Taller de Química I Semana 1 y 2 Semana 1

Taller de Química I Semana 1 y 2
Temario 1. Introducción a la Química 1.1. Definición del concepto Química 1.2. Breve historia de la Química 1.3. Conoce la relación de la Química con otras ciencias 1.4. El método científico 1.5. Riesgos y beneficios de la Química 2. Propiedades de la materia 2.1. Reconoce las propiedades de la materia 2.1.1. Características y manifestaciones de la materia 2.1.2. Propiedades de la materia 2.1.3. Estados de agregación de la materia 2.1.4. Cambios de estado de la materia 2.1.5. Clasificación química de la materia 2.2. Describe las características de los diferentes tipos de energía 2.2.1. Manifestaciones de la energía 2.2.2. Beneficios y riesgos en el consumo de la energía 2.3. Describe las características de los cambios de la materia 2.3.1. Cambio físico 2.3.2. Cambio químico 2.3.3. Cambio nuclear 3. El modelo atómico y sus aplicaciones 3.1. Describe las aportaciones al modelo atómico actual 3.1.1. El modelo atómico de Dalton 3.1.2. El modelo atómico de Thompson 3.1.3. El modelo atómico de Rutherford 3.1.4. Modelo atómico de James Chadwick 3.1.5. Número atómico, número de masa y masa atómica 3.1.6. Isótopos y sus aplicaciones 3.1.7. Modelo actual y los números cuánticos (n, l, m, s) 3.1.8. Subniveles de energía y orbitales 3.1.9. Reglas para elaborar configuraciones electrónicas y diagramas de orbitales. 4. Antecedentes históricos de la clasificación de los elementos 4.1. Nociones de grupo, periodo y bloque, aplicadas a los elementos químicos en la tabla periódica actual 4.2. Propiedades periódicas (electronegatividad, energía de ionización, afinidad electrónica, radio y volumen atómico) y su variación en la tabla periódica 4.3. Caracteriza la unidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país 4.3.1. Importancia de los minerales en México Semana 1 1 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Sesión 1 Los temas a revisar el día de hoy son: 1. Introducción a la Química 1.1. Definición del concepto Química 1.2. Breve historia de la Química 1.3. Conoce la relación de la Química con otras ciencias 1. Introducción a la Química ¡La química está en todas partes! Todo lo que puedes tocar, ver u oler contiene una o más sustancias químicas. Vivimos en un mundo de sustancias químicas. Una sustancia química es cualquier material con una composición definida, sin importar su procedencia. Hoy en día se conocen más de 25 millones de sustancias químicas. Aprender sobre el mundo que nos rodea puede conducirnos a invenciones interesantes, útiles y a nuevas tecnologías. En tu vida diaria, puedes observar constantemente cambios como la fermentación de los alimentos (queso, yogurt, entre otros) o darte cuenta que los alimentos que consumes se transforman dentro de tu cuerpo, aunque no los puedas ver. Puedes encontrar las respuestas a estas preguntas y a muchas más por medio del estudio de la Química. 1.1. Definición del concepto Química La Química es definida como la ciencia que se ocupa de los materiales que se pueden encontrar en el Universo y las transformaciones que estos sufren. Su estudio es de gran importancia para el ser humano, ya que se aplica a todo lo que lo rodea. Por ejemplo, el lápiz que utilizas, tu cuaderno, el perfume que usas, la ropa que vistes, tus zapatos, los alimentos que ingieres y los compuestos que respiras como el aire, todo. Esta disciplina permite entender muchos de los fenómenos que observamos y también aprender a intervenir en ellos para nuestro beneficio. Esta ciencia está presente en medicinas, vitaminas, pinturas, pegamentos, productos de limpieza, materiales de construcción, automóviles, equipo electrónico, deportivo y cualquier cosa que puedas comprar, usar y comer. Todos los objetos que usas en tu vida están hechos a base de procesos químicos. Como ves, vivimos de la Química, las reacciones y sustancias que hacen posible la vida son a través de la Química. 1.2. Breve historia de la Química 2 Universidad CNCI de México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
La Química Q
com
mo ciencia no surgió
ó de la noche a la mañana, m
si no que se
e fue desarrollando en e la antigü
üedad en la medida que q el hom
mbre buscaba satisfacer su osidad acercca de la naturaleza y ell origen del Universo.
curio
Las primeras p
exxperiencias del ser humano como
o químico se s dieron ccon la utilización del fuego f
en laa transform
mación de la materia,, la obtencción de hieerro a partiir del mineeral y de vid
drio a partir de arena,, son claross ejemplos. Poco a pocco el homb
bre se dio ccuenta de q
que otras su
ustancias taambién tien
nen este po
oder de transformació
ón. Se dediccó un gran empeño en
n buscar una sustancia que transfformara un metal en o
oro, lo que lllevó a la creación de laa alquimia. Los aalquimistass tenían com
mo fin la bú
úsqueda de la piedra filoso
ofal, que lees permitiríaa transform
mar diversoss metales en oro, curar cu
ualquier enffermedad yy rejuvenece
erse ellos mism
mos Los filósofos f
grriegos y loss alquimistaas del siglo
o V a. C. peensaban qu
ue la materria se comp
pone de 4 eelementos: tierra, aire
e, fuego y aagua. Esta teoría estuvvo presente
e toda la Ed
dad Media (hasta el siglo XV d.C. aproximadam
mente). La Química Q
surgge en el sigglo XVII, el alquimistaa se había convertido c
en químico
o y la alquiimia había p
pasado a seer la cienciaa Química. LLa alquimia dejó un leggado imporrtante a la química acttual, como el perfeccionamiento de los diveersos métod
dos que usamos (desttilación, cristalización,, sublimació
ón y combu
ustión). Dimiitri Mendelleiev (1834
4 ‐1907). Realizó R
la primera versión de la tabla periódica moderna. ortantes con
ntribuciones para la co
omprensión de la Nielss Bhor (1865 ‐1962). Reealizó impo
estru
uctura del átomo. Aunq
que la quím
mica es una cciencia anceestral, sus ffundamento
os moderno
os se instruyyeron en el siglo XI y XX cuando
o los avancees tecnológgicos e intelectuales permitieron a los cienttíficos separar sustanccias en com
mponentes aaún más peequeños y p
por consigu
uiente explicar muchass de las caraacterísticas físicas y quíímicas. Robe
ert Boyle (1
1627 ‐1691)) fue un graan líder en el desarrolllo de la quíímica, publicó su libro: “The scep
ptical chymistk” (El Qu
uímico escéptico), en 1
1961, dondee explica qu
ue las sustaancias a las que llamó elementos,, no se pued
den descom
mponer en aalgo más sim
mple; tamb
bién mencio
ona que si sse combinan
n dos o más elemento
os se formarría una susttancia comp
pletamentee diferente aa la que se lllamaría com
mpuesto. Anto
onie Lavoisier (1743 ‐1794) ‐
quím
mico francé
és, realizó una ttabla de 33
3 elementoss en el prim
mer texto de
e Química moderno, llam
mado “Tratado eleme
ental de Química” Q
(1789
9), algunoss de estos materiales m
no eran elementos, pero Lavoisier fue el primero en e poner nombres modernos y sisttemáticos. LLavoisier deescubrió que cuando bón mineral, se comb
bina con el oxígeno se quema carb
para formar dió
óxido de carbono, fue el primero en saber 3 Universsidad CNCI dde México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
el ro
ol que juegga el oxígeeno en la combustión
c
n. Por su trabaajo enfocad
do a estab
blecer a la química como una cienccia cuantitaativa se lee consideraa “El padrre de la Quím
mica Moderrna”. Prácctica 1 Instrrucciones: C
Contesta lass siguientes preguntas en tu cuadeerno de apu
untes. 1.‐ ¿P
Por qué se d
dice que la química es una cienciaa fundamen
ntal? 2.‐ Elabora un d
diagrama do
onde se mu
uestren en orden cron
nológico loss anteceden
ntes y las principales aaportaciones del desarrrollo de la q
química. 3.‐ ¿Cuáles de los método
os importaantes que surgieron s
a partir dee la alquimia los a aplicas a tu vidaa diaria? 4.‐ ¿C
Cuáles son los principaales retos paara la químiica en esta década? 1.3. C
Conoce la rrelación de la Química con otras cciencias Si an
nalizas los o
objetos y prroductos qu
ue usas en tu vida diaria entenderás quee en su obtención o o producció
ón se apliccan cono
ocimientos d
de diferentees ciencias.
Los problemas graves que enfrentaamos son innumerables, que la escasez de los alimentos, la aparició
ón de nuevvas aunq
enfermedades, el agotam
miento de las fuentes de energgía convvencionales y el deeterioro del ambien
nte, son las princcipales preo
ocupacioness de la quím
mica actual.
