1 2 3 4 5 6 7 8 CLASIFICACIÓN DE LAS MAGNITUDES FÍSICAS Mediante teorías coherentes y experimentos bien diseñados, la Física ha contribuido a obtener una comprensión más profunda de nuestro entorno, y nos ha dado una mayor capacidad para controlarlo. En un esfuerzo por entender el mundo a nuestro alrededor, los científicos tratan de encontrar relaciones entre las magnitudes físicas involucradas en los fenómenos naturales. En párrafos anteriores vimos que una magnitud es una variable física utilizada para caracterizar un sistema particular. Es cuantificable, es decir, se le puede atribuir un valor numérico. En otras palabras, una magnitud física es todo aquello que es susceptible de ser medido. Además de su valor, la magnitud presenta una unidad específica; por ejemplo, la longitud se puede medir en metros, el tiempo en segundos y la temperatura en grados Celsius. Asimismo, las magnitudes pueden clasificarse en escalares y vectoriales. Una magnitud escalar es aquella que queda completamente definida si se indica su valor numérico (escalar) y la unidad. Por ejemplo: el tiempo, la presión y el volumen son magnitudes escalares. Una magnitud vectorial es aquella que se define mediante un vector. En este caso, además de especificar el valor numérico y la unidad, es necesario indicar el punto de aplicación, la dirección y el sentido en que actúan. La velocidad, la aceleración y la fuerza son magnitudes vectoriales. 2 9 Actividad: Enumera las magnitudes físicas que conozcas identificando si son escalares o vectoriales. Comparte lo elaborado con tus compañeros de curso. ¿Coinciden las magnitudes físicas que cada uno ha enumerado? Confeccionen entre todos una lista común. Actividades: 10 11 LOS SISTEMAS MATERIALES Materia: El mundo que nos rodea contiene objetos tales como libros, montañas, mesas, sillas, etc. a los cuales denominamos cuerpos. Estos cuerpos sufren cambios que son estudiados por las ciencias naturales, como la química, la física y la biología. El componente común a todos los cuerpos es la materia. Ahora bien, la materia es todo lo que nos rodea, ocupa un lugar en el espacio e impresiona en nuestros sentidos. La materia es discontinua, ya que está formada por partículas individuales que dejan espacios vacíos entre sí. Esas partículas pueden ser átomos o moléculas. Denominamos cuerpo a toda porción limitada de materia a la cual le damos forma. Por ej. Una mesa de madera, clavos de hierro, etc. Existen distintos tipos de materiales que forman los cuerpos. Un anillo de plata y una pulsera de plata son cuerpos diferentes formados por un mismo material. Un anillo de oro y un anillo de plata son cuerpos iguales formados por distintos materiales. La química se ocupa principalmente de la composición, propiedades y transformaciones de los materiales, sin preocuparse por las formas de los cuerpos. 12 13 14 Por otro lado, las propiedades de la materia pueden clasificarse en dos grupos según éstas dependan o no de la masa: ✔ Propiedades intensivas: Entre las propiedades de las sustancias hay algunas que se pueden apreciar por medio de los sentidos, como el color, sabor, sensación al tacto, sonido, etcétera, y que se denominan caracteres organolépticos. Si bien son fáciles de percibir, presentan el inconveniente de que, en muchos caos, no permiten distinguir claramente dos sustancias. Así, por ejemplo, la sal y el azúcar tienen color blanco, son inodoras y de brillo parecido, a pesar de ser sustancias distintas. Existen otras propiedades que deben ser determinadas a través de mediciones experimentales, tales como el punto de fusión, punto de ebullición, densidad, índice de refracción, calor específico, etcétera, que al ser establecidas en las mismas condiciones, tienen valores constantes para cada sustancia y que suelen denominarse constantes físicas. Estas propiedades permiten diferenciar las distintas sustancias con mucha mayor certeza. Los caracteres organolépticos y las constantes físicas reciben el nombre de propiedades INTENSIVAS o ESPECÍFICAS. Estas propiedades no dependen de la masa de que se dispone, puesto que para una misma sustancia son iguales, tanto en una pequeña porción como en una cantidad mayor. Así, 10 g de agua pura, a 4ºC, tienen una densidad de 1 g/ml, igual que 100 g en las mismas condiciones. ✔ Propiedades extensivas: Además de las propiedades intensivas, hay otras que sí dependen de la masa con que se cuenta, como es el caso del volumen, peso, superficie, capacidad calorífica, etcétera. A estas propiedades se les da el nombre de EXTENSIVAS, resultando obvio que no permiten identificar a una sustancia diferenciándola de otras. Por el peso, el volumen o la superficie no se puede decir qué sustancia es, pues se puede tener el mismo volumen de agua que de éter, o igual peso de sal que de cal, o la misma superficie de hierro que de madera. Resumiendo: 15 16 Los materiales pueden presentarse, fundamentalmente, en tres estados físicos diferentes, a los cuales denominamos estados de agregación de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Sólido: tienen forma y volumen propios, no se los puede comprimir. Sobre sus partículas actúa una fuerza llamada de atracción o cohesión, la cual es mayor a la fuerza de repulsión. Los cuerpos que están en estado sólido tienen gran capacidad para conservar su forma, de modo que se requiere ejercer una acción violenta para deformarlos. Líquidos: tienen volumen propio, pero no tienen forma propia, van a adoptar la forma del recipiente que los contiene, siendo la superficie libre (la que no está en contacto con el recipiente contenedor) planta y horizontal (nivel). No se los puede comprimir. En sus partículas la fuerza de atracción es igual a la fuerza de repulsión. Cuando se encuentran en pequeñas cantidades, tienen tendencia a adoptar forma esférica (gotas) Gases: no tienen forma ni volumen propios, ocupan por completo el recipiente que los contiene. En sus partículas la fuerza de repulsión es mayor a la fuerza de atracción. Se los puede comprimir (Disminuir o aumentar su volumen mediante los cambios de presión). Cuando se encuentran inmersos en un líquido con el cual no pueden mezclarse, tienden a adquirir forma esferoidal (burbujas). 