1 Las reacciones químicas - las claves de nuestro proyecto

1
Las reacciones
químicas
Presentación de la unidad
Por ello, es esperable que sepan identificarlos con facilidad. Sin
embargo, se trata en esta unidad de ir un paso más allá, pues en
ella estudiamos los cambios químicos de forma genérica, y no únicamente en contextos determinados, como pueden ser los procesos metabólicos o de degradación de materiales, cuya descripción
cualitativa se ha estudiado previamente.
En esta unidad se estudian los contenidos del bloque de cambios
químicos correspondiente a este curso. Sus contenidos se han estructurado partiendo de las evidencias macroscópicas de los cambios químicos y sus características y propiedades, y del conocimiento sobre la estructura de la materia, para combinarlos en el
estudio de las reacciones químicas.
Para conseguir el objetivo anterior recomendamos que se haga
énfasis en que los contenidos de este curso podrán aplicarse a los
fenómenos ya conocidos, para llevar a cabo descripciones cuantitativas de ellos en cursos superiores.
Así, describimos las reacciones químicas desde el punto de vista
microscópico, utilizando las conclusiones acerca de las características de las reacciones químicas de la teoría atómica y las ideas más
relevantes de la TCM. Además, se incide en que en la reordenación de átomos que ocurre en un proceso químico, se rompen y se
forman nuevas uniones entre los átomos.
Tareas relacionadas
En esta unidad, como en las anteriores, recomendamos realizar el
trabajo práctico recomendado en el apartado «Taller de ciencias».
En este caso se trata del estudio de algunos de los factores que
afectan a la velocidad de una reacción química.
Por último, se relaciona la descripción a escala microscópica con la
macroscópica, introduciendo aquí la magnitud cantidad de sustancia.
Recursos y materiales
Para el tratamiento de la unidad, además del libro del alumnado,
esta propuesta didáctica y el material fotocopiable, le serán de utilidad los recursos digitales disponibles en la web de Anaya, manuales, enciclopedias y medios informáticos de consulta.
Educación en valores
Debido a que esta unidad sienta las bases para el posterior estudio de la Química, se debe abordar teniéndolo presente, y enfatizar en la necesidad de construir aprendizaje nuevo sobre el ya adquirido, fomentando de este modo la competencia en aprender a
aprender.
Sugerencias generales
Ideas previas y dificultades de aprendizaje
Recomendamos promover el trabajo colaborativo, pues este influye directamente en el desarrollo de las competencias sociales y cívicas.
La constatación de un cambio químico, la forma de identificarlo e
incluso la descripción de sus características son contenidos abordados en etapas previas de la formación de los estudiantes.
Esquema de la unidad
LAS REACCIONES QUÍMICAS
se representan mediante
son
ecuaciones químicas
Cambios
en las que encontramos
en los que los
coeficientes
estequiométricos
moléculas
fórmulas
químicas
de
de
que informan de la
entre
moléculas
moles
36
reactivos
proporción
cumplen
y
colisionan
con suficiente
con adecuada
energía
orientación
de
productos
dando lugar a
Ley de
conservación
de masa
Ley de
proporciones
sencillas
1
Las reacciones
químicas
Antes de empezar
❚ La materia está formada por átomos. La teoría atómica de Dalton (1803-1808)
afirma que una reacción química se puede describir como una reagrupación de los átomos de unas sustancias para formar otras diferentes.
¿Qué sabemos de las
reacciones químicas?
❚ Al tratarse de una reordenación de átomos, la masa de las sustancias
Desde la antigüedad hasta nuestros días la necesidad de conocer y controlar las transformaciones de unas sustancias en otras ha motivado
el desarrollo de teorías acerca de las características y composición de la materia.
❚ En una reacción química, el número de átomos de cada elemento quí-
que están presentes antes de que el cambio químico tenga lugar será
la misma que la de las sustancias que se forman.
Las reflexiones de Robert Boyle en su obra El
químico escéptico (1661) sobre la naturaleza de
los elementos químicos y las conclusiones de
Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) acerca de
la conservación de la masa en las reacciones químicas hacen que estos científicos sean considerados los padres de la química moderna.
mico diferente es el mismo antes de que tenga lugar el cambio químico
y después; por tanto, no ocurre una transformación de un elemento en
otro, simplemente los átomos se enlazan de forma diferente. De este
hecho podemos concluir que una reacción química es un fenómeno
que afecta solo a la corteza de los átomos, pero no al núcleo.
❚ Para representar un cambio químico, utilizamos una flecha que separa
la situación antes del cambio y la situación después de él.
Pensamos en grupo
En el curso pasado nos centramos en la descripción de la materia y su estructura. En esta unidad veremos cómo se producen cambios en la
naturaleza de las sustancias. Estos cambios se
denominan reacciones químicas.
Haced grupos en clase para responder a estas cuestiones:
Qué vas a estudiar
3 Explica en qué se diferencia el resultado de disolver una cucharada de
1 En el momento en que se fabricó la pieza de bronce de la imagen era
de color amarillo y con la exposición a la atmósfera aparece una pátina
de color verdoso. ¿A qué crees que es debido este cambio de color?
2 Los seres vivos pueden ser autótrofos o heterótrofos. ¿En qué se diferencian unos de otros? La transformación de las sustancias que ocurre
durante la nutrición, ¿es un proceso físico o químico?
1 Los cambios en la
naturaleza
2 Estudio de las reacciones
químicas
3 Representación de las
reacciones químicas
4 Leyes fundamentales
en las reacciones químicas
5 Cantidad de sustancia
y reacciones químicas
azúcar en agua respecto del resultado de la obtención de azúcar caramelizada. ¿Se trata de cambios físicos o químicos?
Sustancias
inorgánicas
6 Las reacciones químicas
en la sociedad
Alimento
Energía
Nutrientes
Nutrientes
En la web
Encontrarás una autoevaluación
inicial interactiva.
Sugerencias metodológicas
• Los estándares de aprendizaje que corresponden a este bloque temático, dedicado a los cambios, son variados. La evaluación de la
consecución de algunos se puede abordar desde actividades escritas, como son los que se refieren a la utilización de modelos para interpretar las reacciones químicas (teoría de colisiones) o los relativos
a la comprobación de la ley de conservación de la masa. Otros estándares tienen un carácter empírico y experimental, como es el reconocimiento de reacciones químicas en experimentos sencillos. Debido
a esta variedad, recomendamos que las sesiones relativas a esta unidad combinen actividades experimentales con explicaciones y tareas
escritas.
• Se ha optado por la introducción del concepto de cantidad de sustancia y mol en esta unidad, pues es en el contexto de una reacción química en el que la utilidad del uso de esta magnitud es claro. No obstante, aunque los cálculos estequiométricos requieran del uso de
moles, la introducción de la cantidad de sustancia se ha dejado para el
penúltimo epígrafe, y se ha utilizado la ley de las proporciones múltiples para introducir los cálculos de masas de reactivos y productos.
Con esta forma de estructurar los contenidos se permite tener la oportunidad de prescindir del cálculo con moles, pero realizar cálculos estequiométricos sencillos a partir de la proporción de las masas de las
sustancias que reaccionan.
Qué vas a estudiar
• En este apartado se expone el índice de los apartados que se van a desarrollar en la unidad.
• Se puede utilizar para ofrecer a los estudiantes la estructura general de
los contenidos, seguida de una lectura exploratoria de la unidad, con el
fin de obtener una visión global sobre ellos y la forma en la que estos
están relacionados.
• Con el mismo fin, se puede mostrar el mapa conceptual ofrecido.
Antes de empezar
• En este apartado mostramos algunas ideas que se han de tener presentes para el estudio de la unidad. En el primer párrafo, la alusión a la
teoría atómica puede servir para concienciar a los estudiantes del hecho
de que mucho del nuevo aprendizaje que adquieren se sustenta en el
ya adquirido y, por tanto, en la necesidad de llevar el estudio al día.
• Siguiendo con esta idea, mostramos que aquí retomaremos las leyes básicas de la Química, por lo que será necesario conocerlas previamente.
• El penúltimo párrafo puede servir al docente para repasar con el grupo
el modelo atómico planetario y la implicación que tiene un cambio en la
corteza del átomo y la que tiene si la modificación ocurre en su núcleo.
Pensamos en grupo
• Se recomienda que los agrupamientos no sean de más de tres estudiantes para que los tiempos de discusión no sean grandes, permitiendo así
una adecuada puesta en común de conclusiones con toda la clase.
• Estas actividades, junto con la autoevaluación inicial, permitirán identificar los conocimientos previos del alumnado
A continuación se indican algunos comentarios sobre estas cuestiones:
1 La figura muestra el resultado del proceso de oxidación del cobre,
que tiene lugar cuando este metal se combina con el oxígeno del aire. Podemos aprovechar la puesta en común con el grupo para incidir
en qué condiciones ambientales se verá acelerada esta oxidación.
2 La nutrición autótrofa es aquella en la que la materia orgánica es sintetizada a partir de una fuente de carbono no orgánica, como es el dióxido
de carbono, mientras que en la nutrición heterótrofa se parte de una
fuente orgánica de carbono. Ambos procesos son cambios químicos,
en los que desaparecen unas sustancias y aparecen otras nuevas.
3 La disolución de azúcar en agua es un proceso físico, en el que no
aparecen sustancias nuevas. Sin embargo, en la caramelización del
azúcar ocurren procesos de polimerización, en el que se forman sustancias nuevas con diferentes propiedades organolépticas.
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cambios
en la naturaleza
1 Los
UNIDAD
1
1.3 Características de los cambios químicos
Además de la aparición de nuevas sustancias, las reacciones químicas se
caracterizan por otros aspectos que conviene tener en cuenta:
Los fenómenos que ocurren en la naturaleza son el resultado de diversos y variados cambios. Estos cambios pueden ser tan sencillos como el
cambio de posición de un cuerpo o tan complejos como las transformaciones que sufren las sustancias en el interior de un organismo vivo.
❚ Mientras ocurre una reacción química existe un intercambio de energía. Hay reacciones químicas que requieren de un aporte de energía
para tener lugar, mientras que otras, como las combustiones, desprenden gran cantidad de energía.
1.1 Cambios físicos y químicos
❚ Reacciones reversibles e irreversibles. La mayoría de las reacciones
Como vimos en la unidad introductoria del libro, la física y la química se
ocupan de las transformaciones que ocurren en los sistemas materiales.
Se pueden diferenciar dos clases de transformaciones, o cambios, atendiendo al siguiente criterio: la aparición de nuevas sustancias.
químicas son irreversibles, es decir, una vez que la combinación de los
reactivos ha dado lugar a los productos, estos no se recombinan para
volver a formar los reactivos. No obstante, en algunas reacciones esto
sí es posible; son las llamadas reacciones reversibles.
Si calentamos un trozo de hierro hasta que alcance su temperatura de
fusión, se habrá realizado un cambio de estado sólido a líquido. En este
cambio no aparecen nuevas sustancias, pues como resultado se obtiene
hierro fundido.
❚ Los estados de agregación de los reactivos y productos no tienen por
qué ser iguales, es decir, en una reacción entre un sólido y un líquido se
puede formar una sustancia gaseosa. Muchas de las reacciones tienen
lugar en disolución acuosa, por lo que si se tiene uno de los reactivos o
productos en disolución acuosa, se suele indicar, como veremos.
Sin embargo, si ahora calentamos un trozo de roca caliza (carbonato de
calcio), obtendremos cal viva (óxido de calcio) y se liberará cierta cantidad de dióxido de carbono (CO2). En este caso sí se obtienen sustancias
diferentes a las de partida.
El estudio de las reacciones químicas no solo se aborda desde el laboratorio, sino que estos cambios se estudian en diversos contextos.
Un cambio físico es aquel que no provoca la aparición de nuevas sustancias; sin embargo, como resultado de un cambio químico se producen sustancias que no estaban presentes antes de la transformación.
Algunas reacciones químicas cotidianas
En otras palabras, un cambio químico altera la naturaleza de la materia,
pues aparecen y desaparecen sustancias, mientras que en un cambio físico solo ocurren transformaciones en las propiedades del sistema. Los
cambios químicos se denominan también reacciones químicas.
1.2 Reactivos y productos en una reacción química
Por muy compleja que sea una reacción química, siempre se puede distinguir entre las sustancias presentes antes del cambio y las que se producen como resultado de este.
❚ Se denominan reactivos a las sustancias puras que se combinan entre
sí, dando lugar a la reacción química.
❚ Los productos de una reacción química son las sustancias que se han
formado como resultado de la combinación de los reactivos en la reacción química.
Obtención de cal viva
En el ejemplo anterior, la descomposición de piedra caliza, el reactivo es
la piedra caliza, y los productos son la cal viva y el dióxido de carbono.
Se puede representar de este modo:
Hay sectores de la industria química y
farmacéutica cuyo principal objetivo
es sintetizar productos de interés industrial y social mediante reacciones
químicas.
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».
4
Las síntesis de medicamentos son procesos
de gran relevancia social. Busca información acerca
de varios medicamentos de reciente creación y para
qué se utilizan.
5
¿A qué problema ambiental se refiere la
tercera fotografía de esta página? ¿Qué medida se
tomó para evitarlo? ¿Fue necesario un conocimiento
químico de este problema?
2 La disolución de azúcar en agua, ¿es un cambio físico
Trabaja con la imagen
La obtención de cal viva se hace transformando la piedra caliza transfiriéndole energía mediante calor.
o químico? ¿Y cuando calentamos azúcar para obtener caramelo? Explica tus respuestas.
3
Busca diversos ejemplos de reacciones reversibles e irreversibles, y descríbelas.
33
32
Sugerencias metodológicas
• Comenzamos esta unidad destacando las diferencias entre cambios físicos y químicos. Aunque estos contenidos ya han sido tratados en cursos y
etapas previas, es ahora cuando se pide un estudio sistemático de ellos.
• La noción de cambio químico en relación con las hipótesis de la teoría
atómica y la definición de sustancia elemental, como aquella que no
puede descomponerse en otras diferentes, mientras que una sustancia
compleja sí, pueden servir al docente como introducción a los contenidos de este epígrafe. Sugerimos destacar que en esta unidad no solo
vamos a abordar la descomposición de compuestos en elementos, o su
proceso contrario, la síntesis de compuestos a partir de elementos, sino
que vamos a abordar cualquier tipo de reacción química.
