metales hacen que hayan sido usados para construir herramientas tan importantes para el avance de la cultura y la tecnología que su desarrollo marca distintas etapas de la historia de la humanidad.

Los metales Herramientas de la Edad de Piedra, talladas en roca.

Vasija metálica de la Edad del Bronce.

logía El avance de la tecno permitió s) nte lie ca s má (hornos os la producción de nuev materiales (hierro).

El vidrio se puede fundir y verter en un molde, para darle la forma deseada. o, líquido, ¿En qué estado (sólid cuando rio vid gaseoso) está el ¿Y ? lde mo el se lo mete en ? ca sa cuando se lo

Técnica del soplado del vidrio.

24

Hace unos 8.000 años, las principales herramientas del ser humano estaban hechas de rocas: era la Edad de Piedra. Aunque alguna gente usaba materiales metálicos para construir pequeños objetos, en especial adornos, los metales alcanzaron su auge hace unos 6.000 años, cuando nuestros antepasados observaron que al poner a calentar mucho algunas piedras se obtenía un metal rojizo y relativamente blando, maleable; comenzó así la Edad del Cobre. Pero al ser el cobre tan blando, los utensilios hechos con él se deformaban y se rompían muy fácilmente. Esto cambió cuando descubrieron que al mezclar cobre con otro metal, el estaño, se obtenía un material brillante y amarillento, más duro y resistente; ahí comenzó la Edad del Bronce, 5.000 años atrás. Hace unos 3.200 años, el hierro, un material mucho más duro y resistente, sucedió al bronce; esto fue posible porque se habían desarrollado hornos que llegaban a la muy alta temperatura (1.600 °C) que se requiere para producir hierro. Hoy en día, el hierro se sigue utilizando, en especial en aleaciones (mezclas de un metal con otro material) que le aportan mayor dureza o evitan que se oxide. El acero, por ejemplo, es una aleación de hierro con una pequeña proporción de carbono.

El vidrio En la búsqueda de materiales para distintos usos, el vidrio fue uno de los más impactantes descubrimientos del hombre: al calentar la arena, vieron que se formaba un material fluido y viscoso, que al enfriarse, quedaba rígido, duro y transparente (aunque frágil ante golpes). Las antiguas civilizaciones de América utilizaron materiales vítreos de origen volcánico, que se hallan en la naturaleza, como el cristal de roca y la obsidiana, para crear puntas de flecha, joyas y espejos. En Europa, los primeros objetos de vidrio fueron esculpidos a partir de bloques sólidos por artesanos de Mesopotamia, que enseñaron su arte a los egipcios. Posteriormente, los artesanos egipcios empezaron a trabajar con el vidrio fundido, vaciándolo en moldes con la forma que deseaban. Hacia el año 200 a. C., desarrollaron en Babilonia un método que consiste en soplar una bola hueca de vidrio fundido a través de un tubo de hierro, formando así una botella. Esta técnica ha permanecido casi intacta durante 2.000 años. Los antiguos romanos adquirieron maestría en el manejo del vidrio. Además de usarlo para elaborar obras artísticas, usaron el vidrio plano en las construcciones, aprovechando su transparencia. El ingrediente principal para fabricar vidrio es la arena. Se han desarrollado distintas mezclas de materiales y de técnicas que permiten construir vidrios con distintas propiedades.

