BIOLOGÍA FÍSICA Y QUÍMICA

UNIDADES DE MUESTRA

El aprendizaje real

En esta sección ofrecemos varias unidades de muestra de nuestro proyecto para el primer ciclo de Educación Secundaria Obligatoria. Oxford Educación publicará un proyecto editorial ajustado al currículo de tu Comunidad Autónoma una vez que sea publicado de forma oficial.

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EL ÁTOMO

EN ESTA UNIDAD VAS A APRENDER A…

CONTENIDOS DE LA UNIDAD 1. La materia está formada por átomos

2. La naturaleza eléctrica de la materia

❚❚ Explicar la relación que existe entre las cargas eléctricas y la constitución de la materia. ❚❚ Describir las características de las partículas subatómicas básicas y su localización en el átomo. ❚❚ Interpretar los modelos atómicos para comprender la estructura íntima de la materia. ❚❚ Identificar los átomos mediante sus números atómico y másico. ❚❚ Distribuir los electrones en los átomos. ❚❚ Explicar el proceso de formación de un ion a partir del átomo correspondiente.

Todos los objetos que observas a tu alrededor tienen algo en común: ¡están formados por átomos! Los átomos son los ladrillos con los que se construye la materia de la que está hecha el universo.

Si frotas rápidamente un globo hinchado contra tu pelo y luego lo acercas a un chorro de agua, verás que el chorro de agua se desvía de su trayectoria, como si la gravedad no lo afectase.

❚❚ ¿Qué tienen en común un zapato, una nave espacial, un teléfono y una hormiga?

❚❚ ¿Se puede obtener electricidad de la lana o de la seda? ¿Y del vidrio?

3. Los primeros modelos atómicos

❚❚ Analizar la utilidad científica y tecnológica de los isótopos radiactivos y la problemática que comporta su almacenamiento.

4. ¿Cómo se identifican los átomos?

❚❚ Realizar una tarea de investigación sobre los descubrimientos científicos relacionados con los átomos.

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Para poder entenderlos mejor, los primeros modelos atómicos fueron comparados con objetos e imágenes. Así, el modelo de Thomson se comparó con un pudin de pasas, y el de Rutherford con un sistema solar. ❚❚ En esta imagen, ¿dónde está localizada la carga positiva? ¿Y la carga negativa?

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El número atómico es como el carné de identidad de los elementos químicos, ya que no puede haber dos elementos distintos con el mismo número atómico. ❚❚ ¿Ocurre lo mismo con el número másico?

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5. Los nuevos modelos atómicos

¿Sabías que el 99,999999 % del volumen de un átomo es espacio vacío? El átomo está esencialmente hueco. Por ejemplo, si el átomo fuera tan grande como un estadio de fútbol, el núcleo sería del tamaño de un guisante situado en el centro.

7. La radiactividad

¡El plátano es radiactivo! Por si no lo sabías, esta fruta es rica en potasio, pero lo sorprendente es que parte de ese potasio, el potasio-40, es radiactivo. De todos modos, no debes preocuparte, ya que apenas supone el 0,01 % del potasio total, una cantidad realmente insignificante.

Hoy en día, sabemos que el átomo es unas cien mil veces mayor que el núcleo.

❚❚ ¿Sabías que los isótopos radiactivos se utilizan en medicina para el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades?

❚❚ ¿Sabes cómo descubrieron los científicos este hecho?

❚❚ ¿Sabías que mediante el análisis del carbono-14 presente en una muestra de carbono podemos conocer la antigüedad de un fósil o de un resto arqueológico?

❚❚ ¿Crees que es fácil apreciar esta característica de la materia a nivel macroscópico?

6. Cómo dibujar átomos

Tarea de investigación

+

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La teoría atómica en una línea del tiempo Desde las primeras teorías atómicas de Leucipo y Demócrito en el siglo IV a. C. hasta las investigaciones actuales han sido muchos los descubrimientos científicos que se han realizado para conocer la estructura de la materia y numerosos los modelos atómicos elaborados. En esta tarea debéis investigar la evolución cronológica de estos descubrimientos y los modelos y teorías a los que han dado lugar. Realizaréis un recorrido por la historia de la ciencia, en especial la de los siglos XIX y XX. Elaborad una línea de tiempo.

La forma más simple de dibujar un átomo es imaginar que es como el sistema solar: •❚ ❚El núcleo, con los protones y los neutrones, está en el centro, igual que el Sol. •❚ ❚Los electrones orbitan a su alrededor como si fueran los planetas. ❚❚ ❚¿Sabías que el Sol y los planetas también se atraen igual que los protones y los electrones?

John Dalton (1808)

+

J.J. Thomson (1904) (modelo pastel de pasas)

+

+

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E. Rutherford (1909) (modelo nuclear) N. Bohr (1013) (modelo niveles de energía) E. Schrödinger (1926) (modelo nube de electrones)

❚❚ ❚¿Cómo crees que es posible que se haya podido estudiar tan a fondo la estructura de la materia y, en particular, la estructura del átomo siendo tan increíblemente pequeño? ❚❚ ❚¿Crees que las ideas, hipótesis y descubrimientos de los científicos actuales se basan en las investigaciones de otros científicos anteriores?

3. El átomo

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3 ❚❚ Según la teoría cinética, la materia está formada por partículas muy pequeñas, que no se ven a simple vista y que están en continuo movimiento.

1. LA MATERIA ESTÁ FORMADA POR ÁTOMOS Imagina que tratas de dividir un lingote de cinc, como el del dibujo, repetidas veces y en fragmentos cada vez más pequeños.

¿Crees que sería posible dividir los fragmentos de este metal indefinidamente?

1.1. Las primeras teorías atómicas Desde la antigüedad, el ser humano ha querido saber de qué estaba hecha la materia. Ya en el siglo IV a. C. los filósofos griegos estudiaron y elaboraron múltiples teorías acerca de la composición de la materia. Concretamente, Leucipo y Demócrito imaginaron que la materia era discontinua y supusieron que no se podía dividir indefinidamente. Según ellos, después de múltiples divisiones se llegaría a una unidad indivisible, a la que llamaron átomo, que en griego significa «que no se puede cortar». Sin embargo, Aristóteles (384 a. C.-322 a. C.), uno de los filósofos más relevantes de todos los tiempos, defendió la idea de que la materia era continua y estaba formada únicamente por cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. Esta idea permaneció vigente durante más de 2 000 años. ¿Por qué crees que pasó tanto tiempo hasta que se retomó el concepto de átomo?

1.2. La teoría atómica de Dalton A finales del siglo XVIII y comienzos del XIX, científicos como Lavoisier, Proust y Dalton investigaron la conservación de la masa y la relación entre las masas de las sustancias que intervienen en una reacción química. Para explicar los resultados experimentales obtenidos, en 1808 J. Dalton (1766-1844) publicó una serie de enunciados, también llamados postulados, que completaban la que hoy conocemos como teoría atómica de Dalton, que es la primera teoría atómica basada en datos científicos. ¿Qué postulados de la teoría de Dalton se representan en este esquema? 1

Los postulados de Dalton se pueden resumir así: 1. La materia está formada por átomos indivisibles. 2. Cada elemento está formado por átomos iguales: tienen la misma masa y las mismas propiedades químicas. 3. Los átomos de distintos elementos tienen masas y propiedades químicas diferentes. 4. En las reacciones químicas, los átomos ni se crean ni se destruyen, solo cambian su distribución en las sustancias. 5. Los átomos de diferentes elementos se combinan para dar compuestos químicos, y lo hacen siempre en una proporción fija para cada tipo de compuesto posible.

átomo de oxígeno átomo de cinc

En sus postulados, Dalton establece que la materia no es continua, sino de naturaleza corpuscular, y diferencia entre elemento y compuesto.

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1.2.1. Elementos y compuestos según Dalton

Si observas la imagen de la división del lingote de cinc al principio de este epígrafe, la porción más pequeña en que se ha podido dividir, y que aún mantiene las propiedades de este metal, es un átomo de cinc. Así pues, decimos que el cinc y el oxígeno son elementos, ya que todos sus átomos son iguales, mientras que el óxido de cinc es un compuesto, porque está formado por la unión de un átomo de cinc y un átomo de oxígeno.

Lingote de cinc.

2

Plancha de cinc oxidada.

¿Tienen el cinc y el oxígeno propiedades similares a las del óxido de cinc? ¿Qué propiedades aprecias en la fotografía que los diferencie?

Según lo visto hasta ahora, ¿crees que es posible dividir un átomo de cinc en porciones aún más pequeñas? La respuesta la tendremos en los fenómenos eléctricos de la materia. 3

¿Cuál es el significado de la palabra átomo? ¿Fue Dalton el primer científico que la utilizó?

4

Leucipo, Demócrito, Aristóteles y otros filósofos griegos especulaban acerca de la naturaleza de la materia, pero no realizaron experimentos para comprobar sus teorías. ¿Crees que sus conclusiones cumplen con las características del método científico? Razona tu respuesta.

5

Observa los siguientes recipientes y, de acuerdo con la teoría atómica de Dalton, identifica:

A

B

C

D

E

a) El recipiente que contiene un solo elemento. b) El que contiene una mezcla de dos elementos diferentes. c) El que contiene un solo compuesto. d) El que contiene una mezcla de un elemento y un compuesto. e) El que contiene una mezcla de dos compuestos. 6

Lee atentamente este fragmento escrito por Dalton: La materia, aunque divisible en un grado extremo, no es, sin embargo, infinitamente divisible. La existencia de esas últimas partículas de la materia no puede ponerse en duda, aunque sean tan sumamente pequeñas que no puedan apreciarse ni aun con dispositivos microscópicos. Yo he elegido la palabra átomo para representar estas últimas partículas. J. DALTON Nuevo sistema de filosofía química a) ¿Con qué palabras explica Dalton que la materia no es continua? b) ¿Cómo son y cómo denomina Dalton las partículas últimas de la materia?

Ideas claras ❚❚ Un átomo es la mínima porción en la que podemos dividir un elemento químico de manera que conserve las propiedades del mismo. ❚❚ Un elemento es una sustancia que está formada por átomos iguales. ❚❚ Un compuesto es una sustancia que está formada por átomos distintos combinados en proporciones fijas.

3. El átomo

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3 ❚❚ La materia está formada por átomos. ❚❚ Cuando se frotan determinados materiales se producen fenómenos eléctricos.

2. LA NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA En el siglo VI a. C., Tales de Mileto sabía que, cuando se frota un paño de lana con un trozo de ámbar, ambos son capaces de atraer materiales muy ligeros, como plumas o cabellos. Este fenómeno se denominó electricidad (elektron, «ámbar»). Posteriormente, Cisternay du Fay (1698-1739) y Benjamin Franklin (1706-1790) describieron la existencia de dos tipos de cargas eléctricas y estudiaron los fenómenos de electrización.

2.1. Los fenómenos de electrización ¿Qué ocurre si frotas una regla de plástico con la manga de tu jersey de lana y lo acercas a unos trocitos de papel?

Como puedes observar en las fotografías, si frotamos una regla de plástico con un tejido de lana y, a continuación, lo acercamos a unos trozos de papel, estos serán atraídos por la regla. ¿Por qué crees que ocurre esto? Si ahora frotamos una varilla de vidrio con un pañuelo de seda y la acercamos a un péndulo eléctrico (construido con una bolita de espuma de poliestireno), observaremos que, inicialmente, el péndulo es atraído por la varilla, pero al entrar en contacto con ella, la bolita de poliestireno es repelida por la varilla. ¿Por qué crees que en este caso la bolita de poliestireno es repelida cuando entra en contacto con el vidrio? ❚❚ ¿Qué nos ocurre, en algunas ocasiones, al ponernos o quitarnos una prenda de vestir fabricada con fibras sintéticas? ❚❚

Los fenómenos de electrización se justifican mediante una propiedad de la materia denominada carga eléctrica. La cantidad de carga eléctrica, Q, es una magnitud física y su unidad en el SI es el culombio (C). Así, concluimos que: ❚❚ En la materia existen dos tipos de cargas eléctricas denominadas, de forma arbitraria, negativa y positiva. ❚❚ Un cuerpo es eléctricamente neutro cuando el número de cargas positivas es igual al número de cargas negativas. ❚❚ Un cuerpo solo puede adquirir carga eléctrica cuando gana o pierde cargas negativas. Así, un cuerpo eléctricamente neutro que pierde cargas negativas se transforma en un cuerpo cargado positivamente, y uno que gana cargas negativas se convierte en un cuerpo cargado negativamente. ❚❚ Dos cuerpos con cargas del mismo tipo se repelen, mientras que si tienen cargas de distinto tipo se atraen.

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2.2. Electrones y protones Los fenómenos de electrización y los relacionados con la corriente eléctrica, conocidos a finales del siglo XIX, pusieron de manifiesto que el átomo es divisible y que está formado por partículas más pequeñas que tienen carga eléctrica. ¿Cuáles crees que son estas partículas? A finales del siglo XIX y comienzos del XX, varios científicos realizaron diferentes experimentos con tubos de vidrio, como el del dibujo, que contenían un gas a baja presión al que se sometía a descargas eléctricas de alto voltaje. Generador

Tubo de vidrio

Haz de partículas negativas (electrones)

+

–

Ánodo

Cátodo

Tubo de descarga de gases.

Identifica la trayectoria que siguen los electrones en un tubo de descarga.

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Estas experiencias permitieron a J. J. Thomson (1856-1940) identificar la partícula responsable de la carga eléctrica negativa, el electrón, y a E. Goldstein (1860-1930), la partícula responsable de la carga eléctrica positiva, el protón. Asimismo, sirvieron para determinar los valores numéricos de sus cargas eléctricas y sus masas. Electrón Carga

Negativa

Protón Positiva

Carga eléctrica

−1,602 · 10

Masa

9,109 · 10−31 kg

1,673 · 10−27 kg

Descubrimiento

J. J. Thomson, 1897

E. Goldstein, 1886

−19

C

1,602 · 10−19 C

La carga del electrón es la más pequeña que existe, y por eso recibe el nombre de carga eléctrica elemental. Observa que, en valor absoluto, es decir, sin tener en cuenta el signo, la carga del electrón es la misma que la del protón. Por tanto, podemos afirmar que en un cuerpo eléctricamente neutro el número de electrones debe ser igual al número de protones. Ya hemos identificado las partículas elementales electrón y protón. ¿Cómo están situadas en el átomo? La respuesta nos la dan los diferentes modelos atómicos que los científicos han ido describiendo a lo largo del siglo XX. 8

¿Cuántas veces es mayor la carga del protón que la del electrón? ¿Y la masa? Solución: 1 838 veces mayor

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¿Qué tienen en común el protón y el electrón? ¿Qué les diferencia?

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Sabiendo que la carga del electrón es 1,602 ⋅ 10−19 C, ¿cuántos electrones son necesarios para tener una carga de 1 C? Solución: 6,242 ⋅ 1018 electrones

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¿Cuántos electrones tiene en exceso un cuerpo cuya carga es −2 C? ¿Cuántos electrones le faltan a un cuerpo cuya carga es +2 C?

Ideas claras ❚❚ El átomo es divisible. ❚❚ El átomo contiene cargas positivas y negativas. ❚❚ El electrón es la partícula negativa del átomo y el protón es la positiva. ❚❚ El valor numérico de la carga del protón y del electrón es el mismo. ❚❚ Un átomo neutro tiene el mismo número de protones y electrones.

3. El átomo

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3 ❚❚ Los electrones y los protones son partículas constituyentes del átomo.

3. LOS PRIMEROS MODELOS ATÓMICOS Los descubrimientos del electrón y del protón son incompatibles con un modelo de un átomo indivisible, ya que estas partículas están dentro del átomo. Los científicos se vieron obligados a idear un modelo que explicara cómo están situadas las partículas subatómicas en el interior del átomo.

3.1. El modelo atómico de Thomson En 1904, J. J. Thomson idea un modelo atómico en el que el átomo es una especie de esfera de carga positiva continua y esponjosa que contiene casi toda la masa. Los electrones están incrustados en ella de forma similar a como lo están las pasas en un bizcocho. +

¿Cómo crees que explica este modelo atómico los fenómenos de electrización de la materia? Este modelo explica los fenómenos de electrización mediante la ganancia o pérdida de electrones.

Representación de un átomo según el modelo de Thomson.

El modelo de átomo propuesto por Thomson ha sido comparado con una sandía. ¿Qué papel crees que representa la carne roja de esta fruta? ¿Y las semillas negras? 12

13 Dibuja un átomo de Thomson eléctricamente neutro: con siete cargas negativas incrustadas en una esfera con la correspondiente carga positiva.

3.1.1. La electrización de la materia

La materia es, por lo general, eléctricamente neutra. Para que adquiera carga eléctrica, debe romperse el equilibrio que existe entre el número de cargas positivas y el de cargas negativas. Así, un cuerpo está cargado negativamente cuando tiene exceso de electrones y positivamente cuando tiene defecto de ellos. ¿Qué sucede con las cargas cuando frotamos una varilla de plástico con un trozo de lana?

La lana es eléctricamente neutra, es decir, tiene el mismo número de cargas positivas (protones) y negativas (electrones). Cuando se frota con una varilla de plástico, esta se lleva parte de los electrones de la lana. De este modo, la barra de plástico adquiere carga negativa (exceso de electrones) y la lana, carga positiva (defecto de electrones). ¿Qué sucede con las cargas cuando frotamos una varilla de vidrio con un trozo de seda?

14 En la experiencia de electrización de la barra de plástico con la lana:

a) ¿Qué carga eléctrica poseen inicialmente la barra de plástico y la lana? b) ¿Qué carga eléctrica adquiere la barra de plástico cuando se frota con la lana? c) ¿Qué carga eléctrica adquiere la lana? d) ¿Quién ha perdido electrones, la barra de plástico o la lana?

La seda es eléctricamente neutra, pero al frotarla con la barra de vidrio, esta le cede cargas negativas (electrones), de manera que la barra queda cargada positivamente y la seda negativamente. Observa que en todos los casos son los electrones, y nunca los protones, las partículas que se ceden o se ganan.

