Diversidad e Inclusión REFUERZO CURRICULAR
Las transformaciones de la materia Cambios físicos y químicos Si prestamos atención a nuestro entorno, podemos observar que las sustancias sufren continuas transformaciones: • Un cambio físico es aquel que no altera la naturaleza de las sustancias. • Un cambio químico es aquel por el que se obtienen nuevas sustancias.
Las reacciones químicas son procesos en los cuales, a partir de unas sustancias iniciales llamadas reactivos, se obtienen otras completamente diferentes, denominadas productos. A nivel microscópico, los átomos que componen los reactivos se reagrupan para dar lugar a los productos. No siempre es fácil reconocer cuándo se producen reacciones químicas, aunque a menudo van acompañadas de fenómenos indicadores característicos; por ejemplo, cambios de color inesperados, variaciones bruscas de temperatura, desprendimiento espontáneo de gases o aparición de sustancias sólidas (precipitados) al mezclar dos líquidos.
Velocidad de las reacciones químicas Los cambios químicos son muy diversos y no suceden todos a la misma velocidad. Así, mientras la explosión de la pólvora de un cohete sucede en décimas de segundo, un objeto de hierro puede tardar semanas o meses en oxidarse. La velocidad a la que se produce una reacción química es una magnitud importante y se ve influenciada por varios factores, que pueden hacer que aumente o disminuya en determinadas condiciones para un mismo proceso. Los factores que influyen en la velocidad de una reacción química son: • Estado de agregación de los reactivos
• Concentración de los reactivos
• Superficie de contacto
• Catalizadores
• Temperatura
Ley de conservación de la masa El estudio cuantitativo de las reacciones químicas se remonta a finales del siglo xviii, cuando se empieza a aplicar el método científico y surgen las primeras leyes de la química. Una de estas leyes fue enunciada por el francés Antoine-Laurent de Lavoisier, y se conoce como la ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier. Ley de conservación de la masa. En toda reacción química, la masa total de los reactivos iniciales es igual a la masa total de los productos que se generan. © Grupo Editorial Bruño, S. L.
Las transformaciones de la materia
1
La ecuación química Para representar simbólicamente una reacción química, se utilizan las ecuaciones químicas. En ellas, los reactivos y los productos aparecen representados por sus fórmulas e indicando su estado de agregación; entre ambos, una flecha señala el sentido del proceso. Además, delante de las fórmulas se escriben los coeficientes estequiométricos, unos números que indican la cantidad de moléculas de cada sustancia que intervienen en la reacción. Estos coeficientes se obtienen mediante el ajuste de la ecuación. El ajuste de ecuaciones químicas se realiza por tanteo de acuerdo con los siguientes pasos: • Contamos el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos. • Vamos rectificando los coeficientes necesarios hasta conseguir igualar el número de átomos de cada elemento a ambos lados de la ecuación.
Las relaciones de estequiometría establecen la proporción fija en la que los reactivos y productos se combinan para dar lugar a las diversas reacciones químicas. Esta proporción puede expresarse de varias formas: • Relación de estequiometría en moles, dada por los coeficientes estequiométricos. • Relación de estequiometría en masa, obtenida multiplicando los coeficientes estequiométricos por las masas molares. • Relación de estequiometría en volumen, en reacciones donde intervienen gases.
Reacciones de interés Se conocen millones de reacciones químicas, pero solo algunos tipos de ellas tienen interés práctico. Así, destacan por su importancia: • Las reacciones ácido-base: son reacciones de neutralización en las cuales un ácido reacciona con una base para producir una sal y agua. Son muy frecuentes, tanto en el medio natural como en la industria y en el ámbito doméstico. Ácido + Base → Sal + H2O
• Las reacciones de combustión: ocurren entre una sustancia llamada combustible y el oxígeno del aire. Sus productos son dióxido de carbono y agua, y liberan gran cantidad de calor. Combustible + O2 → CO2 + H2O + Calor
El interés de las reacciones de combustión reside precisamente en el calor producido, que se aprovecha con distintos fines. En cuanto a los productos que origina, ambos son inocuos, si bien la acumulación de grandes cantidades de dióxido de carbono en la atmósfera está aumentando el efecto invernadero global, lo que puede desembocar en un cambio climático de consecuencias imprevisibles. © Grupo Editorial Bruño, S. L.