Adem
más de serr una cienccia, la Quím
mica sirve a otras cieencias y a lla industriaa. Los princcipios químicos contrib
buyen al esttudio de la Física, Biolo
ogía, Geolo
ogía, Agricultura, Ingen
niería, Med
dicina, Ecolo
ogía, Astron
nomía y mu
uchas otras disciplinas. En la Biología,, tiene unaa muy esttrecha relación, porque en los seres vivo
os se desarrollan unaa amplísimaa variedad de reaccion
nes químicas y la matteria en esstudio porciona conocimiento
os básicos para entenderlas y pred
decirlas. prop
Muchos procesos químico
os también se cuantificcan. Para ello e las apo
ortaciones de d las mate
emáticas, son absolutaamente neccesarias, de
esde las sim
mples sumaas y restas hasta modelos matem
máticos dee alta complejidad uttilizados paara describ
bir la estru
uctura 4 Universsidad CNCI dde México Taller de Química I Semana 1 y 2
atómica y los mecanismos de reacción, estos son ejemplos de cómo interactúan ambas ciencias. En áreas como la medicina, la química ha permitido comprender como actúan las plantas medicinales usadas en ciertos pueblos o comunidades, ya que no sólo tienen un uso medicinal, también se obtienen de ellas tintes, saborizantes y otros productos. Otro logro en el área de las ciencias es la Nanociencia y sus aplicaciones en la Nanotecnología, las cuales se dedican al conocimiento de los procesos biológicos, químicos y físicos a nivel molecular, y en un futuro se convertirán en una de las revoluciones científicas más importantes para la humanidad. La Química se relaciona con la Geografía, al momento de estudiar cómo está formada la corteza terrestre para entender los fenómenos que se llevan a cabo en ella o para la búsqueda de recursos naturales. La Química y la Física son ciencias complementarias. ¿Sabías que la teoría atómica fue hecha por físicos? Otro ejemplo son las reacciones nucleares para producir energía nuclear y después transformarla en energía eléctrica para uso doméstico, como consecuencia de este proceso se producen residuos radiactivos de lenta desintegración. La Química y la Astronomía tienen múltiples puntos de contacto. Un ejemplo claro lo tenemos cuando el astrónomo requiere conocer la edad y la composición de las estrellas que se encuentran a años luz de distancia. Analizando la luz que nos llega de ellas ha sido posible calcular la distancia a la que se encuentran de nuestro planeta y etapa de desarrollo. Igualmente con la Arqueología, se utiliza para descifrar datos e interrogantes como la antigüedad de piezas (jarrones, armas, cascos). La exactitud se logra por medio de métodos químicos como el del carbono 14. En el área de la Ingeniería, la química hace posible la alta tecnología desde los chips de computadora hasta los cristales líquidos de tu televisión y calculadora. Aunque hay una gran variedad de ramas de la química, las principales divisiones son: •
Química Aplicada. Estudia las propiedades de cada una de las sustancias en particular, desde el punto de vista útil medicinal, agrícola, industrial, etc. •
Química Inorgánica. Estudia las sustancias que provienen del reino mineral. •
Química Orgánica. Estudia principalmente los compuestos que provienen de seres vivos, animales y vegetales. •
Fisicoquímica. Estudia la materia empleando conceptos físicos. •
Bioquímica. Es la ciencia que estudia los componentes químicos de los seres vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, además de otras pequeñas moléculas presentes en las células. 5 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
La química tiene un papel fundamental para la comprensión de procesos y descubrimientos que formarán parte de las soluciones a los problemas. Práctica 2 Instrucciones: lee los siguientes párrafos y señala en la línea cuál o cuáles ciencias mencionadas se relacionan con la Química en cada caso. 1.‐ En la combustión de los automóviles se liberan sustancias contaminantes que ocasionan graves perjuicios a la comunidad, por lo que las dependencias de gobierno implementan medidas de control para minimizar efectos. 2.‐ Bangladesh es el séptimo país más populoso del mundo, y decenas de millones de sus ciudadanos han sido expuestos al arsénico en el agua durante las últimas décadas. Alrededor de 3.000 bangladeshíes mueren de cáncer inducido por arsénico cada año, y hoy en día millones de personas en el país viven con envenenamiento por arsénico, que se manifiesta como lesiones de la piel y trastornos neurológicos, enfermedades cardiovasculares y pulmonares, además de cáncer. 3.‐ Usando el radiotelescopio Robert C. Byrd de Green Bank (GBT por sus siglas en inglés), ubicado en Virginia Estados Unidos, se ha estudiado los precursores químicos de la vida. Estos nuevos descubrimientos están ayudando a los científicos a desentrañar los secretos de como los precursores moleculares de la vida pueden formarse en las nubes gigantes de gas y polvo donde nacen las estrellas y planetas. 6 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Sesión 2 Los temas a revisar el día de hoy son: 1.4. El método científico 1.5. Riesgos y beneficios de la Química 1.4. El método científico Debido a que la ciencia tiene como objetivo la explicación de las causas y los efectos de lo que ocurren en nuestro alrededor, ha sido necesario establecer una serie de procedimientos llamados Método Científico. Éste es el proceso central de las investigaciones científicas. Pasos para el Método científico: 1. Efectuar Observaciones: describir y medir algún evento de la naturaleza. Los datos son las observaciones basadas en las mediciones cualitativas (la casa es blanca, el aluminio es plateado); o bien cuantitativas (el agua hierve a 100ºC, el árbol mide 10 mts). 2. Formular Hipótesis: es una explicación posible a la observación. 3. Llevar a cabo Experimentos: es un procedimiento para explicar la hipótesis. Regularmente se realizan muchos experimentos para recopilar una gran cantidad de datos, si los resultados de la experimentación no coinciden con la hipótesis, se debe proponer una nueva hipótesis y hacer nuevamente experimentos. 4. Teoría: son explicaciones de fenómenos fundadas en numerosas observaciones y apoyada en numerosos experimentos, por ejemplo: el estudio del átomo, en el cual se han propuesto un serie de teorías que tratan de explicar su comportamiento y que hasta la fecha no se ha finalizado de estudiar. 5. Ley: es un enunciado que resume hechos experimentales acerca de la naturaleza, cuyo comportamiento es congruente y no presenta excepciones conocidas. Los médicos como hombres de ciencia, usan el método científico en su labor. En alguna ocasión que te hayas enfermado y te llevaron al médico, después de examinarte, seguramente se determinó que siguieras un tratamiento, se incluyó el uso de medicamentos para aliviarte o curar la enfermedad y pidieron que te realizaran análisis para establecer un diagnóstico. Problemas cotidianos Instrucciones: identifica el problema de las siguientes situaciones y dale una solución acertada. • Supón que necesitas realizar varios encargos en diversos lugares, como ir a una tienda de abarrotes, al banco, alquilar un video e ir a dejar un encargo a casa de un amigo, antes de las 3:00 p.m. 7 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Siguiendo con el ejemplo de cuando necesitas hacer varios encargos antes de las 3:00 p.m., en el paso número uno: identifica el problema que sería, idear una ruta para completar el mayor número de encargos antes de la hora establecida. Las observaciones previas te proporcionan datos como la hora de cierre del banco y el alquiler de videos, considera que tienes que conservar los alimentos fríos de la tienda de abarrotes. Estos datos te aportan información acerca del tiempo aproximado que necesitas para ir de un lugar a otro. Como puedes ver el mundo está lleno de problemas, simples y complejos en los cuales aplicamos un razonamiento crítico, y si te das cuenta, los científicos siguen estos mismos procedimientos para estudiar el mundo que nos rodea, lo importante es que el pensamiento científico sea aplicable a cualquier aspecto de la vida. Gráfico del Método Científico Revisaremos un ejemplo que se puede presentar en nuestra vida cotidiana y que refleja una forma simple del método científico, en su aspecto más de sentido común, a pesar de que tenga otros aspectos anti‐intuitivos: Imagina que te sientas en el sofá dispuesto a ver un rato la televisión y al apretar el control a distancia, no enciende la tele. Repites la operación tres veces y nada. Miras si el control está bien, cambias las pilas y sigue sin encenderse la TV. Te acercas a la TV y pruebas directamente con sus botones, pero sigue sin funcionar. Compruebas si está desconectada, pero está conectada y sin embargo no funciona. Al caminar por la sala buscas los interruptores de la luz, pero al oprimirlos no se encienden. Compruebas en otras habitaciones y tampoco. Sospechas que el problema 8 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
está en la caja de fusibles central. Vas a inspeccionarla y descubres que había uno flojo. Reconectas y todo funciona... Este proceso sigue una estrategia que desarrollamos muchas veces de manera inconsciente en la vida cotidiana, que se asemeja mucho al método científico y sirve para ilustrarlo de forma fácil. En la explicación siguiente se explican los pasos: Observación: detectas el problema de que no funciona la TV. ‐Primera Hipótesis: quizás no oprimiste bien los botones del control o no has apuntado bien a la TV. ‐Predicción: si la hipótesis es cierta, entonces si aprietas tres veces los botones, dirigiendo bien el control, se debería encender la TV. ‐Verificación: realizas la prueba, pero no se enciende la TV, es decir, no se confirman tus predicciones. El experimento ha sido válido, así como la comprensión de los principios que usaste. Esto hace que busques una nueva hipótesis en base a las observaciones derivadas del fallo de tus predicciones, con lo que concluyes: “ya comprobé que el problema no está en los botones del control ni en la posición de éste”. ‐Segunda Hipótesis: no funcionan las pilas del control. ‐Predicción: si cambias las pilas por otras nuevas tendrá que funcionar la TV. ‐Verificación: ya cambiaste las pilas y sigue sin funcionar la televisión. Tu experimento y la comprensión de tu hipótesis ha sido probablemente correcta. Como consecuencia y con la información adicional observada (que tampoco son las pilas del control), vuelves a generar otra nueva hipótesis: ‐Tercera hipótesis: el problema está en los botones del televisor o en la conexión. ‐Predicción: presionando fuerte los botones y comprobando el enchufe, funcionaría el televisor. ‐Verificación: lo compruebas, pero siguen sin funcionar. Con la nueva información te puedes plantear dos nuevas hipótesis: hipótesis 4a (que el problema es del interior de la TV) o hipótesis 4b (que el problema está en el suministro eléctrico de la casa). 9 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Es más fácil verificar las predicciones de la hipótesis 4b, la cual optas por contrastarla. ‐Puedes predecir que si la hipótesis 4b (fallo del suministro eléctrico de la casa) es cierta, no deberían funcionar los interruptores de la luz de todo el piso. ‐Verificación: en este caso es correcta porque tras probar varios interruptores, varias veces, (replicación), éstos no funcionan. Entonces se acepta como teoría provisional, que el fallo del funcionamiento del televisor se debe al fallo del suministro eléctrico de la casa. Para especificar más, plantea varias hipótesis adicionales y opta por la hipótesis de que han fallado los fusibles de la caja de suministro eléctrico, porque parece la más simple y fácil de contrastar. ‐Predicción: si miras en la caja de suministro eléctrico, veras el dispositivo en posición "off" y al corregirlo funcionarán los interruptores, así como la televisión. ‐Verificación: lo compruebas y se confirma la posición "off" del dispositivo. Lo corriges y funcionan todas las luces del piso y la televisión. Esta explicación es lo que solemos hacer casi siempre de forma inconsciente. El ejemplo se puede ver en muchos aspectos de nuestra vida y nos sirve para ilustrar el método científico en sus aspectos más cercanos a nosotros. Práctica 3 Instrucciones: realiza la siguiente lectura y contesta las preguntas que están al finalizarla. La trágica carne asada Tu mejor amigo organizó una carne asada en el patio de su casa, realizadas las compras necesarias, tu amigo se dispuso a prender el carbón con un poco de gasolina que extrajo de su carro en un pequeño recipiente, una vez impregnado el carbón de gasolina, colocó el recipiente con sobrante sobre una pila de periódicos viejos cerca del brasero y encendió el carbón, levantándose una gran llamarada; segundos más tarde el recipiente empezó a arder y muy pronto el fuego se propagó por los periódicos llegando hasta un arbusto seco que se encontraba cerca. ¿Al encontrarte en esa situación qué harías? a) Tomar la manguera, abrir la llave del agua y dirigir el chorro hacia el incendio. b) Ir por el extinguidor que traes en tu carro (considerando que el carro está cerca) y apagar el fuego. c) Tomar una cobija que estaba tendida, mojarla y cubrir el fuego. 10 Universidad CNCI de México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