los materiales y sus propiedades

Capítulo 1

Los cerámicos Los cerámicos son materiales con propiedades muy particulares. Se construyen mezclando arcilla con agua y distintas sustancias, que pueden darle determinadas propiedades buscadas. Luego, se cocina la pasta resultante en hornos, a temperaturas que varían según el producto que se desee obtener. Se pueden diseñar para que sean frágiles y poco porosos, como los platos de cocina, o altamente resistentes, como las placas que recubren las naves espaciales. Los cerámicos pueden conducir la electricidad de maneras muy particulares; por ejemplo, solo cuando se los calienta o cuando se los golpea. Sirven para hacer ladrillos, azulejos, herramientas y tuberías. Se los encuentra dentro de los filtros de agua y en implantes dentales u otros tipos de prótesis médicas. Son materiales altamente perdurables en el tiempo, pues resisten condiciones extremas. Por ejemplo, no se oxidan con el aire, como los metales, ni son degradados por bacterias. Por eso suelen encontrarse vasijas y otros objetos hechos con cerámicos en sitios arqueológicos; estos objetos se utilizan para estudiar las culturas humanas más antiguas. Los cerámicos tienen también usos muy importantes en el mundo moderno. Por ejemplo, son los componentes principales de las celdas solares que forman los paneles con los que se alimenta de energía a las estaciones espaciales.

Los plásticos Los plásticos son otro tipo de materiales cuyas propiedades particulares hacen que tengan muchos usos diferentes. Se producen a partir de derivados del petróleo. Por eso, surgieron recién después de 1960, cuando se empezó a producir petróleo en grandes cantidades a nivel mundial. Los plásticos son elásticos y maleables; son resistentes y no se oxidan al aire, ni son atacados por microorganismos. Por eso, sus propiedades los hacen adecuados, por ejemplo, para fabricar recipientes para guardar alimentos u objetos con formas muy complejas y precisas, como el teclado de una computadora. Por otro lado, los plásticos no conducen la electricidad ni el calor, por lo que se utilizan, por ejemplo, para aislar los cables que conducen la electricidad. La enorme resistencia de los plásticos hace que, en contrapartida, su uso masivo en la actualidad sea un gran problema a resolver. Cuando se desecha un objeto de papel o madera, con el tiempo es degradado y se incorpora a la tierra. Pero el plástico puede permanecer en el ambiente cientos de años sin sufrir casi ninguna transformación; no son degradados por bacterias, y si se los quema producen gases altamente tóxicos y contaminantes. Muchos grupos de científicos y tecnólogos están investigando formas de hacer que el plástico pueda ser degradado por bacterias o por otros factores naturales. De ahí surgen nuevos materiales: los plásticos biodegradables (que pueden ser procesados por bacterias), los fotodegradables (que son atacados por la luz del sol) y los oxodegradables (que se degradan con ayuda del oxígeno del aire).

Vasija cerámica de Grecia antigua, de unos 2.500 años de antigüedad.

Los plásticos no se degradan fácilmente, pues son muy resistentes a los microorganismos del ambiente.

El plástico se utiliza, hoy en día, para fabricar una enorme variedad de objetos.

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Bloque I

los materiales

La “huella digital” de los materiales

Para repasar lo visto hasta acá: página 27, actividades 10 a 12.

Si se comparan los valores de algunas de las propiedades intensivas de diversos materiales, pueden encontrarse coincidencias. Por ejemplo, los metales zinc y cobalto conducen la electricidad en magnitudes no idénticas, pero sí muy parecidas. En cambio, si se analiza la temperatura a la que el zinc y el cobalto pasan de estado sólido a líquido, se observa que el zinc se derrite a 420 °C, mientras que el cobalto lo hace a 1.495 °C. En ocasiones, entonces, no alcanza con analizar una sola propiedad intensiva para identificar un material desconocido, sino que hace falta observar distintas propiedades al mismo tiempo. Al considerar el conjunto de propiedades de un material, se puede determinar la “huella digital” característica e irrepetible de cada material. Así, pese a que existan materiales que compartan índices de conductividad eléctrica, otros que tengan temperaturas de fusión o de ebullición similares, u otros cuya densidad resulte parecida, no encontraremos dos materiales que bajo las mismas condiciones tengan el mismo conjunto de propiedades intensivas. Por ejemplo, si tenemos un material que es sólido a temperatura menor a 0 °C, líquido entre 0 °C y 100 °C, que no tiene color ni olor, y 1 kg de ese material ocupa un volumen de 1 litro (cuando está a 4 °C), podemos concluir, sin temor a equivocarnos, que estamos en presencia de... ¡agua!