17 18 19 20 Sistemas materiales: Para llevar a cabo el estudio de distintos materiales, resulta útil definir la porción del universo que será objeto de dicho estudio. Esta porción constituye un sistema material, el cual se podría definir a su vez como cualquier porción del universo que se aísla real o imaginariamente con el objeto de ser estudiado. Ejemplo: una muestra de agua, una piedra, etc. Un sistema material puede interactuar con el medio o entorno, existiendo la posibilidad de que intercambia materia y/o energía con este. Si intercambia materia y energía lo denominamos sistema abierto (por ejemplo una fogata). Será cerrado cuando no puede intercambiar materia pero sí puede intercambiar energía (por ejemplo un globo inflado). Y lo llamaremos aislado cuando no intercambia materia ni energía (ejemplo un termo). 21 22 Sistemas inhomogéneos: Como reconozco que un sistema material es inhomogéneo Si no podemos reconocer ninguna fase bien delimitada, diferenciada y definida, por lo tanto el sistema es inhomogéneo. La atmósfera terrestre es un sistema inhomogéneo ya que presenta propiedades diferentes en toda su extensión. Por ejemplo, no tiene una fase definida de la concentración de oxígeno, sino que hay más presencia de oxígeno en la capa más cercana a la tierra, y dicha concentración disminuye en las capas superiores. 23 Métodos de separación de los sistemas materiales: Tamización: se emplea cuando un sistema heterogéneo está formado por dos fases solidas de diferentes tamaños. Ejemplo arena y piedras. Flotación: se separan dos sólidos, de los cuales uno de ellos debe flotar. Por ejemplo arena y corcho. 24 Tría: consiste en separar con pinzas o simplemente con las manos las fases sólidas de mayor tamaño de las de menor tamaño dispersas en otro sólido o en un líquido de un sistema heterogéneo. Filtración: se separa un sólido (insoluble) de un líquido mediante el uso de filtros. Ejemplo talco en agua. Decantación: Decantación sólido-líquido, se utiliza cuando un componente sólido se encuentra depositado en un líquido. Decantación líquido-líquido se separan líquidos que no pueden mezclarse y tienen densidades diferentes; el líquido más denso se acumula en la parte inferior del sistema Disolución: permite separar dos sólidos, de los cuales uno de ellos es soluble en un líquido (por ejemplo en agua). Por ejemplo un sistema formado por arena y sal (esa se disuelve en el agua). Imantación: se separan varios sólidos, de los cuales uno de ellos se va con el imán. Evaporación: se emplea para separar un sistema sólido-líquido, en donde el líquido se evapora (a temperatura ambiente) y no se vuelve a recuperar. Ejemplo agua salada. Cristalización: al igual que la evaporación se usa para separar un sistema formado por un sólido-líquido, en donde el líquido no se recupera, pero la diferencia es que en este caso se le aplica calor al sistema. Destilación simple: se utiliza para separar un sistema homogéneo formado por un sólido y un líquido, en este caso se recuperan ambos componentes. Destilación fraccionada: se emplea para separar líquidos que son solubles entre sí (ejemplo agua y alcohol), los cuales tienen puntos de ebullición diferentes. Sustancias: Las sustancias son sistemas materiales homogéneos que no pueden transformarse en otras sustancias distintas por ninguno de los procedimientos mecánicos o físicos. Se caracterizan por poseer propiedades específicas propias y constantes. Están formados por una sola clase de moléculas. 25 El hierro, el cobre, el azufre, la sal de cocina, el azúcar, el oxígeno, son sustancias que se distinguen por sus propiedades específicas. Así, no confundiremos nunca el sabor de la sal de cocina (salada), con el del azúcar (dulce), ni podríamos confundir el olor del vinagre con el del alcohol. Se puede realizar una distinción entre cuerpo y sustancia, ya que la noción de cuerpo implica la idea de forma y tamaño. En cambio, la de sustancia hace pensar únicamente en la clase de materia con que está hecho un cuerpo, la cual tiene propiedades específicas determinadas. Con esto podemos repetir algo que se dijo más arriba, podemos tener cuerpos diferentes formados por la misma sustancia; cómo podemos tener cuerpos iguales constituidos por sustancias diferentes. Según el origen de sustancias las podemos clasificar en: Sustancias naturales: son las que se encuentran directamente en la naturaleza, como las que se extraen del agua potable, los vegetales, etc. Sustancias artificiales: son creadas por el hombre en los laboratorios o en fábricas, sea como especies químicas nuevas o reproduciendo las sustancias naturales. Así, el hombre ha creado los medicamentos sintéticos (aspirinas, cloroformo, entre otro), las esencias artificiales (imitación de perfumes naturales), el caucho sintético, los vidrios, etc. A su vez, según como están compuestas estas sustancias las podemos clasificar en: Sustancias simples: son aquellas que están formadas por átomos iguales y no se pueden descomponer en otras sustancias. Ej. Oxígeno (O2), nitrógeno (N2), ozono (O3). Sustancias compuestas: están formadas por la unión química de dos o más átomos. Ej. La sal de mesa (NaCl), el agua (H2O). Las sustancias compuestas o compuestos químicos se pueden separar por métodos químicos. Al descomponerse dan origen a sustancias simples o elementos químicos. Soluciones: Si ponemos azúcar en agua, al comienzo tendremos dos fases. Una sólida (el azúcar) y otra líquida (el agua). Después de cierto tiempo solo observaremos una fase líquida (agua azucarada). Decimos que el azúcar se ha disuelto en el agua; la porción de azúcar que podemos disolver varía, obteniéndose así agua poco azucarada o demasiado azucarada. 