Explica cómo aplicar los pasos p
del método m
cie
entífico (plaanteamiento
o del problema, hipóttesis, obtención y reegistro de información, experim
mentación, contrastaciión e interrpretación d
de resultados y conclusión) para rresolver la cuestión. 1.5. R
Riesgos y beneficios de la Químicca La in
ndustria quíímica ha creeado múltip
ples beneficcios para laa sociedad, pero también se ha en
ncargado de generar m
muchos pro
oblemas. A
Ahora enfrentamos mu
uchos problemas cuyas soluciones dependen
n de la cien
ncia. A diaario leemos u oímos hisstorias acerrca de: • La elaboración de vacunas contra el SIDA.. uso de herbicidas y pessticidas. • La prohibición del u
enfermedades genéticas, crímenes, • Los anáálisis de AD
DN para determinar d
pruebas de paternid
dad, etc. o en el aguaa potable. • El plomo
• El calenttamiento glo
obal. • El agujerro de la cap
pa de ozono. • Los riesggos asociad
dos con el café, c
el alco
ohol, las grrasas saturaadas entre otros alimento
os. • Contam
minación. • Quema de bosquess y sus efecttos en la ecología. Estoss problemaas persistiráán durante muchos añ
ños y otross se añadirán a la listta. En dond
de vivimos,, cada uno
o de nosottros estamo
os expuesttos día a d
día a productos quím
micos y riesggos químico
os peligroso
os. Por eso nos debem
mos pregunttar: ¿Los rie
esgos supeeran a los beeneficios? La evvaluación de riesgos ess un processo que conju
unta a proffesionales d
de los campos de la qu
uímica, biollogía, toxicología y esstadística para evaluarr el riesgo asociado con c la expo
osición de ciierto producto químico
o. dios para d
demostrar ccomo Se haan llevado aa cabo estud
se peerciben esto
os riesgos, p
por ejemplo
o la exposición a un producto quíímico. La percepción d
depende si son riesggos voluntarios como ffumar o viajjar en avión
n, se acceptan con más facilidaad que los involuntario
os, por eejemplo: loss herbicidass en los cítriicos o el asb
besto en lo
os edificios. Las personas llegan a cconclusione
es de que todo
o lo “sintéticco” es malo, en tanto q
que todo lo orgánico ess bueno. Una vez evaluad
do el riesgo
o, lo siguientte es manejjarlo. El maanejo de riesgos comprrende juicio
os de valor en los quee confluyen aspectos sociales, s
económicos yy políticos. Estos riesggos deben confrontarsee con los beeneficios de
e las nuevass tecnologíaas que vend
drán a sustituir al viejo problema. Nosotro
os aplicamo
os la evaluaación como
o el manejjo de 11 Universsidad CNCI dde México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
riesggos para deecidir si com
mpramos ciierto produ
ucto (un peesticida), si tomamos cierto c
medicamento (u
un analgésicco por ejem
mplo) o com
memos cierto
os alimento
os. q
es el combatiir la caresttía de alime
entos Algunos beneficcios de la industria química ayud
dándose de técnicas co
omo la biottecnología para produ
ucir alimenttos transgé
énicos con característticas útiless desde el punto de d vista co
omercial, m
manipuland
do la inforrmación intterna de los cultivos seleccionad
s
dos al intro
oducirles caambios de color, c
sabo
or y resisten
ncias a plaggas. Tambiéén algunas sustancias naturales p
presentes en e los alimeentos pueden provocar cáncer, los químicos ya trabajan
n en estos problemas. Los refrigerante
r
es hacen po
osible que los l alimentos perm
manezcan co
ongelados, que preserven grandes cantiidades de p
productos aalimenticioss que de ottra maneera se echaarían a perrder y por otro lado los conservadores también tienen sus efectos e
en la d. También se produceen nutrientes sintético
os, salud
pero queda mu
ucho por hacer h
a meedida que la poblaación mundial aumen
nta en relaación con el camp
po disponib
ble para el cultivo. Los aavances en la medicinaa y quimiotterapia, a través del desarrollo de drogas nu
uevas han contribuido
o a la prolo
ongación dee la vida y al alivio del sufrimiento human
no. La indusstria de loss plásticos, polímeros y textiles producen materiales m
de constru
ucción durables y útiless. Conssiderando e
el ejemplo: La producción p
agrícola haa aumentado el uso de fertilizantes quím
micos, pestiicidas en las mejjoras de se
(plagguicidas) y variedades v
emillas. A trravés de laa Alianza paara el Desaarrollo rurall sustentable que se esstá conform
mando con lla participacción de todas las fraccciones del sector rural y pesquero
o del país, laa producció
ón de alimeentos en Mé
éxico, seguirá creciendo por encima del porcentaje p
de aumento anual d
de la poblaación, (SAG
GARPA, 2009
9). micos con eel aumento de la pobllación ¿Quéé beneficio tiene el usso de fertilizzantes quím
agríccola? El incremento de d la utilizaación de feertilizantes sin duda se s debe al aumento de d las cosechas, lo que confirma la pauta general g
de mayor m
eficaacia en la u
utilización de d los fertillizantes. Ottra posibilidad consiste en mejo
orar a travvés de la biotecnologgía la eficaacia en la uttilización dee fertilizanttes, la absorción de nu
utrientes en
n las plantaas, así como
o también b
beneficia a q
que se man
ntengan verrdes por máás tiempo. Sin eembargo, co
omo ahora sabemos, n
no todos lo
os producto
os son buen
nos. Algunos han estad
do implicad
dos en enffermedadess y afeccio
ones de toda índole, incluso cááncer, trastornos y defectos reproductiv
r
vos, defecttos de naacimiento, trastornoss de comp
portamiento neurológiico y funcio
ones inmuno
ológicas defficientes. 12 Universsidad CNCI dde México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
Muchos miles de casos de enven
nenamiento
o accidentaal son resultado dell uso inaprropiado de formulacio
ones de plaguicidas altamente a
t
tóxicas, o ssu aplicació
ón en lugarres que carecen de eq
quipo protector o dond
de el equip
po no se usaa. Los productos quím
micos agotan
n la capa dee ozono, caausan cambios en el cliima, y afecttan la diverrsidad bioló
ógica del mu
undo. Se accumulan en
n reservas aalmacenadas y sitios dee eliminació
ón de desechos mal manejados.. Muchos de d ellos pe
ersisten en
n el medio ambiente y se bioaccumulan, co
onduciendo
o a niveles een constantte aumento
o en seres h
humanos y en la fauna silvestre. ozos derivad
dos de la gran activid
dad industrial que se
e está Son cuantiosos los destro
llevando a cabo en el mundo m
desaarrollado ho
oy en día, y la preseencia de ciiertos elem
mentos o prroductos en
n grandes cantidades c
trastorna el e equilibrio
o normal de d los ecosistemas y reepercute neegativamen
nte en el me
edio ambien
nte. La co
ontaminació
ón industrial tiene un
na gran imp
portancia en e cuanto aa generació
ón de resid
duos sólidoss o líquidoss (como el mercurio o o el plomo) que se filttrarán al su
uelo y aguaas y también en cuanto a la liberración de gaases y hum
mos en el aire dentro d
de las indusstrias quím
micas, las más m contam
minantes so
on las indusstrias básiccas (que op
peran direcctamente so
obre los reccursos naturrales). Debeemos estar conscientees de que obtendremo
o
os muchos beneeficios de la química,, pero tam
mbién de que q
nunca podrremos elim
minar todoss los riesgo
os. Nuestraa meta es reducir al mínim
mo riesgos innecesario
os y tomar decisiones respo
onsables freente a los riiesgos neceesarios. Al mejorar m
tu comprensió
c
ón de los co
onceptos de química, tendrás mayor ccapacidad p
para entend
der las posibilidades y limitaciones de la ciencia. Prácctica 4 Instrrucciones: rresponde las siguientess preguntass de manera individual, con base en el cono
ocimiento ad
dquirido en
n esta semana: 1.‐ Esscribe 3 riesgos involu
untarios resspecto a la q
química y q
que enfrentas en tu vid
da día con d
día. 2.‐ Describe quee son los inssecticidas orgánicos. Qué beneficcios tiene laa aplicación de insecticcidas orgánicos? 3.‐ ¿Q
13 Universsidad CNCI dde México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
Sesión 3 Los ttemas a revvisar el día d
de hoy son:: 2
2. Propiedades de la m
materia 2.1. Reco
onoce las p
propiedadess de la matteria 2.1.1. Caracterrísticas y m
manifestacio
ones de la m
materia materia 2.1.2. Propiedades de la m
2.1.3. Estados de agregacción de la m
materia 2.1.4. Cambioss de estado
o de la mate
eria 2.1.5. Clasificaación química de la maateria 2. Prropiedades de la materia 2.1. R
Reconoce laas propiedaades de la m
materia Gran
n parte de lo
os problemaas ambientaales que ten
nemos en laa actualidad
d se deben a que en el pasado see desconoccían las pro
opiedades de d algunos materiales, al igual que q el o que originaban al inteeractuar con el medio ambiente. daño
En esta sesión vas v a conocer qué es la materiaa, por ello, es importante conoce
er sus prop
piedades paara clasificaarla, identifficarla y haacer un uso
o responsable de ella para beneeficio propio
o y la conservación del planeta. 2.1.1
1. Caracteríssticas y manifestacion
nes de la maateria Como habíamo
os visto antteriormentee, los filóso
ofos grieggos mencion
naban que todo organ
nismo y objjeto estab
ban constittuidos por cuatro eleementos: aire, a
aguaa, tierra y fu
uego. t
se ha Pero después de muchass ideas y teorías, llegado a la conclusión dee que el Un
niverso enttero or materia. está formado po
é es materiaa? ¿Qué
Es to
odo aquello que tiene m
masa y ocup
pa un lugar en el espaccio, es todo
o lo que exisste en el Un
niverso. De hecho la Qu
uímica estudia la mate
eria y los cam
mbios que éésta sufre. La m
masa es la exxistencia dee materia en
n forma de partículas, es una med
dida de can
ntidad de laa materia, pero solemo
os confundirr la masa co
on el peso. El pe
eso es la accción de la fu
uerza de graavedad sobrre la masa d
de un objeto en particu
ular. Cuan
ndo se inició
ó la exploración al espaacio, las dife
erencias en
ntre masa y peso se hiccieron más evidentes. Por ejemplo la masa de un astro
onauta en lla Luna es lla misma que su masaa en la Tierrra; la canttidad de materia que lo constitu
uye no cam
mbia. El pesso del astro
onauta en la luna es sólo s
una seexta parte de d su peso en la Tierrra, por lo que q la atraccción que laa Luna ejercce es seis veeces menor que la atraccción de la Tierra. “El peso cambiaa con la gravvedad pero
o la masa no
o”. 14 Universsidad CNCI dde México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
2.1.2
2. Propiedad
des de la m
materia Los o
objetos quee están en n
nuestro enttorno prese
entan caractterísticas qu
ue nos perm
miten distin
nguirlos uno
o de otro. A
A estas características sse les nomb
bra propiedades. Las p
propiedadess se clasifican en: 1.‐ P
Propiedades generaless extensivaas. 2.‐ P
Propiedades específicaas o intensivvas: a) Prop
piedades qu
uímicas. b) Prop
piedades físsicas. 1.‐ Propiedadess generales o extensivaas. d la cantid
dad de massa que Son comunes y depende de poseea, tenemoss: • M
Masa: es la existencia de mateeria en form
ma de tiene como
p
partículas y o unidad el ggramo (g).