2 Las transformaciones de la materia
Actividades 1 Indica razonadamente si los siguientes procesos son de tipo físico o químico: a) Modelar un trozo de plastilina.
c) Encender un mechero.
b) Disolver una pastilla efervescente en agua.
d) Hervir agua.
2 Al mezclar en el laboratorio una disolución incolora de cloruro de sodio con otra disolución incolora de nitrato de plata, en el líquido resultante se forma un precipitado de color blanco grisáceo que, rápidamente, tiende a depositarse en el fondo. ¿Qué tipo de proceso ha tenido lugar? Justifica tu respuesta. 3 Cuando cocinamos arroz, solemos añadir un colorante alimentario para que el caldo adquiera un tono amarillo intenso. Este hecho parece poner de manifiesto uno de los indicadores de las reacciones químicas: los cambios de color. ¿Crees que se trata de un proceso físico o químico? Explica tu respuesta. 4 Observa la ilustración e interpreta, a escala microscópica, la reacción química que da lugar al amoníaco, una sustancia de gran importancia industrial. Hidrógeno (H2) +
H H
H H
H
H
Nitrógeno (N2)
N N
→
Amoníaco (NH3)
H
N
H
H
H
N
H
H
5 En la industria química es habitual el uso de catalizadores para llevar a cabo determinados procesos químicos. ¿Por qué crees que se recurrirá al uso de catalizadores, a pesar de que su coste suele ser elevado? 6 Uno de los factores que influyen en la velocidad de reacción es el estado de agregación de los reactivos. Explica por qué, en estado gaseoso, las reacciones químicas suelen ser más rápidas que en fase líquida o sólida. 7 Al calentar el clorato de potasio (KClO3) en un horno a cierta temperatura, se transforma en cloruro de potasio (KCl) debido a que parte del oxígeno se desprende como O2. En el horno de un laboratorio, se colocan 245,2 g de clorato de potasio y, tras el proceso, se recogen 149,2 g de cloruro de potasio. ¿Qué cantidad de oxígeno se ha desprendido? 8 En la industria metalúrgica, se quema sulfuro de hierro para obtener hierro. Esta reacción desprende grandes cantidades de dióxido de azufre (SO2), que, tras ser sometido a varios procesos de oxidación e hidratación, da lugar a ácido sulfúrico (H2SO4). El proceso global de formación de este ácido podría resumirse así: Azufre + Oxígeno + Agua → Ácido sulfúrico
Sabiendo que por cada 122 kg de mineral procesado, que contiene 64 kg de azufre, se utilizan 96 kg de oxígeno y 36 kg de agua, ¿qué cantidad de ácido se obtendrá? © Grupo Editorial Bruño, S. L.
Las transformaciones de la materia
3
9 Representa mediante una ecuación la reacción química entre el hidrógeno (H2) y el cloro (Cl2) para formar cloruro de hidrógeno (HCl). Dibuja las moléculas implicadas, ajusta la ecuación e interprétala. 10 Ajusta la siguiente ecuación química y realiza su interpretación microscópica. SO2 + O2 → SO3
11 Ajusta en tu cuaderno las siguientes ecuaciones químicas: a) I2O5 + CO → I2 + CO2
c) FeS + O2 → Fe2O3 + SO2
b) CO + Fe2O3 → Fe + CO2
d) H2SO4 + NaOH → Na2SO4 + H2O
12 Analiza la siguiente ecuación ajustada, correspondiente a un proceso químico: Dióxido de azufre
2 SO2
Oxígeno
+
Trióxido de azufre
→
O2
2 SO3
a) Interpreta su relación de estequiometría en moles. b) Calcula la cantidad de oxígeno para que reaccionen completamente 10 moles de SO2.
