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DEMO

INCLUYE

LI C

PROYECTO DIGITAL CIA 12 MES

3 ESO

FÍSICA Y QUÍMICA J. M. Vílchez González, A. M.a Morales Cas, G. Villalobos Galdeano

ió c a

r e p

O u

o d n

Índice Los saberes básicos del curso

Organizar un espace room..............................................................10

El conocimiento científico ................................... 12 La utilidad de conocimiento científico 1. ¿Qué es la ciencia? 2. La física y la química 3. Magnitudes físicas. Unidad y medidas 4. Instrumentos de medida. Errores 5. Múltiplos y submúltiplos 6. El lenguaje de la ciencia 7. Material de laboratorio. Normas de seguridad Comprende, reflexiona y pon a prueba tus competencias

1 La materia. Los gases

..........................................

Conociendo los gases 1. Los estados de agregación 2. La teoría cinético-molecular 3. Cambios de estado 4. Leyes de los gases ideales 5. La atmósfera terrestre Proyecto de investigación La energía de la atmósfera Trabajo práctico Evidencias de la presión atmosférica Comprende, reflexiona y pon a prueba tus competencias

2 Disoluciones

.............................................................................

El agua, disolvente universal 1. Sustancias, mezclas y sistemas materiales 2. Disoluciones, suspensiones y coloides 3. Concentración de una disolución 4. Solubilidad 5. El agua. Características y contaminación Proyecto de investigación Agua potable-agua embotellada Trabajo práctico Concentración y densidad de una disolución Comprende, reflexiona y pon a prueba tus competencias

Porfolio.......................................................................................................................................................... 70

Me convierto en influencer............................................................. 72

3 El átomo

............................................................................................ 74

Vivir sin Internet 1. Primeras ideas sobre el átomo 2. De la naturaleza eléctrica de la materia al primer modelo atómico 3. De la radiactividad al modelo nuclear del átomo 4. El núcleo del átomo 5. Clasificación de los elementos químicos 6. La corteza del átomo 7. Aplicaciones de los isótopos radiactivos Proyecto de investigación Los residuos radiactivos Trabajo práctico Química de fuegos artificiales

................................

Producción y procesado de productos agrícolas 1. Sustancias simples y compuestas 2. Los átomos se unen 3. Enlace químico 4. Moléculas y cristales 5. Fórmulas químicas 6. Aplicaciones industriales biomédicas y tecnológicas Proyecto de investigación Fertilizantes y explosivos Trabajo práctico Sustancias simples y compuestos Comprende, reflexiona y pon a prueba tus competencias Apéndice Formulación y nomenclatura química

5 Reacciones químicas

............................................

6 Las fuerzas y sus efectos

. . ........................ 154

Comprendiendo las fuerzas de la naturaleza 1. Fuerzas 2. Deformaciones 3. Movimientos 4. Fuerzas cotidianas 5. Leyes de Newton 6. Máquinas simples Proyecto de investigación La aceleración de la gravedad Trabajo práctico Deformaciones elásticas Comprende, reflexiona y pon a prueba tus competencias

7 Naturaleza de las fuerzas

Comprende, reflexiona y pon a prueba tus competencias

4 Las sustancias químicas

Exposición fotográfica: El ojo que todo lo ve........................152

130

Estudio de las transformaciones 1. Cambios en la composición de las sustancias 2. Teoría atómica de las reacciones químicas 3. Ecuaciones químicas 4. Leyes ponderales y ecuaciones químicas 5. Cantidad de sustancia 6. Química, medioambiente y sociedad Proyecto de investigación Sumideros de CO2 Trabajo práctico Reacciones químicas con sustancias gaseosas Comprende, reflexiona y pon a prueba tus competencias

Porfolio........................................................................................................................................................ 150

........................ 180

Geolocalización 1. Fuerza gravitatoria 2. Fuerza electrostática 3. Fuerza magnética 4. Electromagnetismo Proyecto de investigación Fuerza magnética de un electroimán Trabajo práctico ¿Dónde está el norte? Comprende, reflexiona y pon a prueba tus competencias

Porfolio............................................................................................... 200 Sabiduría colectiva......................................................................... 202

8 Circuitos

. . ...................................................................................... 204

El transistor 1. Corriente eléctrica 2. Circuito eléctrico 3. Ley de Ohm 4. Leyes de Kirchhoff 5. Dispositivos eléctricos 6. Electrónica Proyecto de investigación Evolución de los microprocesadores Trabajo práctico Medida de resistencias Comprende, reflexiona y pon a prueba tus competencias

9 Fuentes de energía

................................................. 226

El coche eléctrico 1. Uso racional de la energía 2. Centrales eléctricas 3. Transporte y distribución de energía eléctrica 4. Energía y potencia eléctricas 5. Energía eléctrica en las viviendas Proyecto de investigación Tipos de lámparas Trabajo práctico Energía para cocinar Comprende, reflexiona y pon a prueba tus competencias

Porfolio................................................................................................246

4 Las sustancias químicas PRODUCCIÓN Y PROCESADO DE PRODUCTOS AGRÍCOLAS La diversidad de la materia que nos rodea se debe a las distintas propiedades de las sustancias que la componen. Hay sustancias conductoras del calor, de la electricidad y otras que son solubles en agua. Además, las sustancias pueden ser transformadas o procesadas para obtener otras distintas, con mejores propiedades para una función concreta. El procesamiento de sustancias es de suma importancia en los alimentos, los cuales son procesados desde que son un producto agrícola hasta convertirse en un alimento final. Actualmente, no todos los países son capaces de transformarlos, y solo el 30 % de los países en vías de desarrollo someten a los alimentos a un procesamiento industrial. Frente a esto, casi la totalidad de los países desarrollados, un 98 %, sí procesan los productos agrícolas que generan. Además de suplir estas diferencias entre países industrializados y países en desarrollo, existe otro problema derivado de la industria alimentaria: los productos químicos utilizados y los desechos que se generan. Los fertilizantes y los pesticidas que se usan en los cultivos terminan contaminando los suelos y las aguas a su alrededor. Y no es el único problema asociado a las tierras de cultivo, pues también son las causantes de más del 20 % de las emisiones de gases de efecto invernadero debido a la deforestación. 92

COMPROMISO ODS

Una vez hayáis visto los vídeos sobre las metas 9.b y 12.4, haced las siguientes actividades en grupo:

1. Realizad una búsqueda de proyectos de desarrollo en Asia relacionados con la meta 9.b de los ODS. 2. Escribid un párrafo sobre la posibilidad y la oportunidad de llevar a cabo esta meta. 3. Buscad información acerca de las sustancias químicas permitidas en el procesado de alimentos, como la sal común. Al terminar esta unidad, revisad vuestras anotaciones iniciales y comparadlas con el conocimiento que habéis adquirido. 4. ¿Qué problemas conlleva la utilización de fertilizantes y pesticidas sobre la salud de los suelos y los ecosistemas? Buscad algunas medidas que se pueden tomar para restaurar las tierras degradadas.

¿Qué vas a descubrir? En esta unidad

SECUENCIA DE APRENDIZAJE

Producción y procesado de productos agrícolas

VÍDEO. LA REGLA DEL OCTETO.

1. Sustancias simples y compuestas

4.1 Crea un canal de YouTube, en principio de acceso limitado, en el que subirás los vídeos que vayas elaborando.

2. Los átomos se unen 3. Enlace químico

Taller de ciencias

4.2 Siguiendo en el modelo de buenas prácticas que elaboraste, crea un vídeo en el que expliques las formas en que los elementos pueden conseguir la configuración electrónica del gas noble más cercano. Acompáñalo de esquemas y dibujos, con diferentes ejemplos, para apoyar tus explicaciones.

Proyecto de investigación: Fertilizantes y explosivos

VÍDEO. EL ENLACE QUÍMICO.

Trabajo práctico: Sustancias simples y compuestos

Elabora un vídeo para explicar los distintos modos en que se unen los átomos para formar compuestos. Utiliza algún programa de modelado de moléculas para generar imágenes con las que ilustrar tus explicaciones.

4. Moléculas y cristales 5. Fórmulas químicas 6. Aplicaciones industriales, biomédicas y tecnológicas

En anayaeducacion.es Para motivarte: • Vídeo: «Antes de empezar». • Documentos: «¿Quieres dedicarte a la ingeniería ambiental?», «¿Quieres dedicarte a la microbiología?», «¿Quieres dedicarte a ser químico/a especialista en femtoquímica?». Para detección previa de ideas:

VÍDEO. LA MASA MOLECULAR. Explica en un vídeo cómo se calcula la masa molecular de un compuesto de interés industrial. Puedes incluir en el vídeo una explicación sobre la importancia de dicho compuesto, sus aplicaciones, el proceso de producción, etc.

• Actividad interactiva: Autoevaluación inicial. • Presentación: «Qué necesitas saber». Para estudiar: • Vídeo: «Nanotubos de carbono». • Simulación: «Construye una molécula». • Presentación: «La tabla periódica». • Visualizador de moléculas: Sustancias moleculares, cristales iónicos, cristales metálicos y cristales covalentes. • Presentación: «Para estudiar». Para evaluarte: • Actividad interactiva: Autoevaluación final. • Soluciones de todas las actividades numéricas. Y, además, toda la documentación necesaria para aplicar las claves del proyecto.

+ orientaciones en anayaeducacion.es

1.1 Los ladrillos de la materia Hemos estudiado que la materia está compuesta de átomos, y los distintos tipos de átomos se ordenan según su número atómico en el sistema periódico de los elementos. Muchos de estos elementos químicos se conocen desde la Antigüedad y otros fueron descubiertos una vez que la química alcanzó la entidad de ciencia. Pero ¿cómo fue posible descubrir distintos tipos de átomos antes de conocer siquiera su existencia?

Sustancias simples y compuestas

Para responder a la pregunta anterior, es necesario acudir a una clasificación de las sustancias en función de su composición y determinar si es posible o no descomponer la sustancia: • Sustancias simples, si las unidades que las componen están formadas por átomos del mismo elemento químico. Por tanto, este tipo de sustancias no se descomponen en otras más sencillas. • Sustancias compuestas, o compuestos, si están formadas por la unión de átomos de diferentes elementos químicos. Las sustancias compuestas se pueden descomponer en sustancias simples; por ejemplo, el agua puede descomponerse en dioxígeno y dihidrógeno.

1.2 Elementos naturales y artificiales

Identifica las entidades elementales

De forma general, se puede afirmar que los elementos químicos cuyo número atómico es inferior o igual al del uranio (Z = 92) corresponden a átomos que se encuentran en la corteza terrestre formando sustancias simples o compuestas. Su descubrimiento pasó necesariamente por aislar las sustancias simples formadas por cada uno de ellos.

Observa la imagen de la clasificación de las sustancias puras, en la que cada esfera representa un átomo. ¿Cuál dirías que es la entidad elemental que forma cada una de las sustancias?

El resto de los elementos químicos conocidos se han obtenido por medio de la desintegración radiactiva de otros o en aceleradores de partículas. Su descubrimiento no ha implicado aislar la sustancia simple, sino observar directamente el átomo.

Vuelve sobre esta pregunta al finalizar la unidad.

Sustancia simple o compuesto Sustancia pura

¿Se puede descomponer en otras sustancias por procesos químicos?

115

113 Sí

Nh Co Ni 28

NIHONIO

McGa

MOSCOVIO

Sustancia simple

Tanto los compuestos como las sustancias simples están formados por entidades idénticas entre sí. La diferencia es que las que constituyen los compuestos están formadas por dos o más átomos diferentes.

S 118 Cl

Ts Br OgKr 34

As Se TENESO

OGANESÓN

111

112

113

114

115

116

117

118

108

109

110

117 P

Ru Rh Pd Ag Cd

Compuesto

Au Hg

In Tl

Ds Rg Cn Uut

Sn Pb

Sb Bi

Fl Uup Lv Uus Uuo

Los nuevos elementos químicos descubiertos en los últimos años ya tienen nombre y símbolo. Busca información sobre los nombres de los nuevos elementos químicos. ¿Qué criterios se establecen para nombrarlos?

1.3 Elementos químicos y sustancias simples

Analiza el grupo del hidrógeno

Es importante tener presente que la denominación «elemento» puede referirse tanto al tipo de átomo con el mismo número de protones (es decir, con el mismo número atómico), o bien a la sustancia simple formada por átomos de este tipo. Para evitar que haya confusión, en muchas ocasiones en este libro utilizaremos el término «elemento químico» para denominar al tipo de átomos y no a la sustancia simple. Por ejemplo, el hierro es la sustancia simple formada por átomos del elemento químico hierro.

1.4 Grandes grupos en el sistema periódico De forma complementaria a la agrupación de los elementos químicos en familias o grupos, y en períodos, y atendiendo a ciertas propiedades, podemos clasificar los elementos químicos en:

¿A qué grupo pertenece el hidrógeno? ¿Presenta las mismas propiedades que los metales?

• Metales. La mayoría de los elementos químicos (los representados en color azul en la imagen inferior) son metálicos. Los átomos metálicos pierden electrones con facilidad y, por tanto, forman cationes. • No metales. Al contrario de lo que puede parecer por su nombre, los elementos químicos que se denominan «no metales» no son todos aquellos que no son metales, sino que se trata tan solo de los diez elementos representados en amarillo. Estos átomos forman aniones. • Semimetales. Las sustancias simples formadas por estos elementos químicos comparten con los metales ciertas propiedades, pero presentan también propiedades de las sustancias no metálicas. Son los elementos químicos representados en color verde en la tabla inferior. • Gases nobles. Se trata de los elementos del grupo 18 de la tabla periódica. Las sustancias formadas por estos elementos químicos son gaseosas y están formadas por átomos que no están unidos entre sí. Estas características permiten explicar la carga de los iones y la forma en la que el resto de los elementos químicos se unen entre sí.