26 Se llaman soluciones o disoluciones a los sistemas homogéneos, que se obtienen mezclando porciones variables de dos o más componentes. El componente que se halla en menor proporción recibe el nombre de soluto o fase disuelta; mientras que el medio en donde se disuelve es el solvente o disolvente. No sólo obtenemos soluciones con el agua, sino con otros disolventes. Por ejemplo el yodo, las resinas se disuelven en el alcohol; los aceites y las grasas son solubles en la bencina, en el éter, cloroformo, etc. Otras soluciones pueden obtenerse por mezcla de gases (el aire es una solución de oxígeno en nitrógeno y otros gases), o de sólidos (el latón es una solución de zinc en cobre). Las sustancias pueden ser disueltas por uno o varios disolventes, pero pueden ser insolubles en otros. Por ejemplo el aceite es soluble en bencina, pero insoluble en el agua. La solubilidad de una sustancia varía con la temperatura, generalmente aumentando con esta, aunque en algunos casos pase lo contrario, por ejemplo al aumentar la temperatura disminuye la solubilidad de los gases disueltos. Las soluciones pueden clasificarse según la cantidad de soluto disuelto en el solvente: No Saturadas: cuando su concentración es inferior a la de la solución saturada. Esta a su vez puede ser: Concentrada: tiene una cantidad de soluto próxima a la saturación. Diluida: cuando la solución tiene una cantidad de soluto pequeña, lejos de la saturación. Saturada: cuando la solución se encuentra en equilibrio estable y dinámico con el exceso de soluto disuelto. Sobresaturada: su concentración supera a la de la solución saturada, por lo que contienen una cantidad de soluto mayor, y son inestables, estas soluciones permanecen transitoriamente limpias (a pesar de contener mayor cantidad de sustancias disueltas que las que corresponden a la saturación), pero dicho exceso de sustancia se van depositando en el fondo, por simple reposo. La concentración de una solución está determinada por la relación entre la cantidad de soluto que contiene y la cantidad de solvente o solución. Algunas de las formas en las que pueden expresarse son: Porcentaje masa en masa (%m/m): indica el número de gramos de soluto disuelto en 100 gramos de solución. Por ejemplo una solución de ácido clorhídrico al 365m/m significa que tiene 36g de ácido disueltos en 100g de solución. Porcentaje masa en volumen (%m/v): indica el número de gramos de soluto disuelto en 100cm3de solución. Por ejemplo una solución de cloruro de sodio al 45m/v significa que tiene 4g de NaCl por cada 100cm3de solución. Gramos de soluto por litros de solución (g/l): indica el gramo de soluto disueltos en un litro (1000cm3) de solución. 27 La materia y sus propiedades: 28 El Átomo: El átomo es la menor porción de un elemento que puede participar en las reacciones químicas. Lo que sigue es una reducida síntesis de la historia de los modelos atómicos conocidos. El “átomo” está presente en la mente del hombre desde miles de años atrás, este concepto proviene de los filósofos de la antigua Grecia (Demócrito, Leucipo, etc.), quienes decían que el átomo era la menor porción de materia, la cual no se podía dividir. Recién en 1810 aparece la primera teoría atómica con bases experimentales, la cual fue formulada por el químico inglés J. Dalton. Si bien, hoy sabemos, contenía algunos errores, la teoría posibilitó el comienzo del desarrollo de la química como disciplina científica. Dalton escribió en sus notas que todo está constituido por átomos y que estos no podían dividirse, crearse o destruirse. Considero que cada elemento está constituido por una sola clase de átomos idénticos entre sí (con masas y propiedades similares), que cuando se combinan forman compuestos. En los últimos cien años no solo surgieron modelos cada vez más complejos y completos para explicar la estructura atómica, sino también pruebas de la existencia de partículas subatómicas. En 1898 aparece el que se conoce como el primer modelo atómico, propuesto por J.J. Thomson, en este modelo las partículas negativas de la materia (electrones) se encontraban incrustadas en una esfera maciza de carga positiva, como las pasas de uva se encuentran en un budín, por tal motivo a este modelo se lo conoce como el modelo atómico del budín de pasas. Para llegar a estas conclusiones, Thomson, experimentó con tubos de rayos catódicos (tubos cerrados al vacío con un gas a muy baja presión, al cual le hacía pasar una corriente eléctrica) y descubrió que todos los materiales emiten las mismas partículas, las cuales tenían carga negativa. No importaba qué gas se encontrara dentro del tubo, el resultado era siempre el mismo, por lo que descubrió que los electrones eran componentes de todas la materia. El descubrimiento de la radiactividad permitió