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3.2. El modelo atómico de Rutherford El modelo atómico de Thomson fue aceptado durante algunos años, hasta que se comprobó que no podía explicar los resultados de experimentos realizados posteriormente. 3.2.1. Experimento de Rutherford, Geiger y Marsden

En 1909, E. Rutherford (1871-1937) y sus colaboradores, H. Geiger (1882-1945) y E. Marsden (1889-1970), bombardearon una lámina de oro muy fina con partículas cargadas positivamente y a gran velocidad. Detector de partículas

Fuente de partículas positivas

Atraviesan sin cambiar de dirección Rebotan Se desvían

Partículas cargadas positivamente

Como se observa en el dibujo, y de acuerdo con el modelo atómico de Thomson, lo que tendría que haber ocurrido es que las partículas positivas hubieran atravesado la lámina sin ser apreciablemente desviadas de su trayectoria rectilínea. Sin embargo, este fue el resultado del experimento: ❚❚ La mayor parte de las partículas atravesaron la finísima lámina de oro sin cambiar la dirección, como era de esperar. ❚❚ Algunas se desviaron considerablemente. ❚❚ Sorprendentemente, algunas partículas rebotaron hacia la fuente de emisión. Tras estos inesperados resultados, Rutherford llegó a las siguientes conclusiones: ❚❚ El hecho de que las partículas positivas que se dirigen a gran velocidad hacia la lámina de oro la atraviesen sin desviarse indica que el átomo es, en su mayor parte, espacio vacío. ❚❚ El hecho de que algunas partículas positivas procedentes de la fuente se desvíen indica que han pasado cerca de una zona del átomo que también tiene carga positiva y las ha repelido.

Partículas

Átomos

+ + + + + + + + Según el modelo de Thomson, esto es lo que debería haber ocurrido.

15 ¿Cómo deberían comportarse las partículas positivas al incidir con el átomo según el modelo de Thomson?

❚❚ El hecho de que algunas partículas positivas reboten hacia la fuente emisora indica que existen choques directos contra una zona del átomo muy densa y fuertemente positiva, que denominó núcleo atómico. Después de analizar los resultados, Rutherford describió un modelo de átomo nuclear que consta de dos zonas diferenciadas: ❚❚ Una zona central del átomo muy pequeña, muy densa y cargada positivamente, pues es donde se encuentran los protones. ❚❚ Una zona periférica en la que los electrones, cargados negativamente, giran alrededor del núcleo y a cierta distancia del él. Entonces, ¿cómo justifica el modelo de Rutherford la experiencia de la lámina de oro? ❚❚ Explicación de Rutherford al experimento de la lámina de oro 1. La carga positiva está concentrada en el núcleo central, de manera que las partículas positivas que pasan muy cerca de él se desvían mucho de su trayectoria rectilínea. 2. Las partículas positivas que colisionan directamente contra el núcleo, muy denso y positivo, rebotan en la dirección de la que proceden. 3. Las partículas que pasan lejos del núcleo no se desvían de su trayectoria.

+ +

1 2

+ + + + +

3 Trayectorias que siguen las partículas positivas al atravesar la lámina de oro.

16 ¿Qué les ha sucedido a las partículas que describen las trayectorias 1, 2 y 3?

3. El átomo

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3 Modelo planetario del átomo

3.2.2. El descubrimiento de los neutrones

El modelo descrito anteriormente tenía un inconveniente: la suma de la masa de los protones más la de los electrones era más pequeña que la masa del átomo en su conjunto. Rutherford y otros investigadores propusieron que en el núcleo debía existir otra partícula con masa, pero sin carga eléctrica. En 1932, J. Chadwick (1891-1974) bombardeó una lámina de berilio con partículas positivas y observó que emitía una radiación de gran energía. Posteriormente, demostró que esa radiación estaba formada por unas partículas eléctricamente neutras, que denominó neutrones, cuya masa era un poco mayor que la del protón.

Rutherford pensaba que existía cierto parecido entre la estructura del sistema solar y la del átomo, donde los electrones serían los planetas y el núcleo, el Sol. Supuso que, igual que los planetas giran alrededor del Sol, los electrones deberían hacerlo alrededor del núcleo. 17 ¿Cuántos protones hay en el núcleo de este átomo si es eléctricamente neutro?

El dibujo del modelo atómico de Rutherford ha sido utilizado como logo por diferentes instituciones relacionadas con la energía atómica. Localiza alguna de ellas. 18

Masa del neutrón = 1,6749 ⋅ 10−27 kg 3.2.3. El modelo nuclear o planetario

Para Rutherford, el átomo estaba constituido por: ❚❚ Un núcleo central, con carga positiva, en el que está concentrada prácticamente toda su masa que aportan los protones y los neutrones. ❚❚ Una corteza electrónica donde los electrones, con carga negativa, giran a mucha velocidad en torno al núcleo y están separados de este por una gran distancia en relación a su tamaño.

3.3. La formación de iones En un átomo eléctricamente neutro, el núcleo contiene tantos protones como electrones existen en la corteza. ¿Qué sucede entonces, cuando un átomo eléctricamente neutro pierde un electrón? ¿Y qué sucede si lo gana? Átomo neutro

Ion positivo o catión

–

–

❚❚ Para Thomson, el átomo es una esfera continua de carga positiva que tiene casi toda la masa y en la que están incrustados los electrones. ❚❚ Mediante el modelo de Thomson se puede explicar la electrización de la materia. ❚❚ Para Rutherford, el átomo tiene un núcleo central en el que está concentrada casi toda su masa, aportada por los protones y los neutrones. ❚❚ Los electrones giran a gran velocidad alrededor del núcleo. ❚❚ En un átomo eléctricamente neutro, el número de protones coincide con el número de electrones. ❚❚ Los iones son átomos que han perdido (catión) o ganado (anión) algún electrón.

–

++ +

–

++ +

++ +

+

+

–

Átomo eléctricamente neutro con cuatro cargas positivas y cuatro negativas.

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–

–

–

Ideas claras

Ion negativo o anión

+

–

Cuando el átomo pierde un electrón se convierte en un ion positivo o catión. En el ejemplo, con cuatro cargas positivas y solo tres negativas.

Cuando el átomo gana un electrón se convierte en un ion negativo o anión. En el ejemplo, con cinco cargas negativas y solo cuatro positivas.

Responde verdadero o falso a los siguientes enunciados y justifica tus respuestas. a) La masa del protón es menor que la del electrón. b) La masa del protón es mayor que la del neutrón.

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¿Cuántas veces es mayor la masa del neutrón que la del electrón?

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Si el diámetro del núcleo del átomo de oro mide 10−12 cm y el del átomo entero 10−8 cm. a) ¿Cuántas veces es mayor el tamaño del átomo que el del núcleo? b) De acuerdo con este resultado, ¿estuvo acertado Rutherford al afirmar que el átomo constituye un espacio fundamentalmente vacío?

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Compara el modelo de Thomson con el modelo de Rutherford y establece las analogías y las diferencias entre ambos.

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4. ¿CÓMO SE IDENTIFICAN LOS ÁTOMOS? Los átomos se identifican por el número de protones que tienen en su núcleo. Este número es idéntico para todos los átomos de un mismo elemento, pero diferente al de los átomos de otros elementos. El número de protones de un átomo se llama número atómico, Z, y se representa como un subíndice situado antes del símbolo del elemento. Z = número atómico = número de protones

❚❚ En un átomo eléctricamente neutro, el número de protones coincide con el número de electrones.

número másico

El número de protones más el número de neutrones de un átomo se llama número másico, A, y se representa como un superíndice situado antes del símbolo del elemento. A = número de protones + número de neutrones Por tanto, el número de neutrones de un átomo es la diferencia entre el número másico y el número atómico: Número de neutrones = A − Z ¿Todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número másico?

número atómico

A Z

X

símbolo del elemento

23 ¿Podemos decir que Z indica siempre el número de electrones?

4.1. Los isótopos A comienzos del siglo XX los científicos descubrieron que no todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número másico. Los átomos de un mismo elemento que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones reciben el nombre de isótopos.

EJERCICIOS RESUELTOS 1. Indica el número de protones, neutrones y electrones que tiene un átomo de sodio 23 Na: 11 a) Si es eléctricamente neutro. El número atómico del sodio es 11, esto es, tiene 11 protones en su núcleo y, al ser eléctricamente neutro, tiene 11 electrones. Su número másico es 23, luego tiene 23 − 11 = 12 neutrones en su núcleo. b) Si tiene una carga positiva (catión sodio). Si tiene una carga positiva es que ha perdido un electrón y, por tanto, le quedan solo 10. El número de protones y neutrones no se ha modificado. 2. Indica el número de protones, neutrones y electrones que tiene un átomo de cloro 35 Cl: 17 a) Si es eléctricamente neutro. El número atómico del cloro es 17, es decir, tiene 17 protones en su núcleo y, al ser eléctricamente neutro, tiene 17 electrones. Su número másico es 35, luego tiene 35 − 17 = 18 neutrones en su núcleo. b) Si tiene una carga negativa (anión cloro). Si tiene una carga negativa es porque ha ganado un electrón y, por tanto, ahora tiene 18. El número de neutrones y protones no se ha modificado.

24

Representa mediante el esquema de la ilustración los átomos de los tres isótopos del hidrógeno: ❚❚ Protio: símbolo: H; número de protones: 1; número de neutrones: 0. ❚❚ Deuterio: símbolo: H; número de protones: 1; número de neutrones: 1. ❚❚ Tritio: símbolo: H; número de protones: 1; número de neutrones: 2.

Ideas claras ❚❚ El número atómico, Z, corresponde al número de protones del átomo de un elemento. ❚❚ El número másico, A, es la suma de los protones más los neutrones. ❚❚ Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen igual número atómico pero distinto número másico.

3. El átomo

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3 ❚❚ El átomo, según Rutherford, está formado por un núcleo con carga positiva alrededor del cual giran los electrones, con carga negativa.

órbitas estables

electrón

–

Según el modelo del átomo nuclear o planetario, los electrones giran a gran velocidad en torno al núcleo sin que sepamos a qué distancia de él se encuentran. Sin embargo, es un hecho conocido que cualquier carga eléctrica que gire debe emitir energía en forma de radiación. Si esto sucediera, el electrón iría perdiendo energía y se acercaría cada vez más al núcleo describiendo una trayectoria espiral, y acabaría cayendo sobre él.

Energía emitida por el electrón.

5.1. El modelo de los niveles de energía de Bohr

–

1

5. LOS NUEVOS MODELOS ATÓMICOS

2

3

– núcleo

niveles

Modelo atómico de Bohr.

25 ¿Qué sucede si el electrón del nivel 3 pasa al nivel 2?

En 1913, Niels Bohr (1885-1962) modificó el modelo atómico de Rutherford mediante los siguientes postulados: 1. El electrón solo se mueve en unas órbitas circulares, sin que exista emisión de energía. El electrón, dependiendo de la órbita en la que se encuentre, tiene una determinada energía, que es tanto mayor cuanto más alejada está la órbita del núcleo. 2. La emisión de energía solo se produce cuando un electrón salta de un nivel energético (órbita) de mayor energía a otro de menor energía. Entonces, ¿cómo se distribuyen los electrones en estos niveles?

5.2. La distribución de los electrones El átomo de berilio tiene 4 electrones. Indica cuáles de estas configuraciones electrónicas es la correcta: 26

a) 2 2 b) 2 1 1

c) 1 1 1 1

27 El átomo de potasio tiene 19 electrones. Indica cuál de estas configuraciones electrónicas es la correcta:

A partir de 1916 se desarrollaron otros modelos atómicos para tratar de explicar las propiedades químicas de los elementos. Así, los científicos llegaron a la conclusión de que los electrones están distribuidos en niveles y subniveles de energía que admiten un número máximo de electrones. Nivel 1 (K)

Número máximo de electrones: 2 Número máximo de electrones: 8

Nivel 2 (L)

Subnivel 1 2 electrones

Subnivel 2 6 electrones

Número máximo de electrones: 18

a) 2 2 6 2 6 1 Nivel 3 (M)

b) 2 2 5 2 5 3 c) 2 8 8 1

Subnivel 1 2 electrones

Subnivel 2 6 electrones

Subnivel 3 10 electrones

Número máximo de electrones: 32 Nivel 4 (N)

Subnivel 1 2 electrones

Subnivel 2 6 electrones

Subnivel 3 10 electrones

Subnivel 4 14 electrones

La distribución por niveles de los electrones de un átomo de un elemento recibe el nombre de configuración electrónica del elemento.

Ideas claras ❚❚ Los electrones se distribuyen alrededor del núcleo en niveles y subniveles de energía. ❚❚ Cada nivel y subnivel admite un número máximo de electrones. ❚❚ La configuración electrónica es una forma de representar la distribución de los electrones de un átomo.

Los electrones situados en el último nivel energético de un átomo se denominan electrones de valencia, y son los responsables de las propiedades químicas de las sustancias, como veremos en la próxima unidad.

EJERCICIO RESUELTO 3. Escribe la configuración electrónica del Mg y del Mg2+. ❚❚ El Mg tiene 12 electrones que hay que distribuir en los diferentes niveles y subniveles. ❚❚ La configuración electrónica del Mg es: 2 2 6 2 = 2 8 2 ❚❚ El Mg2+ tiene dos electrones menos. Su configuración es: 2 2 6 = 2 8

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6. CÓMO DIBUJAR ÁTOMOS Vamos a dibujar átomos siguiendo el modelo atómico de Bohr, pero teniendo en cuenta los niveles y subniveles energéticos.

❚❚ Los electrones se distribuyen en niveles y subniveles de energía.

❚❚ Núcleo atómico Representamos el núcleo atómico mediante un círculo, en cuyo interior indicamos el número de protones y el de neutrones. Por ejemplo, en el 23 Na, tenemos: 11 ❚❚ Número de protones = Z = 11 ❚❚ Número de neutrones = A − Z = 23 − 11 = 12 ❚❚ Niveles energéticos Alrededor del núcleo colocamos los electrones en los distintos niveles energéticos. Debemos tener en cuenta que, en un átomo eléctricamente neutro, el número de cargas negativas de los niveles energéticos debe ser igual al número de cargas positivas del núcleo. Continuando con el ejemplo del 23 Na: 11 ❚❚ Número de electrones = Z = 11 Como hemos visto, el primer nivel contiene como máximo 2 electrones, el segundo nivel, 8, 6 de ellos distribuidos en un subnivel y 2 en el otro, y en el tercer nivel solo hay 1 electrón.

28 Indica la distribución en niveles y subniveles de los siguientes átomos:

a)

La configuración electrónica del 23 Na es: 2 8 1. 11 La configuración electrónica del ion sodio, Na+, tendría un electrón menos, es decir, 2 8.

b)

EJERCICIOS RESUELTOS 4. Dibuja el átomo de Mg (Z = 12, A = 24). Se dibuja el núcleo indicando los protones y los neutrones que tiene, en este caso, 12 protones y 12 neutrones. La configuración electrónica es 2 8 2. Después, dibujamos los niveles energéticos en forma de circunferencias y situamos los 12 electrones basándonos en la configuración electrónica. 5. Dibuja el átomo de 27 Al. 13 ❚❚ Número de protones = Z = 13 ❚❚ Número de neutrones = A − Z = 14 ❚❚ Número de electrones = 13 La configuración electrónica es: 2 8 3. 6. Dibuja el átomo de Al3+. ❚❚ Número de protones = Z = 13 ❚❚ Número de neutrones = A − Z = 14 ❚❚ Número de electrones = 10 La configuración electrónica es: 2 8.

Ideas claras Pasos para dibujar átomos: 1. Determinar el número de protones, neutrones y electrones. 2. Rodear con un círculo el número de protones y de neutrones. 3. Dibujar circunferencias concéntricas alrededor del núcleo y situar en ellas los electrones según la siguiente pauta: hasta un máximo de 2 en la primera, 8 en la segunda, 18 en la tercera, etc.

3. El átomo

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3 ❚❚ Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen igual número atómico pero distinto número másico.

7. LA RADIACTIVIDAD Los núcleos de los átomos de algunos elementos no son estables, porque tienen un número de neutrones muy superior al de protones. Para conseguir la estabilidad, estos núcleos emiten partículas y radiaciones de forma espontánea. Cuando emiten partículas se transforman en núcleos de átomos de otros elementos. Este fenómeno, que es exclusivamente nuclear, recibe el nombre de radiactividad y fue descubierto en 1896 por H. Becquerel, con el uranio. ¿Qué evidencias experimentales consideras que hay de la radiactividad? Las radiaciones emitidas por los núcleos de estos átomos tienen la capacidad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia e, incluso, dañar los tejidos de los seres vivos. Estas radiaciones pueden ser de tres tipos: alfa, beta y gamma. ❚❚ Radiación alfa, α. Está formada por partículas α que constan de dos protones y dos neutrones, por tanto, tienen carga positiva. Son emitidas por los núcleos a gran velocidad, aunque se frenan rápidamente en el aire. Su poder de penetración es escaso: unas pocas hojas de papel son suficientes para detenerlas.

Marie Curie, Pierre Curie y su hija Irene.

Busca información y escribe la biografía de Marie Curie. 29

❚❚ Radiación beta, β. Está formada por electrones, es decir, tienen carga negativa y se desplazan a gran velocidad. Poseen un gran poder de penetración y son capaces de atravesar láminas de aluminio de hasta 5 mm de espesor. ❚❚ Radiación gamma, γ. Es una radiación de alta energía que no tiene carga eléctrica y que se propaga a la velocidad de la luz. Los rayos gamma son capaces de atravesar finas capas de metal y penetrar en el cuerpo de los animales y del ser humano; sin embargo, pueden detenerlos las láminas de plomo u hormigón de más de 25 mm de espesor.

Partículas α

Partículas β

Hojas de papel

Lámina de aluminio

Rayos γ

Hormigón Poder de penetración de las diferentes radiaciones.

7.1. Los radioisótopos Los radioisótopos son isótopos radiactivos de un elemento. Por ejemplo, el carbono-14, 146C, es un isótopo radiactivo del carbono. Otros son el 219 Rn, el 226 Ra y el 235 U. 86 88 92 Un isótopo radiactivo es, desde el punto de vista físico y químico, totalmente idéntico a un isótopo inactivo. Sin embargo, el radioisótopo es un átomo marcado al cual podemos seguir en todos los procesos químicos y biológicos gracias a las radiaciones que emite, de ahí sus múltiples aplicaciones.