Los grupos de elementos en el sistema periódico

Semimetales

Gases nobles

Metales

COMPRENDE, PIENSA, INVESTIGA…

1 Explica la diferencia entre sustancia sim-

No metales He

H Be

Na Mg

Ga Ge

Ru Rh Pd Ag Cd

Xe Rn

Nb Mo Tc

Ba La

Db Sg Bh Hs

ple y elemento químico. Pon un ejemplo de cada uno.

Ra Ac

Cr Mn Fe

Re Os

Au Hg

Ds Rg Cn

Dy Ho

Tm Yb

Es Fm Md No

Consulta la tabla periódica interactiva que te ofrecemos en anayaedu cacion.es y contesta: ¿cuántas filas y columnas tiene el sistema periódico de los elementos químicos?

3 Indica si los elementos químicos siguientes son metales, no metales, gases nobles o semimetales: a) Fósforo, cloro y carbono.

Lantánidos

Actínidos

Nd Pm Sm Eu Gd Td U

Np Pu Am Cm Bk

b) Magnesio, calcio y cinc. c) Argón, xenón y radón. d) Boro, silicio y germanio 95

2.1 El enlace químico Las sustancias simples, como el dicloro, Cl2, y las compuestas, como el amoníaco, NH3, están formadas por entidades elementales que son el resultado de la unión entre átomos, unión que se denomina enlace químico y se produce porque los átomos enlazados son más estables que los átomos aislados, salvo en el caso de los gases nobles, como veremos a continuación.

Los átomos se unen

Un enlace químico es el resultado de la fuerza de atracción que une dos átomos.

2.2 Gases nobles y regla del octeto Si los átomos de los gases nobles no se unen es porque son estables aislados. Observando las características de estos átomos podemos concluir que su estabilidad proviene del número de electrones de su última capa: • El helio (Z = 2), primer gas noble, tiene dos electrones en su última capa. Como esa capa es la única que tiene, esta estará llena.

Extrae conclusiones Explica el diferente color utilizado para ilustrar los electrones de los gases nobles de la imagen.

• El resto de los gases nobles poseen ocho electrones en su última capa, pero no todos tienen su último nivel lleno. De todos ellos, solo el neón tiene su última capa de electrones completa. A partir del neón, los gases nobles no tienen su última capa al completo debido al orden en el llenado de las capas, que se estudiará en otros cursos.

Configuración electrónica de los gases nobles

He HELIO

Ne NEÓN

El helio y el neón tienen su última capa de electrones completa; sin embargo, el argón y el kriptón no tienen esta capa completa, aunque sí poseen ocho electrones en ella.

ARGÓN

KRIPTÓN

En siguientes cursos verás que esta es una primera aproximación a la regla del octeto, que como veremos, es la regla que predice la formación de uniones entre átomos.

Las observaciones anteriores se resumen en la regla del octeto: Los átomos se unen entre sí de tal modo que, como resultado de la unión, posean ocho electrones en su última capa, salvo el H, Li y Be que se quedan con dos electrones. Un átomo puede adquirir la configuración electrónica de gas noble al unirse con otro, lo que quiere decir que como resultado de esa unión el átomo tendrá tantos electrones como un gas noble. Los iones también se forman para tener el mismo número de electrones que un gas noble.

2.3 Formas de alcanzar la configuración

Investiga los tipos de enlace químico

de gas noble

Al estudiar la corteza del átomo vimos que un átomo neutro puede ceder o ganar electrones, dando lugar a un ion. El número de electrones que cede o gana no es cualquiera, sino el necesario para que su última capa tenga los mismos electrones que el gas noble más próximo (dos en el caso del helio y ocho para el resto de gases nobles). Pero hay átomos muy alejados de un gas noble en el sistema periódico, por lo que tendrían que ceder o ganar un número excesivo de electrones. En estos casos ocurre que dos o más átomos comparten electrones entre sí, para cumplir la regla del octeto.

A partir de las formas de conseguir ocho electrones en la capa de valencia que se muestran en el organizador visual, se obtienen tres tipos de enlace químico diferentes: covalente, iónico y metálico. Investiga acerca de los tipos de enlace químico y asigna cada uno de ellos en la parte adecuada del esquema.

Formas de conseguir ocho electrones Los átomos adquieren espontáneamente estabilidad

pueden ser estables como los de

Gases nobles

cediendo electrones

ganando electrones

Cationes

Aniones

que tienen

compartiendo electrones

para adquirir Ocho electrones en su última capa

COMPRENDE, PIENSA, INVESTIGA…

4 Haz un esquema de la corteza de los átomos de los tres primeros períodos del grupo 17 de la tabla periódica. ¿Qué conclusiones extraes?

Los globos de helio flotan en el aire, ya que este gas es menos denso que la mezcla de gases que forman el aire. ¿Crees que es conveniente lanzar globos de helio en un evento sobre medioambiente? Explica tu postura al respecto mediante una redacción.

«Los gases nobles […] normalmente se encuentran en la naturaleza en forma aislada pues su capacidad para reaccionar con otros elementos y formar compuestos es muy reducida. Pero no nula y en el laboratorio se ha estudiado un buen número de moléculas formadas por gases nobles». Agencia SINC, diciembre, 2013. Busca el origen de esta información y analízala.

3.1 Cargas eléctricas de los iones Mediante la regla del octeto se puede justificar que los iones de ciertos elementos químicos tengan una determinada carga eléctrica. Por ejemplo, el aluminio forma cationes Al3+; el bario, Ba2+; el cloro, aniones Cl–, y el azufre, S2–. Esto es así porque, de este modo, estos elementos alcanzan la configuración electrónica del gas noble más cercano.

Enlace químico

Podemos conocer la carga del ion aplicando esta secuencia: • A partir del grupo del sistema periódico deducimos el número de electrones en la última capa. • Conociendo el número de electrones de la última capa, sabremos cuántos le faltan o le sobran para tener los mismos que el gas noble más próximo y, con ello, la carga del ion que se forma.

3.2 Enlace iónico Hemos visto, en cursos anteriores, que una de las formas en que la materia adquiere carga eléctrica es mediante el intercambio de electrones entre los átomos que la forman. Por tanto, para que se forme un anión es necesario que simultáneamente se forme un catión, produciéndose el intercambio de electrones entre ambos. Cuando este intercambio ha ocurrido, existen dos iones de cargas contrarias, lo que da lugar a la atracción eléctrica entre ambos. Un enlace iónico es el resultado de la fuerza de atracción entre cationes y aniones por ser las cargas de estos de signo contrario. Veremos, a continuación, que el enlace iónico no se produce en dos iones aislados, sino entre un gran número de ellos.

Carga de iones a partir de su posición en el SI 1 1

HIDRÓGENO

LITIO

16 8

OXÍGENO

BERILIO

Na Mg SODIO

POTASIO

RUBIDIO

MAGNESIO

CALCIO

ESTRONCIO

ESCANDIO

ITRIO

AZUFRE

SELENIO

TELURO

17 9

FLÚOR

CLORO

BROMO

YODO

N.º electrones valencia

Ceden o ganan

Carga del ion

Ceden

Ganan

–2

Ganan

–1

HELIO

Ne NEÓN

ARGÓN

KRIPTÓN

XENÓN

Los elementos de los grupos más próximos al grupo 18 (gases nobles) ceden o ganan un número de electrones igual o inferior a cuatro, formando iones. De esta manera consiguen tener el mismo número de electrones que el gas noble más cercano. Así, el flúor ganará un electrón, formando F–, y el magnesio perderá dos, dando lugar a Mg2+.

Grupo

Lo expuesto aquí sirve para conocer la carga de los iones de los elementos de los grupos de esta tabla. Para el resto de elementos del sistema periódico, pues también hay elementos de otros grupos que forman iones, la deducción de la carga no es tan sencilla, como verás si estudias química en cursos superiores.

3.3 Uniones de átomos

compartiendo electrones Algunos átomos se unen a otros compartiendo electrones entre ellos, lo que puede dar lugar a dos tipos de uniones, o enlaces, totalmente diferentes: el enlace covalente y el enlace metálico. Las sustancias que presentan enlace covalente tienen propiedades físicas y químicas muy diferentes a las de las sustancias con enlace metálico. • Enlace covalente. Es la unión entre dos átomos de elementos del grupo de los no metales, que pueden ser del mismo elemento químico o de elementos químicos diferentes, los cuales comparten pares de electrones. Los electrones que se comparten pertenecen a la vez a ambos átomos, ya que son atraídos por cada uno de los núcleos de los dos átomos enlazados. Se trata de un tipo de unión muy estable y, por tanto, muy difícil de separar. • Enlace metálico. Es la unión de los átomos de un mismo metal resultado de que todos ellos comparten de forma colectiva algunos de sus electrones.

EJERCICIOS RESUELTOS

1 Indica qué tipo de ion formará el berilio a partir de la información sobre su ubicación en el sistema pe riódico. ¿A qué gas noble corresponde la corteza electrónica del ion formado? El berilio está en el segundo grupo y segundo pe ríodo, por lo tanto su capa de valencia es la segunda y tiene dos electrones. Formará un catión Be2+ al perder estos dos electrones y quedar con la misma distribución de electrones en su corteza que el helio.

2 Utilizando el método que hemos aprendido para justificar la carga de iones, indica qué tipo de ion forma el hidrógeno. El hidrógeno tiene un electrón en su capa de valencia, por lo que puede: –G anar un electrón y que su corteza quede como la del helio, formando H–. –P erder un electrón y quedar sin electrones, formando H+. Este ion del hidrógeno se conoce también como protón.

Estructura del enlace covalente y el enlace metálico

El agua, H2O, está formada por un átomo de oxígeno que está unido a dos átomos de hidrógeno, compartiendo con cada uno de ellos un par de electrones.

El enlace metálico se basa en la atracción de cada uno de los átomos cargados de la red con los electrones que ceden al conjunto.

COMPRENDE, PIENSA, INVESTIGA…

7 Deduce qué carga tendrán los iones de los elementos si-

8 Indica si es posible que las siguientes parejas de átomos

guientes, refiriéndolos al gas noble más cercano en el sistema periódico: a) Cloro. b) Potasio. c) Boro. d) Oxígeno.

se unan, atendiendo a la carga de los iones que forman: a) Cloro y flúor. b) Sodio y litio.

Moléculas y cristales

Las entidades elementales que componen las sustancias pueden ser átomos individuales o agrupaciones de dos o más átomos. El calificativo elemental se utiliza porque estas entidades representan la menor porción posible de una sustancia, ya sea simple o compuesta. Las entidades elementales formadas por varios átomos pueden ser moléculas o cristales.

4.1 Moléculas La mayoría de las sustancias están formadas por moléculas, que son el resultado de la unión de átomos de elementos no metálicos compartiendo los electrones; es decir, son el resultado de enlaces covalentes. Una molécula es una entidad elemental formada por átomos unidos entre sí mediante enlace covalente. Los átomos que forman una molécula pueden ser del mismo o de diferentes elementos químicos. El número de átomos que componen una molécula determinada no es variable, sino que todas las moléculas de una sustancia tienen el mismo número y tipo de átomos.

Interpreta modelos moleculares

Existen moléculas sencillas, como el dicloro o el agua; otras más complejas, como la glucosa, y otras de gran complejidad, como las proteínas, cuya función en el organismo está determinada por su estructura tridimensional.

4.2 Cristales

En los modelos moleculares, la unión entre átomos se representa por barras y los átomos por esferas.

En el estado sólido, las partículas presentan un orden tridimensional. Esta estructura se denomina cristal.

¿Cuántos átomos tiene una molécula de glucosa? ¿A cuántos átomos está unido cada nitrógeno (esfera azul) en una molécula de amoníaco?

Un cristal es una estructura tridimensional que mantiene un orden regular en las unidades que la forman. Existen sólidos que no están formados por cristales, se denominan sóli dos amorfos.

Modelos para representar las moléculas

Moléculas de amoníaco.

100

Moléculas de agua.

Molécula de glucosa.

Los cristales se clasifican según la entidad elemental que se repita en su estructura: cristales iónicos, metálicos o covalentes.

Tipos de cristales

• Los cristales iónicos están formados por cationes y aniones que se unen como resultado de la atracción de cargas eléctricas de signo contrario; es decir, como resultado de enlaces iónicos. • Los cristales metálicos están formados por átomos del mismo metal, que comparten sus electrones. Los electrones de la red metálica se mueven libremente por la misma, con mayor o menor facilidad en función del elemento metálico que forme la red. • Los cristales covalentes son resultado de la unión de átomos de elementos no metálicos mediante enlace covalente. Por ello, los electrones en estas redes no se mueven libremente. Esta variedad de uniones entre los átomos que forman cada tipo de cristal da como resultado propiedades muy diferentes entre sí.

Los aniones (verde) y los cationes (violeta) de la sal común (NaCl) se unen formando un cristal iónico.

• Las sustancias formadas por cristales iónicos, llamadas sales, son frágiles y solubles en agua, como el cloruro de sodio. • Las sustancias formadas por cristales metálicos, llamadas metales, son conductoras de la electricidad, flexibles, dúctiles y maleables. Se trata de sustancias simples como el hierro. • Los sólidos covalentes, que es como se denomina a las sustancias formadas por cristales covalentes, son duros, no conducen la electricidad y son muy estables. Un ejemplo es el diamante. COMPRENDE, PIENSA, INVESTIGA…

Haz un esquema en el que se relacione la información de las uniones entre átomos con el tipo de entidades elementales que pueden tener las sustancias.