seguir avanzando la interpretación de la estructura del átomo. Así, en 1911 E. Rutherford, con la finalidad de comprobar la veracidad del modelo de Thomson, investigó la dispersión de partículas alfa sobre una lámina de oro. Para realizar el experimento, hizo incidir el haz de partículas alfa (positiva) sobre una lámina de oro, detrás de la misma colocó una pantalla que permitia detectar el choque de cada partícula. Los resultados obtenidos fueron los siguientes: la mayoría de las partículas atravesaron la lámina sin sufrir desviación alguna (lo que le permitió deducir que el átomo tiene grandes espacios vacíos). Algunas partículas sufren pequeñas desviaciones; y una cantidad aún menor rebotaban sobre la lámina de oro. 29 La interpretación a esta experiencia le permitieron proponer un modelo atómico, sus más relevantes características son las siguientes, tiene un muy pequeño núcleo, (donde está casi toda la masa del átomo, de carga eléctrica positiva), alrededor del cual giran los electrones (de masa muy escasa y carga eléctrica negativa), como los planetas alrededor del sol, conocido como el modelo del sistema solar. Entre el núcleo y las órbitas que describen los electrones hay grandes distancias por lo que, el modelo propone, el átomo es prácticamente vacío. El número de electrones es suficiente para compensar la carga positiva del núcleo, de manera que el átomo en conjunto resulta neutro. Los electrones tienen una masa despreciable con relación a la masa total del átomo. Pero ya se sabía que cargas eléctricas del mismo tipo se repelen, entonces, ¿cómo se explicaba la estabilidad del núcleo atómico? Rutherford postuló la existencia de otro tipo de partícula nuclear, el neutrón. Pero apareció otra dificultad: dado que cargas eléctricas de distinto tipo se atraen, ¿por qué los electrones (con carga eléctrica negativa) no se caían sobre el núcleo (atraídas por la carga eléctrica positiva que posee)? En 1913, Niels Bohr propone un modelo atómico, que amplía el de Rutherford y presenta una forma de explicar las dificultades mencionadas. El modelo atómico de Bohr incluye la idea del núcleo y los electrones moviéndose a su alrededor. La idea nueva que postula es que esos electrones no pueden moverse recorriendo cualquier trayectoria, sino solamente por determinadas órbitas. Según Bohr, un electrón que se mueve en una de estas órbitas (llamadas órbitas estacionarias) posee determinada energía, se mantiene estable, no pierde ni gana energía y no “se cae” en el núcleo. Si el electrón recibe energía (por ejemplo cuando se calientan los átomos) pasa a una órbita más alejada del núcleo. Lo opuesto ocurre si emite o pierde energía. Este modelo fue toda una innovación que sacudió al mundo científico, pero muy pronto necesitó ser mejorado para dar cuenta de la avalancha de resultados experimentales e ideas teóricas que aparecieron durante las primeras décadas del siglo XX. Einstein, De Broglie, Heisenberg, Schrödinger, Born, son los apellidos de algunos de los científicos que hicieron enormes aportes para el conocimiento del mundo atómico. El modelo atómico continuó siendo perfeccionado, tanto en lo referente a la composición del núcleo como sobre el movimiento de los electrones a su alrededor. La principal modificación que surge está incluida en el llamado modelo atómico cuántico y consiste en que se abandonó la idea de órbita, es decir, la posibilidad de conocer la trayectoria de un electrón en un átomo y se comenzó a hablar de la energía asociada a cada electrón y de capas o niveles electrónicos de energía, grupos de electrones con energía similar. Surge el concepto de orbital como zona del espacio en el que es más probable encontrar a un electrón de un átomo. En realidad, los modelos atómicos que se fueron sucediendo desde mediados del siglo XX, se transformaron en complicadas ecuaciones matemáticas muy difíciles de interpretar, y se hizo también más difícil representar con dibujos el modelo del átomo. 30 En este curso nos detendremos en el modelo nuclear y la distribución de electrones en niveles de energía, y aceptaremos como una representación relativamente adecuada dibujos del tipo de los que le presentamos a continuación. Con nuestro modelo simplificado, podemos imaginar que un átomo tiene una zona muy pequeña (núcleo) en la que está concentrada prácticamente toda su masa (protones y neutrones) alrededor de la cual se mueven los electrones (nube electrónica). 31 Algunas propiedades de los átomos Según lo que postulaba Dalton, los átomos de un elemento son iguales entre sí, en particular en cuanto a su masa (en su época se referían al peso). Veamos qué ha quedado en pie de esa idea en el modelo que usaremos. Se pudo comprobar que la identidad de los átomos de cada elemento, está 32 dada por la cantidad de protones que forman su núcleo: todos los átomos del mismo elemento tienen igual número de protones. Ese número se denomina número atómico y se simboliza con Z. Así, por ejemplo, todos los átomos de carbono tienen 6 protones en su núcleo. Cualquier átomo que tenga 6 protones en su núcleo es un átomo de carbono. A la suma de partículas que se encuentran en el núcleo, protones y neutrones, se la llama número másico (ya que representa a todas las partículas que tienen masa apreciable dentro del átomo), y se representa con la letra A. 33 La Tabla Periódica de los elementos A medida que se acumulan conocimientos se hace cada vez más necesario organizarlos. Tal como lo hicimos con los sistemas materiales y con las sustancias, lo haremos con los átomos: usaremos