• Para acercar los contenidos al alumnado podemos recurrir a la cocina, donde tenemos procesos físicos, como la disolución de sales, la ebullición de
agua, la elaboración de mahonesa y la lixiviación del café en una cafetera, y
procesos químicos, como las reacciones de pardeamiento químico en los
guisos, el tueste del pan, la elaboración de caramelo, las reacciones en los
marinados, etcétera. Podemos resaltar que, aunque no siempre es fácil distinguir un cambio físico de uno químico, un análisis de las sustancias que
están presentes antes y después del cambio nos dará siempre la respuesta.
• En este epígrafe mostramos la forma de escribir una reacción química.
Podemos aprovecharlo para incidir en que, si estudiamos una reacción
desde el punto de vista cuantitativo, es necesario escribir correctamente las fórmulas químicas, como se verá más adelante.
• Respecto de las características de las reacciones químicas, sugerimos como ejemplo complementario de reacciones que requieren energía los
procesos anabólicos, y para las que desprenden energía, los catabólicos.
• Respecto de las reacciones reversibles, y aunque estrictamente no lo sea,
se puede mencionar la destrucción y regeneración de la capa de ozono,
pues desde un punto de vista global, se trata de un proceso reversible.
• Con las imágenes de la página de la derecha se pretende destacar la
necesidad del dominio de la química para abordar con éxito otras disciplinas, como las ciencias de la salud o las medioambientales.
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La preservación de los monumentos
pasa por conocer los procesos químicos naturales y los factores que pueden
causar modificaciones que, a medio o
largo plazo, repercutan en el medio.
Comprende, piensa, investiga...
Piedra caliza 8 cal viva + dióxido de carbono
Las rocas poseen en su composición uno o más minerales y ciertas impurezas. En el caso de la roca caliza no toda ella es carbonato de calcio;
¿sería posible entonces conseguir que toda la masa de roca caliza se transformase en cal viva y dióxido de carbono?
En los organismos vivos ocurren una
infinidad de reacciones químicas influenciadas entre sí. Por ejemplo, el
proceso de la digestión es un entramado de reacciones químicas.
Soluciones
Trabaja con la imagen
• Si toda la masa de piedra caliza no es carbonato de calcio, no reaccionará toda su masa; por tanto, la suma de las masas de cal viva y de dióxido de carbono obtenidos no serán igual a la masa de la piedra caliza,
solo a la masa de carbonato de calcio que contenga.
Comprende, piensa, investiga…
1 Significa que en un cambio químico cambian las sustancias que componen el sistema que reacciona. La naturaleza de la materia se refiere
en este caso a las sustancias que forman la materia que reacciona.
2 La disolución de azúcar en agua es un cambio físico, en el que no
aparecen sustancias nuevas, mientras que en la obtención de caramelo aparecen, dando nuevo color y sabor, es decir, cambian sus
propiedades.
3 Reversibles: las reacciones de recargado en las pilas recargables, la combinación de agua y dióxido de carbono para dar ácido
carbónico y la combinación de hidrógeno y nitrógeno para dar amoniaco. Irreversibles:cualquier reacción de precipitación, las combustiones o la reacción entre hidróxido de sodio y ácido clorhídrico.
4 5 Se puede orientar la respuesta hacia los nuevos medicamentos para el tratamiento de la hepatitis C.
La fotografía muestra el deterioro de la piedra caliza de la
que están formados los monumentos, por la degradación química
que provocan algunos contaminantes atmosféricos, como los gases
de azufre, SOx, y de nitrógeno, NOx, además del CO2. Existen fuentes
naturales de todos estos gases, pero también son producidos por las
actividades industriales y por el uso de combustibles fósiles. Para prevenir el problema se han ido reduciendo las emisiones de los gases
de azufre y nitrógeno, y en algunos lugares se ha limitado la circulación de vehículos en las zonas monumentales.
2 Estudio de las reacciones químicas
UNIDAD
2.3 Factores que influyen en la velocidad
de una reacción química
2.1 Teoría de colisiones de las reacciones químicas
Hay muchos factores que afectan a la velocidad de una reacción química.
Una de las teorías que permite explicar cómo y por qué se producen
las reacciones químicas es la teoría de colisiones. Para comprender esta
teoría partimos de tres ideas fundamentales:
Por ejemplo, reacciona más deprisa un reactivo sólido si se encuentra
finamente dividido (en forma de polvo o de cristales pequeños) que si se
trata de un trozo grande (por ejemplo, un tronco de madera).
❚ Las partículas que componen la materia, según la TCM (que estudia-
De entre todos estos factores, destacamos aquí dos de los más importantes: la temperatura y la concentración de los reactivos.
mos el curso pasado), no se encuentran en reposo, sino que están en
continuo movimiento. Como resultado de ese movimiento existen choques entre las partículas.
En general, un aumento de la temperatura origina que la reacción transcurra con mayor rapidez. La teoría cinético-molecular nos da una explicación
del papel que desempeña la temperatura en la velocidad de reacción:
átomos. Los átomos que estaban unidos formando los reactivos se reagrupan de forma diferente y dan lugar a nuevas sustancias, los productos.
Al aumentar la temperatura, se incrementa la energía de las moléculas (o átomos) con lo que los choques entre ellas serán más intensos,
favoreciéndose así la ruptura de los enlaces en las moléculas de los
reactivos.
❚ Para conseguir esta reagrupación, es necesario que se rompan los enlaces atómicos de los reactivos y se formen enlaces nuevos, uniendo
diferentes átomos.
Según la teoría de colisiones, una reacción química ocurre porque las
moléculas de los reactivos chocan entre sí con la suficiente energía
como para que se rompan los enlaces que mantienen unidos a los
átomos en los reactivos.
■ Concentración de los reactivos
FOTO
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La concentración de una sustancia es la relación entre la cantidad de esta
y el volumen en el que se encuentra. Cuanto mayor sea la concentración,
más cantidad de la sustancia habrá por unidad de volumen.
La teoría de colisiones
Se produce una colisión
con energía suficiente.
Trabaja con la imagen
Comenta con tus compañeros la respuesta a la siguiente pregunta: ¿Cuál
es la razón de que los alimentos perecederos se almacenen a bajas temperaturas?
■ Temperatura
❚ Una reacción química se puede describir como una reordenación de
Las moléculas están
en continuo movimiento.
1
A mayor número de moléculas, choques más probables
Se forman nuevos enlaces,
originando nuevas sustancias.
2.2 Velocidad de una reacción química
Si la concentración de los reactivos es muy baja, el número
de choques será menor. La velocidad de la reacción química
será, por tanto, baja.
El tiempo que transcurre desde que se ponen en contacto los reactivos
de una reacción hasta que se obtienen los productos resulta fundamental
para clasificar las reacciones. Hay reacciones de una extremada lentitud,
y otras con una rapidez tal que las hace explosivas.
Comprende, piensa, investiga...
La velocidad de una reacción química se cuantifica observando cómo
aumenta la cantidad de los productos en un determinado intervalo de
tiempo.
El control de la velocidad a la que transcurre una reacción química resulta fundamental para algunas aplicaciones de la química, como las industriales. Uno de los objetivos de la industria química y sus derivadas
es el de poder acelerar reacciones de las que se obtengan productos de
interés para la sociedad.
También resulta interesante este control de la velocidad de reacción para
poder ralentizar algunas de ellas; por ejemplo, las de descomposición de
alimentos.
Por el contrario, al aumentar la concentración de los reactivos, aumenta el número de choques y con ello la velocidad
de la reacción química.
Otras formas de
cuantificar la velocidad
De forma alternativa a medir cómo
cambia la cantidad de productos con
el tiempo, ¿crees que se podría medir la velocidad de reacción de otra
manera?
6
¿Todos los choques que se producen entre las moléculas de reactivos hacen que estas se rompan? ¿De qué
factores crees que depende que un choque sea efectivo?
7
Realiza un esquema con las ideas que consideres necesarias para comprender la teoría de las
colisiones. Recuerda incluir las ideas de la TCM que
ya conoces, así como de la teoría atómica de Dalton.
8 ¿Crees que la velocidad de las reacciones entre sustancias gaseosas depende de la presión a la que se
encuentran? Justifica tu respuesta.
Sugerencias metodológicas
• Una de las dificultades que se pueden dar en el estudio de la teoría de
colisiones deriva del hecho de que los estudiantes no se hayan planteado
hasta ahora en qué condiciones se da la ruptura y formación de enlaces
en una reacción química. Destacar que solo en determinadas condiciones
y entre ciertos reactivos tiene lugar una reacción química puede servir como introducción al tema. Además, puede surgir como idea errónea una
visión aditiva de las reacciones químicas, es decir, que se considere que
las moléculas de los reactivos se unen para dar lugar a otras mayores.
• Para comprender la teoría de colisiones de las reacciones químicas es necesario introducir el carácter estocástico y dinámico de las reacciones químicas, en su escala microscópica de descripción. Es conveniente introducir, aunque sea de forma sutil, este comportamiento no determinista, en
el que no todos los choques dan como resultado la formación de las moléculas de productos, y no todas las moléculas de reactivos poseen el
mismo valor de energía, sino que están distribuidas en torno a un valor
medio. Aunque la conexión entre la descripción de cada elemento de
forma individual y la descripción del colectivo se antoje lejana, consideramos conveniente intentar mostrar esta relación a nuestro alumnado.
• Una vez hecho el análisis de las reacciones químicas a partir de la teoría
de las colisiones, con las consideraciones destacadas, deducir los factores que afectan a la velocidad de reacción es sencillo.
• A modo de ampliación, sugerimos al docente introducir el concepto de
catalizador y realizar la actividad 11.
• Por otro lado, la respuesta a la pregunta sobre la cuantificación de la
velocidad puede dar pie a mencionar el concepto de reactivo limitante.
Además, se puede mencionar la medida de algunas propiedades físicas
como indicación de la velocidad de una reacción química.
la reacción de combustión. Razona tu respuesta:
a) Se queman astillas de madera.
b) Se quema un tronco de madera.
10 Explica, utilizando la TCM, por qué normalmente la
temperatura hace que aumente la velocidad de una
reacción química.
11
Busca información sobre los catalizadores.
¿Para qué se utilizan este tipo de sustancias?
35
34
• Tradicionalmente, se han considerado los cálculos estequiométricos como la parte fundamental del estudio de las reacciones químicas. Sin embargo, para llegar a ellos es preciso pasar por una etapa previa de comprensión de los fenómenos que ocurren en una reacción química a
escala microscópica.
9 Explica en qué situación ocurrirá con mayor rapidez
Soluciones
Trabaja con la imagen
• Al disminuir la temperatura se ralentizan los procesos químicos de degradación de alimentos.
Comprende, piensa, investiga…
6 No; para que un choque sea efectivo, ha de implicar la energía suficiente, y debe tener una orientación adecuada.
7 El esquema debe relacionar los conceptos siguientes: la materia está formada por átomos; diferentes elementos químicos tienen
átomos diferentes; los compuestos químicos están formados por átomos de diferentes elementos; las partículas que componen la materia
están en continuo movimiento, chocando entre sí; una reacción química se produce cuando los choques entre moléculas de reactivos tienen la energía y orientación adecuada para que los átomos se enlacen de forma diferente, dando lugar a nuevas sustancias.
8 Al aumentar la presión, sin aumentar el volumen, de un gas, la temperatura aumenta, pues las partículas se moverán más deprisa; así, aumenta el número de choques que son efectivos y, por tanto, la velocidad de la reacción química.
9 La opción correcta es la a), puesto que el área superficial de las astillas
es mayor que la del tronco.
10 Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas y, con ello, el número de choques efectivos y, por tanto, la velocidad de la reacción química.
11 Un catalizador es una sustancia que acelera las reacciones químicas. Los catalizadores son sustancias que actúan de forma específica sobre la energía de activación de las moléculas de reactivos, rebajándola, de modo que con menores valores de energía tengan lugar
choques efectivos que den como resultado la formación de enlaces
de las moléculas de los productos. Los catalizadores no se consumen
en la reacción química, sino que se recuperan al final de ella.
39
3
Representación
de las reacciones químicas
UNIDAD
1
3.2 Significado de una ecuación química
Al leer una ecuación química tenemos información acerca de:
Si ponemos en contacto una disolución acuosa de yoduro de potasio, KI,
con otra de nitrato de plomo, Pb(NO3)2 (ambas trasparentes), se produce
un cambio químico cuyo resultado es la aparición de dos nuevas sustancias: el yoduro de plomo, PbI2 (color amarillo), y el nitrato de potasio, KNO3.
❚ Las sustancias puras (reactivos y productos) que participan en la reacción química, representadas por sus respectivas fórmulas químicas.
❚ Las cantidades de cada una de esas sustancias, indicadas por los coeficientes estequiométricos.
El párrafo anterior describe una reacción química, pero resulta poco
práctico. Para simplificar la descripción de una reacción química se utilizan ecuaciones químicas.
Para comprender el significado de una ecuación química, tomaremos
como ejemplo la formación de amoniaco, NH3, de acuerdo con la siguiente ecuación química:
3.1 Ecuaciones químicas
N2 + 3 H2 8 2 NH3
Una ecuación química contiene información sobre las sustancias que reaccionan y las que se forman como resultado de la reacción química que
representa. Esta información no es solo cualitativa, sino también cuantitativa, es decir, da información sobre las cantidades que reaccionan.
Podemos representar la reacción anterior mediante esta imagen:
+
Una ecuación química es la representación simbólica de una reacción
química en términos de fórmulas químicas.
y concluir que:
Una ecuación química consta de:
❚ Dos miembros conectados por una flecha que indica el sentido en que
Una molécula de nitrógeno, N2, reacciona con tres moléculas de hidrógeno, H2, y se obtienen dos moléculas de amoniaco, NH3.
se produce la reacción. A la izquierda de la flecha aparecen las fórmulas químicas de los reactivos, y a la derecha, las de los productos.
A partir de esta información conocemos:
❚ Unos números colocados delante de la fórmula química de cada sustancia, que se denominan coeficientes estequiométricos, y que nos indican el número de moléculas o la cantidad de sustancia (lo veremos
más adelante) de cada sustancia que interviene en la reacción; si este
número es igual a uno, no se escribe.
❚ El número de unidades fundamentales (átomos o moléculas) de cada
reactivo y producto que interviene en la reacción.
❚ El número de átomos de cada elemento presente en la reacción química.