Visualiza los distintos tipos de cristales que te ofrecemos en anayaeducacion.es y explica cuáles son las diferencias entre un cristal iónico, uno metálico y uno covalente.

A partir de lo estudiado, propón un método para identificar los distintos tipos de cristales.

Veo, pienso, me pregunto. Investiga sobre el material que se ubica en la parte alta de la torre de una central termosolar y expón tus conclusiones.

Busca información sobre el cuarto tipo de cristal que no está mencionado en este texto, el cristal molecular, y explica cómo está constituido, así como algunas de sus características.

En los metales, los electrones se comparten de forma colectiva, y tienen libertad de movimiento.

El diamante es una red cristalina covalente de átomos de carbono. Es la segunda forma más estable del carbono.

101

5.1 Fórmulas químicas A partir del nombre común de una sustancia, por ejemplo el amoníaco, sin otra información adicional, no es posible saber si se trata de una sustancia simple o de un compuesto. Sin embargo, si disponemos de la fórmula química sí podremos deducir de qué tipo de sustancia se trata.

Fórmulas químicas

Sustancias simples Fórmula

Nombre

Fórmula

Nombre

Hierro

Al2O3

Óxido de aluminio

Cl2

Dicloro

NH3

Amoníaco

Formulación química Consulta el anexo de formulación para familiarizarte con la manera de escribir las fórmulas químicas y nombrar las sustancias.

Compuesto

En el caso de la sustancia simple formada por cloro, su nombre puede ser dicloro, dando así información sobre el subíndice de la fórmula, o simplemente cloro. En este último caso se puede confundir la denominación de la sustancia con la del elemento químico que la forma.

5.2 Interpretación de fórmulas químicas Las fórmulas químicas ofrecen información de dos clases: • Cualitativa, puesto que indican cuáles son los elementos químicos cuyos átomos forman las entidades elementales de la sustancia. • Cuantitativa, a través de los subíndices de cada símbolo químico. En el caso de que el subíndice sea el valor «1», este no se escribe.

Interpretación de una fórmula química Número de símbolos químicos Uno

Tipo de elementos que la componen Sustancia simple

Metal

Cristal

No metal

Cristal covalente

Molécula

Cl2

Fórmula química

Varios

Compuesto

Metal + No metal

No metal + No metal

102

Ejemplo

Cristal

Molécula

Explicación

El subíndice 1 (que no se escribe) indica que solo existe ese elemento en el cristal.

El subíndice indica el número de átomos que forma cada molécula.

Al2O3

Los subíndices indican la proporción de cada ion en el cristal.

CH4

Los subíndices indican el número de átomos de cada elemento presentes en la molécula.

5.3 Masa molecular y masa de la unidad

Molécula de butano

fórmula

Las propiedades de una sustancia química están determinadas por las de la entidad elemental que las compone. Una de estas características es la masa molecular o la masa de la unidad fórmula. Se denomina masa molecular de una sustancia a la masa de su molécula, que se obtiene a partir de su fórmula química, sumando las masas atómicas de los átomos que componen dicha molécula. En el caso de las sustancias simples moleculares, la masa molecular tiene en cuenta el número de átomos que forman la molécula.

m (CH4) = 1 · m (C) + 4 · m (H)

Cristal de fluoruro de bario

En sustancias formadas por cristales, la masa de su entidad elemental se denomina masa de la unidad fórmula. La masa de la unidad fórmula de una sustancia pura es la suma de las masas de los átomos que se representan en la fórmula de la sustancia. Para cuantificar la masa de una unidad de una sustancia formada por cristales, por ejemplo el fluoruro de bario, BaF2, que es un cristal iónico, utilizamos la fórmula del compuesto. Así, la masa de su unidad fórmula es la masa de un átomo de bario, Ba, y dos de flúor, F.

m (BaF2) = m (Ba) + 2 · m (F)

EJERCICIOS RESUELTOS

3 Calcula la masa de la unidad fórmula del óxido de alu minio a partir de esta información: un cristal de óxido de aluminio contiene dos átomos de aluminio por cada tres átomos de oxígeno; m (Al) = 27 u, m (O) = 16 u. La fórmula del compuesto es: Al2O3. La masa de la unidad fórmula será: m (Al2O3) = 2 · m (Al) + 3 · m (O) Sustituyendo: m (Al2O3) = 2 · 27 u + 3 · 16 u = 102 u

4 Calcula la masa molecular del agua oxigenada (H2O2).

¿Será mayor o menor que la masa molecular del agua? La masa molecular será: m (H2O2) = 2 · m (H) + 2 · m (O) A partir de los valores de masa atómicas del sistema periódico: m (H2O2) = 2 · 1,008 u + 2 · 15,999 u = 34,014 u Este valor es mayor que la masa molecular del agua, que tiene un átomo menos en su molécula.

COMPRENDE, PIENSA, INVESTIGA…

14 Calcula la masa molecular de las sustancias cuyas fór-

16 Indica si las siguientes sustancias están formadas por

mulas son: a) SO3, b) N2O3, c) FeS, d) Na2O. ¿Es correcto hablar de masa molecular en todos estos casos? ¿Por qué?

moléculas o cristales. Calcula la masa de la unidad fórmula o la masa molecular (utiliza para ello la información de la tabla periódica):

El hipoclorito de sodio se utiliza como agente desinfectante en la potabilización de aguas. Busca la fórmula química de este compuesto y calcula la masa de su unidad fórmula.

a) Óxido de bario.

d) Amoníaco.

b) Hidruro de cinc.

e) Cloruro de bario.

c) Arsano.

f) Óxido de aluminio.

103

Multitud de sustancias químicas, simples o compuestas, sirven de base para la fabricación de productos de alto valor añadido.

Aplicaciones industriales, biomédicas y tecnológicas

Algunas de las áreas de investigación en química consisten en el diseño de nuevas sustancias, o el descubrimiento de nuevos usos en sustancias conocidas. Según sea el ámbito de uso o aplicación de las sustancias químicas, podemos citar aplicaciones industriales, biomédicas y tecnológicas.

6.1 Aplicaciones industriales Los compuestos químicos de mayor relevancia en la industria sirven, a su vez, de materia prima para otros productos, entre ellos destacan: • Ácido sulfúrico (H2SO4). Es el compuesto químico más producido en el mundo. La producción de este ácido se considera un indicador de la capacidad industrial de un país, puesto que sirve de materia prima para la fabricación de otros productos. La mayor parte de la producción de ácido sulfúrico se destina a la fabricación de fertilizantes. • Amoníaco (NH3). El proceso de fabricación del amoníaco a partir de hidrógeno y nitrógeno supuso en su día una gran revolución, puesto que se conseguía obtener fertilizantes de forma artificial y no depender de las fuentes naturales. Los abonos son sustancias de origen natural o artificial que poseen nutrientes que pueden ser asimilados por las plantas. • Ácido clorhídrico (HCl). El ácido clorhídrico se utiliza en procesos de tratamiento de aguas residuales, en la producción de alimentos y en la fabricación de otros productos químicos. Además, se utiliza para eliminar el óxido y las impurezas de acero antes de su procesado.

6.2 Aplicaciones biomédicas La biomedicina engloba las ciencias que estudian el desarrollo de nue vos fármacos, o principios activos, y la comprensión a nivel molecular de los mecanismos que causan las enfermedades. Los dos objetivos de la biomedicina están íntimamente relacionados, pues conocer las interacciones entre moléculas en las enfermedades es el punto de partida para desarrollar nuevos fármacos, o proponer nuevas aplicaciones de los principios activos ya existentes.

Producción de ácido sulfúrico Producción de ácido sulfúrico en la CEE Bélgica y Luxemburgo 12 % Reino Unido 18 % Alemania 17 % Francia 12 %

España 15 %

Italia 9 % Finlandia 9 % Grecia 4 % Noruega 4 % Suecia 4 %

Países bajos 6 %

Los países más industrializados son los mayores productores de ácido sulfúrico.

104

Los procesos industriales de obtención de ácido sulfúrico requieren de instalaciones de gran complejidad.

Avances en biomedicina

Recientemente se ha descubierto que el magnesio puede estar implicado en la resistencia que algunas bacterias presentan ante ciertos antibióticos.

El desarrollo de nanopartículas capaces de hacer llegar fármacos hasta el interior de los tumores es una faceta prometedora de la investigación en biomedicina.

La acción de la quinolina sobre los glóbulos rojos afectados por malaria es uno de los últimos descubrimientos en biomedicina.

6.3 Aplicaciones tecnológicas El diseño de nuevos materiales con aplicaciones electrónicas ha permitido un avance exponencial de la tecnología en las últimas décadas. En este avance han tenido un gran protagonismo los semiconductores, como el silicio, y materiales como el grafeno. En los últimos años, la investigación sobre muchos materiales con aplicaciones prometedoras ocupa un espacio destacable en la innovación y el desarrollo de la química.

Avances en biomedicina +

– –

–

– –

El grafeno es un material formado por una capa de átomos de carbono con multitud de aplicaciones; como los nanocircuitos de grafeno.

–

– –

El antimonene, un nuevo material bidimensional de espesor monoatómico compuesto por átomos de antimonio, presenta prometedoras propiedades en el almacenaje de energía.

COMPRENDE, PIENSA, INVESTIGA…

Busca el pictograma de seguridad de las sustancias que se nombran en la página anterior y enumera cuáles son los riesgos de su manejo.

El espejo. Busca información sobre el antimonene y el grafeno y enumera las similitudes entre estos materiales y las ventajas de uno frente al otro.

Para llegar al campo profesional de la bioquímica, puedes optar por ciclos formativos de la familia química, o una gran variedad de grados universitarios relacionados con las ciencias y las ciencias de la salud.

El campo de la bioquímica está muy relacionado con ámbitos como la medicina o la farmacología, y se

Nombra tres profesiones que combinen la química con otra rama de conocimiento.

trabaja en equipos con expertos de otras áreas haciendo uso de las tecnologías más punteras.

105

Taller de ciencias

Fertilizantes y explosivos

Proyecto de investigación Introducción Los fertilizantes son sustancias naturales o sintéticas que se añaden a los suelos de cultivo para enriquecerlos en uno, o varios, de los tres elementos necesarios para la vida de las plantas: nitrógeno, fósforo y potasio. Hasta el siglo xx se utilizaban fertilizantes nitrogenados de origen natural: el guano (procedente de Perú) y el salitre (nitrato de sodio proveniente de yacimientos en Chile, comercializado con el nombre de nitrato de Chile). En 1913 los químicos alemanes Fritz Haber y Carl Bosch consiguieron fijar el nitrógeno de la atmósfera (N2) en forma de amoníaco (NH3) desarrollando un proceso industrial de gran importancia, el conocido como proceso Bosch-Haber de síntesis de amoníaco. Posteriormente, este proceso sirvió para sintetizar fertilizantes en el resto del mundo, lo que cambió drásticamente, durante el siglo xx, la capacidad de producción agrícola mundial.

Crecimiento anómalo de algas resultantes de eutrofización.

Objetivo Realizar una investigación documental sobre las repercusiones del uso de fertilizantes sintéticos.

Procedimiento

Rompecabezas

Organizad la clase en pequeños grupos de trabajo y haced una búsqueda en Internet sobre los siguientes temas: • La eutrofización, para lograr la meta 6.3 de los ODS. • La agricultura ecológica y el acceso a los alimentos, siguiendo la meta 2.3 de los ODS. • Los efectos de la agricultura intensiva sobre el medioambiente, para lograr la gestión sostenible y el uso eficiente de los recursos naturales (meta 12.2 de los ODS). REFLEXIÓN FINAL

1 Todos los descubrimientos tienen una aplicación beneficiosa para la sociedad y alguna controversia. Conocer ambas permite tener una visión crítica acerca de su uso y aplicaciones. Indica los pros y los contras del uso de fertilizantes sintéticos en agricultura.

2 Los problemas que afectan al conjunto de la sociedad mundial conciernen a todos los que formamos parte de esta. Como parte de la ciudadanía elabora una lista con tus conclusiones en este trabajo.

106

• La vida de Fritz Haber y la controversia con su premio nobel de Química.

Resultados A partir de la información encontrada elaborad unos paneles para el aula que relacionen los temas tratados con los Objetivos del Milenio de este proyecto. Decidid entre todos la estructura de estos paneles y el soporte en el que van a ser elaborados.

Discusión, conclusiones y comunicación del resultado Organizad una exposición y mesa redonda con otro grupo clase para difundir vuestro trabajo y para utilizarlo como soporte de discusión crítica. Elaborad un acta de la mesa redonda donde se recojan conclusiones y compromisos.

Sustancias simples y compuestos

Trabajo práctico Planteamiento del problema Al mezclar hierro y azufre obtenemos una mezcla heterogénea. Sin embargo, si calentamos esta mezcla, ¿obtenemos una nueva sustancia? ¿Cómo podemos saber si se trata de una sustancia nueva? Tu propuesta Recuerda alguna propiedad del azufre y del hierro que te permita identificarlos y haz un planteamiento para comprobar si al calentar la mezcla se obtienen sustancias nuevas. Nuestra propuesta Una característica del hierro es que este puede ser atraído por un imán. Esta propiedad nos permitirá diferenciar entre hierro en estado elemental y un compuesto en el que el hierro está presente.