13 El hidrógeno gaseoso puede reaccionar con el gas de cloro para formar cloruro de hidrógeno: Hidrógeno
H2
Cloro
+
Cl2
Cloruro de hidrógeno
→
2 HCl
a) Calcula la masa molar de cada una de estas sustancias y la relación de estequiometría en masa que corresponde a este proceso. b) Calcula la cantidad de HCl que se obtendría a partir de 6 g de H2.
14 Uno de los problemas medioambientales más graves actualmente a nivel mundial es el cambio climático. Investiga sobre él y contesta: a) ¿En qué consiste exactamente el cambio climático? b) ¿Qué relación existe entre este problema y las reacciones de combustión? c) ¿Qué medidas deberían adoptarse para combatirlo?
15 Ajusta las siguientes ecuaciones químicas: a) H2 + Cl2 → HCl
d) C + H2O → CO + H2
g) HgO → Hg + O2
b) Sn + O2 → SnO
e) Fe + O2 → Fe2O3
h) C2H4 + O2 → CO2 + H2O
c) HCI + Fe → FeCI2 + H2
f) CO + O2 → CO2
i) HCI + AI → AICI3 + H2
© Grupo Editorial Bruño, S. L.
4 Las transformaciones de la materia
Aplica tus conocimientos 16 El primer paso en la digestión de los alimentos es la masticación. No son pocas las veces que se nos ha dicho que masticar bien los alimentos facilita su digestión. ¿Podrías justificar esta afirmación desde el punto de vista químico? 17 Si se declara un incendio de combustibles y arde, por ejemplo, la gasolina de un depósito que se ha derramado por el suelo, los bomberos no apagan las llamas con agua, sino que vierten espuma. ¿Por qué extinguen el incendio de esta manera? Explícalo considerando que se trata de una reacción química de combustión. 18 Si añadimos una pastilla efervescente de 2 g de masa a un vaso que contiene 50 g de agua, tras un tiempo desprendiendo burbujas, la pastilla efervescente acaba por disolverse. a) ¿La disolución de la pastilla es un proceso de tipo químico? ¿Por qué? b) ¿Podemos afirmar que, una vez disuelta toda la pastilla, el contenido del vaso será de 52 g de masa total? ¿Por qué?
19 Nuestros antepasados desarrollaron un proceso artesanal para obtener cal viva. Consistía en calentar a altas temperaturas, en unos hornos fabricados en la propia montaña, la roca caliza; de este modo, el carbonato de calcio producía óxido de calcio: cal viva. Al mezclar esta cal viva con agua, el óxido se transformaba en hidróxido de calcio, o cal apagada, desprendiendo gran cantidad de calor. Carbonato de calcio → Óxido de calcio + Dióxido de carbono
Si al calentar 200,2 kg de roca caliza, compuesta por carbonato de calcio en un 50 %, se desprenden 44 kg de dióxido de carbono, ¿qué cantidad de cal viva se obtiene? Explica en qué ley te has basado para realizar el cálculo. 20 La lluvia ácida es un tipo de precipitación, provocada por la quema de combustibles a gran escala, que contiene pequeñas cantidades de sustancias ácidas. ¿Por qué crees que este tipo de lluvia deteriora especialmente los monumentos de mármol? 21 Cuando el hierro se encuentra a la intemperie durante un período de tiempo prolongado, se oxida transformándose en un polvo ocre que recibe el nombre de herrumbre. ¿Se trata de un proceso físico o químico? Razona tu respuesta. 21 Cuando depositamos una pequeña vela encendida en el fondo de un vaso alto, observamos que se apaga espontáneamente en breves segundos. ¿Qué explicación podemos darle a este fenómeno, teniendo en cuenta en qué consiste la reacción de combustión? 22 Al calentar 50 g de una piedra caliza (carbonato de calcio, CaCO3), se producen 28 g de un residuo sólido. ¿Por qué parece que no se cumple la ley de conservación de la masa en este caso?
© Grupo Editorial Bruño, S. L.