M I E N T R A S TA N T O , E N O T R O L U G A R

MATERIALES Y NAVES ESPACIALES L

as condiciones a que deben someterse todos los objetos que se utilizan en las naves espaciales hacen que para construirlas se deban desarrollar materiales especiales. Los aviones y las naves espaciales deben soportar condiciones de temperatura, presión y fricción extremas; por eso, el gran desafío de la industria aeroespacial es conseguir materiales más ligeros, fuertes y seguros. Por ejemplo, cuando una nave sale de la atmósfera terrestre o reingresa a ella, la fricción con el aire atmosférico hace que la superficie de la nave adquiera altísimas temperaturas. Por eso se han desarrollado cerámicos especiales para aislar térmicamente las cabinas y evitar que se calienten demasiado, o que se congelen cuando estén en el espacio. Además de resistencia térmica, la estructura del vehículo debe tener una gran resistencia mecánica, para soportar las velocidades, aceleraciones, impactos y esfuerzos a los que se verá sometido. También deben tomarse en cuenta factores como las temperaturas

y presiones que encontrará en su recorrido, y el factor igualmente importante del propio peso de la nave. Los trajes de los astronautas también se construyen con materiales diseñados especialmente; deben ser ligeros, aislantes, resistentes, herméticos y cómodos. Los aparatos y los accesorios que llevan las naves espaciales deben ocupar el menor lugar posible, pesar poco y ser extremadamente eficientes. Piensen que sería muy difícil repararlos si se rompieran o se descompusieran en el espacio. Las propiedades especiales de los materiales desarrollados para aviones y naves espaciales han hecho que se los utilice para desarrollar otros objetos de uso cotidiano. Por ejemplo, los cuadros de las bicicletas de alta competencia se construyen con grafito, un material extremadamente resistente, rígido y liviano que también se usa para fabricar la mina de los lápices, y que se desarrolló, por sus propiedades intensivas, para elaborar componentes de naves espaciales. •

¿Qué características tienen los materiales empleados en la construcción de equipamiento para misiones espaciales? 26

Bloque 2

Actividades de repaso 1. Respondan las siguientes preguntas: a. ¿Qué características buscaba Edison en el material

para la construcción de la bombilla eléctrica? b. ¿Por qué no se puede hacer un filamento de mercurio? (Investiguen en Internet antes de responder.) c. ¿En qué propiedad se deben fijar para responder las preguntas anteriores? ¿Se trata de una propiedad intensiva o extensiva?

9. El agua se ha utilizado como patrón para determinar

muchas propiedades, tanto extensivas como intensivas. Por ejemplo, en una época se definió el litro (o decímetro cúbico, es decir el volumen de un cubo de 10 cm de lado = 1 dm3) como “el volumen que ocupa un kilogramo de agua a 20 °C”. Y a partir de esta definición, es posible definir también las medidas de longitud. Busquen en el texto ejemplos de otras situaciones en las cuales se haya utilizado el agua como patrón.

2. Hagan una lista de las propiedades extensivas e inten-

sivas que se mencionaron en este capítulo. Cubo que contiene 1 kg de agua a 20 ºC.

3. ¿Por qué les parece que a veces el contenido de los en-

vases de ciertos productos viene expresado en dos unidades? (por ejemplo, en gramos y en centímetros cúbicos). Aporten ejemplos. 10. Busquen en sus casas objetos que estén hechos con 4. ¿Cuál será el valor de la solubilidad de la arena en agua? 5. Utilizando el modelo de partículas, expliquen por qué

distintas sustancias tienen distintas densidades.

materiales cerámicos o con plásticos, y armen dos listas (tengan en cuenta que pueden incluir los materiales con que está hecha la misma casa: las paredes, los pisos, los techos, la pintura, etcétera).