7.2. Aplicaciones de los radioisótopos 7.2.1. Medicina

Diagnóstico médico mediante uso de isótopos radiactivos.

La imagen muestra una gammagrafía ósea. Busca información acerca de esta prueba diagnóstica y anota sus aplicaciones. 30

Los isótopos radiactivos se utilizan en medicina para el diagnóstico y el tratamiento de muchas enfermedades. Los que se emplean para el diagnóstico emiten radiaciones que no dañan los tejidos vivos. Se suministran a los pacientes disueltos en una sustancia que les permite llegar hasta el órgano que se va a investigar. Para el tratamiento se utilizan dosis de isótopo mayores. La cantidad de radiación debe ser controlada para que destruya únicamente las células dañadas y no los tejidos sanos. Así, en el diagnóstico del cáncer de tiroides se suministra 132I, cuya radiación no causa problemas. Sin embargo, en la terapia de este tipo de cáncer se utiliza 131I, que emite partículas que pueden destruir las células cancerosas.

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7.2.2. Datación de objetos artísticos, históricos y fósiles

Esta aplicación se basa en la prueba del carbono-14, un isótopo que se genera de forma continua en la atmósfera. Al existir un equilibrio entre su formación y su desintegración radiactiva, la concentración de este isótopo en la atmósfera es siempre constante. Todos los seres vivos absorben CO2 y, por eso, encontramos carbono-14 en toda la materia viva. Al morir un ser vivo, el carbono-14 empieza a desintegrarse y su concentración a disminuir, como si la muerte pusiera en marcha un reloj para permitirnos saber cuándo sucedió. Midiendo la cantidad de carbono-14 en una muestra podemos conocer la antigüedad de los restos orgánicos. 7.2.3. Aplicaciones en la industria y la agricultura

En la industria, los radioisótopos se emplean en el control de calidad de las piezas y de las soldaduras. Gracias a ellos podemos obtener una imagen fotográfica de la estructura interna de un objeto, sin afectar a su integridad, y detectar grietas y soldaduras imperfectas. En la agricultura, se utilizan para el control de plagas y la conservación de los alimentos perecederos.

gía l

ibera

da

núcl Ener

n de ració Sepa

able eo fi sion Núcl

ente incid trón

31 Busca otros casos en los que la prueba del carbono-14 haya servido para detectar piezas arqueológicas falsas. Describe uno de ellos.

Reacción en cadena

En una central nuclear, la energía liberada en la fisión se emplea para calentar agua que, convertida en vapor, acciona unas turbinas unidas a un generador que produce electricidad.

Neu

Un reactor nuclear es una instalación en la que se inicia, se mantiene y se controla la reacción de fisión del uranio.

eos

La energía nuclear se origina en el proceso de fisión del uranio-235 al ser bombardeado con un neutrón.

Pro fisió ductos d n (nú e cleo s) Neu trón incid ente Núcl e fisio o nabl e

7.2.4. Fuente de energía

La prueba del Carbono-14 sirvió para confirmar que esta tabla no perteneció a la época en la que vivió el rey Arturo y, por tanto, no es la tabla de la mesa redonda.

Reacción de fisión en cadena.

7.3. Gestión de los residuos radiactivos El uso de sustancias radiactivas genera residuos en forma gaseosa, líquida o sólida. En función de su actividad y del tiempo que tardan en perderla, los residuos se clasifican de la siguiente manera: ❚❚ Residuos de baja actividad y corta duración (menos de 30 años). Se guardan en almacenes superficiales. ❚❚ Residuos de baja actividad y larga duración (más de 30 años). Se guardan en almacenes subterráneos a baja profundidad. ❚❚ Residuos de alta actividad y larga duración (hasta millones de años). Se guardan en almacenes geológicos profundos. 32

¿Qué significado tiene este símbolo?

33

Muchas rocas contienen compuestos de potasio. El potasio tiene un radioisótopo, el potasio-40. De cada diez mil átomos de potasio, solo doce son de potasio-40. Su actividad es muy alta: doce mil millones de años, hasta que termina transformándose en argón. Investiga de qué manera aprovechan los científicos esta circunstancia para conocer la antigüedad de una roca.

Ideas claras ❚❚ La radiactividad es el fenómeno por el cual los núcleos de ciertos elementos son capaces de emitir espontáneamente radiaciones y partículas que les permiten transformarse en núcleos de elementos diferentes. ❚❚ Los radioisótopos son isótopos radiactivos de un elemento.

3. El átomo

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73

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3

EJERCICIOS, ACTIVIDADES Y TAREAS La materia está formada por átomos 1

6

Indica si, de acuerdo con la teoría de Dalton, las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

a) No están cargados eléctricamente. b) Están cargados con electricidades del mismo tipo.

a) Todos los átomos de los elementos gaseosos tienen la misma forma y tamaño. b) Los átomos son divisibles e invariables.

2

c) Están cargados con electricidades de signos contrarios. 7

Completa las siguientes frases en tu cuaderno:

c) Los compuestos químicos siempre están formados por la combinación de un átomo de dos elementos diferentes.

a) Los fenómenos eléctricos son debidos a una propiedad de la materia denominada _.

Copia en tu cuaderno y completa los siguientes enunciados:

b) En la materia existen dos tipos de cargas eléctricas, denominadas _ y _.

a) Un _ es la partícula más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades.

c) Las cargas del mismo tipo se _ y las cargas de distinto tipo se _.

b) Un elemento es una sustancia formada por átomos _.

d) Un cuerpo es eléctricamente neutro cuando el número de cargas positivas es _ al número de cargas negativas.

c) Un compuesto es una sustancia que está formada por dos o más _ de elementos distintos combinados en proporciones _.

La naturaleza eléctrica de la materia 3

Explica si se atraen o se repelen dos péndulos eléctricos que:

8

Responde verdadero o falso y justifica tu respuesta: «Un cuerpo eléctricamente neutro es el que no tiene cargas positivas ni negativas.»

9

La carga del electrón es la carga elemental; por tanto, la carga eléctrica de un cuerpo es un múltiplo entero de la carga del electrón. Identifica cuáles de estas cantidades de carga eléctrica no pueden ser posibles:

Identifica cuál de estos tres cuerpos: a) Tiene carga positiva. b) Tiene carga negativa.

a) 1,602 ⋅ 10−10 C

c) Es eléctricamente neutro. 1.

−18

b) 1,073 ⋅ 10 2.

C

c) 1,602 ⋅ 10−20 C d) 4,005 ⋅ 10−18 C

10

Si al frotar un cuerpo este adquiere una carga positiva de 10−5 C, ¿qué carga ha adquirido el cuerpo con el que se frotó?, ¿por qué?

11

Observa el esquema del tubo de descarga similar a aquel en el que Thomson descubrió los electrones y Goldstein, los protones.

3.

Generador

Tubo de vidrio

4

5

Responde verdadero o falso y justifica tu respuesta según la actividad anterior:

Haz de partículas negativas (electrones)

+

–

a) Para que el cuerpo 1 se transforme en el cuerpo 3 debe perder cargas positivas.

Ánodo

b) Para que el cuerpo 1 se transforme en el cuerpo 3 debe ganar cargas negativas.

a) ¿De qué electrodo (ánodo o cátodo) crees que parten los electrones?

c) Para que el cuerpo 3 se transforme en el cuerpo 2 debe ganar cargas negativas.

b) ¿A qué electrodo se dirigen?

d) Para que el cuerpo 2 se transforme en el cuerpo 3 debe ganar cargas positivas.

d) ¿A qué electrodo se dirigen los protones?

Responde verdadero o falso y justifica tu respuesta: a) Si frotas una barra de vidrio con un trozo de seda solo queda electrizada la barra de vidrio. b) Si frotas una barra de ebonita con un paño de lana, la barra de ebonita queda cargada positivamente. c) Cuando una varilla cargada negativamente entra en contacto con una bolita poliestireno, algunas cargas negativas pasan a la bolita y esta y la varilla se repelen. d) La unidad de carga eléctrica es el culombio.

Cátodo

c) ¿Qué tipo de sustancia contiene el tubo en su interior? 12

Con la simulación del tubo de rayos catódicos que aparece en esta página web se puede comprobar que los electrones viajan en línea recta. http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/crookestube/index.html a) ¿Por qué aparece la sombra de la cruz en el interior del tubo? b) Realiza la experiencia modificando el voltaje entre ambos electrodos. Investiga la relación que existe entre el aumento del voltaje y el incremento de la fluorescencia que aparece en la pared del vidrio opuesta al cátodo.

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Los primeros modelos atómicos 13

Describe cómo es el modelo de átomo ideado por Thomson. Según este modelo, ¿cómo es el átomo, divisible o indivisible?

14

¿Cómo explica el modelo atómico de Thomson los fenómenos de electrización por frotamiento? Explícalo con la ayuda de esquemas o dibujos.

15

¿Cómo adquiere un cuerpo eléctricamente neutro carga positiva? ¿Y carga negativa?

16

¿Qué relación hay entre el número de electrones y el de protones en la materia eléctricamente neutra?

17

Copia en tu cuaderno y completa los textos siguientes:

21

¿Por qué se vio obligado Rutherford a suponer que en el núcleo debía existir una partícula que aún no se había descubierto y a la que denominaron neutrón? ¿Qué partículas son, fundamentalmente, las responsables de la masa del átomo?

22

Escribe en tu cuaderno la opción correcta. La carga del electrón es: a) Mayor que la del protón. b) Menor que la del neutrón. c) Igual que la del protón.

23

Una partícula alfa es un átomo de helio que tiene en su núcleo dos protones y dos neutrones, pero ha perdido sus dos electrones:

«Durante mucho tiempo, los científicos creyeron que los átomos eran las partículas más pequeñas de la materia. Actualmente sabemos que los átomos están formados por partículas más pequeñas llamadas _, _ y _.» «Un _ es una partícula que tiene carga positiva y está localizada en el _ del átomo. El _ es una partícula que no tiene carga eléctrica y que, junto al _, está localizada en el _ del átomo. Existe una tercera partícula, llamada _, que tiene carga eléctrica _ y que no está localizada en el _ del átomo.» 18

a) ¿Cuál es la carga de una partícula alfa? b) ¿Cuál será la masa en kilogramos de una partícula alfa? c) Dibuja un átomo completo de helio y una partícula alfa a partir de un átomo de helio. 24

Relaciona a los siguientes científicos: Geiger y Marsden, J. J. Thomson, E. Goldstein, J. Chadwick y R. Rutherford, con su aportación al estudio de la estructura del átomo:

http://www.deciencias.net/simulaciones/quimica/atomo/rutherford.htm

b) Descubrimiento del electrón. c) Modelo atómico del pudin de pasas. d) Descubrimiento del neutrón.

25

e) Experiencia de la lámina de oro.

Relaciona cada partícula: electrón, protón y neutrón, con alguna o algunas de las características siguientes:

f) Modelo del átomo nuclear.

a) Tiene carga eléctrica positiva. b) No posee carga eléctrica.

En las ilustraciones se representan las experiencias de Geiger y Marsden. En una de ellas observamos cuáles eran los resultados esperados de acuerdo con el modelo de Thomson y en la otra, los resultados reales. Identifica cada una de estas ilustraciones y explica:

c) Se encuentra solo en el interior del núcleo. d) Gira alrededor del núcleo. e) Tiene una masa ligeramente mayor que la del protón. f) Tiene carga eléctrica negativa. g) Su masa es menor que la del protón.

Pantalla detectora de partículas Lámina de oro

Chorro de partículas

26

a) Por qué eran esperables estos resultados, según Thomson. b) Cómo justifica Rutherford esos resultados experimentales.

Un átomo de hidrógeno está formado por un protón y un electrón. a) ¿Cuál es la masa del átomo de hidrógeno?

Chorro de partículas

20

En esta página web puedes encontrar un simulador del experimento de Geiger y Marsden. Describe lo que sucede cuando se modifican la energía de las partículas incidentes y el material del que está hecho el blanco contra el que se disparan. Con la ayuda de las simulaciones, explica qué se esperaba que sucediera de acuerdo con el modelo de Thomson y qué es lo que realmente sucedió.

a) Descubrimiento del protón.

19

Las partículas con las que Geiger y Marsden bombardearon la fina lámina de oro eran partículas alfa.

b) ¿Qué le ocurrirá al átomo de hidrógeno si pierde su único electrón? 27

Escribe en tu cuaderno las opciones correctas y corrige las incorrectas.

Explica cómo justifica el modelo atómico de Rutherford que en el experimento de Geiger y Marsden:

a) Un átomo de flúor se convierte en un anión cuando pierde un protón.

a) La mayor parte de las partículas positivas atravesaran la lámina de oro sin desviarse.

b) Un átomo de flúor se convierte en un anión cuando gana un electrón.

b) Algunas partículas positivas se desviaran considerablemente.

c) Un átomo de sodio se convierte en un catión ganando un protón.

c) Unas pocas partículas positivas rebotaran hacia la fuente de emisión.

d) Un átomo de sodio se convierte en un catión perdiendo un electrón. 3. El átomo

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3

EJERCICIOS, ACTIVIDADES Y TAREAS ¿Cómo se identifican los átomos? 28

Los nuevos modelos atómicos

Copia en tu cuaderno y completa la siguiente frase:

36

«El número atómico del cobre, Cu, es 29, y su número másico 64, lo cual quiere decir que este átomo de cobre tiene _ protones y _ neutrones, y si es eléctricamente neutro, tiene _ electrones.» 29

Representa los átomos de cada uno de los elementos siguientes:

a) Cuando un átomo es excitado, algunos electrones pueden pasar de niveles de _ energía a otros de _ energía. b) Cuando un electrón emite energía es porque ha pasado de un nivel de _ energía a otro de _ energía. 37

❚❚ Nitrógeno, símbolo N, Z = 7, A = 14.

b) El nivel energético 1 puede contener como máximo 2 electrones.

❚❚ Calcio, símbolo Ca, Z = 20, A = 40. ❚❚ Magnesio, símbolo Mg, número de protones 12 y número de neutrones 13.

c) El modelo atómico de Rutherford no es válido, porque cualquier carga eléctrica que gire debe emitir radiación y esto no sucede.

❚❚ Bromo, símbolo Br, número de protones 35 y número de neutrones 45.

d) El primer postulado de Bohr afirma que el electrón se mueve alrededor del núcleo en órbitas circulares, sin que exista emisión de energía.

Determina el número de protones, neutrones y electrones de:

e) Según Bohr, todos los electrones de un átomo se encuentran en un mismo nivel de energía.

Zn eléctricamente neutro. a) Un átomo de 65 30 Rb+. b) Un ion 85 37

38

Br−. c) Un ion 80 35 Br eléctricamente neutro. d) Un átomo de 81 35 e) Un átomo de 31

Corrige las afirmaciones que sean falsas. a) El nivel energético 2 puede contener como máximo 18 electrones.

❚❚ Oxígeno, símbolo O, Z = 8, A = 16.

30

Elige y copia en tu cuaderno la opción correcta.

Responde a las siguientes cuestiones relacionadas con los modelos atómicos de Bohr, Thomson y Rutherford. a) Ordena cronológicamente estos modelos atómicos.

205 82

b) Describe brevemente las características de cada uno de los modelos.

Pb eléctricamente neutro.

El número de neutrones del litio es uno más que el de protones. Sabiendo que su número másico es 7:

c) Asocia cada modelo con uno de los siguientes dibujos:

a) ¿Cuál es su número atómico? b) ¿Cuántos electrones tiene un átomo de litio eléctricamente neutro? 32

33

¿Puede un átomo de número atómico 17 tener como isótopo otro átomo cuyo número atómico sea 18? Justifica tu respuesta.

+

B

C

39

c) Partícula nuclear sin carga eléctrica. d) Átomo con carga eléctrica. e) Átomos de un mismo elemento con diferente número de neutrones en su núcleo.

a) ¿Cuáles pertenecen a isótopos diferentes del mismo elemento?

34

35

Cómo dibujar átomos 40

El número de neutrones del sodio es dos más que el de protones. Si su número másico es 23, ¿cuántos electrones tendrá?

13 6

b)

56 26

c)

39 14

b) 2 c) 2 7

C

d) 2 1

Fe +

K

16 8

d) O2−

Relaciona los siguientes átomos: helio (2 electrones), flúor (9 electrones), litio (3 electrones), sodio (11 electrones) y argón (18 electrones) con la configuración electrónica correspondiente: a) 2 8 8

Escribe el número de protones, neutrones y electrones de cada uno de estos átomos: a)

Asocia cada término con su definición: número atómico, isótopo, núcleo atómico, ion y neutrón. b) Número de protones en un núcleo.

13 protones 13 protones 14 protones 14 protones 14 neutrones 13 neutrones 15 neutrones 15 neutrones

c) ¿Son B y C átomos del mismo elemento?

E. Rutherford (1909) N. Bohr (1013) J.J. Thomson (1904) (modelo nuclear) (modelo pastel de pasas) (modelo niveles de energía)

a) El centro de un átomo.

D

b) ¿Cuáles pertenecen al mismo isótopo del mismo elemento?

+ +

Conocemos los siguientes datos sobre los átomos A, B, C y D: A

+

e) 2 8 1 41

Dibuja el núcleo y los niveles de energía de un átomo de fósforo, Z = 15, A = 31.

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+

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42

Copia y completa en tu cuaderno el siguiente cuadro:

LEE Y COMPRENDE LA CIENCIA

Átomo

Z

A

N.° de protones

N.° de electrones

N.° de neutrones

Distribución electrónica

«1001 cosas que todo el mundo debería saber sobre ciencia», de James TREFIL.

Na

…

…

11

…

12

…

Si

…

28

…

…

14

…

Ca

20

…

…

…

20

…

La radiactividad no es innatural. Puesto que el conocimiento humano de la radiactividad es reciente, mucha gente cree que es algo nuevo en el entorno humano. De hecho, nuestra especie vive y ha evolucionado en un entorno que está lleno de radiactividad. El uranio, que sufre desintegraciones radiactivas, es un elemento común en la corteza terrestre. Es más común que elementos como la plata y el mercurio. La desintegración en cadena que inicia llena la Tierra de núcleos radiactivos. Además, la Tierra está siendo bombardeada constantemente por los rayos cósmicos. Estos son, en su mayor parte, protones y otras partículas de alta energía y se generan en el Sol y en otras estrellas, y llueven constantemente sobre nuestra atmósfera. Allí colisionan con las moléculas del aire y producen lluvias de partículas. En este mismo momento, las partículas de esas lluvias pasan a través de nuestros cuerpos con una frecuencia de unas tres veces por minuto, añadiéndose así a los niveles de radiación de fondo.