❚ Información sobre el estado de agregación de las sustancias; para ello
Una reacción química es una reordenación de los átomos de los elementos químicos que formaban los reactivos, de modo que se unan de
forma diferente para dar lugar a los productos; por ello, el número de
átomos de cada elemento químico es el mismo en reactivos y productos.
se utilizan unas abreviaturas que van entre paréntesis detrás de cada
fórmula química: sólido (s), líquido (l ), gas (g), en disolución acuosa
(aq). Esta información no se da en todas las ocasiones.
Escribimos ecuaciones químicas
Trabaja con la imagen
El cambio químico que se muestra en la imagen de la derecha es el descrito al
inicio de la página.
Como puedes observar, el número de átomos de cada elemento químico no
varía antes y después de la reacción química. Este hecho es en el que nos
basaremos para elegir adecuadamente los coeficientes estequiométricos.
Para escribir la ecuación química se siguen estos pasos:
Comprende, piensa, investiga...
1 Identificamos reactivos y productos y los representamos por sus fórmulas
químicas:
Reactivos
Kl + Pb (NO 3) 2 8
Productos
Pbl 2 + KNO 3
2 Añadimos el estado de agregación:
una disolución acuosa de ácido sulfúrico (H2SO4),
provoca que se desprenda gas hidrógeno (H2) obteniéndose, además, sulfato de sodio (Na2SO4) en
disolución acuosa:
drógeno (H2) y oxígeno (O2) para formar agua (H2O):
veremos en el siguiente apartado:
Coeficientes estequiométricos
14 La reacción entre sodio (Na) en estado sólido y
guiente proceso: Cuatro moléculas de amoniaco
se combinan con cinco de dioxígeno para formar
cuatro de monóxido de nitrógeno y seis de agua.
13 Escribe la ecuación química de la reacción entre hi-
KI (aq) + Pb(NO3)2 (aq) 8 PbI2 (s) + KNO3 (aq)
3 Escribimos los coeficientes estequiométricos ajustando la ecuación, como
2 KI (aq) + Pb(NO3)2 (aq) 8 PbI2 (s) + 2 KNO3 (aq)
12 Escribe la ecuación química que representa el si-
Con ayuda de tus compañeros identifica en qué lugar de la imagen se encuentran las sustancias químicas que
toman parte en la reacción.
a) ¿Serías capaz de indicar el valor de los coeficientes estequiométricos?
b) Haz una representación que permita comprender esta reacción.
c) ¿Cuáles son los reactivos y los productos?
• Continuando con el estudio de las reacciones químicas, presentamos
aquí su representación simbólica: las ecuaciones químicas.
• Comenzamos con una descripción de los términos y simbología de las
ecuaciones, para continuar con la interpretación cuantitativa de una ecuación química a nivel microscópico. La siguiente doble página de este epígrafe se dedica, en su totalidad, al ajuste de reacciones químicas.
• Las dificultades esperables en esta parte de la unidad pueden estar relacionadas tanto con la comprensión de los contenidos como con la realización de los procedimientos implicados. Por ello, sugerimos comenzar destacando que el proceso dinámico que ocurre durante una
reacción química se representa de una forma secuencial en la ecuación
química, separando la situación inicial de la final mediante una flecha.
• Es destacable que algunos estudiantes relacionan de forma equivocada
las ecuaciones químicas con ecuaciones algebraicas, asumiendo que los
estados inicial y final del proceso químico corresponden a los dos miembros de una ecuación algebraica.
• Por ello, hemos separado las etapas que hay que seguir para escribir una
ecuación química (obviando su ajuste). Podemos utilizar el esquema incluido para escribir otras ecuaciones químicas, como la reacción del aluminio sólido con una disolución acuosa de ácido clorhídrico para formar el
cloruro de aluminio sólido con desprendimiento de hidrógeno gaseoso.
• Una vez que hayamos practicado con este esquema realizaremos la etapa inversa, esto es, leer una ecuación química y analizar la información
que contiene; para ello se pueden utilizar los ejemplos de ajuste de reacciones químicas que se ofrecen en las fichas de atención a la diversidad del material fotocopiable.
• Es necesario, en esta etapa del estudio de las reacciones químicas, que
los estudiantes dominen la formulación y nomenclatura de los compuestos químicos. Por ello, recomendamos que se realicen previamente
las actividades propuestas en el anexo de formulación, si no se hubieran
abordado todavía.
40
b) Indica cuáles son los reactivos y cuáles los productos.
c) Indica los átomos de cada elemento químico
presentes a ambos lados de la ecuación química.
37
36
Sugerencias metodológicas
a) Escribe la ecuación química de la reacción, indicando los estados de agregación de las sustancias.
• El significado de las ecuaciones químicas a escala microscópica y su representación en esquemas moleculares de bolas facilita la comprensión
de la información cuantitativa de las reacciones químicas y, por tanto,
ayuda en el desarrollo de los procedimientos necesarios para su ajuste.
• Sugerimos trabajar este tipo de representación con ejemplos y con las
actividades propuestas en estas páginas y al final de la unidad.
Soluciones
Trabaja con la imagen
• Se trata con esta actividad de relacionar la escritura secuencial de una
reacción química con la ubicación espacial de reactivos y productos.
• Al igual que ocurre con la interpretación de los gráficos espacio-tiempo
de un movimiento, se tiende a trabajar solo con las herramientas de representación de los fenómenos, y obviar, o en el mejor de los casos, no
prestar la atención necesaria, a los fenómenos que estos gráficos o
ecuaciones representan.
• Esta abstracción de fenómenos en herramientas gráficas y matemáticas
es necesaria para un procesamiento rápido y eficiente de la información, pero consideramos que es adecuado, sobre todo en estas primeras etapas del estudio de la Química, destacar la relación entre la representación y el fenómeno representado (en este caso una reacción de
precipitación), para evitar que el aprendizaje se limite al trabajo sistemático y rutinario con un código (en este caso, la ecuación química) sin reflexionar acerca del fenómeno que este código representa.
• En la imagen, los reactivos (KI y Pb(NO3)2) se encuentran por separado
en los dos vasos de precipitados; cuando se ponen en contacto, al verter el contenido de uno de ellos en el otro, se produce la reacción, dando lugar a un precipitado amarillo (PbI2) y nitrato de potasio, KNO3.
Comprende, piensa, investiga…
12 a 14 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.
UNIDAD
3.3 Ajuste de ecuaciones químicas
Ajustar una ecuación química consiste en indicar los valores de los
coeficientes estequiométricos para que haya el mismo número de
átomos de cada elemento antes y después de que ocurra la reacción.
Es muy importante tener en cuenta que al ajustar una reacción química
solo podemos modificar los coeficientes estequiométricos (la cantidad
de sustancia o las moléculas de las sustancias), y no los subíndices de las
fórmulas químicas, pues si hiciéramos esto último estaríamos cambiando
las sustancias que intervienen en la reacción.
Agua
H2 + O2
Son sustancias distintas;
por tanto, se trata de reacciones
químicas diferentes.
H2O2
5 Ya tenemos ajustado el N y el H, por lo que solo
para dar monóxido de nitrógeno (NO) y agua (H2O).
Escribe y ajusta la ecuación química por tanteo.
queda por ajustar el O. Tenemos 2 átomos de O
en las dos moléculas de NO y 3 en las tres moléculas de agua; en total, 5 átomos de O en los
productos. Para tener este número en los reactivos, tendríamos que poner un 5/2 delante de O2 :
1
NH3 + O2 8 NO + H2O
lo ajustaremos en último lugar. El nitrógeno ya
está ajustado, puesto que hay un átomo de nitrógeno en los reactivos y uno en los productos.
al resto de elementos.
multiplicamos por 2 todos los coeficientes, de
modo que todos sean números enteros:
7 Comprobamos que tenemos el mismo número
de átomos en los reactivos y los productos:
2 NH3 + O2 8 NO + 3 H2O
Reactivos
N
4 ∙1=4
4 ∙1=4
H
4 ∙ 3 = 12
6 ∙ 2 = 12
O
5 ∙ 2 = 10
4 ∙ 1 + 6 ∙ 1 = 10
2 NH3 + O2 8 2 NO + 3 H2O
CH4 + O2 8 CO2 + H2O
1 átomo de C
2 átomos de H
3 átomos de O
Colocamos un 2 en H2O para ajustar los H:
Elemento
15
C
1∙1=1
H
2 ∙2=4
2 ∙2=4
O
1∙2+ 2 ∙1=4
Razona sobre la veracidad o falsedad de la
siguiente frase, utilizando un ejemplo:
«En una reacción química, el número de moléculas
de los reactivos es igual al número de moléculas de
los productos en todas las ocasiones».
16 Un estudiante ajusta esta ecuación química:
NO + O2 8 NO2
Productos
1∙1=1
1∙4=4
de la siguiente forma:
NO + O2 8 NO3
¿Es correcto lo que ha hecho? ¿Por qué?
• El procedimiento de ajuste de reacciones químicas es una pieza fundamental en el aprendizaje de la Química, pues es necesaria para relacionar cuantitativamente las cantidades de reactivos y de productos.
• De entre las dificultades que pueden surgir en este contexto destacamos dos. Por una parte, la creencia de que se deben cumplir falsas leyes
de conservación del número de moléculas, o unidades fundamentales,
de reactivos y productos. Esta dificultad está relacionada de forma directa con una relación errónea entre ecuación química y ecuación algebraica. Para superar esta dificultad se recomienda la actividad 15.
• Además, algunos estudiantes pueden no distinguir entre coeficientes estequiométricos y subíndices, lo que manifiesta que se establecen conexiones erróneas entre el lenguaje simbólico de la Química y el significado de microscópico, tanto de la fórmula de un compuesto, como de la
propia reacción química. Por ello, se ha destacado en el ejemplo de «reacciones químicas diferentes» esta confusión y se ha propuesto la actividad 16, de modo que se anticipa un error común entre el alumnado.
• Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, recomendamos realizar, las veces que fuera necesario, una reiteración de los contenidos ya
vistos, acerca del significado de las fórmulas químicas y la interpretación
microscópica de las reacciones.
• El ajuste de las reacciones químicas se puede abordar planteando un
sistema de ecuaciones lineales sencillo, pero no se ha elegido esta opción, sino un ajuste por tanteo por las razones siguientes:
–– Entrenamos el cálculo mental.
–– Favorecemos que nuestros estudiantes interioricen las fórmulas de los
compuestos químicos de uso más habitual.
–– Mantenemos presente la ecuación química en todo momento, de modo que no se pierda la perspectiva de lo que se está haciendo.
–– Favorecemos la relación entre la información a escala atómica y macroscópica.
17
Ajusta las siguientes ecuaciones químicas:
a) Al + O2 8 Al2O3.
b) NH3 + H2SO4 8 (NH4)2SO4.
c) SO2 + O2 8 SO3.
d) Fe2O3 + H2 8 Fe + H2O.
18 Explica si son correctas las ecuaciones químicas siguientes:
2 C3H8 + 10 O2 8 6 CO2 + 8 H2O
4 C3H8 + 20 O2 8 12 CO2 + 16 H2O
39
38
Sugerencias metodológicas
Productos
Comprende, piensa, investiga...
Colocamos un 2 en O2 para ajustar los O:
Reactivos
Elemento
ajustado, ya que ahora hay 2 átomos en los reactivos y 1 en los productos. Lo ajustamos poniendo un 2 delante de NO:
CH4 + 2 O2 8 CO2 + 2 H2O
4 Comprobamos que el número de átomos de cada elemento es el mismo
4 NH3 + 5 O2 8 4 NO + 6 H2O
4 Al hacer esto, el nitrógeno ha dejado de estar
1 átomo de C
4 átomos de H
2 átomos de O
5
O 8 2 NO + 3 H2O
2 2
mero de átomos en los reactivos, 3, y en los
productos, 2. Deberemos poner un 2 delante de
NH3 ( 2 · 3 = 6) y un 3 delante de H2O ( 3 · 2 = 6).
CH4 + O2 8 CO2 + 2 H2O
3 Elegimos el coeficiente de las sustancias elementales.
2 NH3 +
6 Como no es posible tener media molécula de O2,
3 Para ajustar el hidrógeno nos fijamos en el nú-
Ejemplo de ajuste de una ecuación química: la combustión del metano
2 Elegimos el coeficiente de un compuesto que no modifique demasiado
La ecuación química sin ajustar es:
2 El oxígeno, como es una sustancia elemental,
Se elige en primer lugar el coeficiente estequiométrico de los compuestos (sustancias formadas por más de un elemento), y después se
ajustan los coeficientes de las sustancias elementales.
Escribimos las fórmulas de reactivos y productos y contamos el número
de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha.
+
+
+
1 El amoniaco (NH3) reacciona con el oxígeno (O2)
Agua oxigenada
Vamos a utilizar un método por tanteo que se denomina ensayo-error.
Iremos probando diferentes valores de los coeficientes estequiométricos
hasta que la ecuación quede ajustada. Para ello, tendremos en cuenta que:
en los reactivos y en los productos.
CO2 + 2 H2O
CO2 + 2 H2O
Ejercicio resuelto
■ Método para ajustar una reacción química
1
CH4 + 2 O2
CH4 + 2 O2
1
Si hacemos una representación microscópica de la reacción del ejemplo, podemos comprobar fácilmente que está ajustada.
Ejemplo de reacciones químicas diferentes
H2O
CO2 + 2 H2O
+
+
+
Como acabamos de ver, el número de átomos de cada elemento químico
no se modifica cuando ocurre la reacción química; es decir, no aparecen
elementos nuevos o se destruyen, sino que se reordenan para formar
nuevas sustancias.
H2 + O2
CH + 2 O2
4
Combustión del metano
• Para asegurar el éxito en la adquisición de un procedimiento, es recomendable comenzar por el caso más sencillo posible. En el ajuste de
ecuaciones químicas la mayor o menor complejidad reside en el número de elementos químicos diferentes implicados. Así, sugerimos utilizar,
como ejemplo previo, la síntesis de amoniaco, ya estudiada.
• Podemos continuar con la combustión de un hidrocarburo sencillo y sistematizar su ajuste, como hemos propuesto.
• Por último, podemos mostrar ejemplos en los que intervengan agrupaciones de átomos, como son los iones sulfato o carbonato, de modo que
el alumnado aprenda a identificar estos grupos de átomos en la formulación de sales, facilitándole así el ajuste de reacciones de sustitución.
Soluciones
Comprende, piensa, investiga…
15 Esta afirmación es falsa. En una reacción química, la ley de conservación que se cumple, además de la de conservación de la masa, es
que el número de átomos de cada elemento químico presente es igual
en los reactivos y en los productos de la reacción, pues una reacción
química se puede describir como una reordenación de átomos.