Las transformaciones de la materia
5
Practica la lectura científica
El estudio de las transformaciones químicas ha suscitado el interés de filósofos y científicos desde tiempos remotos, ya sea por el simple hecho de averiguar el porqué de las cosas o por las aplicaciones que de las conclusiones obtenidas se pueden derivar. Entre los estudiosos de los procesos químicos, destaca uno de los más grandes alquimistas de la historia: el sabio persa Jabir ibn-Hayyan, que vivió entre los siglos viii y ix. Médico de la corte del califa Harún Al Raschid, este alquimista defendía las teorías de Empédocles de Agrigento, un filósofo griego del siglo v a. C., según las cuales todo lo que nos rodea está formado por cuatro elementos: aire, agua, tierra y fuego. Jabir ibn-Hayyan también estaba convencido de que, combinando adecuadamente algunas sustancias, como azufre, mercurio y aire, el plomo podría transformarse en oro. Tras la quimera de una transformación como esta, numerosos alquimistas dedicaron su vida a la búsqueda de la combinación perfecta; obviamente, no lo consiguieron, pero por el camino acumularon abundante información sobre los procesos químicos, si bien no sabían explicar por qué ocurrían. El trabajo de los alquimistas dio paso al estudio científico de los procesos químicos. Así, en el siglo xvii, el químico Robert Boyle introdujo el concepto de elemento químico, y, desde finales del siglo xviii, científicos como Lavoisier, Proust, Dalton, Richter o Avogadro, entre otros, sentaron las bases de la química moderna. No obstante, el desarrollo más espectacular se produjo, sin duda, tras descubrirse el átomo y las partículas subatómicas, a principios del siglo xx. Actualmente conocemos millones de reacciones químicas y podemos explicar con detalle cómo se combinan entre sí los átomos en estos procesos. Utilizamos las reacciones a nivel industrial, para la fabricación de multitud de productos y la obtención de infinidad de materiales (metales, fibras textiles, plásticos, gomas, productos farmacéuticos…). Asimismo, las reacciones químicas están muy presentes en nuestra actividades cotidianas: cuando conectamos el motor del coche o encendemos el calentador a gas, cuando disolvemos una pastilla efervescente o, simplemente, cuando cocemos un huevo. Y no solo eso. El conocimiento que tenemos de las reacciones químicas nos ha permitido adentrarnos en los secretos del funcionamiento de los organismos vivos, desentrañando las claves de procesos metabólicos vitales, como la respiración celular o la fotosíntesis. Los medios de que disponemos son tan sofisticados que incluso los científicos estudian desde la Tierra los procesos químicos que tienen lugar en los confines del espacio. Y, aun con todo lo que sabemos, debemos admitir que nos queda todavía mucho por descubrir.
23 Responde a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué teoría defendía el griego Empédocles? b) ¿Cuándo surgió el concepto de elemento químico? ¿Quién lo introdujo?
24 Busca en el diccionario la definición de «alquimia» y contesta: a) ¿Podemos considerar a los alquimistas como científicos? ¿Por qué? b) ¿Qué importancia tuvo la alquimia para la Química actual?
25 Completa una cronología con los hitos clave para el desarrollo de la Química. © Grupo Editorial Bruño, S. L.
6 Las transformaciones de la materia
Trabaja con el ordenador 26 Investiga estas cuestiones con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital y contesta razonadamente: a) ¿Qué catalizador se utiliza en la síntesis industrial de amoníaco? b) ¿A qué nos referimos cuando hablamos de un proceso enzimático? c) ¿Qué se entiende en química por una «reacción reversible»? Más información en internet En esta dirección web encontrarás una completa unidad didáctica sobre las reacciones químicas. También podrás practicar mediante ejemplos la diferencia entre los procesos físicos y químicos, y el ajuste de las ecuaciones químicas. Todo ello con actividades y simulaciones muy interesantes. http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/35_las_reacciones_quimicas/curso/index.html
Autoevaluación 1
Explica la diferencia entre un cambio físico y un cambio químico, e indica razonadamente a cuál de ellos pertenecen los siguientes fenómenos: a) Un objeto cae desde cierta altura.
e) Una varilla de metal se dilata al calentarla.
b) Al calentar bromuro de plata se obtiene bromo líquido y plata metálica.
f) La combustión del propano.
c) Un algodón empapado en gasolina arde.
g) Se disuelve azúcar en agua.
d) La evaporación del alcohol.
h) Se oxida una barra de cobre.