43

Dibuja un átomo de oxígeno, que tiene 8 protones, 8 neutrones y 8 electrones, y escribe su configuración electrónica.

44

Dibuja en tu cuaderno un átomo de 115B con su configuración electrónica.

La radiactividad 45

Responde verdadero o falso y justifica tu respuesta: a) La radiactividad es un fenómeno causado por la distribución de los electrones alrededor del núcleo. b) Un radioisótopo es un isótopo radiactivo de un elemento. c) Un radioisótopo de un elemento tiene propiedades físicas y químicas diferentes de las de un isótopo inactivo del mismo elemento.

46

¿Cuáles de estos isótopos crees que pueden ser radiactivos? ¿Por qué? Compruébalo consultando sus propiedades en la web. a)

222 86

b)

40 20

c)

65 30

d)

218 84

Rn

Zn

c) ¿Qué son los rayos cósmicos y cuál es su origen? d) Si la radiactividad es «algo natural», ¿por qué cuestiones como la generación de electricidad mediante centrales nucleares o la gestión de los residuos radiactivos crean tanta polémica?

Po

4 2

e) He 227 89

g)

99 43

a) ¿Por qué la gente cree que la radiactividad es un fenómeno moderno? b) ¿Qué fenómenos naturales relacionados con la radiactividad describe el autor?

Ca

f)

Así, cuando lea usted algo acerca de que se ha descubierto radiactividad en alguna parte, tiene que ser consciente de que en la mayoría de los lugares hay ya materiales radiactivos y de que la pregunta que debe formularse no es ¿es radiactivo?, sino ¿es más radiactivo de lo debería ser normalmente?

Ac

Tc

TÉCNICAS DE ESTUDIO ❚❚ Elabora tu propio resumen a partir de los recuadros de Ideas claras que aparecen en la unidad. También puedes añadir otros contenidos que consideres importantes.

❚❚ Copia el esquema que aparece a continuación y añade los elementos necesarios para construir un mapa conceptual de la unidad.

Puedes grabar resumen y escu tu ch tantas veces co arlo quieras para re mo pasar

El átomo

forma

tiene

se representa por

algunos son

La materia

Naturaleza eléctrica

Modelos atómicos

Radiactivos

❚❚ Crea tu propio vocabulario científico. Para ello, define los términos siguientes: átomo, elemento, compuesto, electrización, modelo atómico, corteza electrónica, núcleo, isótopo, configuración electrónica y radiactividad. Puedes completar tu vocabulario con los términos que consideres.

3. El átomo

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3

TÉCNICAS DE TRABAJO Y EXPERIMENTACIÓN Los espectros atómicos A mediados del siglo XIX, los científicos Kirchhoff y Bunsen descubrieron que todo elemento químico al ser calentado hasta la incandescencia produce una luz característica. El objetivo de esta práctica consiste en la observación de esa luz característica en algunos elementos como el litio, el sodio y el potasio.

Fuente de emisión

Escala iluminada Prisma

Anteojo para la iluminación del espectro

Llama del litio.

Llama del sodio.

Llama del potasio.

Un espectroscopio es un aparato que permite analizar la luz emitida por los elementos químicos. El análisis de la luz proporciona las «huellas dactilares» de los elementos que se calientan.

Procedimiento

Materiales

1. Numera los tres vidrios de reloj. Coloca en el primero algunos cristales de cloruro de litio, en el segundo, de cloruro de potasio y en el tercero, de cloruro de sodio.

❚❚ Tres vidrios de reloj. ❚❚ Un alambre de níquel. ❚❚ Un mechero Bunsen.

2. Antes de cada aplicación, asegúrate de que el alambre de níquel está limpio. Para ello, introdúcelo en el tubo de ensayo con ácido clorhídrico concentrado y caliéntalo en la llama hasta que no dé coloración.

❚❚ Un tubo de ensayo. ❚❚ Ácido clorhídrico, HCl.

3. Toma una pequeña muestra de cloruro de litio y aproxima el alambre al borde de la llama de un mechero Bunsen. Anota el color que observas en la llama.

❚❚ Cloruro de litio, LiCl. ❚❚ Cloruro de sodio, NaCl.

4. Vuelve a limpiar bien el alambre y repite la operación con cada uno de los otros cloruros.

❚❚ Cloruro de potasio, KCl.

Análisis de los resultados Basándote en los resultados experimentales, completa la siguiente tabla: Cloruro utilizado

Color de la llama observado

…

…

…

…

…

…

1

Compara tus resultados con los obtenidos por otros compañeros. ¿Habéis llegado todos a la conclusión de que cada elemento emite un color diferente?

2

Repite el procedimiento con una muestra desconocida y averigua de qué cloruro se trata.

3

¿Por qué es necesario limpiar el alambre después de cada prueba?

4

¿Por qué crees que la llama de los fuegos de las cocinas adquiere con frecuencia un tono amarillo intenso?

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TAREA DE INVESTIGACIÓN La teoría atómica en una línea del tiempo Realizar un estudio a lo largo del tiempo de los descubrimientos más relevantes relacionados con el átomo, su descubrimiento y los científicos que participaron o aportaron conocimiento hasta llegar al concepto actual de átomo. Construid una línea del tiempo.

1. Investiga a) Cuáles han sido los experimentos y descubrimientos científicos que han contribuido de forma más directa al conocimiento de la estructura del átomo. b) Quiénes han sido los científicos que los realizaron y en qué momento de la historia se hicieron. c) Qué teorías y modelos sobre el átomo han ido surgiendo a medida que se realizaban los experimentos y descubrimientos mencionados. d) Quiénes fueron los científicos que los elaboraron y cuándo lo hicieron.

3. Elabora a) Elabora, junto con tus compañeros, un listado con los nombres de los científicos, sus descubrimientos y las fechas en que los realizaron. b) Construye, junto con tus compañeros, una línea del tiempo en la que aparezcan correlativamente las fechas en las que se realizaron los experimentos y los descubrimientos relacionados con la estructura del átomo, las teorías atómicas que se enunciaron y los modelos atómicos que se elaboraron. Cada evento debe ir acompañado con el nombre del científico o los científicos que los llevaron a cabo. c) Completad el listado anterior con experimentos, descubrimientos y teorías que hayan sucedido después del año 1932 e incluirlas en vuestra línea del tiempo.

Pautas de Resolución Búsqueda información ❚❚ Busca información, ya sea en internet o enciclopedias científicas, acerca de los experimentos, descubrimientos y teorías a lo largo de la historia sobre la estructura atómica. ❚❚ Anota la bibliografía y páginas web consultadas. No te fíes de una sola fuente de información. Es aconsejable que compruebes que lo que buscas se repite en distintas fuentes. Organización de la información ❚❚ Diseña, junto con tus compañeros, el modelo de línea del tiempo que vais a utilizar. En internet se encuentran diferentes modelos que os pueden servir de ayuda. ❚❚ Haced un listado de la información encontrada antes de realizar la presentación. Elaboración de la presentación ❚❚ Redactad una breve descripción de cada descubrimiento, su descubridor y la fecha en la que tuvo lugar. Hacer una lista del más antiguo al más moderno. ❚❚ Haced un esquema en una hoja antes de elaborar la presentación. ❚❚ Para poder observar la mayor o menor rapidez con la que se han sucedido los acontecimientos a lo largo de la historia, es conveniente que realicéis la línea del tiempo a escala, podéis utilizar una pared del aula. Tener en cuenta que la unidad de tiempo que elijas tiene que ser la misma en toda la línea del tiempo. ❚❚ Podéis completar la información de cada evento con fotos y gráficos.

2. Experimenta Los fenómenos de electrización de la materia sirven para poner de manifiesto que el átomo no es indivisible y de la existencia de cargas positivas y negativas. a) Realiza diferentes experiencias de electrización utilizando globos y diversos materiales para electrizarlos: lana, seda, piel, etc. b) Averigua qué materiales cargan los globos con carga negativa y cuáles con carga positiva. c) Describe el procedimiento detalladamente y anota tus observaciones.

AUTOEVALUACIÓN Responde a las siguientes cuestiones para evaluar tu trabajo: 1. ¿Has respondido las cuestiones que se plantean en el investiga? 2. ¿Has realizado las experiencias de electrización de la materia? 3. ¿Has descrito el procedimiento y anotado tus observaciones al realizar el Experimenta? 4. ¿Has colaborado en la obtención de información para poder elaborar la línea del tiempo? 5. ¿Has participado activamente en el diseño de la línea del tiempo? 6. ¿Tiene tanto el informe como la presentación toda la información necesaria?

3. El átomo

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LAS REACCIONES QUÍMICAS

EN ESTA UNIDAD VAS A APRENDER A…

CONTENIDOS DE LA UNIDAD 1. ¿Cómo se produce una reacción química?

3. ¿Se conserva la masa en una reacción química?

❚❚ Distinguir los cambios físicos y químicos que sufre la materia. ❚❚ Describir cómo se producen las reacciones químicas según la teoría de colisiones. ❚❚ Deducir la ley de la conservación de la masa. ❚❚ Escribir y ajustar ecuaciones químicas.

En una reacción química una o varias sustancias químicas se transforman en otras diferentes. Si, como en la fotografía, mezclamos azufre con limaduras de hierro, estas sustancias no reaccionan.

❚❚ Realizar cálculos sencillos de cantidades de sustancias. ❚❚ Medir la velocidad de las reacciones químicas y conocer cómo se puede modificar.

❚❚ ¿Cómo podemos conseguir que el azufre y el hierro reaccionen?

❚❚ Reconocer los tipos de reacciones químicas más importantes. ❚❚ Valorar la importancia de la industria química en la sociedad y su influencia en el medio ambiente.

En toda reacción química la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. Sin embargo, si quemamos un trozo de madera solo nos queda un puñado de ceniza. ❚❚ ¿Qué ha ocurrido con el resto de la masa de la madera? ❚❚ ¿Ha desaparecido o se ha transformado en algo que no hemos tenido en cuenta?

2. Las ecuaciones químicas

H

fq3e911

O

Observa la ecuación matemática: 4x + 2y = 2z. Igualmente, podemos representar en forma de ecuación una reacción química. ❚❚ ¿Utilizamos fórmulas o palabras para escribir una ecuación química? ❚❚ Representa la reacción química de la imagen en forma de ecuación.

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4. ¿En qué proporción reaccionan entre sí las sustancias?

7. Importancia de las reacciones químicas

Si analizamos CO2 gaseoso obtenido de diferentes muestras, como la combustión de la madera o la maduración de la fruta, en todas encontramos la misma proporción de masa de carbono y oxígeno. ❚❚ ¿Significa esto también que en el agua, independientemente de su procedencia, siempre encontraremos la misma proporción de masa de hidrógeno y oxígeno?

5. Cálculos estequiométricos sencillos

Las reacciones que tienen lugar entre los seres vivos, en la atmósfera, en los vehículos de transporte, en la putrefacción de la fruta, en los hogares, etc., son diferentes. Las hay de oxidación y reducción, de combustión… ❚❚ ¿Podrías identificar algunas de las reacciones químicas que tienen lugar en tu entorno?

8. Reacciones químicas y medio ambiente Desde la revolución industrial hasta nuestros días se han incrementado notablemente las reacciones de combustión de combustibles fósiles. ❚❚ ❚¿Sabes qué problemas medioambientales están provocando estas reacciones tanto a nivel local como global? ❚❚ ❚¿Serías capaz de proponer alguna medida para evitar estos problemas?

Si hacemos reaccionar 30 g de nitrógeno con 30 g de hidrógeno se forman 36,4 g de amoníaco, es decir, solo son necesarios 6,4 g de hidrógeno. Podemos calcular la cantidad de un reactivo que reacciona con una cantidad determinada de otro reactivo para obtener un producto. ❚❚ ¿Crees que estos cálculos son importantes en la industria a la hora de fabricar unas sustancias a partir de otras?

6. Reacciones rápidas y lentas

Si dejas una manzana a la intemperie durante unos días puedes observar que se descompone. Se ha producido una reacción química. Dependiendo de las condiciones de temperatura en las que se encuentre, la descomposición se produce más rápida o más lentamente. ❚❚ ¿Sabes cómo se puede disminuir la velocidad de descomposición de productos como la carne o la fruta?

Tarea de investigación

+

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La industria química en el desarrollo de la sociedad La química inventa nuevos materiales a la carta. La historia de los seres humanos se puede escribir como la historia del dominio de la materia (Edad de Hierro, Edad de bronce, la Revolución Industrial, etc.). En un principio se eligieron los materiales según sus propiedades naturales. En la actualidad, los químicos pueden hacer una lista de propiedades y fabricar un material, inexistente en la naturaleza, que las posea (plásticos, medicamentos, materiales de construcción, materiales con memoria de forma, ferrofluidos, semiconductores, plasmas). Asimismo, la química busca las soluciones a sus propios problemas: la presencia de una nueva sustancia peligrosa en nuestro entorno provenga acaso de una reacción química, pero será otra reacción química quien nos libere de ella. ❚❚ ¿A tu juicio cuál ha sido la influencia que el desarrollo de la industria química ha tenido en el progreso de la sociedad? ❚❚ ¿Serías capaz de proponer medidas y actitudes a nivel global y colectivo para mitigar los problemas medioambientales de ámbito global?

6. Las reacciones químicas

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6 1. ¿CÓMO SE PRODUCE UNA REACCIÓN QUÍMICA?

❚❚ En los cambios físicos, las sustancias cambian su forma, pero no su composición química.

A diario observamos las transformaciones que experimenta la materia a nuestro alrededor. Por ejemplo, arrugamos una hoja de papel, dejamos que unos cubitos de hielo se derritan o se nos rompe un vaso de cristal. En estos casos, los materiales siguen siendo los mismos: tan solo han cambiado de forma. Se ha producido una transformación física.

❚❚ En los cambios químicos, unas sustancias se transforman en otras con una composición química diferente.

Deformación.

Fusión.

Fragmentación.

Observa ahora lo que sucede si metes una camiseta de color en lejía, quemas un papel o dejas unos plátanos a la intemperie. Las sustancias que forman estos materiales son diferentes: su composición ha cambiado. Se ha producido una transformación química.

Oxidación.

Combustión.

Oxidación.

1.1. Las reacciones químicas Cuando mezclamos limaduras de hierro con azufre no se produce ninguna reacción, pues no se establecen uniones entre los átomos de azufre y hierro. Sulfuro de hierro (FeS)

Mezcla de Fe y S

Átomos de hierro

1

Si calentamos ahora la mezcla, los átomos de azufre se enlazan a los de hierro y dan lugar a un compuesto, el sulfuro de hierro, que tiene propiedades distintas a las del hierro y el azufre por separado. Decimos que ha tenido lugar una reacción química.

Átomos de azufre

Entre los átomos de azufre y los de hierro no existen uniones, se ha formado una mezcla. Ambos elementos conservan sus propiedades características.

Si acercamos un imán a la mezcla este atraerá las limaduras y podremos separar ambos elementos.

Cada átomo de hierro se ha unido a un átomo de azufre y se ha formado el compuesto sulfuro de hierro, cuyas propiedades son diferentes a las del hierro y el azufre.

¿Qué diferencia hay entre estos dos procesos? Si ahora mezclas agua con sal se produce una disolución, y si la calientas, ¿qué ocurre? Identifica posibles reacciones químicas que sucedan a tu alrededor.

Una reacción química es la transformación de una o varias sustancias químicas (elementos o compuestos) denominadas reactivos en otras diferentes, llamadas productos.

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1.2. Teoría de colisiones Pero, ¿cómo crees que se reorganizan los átomos de los reactivos para formar las nuevas sustancias? Para responder a esta y otras preguntas sobre cómo se producen las reacciones químicas se recurre a la teoría de las colisiones, enunciada por Lewis y Trautz en 1917. Para que dos elementos o compuestos reaccionen entre sí, deben romperse unos enlaces y formarse otros nuevos. Es decir, las partículas de los reactivos (átomos, moléculas o iones) deben aproximarse hasta chocar. Como resultado de estos choques se produce una nueva distribución de átomos, electrones y enlaces y, en consecuencia, la formación de los productos de la reacción.

Las moléculas de los reactivos no tienen la orientación adecuada en el momento del choque; por tanto, no se produce la reacción química y los reactivos permanecen inalterados.

Ahora bien, ¿se produce siempre una reacción química? ¿Generan productos todos los choques entre partículas? Para que una reacción se produzca no basta con que los átomos, los iones o las moléculas de los reactivos choquen; además, deben hacerlo con la orientación adecuada y con la energía suficiente. Cuando los reactivos chocan con la orientación adecuada, sus átomos deben pasar momentáneamente por una distribución de enlaces que tiene mayor energía y, por tanto, es menos estable que los reactivos y los productos. Esta distribución de mayor energía se denomina complejo activado y representa una barrera de energía.

Las moléculas de los reactivos tienen la orientación adecuada en el momento del choque; por tanto, se produce la reacción química. Los reactivos se han transformado en los productos de la reacción.

La reacción solo se produce si las moléculas que chocan tienen, además de la orientación adecuada, una energía suficiente como para superar esa barrera energética. En este caso, decimos que el choque es efectivo. Entonces, ¿es eficaz cualquier colisión entre partículas con una energía mayor que la energía suficiente para superar la barrera energética? La energía de activación es la energía mínima necesaria para que reaccionen dos átomos, moléculas o iones que chocan con la orientación adecuada.

+

energía de activación

Energía

complejo activado

reactivos

Las partículas de los reactivos deben tener energía suficiente como para superar la barrera de energía.

+ productos Sentido de la reacción

2

3

4

Explica en términos de energía cómo es el avance de la reacción.

Clasifica las siguientes transformaciones en físicas o químicas y añade cuatro ejemplos más: a) La ebullición del agua; b) La disolución de azúcar en la leche; c) La fermentación de la uva para obtener vino; d) La formación del arcoíris; e) La descomposición del AgCl en Cl2 y Ag por acción de la luz; f) La caída de una piedra desde el borde de un acantilado. Indica qué enlaces se han roto y cuáles se han formado en la reacción entre el carbono y el oxígeno para dar dióxido de carbono. C + O2

CO2

Ideas claras ❚❚ Una reacción química es la transformación de una o varias sustancias en otras diferentes. ❚❚ Para que se produzca una reacción química, las partículas que forman los reactivos deben tener una orientación adecuada y una energía suficiente.