16 El ajuste que se ha realizado es erróneo, puesto que se modifican las
sustancias que intervienen en la reacción química, ya que el óxido de
nitrógeno que se forma es otro. El ajuste adecuado sería: dos moléculas de NO se combinan con una de O2 para dar dos moléculas de NO2.
17 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario.
18 En ambos casos se cumple que el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos es el mismo. No obstante, los coeficientes estequiométricos no son los menores posibles, puesto que en
ambos casos existe un divisor común, que es el dos para la primera
reacción y el cuatro para la segunda. Habría que dividir los coeficientes de cada reacción entre el correspondiente divisor común.
41
4
Leyes fundamentales
en las reacciones químicas
UNIDAD
1
Datos de masas de reactivos y productos en algunas reacciones químicas
Como vimos el curso pasado, cuando tiene lugar una reacción química se
cumplen las leyes fundamentales de las reacciones químicas.
3 H 2 + N 2 8 2 NH 3
Masa de reactivos (g)
4.1 Conservación de la masa
La ley de conservación de la masa indica que no se puede crear o destruir materia en una reacción química. Es decir, la suma de las masas
de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos.
CH 4 + 2 O 2 8 2 H 2 O + CO 2
Masa de productos (g)
Masa de reactivos (g)
N2
NH3
CH4
O2
H2O
CO2
6,06 g
28,02 g
34,08 g
16,05 g
64,00 g
36,04 g
44,01 g
Para una reacción química del tipo:
3 Cl 2 + 2 Fe 8 2 FeCl 3
aA + bB 8 cC +dD
donde las letras mayúsculas son las sustancias químicas y las minúsculas
sus correspondientes coeficientes estequiométricos, tenemos:
Masa de reactivos (g)
mA + mB = mC + mD
A partir de esta evidencia, es posible calcular la masa de un reactivo o de
un producto de una reacción química si se conocen las masas del resto
de sustancias que intervienen en la reacción.
Masa de productos (g)
H2
2 C 4 H 10 + 13 O 2 8 10 H 2 O + 8 CO 2
Masa de productos (g)
Masa de reactivos (g)
Masa de productos (g)
Cl2
Fe
FeCl3
C4H10
O2
H2O
CO2
212,7 g
111,7 g
324,4 g
116,28 g
416,00 g
180,20 g
352,08 g
4.2 Proporciones definidas
Ejercicio resuelto
Vimos en la unidad anterior que al reaccionar dos elementos químicos
para formar un compuesto, la proporción de las masas de los elementos
es constante. Este hecho no solo ocurre en las reacciones de formación de
compuestos químicos, sino que se puede extender a todas las reacciones
químicas.
2 Al descomponerse 150 g de carbonato de calcio se
obtienen 84 g de óxido de calcio y se forma cierta
cantidad de dióxido de carbono:
m CO 2 = m CaCO 3 – m CaO = 150 g – 84 g = 66 g
a) ¿Qué masa de dióxido de carbono se desprende?
La proporción entre la masa de caliza y la de cal es
constante; así, se cumple:
En una reacción química, la proporción de las masas de las sustancias
que reaccionan, reactivos y productos, es fija, independientemente de
las cantidades que reaccionen.
b) Si se descompusieran 75 g de piedra caliza,
¿qué masa de cal viva se obtendría?
m CaCO 3 150 g 75 g
=
=
m CaO
84 g
mlCaO
La proporción de las masas de reactivos y productos en una reacción
química se conoce como proporción estequiométrica.
m CaCO 3 = m CaO + m CO 2
Aplicando la ley de conservación de la masa:
Reacción química y proporciones entre masas
10 g de Cu
10 g de S
20 g de CuS
8
21 Tanto el metano (CH4) como el butano (C4H10) son
si reaccionan completamente 7,878 g de hidrógeno. Utilizando la ley de la conservación de la masa,
calcula la cantidad de nitrógeno necesaria en la reacción.
gases cuya combustión se utiliza en sistemas de
calefacción:
10 g de Cu
5,04 g de S
20 Se pretende hacer reaccionar 531,75 g de cloro
(Cl2) con 300 g de hierro:
15,04 g de CuS
Si se aplica la ley de la conservación de masa a la primera situación de la imagen se podría concluir erróneamente que se formarán 20 g de CuS. Es necesario conocer la proporción en la que reaccionan, en este caso, el azufre y el
cobre. En la primera situación sobrarán 4,96 g de azufre, que no reaccionará.
mlCaO = 42 g
19 Calcula la masa de amoniaco que se puede obtener
Solución: 44,304 g NH3 y 36,426 g de N2.
+
Despejando, la masa de cal viva resulta:
Comprende, piensa, investiga...
8
+
Trabaja con la imagen
Calcula la proporción estequiométrica entre el cobre y el azufre, mCu /mS
y entre el azufre y el sulfuro de cobre
mS /mCuS.
a) ¿Están estas cantidades en proporción estequiométrica?
b) Calcula la cantidad de hierro que reaccionará.
c) Calcula la cantidad de FeCl3 que se forma.
Solución: b) mFe = 279,25 g de Fe.
c) mFeCl3 = 811 g de FeCl3.
Sugerencias metodológicas
• En este cuarto epígrafe de la unidad se presenta una forma de calcular las
masas de las sustancias que intervienen en una reacción química basada
en las leyes de conservación de masa y de las proporciones múltiples.
• La conexión entre la descripción de una reacción a escala microscópica
y macroscópica pasa necesariamente por la constatación de que los
átomos de cada elemento tienen masa diferente y, por tanto, las unidades fundamentales de las distintas sustancias también. Esto obliga a introducir el concepto de cantidad de sustancia como magnitud, y de
igual modo su unidad, el mol.
• No obstante, existe la posibilidad intermedia de utilizar la ley de las proporciones múltiples para realizar cálculos de masas de reactivos y productos.
• En este texto se ha optado por mostrar esta etapa intermedia por varios
motivos. Por una parte, muchos currículos de Química recomiendan que
no se introduzca en este nivel el concepto de mol y, sin embargo, obligan a que se realicen cálculos estequiométricos sencillos. La forma de
realizarlos, sin recurrir a la magnitud cantidad de sustancia, es la aplicación de la ley de las proporciones múltiples, conociendo las proporciones entre masas de reactivos y de productos.
• Por otra parte, consideramos que en el aprendizaje de las ciencias no
solo es importante aprender ciencia, sino también aprender a hacer
ciencia y sobre la ciencia. Por ello, no nos limitamos a exponer cómo se
realizan estudios cuantitativos sobre las reacciones químicas en la actualidad, sino que mostramos cómo se realizaban en los albores de esta
disciplina, aplicando las leyes básicas de la Química.
• En este enfoque se ha tenido presente a lo largo de la exposición de los
distintos modelos atómicos, y se ha partido de las leyes fundamentales
de la Química como evidencia experimental que llevó al desarrollo de la
teoría atómica. Conocidos estos hechos por nuestros estudiantes, consideramos conveniente retomar estas evidencias en la unidad dedicada
a las reacciones químicas, para así repetir el esquema seguido hasta
a) Calcula la masa de dióxido de carbono que se
produce en la combustión de un gramo de cada
uno de estos combustibles.
b) Extrae alguna conclusión acerca de la sustitución que se está haciendo de la bombona de
butano por gas natural (metano).
Solución: 2,74 y 3,03 g de CO2 para el metano y el
butano, respectivamente.
22 Verifica que se cumpla la ley de la conservación de
la masa en las reacciones químicas cuyos datos se
muestran en las tablas de esta página.
41
40
42
Por tanto:
ahora: evidencia experimental y modelo, destacándose, de este modo,
la aplicación de la teoría atómica, y el conocimiento sobre el átomo, en
el estudio cuantitativo de las reacciones químicas.
• No obstante, y debido al diseño modular de los epígrafes finales de esta unidad, el docente puede elegir entre el esquema propuesto (epígrafe 4 y a continuación epígrafe 5), limitar los contenidos de esta unidad a
los que obliga el currículo de forma estricta (solo epígrafe 4 y obviar el
epígrafe 5), o bien optar por no dar relevancia a la forma en la que evolucionó el cálculo de sustancias en las reacciones químicas, y pasar directamente al epígrafe 5. Si se elige esta última opción, tenga en cuenta
que la ley de la conservación de masa se utilizará solo para verificar que
se han realizado correctamente los cálculos estequiométricos.
• Para poder realizar los cálculos de las masas de reactivos y de productos
de una reacción química sin utilizar la cantidad de sustancia, es necesario conocer la proporción de las masas de las sustancias que reaccionan
y se forman. Por ello, las actividades propuestas en este epígrafe se limitan a las reacciones químicas cuya proporción de masas se muestra en
el cuadro de la página derecha.
• Aunque los cálculos necesarios para abordar estas actividades son sencillos, pues se trata únicamente de proporciones, sumas y restas, recomendamos que se haga énfasis en la necesidad de elaborar una estrategia de resolución de problemas. En las actividades de este epígrafe la
estrategia de resolución de problemas será sencilla, e incluso prescindible para algunos estudiantes, pero consideramos que trabajando de este modo se sientan las bases para abordar problemas de mayor complejidad, como los que se verán en el siguiente epígrafe, o en cursos
posteriores.
Soluciones
Comprende, piensa, investiga…
19
a 22 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.
5
UNIDAD
Cantidad de sustancia y reacciones químicas
Las reacciones químicas ocurren átomo a átomo, y como hemos visto, a
escala macroscópica esto se traduce en que las masas de las sustancias,
reactivos y productos, no son cualesquiera, sino que guardan una proporción determinada. Por tanto, es necesario establecer una relación entre la
masa de una sustancia y el número de moléculas o átomos que contiene.
Amedeo Avogadro
El número de Avogadro recibe su nombre en honor a este químico y físico italiano (1776-1856), pero no fue determinado por él, sino por J. Perrin en 1909,
y R. Millikan en 1911, entre otros. Dicho
número permite calcular las unidades
que hay en un mol de sustancia.
6,022 · 1023 moléculas
24 g de C
En 1 mol de C2H6O
hay 2 mol de C
1,204 · 1024 átomos de C
Multiplicando
por M (g/mol)
16 g de O
58,44 g
63,54 g
26,98 g
En esta imagen puedes observar la
masa que corresponde a 1 mol de diferentes sustancias.
Trabaja con la imagen
Busca información acerca de la aportación de Avogadro a la química.
En 1 mol de C2H6O
hay 6 mol de H
En 1 mol de C2H6O
hay 1 mol de O
26
Calcula la cantidad de sustancia presente
en 350 g de las siguientes sustancias:
a) Cloruro de potasio, KCl.
b) Hierro.
24
Calcula cuántos electrones hay en 1 mol de
electrones. Investiga sobre la determinación del
número de Avogadro en el experimento de Millikan.
Indaga en Internet una estimación del número de habitantes de la Tierra; ¿a cuántos «moles» corresponden?
c) Sacarosa, C12H22O11.
d) Ozono, O3.
25
Calcula cuántos átomos hay en 0,012 kg de
carbono. Utiliza para ello la siguiente información:
1 u = 1,66 · 10
–27
kg ; mC = 12 u
Multiplicando
por NA
Solución: a) 4,69 mol. b) 6,27 mol.
c) 1,02 mol. d) 7,29 mol.
27 Calcula los átomos de hierro y de oxígeno de los
apartados b) y d) de la actividad anterior.
Extrae alguna conclusión del resultado obtenido.
Solución: 3,777 ∙ 1024 átomos de hierro y 4,391 ∙ 1024
átomos de oxígeno.
Solución: 6,022 · 1023 átomos.
• Introducimos aquí por primera vez el concepto de mol como unidad de
cantidad de sustancia, magnitud que relaciona la interpretación de una
reacción química a escalas microscópica y macroscópica.
• Para ello, es necesario dominar el concepto de cantidad de sustancia, el
valor del número de unidades que engloba un mol (la constante de
Avogadro) y tener en cuenta que el mismo número de moles de diferentes sustancias corresponde a distintos valores de masa, es decir, se ha
de saber calcular masas molares.
• Por ello, dedicamos la primera doble página de este epígrafe a la cantidad de materia, el mol, al número de Avogadro y a las masas molares.
• El mol presenta dificultades intrínsecas para su comprensión. Por una
parte, es la unidad de una magnitud (cantidad de sustancia) que los estudiantes tienden a confundir con la masa, dada su tendencia a cuantificar la cantidad de materia utilizando la masa (o el volumen para el caso
de líquidos y sólidos). Además, la magnitud del número de Avogadro
hace que sea necesario utilizar la notación científica lo que, unido a su
propio valor, supone una dificultad adicional.
• Sugerimos comparar la definición de mol con la de unidad de masa atómica, para indicar que ahora se trata de comparar el número de unidades, en este caso átomos, con la masa que representan, pues se refiere a
0,012 kg de un isótopo del carbono.
• A continuación daremos otra definición de mol, en función del número
de Avogadro. Como se ha comentado, el valor de esta constante resulta
muy poco intuitivo y es difícil asumir la cantidad que representa. Para
dotar de significado a esta constante se pueden utilizar ejemplos sobre
su magnitud: el valor de la población mundial multiplicado por diez mil.
• Por último, en esta doble página introducimos el concepto de masa molar.
Una vez comprendido el significado del mol, resulta relativamente sencillo
concluir que moles de distintas sustancias tendrán diferente masa.
• Es conveniente revisar el concepto de masa atómica promedio para llegar,
a partir de ella, a la masa molar de un elemento químico y de una sustancia.
6,022 · 1023 átomos de O
28 ¿Qué tiene más masa, 5 mol de etanol, C2H6O, o
2,5 mol de dioxígeno, O2? ¿En cuál de los dos hay
mayor número de átomos de oxígeno?
29 Calcula el número de átomos y de moléculas que hay
en las siguientes muestras:
a) 18 g de agua.
b) 88 g de dióxido de carbono.
c) 81 g de aluminio.
Solución: a) 1,807 · 1024 átomos en total y 6,022 · 1023
moléculas de agua. b) 3,613 · 1024 átomos
en total y 1,204 · 1024 moléculas de dióxido de carbono. c) 1,807 · 1024 átomos.
43
42
Sugerencias metodológicas
3,613 · 1024 átomos de H
Comprende, piensa, investiga...
Comprende, piensa, investiga...