• V
Volumen: ees la porción
n de espacio
o ocupada por un 3
c
cuerpo, la u
nidad es el m . • IInercia: es la tendenciia de un cu
uerpo a con
nservar su estado en reposo, se s relacionaa con la maasa, a m
mayor masa
a, mayor ineercia. • P
Peso: es la acción de fuerza de laa gravedad sobre u
un objeto, s
u unidad ess el newton (N). más lo anterior, analiza la siguiente
e pregunta: Para clarificar m
qué se debee que, cuando viajamo
os en auto yy el conducctor acelera
a, nos mova
amos ¿A q
(con respecto all auto) haciia atrás? piedades dee la materia es la inerrcia, por lo que los cu
uerpos tiend
den a Una de las prop
perm
manecer en el estado en que see encuentraan, si se en
ncuentran en movimiento, tiend
den a seguirr en movimiento. Por tal motivo, al frenarr bruscameente un ve
ehículo las personas yy cosas qu
ue se encu
uentran en ssu interior tienden a d
desplazarse hacia adelante. De ah
hí la importtancia de ussar el cinturrón de segu
uridad. Si see encuentraan en repo
oso, tienden
n a seguir en reposo. Por eso, cuando el auto arran
nca o cuand
do está en rreposo y es chocado de
esde atrás, los ocupantes se desp
plazan haciaa atrás (con
n respecto al auto), es e decir, tie
enden a peermanecer en reposo (con respeecto al piso). 15 Universsidad CNCI dde México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
2.‐ Propiedadess específicas o intensivvas: Se diistingue unaa de otra y n
no dependeen de la can
ntidad de masa que posea el cuerp
po. Éstass a su vez see clasifican en propiedades físicass y propiedaades químiccas. a Propied
a)
dades físicaas: pueden
n observarrse sin que existan cambios en e la estructura interna de la susttancia. El color, olor, brillo, durreza, puntto de fusión, punto de d
ebullicción, ducttibilidad, densidad, maleabillidad, conductividad y sollubilidad. • Dure
eza: la prop
piedad de seer duro o blando. • Puntto de fusió
ón: es la teemperatura a la cual la materia pasa de esstado sólido a estado líquido. • Puntto de ebulliición: la maateria cambia de estado
o líquido a ggaseoso. • Ducttibilidad: qu
ue es posible estirarse. • Densidad: canttidad de masa m
por un
nidad de volumen, v
su
us unidadess son 3
g/ml, g/L, g/cm . eabilidad: lla capacidad de alguno
os metales de martillaar y laminarr para • Male
darlee forma. • Cond
ductividad:: es una meedida con la l que una muestra trransmite caalor o electtricidad. • Solu
ubilidad: ess la cantidaad de susttancia que puede dissolverse en
n una cantiidad previam
mente espeecificada de
e solvente.
Mencionaremoss las propiedades físicaas del iphon
ne, vamos a ejemplificaar algunas: olor platead
do, por lo taanto lustre o
o brillo. • Tiene co
• Presenta dureza po
orque es un
n metal. • Algunoss materialess de los quee está comp
puesto el ap
parato pued
den presenttar un punto dee fusión si sson expuesttos al sol. • No es dú
úctil. de perder laa forma. • Es maleable, ya quee si presenttara alguna caída, pued
• No pressenta solubilidad. Como puedes o
observar tod
da la materia tiene pro
opiedades fíísicas un ejeemplo de e
ello es el iph
hone. Otro
o ejempllo para describir las propiedades físicas, f
es una man
nzana. Pod
demos señalar que éstta presenta brillo deb
bido a las ceras que contiene en e su cubierta exteriior; el color como la masa pue
eden varriar; no presenta conductividad, ni punto de ebullición
n y no es soluble s
a menos m
que sse haga un
n jugo con el extracto
o de manzan
na. 16 Universsidad CNCI dde México Taller de Química I Semana 1 y 2
b) Propiedades químicas: son las propiedades que relacionan los cambios de composición de una sustancia, por ejemplo oxibilidad, combustibilidad, inflamabilidad y la reactividad de un elemento. • Oxibilidad: es la propiedad de algunos elementos capaces de formar óxidos, cuando están en contacto con el oxígeno, ejemplo: fierro cuando se oxida, al igual las frutas y verduras al ponerse obscuras o negras. • Combustibilidad: cuando las sustancias son capaces de arder. • Inflamabilidad: esta propiedad química nos informa si la sustancia es capaz de encenderse con facilidad y desprender llamas. • Reactividad: es la capacidad de reacción química que presenta ante otros reactivos. Vamos a identificar algunas propiedades físicas y químicas del azúcar de mesa. • Es un sólido; presenta color blanco. • Tiene sabor dulce. • No conduce la electricidad porque no es un metal. • Presenta un punto de fusión de 185°C cuando se calienta y se carameliza. • Tiene propiedades químicas como arder en oxígeno para producir, bióxido de carbono. Las sustancias en el mundo, tal y como las conocemos, se caracterizan por sus propiedades físicas o químicas, es decir, cómo reaccionan a los cambios sobre ellas. ¿Es importante entender las propiedades físicas y químicas? Importa mucho, ya que puedes confundir una sustancia por otra, puede llevarte a pérdidas económicas, incluso si confundes un medicamento por otro te puede llevar el riesgo de perder salud o ir a dar al hospital. ¡Cuidado! A continuación se presentan más ejemplos, para identificar las propiedades intensivas. Propiedades intensivas características de algunas sustancias
Propiedades físicas
Sustancia
Estado físico
Color
Olor
Punto de fusión
Prop. químicas
La electricidad
la descompone
en sodio y
cloro.
Sólido
Blanco
Inodoro
801º C
Líquido
Incoloro
Irritante
-117º C
Inflamable
Líquido
Incoloro
Inodoro
0º C
La electricidad
la descompone
en hidrógeno y
oxígeno.
Toda la materia está conformada por características o propiedades extensivas e intensivas.
17 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Práctica 5 Instrucciones: contesta las preguntas que a continuación se incluyen, observa el ejemplo (pregunta 1). 1.‐ ¿Cuál es la masa del iphone en la Tierra, en la Luna y en Marte? R= Es 136 gramos en los 3 diferentes ambientes, la masa no cambia, lo que cambia es el peso que es la fuerza de la gravedad sobre la masa de un objeto. 2.‐ ¿De qué sustancias, metales, etc. está formado el iphone? 3.‐ ¿Por qué crees que el peso del iphone sería diferente en la Luna y en la Tierra? 4.‐ Si agregas ácido en la superficie del iphone: ¿Cómo reacciona? ¿Es inflamable? 2.1.3. Estados de agregación de la materia Una muestra de materia puede ser un sólido, líquido, gases y plasma. Estas maneras de manifestarse se conocen como estados de agregación o simplemente estados físicos, debido a que las características de cada uno de los estados tienen relación con la forma en la que están dispuestos los átomos o moléculas que componen la materia de estudio. Estado sólido Los sólidos tienen una forma y volumen definidos. Normalmente son rígidos, ya que sus moléculas están unidas unas con otras como una red cristalina donde las fuerzas de atracción son muy fuertes. A mayor unión, mayor rigidez del sólido. Estado líquido Los líquidos, como podemos observar a través de muchos ejemplos en nuestra vida diaria, aunque poseen un volumen propio, adoptan la forma del recipiente que los contiene. Los líquidos pueden fluir, derramarse o escurrir debido a que las moléculas no tienen una posición espacial tan fija como en los sólidos. Las moléculas de los líquidos tienen suficiente energía cinética, es decir, la energía en movimiento que ocasiona que se mueven más rápido, pueden romper la restricción de una estructura definida. Los líquidos también tienen otras características especiales como la viscosidad y la tensión superficial. Cuando un líquido fluye, éste presenta una resistencia interna al movimiento; a este fenómeno se le conoce como viscosidad del líquido, por ejemplo: la miel y el agua, en estos dos líquidos, podemos afirmar que la miel tiene mayor viscosidad. 18 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Las moléculas del agua están en
constante movimiento en fase líquida.