En tu informe de laboratorio puedes adjuntar una fotografía de cada sustancia elemental, de la mezcla de ellas y del compuesto obtenido en la práctica.

Material • Azufre • Virutas de hierro • Dos vasos de precipitados • Vidrio de reloj • Crisol • Espátula • Mechero bunsen • Varilla de acero • Imán • Guantes para manejo de elementos calientes • Gafas de seguridad. Adicionalmente ácido clorhídrico y tubos de ensayo.

Orientaciones para la realización de la experiencia • Para formar el compuesto formado por hierro y azufre, es necesario calentar la mezcla utilizando una varilla de metal previamente calentada. Utiliza guantes de protección para elementos calientes y gafas de seguridad, y toma todas las precauciones necesarias. • Una vez obtenido el compuesto químico, estará a una elevada temperatura. Prevé en tu planteamiento experimental un tiempo para que el compuesto se enfríe. • Coloca en un vaso de precipitados dos espátulas de azufre y una de virutas de hierro, mézclalo con una varilla de vidrio y rotúlalo como «mezcla».

• Prepara la misma mezcla que en el punto anterior, pero en este caso en el crisol. Calienta la varilla de metal a la llama del mechero Bunsen (utilizando los elementos de seguridad) y después coloca la varilla en el crisol. Observa los fenómenos que ocurren y apunta los resultados en tu cuaderno. • Realiza las pruebas que hayas planteado para diferenciar entre la mezcla y el compuesto. Previamente escribe el planteamiento experimental y pregunta a tu profesor por alguna prueba adicional que se pueda llevar a cabo.

EXTRAE CONCLUSIONES...

1 ¿Cuentan con las mismas propiedades la mezcla y el compuesto químico final? Explica las evidencias experimentales que hayas encontrado.

2 Describe lo que ha ocurrido en el crisol desde dos puntos de vista: la observación y la aplicación de los modelos vistos en la unidad.

3 La sustancia que se ha formado en el crisol es monosulfuro de hierro. a) Escribe su fórmula química. b) ¿Es una sustancia molecular o se trata de un cristal? Interpreta el significado de su fórmula química.

107

COMPRENDE Organiza tus ideas

Mapa conceptual sistémico

1 Añade en el esquema inferior los siguientes conceptos: sustancias simples y compuestos.

Haz otro mapa conceptual en el que resumas todos los contenidos de la unidad.

Los átomos se unen

para ganar estabilidad

dando lugar a

Cediendo/ganando electrones

Compartiendo electrones

formando

Enlace iónico

Enlace metálico

Átomos del mismo elemento químico

Átomos de distinto elemento químico

Enlace covalente

que pueden ser

Moléculas

que constituyen

? ................................

Las soluciones de todas las actividades numéricas se encuentran en anayaeducacion.es.

Sustancias simples y compuestos 1 Busca información sobre la fórmula de las sustancias siguientes: metano, etano, propano y butano. a) ¿Son sustancias simples o compuestos? b) ¿Se podrían descomponer en otras sustancias más sencillas? 2 El nombre de algunos elementos químicos hace referencia a un científico, al que se honra de esta forma. Por ejemplo, el meitnerio se llama así en honor a Lisa Meitner, codescubridora de la fisión nuclear. Indaga a quién se honra con el nombre de los elementos químicos de número atómico 104, 107, 96, 99, y busca una referencia sobre su aportación a la ciencia.

108

Entidades elementales

compuestas por

Cristales

3 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y explica por qué: a) Los metales son buenos conductores de la electricidad, pero malos conductores del calor. b) Los metales tienden a formar cationes, ganando electrones. c) Los metales son quebradizos y frágiles. d) Se pueden fabricar hilos y láminas hechos de metales. 4 Busca el nombre y el año de descubrimiento de los elementos de número atómico 113, 115, 117 y 118. 5 Clasifica los siguientes elementos en metales, no metales, semimetales y gases nobles: sodio, calcio, plata, argón, nitrógeno, helio, fósforo y silicio.

Recuerda seleccionar el material de trabajo de esta unidad para tu porfolio.

6 Indica si estos elementos químicos son naturales o artificiales y escribe su símbolo químico: escandio, rutenio, americio, laurencio y wolframio. Los átomos se unen 7 ¿Cuáles son los únicos elementos que se encuentran en la naturaleza como átomos aislados? ¿A qué grupo del sistema periódico pertenecen? 8 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) Todos los átomos de los gases, sin excepción, tienen completa su última capa. b) En cada átomo de helio se pueden albergar hasta seis electrones más en su capa más externa. c) Todos los átomos de los gases nobles tienen ocho electrones en su última capa.

9 Indica los dos mecanismos según los cuales pueden unirse los átomos. ¿Cuántos electrones deben quedar en su última capa para que la especie química sea estable? ¿Cómo se conoce esta regla? 10 Recuerda el modelo de capas que hemos estudiado para la estructura de la corteza del átomo y elabora una tabla con el número que corresponde a cada capa, la letra que se utiliza para denominarla y el número máximo de electrones que se pueden albergar en cada una de ellas. 11 Indica si las siguientes parejas de elementos químicos se pueden unir compartiendo electrones o como el resultado de que uno de ellos ceda electrones y el otro gane electrones. a) Sodio y flúor.

14 Indica si el esquema de la corteza de un átomo de la imagen puede pertenecer a un gas noble, a un catión o a un anión. En el caso de los iones, indica de qué elemento químico son.

17 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y explica por qué: a) La unión entre un átomo de carbono y uno de hidrógeno corresponde a un enlace iónico. b) En un enlace metálico los electrones no quedan asociados a ninguna pareja de átomos. c) Átomos de distinto elemento metálico se pueden unir entre sí. d) El calcio puede formar aniones o cationes, ganando o cediendo dos electrones indistintamente. 18 Completa la tabla en tu cuaderno. Elemento Cl (Z = 17)

Mg (Z = 12)

Enlace químico 12 Basándote en la regla del octeto, indica la carga de los iones estables de estos elementos químicos: berilio, calcio, sodio y azufre. 13 ¿Cuántos electrones tiene en su última capa un ion Li+ (número atómico del litio 3)? ¿Incumple la regla del octeto? Explica tu respuesta.

Ion que se formará

–

Cl–

N.º de electrones por capa

F (Z = 9)

c) Magnesio y oxígeno.

f) Hidrógeno y sodio.

–

16 El hidrógeno puede formar un catión o un anión. Deduce la carga de cada uno de ellos y razona sobre su estabilidad.

K (Z = 19)

e) Carbono y oxígeno.

15 Explica si los siguientes iones son estables o no: a) Li–. c) B–. e) Ca2+. g) Al2+. b) Cl3+. d) Ar2+. f) O2–. h) S2–.

b) Azufre y oxígeno. d) Azufre y calcio.

–

B (Z = 5) O (Z = 8)

19 ¿Es posible que se forme un enlace iónico entre dos átomos? ¿Y si se trata de un enlace covalente? 20 Indica cuáles de los iones siguientes tienen los mismos electrones que un gas noble y escribe el nombre del gas noble. a) Li+. c) Al3+. e) S2–. b) Na+. d) K+. f) N3–.

109

Moléculas y cristales 21 Atendiendo a estas características indica de qué tipo de sustancias se trata: a) Sólido, soluble en agua que conduce la electricidad en estado líquido. b) Red cristalina no soluble en agua y no conductora de la electricidad. c) Sólido que conduce la electricidad. d) Gas monoatómico. 22 Razona acerca de la veracidad o la falsedad de las siguientes afirmaciones: a) Una molécula está formada por un número indeterminado de átomos. b) En las moléculas, cada átomo se une a los demás compartiendo sus electrones con el resto de los átomos de la moléculas. c) Las moléculas pueden tener un máximo de diez átomos. d) En una molécula cada átomo está unido a uno o varios átomos. Los electrones se comparten entre parejas de átomos. 23 Indica si las afirmaciones son verdaderas o falsas. a) Un cristal es una estructura ordenada formada por átomos. b) Los compuestos con estructura cristalina suelen ser sólidos en condiciones ambientales. c) El número máximo de entidades elementales en un cristal es 1023. d) El número máximo de entidades elementales de un cristal depende del compuesto de que se trate. e) En una red cristalina metálica los electrones se mueven libremente. f) Los cristales iónicos tienen carga eléctrica neta distinta de cero. 24 Explica por qué los metales conducen la electricidad y, sin embargo, los cristales iónicos y los cristales covalentes no. 25 Escribe las fórmulas químicas de los siguientes compuestos teniendo en cuenta que el rojo representa oxígeno, el negro carbono, el blanco hidrógeno y el amarillo azufre.

110

26 Indica cuántas uniones entre átomos hay en las moléculas del ejercicio anterior. Estas uniones, ¿son el resultado de ceder o ganar electrones, o bien de compartirlos? 27 Explica el significado de las fórmulas químicas de estos compuestos iónicos: a) MgCl2. b) KI. c) CaF2. d) Na2O.

28 Explica qué mantiene unidas las unidades elementales de cada tipo de cristal. 29

Consulta en el visualizador de moléculas que te ofrecemos en anayaeducacion.es la estructura cristalina del óxido de silicio (SiO2). Explica por qué en la fórmula química de este compuesto corresponde un subíndice uno para el silicio y dos para el oxígeno.

Fórmulas químicas 30 Clasifica las sustancias siguientes en la tabla del enunciado, copiándola en tu cuaderno. Fórmula

Tipo de sustancia

Tipos de elementos

Entidad elemental

H2O

Compuesto

No metal-no metal

Molécula

Fe2O3 CaO HCl Na2S N2 NH3 C2H6

31 Explica la diferencia entre masa molecular y masa de la unidad fórmula. Pon un ejemplo de una sustancia para la que es adecuado hablar de masa molecular y otro de una sustancia para la cual es preciso usar la masa de la unidad fórmula. 32 A partir de los datos de masas atómicas promedio, calcula la masa molecular de estas sustancias: a) H2.

b) CH4.

c) NH3.

d) C2H6O.

Elemento

Masa atómica

Hidrógeno

1,01 u

Carbono

12,01 u

Oxígeno

16,00 u

Nitrógeno

14,01 u

33 Relaciona cada una de las fórmulas del ejercicio anterior con la representación de su molécula e indica si se trata de sustancias simples o compuestos:

organismo. Investiga sobre esta enfermedad que constituye un problema de salud mayor en muchos países tropicales y subtropicales. A partir del enunciado de la actividad y del vídeo sobre la meta 3.3 de los ODS, responde al cuestionario. a) ¿Qué estructura del organismo es dañada por la malaria? b) ¿Cuáles son los síntomas de esta enfermedad? c) ¿Qué tipo de tratamiento requiere? d) ¿Cuáles son las formas de prevención de la malaria? e) ¿Qué papel juegan los pesticidas en la extensión de esta enfermedad?

34 Calcula la masa de la unidad fórmula de los compuestos siguientes: a) K2S. b) BaS. c) BaCl2. d) KCl.

37 Uno de los tratamientos clásicos de la malaria es la quinolina, cuyo mecanismo se ha desvelado recientemente. A partir de la figura:

Utiliza para ello las masas atómicas promedio del sistema periódico del libro de texto.

Aplicaciones industriales, biomédicas y tecnológicas 35 Una de las sustancias representadas en la actividad 23 aparece en las diversas transformaciones que constituyen el proceso de síntesis del ácido sulfúrico; indica cuál es y qué efectos medioambientales tiene. 36

La malaria es una enfermedad causada por un parásito que se transmite por la picadura de un mosquito anofeles infectado. La enfermedad ataca estructuras fundamentales para el funcionamiento del

a) Escribe la fórmula de este compuesto, sabiendo que el negro representa al carbono, el blanco al hidrógeno y el azul al nitrógeno. b) Indica cuántas uniones entre átomos hay y de qué tipo de enlace se trata. c) ¿Es la quinolina una molécula o un cristal?

REFLEXIONA En esta unidad habrás creado un canal seguro al que empezar a subir los vídeos que has hecho basados en contenidos ya conocidos y que habrás presentado de forma sencilla, respetando las normas establecidas en nuestro protocolo. Reflexiona sobre tu aprendizaje rellenando el cuestionario disponible en anayaeducacion.es. Aspectos

Lo comprendo y podría explicárselo a mis compañeros

No lo comprendo del todo bien. Se me plantean algunas dudas

No lo entiendo

No lo sé

Creamos un canal de YouTube específico configurándolo para tener un acceso privado pero al que todos los integrantes del grupo teníamos acceso. ...

PON A PRUEBA TUS COMPETENCIAS Realiza la evaluación competencial incluida en anayaeducacion.es

111

5 Reacciones químicas ESTUDIO DE LAS TRANSFORMACIONES El núcleo principal de la química es el estudio de los cambios químicos; es decir, la transformación de unas sustancias en otras. Igual que en otras disciplinas científicas, el conocimiento que tenemos hoy en día sobre esto se asienta en las conclusiones que se han extraído de las experiencias desarrolladas desde tiempos remotos. En los laboratorios de investigación química, entre otras actividades, se desarrollan técnicas para hacer más eficientes las reacciones químicas de utilidad industrial, se estudian todos los factores que afectan a las combinaciones químicas que tienen lugar en el medioambiente y se diseñan reacciones específicas para obtener productos de utilidad social. Uno de los retos más relevantes de nuestra sociedad es revertir el cambio climático. Esta alteración del clima mundial, que se manifiesta en un aumento de la temperatura media del planeta, tiene su origen en la emisión a la atmósfera de cantidades de dióxido de carbono por encima de los niveles naturales, sobre todo desde las grandes revoluciones industriales y la posterior proliferación de industrias en el mundo. 130

COMPROMISO ODS

Distribuidos por equipos, contestad a las actividades siguientes:

1. Se supone que durante el año 2020 se debía haber conseguido alcanzar la meta 13.a de los Objetivos de Desarrollo Sostenible. ¿Creéis que ha sido así? ¿Qué medidas se os ocurren para lograr su consecución? Informaos sobre qué es «El Fondo Verde para el Clima», cuál es su función y quién forma parte de él. Exponed vuestros hallazgos en voz alta, por turnos, y haced una puesta en común sobre lo que hayáis encontrado. 2. A partir de la meta 13.3 de los Objetivos de Desarrollo Sostenible, explicad la importancia del objetivo 4 para conseguir que el cambio climático sea algo verdaderamente posible. 3. Muchas de las reacciones químicas que se llevan a cabo en la industria, expulsan gases y residuos tóxicos al medioambiente. Explicad la peligrosidad de este hecho teniendo en cuenta las metas 3.4 y 3.9 de los ODS.