23
MC2H6O = 2 · 12 + 6 · 1 + 16 · 1 = 46 g/mol
1 mol de C2H6O
NaCl
En 0,012 kg de carbono-12 hay 6,022 · 1023
átomos de carbono. Este número se
denomina número de Avogadro, NA.
Con los datos de masa atómicas se obtienen las correspondientes masas molares de los elementos (MC = 12 g/mol,
MH = 1 g/mol, MO = 16 g/mol) y del compuesto:
46 g de C2H6O
6 g de H
El mol y el número de Avogadro
Al
Verifica, para la imagen de la página
anterior, que la masa que corresponde a cada una de las sustancias que
aparecen es la que se indica en los
rótulos que las acompañan.
Masa, cantidad de sustancia y número de unidades fundamentales
A partir de la fórmula de un compuesto, en este caso, etanol, C2H6O, y de las masas atómicas de los elementos que lo
componen (mC = 12 u, mH = 1 u y mO = 16 u) podemos calcular
la masa y el número de átomos de cada elemento y la masa
y el número de moléculas del compuesto.
Como vimos, la masa de un átomo de carbono-12 es aproximadamente
12 u. A partir de la equivalencia entre la unidad de masa atómica y el kilogramo, se puede calcular el número de átomos de carbono-12 que hay
en una muestra de 0,012 kg de este isótopo del carbono (figura inferior).
Cu
Trabaja con la imagen
Por ejemplo, la masa molecular del dióxido de nitrógeno, NO2, es 46 u; por
tanto, su masa molar será de 46 g/mol.
La cantidad de sustancia da cuenta del número de unidades (átomos,
moléculas o iones) que contiene una determinada porción de una sustancia, independientemente de la masa de estas unidades.
La unidad de cantidad de sustancia es el mol, que se define como
la cantidad de sustancia que contiene tantas unidades fundamentales
como átomos de carbono hay en una muestra de 0,012 kg de carbono-12.
El mol es una unidad basada en el número de partículas. Sin embargo,
nosotros solemos trabajar con otra magnitud: la masa. Por eso, es necesario establecer una relación entre masa y cantidad de sustancia, lo que
hacemos con una nueva magnitud: la masa molar.
La masa molar de una sustancia se calcula muy fácilmente, ya que su valor
numérico coincide con el que tiene la masa atómica o la masa molecular,
o la masa de la unidad fórmula.
5.1 Cantidad de sustancia y su unidad: el mol
Como el tamaño de los átomos y de las moléculas es tan pequeño, por
poca cantidad de sustancia que tomemos su número será muy elevado.
La unidad de cantidad de sustancia deberá corresponder a un número
grande de unidades.
5.2 La masa molar
La masa molar de una sustancia, M, es la masa, expresada en gramos,
de 1 mol de dicha sustancia. Por tanto, su unidad es el g/mol.
Dicho de otro modo, necesitamos «contar» el número de moléculas (o
átomos) que hay en una determinada masa de una sustancia. Para ello se
define una nueva magnitud: la cantidad de sustancia.
1
• Como contenido de ampliación pueden utilizarse los datos del recuadro
de la página de la derecha para establecer la composición centesimal
de la sustancia del ejemplo, y verificar que esa proporción no se corresponde con los subíndices de la fórmula química, como evidencia de que
la masa de las mismas unidades elementales de distintos elementos
químicos son diferentes.
Soluciones
Trabaja con la imagen (página de la izquierda)
• Esta actividad se ha planteado porque a menudo se atribuye el descubriendo del valor de la constante al propio Avogadro. Se puede encontrar información sobre la aportación de Avogadro en: http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/andared02/leyes_gases/
bio_avogadro.html.
Trabaja con la imagen (página de la derecha)
• Se trata de calcular la masa molar, masa de un mol, de las sustancias de la
imagen. Para verificar los valores partimos de las masas atómicas promedio de los elementos presentes: Na, 22,99 u; Cl, 35,45 u, por lo que la masa
de la unidad fórmula de NaCl será 58,44 u, y de ahí tenemos que la masa
molar es de 58,44 g/mol y, por tanto, el valor de masa para un mol de NaCl
es de 58,44 g. Procediendo de una forma análoga se obtiene la masa molar de las sustancias elementales cobre y aluminio presentes en la imagen.
Comprende, piensa, investiga…
23 Un mol de electrones contiene 6,022 · 1023 electrones. La determinación del número de Avogadro en el experimento de Millikan se
llevó a cabo una vez conocida la carga eléctrica del electrón, que era el
principal objetivo de dicho experimento. Millikan simplemente dividió
la constante de un Faraday (la carga eléctrica de un mol, conocida por
mediciones en experimentos de electrolisis) entre la carga de un electrón, obteniendo así el número de electrones de un mol de electrones.
24 a 29 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.
43
UNIDAD
5.3 Reacciones químicas y cantidad de sustancia
■ Ley de conservación de la masa y cálculos estequiométricos
Al realizar cálculos relativos a reacciones químicas, generalmente nos interesa conocer las masas de los productos que intervienen en la reacción
a partir del dato de la masa de uno de los reactivos. Para ello, como ya
hemos visto, necesitaremos relacionar la masa con la cantidad de sustancia
de cada uno de los reactivos y de los productos, lo que conseguiremos utilizando la masa molar de todas las sustancias que intervienen en la reacción.
Una forma de comprobar que se han hecho de forma correcta los cálculos estequiométricos es verificar que se cumple la ley de conservación
de masa.
Para ello debemos calcular las masas de los reactivos y los productos de
la reacción química, siguiendo el esquema anterior.
Ejercicio resuelto
Los cálculos de las masas de las sustancias que intervienen en una
reacción, junto con otro tipo de cálculos, se consideran cálculos estequiométricos.
3 Comprueba que se cumple la ley de conservación
de la masa en la reacción de la página anterior.
1
■ Cálculos estequiométricos en unidades de masa
Partimos de la reacción química ajustada:
4 NH3 + 5 O2 8 4 NO + 6 H2O
Para calcular la masa de un reactivo o de un producto presente en una
reacción química, necesitamos conocer la masa de otro de ellos y la reacción química ajustada.
2 Calculamos las masas molares de los reactivos y
productos a partir de las masas molares de los
elementos:
En el siguiente ejemplo se muestran las etapas que hay que seguir para
llevar a cabo este tipo de cálculos:
MN = 14 g/mol ; MH = 1 g/mol ; MO = 16 g/mol
MNH3 = 1 ∙ 14 + 3 ∙ 1 = 17 g/mol
MO2 = 2 ∙ 16 = 32 g/mol
MNO = 1 ∙ 14 + 1 ∙ 16 = 30 g/mol
El amoniaco, NH3, reacciona con el oxígeno, O2, para dar óxido nítrico, NO, y agua.
Cálculo de la masa de agua que se podrá obtener a partir de 60 g de amoniaco.
1 Identificamos los reactivos y los productos.
Reactivos: amoniaco y oxígeno.
MH2O = 2 ∙ 1 + 16 = 18 g/mol
30
NH3 + O2 8 NO + H2O
El cloro, Cl2, se puede obtener en el laboratorio a partir de la siguiente reacción sin ajustar:
HCl + MnO2 8 MnCl2 + H2O + Cl2
3 Ajustamos la ecuación química.
4 De todas las sustancias puras que participan en la reacción
química, destacamos dos; una será aquella de la cual tengamos datos numéricos, la otra, aquella de la cual el problema
pida datos.
5 Escribimos en forma de proporción molar qué nos indica la
ecuación química respecto a las cantidades de amoniaco y
agua que intervienen en la reacción.
6 Calculamos las masas de NH3 y de H2O correspondientes a
las cantidades de estas sustancias que aparecen en la proporción molar anterior mediante las respectivas masas molares.
7 Sustituimos la anterior relación molar por la proporción de las
masas que hemos obtenido.
8 Establecemos una proporción directa con los datos de nuestro ejercicio.
Calcula la masa de dióxido de manganeso, MnO2,
necesaria para obtener 5 g de cloro.
4 NH3 + 5 O2 8 2 NO + 6 H2O
Solución: m = 6,13 g de MnO2.
❚ El amoniaco, sustancia «dato».
❚ El agua, sustancia «incógnita».
31 En la actividad anterior, calcula la masa de cloruro
de manganeso (II), MnCl2, que se formará.
Solución: m = 8,87 g de MnCl2.
4 mol NH 3
6 mol H 2 O
2 mol NH 3
3 mol H 2 O
8
32 El butano, C4H10, es un combustible de uso doméstico habitual que se comercializa en bombonas de
12,5 kg. En la combustión del butano, se produce
dióxido de carbono y agua. Calcula la masa de dióxido de carbono que se desprende en la combustión del butano que contienen 100 bombonas de
butano.
M (NH3) = 17,0 g/mol 8 m (2 mol NH3) = 34,0 g
M (H2O) = 18,0 g/mol 8 m (3 mol H2O) = 54,0 g
2 mol NH 3
3 mol H 2 O
8
34, 0 g de NH 3
54, 0 g de H 2 O
34, 0 g de NH 3
60 g de NH 3
=
54, 0 g de H 2 O
m
3 Calculamos las masas que corresponden a la
cantidad de sustancia de cada sustancia presente en la reacción química ajustada:
g
= 68 g de NH3
mol
g
5 molNH3 ∙ 32
= 160 g de O2
mol
g
4 molNH3 ∙ 30
= 120 g de NO
mol
g
= 108 g de H2O
6 molNH3 ∙ 18
mol
4 molNH3 ∙ 17
4 Por último, verificamos que se cumple la ley de
la conservación de la masa.
68 g + 160 g = 228 g = 120 g + 108 g
Comprende, piensa, investiga...
Productos: óxido nítrico y agua.
2 Escribimos la ecuación química sin ajustar.
Solución: m = 3 784,83 kg de CO2.
33
; m = 95, 3 g de H 2 O
A partir del resultado del ejercicio anterior,
razona si el butano es un combustible que contribuye al efecto invernadero anómalo.
34 Dada la siguiente ecuación química, sin ajustar:
N2 (g) + H2 (g) 8 NH3 (g)
Razona la veracidad o la falsedad de las siguientes
afirmaciones:
a) 1 g de N2 reacciona con 3 g de H2.
b) 1 mol de N2 reacciona con 1 mol de H2.
c) 1 mol de N2 necesita tres veces más cantidad (en
moles) de H2.
d) 28 g de N2 reaccionan con 2 g de H2 y, en esa
relación en masa, se forman 50 g de NH3.
35 El dicloro reacciona con hierro para formar tricloruro de hierro. Esta reacción química se ha utilizado
como ejemplo en el epígrafe anterior:
a) Escribe su ecuación química ajustada.
b) Comprueba los datos de masas que se dan en
la tabla del epígrafe anterior. Para ello parte de
tres moles de dicloro y calcula la masa de cada
sustancia.
c) Comprueba tus resultados del apartado anterior verificando que se cumple la ley de conservación de la masa.
45
44
Sugerencias metodológicas
• En esta segunda doble página del epígrafe se muestran fundamentalmente los procedimientos necesarios para llevar a cabo cálculos estequiométricos.
• Como ya se ha comentado, esta parte del estudio de la Química es, en
cierta medida, un pilar fundamental, pues hacia la capacidad de predecir las cantidades de reactivos y productos se dirige una parte muy relevante de los contenidos de esta disciplina. Además, la estequiometría
tiene múltiples aplicaciones, como son la química analítica cuantitativa y
la síntesis de sustancias, entre otras.
• Como ya se ha expuesto, el uso de la cantidad de sustancia permite el
paso de la interpretación microscópica de la reacción química a su interpretación macroscópica. Para poner esta evidencia de relieve, sugerimos
comenzar con la interpretación microscópica de la reacción química del
recuadro, invitando al grupo a verbalizar dicha descripción. A continuación, podemos preguntar al grupo cuántas moléculas de oxígeno serían
necesarias para que reaccionaran, en vez de cuatro moléculas de amoniaco, como nos da la interpretación microscópica, cuatro moles de amoniaco. Con esta actividad, en primer lugar, hacemos la transición de la escala
microscópica a la escala macroscópica, y, en segundo lugar, se nos brinda
la oportunidad de destacar que no ha de cumplirse una falsa ley de conservación de cantidad de materia, pues con el ejemplo tenemos nueve
moles en los reactivos y ocho en los productos.
• Una vez introducida la actividad anterior, sugerimos recorrer el esquema
de la página izquierda etapa a etapa, según se indica en el texto, teniendo siempre presente que buscamos una proporción entre la masa
de agua (sustancia problema, o incógnita) y la masa de amoniaco (sustancia dato). A partir de esta proporción podemos calcular la cantidad
de agua que se obtiene a partir de cualquier cantidad de amoniaco.
Para reforzar esta idea, una vez terminado el problema preguntamos al
grupo por la cantidad de agua que se obtiene cuando reaccionan completamente 120 g de amoniaco.
44
1
• Sugerimos completar el problema calculando el resto de masas de los
reaccionantes, con un objetivo doble: por una parte resaltamos que a
partir de la cantidad de un reactivo podemos calcular la cantidad de
otro reactivo, y además obtenemos los datos suficientes para comprobar la ley de conservación de la masa y validar así nuestros resultados.
Para ello, recomendamos realizar el ejercicio resuelto.
• Consideramos importante incidir en que el estudiante debe elaborar su
propia estrategia de solución del problema, para evitar el uso de «recetas» que impiden una adecuada reflexión sobre lo que se está haciendo,
y con el objetivo de desarrollar la capacidad de resolución de problemas, pilar fundamental de las competencias científica y matemática.
Soluciones
Comprende, piensa, investiga…
30 a 32 La resolución de ambas actividades se ofrece en el solucionario.
33 Como se ha expuesto, en la combustión del butano, por cada
mol del combustible se generan cuatro moles de dióxido de carbono.
Este gas contribuye al efecto invernadero, que se considera anómalo
si se da en una extensión tal que provoque un calentamiento progresivo de nuestro planeta, no limitándose al mantenimiento de la temperatura media adecuada para la vida. La elevada concentración de
gases de efecto invernadero provoca el efecto anómalo mencionado.
Por tanto, concluimos que la combustión del butano contribuye a ese
efecto invernadero anómalo, en tanto en cuanto no se trata de una
generación natural de dióxido de carbono.
34 Una vez ajustada la reacción química podemos concluir que las afirmaciones del enunciado son: a) Falsa, pues la proporción de masas
no corresponde a las que reaccionan, correspondientes a dos moles
de nitrógeno y tres de hidrógeno. b) Falsa; reaccionan dos moles de
nitrógeno por cada tres de nitrógeno. c) Verdadera. d) Falsa; 28 g de
nitrógeno reaccionan con 6 g de hidrógeno y dan 34 g de amoniaco.