6. Las reacciones químicas

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6 ❚❚ En una reacción química los reactivos se transforman en productos.

2. LAS ECUACIONES QUÍMICAS Una ecuación química es la forma esquemática de representar una reacción química. La ecuación de la reacción del azufre y el hierro para dar sulfuro de hierro es: S (s) + Fe (s) → FeS (s) Reactivos → Productos

Las sustancias que reaccionan son los reactivos y las que se obtienen, los productos. El estado físico en el que se encuentran los reactivos y los productos se indica así: (s) sólido, (l) líquido, (g) gas, (aq) disolución acuosa.

2.1. ¿Cómo se ajustan las ecuaciones químicas? Una ecuación química debe estar ajustada o equilibrada, y para ello ha de haber el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la ecuación, es decir, a la derecha y a la izquierda de la flecha.

Para ajustar una ecuación química ponemos delante de las fórmulas de los reactivos o de los productos unos números, llamados coeficientes, que indican el número relativo de átomos y moléculas que intervienen en la reacción. Estos coeficientes nos indican en qué proporción intervienen las sustancias en la reacción. Los subíndices de las fórmulas no se modifican nunca, pues eso significaría modificar las sustancias. Coeficientes

2 H2 + O2

2 H2O Subíndices

EJERCICIO RESUELTO 1. El metano es el componente mayoritario del gas natural. En la combustión del metano se obtienen dióxido de carbono y agua y se desprende gran cantidad de energía. La ecuación química de esta reacción es: CH4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g) Ajusta esta ecuación química. Examinamos uno a uno todos los elementos químicos que aparecen en la ecuación. N.º de átomos de cada elemento en los reactivos

N.º de átomos de cada elemento en los productos

1 átomo de carbono

1 átomo de carbono

4 átomos de hidrógeno

2 átomos de hidrógeno

2 átomos de oxígeno

3 átomos de oxígeno

C: Está ajustado. No es necesario añadir ningún coeficiente. H: Hay 4 átomos de H a la izquierda y 2 a la derecha, por tanto, ponemos un 2 como coeficiente delante de H2O: CH4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (g) O: Ahora hay 4 oxígenos a la derecha y solo 2 a la izquierda, por lo que debemos poner un 2 como coeficiente delante de O2: CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (g) Comprobamos que todos los elementos han quedado ajustados. El resultado final es: CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (g)

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EJERCICIO RESUELTO 2. El hidróxido de sodio sólido (sosa cáustica) reacciona con el ácido sulfúrico en disolución acuosa para dar sulfato de sodio y agua. La ecuación química sin ajustar de esta reacción es: NaOH (s) + H2SO4 (aq) → Na2SO4 (aq) + H2O (l) Ajusta esta ecuación química. Examinamos uno a uno todos los elementos químicos que aparecen en la ecuación. N.º de átomos de cada elemento en los reactivos

N.º de átomos de cada elemento en los productos

1 átomo de sodio

2 átomos de sodio

1 átomo de azufre

1 átomo de azufre

5 átomos de oxígeno

5 átomos de oxígeno

3 átomos de hidrógeno

2 átomos de hidrógeno

Na: Como hay un átomo de sodio a la izquierda y dos a la derecha, debemos poner un 2 como coeficiente delante de NaOH: 2 NaOH (s) + H2SO4 (aq) → Na2SO4 (aq) + H2O (l) H: Ahora tenemos cuatro átomos de hidrógeno a la izquierda y dos a la derecha; por consiguiente, pondremos un 2 como coeficiente delante de H2O: 2 NaOH (s) + H2SO4 (aq) → Na2SO4 (aq) + 2 H2O (l) O: Tras estos ajustes, ahora tenemos seis átomos de oxígeno a la izquierda y seis a la derecha. Por consiguiente, el número de átomos de oxígeno está ajustado. S: Hay un átomo de azufre a la izquierda y otro a la derecha. El número de átomos de azufre también está equilibrado. La ecuación ajustada queda así: 2 NaOH (s) + H2SO4 (aq) → Na2SO4 (aq) + 2 H2O (l)

5

¿Cuándo decimos que una ecuación química está ajustada?

6

¿Por qué escribimos 2 NaOH y no Na2O2H2?

7

Fíjate en las siguientes ecuaciones químicas: 1. El carbonato de calcio (caliza) se descompone en óxido de calcio y dióxido de carbono: CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) 2. El hidrógeno y el oxígeno reaccionan para dar agua: H2 (g) + O2 (g) → H2O (l) 3. El azufre reacciona con el cobre para dar sulfuro de cobre: S (s) + Cu (s) → CuS (s) 4. El magnesio en polvo es uno de los componentes de los fuegos artificiales, ya que arde en atmósfera de oxígeno para dar un sólido blanco de óxido de magnesio: Mg (s) + O2 (g) → MgO (s) a) Identifica los reactivos y los productos en cada una de ellas y especifica su estado físico. b) Indica cuáles de estas ecuaciones químicas están ajustadas y ajusta las que no lo estén.

Ideas claras ❚❚ Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas. ❚❚ Una ecuación química está ajustada cuando a ambos lados de la flecha existe el mismo número de átomos de cada elemento. ❚❚ Los coeficientes indican el número de átomos o moléculas de una sustancia que intervienen en una reacción. ❚❚ Los subíndices forman parte de las fórmulas de una sustancia específica.

6. Las reacciones químicas

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6 ❚❚ Los reactivos son las sustancias de partida y los productos son las nuevas sustancias.

3. ¿SE CONSERVA LA MASA EN UNA REACCIÓN QUÍMICA? Al preparar una mezcla o una disolución, la masa total permanece constante. ¿Ocurre lo mismo con las reacciones químicas? ❚❚ ¿Puede ser la suma de la masa de los reactivos mayor que la de los productos? ¿Y a la inversa? ❚❚

Para dar respuesta a estas preguntas vamos a analizar lo que sucede si hacemos reaccionar nitrato de plata, AgNO3, con ácido clorhídrico, HCl, para dar cloruro de plata, AgCl, y ácido nítrico, HNO3. La ecuación química de esta reacción es: AgNO3 (aq) + HCl (aq) → AgCl (s) + HNO3 (aq) Inicialmente, el matraz erlenmeyer contiene una disolución de nitrato de plata y el tubo de ensayo, una disolución de ácido clorhídrico. Al poner en contacto ambas sustancias se forma un precipitado blanco de cloruro de plata. Disolución incolora de HCI

Disolución incolora de AgNO3

Precipitado de AgCI (sólido de color blanco) y HNO3 (disolución incolora)

Volcamos el erlenmeyer para que el HCI contenido en el tubo de ensayo se vierta.

8

Identifica los reactivos y los productos e indica su estado físico.

9 8

¿Se conserva la masa en esta reacción química? ¿Por qué?

10 8

Nombra el material de laboratorio necesario para realizar esta experiencia.

¿Qué sucedería si en la reacción intervinieran sustancias gaseosas?

11 ¿Se conserva la masa en esta reacción química? ¿Por qué utilizamos un recipiente herméticamente cerrado?

Colocamos una manzana en el interior de un recipiente cerrado sobre una báscula digital. Al cabo de unos días, la fruta se ha descompuesto y queda menos oxígeno en el aire del recipiente, porque se ha combinado con algunas sustancias de la fruta. Sin embargo, hay más dióxido de carbono y otros gases, liberados en su putrefacción. Observa que la balanza marca la misma masa que indicaba inicialmente. Podemos, entonces, comprobar que en una reacción química se cumple el principio de conservación de la masa, también conocido como ley de Lavoisier: En cualquier reacción química que tenga lugar en un sistema cerrado, la masa total de las sustancias allí existentes se conserva, es decir, la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. ¿Habrá el mismo número de átomos en los reactivos que en los productos?

Ideas claras ❚❚ En toda reacción química la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. ❚❚ En una reacción química solo cambia la organización de los átomos y, por tanto, la masa inicial es igual a la masa final.

Lógicamente sí, ya que en una reacción química los átomos no desaparecen, sino que se ordenan (enlazan) de un modo diferente. 12

Pesamos una vela antes y después de encenderla y observamos que, tras su combustión, la masa de la vela ha disminuido. ¿No se cumple la ley de conservación de la masa? ¿Qué crees que ha sucedido?

13

Quieres comprobar que en la reacción de oxidación de un metal se cumple la ley de conservación de la masa. ¿Qué utilizarías para ello, un recipiente abierto o uno cerrado? ¿Por qué?

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4. ¿EN QUÉ PROPORCIÓN REACCIONAN ENTRE SÍ LAS SUSTANCIAS? ¿Pueden reaccionar las sustancias entre sí en cualquier proporción?

❚❚ La masa total de las sustancias que intervienen en una reacción química se conserva.

Nuestra hipótesis es que las sustancias no reaccionan en cualquier proporción. Para averiguar si es correcta, recurrimos a la experimentación. Hacemos reaccionar diferentes cantidades de azufre con diferentes cantidades de cobre para obtener determinadas cantidades de sulfuro de cobre. Como puedes observar, en algunos de los experimentos se consumen todo el azufre y el cobre, pero en otros sobra azufre o cobre. Experimento

Masa de azufre

Masa de cobre

Masa de sulfuro de cobre

Masa de azufre sobrante

Masa de cobre sobrante

1

0,25 g

1,00 g

1,25 g

0

0

2

0,25 g

1,15 g

1,25 g

0

0,15 g

3

0,50 g

1,00 g

1,25 g

0,25 g

0

4

0,75 g

3,00 g

3,75 g

0

0

Reacción del cobre y el azufre para dar sulfuro de cobre.

A la vista de los datos obtenidos en los experimentos el siguiente paso es analizarlos. Para ello podemos responder a las siguientes cuestiones: ¿Se cumple la ley de conservación de masa en los cuatro experimentos? Calcula la relación masa de cobre/masa de azufre en los experimentos 1 y 4. ❚❚ Indica la masa de cobre que reacciona con los 0,25 g de azufre del experimento 2. ¿Sobra cobre? ¿Por qué? ❚❚ Indica la masa de azufre que reacciona con 1,00 g de cobre del experimento 3. ¿Sobra azufre? ¿Por qué? ❚❚ ❚❚

Las conclusiones obtenidas son: 1. Las sustancias no reaccionan entre sí en cualquier proporción.

14 ¿En qué proporción reaccionan los átomos de azufre y los átomos de cobre en esta reacción química? 15 Dibuja los átomos de esta reacción de manera que no haya exceso de ningún elemento.

2. La relación entre las masas que reaccionan es siempre constante. masa de cobre masa de azufre

=

1,00 0,25

=

3,00 0,75

=4

Experimentos como estos llevaron a L. J. Proust a enunciar, en 1779, la ley de las proporciones constantes, también conocida como ley de Proust: Cuando dos o más elementos se combinan para dar un mismo compuesto, lo hacen siempre en una proporción de masas definida y constante. Esta ley nos permite distinguir entre una mezcla homogénea y un compuesto. Una mezcla homogénea puede estar formada por los mismos componentes que un compuesto, pero admite diferentes proporciones, mientras que un compuesto tiene siempre una sola e invariable proporción. 16

Indica cuáles de estos enunciados son verdaderos o falsos y escribe de forma correcta los que sean enunciados falsos: a) La relación entre las masas de cobre y las masas de azufre que reaccionan para dar sulfuro de cobre puede ser constante e igual a 3. b) Una mezcla homogénea de azufre y limaduras de cobre puede estar formada por una proporción de 1 a 4, 1 a 3 y 1 a 5. c) Cuando el sulfuro de cobre se descompone en azufre y cobre se obtiene cobre y azufre en la proporción 4 a 1.

Ideas claras ❚❚ Los átomos de elementos que se combinan para formar un mismo compuesto siempre lo hacen en una relación de números enteros sencillos. Solo existe una proporción sencilla.

6. Las reacciones químicas

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6 5. CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS SENCILLOS

❚❚ En una reacción química la masa se conserva y la proporción de masa entre los reactivos es siempre constante.

La ley de conservación de la masa y la ley de las proporciones constantes nos permiten calcular: 1. La cantidad de un reactivo que reacciona con una cantidad determinada de otro reactivo para obtener productos. 2. La cantidad de producto que se puede obtener a partir de ciertas cantidades de los reactivos.

EJERCICIO RESUELTO 3. Hemos calentado diferentes masas, en gramos, de hierro y azufre para formar sulfuro de hierro, y hemos obtenido los siguientes resultados: a) ¿Se cumple la ley de conservación de la masa en esta reacción química? Masa de Fe

Masa de S

Masa de FeS

S sobrante

Fe sobrante

56

32

88

—

—

70

32

88

—

14

56

40

88

8

—

28

16

44

—

—

Sí, se cumple la ley de conservación de la masa, porque la suma de las masas de hierro y azufre es igual a la masa de sulfuro de hierro más la masa del reactivo sobrante, en el caso de que exista. 56 g + 32 g = 88 g 70 g + 32 g = 88 g + 14 g (Fe sobrante) 56 g + 40 g = 88 g + 8 g (S sobrante) 28 g + 16 g = 44 g b) ¿Se cumple la ley de las proporciones constantes? ¿En qué proporción se hallan el hierro y el azufre en el sulfuro de hierro? Sí, se cumple la ley de las proporciones constantes, ya que la proporción en la que reaccionan el hierro y el azufre es constante y su valor es 1,75. 56 g de Fe 32 g de S

=

28 g de Fe 16 g de S

= 1,75

c) Calcula la masa de azufre necesaria para que reaccione completamente con 14 g de hierro. Para calcular la cantidad necesaria de combinación de las sustancias en una reacción, se usa la relación de proporcionalidad que existe entre la masa de hierro y la masa de azufre: masa de Fe masa de S

= 1,75 →

14 g de Fe masa de S

= 1,75 → masa de S =

14 g de Fe 1,75

=8g

d) ¿Qué masa de hierro reacciona exactamente con 4 g de azufre? masa de Fe 4 g de S

= 1,75 → masa de Fe = 7 g

e) ¿Qué sucede si hacemos reaccionar 14 g de hierro con 10 g de azufre? Sabemos que 14 g de hierro reaccionan exactamente con 8 g de azufre; por tanto, quedarán 2 g de azufre sin reaccionar. f) ¿Qué porcentaje de masa de azufre y de hierro hay en el sulfuro de hierro? % de Fe =

56 g 88 g

⋅100 = 63,64%

% de S =

32 g 88 g

⋅100 = 36,36%

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+

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EJERCICIO RESUELTO 4. Cuando el carbonato de calcio sólido, CaCO3, reacciona con el ácido clorhídrico, HCl, diluido, se obtienen cloruro de calcio, CaCl2, soluble, agua líquida y dióxido de carbono, que se desprende en forma de gas. Calcula la cantidad de cloruro de calcio que se obtiene cuando 50 g de carbonato de calcio reaccionan con la cantidad suficiente de ácido clorhídrico. Reactivos

Productos

1. Se identifican los reactivos y los productos. Carbonato de calcio: CaCO3

Cloruro de calcio: CaCl2; Agua: H2O Dióxido de carbono: CO2

Ácido clorhídrico: HCI

CaCO3 (s) + HCl (aq) → CaCl2 (aq) + H2O (l) + CO2 (g)

2. Se escribe la ecuación química, incluyendo, además de los símbolos y fórmulas, el estado físico de las sustancias. 3. Se ajusta o equilibra la ecuación.

CaCO3 (s) + 2 HCl (aq) → CaCl2 (aq) + H2O (l) + CO2 (g)

4. Se indica debajo de cada componente la cantidad de sustancia, en mol. Este número coincide con el que figura delante de cada símbolo o fórmula, si no aparece indicado, se trata de 1 mol.

CaCO3 (s) + 2 HCl (aq) → CaCl2 (aq) + H2O (l) + CO2 (g)

5. Se añade la masa atómica relativa de cada sustancia o su masa molecular relativa.

CaCO3 (s) + 2 HCl (aq) → CaCl2 (aq) + H2O (l) + CO2 (g)

6. Se escriben las masas de las sustancias, teniendo en cuenta las cantidades relativas que figuran en la ecuación.

CaCO3 (s) + 2 HCl (aq) → CaCl2 (aq) + H2O (l) + CO2 (g)

1 mol

2 mol

100

1 mol

36,5

111

2 ⋅ 36,5 = 73 g

100 g

7. Se establece la equivalencia entre las cantidades estequiométricas1 y los datos del enunciado.

1 mol

100 g de CaCO3 50 g de CaCO3

18

111 g

18 g

1 mol

44 44 g

111 g de CaCl2

=

x g de CaCl2

x = 55,5 g de CaCl2 8. Se calcula la cantidad de sustancia, en mol.

Con 50 g de CaCO3 se obtienen 55,5 g de CaCl2, que son: n=

m M

=

55,5 g 111 g/mol

= 0 ,5 mol

1

17

El calcio reacciona con el oxígeno del aire para dar óxido de calcio (cal viva): calcio + oxígeno → óxido de calcio Copia en tu cuaderno y calcula x, y, z aplicando la ley de conservación de la masa: Experimento

Masa de calcio (g)

Masa de oxígeno (g)

Masa de óxido de calcio (g)

1

8

3,2

z

2

4

y

5,6

3

x

0,8

2,8

a) Comprueba que estos datos cumplen la ley de las proporciones constantes. b) Calcula el porcentaje de calcio y oxígeno en el óxido de calcio. 18 17

Tenemos 3,07 g de magnesio que reaccionan exactamente con 2,02 g de oxígeno para formar óxido de magnesio. ¿Qué cantidad de óxido de magnesio se obtiene? Calcula el porcentaje de oxígeno y de magnesio en el óxido de magnesio. Solución: 5,09 g, 0,126 mol; % de Mg = 60,3 %; % de O = 39,7 %

cantidad estequiométrica: la que nos indica los coeficientes que se utilizan para ajustar una ecuación química.

Ideas claras ❚❚ Los cálculos estequiométricos en una reacción química son necesarios para obtener la cantidad de una sustancia que reacciona o la cantidad de sustancia obtenida.