2
Indica dos formas de aumentar la velocidad de una reacción química.
3
Ajusta la siguiente ecuación química e interpreta el significado de los coeficientes estequiométricos: Acetileno
Oxígeno
C2H2
4
+
O2
Dióxido de carbono
→
CO2
Vapor de agua
+
H2O
Contesta brevemente: a) ¿Qué dice la ley de conservación de la masa? b) ¿Cuáles son las propiedades de una sustancia ácida?
5
Considerando la relación de estequiometría de la reacción de oxidación del hierro, calcula la cantidad de trióxido de dihierro que se formará a partir de 200 g de hierro: Hierro
4 Fe 223,2 g
© Grupo Editorial Bruño, S. L.
Oxígeno
+
3 O2 96 g
Trióxido de dihierro
→
2 Fe2O3 319,2 g Las transformaciones de la materia
7
Las transformaciones de la materia Solucionario Actividades 1
Procesos químicos: b) y c). Procesos físicos: a) y d). En estos últimos casos, aunque cambie de estado o de forma, la sustancia sigue siendo la misma.
2
Tiene lugar un proceso químico porque cambia la naturaleza de las sustancias.
3
Es un proceso físico; el cambio de color no es inesperado, pues es consecuencia de la adición de un colorante.
4
Por cada tres moléculas de hidrógeno que reaccionan con una molécula de nitrógeno se forman dos moléculas de amoníaco.
5
Al aumentar la velocidad del proceso, disminuye el tiempo que tarda en completarse y, así, aumenta el rendimiento de la reacción.
6
Según la teoría cinética, en el estado gaseoso las partículas se mueven con total libertad y en todas direcciones, por lo que es más probable que choquen entre ellas y reaccionen.
7
96 g de oxígeno. 83
8
196 kg de ácido.
9
Dibujo libre. Por cada molécula de hidrógeno (H2) que reacciona con una molécula de cloro (Cl2), se forman dos moléculas de cloruro de hidrógeno (HCl).
10 2 SO 2 + O2 → 2 SO3; por cada dos moléculas de SO2 que reaccionan con una molécula de
O2 se obtienen dos moléculas de SO3.
11
a) 2I O5 + 5 CO → I2 + 5 CO2 b) 6 CO + 2 Fe2O3 → 4 Fe + 6 CO2 c) 4 FeS + 7 O2 → 2 Fe2O3 + 4 SO2 d) H2SO4 + 2 NaOH → Na2SO4 + H2O
12
a) Por cada 2 moles de SO2 que reaccionan con 1 mol de O2 se obtienen 2 moles de SO3. b) 5 moles de O2.
13 a) M (H2) = 2 g/mol; M (Cl2) = 71 g/mol; M (HCl) = 36,5 g/mol.
Relación de estequiometría en masa: 2 g H2 + 71 g Cl2 = 73 g HCl. b) Se obtendrían 219 g de HCl. 14 a) Se trata de un calentamiento de la superficie terrestre, consecuencia del aumento de los
niveles de CO2 en la atmósfera como consecuencia de las actividades humanas. b) El CO2 procede, en su mayor parte, de los procesos de combustión de los combustibles fósiles, como el carbón y el petróleo y sus derivados. c) Se podría paliar disminuyendo el uso de este tipo de combustibles e incluso sustituyéndolos por otras fuentes de energía.
8 Las transformaciones de la materia
Sol_FyQ_3eso.indd 16
© Grupo Editorial Bruño, S. L.
2/4/20 10:38
15 a) H2 + Cl2 → 2 HCl
b) Sn + 1/2 O2 → SnO c) 2 HCl + Fe → FeCl2 + H2 d) C + H2O → CO + H2 e) 2 Fe + 3/2 O2 → Fe2O3 f) CO + 1/2 O2 → CO2 g) HgO → Hg + 1/2 O2 h) C2H4 + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O i) 3 HCl + Al → AlCl3 + 3/2 H2
16
Al masticar los alimentos los disgregamos, aumentando de este modo la superficie de contacto con el jugo gástrico del estómago, lo que favorece las reacciones químicas que se producen durante la digestión.