35 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario.
reacciones químicas
en la sociedad
6Las
UNIDAD
1
Algunos problemas ambientales relevantes
El efecto invernadero anómalo
El modo de vida de la sociedad se ha transformado en el último siglo
gracias a los avances tecnológicos que, entre otras cosas, permiten utilizar las reacciones químicas en procesos industriales para transformar las
materias primas en productos de consumo.
La atmósfera de la Tierra retiene parte de la energía que el
suelo emite al haber sido calentado por la luz solar y deja
pasar el resto. Este fenómeno, conocido como efecto invernadero, mantiene la temperatura de nuestro planeta dentro
de unos límites aceptables para la vida.
Son materias primas aquellos materiales naturales que se utilizan para
obtener otros nuevos materiales o productos elaborados.
El aumento de dióxido de carbono, CO2, en la atmósfera,
debido al uso de los combustibles fósiles, está produciendo
un aumento de la cantidad de calor retenido. Este es el efecto invernadero anómalo, y es la causa del calentamiento
global, cuyas consecuencias pueden ser catastróficas.
La industria química es muy diversa; destacamos aquí tres de sus ramas
más relevantes.
■ La industria petroquímica y los polímeros
La materia prima de esta industria es el petróleo. Cerca del 87 % del petróleo obtenido se destina a combustibles. El petróleo no es renovable,
por lo que es probable que esta materia prima, necesaria para la fabricación de otros productos, como los plásticos, los disolventes, los detergentes, etc., se vaya agotando y deba ser sustituida en un futuro.
Dentro de la industria petroquímica destaca la industria de los polímeros,
que son parte imprescindible de nuestra vida cotidiana; botellas, alfombras, mangueras, tuberías, juguetes, fibras textiles y un larguísimo etcétera son materiales constituidos por distintos tipos de polímeros:
Trabaja con la imagen
Hay muchos tipos de polímeros diferentes. En la fabricación de los polímeros sintéticos se utilizan reacciones de polimerización, cuyo resultado
es la unión química de monómeros.
Monómero
La reducción de la capa de ozono
En las capas altas de la atmósfera, entre los 25 y 35 km de
altitud, se encuentra un gas, el ozono, O3, que absorbe la
mayor parte de la radiación ultravioleta (UV) que nos llega
del espacio exterior. Esta radiación provoca en los seres humanos graves afecciones.
Pero algunos gases, como los CFC (clorofluorocarbonos)
presentes en muchos sprays y sistemas de refrigeración,
provocan la destrucción del ozono, lo que ha producido el
fenómeno conocido como agujero de la capa de ozono.
Niebla fotoquímica
Un polímero es una macromolécula formada por la unión de muchas
unidades sencillas que se repiten y que se llaman monómeros.
■ La industria farmacéutica
La obtención de medicamentos ha sido una de las mayores contribuciones de la química a la sociedad. Primero se diseñan y sintetizan en
el laboratorio y, posteriormente, se producen a gran escala en plantas
industriales para su posterior distribución y comercialización.
Polímero
Busca en Internet cuál es el monómero que aparece en la imagen y el tipo
de polímero que se forma con él.
Como resultado de la quema de combustible en motores
y calderas, se generan una serie de sustancias gaseosas,
como los óxidos de nitrógeno (NOx), que reaccionan entre
sí y con otros componentes formando la denominada niebla
fotoquímica, que está causando graves problemas ambientales en grandes ciudades. La reducción de las emisiones
contaminantes resulta crucial, pues, además de tratarse de
un problema ambiental, afecta negativamente a la salud de
muchas personas.
■ Problemas ambientales y reacciones químicas
Lluvia ácida
El desarrollo de la química ha permitido al ser humano obtener mejores
materiales o fuentes de energía más eficientes. Sin embargo, en algunas
reacciones químicas se producen sustancias no deseadas que están contaminando de forma muy seria nuestro medio ambiente.
La lluvia ácida se origina cuando gases procedentes de
emisiones de óxidos de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno
(NOx) reaccionan con el vapor de agua atmosférico formando ácidos corrosivos, como el ácido sulfúrico (H2SO4) y el nítrico (HNO3). Cuando este agua precipita en forma de lluvia,
denominada lluvia ácida, causa:
❚ Acidificación de bosques, ríos y lagos, que afecta nociva-
Comprende, piensa, investiga...
36
mente a la flora y la fauna que vive en ellos.
Los polímeros sintéticos están formados
por macromoléculas. ¿Conoces otro tipo de macromoléculas que no se hayan sintetizado en un
laboratorio? Pon algún ejemplo.
39
37
Antes de comercializar un medicamento,
los laboratorios farmacéuticos realizan numerosos
ensayos con animales y personas. ¿A qué crees que
es debido? ¿Qué opinas al respecto?
40
38
¿Qué medidas se toman en las grandes ciudades para disminuir la niebla fotoquímica o «smog»?
❚ Destrucción de fachadas y esculturas.
En pequeños grupos, debatid el hecho de
que la industria farmacéutica imponga precios diferentes a los distintos países y niegue el acceso a
medicamentos a aquellos que no pueden pagarlos.
Elabora un informe sobre los grandes problemas ambientales que afectan al planeta de forma global.
Indica cuáles de ellos se encuentran actualmente
en vías de solución y cuáles estimas que serán objeto de investigación y aporte de soluciones en las
próximas décadas.
Acumulación de plásticos en los océanos
El uso de los polímeros sintéticos, y en concreto de los plásticos, se ha extendido de forma muy acusada en los últimos
50 años. La mayoría de los productos que adquirimos, además de llevarlos en su composición, también los presentan
en sus embalajes. La vida de estos productos es limitada,
pero el material del que están hechos difícilmente es degradado de forma natural. Como resultado, muchos de ellos
están llegando a los océanos, donde se acumulan y perjudican a los organismos oceánicos.
47
46
Sugerencias metodológicas
• Terminamos esta unidad dedicada a las reacciones químicas haciendo
una exposición de algunos aspectos de la relación entre los procesos
químicos y la sociedad, en el marco de las relaciones ciencia, tecnología, sociedad y medioambiente.
• De entre todas las posibilidades que la relación entre la química y la sociedad permite, se han seleccionado tres: la industria petroquímica y la
fabricación de polímeros, la industria farmacéutica y el conocimiento de
algunos problemas medioambientales.
• El uso del petróleo y sus derivados como combustible es bien conocido por los estudiantes en este nivel de tercero de ESO, mientras que
sus aplicaciones como materia prima no lo son tanto. Hemos querido
destacar esta utilización del petróleo para, entre otros motivos, destacar la necesidad de buscar fuentes de energía alternativas a los combustibles, ya que además de que la combustión de derivados del petróleo incide directamente en el efecto invernadero anómalo, el uso
de otras fuentes de energía permitiría disponer de esta materia prima
durante más tiempo.
• Por último, nos referimos en estas sugerencias a la industria farmacéutica.
Sugerimos no presentar este sector industrial haciendo una valoración sobre el beneficio social, o desde el punto de vista contrario, sobre la explotación de patentes, sino más bien proponiendo los hechos de forma neutra y aludiendo a la capacidad de crítica de nuestros estudiantes. Con
ello, se contribuirá a la adquisición de la competencia social y cívica.
Soluciones
Trabaja con la imagen
• El monómero es el etileno, C2H4, y el polímero, el polietileno, (C2H4)n ; este
se usa, por ejemplo, en las bolsas de supermercado.
Comprende, piensa, investiga…
36 Se pueden citar como macromoléculas las macromoléculas
biológicas, como son las proteínas, o los ácidos nucleicos.
37 El objetivo principal de los ensayos clínicos es probar la eficacia
de los nuevos medicamentos, así como los posibles efectos secundarios.
Para hacer que las opiniones de los estudiantes estén basadas en la reflexión, sugerimos destacar que normalmente los ensayos clínicos se realizan con voluntarios, pero en la historia de la innovación farmacéutica ha
habido sospechas de ensayos encubiertos en países poco desarrollados.
• No obstante, se ha pretendido no presentar los polímeros que se sintetizan a partir del petróleo solo desde un aspecto positivo, sino también
como un problema ambiental a largo plazo, como se muestra en la página derecha. Con esta exposición se pretende crear en el alumnado
una conciencia de consumo responsable, enmarcada dentro del desarrollo sostenible.
38 • Los otros problemas ambientales, seleccionados en el recuadro, derivan, en gran medida, del estilo de vida urbano y la aglomeración de la
población en torno a las grandes ciudades.
39 • Recomendamos que se presente la lluvia ácida como un problema ambiental de consecuencias no locales, que ya ha sido superado en gran
medida con la eliminación de las emisiones de azufre, resultado de la
desulfuración de combustibles.
De entre las medidas que se toman para disminuir la incidencia
de niebla fotoquímica podemos destacar: la limitación del tráfico rodado, la renovación de sistemas de calefacción por otros menos contaminantes, y la obligación de instalar, en las edificaciones nuevas, sistemas
de calefacción basados en el aprovechamiento de la energía solar.
Se recomienda realizar una búsqueda previa de información
para que las opiniones a debatir estén bien documentadas. Sugerimos
la lectura de este artículo de la agencia SINC (FECYT) http://www.
agenciasinc.es/Opinion/El-caso-Glivec-paradigma-del-debate-sobrelas-patentes-farmaceuticas-en-paises-en-vias-de-desarrollo.
40 Respuesta abierta.
45
Taller de ciencias
UNIDAD
1
Trabajo práctico
Las ideas clave
Los cambios físicos y químicos
1. En la naturaleza existen dos tipos de cambios:
físicos y químicos; estos últimos se caracterizan por la aparición de nuevas sustancias, que
no estaban antes del cambio.
2. Las sustancias que se combinan entre sí en
una reacción química se denominan reactivos,
y las nuevas sustancias formadas son los productos de la reacción química.
Estudio de las reacciones químicas
3. Una teoría que explica cómo tiene lugar una
reacción química a escala microscópica es la
teoría de las colisiones: una reacción química
se produce porque las moléculas de los reactivos chocan con la energía suficiente como para
romper los enlaces químicos de los reactivos.
4. La velocidad de las reacciones químicas depende, entre otros factores, de la temperatura
y de la concentración de los reactivos. A mayor temperatura y mayor concentración de los
reactivos, los choques que originan la reacción química son más enérgicos y numerosos,
aumentando así la velocidad de la reacción.
Representación y ajuste de reacciones
químicas
5. Las reacciones químicas se representan utilizando ecuaciones químicas donde aparecen
las fórmulas de los reactivos y de los productos, y los coeficientes estequiométricos.
Estudio experimental de reacciones químicas
6. Ajustar una reacción química implica establecer los valores de los coeficientes estequiométricos que hagan que el número de átomos de cada elemento sea igual en reactivos
y productos.
Reacciones químicas y leyes fundamentales
7. En todas las reacciones químicas se cumple
la ley de conservación de la masa y la ley de
las proporciones definidas. A partir de estas
leyes se obtiene la relación entre las masas de
reactivos y productos que intervienen en la
reacción, que se denomina proporción estequiométrica.
8. A partir de la proporción estequiométrica de
una reacción química es posible calcular las
masas de los reactivos y productos que intervienen en la reacción.
Cantidad de sustancia y reacciones químicas
9. La unidad de cantidad de sustancia, que se utiliza para cuantificar las reacciones químicas, es
el mol. Un mol equivale al número de Avogadro
(6,022 · 1023) de unidades fundamentales.
10. La masa molar es la masa en gramos de un
mol de una sustancia. Su valor numérico corresponde al de la masa molecular o masa
de la unidad fórmula, pero sus unidades son
diferentes. La masa molecular se expresa en
unidades masa atómica y la masa molar en
g/mol.
2
3
Resume información en un dibujo. Explica, rotulando tus propios dibujos, estos contenidos:
Material que necesitas
Gradilla con tubos de ensayo • Cristalizador • Vaso
de precipitados • Pipeta • Pera de goma para pipetear • Matraz erlenmeyer • Tubo de seguridad
• Tapón horadado (dos orificios) • Tubo de vidrio
acodado • Ácido clorhídrico • Virutas, polvo y trozos de distinto tamaño de cinc, aluminio y cobre.
en ella aparecen
se representa por
sustancias
nuevas
ecuación
química
llamadas
en la que aparecen
• Significado de una reacción química a escala
microscópica. Utiliza para ello el ejemplo del
ejercicio resuelto del epígrafe 4.
A
• Factores que afectan a la velocidad de reacción.
a partir de
Confecciona un esquema conceptual. Completa en tu cuaderno el esquema conceptual de la
derecha con todos los contenidos de la unidad,
además de los señalados con A, B, C y D
las colisiones de
las moléculas de
de
C
coeficientes
estequiométricos
cuyo valor
hace que
se cumpla
D
B
– Estudia cómo afecta el tamaño de los reactivos a la
velocidad de la reacción química. Utiliza para ello los
trozos de diferente tamaño, polvo y virutas, de los
metales. Recuerda ser sistemático en tus anotaciones.
– Realiza las actividades 3 y 4 del apartado «Comprende, piensa, investiga…».
HCl (aq)
H2 (g)
Procedimiento
Medidas de seguridad
– Busca información sobre las precauciones que se han
de tomar en el manejo del ácido clorhídrico.
Experiencia 1. Constatación de un cambio químico
– Coloca en una gradilla tres tubos de ensayo, y en cada
uno de ellos una viruta pequeña de cada metal. Rotula
los tubos, para indicar qué metal has puesto en cada uno.
– Pipetea, con ayuda de la pera de goma, 20 mL de
ácido clorhídrico, y añade 5 mL de este ácido a cada
tubo de ensayo. Anota todos los fenómenos que observes (nuevas sustancias, cambio de temperatura,
etc.), para ello diseña y completa una tabla.
Experiencia 2. Velocidad de la reacción química
Reacción química
Autoevalúate. Lee con atención cada una de las
ideas clave y asegúrate de que la comprendes y
recuerdas los contenidos.
Constatar que en un cambio químico aparecen sustancias nuevas y que hay un intercambio de energía
con el exterior. Evaluar algunos de los factores de
los que depende la velocidad de este cambio.
– Realiza las actividades 1 y 2 del apartado «Comprende, piensa, investiga…».