Estado gaseoso Los gases no tienen forma ni volumen definido, sino que adoptan la forma y el volumen del recipiente que ocupan. Sus partículas, ya sean átomos o moléculas viajan a gran velocidad chocando con frecuencia con otras partículas y con las paredes del recipiente, porque su energía cinética es muy alta. Los gases pueden comprimirse en un grado relativamente importante, bajo ciertas condiciones de temperatura y presión pueden pasar al estado líquido. Las moléculas del gas Helio, el
gas para inflar globos, chocan
constantemente, debido a que
tienen mucha energía.
Plasma El plasma es el cuarto estado de la materia, de acuerdo a investigaciones científicas, es el más abundante en el Universo, ya que ocupa el 99% del mismo. Las estrellas, auroras boreales, nuestro Sol y el polvo interestelar están formados por plasma. Y como lo analizaste en el Explora, el Universo tiene el estado de plasma. El plasma es un gas ionizado que conduce corriente eléctrica, pero es eléctricamente neutro. Se forma a temperaturas muy elevadas, cuando la materia absorbe energía y se separa formando iones positivos y negativos. Como el plasma no puede estar contenido en ningún recipiente sólido, los científicos experimentan con campos magnéticos muy poderosos para poder confinarlo. Los tubos fluorescentes
y los relámpagos, son
manifestaciones del plasma.
19 Universidad CNCI de México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
2.1.4
4. Cambios de estado d
de la materria n cambios fíísicos ya qu
ue no se mo
odifica la esstructura intterna Los ccambios de estado son
de laa sustancia. Los ccambios de estado son: • Fusión: es el cambiio de estado
o sólido a lííquido. • Evaporaación: cuando el estado
o líquido se
e convierte a estado gaaseoso. • Conden
nsación: el ccambio de ggas a estado
o líquido, p
por ejemplo
o si enfriamos un gas perd
derá velocid
dad, tendráá que juntaarse y tomaar el estado
o de agreggación líquido, ccomo las nu
ubes. • Solidificcación: cam
mbio de estaado líquido a sólido. • Sublimaación: es el cambio sólido a gaseo
oso, sin pasaar por el esttado líquido
o. • Deposicción: cambio
o de estado
o gaseoso al sólido sin pasar por eestado líquido. Veam
mos alguno
os cambios d
de estado señalando como ejemp
plo el ciclo d
del agua: Subliimación Hielo
o (agua en eestado sólid
do) + tempeeratura = vapor (agua een estado gaaseoso). Fusió
ón Cubo
o de hielo (ssólido) + tem
mperatura == agua (líqu
uida). El calor acelera el movimieento de las partículas del hielo, sse derrite yy se convierrte en aguaa líquida. Evap
poración No hay que confundir a la eevaporación
n con la sub
blimación. C
Cuando te laavas las maanos y las pones bajo laa máquina que tira aire caliente, é
éstas se seccan y el agu
ua se evapora. Lo mism
mo pasa cuaando por acción a
de laa temperatu
ura en la Tierra T
el agu
ua de los mares m
camb
bia de líquido a gas y vva hacia la aatmósfera.
20 Universsidad CNCI dde México Taller de Química I Semana 1 y 2
Ebullición El agua tiene su punto de ebullición a los 100º C, el alcohol a los 78º C. El término hervir es una forma común de referirse a la ebullición. Condensación El vapor de agua al chocar con una superficie fría, se transforma en líquido. En invierno los vidrios de los automóviles se empañan y luego le corren "gotitas"; es el vapor de agua que se ha condensado. 2.1.5. Clasificación química de la materia Una sustancia pura es una sustancia química particular compuesta de la misma clase de materia, con partículas del mismo tipo en toda su extensión y puede ser un elemento o un compuesto. a) Los elementos son las sustancias más fundamentales de las cuales se construyen todas las cosas materiales. La partícula más pequeña que conserva las propiedades del elemento es un átomo. b) Los compuestos son sustancias puras constituidas por elementos de dos o más tipos, combinados unos con otros. Cada compuesto tiene una fórmula química ejemplo la fórmula del amoníaco NH3. El amoníaco está formado por dos elementos como Nitrógeno e Hidrógeno. La sal es otro compuesto y su fórmula es NaCl, está formada por dos elementos que son el Sodio y Cloro. a) Ejemplos de
elementos:
Oxígeno
Oro
Plata
Aluminio
Hierro
21 Universidad CNCI de México b) Ejemplos de
compuestos:
Agua
Sal común
Azúcar
Amoníaco
Alcohol etílico
Taller de Química I Semana 1 y 2
Las mezclas son el resultado de la combinación física de dos o más sustancias puras. Como por ejemplo podemos mencionar las aleaciones metálicas como el acero, el aire que es una mezcla de varios gases y el agua de mar que es una mezcla de agua y sales minerales. Las mezclas se clasifican en dos tipos: • Mezclas homogéneas: esta mezcla es uniforme en toda su extensión, por ejemplo, alcohol en agua, el latón, acero, un enjuague bucal y gasolina. Las aleaciones también son mezclas sólidas homogéneas de dos o más metales, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. • Mezclas heterogéneas: se les conoce como soluciones y presenta los tres estados físicos. No tiene propiedades uniformes; la composición de una zona difiere de la composición de otra zona, por ejemplo aceite en agua, un aderezo, un tiradero de residuos o una pizza. Algunos ejemplos de mezclas homogéneas como las aleaciones y algunos usos se presentan a continuación. Como la mayor parte de la materia está mezclada, los científicos para analizarla separan las mezclas en sus sustancias componentes. • Filtración. Técnica que usa una barrera porosa para separar un sólido de un líquido. • Destilación. Se basa en las diferencias de los puntos de ebullición de las sustancias involucradas. Se calienta hasta que la sustancia más volátil se convierte en vapor y luego se puede condensar y recoger. • Cristalización. Da como resultado la formación de partículas sólidas puras de la sustancia a partir de una solución que contenía dicha sustancia. 22 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
•
•
•
•
•
Cromatografía. Separa los componentes de una mezcla aprovechando la tendencia de cada componente a desplazarse por la superficie de otro material. Decantación. En este método se deja reposar durante cierto tiempo una mezcla de componentes sólidos y líquidos, para que la acción de la gravedad los separe. Centrifugación. En ocasiones la sedimentación del sólido es muy lenta y se puede acelerar mediante la fuerza centrifuga. Se coloca la mezcla en recipientes que se hacen girar a gran velocidad y los componentes menos densos (menos pesados) se depositan en el fondo. Muy usado en genética, industria acerera y alimenticia. Evaporación. Separa un sólido de un líquido, cuando se quiere recuperar el sólido. Se calienta la mezcla, se evapora el componente líquido, y queda el sólido en el recipiente. Sublimación. Se usa para separar al yodo de otros materiales sólidos, el yodo se sublima al calentarlo, pasa de sólido a gaseoso sin pasar por el líquido, luego el gas se condensa en una superficie fría. Práctica 6 Instrucciones: realiza lo que a continuación se te indica. 1. Clasifica el estado de agregación de la siguiente lista de objetos y menciona alguna propiedad que lo caracterice. Recuerda que algunas propiedades de la materia son: color, olor, sabor, textura, etc. Revisa el ejemplo. Objeto
Estado de agregación
Ejemplo: Té
Líquido
Propiedad
Sabor dulce a amargo, varían
colores.