criterios de clasificación. Buena parte de los conocimientos que se fueron obteniendo acerca de la composición y propiedades de los átomos se organizaron en una herramienta muy usada por los químicos: la Tabla Periódica (TP). Hubo diferentes versiones de esta tabla, de las cuales elegimos una de las más modernas. En la Tabla Periódica actual los elementos están ordenados según su número atómico creciente. Pero ¿por qué se la llama “periódica”? Veamos una clasificación periódica que se utiliza con frecuencia: el almanaque. Allí, el primer día de la semana siempre es un domingo, y le sigue el lunes, el cuarto día de cualquier semana es un miércoles. Esta forma de ubicar los días del mes es una organización periódica, ya que determinadas características de cada día, en este caso su nombre, se repiten cada siete días. Un criterio de periodicidad similar es el que se utilizó para organizar la Tabla Periódica que usan los químicos. Este criterio se basó en observaciones sobre las propiedades de los elementos y se fue enriqueciendo a lo largo de muchos años. Se estableció que las propiedades de los elementos son una función periódica de su número atómico. 34 La tabla periódica actual fue propuesta en un primer momento por Dimitri Mendeleiev (en 1869), quien ordenó los elementos por sus masas atómicas crecientes.Sin embargo esta tabla presentó algunos inconvenientes: El Hidrógeno no tenía una ubicación adecuada, ya que estaba con los metales. Algunos elementos no estaban ordenados por sus masas atómicas crecientes, tuvo que cambiar el orden en estos casos para que los elementos estuvieran en el grupo correspondiente según sus propiedades. Presentaba algunos casilleros vacíos, los cuales corresponden a elementos desconocidos en su época, por lo que Mendeleiev trató de predecir las propiedades de los mismos. En 1913, el físico Henry Moseley, basándose en la tabla de Mendeleiev, ordenó los elementos en función de sus números atómicos. En la Tabla Periódica, los elementos están ordenados según su número atómico creciente. El número de casillero coincide con el número atómico del elemento que está ubicado allí. La TP está organizada en columnas (verticales), denominadas grupos, en las que quedan ubicados elementos que tienen propiedades similares. Por otra parte, encontraremos filas (horizontales), que se denominan períodos, en los que las propiedades de los elementos varían a medida que se recorre un período. Grupo es el nombre de cada columna vertical de la TP. Posee dos numeraciones posibles: la tradicional, en dos subgrupos A y B, de I a VIII y la moderna que enumera directamente de 1 a 18. Período es el nombre de cada fila horizontal de la TP. Se numeran de 1 a 7. Avancemos en el estudio de algunas otras características de la TP. Si observa la tabla, puede ver que hay dos líneas gruesas que dividen zonas: una escalonada y otra vertical. La primera marca el límite aproximado entre los metales y los no metales y la segunda separa el último grupo, denominado de los gases nobles o inertes. Si se fija un poco más, verá que el primer casillero, donde se ubica el hidrógeno, también está separado por una línea más gruesa de los demás átomos del grupo 1; esta línea es la continuación de la escalera antes mencionada. Cuando hablamos de metales, en la vida diaria, nos referimos a las sustancias simples formadas por átomos que en la TP están ubicados en la zona centro izquierda. Algunas propiedades de estas sustancias son, por ejemplo, que a temperatura ambiente (25 ºC) son sólidos, con pocas excepciones como el mercurio, que es líquido. Presentan brillo. Son buenos conductores del calor y de la corriente eléctrica. Ya mencionamos estas propiedades cuando hablamos de materiales, entre los que aparecían metales y aleaciones que usamos continuamente. 35 Las sustancias simples formadas por elementos de la derecha de la TP, los no metales, presentan mayor variedad en su estado de agregación a temperatura ambiente: algunos son sólidos, como el azufre o el carbono, otros son líquidos, por ejemplo el bromo y otros son gases, como el nitrógeno o el oxígeno. En general son malos conductores de la corriente eléctrica (excepto el grafito, formado por carbono). En cuanto a los gases nobles o inertes, se los denomina así pues tienen muy poca reactividad química, es decir es difícil lograr que se combinen con otros elementos para formar compuestos. También se los denomina gases raros, por ser muy escasos en nuestro planeta. Tienen la particularidad de que sus moléculas son monoatómicas, es decir sólo poseen un átomo. De todos los gases nobles, el único que no se encuentra en el aire es el radón. Analicemos un poco más qué ocurre con las características de los elementos al recorrer un grupo o un periodo de la TP. A lo largo de un período las propiedades químicas de los elementos van variando gradualmente. Por ejemplo, al recorrer el tercer período se observa que el sodio, el magnesio y el aluminio son metales, en el silicio las características metálicas casi se han perdido, el fósforo, el azufre y el cloro son no metales y el argón es un gas noble. 