Organizo las ideas
1
Objetivo
– Para hacernos una idea de la velocidad con la que ocurren
las reacciones químicas en los tubos de ensayo, vamos a
hacer borbotear el gas obtenido en agua (figura derecha).
La velocidad con que asciendan las burbujas y su número
nos dará una idea de la velocidad del proceso químico.
– Para poder recoger el gas, se llena el tubo de ensayo
con agua y se tapa, se invierte, sin que caiga nada de
agua, y su parte abierta se sumerge en el cristalizador.
– Para evitar pérdidas de gas por los agujeros del tapón
horadado, estos han de sellarse con parafina o plastilina.
– Realiza las reacciones químicas anteriores en este nuevo montaje. Para ello, coloca el metal en el erlenmeyer
y vierte el ácido clorhídrico por el tubo de seguridad.
Al (s)
En tu informe de laboratorio rotula la imagen del montaje,
indicando el nombre del material de laboratorio.
Comprende, piensa, investiga…
1. Responde a estas cuestiones:
• ¿Se produce un cambio químico al poner en
contacto un metal con ácido clorhídrico?
• ¿Se puede afirmar, a partir de las observaciones
realizadas, que en una reacción química hay un
intercambio de energía? ¿Por qué?
2. Sabemos que la reacción química entre el cinc
(Zn) y el ácido clorhídrico (HCl) tiene como productos cloruro de cinc (ZnCl2) e hidrógeno (H2).
• Escribe y ajusta esta reacción química.
• Escribe y ajusta las reacciones químicas que
pueden tener lugar en los otros tubos de ensayo.
3. Diseña y elabora una tabla que te permita concluir si la velocidad de reacción cambia o no (lenta/rápida) al variar el metal y su tamaño (polvo,
virutas y trozos de distinto tamaño).
4. Extrae conclusiones a partir de la tabla anterior, y
explica por qué se producen estos cambios, si los
hubiera. ¿Observaríamos algún efecto similar en
una reacción entre reactivos líquidos?
49
48
Organizo las ideas
1El apartado «Las ideas clave» permite no solo que cada estudiante haga
una autoevaluación del contenido de la unidad, sino que también puede utilizarse como punto de partida para la elaboración de un esquema
o resumen de la unidad que incluir en el portfolio. Antes de que sus estudiantes lean el contenido de este apartado, puede proponerles que
redacten sus propias ideas clave sobre los contenidos de la unidad y
que las cotejen con las ofrecidas en su libro.
Recordamos, una vez más, que por cada una de las unidades del libro
de alumnado se ofrecen dos autoevaluaciones interactivas; la primera
de ellas, permitirá la autoevaluación de los conocimientos previos de
nuestros alumnos y alumnas, y la segunda es una autoevaluación final
de contenidos cuya realización puede recomendar a sus estudiantes
bien en este momento, bien al finalizar la unidad.
2De forma complementaria al resumen anterior, cada estudiante puede
elaborar un gráfico o un dibujo en el que se plasmen algunas ideas de
las estudiadas en la unidad. De este modo se diversifica la forma de resumir los contenidos, atendiendo así a las distintas capacidades y aptitudes del alumnado.
En este caso se piden dos esquemas, o dibujos:
– El ejemplo es la descomposición térmica del carbonato de calcio. En
el esquema se debe incluir el significado de la fórmula del reactivo y
de los productos, y un diagrama de bolas que indique qué enlaces se
rompen y cuáles se forman.
– Los factores que afectan a la velocidad de reacción se pueden representar en dibujos, aludiendo a sólidos finamente divididos, número de
choques entre partículas y velocidad de estas.
3El esquema debe completarse de la siguiente forma:
A: productos, B: reactivos, C: fórmulas químicas; D: ley de la conservación de la masa.
46
Agua
Trabajo práctico
En el trabajo práctico propuesto se dan unas indicaciones de cómo se ha
realizar el montaje experimental y el procedimiento a seguir de forma general, pero no se da una secuencia detallada de los pasos y las conclusione, a las que debe llegar cada estudiante.
Con este planteamiento de trabajo se pretende que sea el propio grupo
el que elabore el diseño de experimentos y el control de variables.
En las actividades del apartado «Comprende, piensa, investiga…» se propone al estudiante la elaboración del diseño de experimentos y el adecuado control de variables, que son, en este caso, el tamaño de partícula
del sólido y el metal con el que se realiza la reacción química.
Sugerimos que antes de llevar a cabo la experiencia 2 se lean los enunciados de las actividades 3 y 4.
Se recomienda que el docente prepare previamente los reactivos para no
prolongar en exceso la preparación de la práctica; esta también se puede
dividir en dos partes, realizando la experiencia 1 en una sesión, la preparación de la experiencia 2 en el aula, y la realización de esta última experiencia en otra sesión de laboratorio.
Soluciones
1La aparición de hidrógeno gaseoso, una nueva sustancia que no estaba
presente antes del cambio químico, indica que se está produciendo una
reacción química. Para responder a la segunda pregunta de esta actividad, sugerimos que se observe algún cambio en la temperatura del sistema reaccionante.
2La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario.
3Es destacable que se trata de un estudio cualitativo y que es esperable que
se concluya que la velocidad de reacción depende fundamentalmente del
estado de división del metal.
4Respuesta abierta.
UNIDAD
Trabaja con lo aprendido
Cambios físicos y químicos
1 Al introducir un huevo entero en vinagre se observa
6 Se mide la cantidad de dos sustancias en un vaso de
precipitados en el que está ocurriendo una reacción
química. Estas cantidades se muestran en la tabla:
que de su cáscara se desprende un gas. ¿Se trata
de un cambio físico o químico? Busca información
sobre cuál es este gas que se desprende.
Masa A (g)
7,5
4,80
3,40
3,00
Masa B (g)
1,7
4,4
5,8
6,2
Tiempo (min)
1
2
3
4
10 Explica cómo afecta la concentración de los reacti-
16 El disulfuro de hierro, sólido, se combina con dioxí-
vos a la velocidad de una reacción química. Utiliza
para ello la siguiente imagen.
geno y da 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.
17 En la combustión de hidrocarburos, la cantidad de
dióxido de carbono está directamente relacionada
con el número de átomos de carbono que tenga la
molécula del hidrocarburo.
Ajusta en tu cuaderno las siguientes ecuaciones
químicas, que representan la combustión de metano, etano, propano y butano:
a) ¿Las sustancias A y B, son reactivos o productos
de la reacción? Justifica tu respuesta.
b) Representa los datos de la masa frente al tiempo, e indica si se trata de una relación lineal.
7 A partir del gráfico del apartado b) del ejercicio an-
2 Al poner en contacto vinagre y bicarbonato se desprende un gas, dióxido de carbono, y se forma una
sustancia llamada 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.
terior, indica en qué intervalo de tiempo es mayor
la velocidad de la reacción química. Explica en qué
basas tu respuesta. ¿Podrías relacionar esta observación con la teoría de las colisiones?
Representación de las reacciones
químicas
a)
CH4 +
O2 8
CO2 +
b)
C2H6 +
O2 8
CO2 +
H2O.
11 Explica en qué consiste ajustar una reacción quími-
c)
C3H8 +
O2 8
CO2 +
H2O.
d)
C4H10 +
O2 8
CO2 +
H2O.
ca y qué ley se cumple en todas las ecuaciones químicas ajustadas.
12 Escribe toda la información que puedes obtener de
la siguiente ecuación química ajustada:
8 Explica cómo afecta la temperatura a la velocidad
de una reacción química.
i
3 Cl2 (g) + 2 Fe (s) 8 2 FeCl3 (s)
13 Utiliza esta tabla en tu cuaderno para verificar que
Puedes utilizar para ello la teoría de las colisiones y las
ideas de la teoría cinético-molecular sobre la temperatura
y la energía cinética media de las moléculas.
la reacción del ejercicio anterior está ajustada.
Átomos en
reactivos
Elemento
9 Explica, con el máximo detalle posible, qué representa el dibujo.
Átomos en
productos
+
d) Las reacciones químicas que se dan en la naturaleza constituyen un problema ambiental.
Establece una relación entre el número de átomos
de carbono en la molécula del combustible y la cantidad de sustancia de dióxido de carbono. Con esta
información, completa tu respuesta para la actividad 21 de la página 135.
Leyes fundamentales y reacciones
químicas
Cl
18 Si en la reacción entre ácido acético (vinagre) y bicarbonato de sodio conociéramos las masas de ácido acético y bicarbonato de sodio que reaccionan,
y las masas de agua y la sal que se forman, ¿podríamos calcular la masa de dióxido de carbono que se
desprende? ¿En qué ley basas tu razonamiento?
átomos de carbono, el blanco para hidrógeno y el
rojo para el oxígeno:
19 Cuando calentamos 50 g de carbonato de calcio, se
forman 28 g de óxido de calcio y cierta cantidad de
dióxido de carbono:
e) Una reacción irreversible se da cuando los productos de la reacción se recombinan entre sí
para dar lugar a los reactivos.
a) ¿Qué masa de este gas se habrá formado en la
reacción?
4 Hay reacciones químicas cuya principal aplicación
es energética, pues durante ellas se desprende gran
cantidad de energía. Pon un ejemplo de este tipo de
reacción química. ¿Qué problema ambiental llevan
asociado? Explícalo.
H2O.
Fe
14 A partir del dibujo, donde el color negro se usa para
c) En una reacción química los reactivos y los productos pueden estar en distinto estado de agregación.
10
1
¿Qué conclusión puedes obtener a partir de esta
otra representación?
Estudio de las reacciones químicas
5 ¿Es compatible la teoría de las colisiones con la ley
de la conservación de la masa? Ambas teorías dan
una explicación a ciertos aspectos de la reacción
química, pero ¿la ofrecen utilizando la misma escala? Explica tus respuestas.
b) ¿Qué cantidad de óxido de calcio se forma a
partir de 150 g de carbonato de calcio?
a) Interpreta la reacción a escala atómico-molecular y a escala molar.
b) Escribe la ecuación química ajustada.
15 Ajusta en tu cuaderno las reacciones químicas siguientes:
Cl2 8
a)
Fe +
b)
C3H6 +
c)
KClO3 8
FeCl3.
O2 8
KCl +
CO2 +
O2.
H2O.
Solución: a) 22 g de dióxido de carbono.
b) 84 g de óxido de calcio.
20 A partir de los datos del ejercicio anterior, obtén
la proporción en masa con 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?
Solución: mcarbonato/móxido = 1,79. No, solo se pueden
obtener 33,6 g.
50
50
Soluciones
Se incluyen aquí las soluciones de las actividades propuestas en las páginas finales de la unidad. Aquellas cuya respuesta requiere de cálculo y representaciones gráficas se ofrecen, convenientemente desarrolladas, en el
solucionario incluido en los materiales fotocopiables para el profesorado.
Cambio físicos y químicos
1 La cáscara de huevo tiene carbonato de calcio, que reacciona con el
ácido acético del vinagre dando acetato de calcio, dióxido de carbono y agua. El gas desprendido es dióxido de carbono.
2 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario.
3 a) Falsa; en algunas reacciones químicas ocurre un intercambio de
energía en sentido contrario.
b) Falsa; también ocurren reacciones químicas en el medio natural
inerte, como la precipitación de sales.
c) Verdadera.
d) Falsa; muchas reacciones químicas que se dan en el medio natural
contribuyen a su equilibrio.
e) Falsa; la descripción es la de una reacción reversible.
4 La combustión de combustibles fósiles, como el metano (gas natural)
o el butano. En ellas se desprende dióxido de carbono, que contribuye al efecto invernadero anómalo y, con ello, al calentamiento global y
al cambio climático.
Estudio de las reacciones químicas
5 Ambas teorías son compatibles, pues abordan distintos aspectos de
la reacción química y no son contradictorios. La teoría de las colisiones explica las reacciones químicas desde un punto de vista microscópico, en el que no todos los choques entre moléculas de reactivos
dan como resultado productos de la reacción, mientras que la ley de
51
51
conservación de masa indica que la suma de las masas de los reactivos que han reaccionado es igual a la suma de las masa de los productos formados, descartándose en este balance la cantidad de reactivos que no ha reaccionado, porque los choques no hayan sido
efectivos o se haya limitado la cantidad de uno de ellos.
6
y 7 La resolución de ambas actividades se ofrece en el solucionario
incluido en los recursos fotocopiables.
8 Al aumentar la temperatura, las moléculas de los reactivos adquieren
mayor velocidad y, por tanto, aumenta el número de choques con
energía suficiente para dar como resultado la ruptura y formación de
nuevos enlaces, dando lugar así a una mayor producción de moléculas de productos por unidad de tiempo.
9 El primer dibujo muestra un choque con la orientación adecuada para
que se formen las moléculas de los productos de la reacción, mientras
que en la colisión de la segunda ilustración la orientación no es adecuada y, por tanto, no se produce el cambio químico.
10 Al aumentar la concentración de reactivos, el número de moléculas
de estos por unidad de volumen es mayor, y, por tanto, el número de
choques entre ellas por unidad de tiempo es también mayor, produciéndose así un incremento en la velocidad de reacción.
Representación de las reacciones químicas
11 Para ajustar una reacción química se deben elegir los valores de los
coeficientes estequiométricos para que se cumpla que exista el mismo número de átomos de cada elemento en reactivos y en productos, cumpliéndose así la ley de conservación de masa.
12 Tres moles de dicloro gaseoso se combinan con dos moles de hierro
sólido y dan dos moles de tricloruro de hierro sólido.
13 Se cumple la ley de conservación de la masa, pues tenemos seis átomos de cloro y dos de hierro en reactivos y en productos.
Nota: la resolución de las actividades 14 a 20, correspondientes a estas páginas del libro del alumnado, se ofrece en la siguiente página de esta propuesta didáctica.
47
UNIDAD
Trabaja con lo aprendido
26 Razona cuál o cuáles de las siguientes afirmaciones
29 El ácido clorhídrico (HCl) se combina con hidróxido
forma en la combustión incompleta del carbón (reacción de combustión que da como resultado monóxido de carbono en vez de dióxido de carbono):
referidas a la reacción de formación del amoniaco
son ciertas, y corrige las falsas:
de sodio (NaOH) y da cloruro de sodio (NaCl) y agua:
N2 + 3 H2 8 2 NH3
b) Verifica que se cumple la ley de conservación
de la masa calculando la masa necesaria de HCl
para que reaccionen completamente 103,5 g
de NaOH, y la masa de cloruro de sodio y agua
que se produce.
a) Escribe y ajusta la ecuación química.
a) 1 mol de N2 requiere 2 mol de H2.
b) Calcula la masa de dicho gas que se puede formar
a partir de 5 g de carbón, sabiendo que la proporción estequiométrica en masa es: mCO/mC = 2,3.
b) Por cada 4 moles de NH3 que se forman son necesarios 2 mol de N2 y 5 mol de H2.