6. Las reacciones químicas

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6 ❚❚ Para que se produzca una reacción se deben romper unos enlaces y formar otros. ❚❚ Para que se produzca una reacción, los átomos, los iones y las moléculas de los reactivos deben chocar con una orientación adecuada y con una energía suficiente.

6. REACCIONES RÁPIDAS Y LENTAS ¿Por qué crees que algunas sustancias reaccionan instantáneamente con solo ponerlas en contacto, y otras pueden permanecer en contacto indefinidamente sin que reaccionen de manera apreciable? Hemos visto que la energía de activación es la energía mínima necesaria para que reaccionen dos átomos, moléculas o iones que chocan con la orientación adecuada. Las reacciones con energía de activación pequeña se dan espontáneamente. Observa las siguientes fotografías en las que aparecen dos reacciones químicas:

La oxidación del hierro para dar óxido de hierro es un proceso lento.

El zumo de limón reacciona muy rápidamente con el bicarbonato de sodio.

Para determinar si una reacción química es rápida o lenta debemos saber cuál es su velocidad. Para ello, se mide: ❚❚ ❚La cantidad de uno de los reactivos que desaparece en un tiempo determinado. Por ejemplo, la cantidad de hierro que desaparece en una reacción de oxidación en cierto tiempo. ❚❚ ❚La cantidad de uno de los productos que aparece en un tiempo determinado. Por ejemplo, la cantidad de óxido de hierro que aparece en cierto tiempo. La velocidad de reacción es la cantidad de sustancia que se obtiene o que desaparece en la unidad de tiempo. ¿Cómo podemos medir esa velocidad?

6.1. Medida de la velocidad de una reacción Vamos a medir la velocidad de la reacción que tiene lugar entre el magnesio y el ácido clorhídrico. La ecuación ajustada de esta reacción es: Mg (s) + 2 HCl (aq) → MgCl2 (s) + H2 (g) Para ello podemos medir: ❚❚ La cantidad de magnesio que desaparece por minuto. ❚❚ La cantidad de ácido clorhídrico que desaparece por minuto. ❚❚ ❚La cantidad de cloruro de magnesio que aparece por minuto. ❚❚ ❚La cantidad de hidrógeno que aparece por minuto. ¿Cuál crees que sería la medida más sencilla de observar para medir la velocidad de esta reacción?

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La cantidad de hidrógeno gaseoso que se obtiene es la sustancia más fácil de medir. Por tanto, para medir la velocidad de esta reacción utilizaremos un dispositivo como el del dibujo, en el que las cintas de magnesio están en el fondo del matraz erlenmeyer y el ácido clorhídrico en el tubo de ensayo que hay en su interior. 1.

2. Émbolo

HCl diluido en el tubo de ensayo

Hidrógeno gaseoso

Tiras de magnesio en el fondo del matraz erlenmeyer

Inclinamos el erlenmeyer de manera que los dos reactivos entren en contacto y, en ese momento, ponemos en funcionamiento el cronómetro. Observamos que el hidrógeno que se produce comienza a burbujear y, a medida que llega al tubo lateral, el émbolo de la jeringuilla se desplaza, lo que nos permite medir el hidrógeno recogido cada cierto intervalo de tiempo. Los datos que hemos obtenido son los siguientes: Tiempo (min) 3

Volumen de hidrógeno (cm )

0

1

2

3

4

5

6

0

14

25

33

38

40

40

Representación gráfica de los datos de la tabla

Si analizamos estos resultados, observamos que la velocidad de la reacción no es constante, sino que varía en el transcurso de la misma:

VH2 (cm3) 40

❚❚ Es muy rápida en el primer minuto, pero disminuye a medida que la reacción tiene lugar.

30

❚❚ A los cinco minutos no se produce más hidrógeno y la reacción ha finalizado.

20

❚ Por tanto, la velocidad media de esta reacción es:

10

velocidad media =

volumen de H2 tiempo total

=

3

40 cm

5 min

= 8 cm3 de H2 por minuto

t (min) 0

2

4

6

Volumen de hidrógeno obtenido en función del tiempo.

20 17

Clasifica en lentas y rápidas las reacciones siguientes: a) La combustión del gas en una cocina.

19 Haz un estudio cualitativo de la gráfica obtenida.

b) La maduración de la fruta. c) La combustión de una bengala. d) La cocción de un huevo. 21 17

Responde a las siguientes cuestiones utilizando la gráfica de la reacción del magnesio con el ácido clorhídrico: a) ¿Qué volumen de hidrógeno se ha obtenido a los 2,5 min? b) ¿Y a los 3,5 min? c) ¿Qué tiempo tiene que transcurrir para obtener 20 cm3 de hidrógeno? d) ¿Y para obtener 30 cm3? e) Calcula la velocidad de esta reacción en el primer minuto, en el segundo minuto y en el tercer minuto.

Ideas claras ❚❚ La velocidad de reacción es la cantidad de sustancia formada o transformada en la unidad de tiempo, según se utilice para medirla un producto o un reactivo, respectivamente.

6. Las reacciones químicas

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6 ❚❚ Para aumentar la concentración de un gas es necesario aumentar su presión. ❚❚ La concentración de una disolución se modifica variando la proporción entre el soluto y el disolvente.

VH2 (cm3) 40

6.2. Factores que influyen en la velocidad de reacción La velocidad de una reacción química puede modificarse a causa de una serie de factores, que hacen que las colisiones entre las partículas de los reactivos sean más o menos eficaces. 6.2.1. Influencia de la concentración de los reactivos

Si repetimos la experiencia descrita anteriormente manteniendo constante la masa de la cinta de magnesio, pero aumentando la concentración del ácido clorhídrico, obtenemos una nueva gráfica de la velocidad de reacción cuya pendiente es más elevada, es decir, la reacción ha sido más rápida. La velocidad de una reacción se incrementa cuando aumenta la concentración de los reactivos. Por este motivo, una lejía concentrada decolora un tejido más rápidamente que una lejía diluida.

30 20

❚❚ Justificación mediante la teoría de las colisiones La velocidad aumenta al incrementarse la concentración de los reactivos porque hay mayor número de choques eficaces entre sus partículas.

10 0

2

4

6 t (min)

Gráfica obtenida al aumentar la concentración del HCl.

22 Compara esta gráfica con la de la página anterior. ¿Qué tiempo se necesita para obtener 40 cm3 de hidrógeno cuando la disolución de ácido es diluida? ¿Y cuando es concentrada?

Baja concentración de los reactivos

Alta concentración de los reactivos

Existen pocos choques eficaces.

Aumentan los choques eficaces.

Por tanto, la velocidad de reacción es baja.

Por tanto, la velocidad de reacción es alta.

¿Qué crees que sucede si pulverizamos uno o más reactivos? 6.2.2. Influencia de la superficie de contacto de los reactivos

Si en vez de utilizar una cinta de magnesio empleamos la misma cantidad de magnesio en polvo, observaremos que la reacción es mucho más rápida que en cualquiera de las dos experiencias anteriores. La velocidad de la reacción se incrementa al aumentar la superficie de contacto entre los reactivos. Esta es la razón de que la carne picada se pudra más rápidamente que un trozo de carne de la misma masa. ❚❚ Justificación mediante la teoría de las colisiones La velocidad es mayor cuanto más divididos están los reactivos, porque aumenta la posibilidad de que sus partículas choquen entre sí y, por tanto, aumenta el número de choques eficaces. Menor superficie expuesta

Mayor superficie expuesta

Las moléculas de ácido solo pueden chocar contra los átomos de la capa más externa de la cinta de magnesio.

Las moléculas de ácido pueden chocar contra muchos más átomos del magnesio que está pulverizado.

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6.2.3. Influencia de la temperatura de los reactivos

Si repetimos la reacción entre el magnesio y el ácido clorhídrico diluido, pero en esta ocasión aumentamos 10 ºC la temperatura de los reactivos, observamos que la velocidad media de la reacción prácticamente se duplica, ya que se tardan 2,5 min en obtener 40 cm3 de hidrógeno. La velocidad de la reacción, generalmente, se incrementa al aumentar la temperatura. Por ello, la baja temperatura a la que se encuentra el interior de un frigorífico hace que la velocidad de descomposición de los alimentos disminuya. ❚❚ Justificación mediante la teoría de las colisiones La velocidad de una reacción se incrementa al elevar la temperatura de los reactivos porque, de acuerdo con la teoría cinética de la materia, un aumento de la temperatura implica un aumento de la velocidad de las partículas, y esto provoca que los choques entre ellas sean más eficaces. Baja temperatura

Alta temperatura

Las partículas se mueven a poca velocidad y el número de choques entre ellas es bajo, por lo que la posibilidad de que reaccionen es también baja.

Las partículas se mueven a gran velocidad y el número de choques entre ellas es elevado, por lo que la posibilidad de que reaccionen es también muy alta.

6.2.4. Influencia de la presencia de catalizadores

Los catalizadores son sustancias distintas de los reactivos y de los productos que modifican la velocidad de una reacción, acelerándola o retardándola. Al finalizar esta, los catalizadores se recuperan inalterados. Las levaduras actúan como catalizadores en la fabricación del pan, las enzimas catalizan las reacciones que tienen lugar en nuestro cuerpo, el catalizador de los vehículos impide que estos emitan gases perjudiciales a la atmósfera, etc. ❚❚ Justificación mediante la teoría de las colisiones Ciertos catalizadores pueden formar un complejo activado con una energía de activación menor, de manera que un mayor número de partículas de los reactivos puedan superarla; en este caso aumenta la velocidad de la reacción. Otros forman un complejo activado que tiene una energía de activación mayor, lo que disminuye la velocidad de la reacción. Sabiendo que la curva 2 representa la energía de activación de una reacción sin catalizador: a) ¿A qué curva le corresponde una menor velocidad de reacción? ¿Por qué? b) ¿Cómo influye el complejo activado en las curvas 1 y 3?

25 ¿Por qué en el envase de los alimentos precocinados se recomienda que se conserven entre 0 ºC y 5 ºC? 26 El agua oxigenada se descompone rápidamente en agua y oxígeno cuando se le agrega una pequeña cantidad de dióxido de manganeso, que no se altera durante la reacción y se recupera totalmente al finalizar la misma. ¿Cómo se comporta el dióxido de manganeso en esta reacción?

1 2

Ideas claras

3

Energía

23 17

24 ¿Por qué un tronco de madera arde con más dificultad que la misma madera en astillas?

catalizador catalizador

+

+

reactivos

productos

Sentido de la reacción

c) ¿Por qué el catalizador aparece tanto en los reactivos como en los productos?

❚❚ La velocidad de una reacción se incrementa cuando se aumenta la concentración de los reactivos, su grado de división y la temperatura. ❚❚ Los catalizadores pueden acelerar o retardar una reacción química.

6. Las reacciones químicas

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6 ❚❚ Las sustancias se forman debido a distintos procesos químicos.

7. IMPORTANCIA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS ¿Crees que las reacciones químicas solo tienen lugar en los laboratorios? En nuestro entorno se producen en cualquier momento centenares de reacciones químicas. Muchas suceden en la naturaleza sin la intervención del ser humano: la fotosíntesis, la corrosión de los metales, la respiración de los seres vivos, la descomposición de los alimentos, el reciclado natural de las sustancias… Los científicos han estudiado el comportamiento de las reacciones y han fabricado en los laboratorios nuevas sustancias, sustancias sintéticas, que no existían en la naturaleza, y que son semejantes a las naturales. Por otro lado, muchas sustancias naturales, como los metales, no suelen encontrarse libres en la naturaleza, sino en forma de óxidos, sulfuros y carbonatos. Solo mediante reacciones químicas conseguimos obtener metales como el hierro, el aluminio, el cobre… En los últimos doscientos años, el estudio de las reacciones químicas ha contribuido a mejorar nuestra calidad de vida y, en consecuencia, la esperanza de vida ha aumentado significativamente. La fabricación de los medicamentos, los fertilizantes, los desinfectantes, etc., son ejemplos de procesos químicos que han beneficiado a la humanidad. Pero no todo son beneficios: muchos de estos procesos de fabricación de nuevas sustancias, su transporte, o el desplazamiento de los seres humanos, conllevan reacciones de combustión de combustibles fósiles que han aumentado considerablemente las emisiones de dióxido de carbono y provocado problemas medioambientales a nivel global. Asimismo, el uso de sustancias sintéticas, como los CFC, o los vertidos incontrolados de desechos no reciclables, también han deteriorado gravemente la naturaleza. Si bien es posible encontrar solución a muchos de estos problemas recurriendo a nuevos procedimientos químicos, siempre será necesaria la voluntad de los seres humanos para poder resolverlos.

7.1. Reacciones de oxidación-reducción ¿Qué reacciones químicas crees tú que permiten obtener los metales libres? Una reacción de reducción es cualquier proceso en el que un compuesto pierde oxígeno. Para reducir el óxido de hierro, le hacemos reaccionar con carbono o con monóxido de carbono: FeO (s) + C (s) → CO (g) + Fe (s) FeO (s) + CO (g) → CO2 (g) + Fe (s) En estas reacciones, el óxido de hierro se ha reducido porque ha perdido oxígeno; sin embargo, el carbono o el monóxido de carbono se han oxidado porque han ganado oxígeno. En los altos hornos, estas reacciones permiten obtener hierro a partir de sus óxidos. ¿Existe la reacción contraria a la reducción? Una reacción de oxidación es cualquier proceso en el que un elemento o un compuesto gana oxígeno. Hemos visto que la oxidación del hierro es una reacción que tiene lugar en la naturaleza cuando lo dejamos a la intemperie durante un tiempo. Veamos cómo se produce químicamente. Busca a tu alrededor objetos que se hayan oxidado y explica en cada caso por qué ha ocurrido. 27

Muchos metales se oxidan en contacto con el oxígeno para dar óxidos metálicos. Así, el hierro puede dar lugar a dos formas oxidadas: el monóxido de hierro y el trióxido de dihierro: 2 Fe (s) + O2 (g) → 2 FeO (s) 4 Fe (s) + 3 O2 (g) → 2 Fe2O3 (s)

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7.1.1. ¿Qué repercusión tienen en la industria?

Las reacciones de reducción son muy importantes en la industria, ya que muchos elementos metálicos se encuentran en la naturaleza en forma de óxidos que se transforman en metales libres al ser reducidos. Óxido metálico

Reducción

Metal libre

Algunas de las reacciones de oxidación más frecuentes en la vida diaria son: Corrosión

Es la oxidación del hierro y el acero por el contacto con el aire húmedo. La corrosión destruye los componentes metálicos y ocasiona un coste económico muy elevado. Para preservar los objetos de hierro y evitar su oxidación se utilizan diversos recubrimientos y productos.

Enranciamiento

Los alimentos que contienen grasas, aceites o alcohol se oxidan y adquieren un sabor desagradable. Para garantizar su conservación se añaden agentes antioxidantes, que en muchos casos son sustancias que actúan como catalizadores negativos de las reacciones de oxidación, disminuyendo su velocidad.

28 17

Nombra cinco sustancias sintéticas frecuentes en la vida diaria y cinco sustancias naturales que sean habituales en nuestro entorno. ¿Qué aplicaciones tienen? ¿Para qué se utilizan? ¿Qué productos se pueden fabricar con estas sustancias?

29 17

Completa en tu cuaderno la siguiente frase: «Una reacción de _ es cualquier proceso en el que un elemento o un compuesto gana oxígeno, y una reacción de _ es cualquier proceso en el que un compuesto pierde oxígeno.»

30 17

Identifica los reactivos y los productos en las reacciones de oxidación del hierro y en las de reducción del monóxido de hierro.

31 17

Ajusta las siguientes ecuaciones químicas y clasifícalas en reacciones de oxidación o de reducción: a) Cu + O2 → CuO b) CuO + H2 → Cu + H2O c) PbO2 + C → Pb + CO2 d) Zn + O2 → ZnO e) Sn + O2 → SnO2 f) WO3 + H2 → W + H2O g) SnO2 + C → Sn + CO

32 17

Busca a tu alrededor e identifica materiales corroídos o que puedan sufrir corrosión. Nombra sustancias que se puedan enranciar.

Ideas claras ❚❚ En una reacción de reducción un compuesto pierde oxígeno. ❚❚ En una reacción de oxidación un elemento o compuesto gana oxígeno.

6. Las reacciones químicas

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6 7.2. Reacciones de combustión ¿Qué sucede cuando el oxígeno reacciona con sustancias como los combustibles? Cuando se quema madera, carbón, gasolina, gas natural o cualquier tipo de combustible se desprende energía en forma de calor y luz (fuego) y, en ocasiones, de sonido. Esta reacción química recibe el nombre de combustión. El ser humano utiliza las reacciones de combustión como fuente de obtención de energía. La combustión es la reacción de oxidación entre un combustible y el oxígeno del aire. ¿Qué elementos están presentes en la combustión del carbón y la madera? 33 34

Una reacción de combustión necesita un aporte de energía para iniciarse: una llama, una chispa eléctrica, etc., pero, una vez iniciada, continúa por sí sola. 7.2.1. La combustión del carbono

Cuando el carbono reacciona con suficiente oxígeno, el producto de la reacción es dióxido de carbono y se desprende energía en forma de luz y calor:

+

+ CO2

O2

C

Energía

Si el carbono reacciona con poco oxígeno, el producto de la reacción es monóxido de carbono, que es un gas venenoso: 2 C + O2 → 2 CO 7.2.2. La combustión de sustancias con carbono e hidrógeno

Cuando las sustancias que contienen átomos de carbono e hidrógeno (sustancias orgánicas) reaccionan con el oxígeno, los productos de la combustión son dióxido de carbono y vapor de agua. O2

+

O2

CH4

H2O

+

H2O

CO2

+

Energía

7.2.3. La combustión de la glucosa en el cuerpo humano Es la reacción que conocemos como respiración y que aporta energía a nuestro cuerpo. Durante la digestión, los alimentos se disocian en sustancias más simples, como la glucosa, que reacciona con el oxígeno presente en las células.

C6H12O6

35 17

34 Busca en etiquetas de alimentos como esta e indica la energía que aportan los diferentes nutrientes fijándote especialmente en los hidratos de carbono.