6. Imaginen que están en Ushuaia en invierno, la tempera-

11. Seleccionen tres elementos de cada lista que armaron

tura es de unos 2 grados. ¿En qué estado (sólido, líquido o gaseoso) se encontrarán el agua, el tungsteno y el metano? ¿En qué propiedad deben fijarse para averiguarlo?

para la actividad anterior, y expliquen, para los seis objetos seleccionados, qué propiedades se tuvieron en cuenta para seleccionar el material con que fue fabricado cada uno de ellos.

7. ¿Qué pasa con la energía que se entrega a un sistema,

mientras se produce un cambio de estado? ¿Por qué no aumenta la temperatura mientras se está fundiendo?

12. Llenen los espacios con las palabras que aparecen

abajo (algunas palabras se repiten): son buenos conductores de la electricidad. Por eso se usan para construir . Estos objetos se pueden proteger con otro tipo de materiales, los , pues estos últimos son de la electricidad. b. Los también son buenos conductores del . Por eso se utilizan para fabricar de cocina. Los pueden diseñarse para que sean duros o , porosos o , etc. Los y los son muy resistentes a los microorganismos y no se oxidan ni se arruinan con el agua. metales • plásticos • cables • aislantes • calor • utensilios • frágiles • duros • cerámicos • impermeables a. Los

8. Basándose en el modelo de partículas, redacten en sus

carpetas un texto que explique el fenómeno representado en el gráfico.

hielo hielo + agua agua líquida líquida

agua líquida + vapor

vapor

Aumento de energía

27

Actividades de integración 1. Supongan que tienen una cuchara de un material bri-

4. ¿Podrían calibrar un termómetro con agua, estan-

llante y que es buen conductor de la electricidad y el calor. Sin embargo, hay un problema: este material se derrite cuando se lo mete en agua hirviendo. ¿De qué tipo de material les parece que se trata? ¿Qué otra propiedad podrían estudiar para identificar el material?

do en la luna Titán? ¿Se les ocurre una sustancia más conveniente? 5. Miren la tabla de abajo y respondan las preguntas que

están a continuación. a. ¿Por qué les parece que Edison no intentó hacer una bombilla eléctrica con mercurio? b. ¿Edison podría haber ensayado con filamento de mercurio, si hubiera vivido en Titán? c. De los materiales listados en la tabla, y utilizando solo esa información, ¿cuál es el más conveniente para construir el filamento de una bombita eléctrica? ¿Por qué? d. Si tuvieran que identificar dos materiales de la tabla, ¿cómo lo harían?

2. ¿Podrían usar una cuchara de tungsteno para tomar

sopa caliente? ¿Y una de galio (es un metal que funde a 30 °C)? 3. La fritura de alimentos requiere que se los sumerja, du-

rante un tiempo breve, en un líquido a una temperatura de unos 250 °C. ¿Les parece que se podrá usar agua para freír alimentos? ¿Por qué?

Material Temperatura de fusión (°C) Resistividad eléctrica (10–8 Ω m; mide cuánto se calienta un material con el paso de corriente eléctrica)

Carbón

Hierro

Mercurio

Níquel

Oro

Paladio

Platino

Tungsteno

3.800

1.538

-39

1.455

1.455

1.555

1.768

3.422

10.000 a 100.000

8,6

96,1

6,2

2,1

9,8

9,6

4,8

Aspecto del elemento en la Tierra (a 25 °C)

en: Ver síntesis del tema 28 http://bit.ly/EDVCN0

Propiedades de los ma

teriales

Intensivas

Longitud Volumen Cantidad de masa

Extensivas

Temperatura de fusión



Temperatura de ebullición



Conducción de la electricidad



Magnetismo



Solubilidad



28

Densidad (entre muchas otras)

njunto de a partir del co Cada material, a “huella ticas, tiene un sus caracterís s demás diferencia de lo digital “que lo materiales. eria. cular de la mat Modelo corpus regación: Estados de ag - gaseoso. sólido - líquido

erísticas ¿Qué caract izarse en deberían anal rioso? te is el objeto m