Solución: m = 11,5 g de CO.
22 El etanol, C2H6O, es una sustancia que se utiliza como
biocombustible. En su reacción de combustión origina dióxido de carbono y agua. Calcula las toneladas
de CO2 que se emiten a la atmósfera en la combustión
de 25 000 L de etanol, sabiendo que la proporción
estequiométrica en masa es: mbioetanol/mCO2 = 0,52.
Dato: Densidad del etanol = 0,789 kg/L.
Solución: m = 37,9 toneladas de CO2.
c) Por cada 3 g de H2 que reaccionen necesitaremos 1 g de N2.
30 El ácido clorhídrico, cuando reacciona con cinc,
d) Para obtener 34 g de NH3 fueron necesarios 34 g
de N2.
a) Escribe y ajusta la ecuación química del proceso.
e) La suma de las cantidades de sustancia de los
reactivos es 4 mol, y la de los productos, 2 mol;
por esto, en este caso no se cumple la ley de
conservación de la masa.
c) Calcula la masa de HCl que corresponde a 3 mol.
27 La figura representa una molécula de diclorometano (CH2Cl2):
Cantidad de sustancia y reacciones
químicas
Masa
(g)
Agua
54
Cantidad de
sustancia
(mol)
Ozono
a) Calcula la cantidad de sustancia de diclorometano que hay en una muestra de 127,5 gramos de
esa sustancia.
2,5
b) Calcula la cantidad de sustancia de cada elemento (C, H y Cl) en la muestra anterior de diclorometano (127,5 g).
Solución: primera fila: 3, 1,80 · 1024; segunda fila,
83,96, 1,75; tercera fila: 110, 3,01 · 1024.
24 Ordena de menor a mayor en cuanto a su masa las
c) Calcula la masa de cada elemento (C, H y Cl)
presentes en la muestra anterior de diclorometano (127,5 g).
siguientes cantidades: a) 0,25 mol de tetracloruro de
plomo; b) 5 mol de agua; c) 1 mol de ácido sulfúrico.
Datos: MC = 12 g/mol, MH = 1 g/mol, MCl = 35,5 g/mol.
Solución: m H 2 SO 4 > m H 2 O > m PbCl 4 .
25 Un cubo de 1,5 dm de arista está lleno de agua. Cal-
Dato: d (agua) = 1 g/cm3.
d) Calcula la masa de hidrógeno que se obtiene al
reaccionar los 3 mol de HCl de los apartados anteriores.
Solución: b) 1,5 mol. c) 109,4 g. d) 3 g.
a) ¿Qué cantidad de hierro ha reaccionado?
N.o total de
átomos de O
cula el número de moléculas de esta sustancia que
hay dentro del cubo.
b) Calcula la cantidad de sustancia de hidrógeno
que se obtiene al reaccionar 3 mol de HCl.
cabo de cierto tiempo se observa que una parte se
ha oxidado, formándose 5 g de trióxido de dihierro:
3,16 ∙ 1024
Dióxido de
carbono
produce dicloruro de cinc y dihidrógeno:
31 Se deja a la intemperie un clavo de hierro de 5 g. Al
23 Completa la tabla en tu cuaderno:
Sustancia
a) Escribe y ajusta la ecuación química.
Solución: a) 1,5 mol. b) 1,5 mol de C, 3 mol de H, 3 mol
de Cl. c) 18 g de C, 3 g de H, 106,4 g de Cl.
28 Antiguamente se denominaba como «piedra infernal» a un compuesto que tienes que identificar. Para
ello dispones de los siguientes datos:
• Su masa molar es 169,9 g/mol.
1,5 dm
Solución: n.o moléculas = 1,13 · 1026 moléculas de agua.
• Su fórmula química consta de un átomo de plata,
tres átomos de oxígeno y un átomo de otro elemento que se encuentra en el segundo período
del Sistema Periódico.
b) ¿Cuánto hierro ha quedado sin reaccionar? ¿Qué
porcentaje de la masa del clavo representa la
parte que ha quedado sin reaccionar?
emprender
aprender
21 El monóxido de carbono es un gas muy tóxico que se
Química cotidiana
¿Más o menos vitamina C?
La vitamina C es necesaria para el normal crecimiento y desarrollo. Como es hidrosoluble se expulsa por
la orina, y tiene que ser suministrada en la dieta.
Además de otros efectos, la vitamina C ayuda a la
absorción del hierro y acorta la duración de los resfriados.
Muchas de las bebidas que consumimos anuncian
en su etiqueta que contienen vitamina C. Una forma
cualitativa de determinar la vitamina C es hacerla
reaccionar con una disolución indicadora conocida
como lugol. El lugol contiene un asociación de sustancias químicas llamadas complejo yodo-amilosa,
que es de color azul violáceo.
Este complejo reacciona con la vitamina C y pierde
su color. Por tanto, podremos comparar el contenido
de vitamina C de varias bebidas observando el tono
azul más o menos intenso al añadir unas gotas de la
bebida al reactivo lugol. Cuanto más intenso sea el
color azul, menos vitamina C hay presente.
Solución: a) mFe = 3,5 g. b) 1,5 g, lo que supone un 30 %.
32 Una persona con exceso de ácido clorhídrico en
los jugos gástricos toma, para neutralizar dicho
exceso, un medicamento que contiene 1,85 g de
hidróxido de aluminio por cada 25 mL de medicamento. La reacción que se produce (sin ajustar) es:
HCl + Al(OH)3 8 AlCl3 + H2O
Suponiendo que el estómago produce 3 L diarios de
jugo gástrico, de concentración en ácido clorhídrico
0,075 mol/L, calcula:
a) La cantidad de sustancia diaria de ácido clorhídrico que se produce en el estómago y la de
hidróxido de aluminio necesarias para neutralizarlos completamente.
En la web
❚ Hay una forma de obtener una disolución parecida
al lugol a partir de productos cotidianos (harina de
maíz, tintura de yodo para desinfectar heridas y
agua). Busca la forma de preparar esta disolución.
b) La masa de Al(OH)3 y los mL de medicamento
que debe tomar al día la persona del enunciado.
❚ Utiliza la disolución anterior para comparar la can-
Solución: a) 0,225 mol de HCl; 0,075 mol Al(OH)3.
b) 5,85 g de Al(OH)3 y 79 mL de medicamento.
❚ Busca información acerca de la cantidad diaria
En la web
¿De qué compuesto se trata?
Encontrarás
una autoevaluación interactiva.
tidad de vitamina C en refrescos y zumos de naranja comerciales de diferentes marcas.
recomendada de vitamina C, su presencia en los
alimentos y la necesidad o no de complementar la
dieta con suplementos de vitamina C.
53
52
14 a) La interpretación a escala molecular es: dos moléculas de C2H2 se
combinan con cinco de O2 y dan cuatro de CO2 y dos de agua. En la
escala molar la interpretación es la misma, pero sustituyendo la palabra molécula por mol de moléculas.
b) 2 C2H2 + 5 O2 8 4 CO2 + 2 H2O
15
a 17 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario
10
1
27 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario incluido en
los materiales fotocopiables. Recomendamos que se aproveche el
trabajo con ella para explicar la composición centesimal de un compuesto químico.
28
a 32 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario
incluido en los recursos fotocopiables.
incluido en los recursos fotocopiables.
Química cotidiana. ¿Más o menos vitamina C?
Leyes fundamentales y reacciones químicas
18 Sí, podríamos obtener la masa del producto que falta aplicando la ley
de conservación de masa, restando la masa de los otros dos productos a la suma de las masas de los reactivos.
19
a 22 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario
incluido en los recursos fotocopiables.
Cantidad de sustancia y reacciones químicas
23
a 25 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario
incluido en los recursos fotocopiables.
26 a) Falsa, un mol de nitrógeno requiere tres moles de hidrógeno, no
dos, como se indica en el enunciado de este apartado.
48
La educación para el consumo responsable y la educación para la salud se
abordan con los contenidos de esta lectura y las actividades propuestas al
finalizar.
Se pretende que el alumnado reflexione por una parte sobre la necesidad
de llevar una dieta equilibrada y, por otra, que desarrolle cierto espíritu
crítico hacia la publicidad de las características de productos alimentarios.
La actividad de investigación es sencilla y se puede realizar como experiencia de aula. La forma más fácil de abordarla es utilizar reactivo lugol
(disolución de yodo al 5 % y yoduro de potasio al 10 %, en agua), que se
comercializa por la mayoría de suministradores de reactivos químicos. Si
no se dispusiera de este reactivo, se puede fabricar una versión casera siguiendo estos pasos:
1
Mezclar una cucharada de almidón de maíz con suficiente agua hasta
formar una pasta.
b) Falsa, se necesitan seis moles de hidrógeno.
2
Añadir 250 mL de agua a la pasta y hervirla durante 5 minutos.
c) Falsa, la relación numérica dada se refiere a la cantidad de sustancia, no a la masa. Por cada tres gramos de hidrógeno (1,5 mol) necesitamos 0,5 mol de nitrógeno (14 g).
3
Añadir 10 gotas de la solución hecha con almidón a 75 mL de agua.
d) Falsa, para obtener 34 g de amoniaco (2 mol), se necesita un mol
de nitrógeno (28 g).
e) Falsa, se cumple la ley de la conservación de la masa; no existe ninguna ley de conservación de cantidad de sustancia.
4
Añadir suficiente disolución de yodo hasta observar un color púrpura/
azul oscuro.
La cantidad diaria recomendada de vitamina C en adolescentes es de 65 a
75 mg (http://ods.od.nih.gov/factsheets/VitaminC-DatosEnEspanol/) y se
puede ingerir tomando alimentos ricos en vitamina C crudos, pues al cocinarlos esta vitamina se desnaturaliza.
1
Formulación y
nomenclatura
nes homopoliatómicos, la nomenclatura que utiliza el número de oxidación es perfectamente válida.
Anotaciones para el profesor
• La nomenclatura de las sustancias químicas ha ido variando a lo largo
de las décadas, en las sucesivas revisiones de las recomendaciones elaboradas por la IUPAC. En este anexo de formulación recogemos las normas de formulación y nomenclatura vigentes en la actualidad, basadas
en las que recoge la traducción al español de Nomenclature of Inorganic
Chemistry: IUPAC Recommendations 2005 (the Red Book), realizada por
Miguel Ángel Ciriano y Pascual Román Polo1 (UPV-EHU).
• En el Libro Rojo se recogen tres tipos de nomenclatura para los compuestos inorgánicos: de composición (capítulo 5), sustitución (capítulo
6) y la de adición (capítulo 7); se ha elegido para este texto la primera de
ellas, que no da cuenta de la estructura de los compuestos químicos. Se
trata de una nomenclatura estequiométrica, en la que se ofrece la fórmula empírica o la molecular de la sustancia química en cuestión.
• Para los compuestos binarios, en el Libro Rojo de la IUPAC se recomienda el uso de la nomenclatura de composición basándose en prefijos
multiplicadores, considerándolos no necesarios si no hay ambigüedad
posible en la composición del compuesto químico, pero no los califica
de estrictamente prescindibles en estos casos.
• Además, en el apartado IR 5.4.2 de la obra en inglés, se dice que la
información sobre proporción entre las especies químicas de un determinado compuesto se puede dar a través de los números de carga o
de los números de oxidación. En este último caso, la recomendación
de la IUPAC es que se use solo si es preciso o puede causar ambigüedad. Para el uso del número de carga, o carga del ion, se requiere la
utilización de números arábigos, y para el número de oxidación, números romanos sin indicar su signo, a menos que sea estrictamente
necesario. La única restricción que se explicita para el uso del número
de oxidación se circunscribe a los iones homopoliatómicos, como el
ion peróxido. En estos casos se recomienda el uso del número de carga o los prefijos multiplicadores (por ejemplo: K2O2, dióxido de dipotasio, o bien dióxido (2-) de potasio2). Por lo anterior, para compuestos
binarios, exceptuando los peróxidos y algún otro compuesto con io-
• Desde un punto de vista didáctico, la nomenclatura que utiliza el número de carga resulta muy útil, pues obliga al estudiante a calcular el número de oxidación, familiarizándose con este concepto y con los valores
de los números de oxidación.
• Una de las más importantes modificaciones en la nomenclatura IUPAC
2005 se refiere a la inversión del orden del oxígeno y los halógenos.
Esto afecta a los nombres y las fórmulas de los antes llamados óxidos de
los halógenos, que ahora pasan a nombrarse y formularse como haluros
de oxígeno (ejemplo: OCl2, dicloruro de oxígeno).
• Respecto de los oxoácidos y sus sales derivadas, cabe destacar que,
aunque se trate de nombres no sistemáticos, la IUPAC admite el uso de
los nombres comunes basados en los prefijos hipo-, per- y en los sufijos
-oso, -ico, -ito y -ato. Esta nomenclatura dificulta la comprensión de la
composición del compuesto por parte de una persona con conocimientos limitados de química; por ello, se ha decidido incluir la nomenclatura sistemática de composición denominada «de hidrógeno» para los
oxoácidos (nótese que en ella es preceptivo no utilizar tildes para los
morfemas «oxido» e «hidrogeno»).
• En consonancia con la traducción al castellano de las recomendaciones
IUPAC 2005, la ponencia de química de Andalucía publicó una guía para
su uso que se ha tenido en cuenta para elaborar el texto de este anexo.
• Estas nuevas recomendaciones, y su adaptación al castellano, no están
exentas de controversia, no solo por la dificultad que ha tenido la adaptación de algunos términos3, sino también por la poca aceptación que han tenido algunos de sus aspectos, como puede ser la nomenclatura de adición.
1
C
iriano López, M. A., Román Polo, P., Connelly, N. G., y Damhus, T. Nomenclatura de Química Inorgánica.
Recomendaciones de la IUPAC 2005. Prensas Universitarias de Zaragoza, 2007.
2
E
jemplo 8 de la sección 5.4.2.3 de la versión en inglés.
3
C
iriano, M. A. y Román Polo, P. «Breve historia de la traducción del Libro Rojo de 2005 de la IUPAC».
Panace@. Vol. IX, n.º 28. Segundo semestre, 2008.
49