36 Por otra parte, los diferentes átomos ubicados a lo largo de un grupo forman sustancias simples que presentan propiedades químicas semejantes. Por ejemplo, todos los elementos del grupo 1 pueden combinarse con cloro dando origen a sustancias sólidas blancas y saladas. Algunos grupos son conocidos por nombres especiales, por ejemplo: • Grupo 1 (IA), grupo de los metales alcalinos. • Grupo 2 (IIA), grupo de los metales alcalino térreos. • Grupo 17 (VIIA), grupo de los halógenos. • Grupo 18 (VIIIA), grupo de los gases nobles o raros. ¿Qué significa que las sustancias simples que forman un grupo “tengan propiedades químicas semejantes”? Veamos un ejemplo. Los diferentes metales alcalinos (grupo 1): • se oxidan fácilmente en contacto con el aire, • reaccionan con el agua liberando hidrógeno, • reaccionan con los halógenos (elementos del grupo 17) dando compuestos solubles en agua. Reacciones químicas En la Tabla Periódica aparecen alrededor de 110 átomos diferentes, de los cuales algo más de 90 se encuentran en la naturaleza, los demás han sido obtenidos en forma artificial en los laboratorios que se ocupan de desentrañar los misterios que aún subsisten acerca de la estructura íntima de la materia y de los núcleos atómicos. Sin embargo, si usted piensa en los diferentes materiales que lo rodean y los que forman la infinidad de objetos que utiliza la humanidad, podría preguntarse cómo es posible que con tan pocos elementos haya tanta variedad de sustancias. La respuesta es bastante simple. Las formas en que se pueden combinar los elementos químicos para formar compuestos son prácticamente infinitas. De ahí proviene la enorme diversidad existente en nuestro mundo. Hay compuestos gaseosos, líquidos y sólidos a temperatura ambiente; con diferentes colores, texturas, sabores y olores; los hay tóxicos e inocuos, también benéficos para mantener la salud. Los conocimientos adquiridos acerca de las distribuciones electrónicas Los átomos le van a ayudar a comprender las diferentes formas en que los átomos se pueden unir para formar moléculas y otras partículas que componen a las sustancias. Toda la explicación acerca de los enlaces químicos se centra en la manera como interactúan los núcleos atómicos con los electrones que se se mueven fuera de él, especialmente los más alejados de los núcleos. Ya mencionamos que los electrones de valencia o electrones químicos son los que desempeñan el papel principal en los enlaces entre un átomo y otro. Recordará que mencionamos que se asocia la estabilidad química de los gases nobles a que presentan ocho electrones en el nivel más externo (excepto el helio, donde hay sólo dos, por ser el máximo posible en el nivel n=1). Por lo general, cuando ocurren enlaces químicos, se forman sistemas estables porque los átomos unidos adquieren una configuración con ocho electrones de valencia, lo que se conoce como regla del octeto que fue propuesta en 1916 por Gilbert Newton Lewis. 37 ACTIVIDADES: 1. Clasificar las siguientes propiedades en Físicas o Químicas. Justificar elección (a) (d) (b) (e) (c) (f) 2. 3. ¿Cuál es la principal diferencia entre los conocimientos que estudian los que se dedican a la Física y a la Química? 4. ¿Qué características tiene el conocimiento científico? 5. ¿Por qué los científicos necesitan tener un lenguaje propio? Mencionar algunos ejemplos de palabras propias del conocimiento científico. 6. ¿Cuál es la finalidad de tener materias relacionadas a la ciencias en la escuela? 7. Realizar un resumen del apartado “Un poco de historia de la Física” en el que se incluyan las siguientes palabras: antigüedad, observación, Galileo, ley de gravitación universal, revolución científica, revolución industrial, física moderna. 8. Algo de la historia de la Química. Responder: a. ¿Cómo aprovecharon los materiales en la antigüedad? b. ¿Qué es la alquimia? c. ¿Cuándo surge la Química como tal? Explicar. 38 9. Relacionar las siguientes magnitudes con su respectivas unidades Longitud Kilogramo m Tiempo Kelvin s Cantidad de sustancia Metro mol Masa Mol Kg Segundo K Temperatura 10. Si decimos que una mesa es de 25 kilogramos, ¿A qué magnitud nos estamos refiriendo? 11. Pasar a notación científica los siguientes valores a. 25000000 b. 0.00000004 c. 4580000000 d. 2000000 e. 0.0000012 f. 36500000000000 g. 78050000000 12. ¿Cuál es la principal diferencia entre materia y cuerpo? 13. ¿Cuál es la diferencia entre una silla y una puerta (ambas de hierro)? ¿Cuál es la diferencia entre una mesa de madera y una mesa de hierro? 14. Determinar si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas a. La materia es una propiedad específica de la materia. b. La densidad es una propiedad general de la materia. c. El volumen nos indica el espacio que ocupa un cuerpo y se trata de una propiedad general de la materia. d. Las propiedades generales nos permiten identificar el tipo de sustancia de un material. e. La densidad del agua es menor a la densidad del aceite. 15. Completar el cuadro Sólido Líquido Gaseoso / Vapor Forma Volumen Distancia entre moléculas Fuerza de atracción entre moléculas Movimiento de las partículas 16. Las siguientes frases hacen mención a alguna PROPIEDAD de un MATERIAL, marca con una “E” aquellas que hagan referencia a una PROPIEDAD EXTENSIVA y con una “I” las que traten de una PROPIEDAD INTENSIVA: a. ( ) el dulce de ciruelas es un poco ácido b. ( ) una lata de gaseosa contiene 375 c.c. de líquido c. ( ) el alcohol hierve a 78°C (es un cambio de estado) d. ( ) el desodorante de ambientes huele a flores de jazmín e. ( ) el mercurio tiene una alta densidad f. ( ) el azufre tiene color amarillo g. ( ) la clorofila es un pigmento verde h. ( ) esa barra de acero pesa 8 kilogramos 39 i. ( ) una tiza tiene menos masa que un pizarrón j. ( ) el agua se congela a 0°C (es un cambio de estado 17. Leé atentamente el siguiente texto, subrayá con colores diferentes las PROPIEDADES INTENSIVAS Y EXTENSIVAS que en él aparezcan y luego clasificá a las PROPIEDADES señaladas en