Aire
Pluma
Calculadora
Tanque de oxígeno
Estrella
Objeto
Estado de agregación
Propiedad
Lámpara
Gas metano
Gelatina
Goma
Tubo fluorescente
Refresco
23 Universidad CNCI de México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
Sesión 4 Los ttemas a revvisar el día d
de hoy son:: 2.2. Desccribe las característicaas de los differentes tip
pos de energgía 2.2.1. Manifesstaciones dee la energía
2.2.2. Beneficios y riesgoss en el consumo de la energía mbios de laa materia 2.3. Desccribe las característicaas de los cam
2.3.1. Cambio físico 2.3.2. Cambio químico 2.3.3. Cambio nuclear 2.2. D
Describe las caracteríssticas de loss diferentess tipos de e
energía La energía es la capacidad de los cu
uerpos o siistemas de cuerpos p
para efectuaar un e
cu
uando unaa persona sube unas escaleras o gasta una trabaajo. Por ejemplo: determinada cantidad de eenergía debido a que re
ealiza un traabajo. La mezcla m
de hidrocarburo
os que form
man la gaso
olina posee en sus enllaces una buena b
cantiidad de eneergía químicca, que se aaprovecha p
para realizar un trabajo
o al hacer q
que el auto se mueva. nergía potencial que tiiene el aguaa almacenaada en una presa desarrolla un trabajo La en
cuan
ndo se deja caer sobre las turbinass para generar electriciidad. Básiccamente existen dos tipos de energía: la ciné
ética y pote
encial. La en
nergía cinéttica es la en
nergía en movimiento yy se puede ccalcular con
n la fórmulaa: 2 Ec=1
1/2mv Ec= eenergía cinéética en joulles m= m
masa del ob
bjeto en Kg v= veelocidad del objeto m//s El tip
po de energgía potenciaal es la quee posee un o
objeto debido a su posición dentro de un caampo de fu
uerzas. Por ejemplo la energía hu
umana, la del agua, deel vapor, la solar, etc. Se uttiliza la siguiente fórmu
ula: Ep= m
mgh Ep= eenergía poteencial, en jo
oules m= m
masa del ob
bjeto en Kg g= acceleración d
de la graved
dad 9.8 m/s2 h= alltura, en m 24 Universsidad CNCI dde México Taller de Química I Semana 1 y 2
Para entender cómo se relacionan las diferentes manifestaciones o tipos de energía, la Ley de la conservación de energía propuesta por Antonio Lavoisier a finales del siglo XVII es un concepto clave, esta ley enuncia: “La energía no puede crearse o destruirse, pero si cambia de una forma a otra”. La energía potencial o energía almacenada en un cuerpo que se encuentra a una altura determinada puede convertirse en energía cinética. ¡Imagínate en cuántas formas de energía se transformará la energía que proviene del Sol! 2.2.1. Manifestaciones de la energía La energía puede manifestarse de varias maneras, a continuación se mencionan cada una de ellas: • Energía mecánica. Es la que poseen los cuerpos por el hecho de moverse a una determinada velocidad (cinética) o de encontrarse desplazados de su posición (potencial). • Energía térmica o calorífica. Esta energía se debe al movimiento de los átomos o moléculas que componen un cuerpo. La temperatura es la medida de esta energía. Por ejemplo: cuando hervimos agua, al aumentar la temperatura, el agua comienza a moverse porque incrementa su energía térmica y sus moléculas se desplazan a gran velocidad. • Energía eléctrica. Es la que produce por ejemplo una pila o una batería de un coche. • Energía electromagnética. Es la que transportan las llamadas ondas electromagnéticas, como la luz, las ondas de radio, las microondas, televisión, etc. • Energía interna. Bajo esta denominación se engloban todas las formas de energía existentes en el interior de un cuerpo. • Energía química. Es la energía que se desprende o absorbe de las reacciones químicas, por ejemplo, en una reacción de combustión, fotosíntesis, la energía química de los alimentos, la cual se transforma en nuestro organismo en otro tipo como calorífico. • Energía nuclear. Es la que se genera en los procesos de fisión nuclear (ruptura del núcleo atómico) o de fusión nuclear (unión de dos o más núcleos atómicos). Energía original
Eléctrica
Aparato
Energía transformada
Química
Licuadora
Horno de gas
Térmica o calorífica
Mecánica
Eléctrica
Radio
Electromagnética
La energía y sus diversas formas de manifestarse es básica para el bienestar humano. Ejemplo: luz, refrigeración, aire acondicionado, agua caliente, etc. El acceso a diferentes fuentes de energía es fundamental para combatir la pobreza. Hay cada vez mayor relación entre energía, economía y medioambiente. 25 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
2.2.2. Beneficios y riesgos en el consumo de energías La sociedad actual se ha llegado a acostumbrar a hacer uso de las diferentes formas de energía, con el objetivo de hacer nuestra vida más confortable y obtener mayor control sobre el entorno físico. Nuestra vida sería inimaginablemente complicada sin el uso de las distintas formas de energía. Los vehículos automotores como vimos anteriormente funcionan con energía química, producto de la combustión de los hidrocarburos. La energía eléctrica usada en casas, escuelas y centros de trabajo se obtiene de centrales termoeléctricas (en México el 79.16% proviene de centrales termoeléctricas). ¿Alguna vez pensaste que al encender un foco en tu casa contaminas el medio ambiente?, no que lo hagas directamente, sino que para hacer llegar esa energía a tu casa tuvo que darse un proceso para generarla y es donde se liberan los contaminantes al ambiente. Una casa produce dos veces más gases contaminantes que un auto. Una casa produce aproximadamente 10 mil Kg de CO2 y un auto 5, 200 kg. De aquí la importancia de ahorrar energía; mientras más ahorras menos contaminarás. El uso de combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas) son y seguirán siendo la principal fuente de energía, debido a menor costo y mayor eficiencia en la transformación. Sin embargo, el impacto ambiental por la emisión de gases y el efecto invernadero como consecuencias de su combustión pueden limitar su uso en el futuro. Ésta es la actividad humana que más contamina el ambiente. La energía nuclear puede usarse cuando se emplean isótopos radiactivos para el diagnóstico y tratamiento de diferentes enfermedades como el cáncer; también se utiliza para generar energía eléctrica, sin embargo, el estigma de su uso bélico en Hiroshima y Nagasaki en Japón en 1945, el cual produjo la muerte de miles de personas, así como también el tratamiento de desechos nucleares provocan mucha controversia respecto a su aplicación. A pesar de los múltiples aspectos benéficos debemos pensar que la sociedad ha traído y seguirá trayendo graves riesgos para el ecosistema. Energías limpias La conciencia ecológica ha dejado de ser una moda, para convertirse en una necesidad apremiante. Si no modificamos las formas de obtener energía, estaremos condenando irremediablemente nuestro presente y futuro, toda la humanidad y por lo tanto el planeta. Las energías limpias representan una alternativa prometedora para mejorar las fuentes energéticas minimizando los riesgos actuales, éstas provienen de fuentes de energía renovables. 26 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Este tipo de energías limpias consta de seis bases como son: a) Eólica b) Biomasa c) Solar d) Hidroeléctrica e) Geotérmica Mareomotriz (energías del mar). a) Energía Eólica: es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire y que es transformada en otras formas útiles para las actividades humanas. La energía eólica es utilizada principalmente para producir energía eléctrica mediante aerogeneradores. Ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. En México hay una central eólica ubicada en La Venta, Oaxaca y es la zona con mayor potencial eólico en el mundo. b) Biomasa: consiste fundamentalmente en el aprovechamiento energético de los residuos naturales (forestales, agrícolas, etc.) o los derivados de la actividad humana (residuos industriales o urbanos). La biomasa podría proporcionar energías sustitutivas a los combustibles fósiles, gracias a biocombustibles líquidos (como el biodiésel o el bioetanol), gaseosos (gas metano) o sólidos (leña), pero todo depende de que no se emplee más biomasa. c) Energía solar: el Sol emite a cada instante grandes cantidades de radicación luminosa y calorífica. Desde hace tiempo se han estado construyendo colectores para aprovechar esta radiación. La energía solar puede aprovecharse para producir energía mecánica y eléctrica. d) Energía hidroeléctrica: aprovecha los saltos de agua de las presas o de los pantanos para generar energía eléctrica y es una de las más limpias. e) Energía geotérmica: corresponde a la energía calorífica contenida en el interior de la Tierra, van de los 3,000 a 4,000 º C, que se transmite por conducción térmica hacia la superficie por medio de Géiseres, volcanes y fuentes termales y fumarolas, la cual es un recurso parcialmente renovable y de alta disponibilidad. Sirve para generar electricidad y produce el denominado Magma. México es uno de los países más avanzados en cuanto a la producción de energía geotermoeléctrica. 27 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
f) Energía mareomotriz: hace uso del movimiento de las masas de agua que se producen en las subidas y bajadas de las mareas. Se estima que en el siglo XXI la mayor parte de la energía que consuma la humanidad será extraída de los océanos. Actualmente apenas está explotada; las investigaciones se centran sobre todo en las mareas y el oleaje, tanto una como otra ofrece expectativas, no en vano son fuentes permanentes con gran potencial y además 100% renovables. La energía mareomotriz se transforma en energía eléctrica, una forma energética más útil y aprovechable. Práctica 7 1.‐ Complementa la tabla que a continuación se presenta, con los tipos de energía que usa o manifiesta cada aparato. Objeto
Energía que se usa o se manifiesta
Molino de viento
Asador
Termómetro
Aparato de rayos X
Pizza
Movimiento de una
bicicleta
Boiler solar
2. Reflexiona y justifica tus respuestas con argumentos sustentados sobre la siguiente situación: Armando es estudiante de preparatoria, él puede ver televisión, escuchar música y estar en la computadora al mismo tiempo. Tiene la costumbre de dejar todo el día y la noche prendida la computadora para tener abierto el MSN y Facebook. •
¿Cómo afecta el mal uso de la electricidad en tu persona y a la sociedad? •
¿Crees que la conducta de Armando es correcta? •
¿Qué harías tú en el caso de Armando? 28 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
2.3. Describe las características de los cambios de la materia Desde que un organismo vivo nace hasta que muere, está sujeto a cambios continuos. La muerte no representa el fin, sino el comienzo de un nuevo ciclo, donde los componentes que integraban a un organismo, serán utilizados por otros organismos, de esta manera sigue fluyendo el ecosistema. Los cambios de un objeto u organismo se clasifican en 3 tipos: • Cambio físico. • Cambio químico. • Cambio nuclear. 2.3.1. Cambio físico En un cambio físico la composición de la sustancia no se modifica, pero su forma o su estado de agregación sí se alteran, por ejemplo un cubo de hielo, puede cambiar su estado líquido y a su vez a estado gaseoso sin que la estructura interna del agua se altere. Algunos ejemplos de cambios físicos son: • Doblar un alambre. • Fragmentar un objeto. • Moler granos. • Disolver agua con azúcar. • Rizar las pestañas. Un cambio físico indispensable para el funcionamiento de la vida es el ciclo de agua, donde esta molécula, va cambiando de estado sin modificar la composición química de la sustancia. 2.3.2. Cambio químico Un cambio químico es cuando la estructura interna de la materia es alterada. Todas las reacciones químicas son cambios químicos, y en una reacción química las sustancias originales se parecen poco o casi nada a las sustancias finales, que son los productos. Algunos ejemplos son: • Combustión. • Oxidación de los metales. • Agriado de la leche. • Cocinar alimentos. • Digestión, etc. 29 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
En la siguiente tabla se muestran algunos ejemplos de cambios físicos y químicos. Proceso que tiene lugar
Tipo de cambio
Explicación
Oxidación
Químico
Cocción de un huevo
Químico
La clara y yema se convierten en
sólidos y cambia la estructura interna.
Moler maíz
Físico
Sólo se corta en piezas más
pequeñas, no cambia la
estructura interna.
Ebullición del agua
Físico
El líquido se transforma en vapor.
El metal brillante se transforma
en oxido café rojizo.