+ Energía

+

+ 6 O2

6 CO2

6 H2O

La fotosíntesis se puede considerar como la reacción inversa a la respiración. Se trata de un proceso de producción de materia orgánica (compuesta de carbono, hidrógeno y oxígeno) que se realiza en los cloroplastos de las plantas. La ecuación química, sin ajustar, de esta reacción es: CO2 + H2O + energía luminosa → C6H12O6 + O2 a) Identifica los reactivos y los productos e indica su estado físico. b) Ajusta la ecuación química. c) Investiga si la fotosíntesis puede tener lugar en ausencia de luz.

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+

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7.3. Reacciones de neutralización ¿Qué puede suceder si mezclamos una sustancia ácida y una básica? Cuando un ácido reacciona con una base se obtienen una sal y agua. Esta reacción recibe el nombre de neutralización, porque el ácido y la base dejan de serlo (se neutralizan) cuando reaccionan entre sí. La ecuación química general de estas reacciones es: ácido + base → sal + agua En la fotografía puedes observar el montaje experimental de una neutralización: antes de empezar la reacción, el erlenmeyer contiene una disolución de hidróxido de sodio, NaOH, a la que se ha añadido un indicador ácido-base (fenolftaleína) que tiñe la disolución de rosa (el pHmetro marca 8,5), y en la bureta hay una disolución de ácido clorhídrico, HCl. Añadimos lentamente el HCl a la disolución de NaOH hasta que el color rosa desaparece y la disolución queda incolora (el pHmetro marca 6,9). En este instante, la disolución tiene carácter neutro, porque se ha producido una reacción de neutralización entre el ácido y la base.

pH = 6.9

Montaje para observar una reacción de neutralización.

La ecuación química de esta reacción es: HCl + NaOH → NaCl + H2O Un ejemplo de ello son los jabones que son el producto de la neutralización de un ácido graso, que puede ser un aceite animal o vegetal, con hidróxido de sodio o de potasio.

H 2O Cl

–

Na+

7.4. Reacciones de polimerización ¿Qué tienen en común materiales como la lana, el algodón, el nailon o la lycra? Los polímeros naturales, como la lana, la seda, la celulosa, etc., se han utilizado desde la antigüedad. A finales del siglo XIX empezaron a obtenerse los primeros polímeros artificiales, que hoy encontramos en una gran variedad de materiales: plásticos, fibras sintéticas, resinas, etc. Todos los polímeros, naturales y sintéticos, están constituidos por moléculas de gran longitud formadas por la unión de moléculas más sencillas, llamadas monómeros, de forma similar a como están unidos los eslabones en una cadena. Los monómeros suelen estar constituidos por átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y, en ocasiones, nitrógeno y azufre.

Monómero

M

+

M

M

+

M

M

M

+

M

M

M

M

M

M

M

M

M

+

M

M

M

M

M

M

M

M

M

M

Una reacción de polimerización es el proceso por el que los monómeros se unen entre sí para formar un polímero. n (monómero)

Polimerización

36 ¿Cómo podríamos obtener cloruro de sodio sólido a partir de una disolución de NaCl en agua?

M

M

M

Al finalizar la reacción de neutralización del HCl y el NaOH, el cloro y el sodio permanecen disueltos en forma de iones.

(monómero)n

37 17

¿Crees que será muy difícil ajustar una reacción de polimerización?

38 17

¿Cuántos nombres de fibras artificiales conoces? Busca información sobre ellas y las aplicaciones que tienen.

39 17

La celulosa es un polímero natural. ¿Qué materiales naturales están formados por celulosa?

Ideas claras ❚❚ La combustión es la reacción de oxidación entre un combustible y el oxígeno del aire. ❚❚ Una reacción de neutralización es la que tiene lugar entre un ácido y una base para dar lugar a la formación de una sal y agua. ❚❚ La polimerización es el proceso por el cual se unen monómeros para formar polímeros, moléculas muy grandes.

6. Las reacciones químicas

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6 ❚❚ En las reacciones químicas se forman y/o se desprenden sustancias que pueden ser beneficiosas o perjudiciales tanto para el ser humano como para el medio ambiente.

8. REACCIONES QUÍMICAS Y MEDIO AMBIENTE Algunas reacciones químicas, ya sea de forma directa o indirecta, repercuten en el medio ambiente y pueden afectar a nuestra calidad de vida y a la de generaciones futuras.

8.1. El aumento del efecto invernadero Aumento de la radiación reflejada hacia la Tierra

El efecto invernadero 3. Una parte de la radiación procedente de la Tierra es reflejada por los gases de la atmósfera y devuelta de nuevo a la Tierra.

Radiación devuelta hacia el exterior

2. La Tierra devuelve esta radiación al exterior en forma de calor.

Una de las consecuencias de esto ha sido el aumento de la radiación solar que la atmósfera refleja de nuevo hacia la Tierra.

3

Este fenómeno es el que conocemos como aumento del efecto invernadero de la atmósfera.

2 1

1. La atmósfera es prácticamente transparente a la radiación solar.

La Tierra se comporta como un invernadero que mantiene el calor en su interior. Si no existiera el efecto invernadero, la temperatura media de nuestro planeta sería unos 30 ºC inferior a la actual. 40 ¿Crees que habría vida en la Tierra si no existiera el efecto invernadero?

Durante las últimas décadas hemos incrementado las reacciones de combustión de los combustibles fósiles para obtener energía. Debido a ello se han emitido a la atmósfera cantidades considerables de CO2.

Otros gases que incrementan el efecto invernadero

Origen antropogénico

Metano, CH4

Basureros, tratamiento de desechos, ganadería de rumiantes, combustión de biomasa.

Óxidos de nitrógeno

Combustión de combustibles fósiles, fábricas de fertilizantes, tratamiento de residuos animales.

Clorofluorocarbonos, CFC

Líquidos refrigerantes, propelentes, aerosoles y agentes extintores.

8.1.1. El cambio climático

En los próximos cien años, el incremento del efecto invernadero puede provocar un aumento de la temperatura media de la Tierra estimado en unos 2 ºC a 6 ºC. Es lo que se conoce como cambio climático o calentamiento global, y se trata de un fenómeno que afecta a toda la Tierra. Algunas de las consecuencias del cambio climático son las siguientes: ❚❚ Aumento del nivel del mar al fundirse el hielo del Ártico y de los glaciares. ❚❚ Aumento de la temperatura promedio de la superficie terrestre. ❚❚ Incremento de los fenómenos meteorológicos extremos: sequía, lluvias torrenciales… ❚❚ Aumento de la temperatura oceánica. ❚❚ Disminución de la extensión de nieves y hielos. ❚❚ Cambio en los patrones de precipitación. La sequia afecta cada vez más territorio y, al mismo tiempo, en los humedales se producen inundaciones. ❚❚ Acidificación oceánica. ❚❚ Alteración de los ecosistemas por cese de migración de algunas especies o por desplazamiento masivo de otras. 8.1.2. Responsabilidad ciudadana

Dado que la causa del problema es la emisión de unos gases que proceden, principalmente, de la combustión de los combustibles fósiles, todas las medidas encaminadas a reducir esta emisión, ya sea directa (mediante el uso racional del transporte y de la calefacción) o indirectamente (disminuyendo el consumo de electricidad o evitando la deforestación), contribuirán a paliar un problema que ya tiene carácter global.

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8.2. Disminución del ozono estratosférico La capa de ozono es una zona muy delgada de la estratosfera situada a unos 25 km por encima de la superficie terrestre. Contiene el 90 % del ozono atmosférico (O3). Esta sustancia actúa como un filtro que absorbe los rayos ultravioletas procedentes del sol, muy perjudiciales para los seres vivos. Hablamos de disminución del ozono estratosférico o de agujero en la capa de ozono cuando la concentración de ozono en esa zona es inferior a lo que se considera normal. Este fenómeno se observa durante la primavera en las regiones polares ártica y antártica. Según Mario Molina, premio nobel de química en 1995, la causa de la destrucción del ozono estratosférico es antropogénica. Para este científico, los CFC contenidos en los aerosoles y en otros productos escapan a la atmósfera y alcanzan la estratosfera. Una vez allí, la acción de la radiación ultravioleta procedente del sol hace que estos gases se disocien para dar dos átomos de cloro, muy reactivos, que provocan la destrucción del ozono estratosférico. Consecuencias

Prevención

❚❚ Incremento del número de casos de cáncer de piel. ❚❚ Destrucción de cultivos y vegetación. ❚❚ Disminución de la vida en los océanos.

❚❚ Eliminar el uso de los CFC. ❚❚ Utilizar un factor de protección solar elevado para evitar el cáncer de piel.

8.3. La lluvia ácida Se denomina lluvia ácida a las precipitaciones en forma de lluvia, nieve o niebla que tienen un pH inferior a 5,6. Se produce cuando la humedad del aire se combina con los óxidos de nitrógeno y azufre gaseosos emitidos a la atmósfera por las centrales térmicas, los vehículos, las fábricas y las calefacciones, que queman combustibles fósiles y originan sustancias ácidas.

radiación ultravioleta

flúor

CFC con dos átomos de cloro

carbono cloro CFC con tres átomos de cloro

O3

átomo de cloro monóxido de cloro

se libera oxígeno

O2

Mecanismo de acción de los gases CFC sobre el ozono. Se calcula que por cada átomo de cloro se destruyen unas 100 000 moléculas de ozono.

41 Busca información e imágenes sobre la reducción de la capa de ozono en los últimos años. Compara estas imágenes en las dos últimas décadas.

8.3.1. Reacciones químicas responsables de la lluvia ácida

Las siguientes reacciones químicas tienen lugar en la atmósfera y generan sustancias ácidas que resultan muy dañinas para el medio ambiente: SO2 + H2O → H2SO3 SO3 + H2O → H2SO4 N2O3 + H2O → 2 HNO2 N2O5 + H2O → 2 HNO3 Consecuencias ❚❚ La acidez de la lluvia destruye bosques y cosechas. ❚❚ Aumenta la acidez del agua de los ríos y lagos, lo que perjudica la vida acuática. ❚❚ Destruye la piedra caliza de los monumentos históricos.

Prevención ❚❚ Reducir las emisiones a la atmósfera de óxidos de nitrógeno y azufre. ❚❚ Evitar la combustión de combustibles fósiles.

42 17

Identifica los reactivos y los productos de las reacciones cuyas ecuaciones químicas aparecen en este apartado.

43 44 17

Identifica los agentes causantes del incremento del efecto invernadero, la disminución del ozono estratosférico y la lluvia ácida.

44 17

Explica en qué consiste el efecto invernadero y en qué medida se ve afectado por la presencia en la atmósfera de ciertos gases, como el metano, los óxidos de nitrógeno y los CFC. ❚❚ ¿Qué otro problema medioambiental origina la presencia de los CFC en la estratosfera?

Ideas claras ❚❚ El aumento de las reacciones de combustión de combustibles fósiles, ha elevado las emisiones de CO2 a la atmósfera e incrementado el efecto invernadero, causando el sobrecalentamiento del planeta. ❚❚ La disminución de la capa de ozono es debida a la presencia de gases CFC. ❚❚ La lluvia ácida son precipitaciones que tienen un pH inferior a 5,6.

6. Las reacciones químicas

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6

EJERCICIOS, ACTIVIDADES Y TAREAS ¿Cómo se produce una reacción química? 1

b) ¿En cuál de los dos casos se ha dado una colisión efectiva? ¿Cuál ha sido el motivo de que la otra colisión no haya sido efectiva?

Indica cuáles de los siguientes procesos son transformaciones físicas y cuáles químicas:

c) ¿Se ha producido ruptura de enlaces en la colisión efectiva?

a) La electrolisis del agua que la descompone en hidrógeno y oxígeno.

d) ¿Se han formado nuevos enlaces tras la colisión efectiva? ¿Cuáles?

b) La congelación del agua. c) El calentamiento del azúcar hasta que se forma caramelo o se descompone en un sólido negro. d) La separación de una mezcla de aceite y agua mediante un embudo de decantación.

Ajuste de ecuaciones químicas 5

¿Por qué no podemos ajustar una ecuación química modificando los subíndices que aparecen en las fórmulas de los reactivos y los productos?

6

Cuando el óxido de cobre(II) se calienta con carbono se obtienen cobre y dióxido de carbono. La ecuación química no ajustada de esta reacción es:

e) La separación de una mezcla de limaduras de hierro y arena con un imán. f) La cocción de un trozo de carne. g) La evaporación del agua cuando ponemos a secar la ropa lavada. h) La digestión de los alimentos en el aparato digestivo. 2

Indica cuáles de estos enunciados son verdaderos y escribe de forma correcta los falsos: a) La teoría de colisiones explica el mecanismo de las reacciones químicas. b) Para que los choques sean efectivos basta con que las partículas de los reactivos choquen con la velocidad y la energía suficientes.

3

7

Cuando se hace pasar por un tubo de acero caliente, el amoníaco se descompone en los dos elementos que lo forman: hidrógeno y nitrógeno. Escribe la ecuación química de esta reacción y ajústala.

8

Equilibra las siguientes ecuaciones químicas:

c) El complejo activado es una distribución de enlaces intermedia.

a) estaño + oxígeno → óxido de estaño(II) Sn (s) + O2 (g) → SnO (s)

d) La energía de activación es la máxima energía necesaria para que reaccionen dos partículas de los reactivos con la orientación conveniente.

b) azufre + mercurio → sulfuro de mercurio(II) S (s) + Hg (l) → HgS (aq) c) hierro + cloro → cloruro de hierro(III) Fe (s) + Cl2 (g) → FeCl3 (s)

Completa el texto con los siguientes términos: choques, eficaz, energía de activación, rebotan, complejo activado, reactivos, productos (un mismo término puede utilizarse varias veces). «Para que haya una reacción química, es necesario que las partículas de las sustancias que reaccionan choquen unas con otras. Pero no todos los _ entre las partículas que reaccionan dan lugar a un cambio químico. Las hay que, tras la colisión, _ sin transformarse. Para que el choque sea _ y haya cambio químico, es necesario que las partículas de los _ posean una energía superior a las de los _, que solo chocan y _. Esta energía se denomina _. En ese momento se forma el _, que es un estado de transición entre el estado inicial de los _ y el estado final de los _.»

4

CuO (s) + C (s) → Cu (s) + CO2 (g) Ajusta esta ecuación química.

d) carbono + dióxido de carbono → monóxido de carbono C (s) + CO2 (g) → CO (g) e) aluminio + oxígeno → óxido de aluminio Al (s) + O2 (g) → Al2O3 (s) f) teluro + agua → óxido de teluro(II) + hidrógeno Te (s) + H2O (l) → TeO (aq) + H2 (g) g) cloruro de paladio(II) + ácido nítrico → nitrato de paladio(II) + ácido clorhídrico PdCl2 (aq) + HNO3 (aq) → Pd(NO3)2 (s) + HCl (aq) 9

Justifica si estas reacciones químicas están o no ajustadas y ajusta las que no lo estén:

Observa las siguientes reacciones:

a) Fe + O2 → Fe2O3

e) 2 H2O2 → H2O + O2

b) S + O2 → SO2

f) Ca + O2 → CaO

1

c) FeS + HCl → FeCl2 + H2S

g) C + FeO → CO + Fe

NO2

Aproximación de moléculas

+

NO2

2

NO2

Separación de moléculas

Colisión

Aproximación de moléculas

+

NO2

NO2

d) Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2

+

NO2

Formación de enlace

Colisión

¿Se conserva la masa en una reacción química? 10

N2O4

a) Explica las diferencias que aprecias entre las situaciones 1 y 2.

El cloro reacciona con el sodio para dar cloruro de sodio. De acuerdo con la ley de conservación de la masa, completa esta igualdad: masa de cloro + masa de sodio = masa de _ ¿Qué masa de cloruro de sodio obtenemos si 1 g de sodio se combina exactamente con 1,54 g de cloro?

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11

Al calentar 54,15 g de óxido de mercurio, HgO, en un recipiente abierto, obtenemos 50,15 g de mercurio líquido. ¿Qué puede haber sucedido?

19

Si calentamos azufre y limaduras de hierro se obtiene sulfuro de hierro. Completa los datos de esta tabla y averigua el porcentaje de azufre y de hierro en el sulfuro de hierro (masa en gramos).

a) No se cumple la ley de conservación de la masa. b) Hemos cometido un error al medir la masa antes y después de la reacción. c) Se han desprendido 4 g de una sustancia gaseosa. 12

13

14

Experiencia

Masa de hierro

Masa de azufre

Masa de sulfuro de hierro

Masa de hierro sobrante

Masa de azufre sobrante

1

2,8

1,6

4,4

0

0

2

3,0

1,6

4,4

3

2,8

2

4,4

4

1,4

0,8

0

0

En la combustión de 10 kg de madera se han consumido 2 kg de oxígeno y hemos obtenido un residuo de 200 g de ceniza. ¿Qué masa tienen los gases que se han desprendido en forma de humo? Si se calienta una chapa de estaño se forma óxido de estaño, SnO, y la masa de la chapa aumenta. ¿Se cumple la ley de la conservación de la masa? ¿Qué crees que ha sucedido?

Solución: 63,64 % de hierro y 36,36 % de azufre 20

El carbonato de calcio se descompone, al calentarlo a temperaturas elevadas, en óxido de calcio, CaO, y dióxido de carbono. La ecuación química de esta reacción es:

a) La masa de cloro que ha reaccionado. b) La relación entre las masas de Fe y Cl que reaccionan.

CaCO3 → CaO + CO2

c) La masa de cloro necesaria para reaccionar completamente con 1,5 g de hierro pulverizado.

Si calentamos 160 kg de CaCO3 obtenemos 89,6 kg de CaO. ¿Qué cantidad de CO2 se produce? 15

En una reacción de aluminio con oxígeno para dar óxido de aluminio reaccionan completamente 108 g de aluminio con la cantidad necesaria de oxígeno para dar 204 g de óxido de aluminio. Escribe la ecuación ajustada de la reacción.

Solución: b) 0,525; c) 2,857 g de cloro 21

16

b) El porcentaje de oxígeno y de cinc que hay en el ZnO. Solución: b) 19,65 % de oxígeno y 80,35 % de cinc 22

a) ¿Qué cantidad de CaO queda como producto de la reacción?