INTENSIVAS O EXTENSIVAS. “Santiago salió de la escuela, tomó su bicicleta y partió para su casa. En el camino se encontró con su grupo de amigos que estaban jugando al fútbol en la plaza del barrio. Entonces, bajó de su bicicleta, dejó a un lado su pesada mochila verde y se dispuso a jugar un rato con los demás chicos. Después de un rato de jugar, sus ganas de tomar una buena merienda pudieron más y siguió camino a su casa. Al llegar allí, tomó la jarra de la leche y se bebió una taza de 200 cm3 de la blanca y pura leche que había en la heladera. También comió 150 gramos de pan tostado cortado en rodajas untadas con una muy dulce mermelada de fruta, la cual por el aroma era de duraznos. Notó que la leche que estaba tomando era un poco más densa que la que habitualmente consumía, y así era, estaba tomando leche entera en lugar de leche descremada….” 18. Señale el nombre de los siguientes cambios de estado: a- De agua líquida a vapor de agua: b- De cobre sólido a cobre líquido: c- De oxígeno gaseoso a oxígeno líquido: d- De azufre líquido a azufre sólido. 19. Marque con una X la respuesta que considera correcta: a- El punto de ebullición es: i) una temperatura. ii) un estado físico. iii) una reacción química. iv) un cambio de estado. b- La evaporación es una de las formas de la: i) licuación. ii) sublimación. iii) condensación. iv) vaporización. c- Cuando dos sustancias se unen para formar una nueva sustancia, se trata de: 20. El encargado del laboratorio de la escuela puso a calentar, durante la mañana, un vaso de precipitado lleno de cubitos de hielo (de agua pura), fue tomando registros de las temperatura a cada minuto y con esos datos construyó una gráfica. A la tarde, dejó sobre la mesada del laboratorio la hoja en donde graficó dicha curva de calentamiento. Fue haciendo algunas marcas y referencias que quedaron sin completar. 40 a. Se sabe que la experiencia partió desde los cubitos de hielo y llegó al estado de vapor. Completa los espacios que aparecen vacíos en la curva. a. ¿Qué datos muestra este gráfico? ¿Qué pistas pueden encontrar en las pocas referencias que dejó el encargado del laboratorio? b. ¿Qué sucede en la parte donde crece de forma inclinada la gráfica? c. ¿Qué sucede en las partes horizontales, es decir, en los lugares donde es constante la curva? ¿Qué temperaturas corresponden a esos tramos constantes de la gráfica? d. ¿Qué conclusiones pueden hacer acerca de los cambios de estado? e. ¿Cómo sería la curva si harías el camino opuesto? (es decir, si partiendo del vapor y lo vas enfriando hasta llegar al hielo). 21. En base a la siguiente tabla: Indique: a 300ºC, ¿qué sustancias se encuentran en estado: a- sólido? b- líquido? c- gaseoso? 22. Complete la siguiente tabla 23. Identifique el cambio de estado de agregación producido en cada situación. Explique cada cambio usando el modelo cinético-corpuscular. 41 24. 25. ¿A qué llamamos sistemas materiales? Mencionar 3 sistemas materiales que vean en su vida cotidiana. 26. Marque con un X la respuesta correcta en cada caso: a. Cuando en un sistema material existe una superficie de separación es: . Homogéneo i. heterogéneo ii. Inhomogeneo b. Los sistemas homogéneos son aquellos que presentan una interfase: . Definida i. indefinida ii. muy evidente 42 iii. marcada c. Los sistemas homogéneos son aquellos que constan de: . una fase i. dos fases ii. varias fases d. Los sistemas inhomogéneos son aquellos que presentan una interfase: . Definida i. indefinida ii. muy evidente iii. marcada e. Las moléculas de sustancias compuestas están formadas por: . átomos iguales i. átomos diferentes ii. un solo átomo 27. ¿Cuál es la diferencias entres las suspensiones y sustancias coloidales? 28. ¿Por qué se aconseja agitar enérgicamente algunos medicamentos antes de usarlos? 29. ¿Por qué la sangre, algunas espumas y la gelatina son ejemplos de sustancias coloidales? 30. ¿Por qué los geles son un tipo de coloides? 31. El agua es un sistema. Justifique la respuesta. a. Homogéneo b. Heterogéneo c. Inhomogéneo 32. Un sistema material está formado por arena y piedras: a- Clasificar el sistema. b- Indicar cuántas fases hay y cuáles son. c- Indicar cuántos componentes hay y cuáles son. d- Escribir los pasos para separar todas las fases y todos los componentes. 33. Un sistema material está formado por agua, una cucharadita de sal, limaduras de cobre y trozos de telgopor: a- Clasificar el sistema. b- Indicar cuántas fases hay y cuáles son. c- Indicar cuántos componentes hay y cuáles son. d- Escribir los pasos para separar todas las fases y todos los componentes. 34. Se quiere separar un sistema formado por agua y aceite, y para ello se usa una ampolla de decantación. Completa los cuadros según corresponda: 35. Indica V (verdadero) o F (falso), justificando las respuestas: 43 a- En un sistema material en estado sólido predominan las fuerzas de atracción entre las partículas que lo componen. b- Todos los gases presentan brillo. c- Tanto los sólidos como los líquidos tienen forma propia. d- En el estado gaseoso las partículas presentan fuerzas de repulsión. e- Los líquidos forman estructuras cristalinas y ordenadas. f- Al aumentar la temperatura de un sistema, se aumenta la velocidad de las partículas que lo componen. 36. Completar: Sistema Fases Componentes Método de separación Agua y aceite Sal y vinagre Cafe Jugo de naranja con pulpa Agua y hielo Líquido de un encendedor Pizza con salsa, queso y morrón 37. Dar un ejemplo de sistema heterogéneo formado por tres fases que se puedan separar por decantación y tría. 38. Dar un ejemplo de sistema heterogéneo formado por dos fases que se puedan separar por imantación y tamización. 