2.3.3. Cambio nuclear Un cambio nuclear es aquel donde la constitución del núcleo de un átomo es modificada. Esta transformación implica una gran cantidad de energía liberada. La materia está formada por átomos y cada uno tiene un núcleo donde se encuentran los protones y neutrones y alrededor del núcleo están los electrones, sobre este tema profundizaremos en los siguientes bloques. Algunos beneficios positivos de estos cambios se encuentran en la medicina por ejemplo los rayos X, que permiten captar estructuras óseas y diagnosticar enfermedades. Las centrales nucleares son industrias las cuales son totalmente necesarias ya que son productoras de electricidad. Los reactores nucleares son dispositivos en donde se produce una reacción nuclear controlada. Se puede utilizar para la obtención de energía en las denominadas centrales nucleares, la producción de materiales fisionables, como el plutonio que es un elemento químico, para ser usados en armamento nuclear, la propulsión de buques o de satélites artificiales o la investigación. Los reactores nucleares generan residuos radiactivos. Algunos de ellos como el americio, el neptunio o el curio, elementos químicos de una alta toxicidad. Dicho interés en la creación de dichas sustancias impone un diseño específico del reactor en deterioro de la ecología del mismo. La percepción de peligro en la población proviene de que un accidente o un ataque terrorista les exponga a la radiación. Una central nuclear puede tener varios reactores. Actualmente sólo producen energía de forma comercial los reactores nucleares de fisión. La fisión nuclear consiste en la división del núcleo de un átomo pesado en otros elementos más ligeros, de forma que en esta reacción se libera gran cantidad de energía. A pesar de ser altamente productiva (energéticamente hablando), es también muy difícil de controlar. 30 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Las bombas están constituidas por los elementos uranio o plutonio, donde es afectado el núcleo de estos elementos; un gramo de estos puede producir tanta energía nuclear como la combustión de una tonelada de aceite. Los cambios nucleares tienen aplicaciones tanto para el bienestar como para la guerra y la destrucción. La energía nuclear debería ser reconocida como una herramienta para el progreso de la historia humana y no para su extinción. Práctica 8 Instrucciones: resuelve el siguiente ejercicio clasificando si es un cambio físico, químico o nuclear. Observa el primero, ya se encuentra contestado como ejemplo. Proceso:
1.- Disolver azúcar en agua.
Tipo de cambio:
Cambio Físico
2.- La combustión de la gasolina.
3.- El bombeo para extraer petróleo.
4.- Una carne asada.
5.- Hervir agua.
6.- La explosión de una carga de dinamita.
7.- La leche hierve.
8.- Fragmentar una vela.
9.- Un clavo se oxida.
10.- Radiaciones contra el cáncer.
11.- Zanahorias se rayan para una ensalada.
12.- Cortar una hoja de papel.
31 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Semana 2 Sesión 5 Los temas a revisar el día de hoy son: 3. El modelo atómico y sus aplicaciones 3.1. Describe las aportaciones al modelo atómico actual 3.1.1. El modelo atómico de Dalton 3.1.2. El modelo atómico de Thompson 3.1.3. El modelo atómico de Rutherford 3.1.4. Modelo atómico de James Chadwick 3.1.5. Número atómico, número de masa y masa atómica 3. El modelo atómico y sus aplicaciones 3.1. Describe las aportaciones al modelo atómico actual Los científicos diseñan modelos o representaciones de la realidad para poder comprender mejor los fenómenos de la naturaleza, en este caso el Átomo. Desde la antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia. Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito, consideró que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas. Por ello, llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir “indivisible”. Por lo que, Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles. Sin embargo, las ideas de Demócrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filósofos de su época y tuvo que transcurrir cerca de 2,200 años para que la idea de los átomos fuera tomada de nuevo en consideración. El modelo atómico actual no es producto de la casualidad, su historia está llena de acontecimientos, experimentos y teorías, que nos han llevado a explorar el espacio exterior, nos proporciona una vida más cómoda y placentera, al igual nos permite conocer lo más íntimo del cuerpo humano. Empecemos a conocer la asombrosa historia del átomo. 3.1.1. El modelo atómico de Dalton El desarrollo de la química tomó un nuevo giro, Antonio Lavoisier demostró que en una reacción química la cantidad de materia es la misma al comienzo y al final de la reacción, enuncio la Ley de la conservación de la materia, que menciona: “La materia no se crea ni se destruye sólo se transforma” por ello es el padre de la Química Moderna. 32 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Posteriormente Joseph Louis Proust (1754‐1826), propuso la Ley de las proporciones definidas, la cual establece que “los elementos se combinan para formar compuestos y siempre lo hacen en proporciones definidas”. Una tercera ley fue postulada por el químico y físico británico John Dalton, donde señala que los elementos se pueden combinar en más de uno y que cada conjunto corresponde a un compuesto diferente, a esta ley se le conoce como Ley de las proporciones múltiples. En 1808 Dalton, publicó su obra titulada “Un nuevo sistema de filosofía Química”, donde establece su Teoría atómica a partir de las propiedades físicas del aire atmosférico. Dalton incluyó en ese trabajo la masa atómica de varios elementos y compuestos conocidos. Aunque sus masas no eran muy precisas, fue una aportación importante en la clasificación de los elementos, además que proporcionaba una simbología para representar a los elementos y las moléculas. Dalton estableció los siguientes:
Postulados de la teoría atómica:
1. Los elementos se componen de partículas
extremadamente pequeñas, llamadas átomos que son
indivisibles.
2. Los átomos de un mismo elemento son todos iguales
entre sí en propiedades; los átomos de elementos
diferentes tienen propiedades distintas entre sí .
3. Los átomos de un elemento no se crean ni se
destruyen en una reacción química, sino que
simplemente se reordenan.
4. La formación de compuestos resulta de la
combinación de dos o más átomos y siempre lo hacen
en proporciones fijas de números enteros positivos.
El primer postulado de la teoría atómica de Dalton, indica que los átomos son la base estructural de la materia. Para el modelo de Dalton un átomo es una partícula sólida y pequeña que es indivisible y que posee una masa. Del segundo postulado podemos mencionar que un elemento es la sustancia más simple, químicamente hablando y se considera que está formada por átomos de un mismo tipo El tercer postulado cabe señalar que en una reacción química se produce un arreglo y distribución de los átomos. Dos átomos originalmente juntos se separan y se unen a otros. Muy similar a lo que ocurre en un baile cuando hay intercambio de parejas. Y el cuarto postulado de Dalton, es que cuando representamos a un compuesto con ayuda de una fórmula química, lo que ésta nos indica es la proporción en la que se encuentra combinados los átomos. Dicha proporción siempre tendrá que darse en números 33 Universidad CNCI de México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
enteros ya quee los átomos son ind
divisibles y no hay posib
bilidad de teener fraccio
ones de átomos. Esta teoría ayud
dó a explicaar el compo
ortamiento de la materria en diverrsas situaciones. Tamb
bién esta teoría t
pressenta algun
nas impreccisiones, po
orque como
o veremos más adelaante, el áto
omo sí se puede dividir y sí existten elementtos iguales pero con m
masas distin
ntas. Dalton
n no presen
ntó una prop
puesta claraa de la estru
uctura del áátomo. 2. El modelo
o atómico d
de Thompso
on 3.1.2
Para finales del siglo XIX la idea de quee la materiaa estaba form
mada por áto
omos, no eera tan extraaña. La com
munidad cienttífica inten
ntaba expliicar la naturaleza de unos extraaños rayos que emitíaa un dispossitivo surgid
do en la épocca. El disspositivo era conocid
do como tubo de Croo
okes o tubo de rayos caatódicos. Al reetirar el airee de su interior y aplicaar voltaje a las placas, se podía observar que
e una de ellas (cátodo
o) emitía rayyos luminosos con ciertas caracteerísticas, a los que se d
dio el nombre de rayo
os catódicos. Estos rayyos tenían la propiedad
d de compo
ortarse com
mo un haz de d luz, un haz de parrtículas y además a
ser desviados por campo
os magnéticos y elécttricos. Josep
ph John Tho
ompson reaalizó una seerie de experimentos ccon estos rrayos y llegó
ó a la concclusión de que q estabaan formado
os por parttículas carggadas negativamente y los llamó
ó corpúsculos que actu
ualmente so
on llamamo
os electronees. Para ese enton
nces, ya see consideraaba que la materia debería d
serr eléctricam
mente o que las partículas p
negativas n
que constitu
uían a los rayos neutra. Thompsson supuso
catód
dicos formaban partee del átom
mo y que para p
garan
ntizar que el átomo fuera elécttricamente neutro, las partículaas negativas debían nadar n
en un
n mar de carga posittiva. A esttas partícu
ulas negativvas se les dio posteeriormente el nombrre de electtrones. Thom
mpson había comp
probado laa existencia de electtrones y prropuso en ese e entoncees una explicación, que se conoce como el modelo m
del “pudin con
n pasas” del átomo, do
onde imagginó un áttomo con cargas negaativas (elecctrones) en
n este caso
o pasas, dispersas entree un númeero igual dee cargas po
ositivas (pro
otones), eso lo hacía ser neutro. La im
mportancia de este mo
odelo radicaa en que evvidencia la existencia d
de una partícula cargaada negativvamente, llaamada electrón, que fo
orma partee del átomo
o, convirtién
ndose así en la primerr partícula ssubatómicaa descubiertta; de este modo se comprobó q
que el átom
mo no es ind
divisible com
mo se creía.. 34 Universsidad CNCI dde México Taller de Química I Semana 1 y 2
El estudio de los rayos catódicos en el tubo de Crookes dio origen a otras observaciones, como la del físico alemán E. Goldstein (1850‐1831) quien observó que además de los rayos catódicos, también se producían un conjunto de rayos que se dirigían en dirección opuesta, a los que llamó rayos canales. Goldstein propuso que como la materia tiene que ser eléctricamente neutra, los rayos canales deberían estar compuestos por partículas de carga positiva que representan la contraparte del electrón y que ahora conocemos como protones. Esta propuesta no tuvo peso en la comunidad científica de su época y no fue tomada en cuenta. Práctica 9 Instrucciones: identifica la respuesta correcta y contesta las siguientes preguntas acerca de las primeras contribuciones sobre la estructura del átomo. 1.‐ Describe los postulados de la teoría atómica de Dalton y señala aquel o aquellos que son erróneos. 2.‐ Consideras acertado el tercer postulado de la teoría de Dalton, de acuerdo a la Ley de la conservación de la materia propuesta por Lavoisier. Justifica tu respuesta. 3.‐ ¿En qué se basó Thompson para desarrollar su modelo atómico, y cuál es su principal aportación? • Señala las imprecisiones que tiene la teoría atómica de Dalton: • ¿Cómo imaginaba el átomo Thompson? 35 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