Justifica si es verdadera o falsa esta afirmación:

Sabemos que 2 g de sodio se combinan exactamente con 3,08 g de cloro para dar cloruro de sodio:

b) ¿Qué cantidad de CaO se obtiene si se calientan 160 kg de CaCO3? Solución: a) 44,8 kg; 800 mol; b) 89,6 kg; 1 600 mol 23

Na (s) + Cl2 (g) → 2 NaCl

¿Qué cantidad de agua ha sido necesaria para llevar a cabo esta reacción? Solución: 12,8 kg; 711,1 mol

b) ¿Qué sucede si hacemos reaccionar 3,08 g de cloro con 2,25 g de sodio? Solución: c) 39,4 % de sodio y 60,6 % de cloro 18

Se comprueba de forma experimental que 3,2 g de azufre reaccionan totalmente con 20 g de mercurio para dar sulfuro de mercurio. Calcula: a) La cantidad de sulfuro de mercurio obtenido. b) La masa de azufre necesaria para reaccionar completamente con 5 g de mercurio.

Se añade agua a 40 kg de óxido de calcio (cal viva) hasta obtener 52,8 kg de hidróxido de calcio (cal apagada). La ecuación ajustada de la reacción es: CaO (s) + H2O (l) → Ca(OH)2 (aq)

a) ¿Qué masa de cloruro de sodio se obtiene?

c) Calcula el porcentaje de cloro y de sodio en el NaCl.

Si calentamos 80 kg de CaCO3 se obtienen 35,20 kg de CO2, según la siguiente ecuación: CaCO3 (s) → CO2 (g) + CaO (s)

«Si se hacen reaccionar 2,8 g de hierro con 1,6 g de azufre, se obtienen 4,4 g de sulfuro de hierro, y si se desean obtener 6 g de sulfuro de hierro, habrá que hacer reaccionar 3,5 g de hierro con 2,5 g de azufre.» 17

Cuando se queman en el aire 1,010 g de cinc se obtienen 1,257 g de óxido de cinc. Calcula: a) La masa de oxígeno que ha reaccionado con el cinc.

❚❚ ¿Qué masa de oxígeno es necesaria para oxidar todo el aluminio?

¿En qué proporción reaccionan entre sí las sustancias?

Al calentar 0,500 g de Fe pulverizado al paso de una corriente de Cl2 gaseoso, se obtienen 1,452 g de FeCl2. Calcula:

Reacciones rápidas y lentas 24

Al añadir un trozo de carbonato de calcio (mármol) a un vaso con ácido clorhídrico, el carbonato va desapareciendo, al tiempo que se desprenden burbujas de dióxido de carbono. Cuando el CaCO3 se ha consumido por completo, cesa el desprendimiento de gas y la reacción finaliza. La ecuación química es: CaCO3 (s) + HCl (aq) → CaCl2 (aq) + CO2 (g) + H2O (aq)

c) La masa de mercurio necesaria para reaccionar completamente con 10 g de azufre.

a) Identifica los reactivos y los productos de esta reacción.

d) El porcentaje de azufre y mercurio.

c) ¿De qué cinco formas diferentes se puede medir la velocidad de esta reacción?

Solución: d) 13,8 % de S y 86,2 % de Hg

b) Ajusta esta ecuación química.

6. Las reacciones químicas

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6

EJERCICIOS, ACTIVIDADES Y TAREAS 25

Queremos medir la velocidad de la reacción entre el carbonato de calcio (en fragmentos) y el ácido clorhídrico. Para ello medimos el volumen de CO2 que se obtiene por minuto. Los resultados son los siguientes:

Tiempo (min)

0

Volumen CO2 (cm3)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

30

a) 2 FeO + C → 2 Fe + CO2 b) C + O2 → CO2 c) PbO + C → Pb + CO d) HNO3 + NaOH → NaNO3 + H2O

10

e) C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O f) HCl + KOH → KCl + H2O

11 22 33 43,5 53,5 63 71 77,5 79,5 80 31

Los incendios constituyen un ejemplo de combustión de consecuencias trágicas. Para que se mantenga un fuego es necesario que coexistan estos tres elementos: calor, combustible y oxígeno (aire). ¿Qué medidas crees que hay que tomar para apagar un incendio?

32

La metalurgia comprende todas las operaciones industriales realizadas para obtener metales libres. La reducción es la principal operación metalúrgica. En el caso concreto del hierro, recibe el nombre de siderurgia y se lleva a cabo en un alto horno.

a) Dibuja la gráfica del volumen de CO2 obtenido en función del tiempo. b) Calcula la velocidad de reacción cuando han transcurrido 10 min desde el inicio de la reacción. c) Calcula la velocidad de esta reacción en el primer minuto, el tercero y el séptimo. d) ¿Qué volumen de CO2 se ha obtenido a los 5,5 min? 26

Queremos comprobar cómo afecta el grado de división del carbonato de calcio a la velocidad de reacción. Para ello, vamos a repetir la reacción, pero utilizando la misma masa de carbonato de calcio molido. ¿Cuál es tu hipótesis en cuanto al resultado de esta experiencia? Los resultados obtenidos son:

Tiempo (min) Volumen CO2 (cm3)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

a) Investiga cuáles son las principales menas del hierro. b) Escribe las reacciones de reducción del monóxido de hierro y del trióxido de dihierro. c) Busca información y elabora un resumen acerca de la estructura y el funcionamiento de un alto horno. 33

0 18,5 37,5 54,5 67,5 74,5 78,5 80 80 80 80

b) Calcula la velocidad de reacción cuando han pasado 7 min desde el inicio de la reacción.

b) Investiga en qué aceites animales y vegetales se encuentra el ácido palmítico. 34

c) Calcula la velocidad de esta reacción en el primer minuto, en el tercero y en el quinto. d) ¿Cómo afecta el grado de división del carbonato de calcio a la velocidad de reacción? f) Justifica estos resultados según la teoría de colisiones.

❚❚ Disolución de vinagre en agua, pH 6,5. 35

Busca una explicación para estos hechos: a) La carne picada se pudre más rápidamente que la misma cantidad de carne en un solo trozo. b) En el campo, al aire libre, un animal muerto se descompone rápidamente, pero en julio de 2013 se encontró en Siberia un mamut congelado de 39 000 años de antigüedad. c) Si acercas una llama a un azucarillo, este se consume sin arder. Basta poner un poco de ceniza (catalizador) sobre el azucarillo para conseguir que este arda.

C4H10 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g) 29

Completa estas reacciones de neutralización: a) HBr + NaOH → …

b) HI + KOH → …

El cloroeteno se conoce comercialmente como cloruro de vinilo. Cuando n moléculas de cloroeteno se polimerizan se obtiene el policloroeteno, conocido comercialmente como policloruro de vinilo, PVC. Busca información acerca de las propiedades y la utilidad de este polímero. n C2H3Cl

36

polimerización

(C2H3Cl)n

Cuando n moléculas de eteno, se polimerizan, se obtiene el polieteneno. Busca información acerca de las propiedades y las aplicaciones de este polímero. n C2H4

Importancia de las reacciones químicas ¿Qué es una reacción de combustión? Cita tres ejemplos de reacciones de combustión. Ajusta la ecuación de combustión del butano:

El veneno que contiene la picadura de abeja tiene un pH aproximado de 5, mientras que el veneno de la avispa tiene un pH aproximado de 8. ¿Qué sustancia utilizarías para neutralizar el veneno de la avispa y cuál para neutralizar el veneno de la abeja? ❚❚ Disolución de amoniaco en agua, pH 8,5.

e) ¿Se ha cumplido tu hipótesis?

28

El ácido palmítico es un ácido graso que reacciona con el NaOH para dar palmitato de sodio, una sustancia frecuente en los jabones y detergentes. a) ¿Qué nombre recibe este tipo de reacción química?

a) Dibuja la gráfica del volumen de CO2 obtenido en función del tiempo.

27

¿Qué tipo de reacción representa cada ecuación?

polimerización

(C2H4)n

Reacciones químicas y medio ambiente 37

¿Qué efectos contaminantes produce la emisión de óxidos de azufre y nitrógeno a la atmósfera? ¿Cómo reaccionan estos gases con la humedad del aire? ¿Cómo se pueden reducir sus emisiones?

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¿Cómo se puede reducir la emisión de dióxido de carbono a la atmósfera?

39

La mayor parte de los coches modernos están equipados con un catalizador que transforma algunos de los gases producidos en la combustión del combustible del vehículo en otros menos perjudiciales. Aquí tienes un esquema muy simple de un catalizador: N2

N2

CO2

CO2

H2O (vapor)

H2O (vapor)

CO NO, NO2

CO(10%), CO2 (90%) NO, NO2(10%), N2(90%)

a) ¿Qué gases son los que ha transformado el catalizador? ¿En qué los ha transformado? b) ¿En qué porcentaje se han transformado? c) ¿Qué efectos tienen sobre la salud de las personas y sobre el medio ambiente el monóxido de carbono, CO, y los óxidos de nitrógeno, NO y NO2? d) Sugiere cómo debería actuar un catalizador de vehículos para que estos sean más ecológicos y no expulsen ningún gas que cause problemas medioambientales. e) De los gases que permanecen inalterados tras su paso por el catalizador, ¿cuál crees que es más nocivo para el medio ambiente? 40

En la fotografía se pueden observar los efectos de la lluvia ácida sobre la piedra caliza, CaCO3. a) ¿Cuándo se considera que la lluvia es ácida? b) ¿Qué sustancias son las causantes de la lluvia ácida? c) ¿Cuál es la procedencia de estas sustancias? d) ¿Qué medidas podemos tomar entre todos para evitar la formación de la lluvia ácida?

LEE Y COMPRENDE LA CIENCIA Lee este texto y responde las preguntas. La atmósfera se ve alterada tanto a escala global (aumento del efecto invernadero y destrucción del ozono estratosférico) como a escala local y regional (acumulación de gases y partículas procedentes de la combustión de combustibles fósiles). Estos problemas se encuentran relacionados de forma muy compleja y a veces paradójica. Por ejemplo, los CFC no son nocivos a escala local, pero contribuyen globalmente a la destrucción de la capa de ozono. El monóxido de carbono, contaminante local, puede eliminarse si se oxida a dióxido de carbono, pero un aumento en la concentración de este gas incrementa el efecto invernadero. […] Está bastante claro que la mayor influencia sobre la calidad del aire la ejercen el consumo energético y los transportes. SPIRO, Thomas y STIGLIANI, William Química medioambiental. Pearson (Adaptación) a) ¿Qué alteraciones sufre la atmósfera a escala global? ¿Y a escala local? b) ¿En qué consiste el efecto invernadero? ¿Y el aumento del efecto invernadero? c) ¿Por qué se produce la destrucción del ozono? d) ¿Qué efectos a escala local produce la acumulación de gases y partículas?

Puedes grabar resumen y escu tu ch tantas veces co arlo quieras para re mo pasar

TÉCNICAS DE ESTUDIO ❚❚ Elabora tu propio resumen a partir de los recuadros de Ideas claras que aparecen en la unidad. También puedes añadir otros contenidos que consideres importantes.

❚❚ Copia el esquema que aparece a continuación y añade los elementos necesarios para construir un mapa conceptual de la unidad.

Reacciones químicas se representan en Ecuaciones químicas

en ellas se cumple son importantes la

La conservación de la masa

La proporción de masa

Oxidación-reducción

Combustión

Neutralización

❚❚ Crea tu propio vocabulario científico. Para ello, define los términos siguientes: reacción química, reactivo, producto, complejo activado, ecuación química, velocidad de reacción y combustión. Puedes completar tu vocabulario con los términos que consideres.

6. Las reacciones químicas

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TÉCNICAS DE TRABAJO Y EXPERIMENTACIÓN Comprobación de la ley de conservación de la masa Cuando el carbonato de calcio, CaCO3, reacciona con el ácido clorhídrico, HCl, se forma una sustancia sólida, cloruro de calcio, CaCl2, y se desprende una sustancia gaseosa, dióxido de carbono, CO2. La ecuación química ajustada de esta reacción es: CaCO3 (s) + 2 HCl (aq) → CaCl2 (s) + H2O + CO2 (g) HCl

Para comprobar si la masa se conserva en esta reacción química no podemos llevarla a cabo en un recipiente abierto, porque el CO2 escaparía a la atmósfera y no podríamos medir su masa. Tampoco podemos realizarla en un recipiente herméticamente cerrado, porque el gas que se desprende elevaría la presión en el interior del recipiente hasta hacerlo estallar. Conviene, por tanto, utilizar un recipiente cerrado cuyo volumen pueda aumentar fácilmente cuando se desprenda el CO2. Una solución muy sencilla consiste en acoplar un globo a la boca de un erlenmeyer.

CaCO3

Procedimiento

Materiales ❚❚ Una balanza digital.

1. Pesa en una balanza unos 0,4 g de CaCO3 en el erlenmeyer.

❚❚ Un erlenmeyer.

2. Vierte 50 mL de HCl en el tubo de ensayo e introduce este, con mucho cuidado, en el interior del erlenmeyer.

❚❚ Un tubo de ensayo pequeño. ❚❚ Un globo. ❚❚ Carbonato de calcio molido. ❚❚ Ácido clorhídrico 1 M.

3. Coloca el globo en la boca del matraz y pesa el conjunto en la balanza. Anota este valor. 4. Mueve el erlenmeyer de manera que el HCl contenido en el tubo de ensayo se vuelque sobre el CaCO3 y ambos comiencen a reaccionar. 5. La reacción finaliza cuando ya no observes más desprendimiento de gases. 6. Vuelve a pesar el conjunto en la balanza y anota el resultado.

Análisis de los resultados Para analizar los resultados utiliza una tabla como esta: Masa inicial del conjunto

Masa final del conjunto

…

…

…

…

1

¿Permanece la masa del conjunto constante? Si no es así, ¿qué errores experimentales han podido intervenir en la realización de la práctica? Repite la experiencia evitando los errores experimentales observados.

2

Como resultado de esta experiencia, enuncia con tus propias palabras la ley de conservación de la masa.

3

¿Por qué se infla el globo colocado en la boca del erlenmeyer?

4

Lavoisier quemó fósforo y recogió el gas que se producía; así comprobó que este siempre pesaba más que el fósforo antes de la combustión, y dedujo que algún gas contenido en el aire había reaccionado con el fósforo. ¿Cómo se llama el gas contenido en el aire que ha participado en la combustión del fósforo?

5

Si ponemos 5 g de CaCO3 en un vaso de vidrio y le agregamos 3,65 g de HCl, obtenemos 5,55 g de una sustancia sólida. ¿Por qué parece que no se cumple la ley de Lavoisier?

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TAREA DE INVESTIGACIÓN La industria química en el desarrollo de la sociedad En esta TAREA DE INVESTIGACIÓN deberás investigar sobre los aspectos positivos y negativos asociados a la industria química y la manera en la que esta influye en el medioambiente.

1. Investiga a) Cuáles son las industrias químicas que más presencia tienen en nuestra vida diaria y cómo han influido en el progreso de nuestra sociedad. Anota el nombre de cada una de ellas y a qué se dedican. b) Cuáles son los principales problemas medioambientales de importancia global y cuáles son las causas de origen antropogénico que los generan.

3. Elabora a) Elabora junto con tus compañeros un listado con las industrias químicas que has encontrado como resultado de tus investigaciones. b) Diseña, junto con tus compañeros, un modelo de informe que sea adecuado para estudiar a fondo las diferentes industrias químicas. Puedes incluir los siguientes puntos: ❚❚ Nombre o denominación del tipo de industria asignado. ❚❚ Antigüedad aproximada. ❚❚ Localización en Europa y en el resto del mundo.

2. Experimenta La lluvia ácida ataca, entre otros, a la piedra caliza de los monumentos. Busca información sobre los efectos de la lluvia ácida y sobre las reacciones químicas que tienen lugar en el proceso. Diseña y realiza una experiencia de laboratorio que ponga de manifiesto el efecto de la lluvia ácida. Para simular la piedra caliza puedes utilizar una tiza y para la lluvia ácida puedes utilizar zumo de limón y vinagre. Describe con detalle todo el procedimiento.

❚❚ Principales materias primas que emplea y el origen de las mismas. ❚❚ Productos obtenidos, comercialización y distribución de los mismos. ❚❚ Utilidad y aplicaciones de estos productos. ❚❚ Influencia en la mejora de la calidad de vida o en el progreso de la sociedad. c) Realiza el informe y prepara una presentación en la que aparezca toda la información relevante, fotos, gráficos, tablas, etc. d) Elabora un esquema sobre los problemas medioambientales de carácter global, su origen, sus consecuencias y las medidas propuestas para mitigarlos.

Pautas de Resolución Para realizar la investigación te proponemos que sigas los siguientes pasos: Búsqueda y análisis de la información ❚❚ Analiza si el tipo de industria química que has investigado está relacionada con los problemas medioambientales de carácter global de modo directo (por el propio proceso de producción en su localización) o indirecto (obtención y transporte de materias primas, transporte de los productos a sus lugares de consumo, producción de residuos por el consumo de los productos, etc.). Elaboración de una presentación ❚❚ Elabora una presentación en la que se aborden de forma separada la influencia del desarrollo de la industria química y las propuestas de soluciones a los problemas medioambientales de ámbito global. Presentación y debate de los resultados ❚❚ Expón las conclusiones de tu informe y de tu análisis ante tus compañeros. ❚❚ Debate con tus compañeros sobre las respuestas dadas a las dos cuestiones iniciales y anota las conclusiones.

AUTOEVALUACIÓN Responde a las siguientes cuestiones para evaluar tu trabajo. 1. ¿Has elaborado el listado de las industrias químicas? 2. En el experimento de la lluvia ácida, ¿has comprobado qué sustancia ataca más a la tiza, el zumo de limón o el vinagre? 3. ¿Has participado activamente en el diseño del modelo de informe? 4. ¿Has completado todos los puntos del informe? 5. ¿Has elaborado tu informe en forma de presentación? 6. ¿La industria sobre la que has investigado está relacionada con los problemas medioambientales de carácter global? 7. ¿Has expuesto correctamente tus conclusiones ante tus compañeros y tomado nota de las de ellos? 8. ¿Has participado activa y razonadamente en el debate sobre las cuestiones iniciales? 9. ¿Has planteado medidas concretas y actividades a nivel global y colectivo para mitigar los problemas medioambientales? 6. Las reacciones químicas

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