39. Dar un ejemplo de sistema homogéneo formado por dos componentes que se puedan fraccionar por destilación simple. 40. Completar 44 41. 42. 43. 44. Realizar un resumen que incluya las siguientes palabras: Materia, estados de la materia, propiedades de la materia, sistemas materiales (homogéneos y heterogéneos), fases y componentes. 45. Clasificar las siguientes sustancias en simples y compuestas a. 𝐶𝑙2 b. NaCl c. 𝐶𝑂2 d. 𝐻2 e. 𝐻2S f. 𝑂2 46. Mencionar 5 ejemplos de sustancias naturales y 3 ejemplos de sustancias artificiales. 47. ¿El agua es una sustancia simple o compuesta? ¿Cómo lo supo? 45 48. 49. Representa una molécula de oxígeno sabiendo que está formada por dos átomos de oxígeno. ¿Es una sustancia simple o compuesta? ¿Por qué? 50. Analice y complete las siguientes oraciones: a. Una sustancia simple está formada por un único .................................... b. Una sustancia compuesta está formada por ................................ elementos. c. Con solo mirar la fórmula de la sustancia podemos saber si es ........................... o ..........................., y qué ........................... la forman. 51. Observe las siguientes fórmulas: SO2, C2H4O, CaCO3, C2H4O2, Cl2. Identifique 52. la sustancia que: a. Contiene azufre. b. Contiene calcio. c. Es simple. 53. 54. ¿Cuál es la diferencia entre una solución saturada y una sobresaturada? 55. Si hacemos una solución de /0% de alcohol en agua, ¿Cuál es el soluto y cuál es el solvente? 56. Si agregamos 2 cucharadas de azúcar a una taza de café, ¿Cuál es el soluto y cuál es el solvente? 57. Teniendo en cuenta el modelo de partículas, indica cuál de las siguientes imágenes corresponde a una solución y cuál a una mezcla heterogénea de dos fases. 58. ¿Quiénes fueron los primeros en hablar sobre el átomo? Investiga un poco más sobre estas ideas que tenían del átomo 59. Realizar un cuadro en el que se explique qué son las sustancias y soluciones. 60. ¿Qué partículas fueron descubiertas por Thomson? ¿Dónde se encontraban? 46 61. ¿Por qué Thomson decía que el átomo tiene carga positiva? 62. Explique la experiencia de Rutherford y cómo era el átomo que propuso. 63. ¿Dónde se encontraba concentrada la masa del átomo según Rutherford? ¿Y su volumen? 64. Completar 65. ¿Por qué se supo que el número de protones de un átomo es igual al de electrones? 66. Explicar el modelo atómico de Bohr. 67. ¿Cómo es el átomo según el modelo atómico actual? 68. Según el modelo atómico actual, complete el siguiente cuadro, marcando con una X la zona donde se encuentra cada partícula e indicando el tipo de carga. Zona nuclear Zona extranuclear Protón Electrón Neutrón 69. Definir número atómico y número másico. ¿Con qué letras se los representa? 70. ¿Cuál de estos dos números es el que caracteriza a un átomo? ¿Por qué? 71. ¿A qué llamamos isótopos? 72. Carga eléctrica 47 73. Analice los símbolos que le presentamos. Tenga en cuenta que las letras utilizadas en esta actividad son arbitrarias, es decir, no se corresponden con el símbolo de ningún elemento. Identifique: a. pares de isótopos; b. átomos que tienen igual número de neutrones; c. átomos diferentes de igual número de masa. d. la cantidad de electrones en cada caso. 74. Completar -------75. Completar con los datos que faltan 19 76. El símbolo 𝑓9 significa que el flúor tiene: a. 9 protones, 9 neutrones y 10 electrones. b. 9 protones, 9 electrones y 10 neutrones. c. 10 protones, 9 electrones y 10 neutrones. d. Ninguna es correcta. 77. Busque los siguientes datos en la tabla periódica: a. El número atómico del aluminio b. El número de protones de un átomo de hierro 48 c. El número de electrones de un átomo de bromo 35 d. El número de neutrones de un átomo de 𝐶𝑙 78. Responder: a. ¿Cuál es el número de neutrones que posee un átomo de Z=35 y A=80? b. ¿Cuál es el número másico de un átomo de yodo que posee 74 neutrones? c. ¿Cuántos electrones poseen en el último nivel los elementos del grupo 14? d. ¿Cuántos electrones tienen en su último nivel los átomos de bario, selenio, cloro, sodio y argón? 79. Completar la siguiente tabla: Cloro Z A 17 35 protones Aluminio Mercurio Plata Electrones Neutrones 13 14 200 120 47 60 Calcio 40 20 Hierro 26 30 80. Suponga que realiza las siguientes actividades durante la semana: recibe el suplemento deportivo del diario, estudia Química, va al cine. De acuerdo con la forma de organizarlas, ¿cuáles son actividades periódicas? 81. ¿Por qué se denomina tabla periódica? 82. ¿Quién o quienes propusieron la tabla periódica actual? ¿Qué es lo que establecían? 83. ¿Cómo está organizada la tabla periódica actual? 84. Indique si los siguientes elementos son metales, no metales o gases nobles: a. Elemento que tiene el número atómico 35. b. El elemento cuyo átomo neutro posee 54 electrones. c. Elemento que posee 5 protones en su núcleo. d. Elemento del grupo 18, periodo 1. e. Elemento del grupo 15, periodo 4. f. Elemento de símbolo Zn. g. Elemento con 36 protones. h. Elemento con 1 solo electrón. 85. ¿Qué diferencia hay entre metales, no metales y gases nobles? 86. ¿Qué características tienen los elementos que se ubican en un mismo grupo? 87. Completar la siguiente tabla: Símbolo Grupo Periodo Metal, no metal, gas noble 3 gas noble Aluminio 15 2 6 4 Oro 49 Mg Helio Pb 88. Determinar si los siguientes elementos son metales alcalinos, metales alcalinotérreos, halógenos, o gases nobles: Neón, Magnesio, Cloro, Kripton, Litio, Bromo, Sodio, Calcio.