¿Qué vas a descubrir? En esta unidad Estudio de las transformaciones 1. Cambios en la composición de las sustancias 2. Teoría atómica de las reacciones químicas 3. Ecuaciones químicas 4. Leyes ponderales y ecuaciones químicas 5. Cantidad de sustancia 6. Química, medioambiente y sociedad Taller de ciencias Proyecto de investigación Trabajo práctico. Reacciones químicas con sustancias gaseosas

En anayaeducacion.es Para motivarte: • Vídeo: «Antes de empezar». • Documento: «¿Qué estudios universitarios y de formación profesional podrías cursar para trabajar en la industria química?». Para detección previa de ideas: • Actividad interactiva: Autoevaluación inicial. • Presentación: «Qué necesitas saber». Para estudiar: • Vídeos: «Formación de amoníaco», «Oxidación de una manzana», «Combustión del propano» y «Ciclo del carbono». • Presentaciones: «Evidencias de una reacción química», «La cantidad de sustancia: el mol» y «Para estudiar». • Laboratorios virtuales: «Balanceo de ecuaciones químicas» y «Reactivos, productos y excedentes». Para evaluarte: • Actividad interactiva: Autoevaluación final. • Soluciones de las actividades numéricas. Y, además, toda la documentación necesaria para aplicar las claves del proyecto.

SECUENCIA DE APRENDIZAJE VÍDEO. EXPERIMENTO SENCILLO SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN. 7.1 Elige una reacción química que puedas realizar en diferentes condiciones para variar la velocidad de reacción. La reacción elegida puede ser, por ejemplo, la oxidación de una fruta, como una manzana, en presencia de oxígeno, reacción que puede estudiarse en función de la cantidad de oxígeno existente, la cantidad de luz, la presencia de ácidos, etc. 7.2 Muestra en un vídeo el proceso y explica la reacción que tiene lugar. En esta ocasión, el vídeo será un poco más complejo porque requerirá combinar imágenes reales con otro tipo de material digital, como voz, audio, esquemas, etc. Para la grabación puedes usar la cámara de un móvil, donde podrás instalar también alguna aplicación gratuita que te permita realizar la edición y el montaje del vídeo. VÍDEO. LA LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA. Muestra en vídeo la ley de conservación de la masa. Una posible reacción puede ser la que tiene lugar entre las limaduras de hierro con azufre en polvo para dar sulfuro de azufre. Si no deseas trabajar con llamas en el laboratorio, una alternativa puede ser la reacción de hidrogenocarbonato de sodio con el ácido acético del vinagre, según se describe en el apartado «Trabajo práctico» de esta unidad. VÍDEO. LA IMPORTANCIA DE UNA REACCIÓN QUÍMICA EN UN PROBLEMA MEDIOAMBIENTAL. Se puede elegir cualquier reacción química relacionada con problemas medioambientales, como pueden ser la generación de la lluvia ácida, la destrucción de la capa de ozono o el aumento del efecto invernadero. Tal vez, lo más sencillo sea escoger la generación de dióxido de carbono a través de una reacción de combustión. + orientaciones en anayaeducacion.es

131

1.1 Cambios químicos

Cambios en la composición de las sustancias

Como ya sabes hay cambios en la materia en los que no se alteran las sustancias; es decir, no aparecen sustancias nuevas. Son los cambios físicos. Pero hay otro tipo de cambios en los que unas sustancias se transforman en otras diferentes; a estos cambios los llamamos cambios químicos: Los cambios químicos, también denominados reacciones químicas, son aquellos que provocan la aparición de nuevas sustancias. Por tanto, decimos que ha tenido lugar una reacción química cuando: • Las sustancias que estaban presentes antes del cambio se combinan entre sí y, en parte, desaparecen. Estas sustancias se conocen como reactivos de la reacción. • Aparecen una o varias sustancias nuevas por la combinación de los reactivos. Estas sustancias se denominan productos de la reacción. Una reacción química es todo proceso en el que una o más sustancias se transforman en otra u otras. Los reactivos se transforman en los productos.

1.2 Diversidad de reacciones químicas Existen infinidad de reacciones químicas diferentes y distintos criterios para clasificarlas; por ejemplo, dependiendo del número de reactivos y productos: si existe un solo reactivo que da lugar a dos productos, estamos ante una reacción de descomposición, y, por el contrario, si dos o más reactivos dan lugar a un producto, la reacción será de síntesis. Visualiza en anayaeducacion.es la producción de agua a partir de sus elementos constituyentes. Dependiendo del fin con el que se lleve a cabo la reacción, puede resultar interesante considerarlas como reacciones naturales, cuando no intervienen factores antropogénicos; reacciones artificiales, si ocurren debido a la acción humana; reacciones en disolución acuosa, pues las sustancias están disueltas en agua, o, reacciones in vivo, como las que existen en el interior de las células.

Diversidad de reacciones químicas Glucosa

Insulina K+ ATP

Insulina Entrada de Ca2+

Mitocondria Ca2+

132

La síntesis de la insulina tiene lugar en las células del páncreas. Es una reacción in vivo.

La niebla fotoquímica, que causa la contaminación atmosférica en muchas ciudades, es un entramado de reacciones químicas que se producen por causas antropogénicas.

1.3 Evidencias de las reacciones químicas En ocasiones, no es evidente determinar que se está produciendo un cambio químico, ya que puede no ser fácil observar la aparición de nuevas sustancias, pues pueden ocurrir cambios físicos de forma simultánea. Algunas de las evidencias de un cambio químico son: • Cambio en las propiedades del medio en el que ocurre la reacción. Esto es debido a que las propiedades de estas nuevas sustancias son diferentes, y puede, por ejemplo, formarse un precipitado (sustancia poco soluble) como resultado de la reacción química, o aparecer un burbujeo, si la nueva sustancia estuviera en estado gaseoso (es decir, con una temperatura de ebullición inferior a la del medio). • Intercambio de energía entre las sustancias que intervienen en la reacción química y su entorno. Por ejemplo, en el caso de las reacciones de combustión, este intercambio de energía es notable, pero no es así de evidente en todas las reacciones químicas.

Interpreta un fenómeno Cuando observamos la aparición de burbujas en un vaso de agua del grifo, ¿podemos concluir que se ha producido una sustancia gaseosa resultado de una reacción química? Explica por qué.

Evidencias de una reacción química

1 Aparición

de un precipitado. Si los reactivos se encuentran en disolución, puede suceder que la nueva sustancia que se obtiene tenga menor solubilidad, por lo que precipitará y se podrá observar a simple vista.

Como resultado de una reacción química, podemos obtener

2 Aparición de sustancias en dife 1 2

Luz y energía en forma de calor

rente estado de agregación. De forma análoga al caso anterior, si se produce una sustancia gaseosa, se observará que un burbujeo sale de la disolución.

3 Un cambio de color. La aparición

de un color en la reacción diferente pone de manifiesto la presencia de una sustancia nueva.

4 Las reacciones químicas que pro-

Sustancia poco soluble Sustancia gaseosa

Sustancia de otro color

vocan un gran intercambio de energía son fácilmente detectables, como es el caso de la combustión, que intercambia energía en forma de luz y calor.

COMPRENDE, PIENSA, INVESTIGA…

Organizador gráfico. Se ha definido cambio químico por oposición al cambio físico. Pero hemos visto que algunos cambios físicos acompañan a un cambio químico, aunque no todos. Según esto: a) Haz un diagrama de Venn en el que se muestre esta relación entre ellos. b) Explica tu diagrama al resto de la clase.

Veo, pienso, me pregunto. Si al sacar una jarra con limonada del frigorífico observamos que ha aparecido un precipitado en el fondo de la jarra, ¿podemos concluir que se ha producido una reacción química? Consulta una presentación en anayaeducacion.es sobre evidencias de los cambios químicos, observa tu jarra, reflexiona y escribe las preguntas que te surjan.

133

Teoría atómica de las reacciones químicas

No todas las sustancias reaccionan entre sí al entrar en contacto. Algunas lo hacen muy rápido, otras más lentamente y otras no reaccionan. Además, existen factores que influyen en que se produzca o no un cambio químico y la velocidad a la que tendrá lugar. En este epígrafe, estudiaremos la teoría que explica, a escala atómica, cómo se producen las reacciones químicas y la rapidez con que lo hacen.

2.1 Teoría de las colisiones Según la teoría atómica de Dalton, una reacción química consiste en una reordenación de átomos. Para comprender este proceso, debemos tener presentes las ideas de la teoría cinética de la materia, según la cual la materia está formada por partículas (átomos, moléculas o iones) que se encuentran en continuo movimiento. Debido a este movimiento, las partículas chocan unas con otras y, en las condiciones apropiadas, las de los reactivos se separan y se reordenan para formar los productos de la reacción. Una reacción química tiene lugar si las partículas de los reactivos cho can entre sí de forma efectiva, de tal modo que se rompen los enlaces que mantienen unidos a los átomos en los reactivos y se forman enla ces nuevos que dan lugar a los productos. Para que estos choques sean efectivos, se deben cumplir dos condiciones: • Los choques entre las partículas deben tener energía suficiente. • La orientación de dichos choques debe ser la adecuada.

Orientación adecuada de colisiones Colisión efectiva

Las moléculas se aproximan con energía suficiente y orientación adecuada. Se produce una colisión efectiva. Se forman nuevos enlaces dando lugar a las moléculas de los pro ductos. Colisión no efectiva

Las moléculas se aproximan con energía suficiente pero la orientación no es adecuada. La colisión no es efectiva. No se obtienen moléculas de los productos, es decir, no existe reacción química en este caso.

134

2.2 Factores que afectan a la velocidad

Recuerda que…

de reacción

Existen reacciones químicas extremadamente rápidas, como las explosiones, y otras más lentas, como la oxidación del hierro. La velocidad de una reacción química se define como la variación de la cantidad de los productos obtenidos, o de los reactivos que desaparecen, por unidad de tiempo. En ocasiones, se pretende favorecer la formación de determinados productos beneficiosos para la sociedad, como los obtenidos por la industria química; por ello, se aumenta la velocidad de ciertas reacciones. Sin embargo, en el caso de reacciones no deseadas, como la descomposición de alimentos, se busca el efecto contrario, ralentizar el cambio químico. En ambos casos, resulta imprescindible conocer qué factores influyen en la velocidad de la reacción. Algunos de ellos son: • La temperatura. Al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de las partículas, por lo que también aumenta la energía de los choques que se producen entre ellas, dando lugar a un mayor número de choques efectivos, y, con ello, a un aumento de la velocidad de reacción. Al disminuir la temperatura, obtenemos el efecto contrario.

A partir de ahora, cada vez que hablemos de partículas o entidades elementales, haremos referencia a la unidad más pequeña que forma una sustancia, que puede ser un átomo, una molécula o un grupo de iones.

Investiga sobre los catalizadores Además de la temperatura y la concentración de los reactivos, existe otro factor que afecta a la velocidad de una reacción: la presencia de catalizadores. Busca información sobre ellos y explica su importancia. Pon varios ejemplos y comparte tu búsqueda con el resto de la clase.

• La concentración de los reactivos. En reacciones que ocurren en disolución, si se aumenta la concentración de los reactivos habrá una mayor probabilidad de colisiones entre las partículas, y, por tanto, una mayor velocidad de reacción.

Factores que influyen en la velocidad de reacción En la cámara refrigerada

A temperatura ambiente

Las reacciones de descomposición de los alimentos son más rápidas a temperatura ambiente que en frío. Visualiza la oxidación de una manzana en anayaeducacion.es.

La concentración de reactivo en la reacción de la derecha es mayor que en la de la izquierda, y, por eso, su velocidad de reacción es mayor.

COMPRENDE, PIENSA, INVESTIGA…

Organizador gráfico. Haz un esquema en el que relaciones las ideas de la teoría cinética de la materia y la teoría atómica de Dalton con la teoría de las colisiones de las reacciones químicas. Extrae y escribe conclusiones sobre los factores que afectan a la velocidad de las reacciones químicas.

Piensa y comparte en pareja. Reflexionad y responded a estas preguntas: a) ¿Creéis que la presión afecta a la velocidad de las reacciones si los reactivos están en estado gaseoso? b) ¿Se quemará antes un tronco de madera o la misma masa en forma de astillas?