17
La espuma impide el contacto entre ambos reactivos, el combustible y el oxígeno, y evita que siga produciéndose la combustión.
18
a) Es un proceso químico, pues se desprenden gases espontáneamente. b) No, la masa será menor de 52 g, pues hay productos gaseosos que se han desprendido.
19 56,1 kg de cal viva, según la ley de conservación de la masa. 20 El mármol está compuesto por carbonato cálcico, y los ácidos lo disuelven; por tanto, la
lluvia ácida puede ocasionar fisuras y agujeros en los monumentos construidos con este tipo de material.
21 Se trata de un proceso químico, ya que se forma una nueva sustancia. 22 Se apaga porque en la combustión se produce dióxido de carbono, que es más denso que
el oxígeno y lo desplaza, impidiendo que continúe la combustión.
23 El otro producto de la reacción, el CO2, es un gas. Si no se recoge, podría parecer que en la
reacción hay una pérdida de masa.
24
a) Defendía la teoría de los cuatro elementos. b) Surgió en el siglo xvii, de la mano del inglés Robert Boyle.
25 a) No, pues no aplicaban el método científico.
b) Los alquimistas descubrieron muchos procesos químicos de gran importancia. 26 Respuesta libre.
a) Platino. b) A un proceso biológico catalizado por unas moléculas específicas denominadas enzimas. c) Es un proceso químico que puede suceder en ambos sentidos, es decir, los reactivos dan los productos, y estos, a su vez, regeneran los reactivos iniciales. © Grupo Editorial Bruño, S. L.
Sol_FyQ_3eso.indd 17
Las transformaciones de la materia
9
2/4/20 10:38
Autoevaluación 1
Un cambio físico es aquel en el cual no se altera la naturaleza de las sustancias. Un cambio químico es aquel en el que se obtienen nuevas sustancias. a) Cambio físico: el objeto, a medida que cae, pierde energía potencial y gana energía cinética. químico: el bromuro de plata, cuando se calienta, se descompone en sus eleb) Cambio mentos: ∆ Ag(s) + 1/2 Br2(l) AgBr(s) ⎯⎯→
c) Cambio químico: es una combustión. d) Cambio físico: cambio de estado. e) Cambio físico: la varilla aumenta de grosor al calentarla. f) Cambio químico: es una reacción de combustión. g) Cambio físico: disolución. h) Cambio químico: el cobre reacciona con el oxígeno y da lugar a un óxido de cobre. 2
Respuesta libre. Pueden indicarse: – Disgregar o disolver los reactivos. – Aumentar la temperatura. – Concentrar los reactivos. – Usar catalizadores.
3
2 C2H2 + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O. Por cada dos moléculas de gas acetileno que reaccionan con cinco moléculas de oxígeno, se forman cuatro moléculas de dióxido de carbono y dos moléculas de agua.
4
a) En todas las reacciones químicas se cumple que la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos que se generan. b) Los ácidos son sustancias de sabor ácido, que atacan los metales y el mármol desprendiendo gases, y colorean de rojo la tintura de tornasol; algunos ejemplos son el vinagre, el aguafuerte y los zumos de cítricos.
5
Se formarán 286 g de trióxido de dihierro.
© Grupo Editorial Bruño, S. L.
Sol_FyQ_3eso.indd 18
10 Las transformaciones de la materia
2/4/20 10:38
© GRUPO EDITORIAL BRUÑO, S. L., 2024 - C/ Valentín Beato, 21 - 28037 Madrid. Reservados todos los derechos. El contenido de esta obra está protegido por la Ley, que establece penas de prisión y/o multas, además de las correspondientes indemnizaciones por daños y perjuicios, para quienes reprodujeren, plagiaren, distribuyeren o comunicaren públicamente, en todo o en parte, una obra literaria, artística o científica, o su transformación, interpretación o ejecución artística fijada en cualquier tipo de soporte o comunicada a través de cualquier medio, sin la preceptiva autorización.