135

Ecuaciones químicas

Una ecuación química es la representación simbólica de una reacción química que contiene información cuantitativa y cualitativa. La información cuantitativa se refiere al número de entidades elementales (átomos, moléculas o iones) de reactivos y productos que intervienen en la reacción. La información cualitativa será la que muestre el estado de agregación de las sustancias y las condiciones en que se produce la reacción. Una ecuación química se compone de: • Las fórmulas químicas de los reactivos separadas por el signo «+», el símbolo del cambio químico (8) y las fórmulas de los productos, separadas también por el signo «+». • Los coeficientes estequiométricos, que indican el número de partículas de cada sustancia que interviene en la reacción. Si el coeficiente tiene de valor la unidad, no se escribe. Para leer la información cuantitativa que contiene una ecuación química, es necesario que esté ajustada, es decir, que el número de átomos de cada elemento químico que interviene en el proceso sea igual en los reactivos y en los productos. Esto se consigue eligiendo los valores adecuados para los coeficientes estequiométricos, como muestran los cuadros de esta página y la siguiente.

Ajuste de una reacción química Ajustamos la reacción de sulfuro de hierro(II) con oxígeno para dar óxido de hierro(III) y dióxido de azufre. Sin alterar las fórmulas químicas de reactivos y productos, seguimos estos pasos:

REACTIVOS

Sulfuro de hierro(II)

Se eligen los elementos que aparecen solo en un reactivo y en un producto y se ajustan sus coeficientes estequiométricos. Primero los metales y luego los no metales:

Oxígeno

PRODUCTOS

Óxido de hierro(III)

Dióxido de azufre

Después, se ajustan las sustancias simples, finalizando con el H2 y el O2. Para ello, contamos el número de átomos en los productos y ajustamos en los reactivos:

Así, los coeficientes estequiométricos son: 2 FeS + O2 8 Fe2O3 + SO2

2 FeS + O2 8 Fe2O3 + 2 SO2

Para evitar que aparezcan coeficientes fraccionarios, multiplicamos todos los coefi2 · (2 FeS + 7 O2 8 Fe2O3 + 2 SO2) 2 cientes por el denominador de la fracción, aunque ambas expresiones son válidas: REACTIVOS

136

2 FeS + 7 O2 8 Fe2O3 + 2 SO2 2

4 FeS + 7 O2 8 2 Fe2O3 + 4 SO2

PRODUCTOS

1 Ò 4 = 4 átomos de Fe

2 Ò 2 = 4 átomos de Fe

1 Ò 4 = 4 átomos de S

2 Ò 7 = 14 átomos de O

3 Ò 2 + 2 Ò 4 = 14 átomos de O

Interpreta los números ¿Por qué evitamos los coeficientes estequiométricos fraccionarios en las ecuaciones químicas? ¿Tienen sentido para interpretar la ecuación?

Ajuste de una reacción de combustión Para este tipo de reacciones químicas, seguiremos siempre este procedimiento. Utilizaremos como ejemplo la combustión del propano. En esta reacción química, el propano se combina con oxígeno y se obtienen dióxido de carbono y agua. Los reactivos y productos de la reacción son:

Para saber el número de moléculas de dióxido de carbono, se tiene en cuenta que todos los átomos de carbono del propano pasan a formar parte del dióxido de carbono.

REACTIVOS

Propano

Oxígeno

El número de moléculas de agua viene determinado por el número de átomos de hidrógeno del propano, que son ocho; por tanto, se producen cuatro moléculas de agua.

PRODUCTOS

Dióxido de carbono

Agua

Por último, en los productos hay diez átomos de oxígeno; por tanto, serán cinco moléculas de oxígeno en los reactivos.

Siguiendo este razonamiento, establecemos los coeficientes estequiométricos: C3H8 + O2 8 3 CO2 + H2O REACTIVOS

C3H8 + O2 8 3 CO2 + 4 H2O PRODUCTOS

3 Ò 1 = 3 átomos de C

1 Ò 3 = 3 átomos de C

2 Ò 5 = 10 átomos de O

2 Ò 3 + 1 Ò 4 = 10 átomos de O

8 Ò 1 = 8 átomos de H

2 Ò 4 = 8 átomos de H

C3H8 + 5 O2 8 3 CO2 + 4 H2O

Puedes visualizar la combustión del propano y del metano en anayaeducacion.es. Practica después, en el laboratorio virtual ofrecido, el ajuste de otras ecuaciones químicas.

COMPRENDE, PIENSA, INVESTIGA…

Escribe la ecuación química que corresponde a la siguiente descripción: «Tres moléculas de dihidrógeno se combinan con una molécula de dinitrógeno y dan lugar a dos moléculas de amoníaco». Observa este proceso en el vídeo que encontrarás en anayaeducacion.es.

6 Indica si las siguientes ecuaciones químicas están ajusta-

7 ¿Cuál de estas ecuaciones químicas corresponde a la reacción del cloruro de níquel(II), con hidróxido de sodio? a) NiCl2 + NaOH 8 Ni(OH)2 + NaCl b) NiCl2 +2 NaOH 8 Ni(OH)2 + 2 NaCl c) NiCl2 + Na2(OH)2 8 Ni(OH)2 + Na2Cl2

8 Ajusta las ecuaciones químicas siguientes: a) Ca + H2O 8 Ca(OH)2 + H2

das o no. Corrige las que sea necesario:

b) Fe (s) + HCl (aq) 8 FeCl3 + H2 (g)

a) 4 NH3 + 6 O2 8 4 NO2 + 6 H2O b) 2 K + 3 H2O 8 2 KOH + 3 H2 c) 4 KMnO4 8 2 K2O + 4 MnO + 5 O2 d) Na2O (s) + H2O (l ) 8 2 NaOH (aq) Recuerda que dispones de las soluciones de todas las actividades numéricas en anayaeducacion.es.

c) CH4 (g) + O2 (g) 8 CO2 (g) + H2O (g)

La fermentación de la glucosa es un tipo de reacción de descomposición; la glucosa se descompone en etanol y dióxido de carbono. Busca la fórmula de los tres compuestos, escribe la reacción que tiene lugar y ajústala. Compara tu solución con el resto de la clase.

137

Leyes ponderales y ecuaciones químicas

Entre 1789 y 1804, se dieron a conocer las denominadas leyes ponderales. Se trataba de leyes empíricas que establecían relaciones entre la masa de los reactivos y los productos que intervienen en una reacción química.

4.1 Ley de la conservación de la masa En 1789, el científico francés A. Lavoisier llegó a la conclusión de que en una reacción química no se destruye ni se genera masa, solo se produce una transformación de sustancias. Esta observación se puede enunciar de esta manera: En una reacción química, la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. La teoría atómica explica esta ley empírica, puesto que una reacción química es solo una reordenación de átomos, no se crean átomos nuevos, sino que los átomos de los reactivos se ordenan de manera diferente para formar otras sustancias, los productos de la reacción química. Por ello, la masa total de los reactivos será igual a la masa total de los productos (Parte 1 del cuadro de la página siguiente).

4.2 Ley de las proporciones definidas Entre 1794 y 1804, J. L. Proust estableció que, al reaccionar dos o más sustancias simples para formar un compuesto, la proporción de las masas de las sustancias simples que reaccionaban debía ser siempre la misma. Esto se verificaba al variar sucesivamente las masas de reactivos y comprobar que su proporción se mantenía siempre constante. En una reacción química, la proporción entre las masas de los reactivos y los productos es fija e independiente de la cantidad que reaccione. Esta ley empírica puede explicarse teniendo en cuenta estos hechos: • La composición de cada sustancia química es constante y se expresa en su fórmula química. • La masa atómica promedio es una característica de cada elemento químico. La masa de un compuesto se obtiene a partir de la masa de los elementos que lo componen. • El número de entidades elementales de cada sustancia que interviene en la reacción química es constante y se expresa en la ecuación química mediante los coeficientes estequiométricos. Revisa lo que se explica en la Parte 2 del cuadro de la siguiente página.

COMPRENDE, PIENSA, INVESTIGA…

10 Sabiendo las masas atómicas promedio del hidrógeno

12 En las reacciones de combustión de madera en una

(1 u) y del nitrógeno (14 u), ¿se cumple la ley de conservación de la masa en la formación de amoníaco (NH3) a partir de dihidrógeno (H2) y dinitrógeno (N2)?

chimenea, al finalizar, se obtienen cenizas. La masa de cenizas es inferior a la masa de madera quemada. ¿Por qué ocurre esto? ¿Se cumple la ley de conservación de la masa? Razona tu respuesta.

11 A partir de la respuesta del ejercicio anterior, verifica que se cumple la ley de las proporciones definidas si sabemos que 7,5 u de dihidrógeno se combinan con 35 u de dinitrógeno y se obtienen 42,5 u de amoníaco.

138

Explica el significado de «ley empírica» y «teoría». ¿Qué diferencia hay entre una ley empírica y una teoría? Pon un ejemplo de cada caso para reforzar tu exposición.

Leyes ponderales y ecuaciones químicas Con este ejemplo vemos la relación que existe entre las leyes ponderales y la información de una ecuación química.

Revisa el laboratorio virtual sobre el balanceo de ecuaciones químicas que te ofrecemos en anayaeducacion.es.

El amoníaco (NH3) se combina con oxígeno (O2) para producir monóxido de nitrógeno (NO) y agua (H2O). Parte 1

4 NH3 + 5 O2 8 4 NO + 6 H2O

Masa atómica

N.º átomos en reactivos

Ecuación química ajustada.

N.º átomos en productos

14 u

4·1=4

4 · 3 = 12

6 · 2 =12

16 u

5 · 2 = 10

4 · 1 + 6 · 1 = 10

Comprobamos que la ecuación química está ajustada. Añadimos el dato de la masa atómica promedio, que será necesario más adelante.

PRODUCTOS

REACTIVOS

NH3

H2O

14 + 3 · 1 = 17 u

2 · 16 = 32 u

14 + 16 = 30 u

2 · 1 + 16 = 18 u

17 u · 4 = 68 u

32 u · 5 = 160 u

30 u · 4 = 120 u

18 u · 6 = 108 u

68 u + 160 u = 228 u

120 u + 108 u = 228 u

Calculamos la masa molecular a partir de la masa atómica promedio. Calculamos la masa que hay de cada sustancia en la reacción a partir de la masa de su molécula y del coeficiente estequiométrico. Comprobamos que se cumple la ley de conservación de la masa.

Parte 2 NH3

H2O

68 u

160 u

120 u

108 u

Proporción entre reactivos mNH3 mO2

68 160

A partir de las masas moleculares de las sustancias que intervienen en la reacción, calculamos la proporción que existe entre ellas. Estas proporciones se mantienen constantes para cualquier masa, cumpliéndose, así, la ley de las proporciones de finidas.

Proporción entre productos

mNO

mH2O

120 108

10 9

Proporción entre reactivos y productos mNH3 mNO

68 120

17 30

;

mNH3 mH O 2

68 108

mO2 160 4 = = ; m NO 120 3 27 17

;

mO2 mH2O

160 108

40 27

Repite los cálculos a partir de la ecuación: 5 2 NH3 + O2 8 2 NO + 3 H2O 2

139

Una reacción química no se produce entre unas pocas partículas, sino que el número que intervienen es inmenso, por lo que usar la unidad de masa atómica no es práctico. Por ello, se cuantificarán de otra forma.

Cantidad de sustancia

5.1 Cantidad de sustancia

Cantidad de sustancia y masa molar

La magnitud que mide el número de entidades elementales de una sustancia se denomina cantidad de sustancia, y su unidad en el SI es el mol. La propiedad de la materia que representa la cantidad de sustancia no es la masa, sino el número de partículas que componen una determinada extensión de sustancia. Al ser la masa de estas partículas tan pequeña, el número de entidades que forman, por ejemplo, un gramo de cualquier sustancia es enorme. Además, este número será diferente de una sustancia a otra, pues las entidades elementales que las componen tienen masas diferentes.

La cantidad de uvas y de garbanzos es la misma; sin embargo, la masa de esa cantidad es diferente, puesto que la masa de una uva es distinta a la de un garbanzo.

Un mol contiene exactamente 6,022 140 76 · 1023 entidades elementales. Esta cifra se denomina número de Avogadro, NA.

5.2 Masa molar Para establecer la relación entre la masa de una sustancia y la cantidad de esa sustancia presente se utiliza la masa molar.

Masa de un mol Sustancia

Masa molecular o masa fórmula/u

Masa molar/(g/mol)

196,97

KCl

74,6

NO2

46,0

La masa molar, M, de una sustancia es la masa de un mol de esa sustancia; es decir, la masa de 6,022 140 76 · 1023 entidades elementales de dicha sustancia. Sus unidades en el SI son kg/mol, aunque se utiliza con más frecuencia g/mol. La masa molar permite hacer cálculos a escala macroscópica a partir de combinaciones de unidades de escala atómica. La relación entre cantidad de sustancia, n, y la masa molar, M, es la siguiente:

El valor de la masa molar de una sustancia coincide numéricamente con la masa molecular, o la masa de la unidad fórmula, de esa sustancia.

n (mol) =

m (g) M (g/mol)

Masa, cantidad de sustancia y número de entidades elementales Para un mol de acetaldehído (etanal, C2H4O), sabemos que: M (C2H4O) = 12 · 2 + 1 · 4 + 16 · 1 = 44 g/mol 44 g de C2H4O

1 mol de C2H4O

6,022 · 1023 moléculas

24 g de C

En 1 mol de C2H4O hay 2 mol de C

1,2044 · 1024 átomos de C

Multiplicando por M (g/mol)

140

Multiplicando por NA

4 g de H

En 1 mol de C2H4O hay 4 mol de H

2,4088 · 1024 átomos de H

16 g de O

En 1 mol de C2H4O hay 1 mol de O

6,022 · 1023 átomos de O

Reacciones químicas y cantidad de sustancia Calcula la masa de agua, expresada en gramos, que se obtiene si reaccionan completamente 204 g de amoníaco (NH3) con oxígeno, según la reacción siguiente. Comprueba que se cumple la ley de la conservación de la masa.

Para calcular la masa de las sustancias químicas que intervienen en una reacción, partimos de su masa molar y la cantidad de sustancia de cada una de ellas. 4 NH3

5 O2

4 NO

DATOS: Masa atómica promedio

N H O

DATOS: Masa molar

14 u

N H O

1u 16 u

NH3

H2O M (H2O) = 2 · 1 + 16 M (H2O) = 18 g/mol

4 mol

6 mol

5 mol m (g) g n Md mol

mO2

mlNH3

mNO = 30 g/mol · 4 mNO = 120 g

mNH3 mO2

mlO2

mlNH3 mlO2

mH2O = 18 g/mol · 6 mH2O = 108 g

mNH3 mO2

160 g O2

A partir de los coeficientes estequiométricos y de la masa molar de cada sustancia, calculamos las masas de cada sustancia para poder establecer la porporción en masa.

mlNH3 mlO2

Aplicamos la proporción en masa para calcular las masas del resto de las sustancias a partir de la masa de amoníaco.

Dato: m'NH3 = 204 g 68 g NH3

Calculamos la masa molar de las sustancias a partir de las masas atómicas promedio. Los coeficientes estequiométricos indican la proporción entre reactivos y productos expresada en cantidad de sustancia.

g m (g) = n (mol) · M d mol n

mNH3 = 17 g/mol · 4 mO2 = 32 g/mol · 5 mNH3 = 68 g mO2 = 160 g

mNH3

El valor numérico de la masa atómica promedio es igual al valor de la masa en gramos de un mol de átomos (masa molar).

M (NO) = 14 + 16 M (NO) = 30 g/mol

M (NH3) = 14 + 3 · 1 M (O2) = 2 · 16 M (NH3) = 17 g/mol M (O2) = 32 g/mol

n (mol) =

14 g/mol 1 g/mol 16 g/mol

PRODUCTOS

REACTIVOS

4 mol

Ecuación química ajustada.

6 H2O

Recuerda que estas proporciones siempre se mantienen constantes.

204 g NH3

68 g NH3

mlO2

120 g NO

mlO2 = 480 g

204 g NH3

68 g NH3

mlNO

108 g H2O

mlNO = 360 g

204 g + 480 g = 684 g

204 g NH3 mlH2O

mlH2O = 324 g

360 g + 324 g = 684 g

Comprobamos que se cumple la ley de conservación de la masa.

COMPRENDE, PIENSA, INVESTIGA…

Visualiza en anayaeducacion.es la presentación sobre la cantidad de sustancia y calcúlala para 350 g de:

Razona la veracidad o falsedad de estas afirmaciones:

a) Cloruro de potasio, KCl

c) Sacarosa, C12H22O11

b) Hierro, Fe.

d) Ozono, O3.

b) 1 mol de N2 reacciona con 1 mol de H2.

15 Dada la siguiente ecuación química, sin ajustar: N2 (g) + H2 (g) 8 NH3 (g)

a) 1 g de N2 reacciona con 3 g de H2. c) 1 mol de N2 produce la misma cantidad de NH3. d) 28 g de N2 reaccionan con 2 g de H2 formándose 50 g de NH3. 141

Química, medioambiente y sociedad

La química tiene un gran impacto en la calidad de vida de las personas, ya que aporta conocimiento sobre nuevas sustancias con todo tipo de aplicaciones y contribuye a la búsqueda de soluciones de graves problemas ambientales.

6.1 Problemas ambientales Algunos de estos problemas tienen lugar en la atmósfera como resultado de la emisión de gases en reacciones químicas. ■

La lluvia ácida

En algunas zonas industriales se emiten gases, como los óxidos de azufre y nitrógeno, que se desplazan por la atmósfera y reaccionan con el vapor de agua atmosférico dando lugar a ácidos corrosivos, como el sulfúrico (H2SO4) y el nítrico (HNO3). Cuando esta disolución de gases en agua precipita en forma de lluvia (la llamada lluvia ácida) sus efectos son catastróficos. Además de destrozar edificios y monumentos históricos en poblaciones, afecta nocivamente a la flora y la fauna de bosques, ríos y lagos. ■

Efecto invernadero anómalo

La presencia de dióxido de carbono, CO2, en la atmósfera terrestre hace que la temperatura de nuestro planeta se mantenga dentro de unos valores que hacen posible la vida tal como la conocemos. Este fenómeno, explicado en la figura inferior, se conoce como efecto invernadero. En las últimas décadas, la cantidad de CO2 presente en la atmósfera se ha incrementado de forma notable. Esto es debido a que se ha alterado el ciclo del carbono al utilizar el petróleo y el carbón como fuentes de energía en reacciones químicas de combustión. Esta mayor cantidad de CO2 hace que la radiación infrarroja quede retenida en exceso, lo que provoca un aumento de la temperatura media de la atmósfera que se manifiesta, por ejemplo, con un aumento de la frecuencia e intensidad de huracanes y ciclones. Estos fenómenos forman parte del denominado cambio climático, de efectos devastadores en nuestro planeta.

El efecto invernadero Parte de la radiación que llega a la Tierra procedente del Sol es reflejada y otra parte es absorbida; por ello, la Tierra se calienta y emite, a su vez, radiación del tipo infrarrojo, como resultado de encontrarse a una temperatura determinada.

Sol

Parte de la radiación solar es reflejada por la Tierra y la atmósfera

La mayor parte de la radiación infrarroja es absorbida por los gases de efecto invernadero

Atmósfera

Tierra

142

Parte de la radiación solar es absorbida por la superficie terrestre y la calienta

La superficie terrestre emite radiación infrarroja

Los gases de efecto invernadero, como el CO2, presentes en la atmósfera, retienen parte de la radiación infrarroja que emite el planeta y evitan que esta radiación se disipe al exterior, contribuyendo así a que la temperatura media de la Tierra se mantenga estable. De no existir la atmósfera, la superficie de la Tierra alcanzaría temperaturas muy elevadas durante el día y se enfriaría demasiado durante la noche, haciendo imposible la existencia de vida.

■

El ozono estratosférico y troposférico

El ozono es una molécula que consta de tres átomos de oxígeno, O3, y forma una capa a unos 60 km de altura sobre el nivel del mar, en la estratosfera. El ozono absorbe una parte de la radiación solar que es perjudicial para la salud, la radiación ultravioleta. En este proceso, la molécula de ozono se separa en dioxígeno, O2, y oxígeno monoatómico, O. La peculiaridad de esta disociación es que es reversible, es decir, que vuelve a formarse el ozono casi de manera inmediata. Por tanto, el ozono estra tosférico conforma la capa de ozono, que se mantiene intacta a pesar de la radiación ultravioleta. En las últimas décadas del siglo pasado, se detectó un agujero en la capa de ozono, provocado por la presencia en la estratosfera de ciertos gases provenientes de la actividad humana: los CFC. En la actualidad, la legislación ambiental ha limitado mucho la producción y el uso de estos gases, y el agujero en la capa de ozono ha revertido considerablemente. Por otro lado, desde la Revolución Industrial, se ha observado la presencia de ozono en la capa más baja de la atmósfera, la troposfera. Esto surge como resultado de las emisiones de óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles en industrias y automóviles. Este ozono troposférico es un contaminante que daña la salud y el medioambiente.

Efecto de la lluvia ácida en un bosque.

6.2 Industria química Uno de los objetivos principales de esta industria es la transformación de materias primas en otros productos que, a su vez, serán la materia prima de una infinidad de productos elaborados. Las facetas de nuestra vida cotidiana que están influidas por el desarrollo de la química son muy numerosas, desde la potabilización de aguas, hasta los materiales más desarrollados que forman parte de los dispositivos electrónicos, pasando por tejidos y materiales poliméricos, carrocerías de coches y un largo etcétera.

Evolución de la capa de ozono en el año 2019.

COMPRENDE, PIENSA, INVESTIGA…

Análisis asociativo. Además de limitar el uso de CFC, existe otra razón por la que el agujero de la capa de ozono ha disminuido notablemente. Busca información y ponla en común con el resto de la clase. ¿Cómo se podría mejorar esta situación sin dañar el planeta?

Explica las diferencias entre el ozono troposférico y el estratosférico. ¿Existen diferencias moleculares?

Visualiza en anayaeducacion.es el vídeo sobre la importancia del CO2 en la atmósfera y explícalo con tus palabras. ¿Cuáles son los efectos del efecto invernadero anómalo? Busca cómo está relacionado con la meta 13.1 y piensa cómo se podría solucionar. ¿Qué acciones están llevándose a cabo actualmente?

Busca información sobre los compuestos de cloro químico utilizados para potabilizar aguas y su coste.

Elabora un informe e incluye una conclusión sobre su uso con la meta 6.1.

20 El desarrollo de la industria química está acompañado de una alta contaminación del agua, el aire y el suelo. Desde hace tiempo, muchas empresas han tratado de reducir este efecto tan negativo, pero es muy difícil por el alto coste económico y la complicada adaptación de las infraestructuras. Busca información sobre una empresa que haya logrado adaptarse a los objetivos establecidos por la ONU. ¿Qué medidas han tomado? ¿Crees que fue sencillo? En equipos, diseñad un plan de actuación para alguna empresa que no lo haya hecho.

A partir de lo aprendido en el ejercicio anterior, ¿qué estudios universitarios y de formación profesional podrías cursar para trabajar en la industria química?

143

Taller de ciencias

Sumideros de CO 2

Proyecto de investigación Introducción El aumento de la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera tiene una relación directa con el aumento de la temperatura media del planeta. La causa más evidente y conocida de este aumento de dióxido de carbono surge como resultado de la combustión de petróleo y carbón utilizado en la transformación de la energía química en energía eléctrica (meta 13.a). Sin embargo, existen otras causas vinculadas al incremento del dióxido de carbono en la atmósfera, como es el aumento de la población mundial. 1. ¿Podría influir el aire espirado en la respiración de los seres vivos que habitan el planeta en este hecho? Busca las causas más conocidas del cambio climático. 2. ¿Se podrían desarrollar reacciones químicas en las que el CO2 fuera un reactivo y así disminuir su presencia en la atmósfera? 3. ¿En qué proceso natural el CO2 es un reactivo de la reacción y no un producto? ¿Podría darse este caso en la industria?

Arrecife de coral en el océano que actúa como sumidero de CO2 natural.

Objetivo Indagar sobre los llamados sumideros de CO2 y extraer conclusiones.

Procedimiento

Rompecabezas

Se divide la clase en grupos de tres personas, donde cada una investigará sobre una de las siguientes áreas, tratando de dar respuesta a las preguntas que le correspondan. En la medida de lo posible, utilizaréis bibliografía y referencias suministradas por el profesorado. • Área 1. Efectos de la superpoblación. ¿Cuál ha sido la tendencia en el número de habitantes del planeta en los últimos dos siglos? ¿Cómo son los hábitos de la población? ¿Qué incidencia tiene la superpoblación en el cambio climático? ¿Afecta el estilo de vida? COMUNICACIÓN DE CONCLUSIONES

1 Se hará una exposición con las infografías de los grupos de trabajo en el centro educativo.

2 Se organizará una mesa redonda de cada área para explicar las conclusiones. La elección de los miembros de la mesa redonda se llevará a cabo por los compañeros y las compañeras de clase.

144

CyR. Cada asistente que siga las mesas redondas redactará un artículo para la revista escolar en el que recoja las posturas y las conclusiones extraídas.

• Área 2. Sumideros artificiales de CO2. ¿Se puede revertir el cambio climático? ¿Basta con disminuir la emisión de gases de efecto invernadero? ¿Qué son los sumideros artificiales de CO2? • Área 3. Nutrición autótrofa. Sumideros naturales de CO2. ¿Qué es el ciclo de carbono? ¿En qué consiste la nutrición autótrofa? ¿Qué seres vivos la llevan a cabo? ¿Se consideran sumideros de carbono? ¿Existe alguna acción para favorecer esta vía de eliminación de dióxido de carbono?

Discusión de resultados Las personas de cada grupo que hayan investigado sobre la misma área se reunirán y pondrán en común las respuestas que hayan recogido en las preguntas. Se redactará un informe de cada área.

Conclusiones Por último, cada grupo elaborará una infografía con las ventajas y los inconvenientes de cada área para abordar acciones relativas a las metas de los ODS trabajados.

Reacciones químicas con sustancias gaseosas

Trabajo práctico Planteamiento del problema La presencia de una sustancia gaseosa en una reacción química, como reactivo o como producto, altera el valor de la presión de la mezcla que reacciona. La diferencia entre este valor de presión y el de la presión atmosférica hace que se pueda tener constancia de la reacción. Tu propuesta Prepara la tarea Llevaremos a cabo dos reacciones químicas, una en la que se obtiene dióxido de carbono como producto de la reacción [1] y otra en la que este gas es uno de los reactivos de la reacción [2]. NaHCO3(aq) + CH3COOH(aq) 8 CO2(g) + NaCH3COO(aq) + H2O(l ) [1] Bicarbonato de sodio

Ácido acético

Acetato de sodio

CO2 (g) + 2 NaOH (aq) 8 Na2CO3 (aq) + H2O (l )

Material de laboratorio necesario para realizar la práctica.

[2]

Idea, junto con tu equipo, cómo llevar a cabo cada una de las reacciones de tal modo que la diferencia de presión antes y después del cambio químico sea evidente. Observa la lista de materiales que te proponemos. Nuestra propuesta Se vierte el vinagre (que contiene ácido acético) en la botella de plástico y se introduce el bicarbonato de sodio en el globo. Con cuidado, se tapa la botella con el globo y se vierte el bicarbonato en su interior. Se observa el aumento de volumen del globo. A continuación, se retira el globo y se agrega el hidróxido de sodio. Se enrosca el tapón de la botella y se agita, para favorecer el contacto del dióxido de carbono con el hidróxido de sodio que se está disolviendo en el agua. Se observa el cambio de forma de la botella. Material 3 • Una botella de plástico flexible de 1,5 L • Un globo • Unos 100 cm de vinagre de 6° • 8 g de bicarbonato de sodio • 7 g de escamas de hidróxido de sodio.

Orientaciones para la realización de la experiencia • Las masas de reactivos que mostramos en el procedimiento exceden las cantidades estequiométricas, para asegurar una velocidad de reacción adecuada. • Alternativamente, en la primera reacción se puede mantener abierta la botella, sin utilizar el globo, de tal

forma que el dióxido de carbono producido llene el espacio de la botella y salga al exterior. • Para asegurar que este gas ha desplazado a todo el aire que había en el interior de la botella, se puede introducir una cerilla encendida y observar cómo se apaga la llama.

EXTRAE CONCLUSIONES...

1-2-4. Trabaja con tu equipo y responde a las siguientes cuestiones:

b) ¿Qué significado tienen los símbolos entre paréntesis en las ecuaciones químicas de esta página?

a) ¿Qué efecto se observa en la botella cuando tiene lugar la segunda reacción? ¿Por qué?

c) Parte de los reactivos queda sin reaccionar, ¿cómo lo sabemos?

145

COMPRENDE Organiza tus ideas

Mapa conceptual sistémico

1 Copia el mapa conceptual en tu cuaderno y haz las ampliaciones siguientes: a) Completa las palabras que faltan. b) Explica por qué la palabra «moléculas» siempre va acompañada de una alternativa en el mapa conceptual. Para ello, reflexiona sobre el tipo de sustancias que no son moleculares. c) Incluye en el mapa conceptual una rama nueva en el lugar indicado (1) para mostrar qué tipo de cambio es un cambio químico en relación con la composición de la materia. d) A partir de la rama de la actividad anterior, incluye cuáles son las evidencias que muestran que está ocurriendo un cambio químico.

e) Incluye en el mapa, a partir del lugar señalado (2), qué otros símbolos se pueden mostrar en una ecuación química. f) A partir del cuadro de ley de conservación, indica la forma matemática de expresar esta ley. g) Indica en tu mapa conceptual la relación entre cantidad de sustancia y masa. Para ello, incluye una rama en el lugar que consideres adecuado. h) Ilustra con un dibujo, e inclúyelo en el mapa, una colisión efectiva y otra que no lo sea en función de la orientación. i) Incluye en el mapa conceptual la constante que relaciona el número de entidades elementales con la cantidad de sustancia expresada en mol.

Las reacciones químicas

se representan mediante

son

Ecuaciones ? .................................

(1)

cumplen

Cambios

en las que encontramos

en los que las

Ley de conservación ? .........................................

Ley de ? .........................................

(2) Coeficientes ? .................................

Moléculas o ? .................................

Fórmulas químicas

que infoman del

Reactivos

Número

Colisionan

de Moléculas o ? ................................

con suficiente

con adecuada

Energía

Orientación

que se expresan en la unidad de cantidad de sustancia Mol

146

dando lugar a

? ...........................

Moléculas o ? .................................

Recuerda seleccionar el material de trabajo de esta unidad para tu porfolio.

b) Representa los datos de la masa frente al tiempo, e indica si se trata de una relación lineal.

Las soluciones de todas las actividades numéricas se encuentran en anayaeducacion.es.

c) A partir del gráfico anterior, indica en qué intervalo de tiempo es mayor la velocidad de la reacción química. ¿En qué basas tu respuesta? Relaciona esta observación con la teoría de las colisiones.

Cambios en la composición 1 ¿Qué significa que en un cambio químico se altera la naturaleza de la materia? Define con tus palabras la expresión naturaleza de la materia. 2 Al poner en contacto vinagre y bicarbonato se desprende un gas, dióxido de carbono, y se forman acetato de sodio y agua: a) Indica cuáles son los reactivos de la reacción. b) Indica el número de productos de esta reacción. 3 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y explica por qué: a) En todas las reacciones químicas se desprende energía. b) Las reacciones químicas solo ocurren de forma natural en organismos vivos. c) En una reacción química, los reactivos y los productos pueden estar en distinto estado de agregación. d) Las reacciones químicas que se dan en la naturaleza constituyen un problema ambiental. 4 Hay reacciones químicas cuya principal aplicación es energética, pues en su desarrollo se desprende gran cantidad de energía. Pon un ejemplo de este tipo de reacción química. Explica qué problema ambiental llevan asociado.

La imagen. Explica qué representa esta ilustración:

¿Qué similitudes y diferencias hay entre la representación anterior y la siguiente?

9 ¿Cómo afecta la temperatura a la velocidad de una reacción química? Utiliza la teoría de las colisiones y la teoría cinético-molecular sobre la temperatura y la energía cinética media de las partículas. Representación de las reacciones químicas 10 Un estudiante ajusta esta ecuación química: NO + O2 8 NO2 de la siguiente forma:

Teoría atómica de las reacciones químicas 5 ¿Todos los choques que se producen entre las partículas de reactivos hacen que estas se rompan? ¿De qué factores depende que un choque sea efectivo? 6 ¿Es compatible la teoría de las colisiones con la ley de conservación de la masa? Ambas explican ciertos aspectos de las reacciones químicas, pero ¿utilizan la misma escala? Explica tus respuestas. 7 En la siguiente tabla se muestran las masas de dos sustancias mientras tiene lugar una reacción química a lo largo del tiempo: Masa A, mA/g

7,5

3,75

2,5

1,88

Masa B, mB/g

1,7

3,4

6,8

13,6

Tiempo, t/min

a) Las sustancias A y B, ¿son reactivos o productos de la reacción? Justifica tu respuesta.

NO + O2 8 NO3 ¿Es correcto lo que ha hecho? ¿Por qué?

11 Ajusta las siguientes reacciones químicas: a) Al + O2 8 Al2O3 c) NH3 + H2SO4 8 (NH4)2SO4 b) SO2 + O2 8 SO3 d) Fe2O3 + H2 8 Fe + H2O 12 Escribe toda la información que puedes obtener de la siguiente ecuación química ajustada: 3 Cl2 (g) + 2 Fe (s) 8 2 FeCl3 (s)

13 Utiliza esta tabla para verificar que la reacción del ejercicio anterior está ajustada. Elemento

Átomos en reactivos

Átomos en productos

Cl Fe

147

14 Escribe la ecuación química ajustada a partir de la información de este dibujo, donde se ha utilizado el rojo para los átomos de oxígeno, el negro para los de carbono y el blanco para los de hidrógeno.

19 Cuando calentamos 50 g de carbonato de calcio, se forman 28 g de óxido de calcio y dióxido de carbono. a) ¿Qué masa de dióxido de carbono se forma? b) Si partimos de 150 g de reactivo, ¿qué masa se obtiene de cada producto?

15 El disulfuro de hierro, sólido, se combina con dioxígeno y se obtienen dióxido de azufre y trióxido de dihierro, sólido. Escribe la ecuación química ajustada de este proceso, indicando el estado de agregación en que se encuentran todas las sustancias. 16 Calcula el número total de átomos de cada elemento que hay en los reactivos y en los productos de las ecuaciones químicas siguientes: a) 2 KOH + H2CO3 8 K2CO3 + 2 H2O

21 Para la reacción de gas cloro con hierro: 3 Cl2 + 2 Fe 8 2 FeCl3 utilizamos 531,75 g de cloro y 300 g de hierro. ¿Están estas cantidades en proporción estequiométrica? Utiliza la información de la tablay justifica tu respuesta. Masa de reactivos, mr/g

b) 2 C2H6 + 7 O2 8 4 CO2 + 6 H2O c) 3 HCl + Al(OH)3 8 AlCl3 + 3 H2O

17 Comprueba si las siguientes reacciones químicas están bien ajustadas; si no es así, corrígelas: a) Zn (s) + Ag2O (s) 8 2 ZnO (s) + Ag (s) b) 2 NH4NO3 (s) 8 2 N2 (g) + H2O (g) + O2 (g) c) MgSO3 (s) 8 MgO (s) + SO2 (g) d) H2S (g) + SO2 (g) 8 3 S (g) + H2O (g)

Leyes ponderales y ecuaciones químicas 18 Se dispone de la siguiente información sobre una reacción química: 3 H2 + N2 8 2 NH3 Masa de reactivos, mr/g

20 A partir del ejercicio anterior, obtén la proporción en masa en la que reaccionan el carbonato de calcio y el óxido de calcio. ¿Podríamos obtener 56 g de óxido de calcio a partir de 60 g de carbonato de calcio? ¿En qué ley te has basado para responder a esta actividad?

Masa de productos, mp/g

Cl2

FeCl3

212,7

111,7

324,4

Calcula la masa de hierro que reaccionará y la masa de FeCl3 que se formará.

Cantidad de sustancia 22 Completa la siguiente tabla: Sustancia

Masa, m/g

Agua

Cantidad de sustancia, n/mol

3,16 · 1024

Ozono Dióxido de carbono

N.º total de átomos de O

2,5

23 Ordena de menor a mayor, en cuanto a su masa, las siguientes cantidades:

NH3

a) 0,25 mol de tetracloruro de plomo.

6,06

28,02

34,08

b) 5 mol de agua. c) 1 mol de ácido sulfúrico.

a) Calcula la masa de amoníaco que se puede obtener si reaccionan completamente 7,878 g de hidrógeno. b) Utilizando la ley de conservación de la masa, calcula la masa de nitrógeno necesaria en la reacción a partir de los datos anteriores.

148

24 Calcula cuántos átomos y moléculas hay en las siguientes muestras: a) 18 g de agua. b) 88 g de dióxido de carbono. c) 81 g de aluminio.

25 Si se hace reaccionar potasio (K) con agua (H2O), se forma hidróxido de potasio (KOH) y se desprende gas hidrógeno (H2).

b) Un criterio para establecer cuál de los combustibles anteriores es más contaminante es comparar la cantidad de dióxido de carbono emitido en la combustión de un mol de cada uno de ellos. Calcula el cociente nCO2 / ncombustible en cada caso e indica qué combustible es el más contaminante.

a) Escribe la ecuación química ajustada. b) Calcula qué masa de gas hidrógeno se desprende cuando reaccionan 78 g de potasio. c) Si reaccionan 20 g de potasio 9,21 g de agua, ¿qué cantidad, en mol, de productos se obtiene?

Datos: m (K) = 39 u; m (H) = 1 u.

26 Se deja a la intemperie un clavo de hierro de 5 g. Al cabo de cierto tiempo, se observa que una parte se ha oxidado, formándose 5 g de trióxido de dihierro: a) ¿Qué masa de hierro ha reaccionado? b) ¿Qué masa de hierro ha quedado sin reaccionar? ¿Qué porcentaje de la masa del clavo representa la parte que ha quedado sin reaccionar?

Química y medioambiente 27

¿Qué te hace decir eso? En la combustión de hidrocarburos uno de los productos de la reacción es el dióxido de carbono. Cuanto mayor es el número de átomos de carbono en el hidrocarburo, mayor es la cantidad de dióxido de carbono producido. Por esta razón, se están utilizando preferentemente combustibles con menor número de carbonos.

El objetivo de la combustión de los hidrocarburos es transformar la energía química en otro tipo de energía. Para cuantificar la energía que se obtiene en cada reacción, se utiliza el parámetro poder de combustión (PC), que se expresa en kilojulios (unidad de energía) por mol de combustible (kJ · mol–1). A partir de los valores de la tabla, calcula, para cada combustible, la cantidad de dióxido de carbono emitida por cada kilojulio de energía. ¿Qué combustible es más eficiente energéticamente? ¿Cuál emite menos dióxido de carbono a la atmósfera por kilojulio? ¿Qué conclusiones puedes extraer basándote en tus resultados? Teniendo en cuenta lo que has aprendido, y la meta 13.a, ¿qué combustible elegirías para producir energía? ¿Qué otras fuentes de energía están en vías de desarrollo para mitigar este hecho? Consulta la meta 7.2. Combustible

PC/(kJ · mol–1)

CH4

890

C2H6

1 560

C3H8

2 220

C4H10

2 900

a) Escribe y ajusta las reacciones de combustión del metano (CH4), etano (C2H6), propano (C3H8) y butano (C4H10).

REFLEXIONA En esta unidad, habrás creado vídeos de divulgación con un mayor porcentaje de elaboración propia y con un grado de dinamismo mayor. Descarga el cuestionario disponible en anayaeducacion.es y si en alguno de los aspectos de reflexión propuestos en este detectas que no tienes el nivel que te gustaría, incluye alguna propuesta para mejorar esta situación y aplícala. Aspectos

Lo comprendo y podría explicárselo a mis compañeros

No lo comprendo del todo bien. Se me plantean algunas dudas

No lo entiendo

No lo sé

Expresé abiertamente mis ideas al grupo, contribuyendo con mi creatividad... ...

PON A PRUEBA TUS COMPETENCIAS Realiza la evaluación competencial incluida en anayaeducacion.es

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