3.1.3. El modelo atómico de Rutherford El conocimiento del núcleo del átomo comenzó con el descubrimiento de la radiactividad en 1985, con el hallazgo de los rayos X. Poco antes de iniciar el siglo XX Wilhelm Roentgen (1845‐1923) físico alemán, se encontraba trabajando con diversas sustancias, usando el tubo de rayos catódicos, cuando descubrió una nueva clase de rayos. Cubrió el tubo con cartón y obscureció el laboratorio para observar mejor la nueva clase de rayos; después observó que el cartón empezó a irradiar una luz muy intensa, accidentalmente interpuso su mano en el tubo sobre el cartón y pudo ver su mano reflejada en el cartón. Roentgen, no tenía idea de la naturaleza de los rayos que acababa de descubrir y los llamo rayos X, los cuales tienen la capacidad de traspasar el papel, la madera y la carne provocando la impresión de placas fotográficas. La radiactividad es un fenómeno físico natural, por el cual algunos cuerpos o elementos químicos llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, etc. Los avances con el estudio de la radiactividad continuaron con Ernest Rutherford (1871‐1937) quien estudio emisiones radiactivas y logró clasificarlas en alfa, beta y gamma. Rutherford y sus colaboradores Geiger y Mardsen, realizaron un experimento que consistió en bombardear con partículas alfa una finísima laminilla de oro con el fin de explorar en el interior del átomo. Para esto colocaron una laminilla de oro y una pantalla de sulfuro de zinc, con la finalidad de recoger los impactos de las partículas alfa. Las partículas alfa atravesaron la laminilla de oro, pero algunas se desviaron en la trayectoria. Esto hizo suponer a Rutherford que las partículas desviadas habían chocado con algo muy denso y que ocupa un espacio muy pequeño a comparación con todo el tamaño del átomo. Esta parte pequeña fue llamada Núcleo. 36 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
A partir de estos resultados Rutherford postuló lo siguiente: • Casi toda la masa del átomo está concentrada en el núcleo y éste es muy pequeño, lo que señala que el átomo es en gran parte espacio vacío. • Alrededor del núcleo se encuentran cargas eléctricas negativas con una masa muy pequeña, pero que ocupan casi todo el volumen del átomo. El modelo de Rutherford propone la existencia de dos cargas: los protones ubicados en el núcleo del átomo y que concentran toda la masa; y los electrones ubicados alrededor del núcleo ocupando el mayor volumen del átomo. 3.1.4. Modelo atómico de James Chadwick En 1932 el físico inglés James Chadwick sugirió que la radiación estaba formada de partículas. Para determinar su tamaño, bombardeó átomos de Boro con ellas y a partir del incremento en masa del nuevo núcleo, calculó que la partícula añadida al Boro tenía una masa más o menos igual al protón. Sin embargo, la partícula en sí no podía detectarse en una cámara de niebla de Wilson. Chadwick decidió que la explicación debía ser que la partícula no poseía carga eléctrica (una partícula sin carga no produce ionización y, por lo tanto, no condensa gotitas de agua). Por ello, Chadwick llegó a la conclusión de que había emergido una partícula del todo nueva, una partícula que tenía aproximadamente la misma masa del protón, pero sin carga, o en otras palabras, era eléctricamente neutra. La posibilidad de una partícula así ya había sido sugerida y se propuso un nombre: Neutrón. Chadwick aceptó esa denominación. Los neutrones se encuentran en el núcleo junto con los protones. Hasta ahora hemos estudiado las tres partículas elementales que forman el átomo y a partir de aquí podemos definir las propiedades que las caracterizan. 3.1.5. Número atómico, número de masa y masa atómica El número atómico es el número de protones que tiene un átomo en el núcleo y se simboliza con una letra Z. El átomo es eléctricamente neutro, el número de protones es igual al número de electrones. Para cada elemento su número atómico es único y determina la identidad del elemento. Por ejemplo: Un átomo tiene 8 protones, nos estaríamos refiriendo al Oxígeno, pero si tiene 7 protones estamos hablando del Nitrógeno. Z=Número atómico= Número de protones • Todos los átomos de Hidrógeno tienen 1 protón: el número atómico del Hidrógeno es 1. • Todos los átomos de Sodio tienen 11 protones; el número atómico es 11. • Todos los átomos de Aluminio tienen 13 protones; el número atómico es 13. 37 Universidad CNCI de México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
Núm
mero de massa o número másico Los p
protones y llos neutron
nes tienen p
prácticamen
nte la mismaa masa: 1.0
007276 umaa y 1.008
8665 uma, respectivam
mente. Esto
o equivale a decir, por eejemplo, qu
ue una perso
ona pesa 100.6 Kg y otra pesa 1
100.7 Kg, la diferencia es muy peq
queña, que resulta Consideraremos la masa del protón y la del neeutrón com
mo de 1 umaa. insignificante. C
Uma (unidad dee masa atóm
mica) es unaa medida qu
ue se creó ccon fines prácticos paraa medir la masa d
del átomo. e
c
constituyen
n una fracciión extremadamente pequeña dee la masa de d un Los electrones átom
mo. Serían n
necesarios 1
1,837 electrrones para tener una masa total equivalente
e a la masaa de un sólo
o protón. Laa masa del electrón ess prácticamente de cerro, de modo
o que la ma
asa del átom
mo es funda
amentalmente la de su
us protones y neutronees. Partíículas subattómicas La su
uma de prottones y neutrones de u
un átomo re
ecibe el nom
mbre de núm
mero de maasa. N
Número de m
masa= Núm
mero de protones + Núm
mero de neeutrones La reepresentació
ón de los áttomos pued
de tomar la siguiente fo
orma, por eejemplo: n
de protones y y electroness es el mism
mo número
o en un áto
omo y Puessto que el número está representaando por la Z, el único que llega aa variar es eel número d
de neutrones, el cual se puede obtener resttando el núm
mero atómiico menos eel número m
másico. Tomaando el ejemplo anterior tendríam
mos: 75
33
38 Universsidad CNCI dde México Taller de Química I Semana 1 y 2
Revisemos algunos más ejemplos a continuación: 238
92
U
uma
No. de masa
Protones
92
1
92
Neutrones
146
1
146
Electrones
92
0
238 uma
207
82 Pb
uma
No. de masa
Protones
82
1
82
Neutrones
125
1
146
Electrones
82
0
238 uma
Masa atómica La masa atómica de un elemento es la masa promedio de los átomos de un elemento, en relación con la masa del átomo de Carbono‐12 tomada como 12 uma exactamente. La masa exacta de un átomo no es un número entero, como sucede en el número de masa. Por ejemplo la masa exacta del As con 42 neutrones es de 74.9216 uma, ligeramente interior a su número de masa. En realidad los isótopos que los veremos en la próxima sesión, son los responsables de que la masa de los elementos químicos en la tabla periódica no sea un número entero, ya que la masa que se presenta en la tabla es una resultante de promediar las masas de los diferentes isótopos existentes de un mismo elemento. Práctica 10 Define los siguientes conceptos. a) Número atómico b) Número de masa c) Masa atómica Resuelve los siguientes ejercicios relacionando las partículas subatómicas, número de masa y número atómico. Revisa el siguiente ejemplo.
Átomo
31
15
P
60
27
Co
No. de
protones
No. de
electrones
No. de
neutrones
No. atómico
Número de
masa
15
15
16
15
31
197 Au
79
64
Cu
29
39 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Sesión 6 Los temas a revisar el día de hoy son: 3.1.6. Isótopos y sus aplicaciones 3.1.7. Modelo actual y los números cuánticos (n, l, m, s) 3.1.8. Subniveles de energía y orbitales 3.1.9. Reglas para elaborar configuraciones electrónicas y diagramas de orbitales. 3.1.6. Isótopos y sus aplicaciones Hay casos especiales en el que existen elementos con el mismo número atómico pero diferente número de masa, a estos elementos se les llama Isótopos La mayor parte de los elementos tienen varios isótopos. Un ejemplo de isótopo es el Hidrógeno, que es el elemento más abundante en el Universo con un 75% aproximadamente. El Hidrógeno posee tres isótopos naturales que se denotan como: • Protio (Hidrógeno ordinario), 1H • Deuterio, 2H • Tritio, 3H Después del descubrimiento de la radiactividad, se encontró que existían elementos con propiedades químicas idénticas, pero, propiedades radiactivas diferentes, por lo que fueron llamados radioisótopos. Las aplicaciones de los isótopos radiactivos son múltiples y abarcan distintos campos en la industria, medicina e investigación. • Industria En este ámbito se realizan sustancias radiactivas que son introducidas en un determinado proceso. Después se detecta la trayectoria de la sustancia gracias a su actividad radiactiva. También se han elaborado instrumentos radioisotópicos que permiten realizar mediciones sin contacto físico directo. 40 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Es posible obtener imágenes de la estructura interna de algunas piezas utilizando radiografías basadas en rayos gamma. Y así comprobar la calidad de piezas metálicas fundidas, piezas cerámicas, análisis de humedad en material de construcción, etc. • Medicina Es común la utilización de elementos radiactivos no encapsulados, normalmente en estado líquido, como trazadores para el estudio del corazón, hígado, glándula tiroides, etc. En estas actividades se generan materiales de desecho contaminados con los elementos radiactivos empleados como son las jeringuillas, agujas, viales contenedores de líquidos radiactivos, guantes, papel, tejidos y material médico diverso. Por medio de técnicas nucleares se puede combatir ciertos tipos de cáncer en la terapia médica, el radioisótopo Yodo‐131 es usado en exámenes médicos y en el tratamiento del cáncer de la glándula tiroides. • Investigación En el ámbito de la Biología, la introducción de compuestos radiactivos marcados, ha permitido observar actividades biológicas hasta en los más mínimos detalles, dando impulso a los trabajos de carácter genético. En los centros de investigación nuclear (laboratorios, universidades, reactores de enseñanza e investigación) se producen a su vez residuos radiactivos de naturaleza física y química muy variable, que requieren también una gestión segura y eficaz. Un radioisótopo importante es el carbono‐14 que se emplea en la datación de fósiles. 3.1.7. Modelo atómico actual y los números cuánticos (n, l, m,s) Fue desarrollado durante la década de 1920, sobre todo por Schrödinger y Heisenberg. Es un modelo de gran complejidad matemática, tanta que usándolo sólo se puede resolver con exactitud el átomo de Hidrógeno. Para resolver átomos distintos al de Hidrógeno se recurre a métodos aproximados. El modelo atómico actual llamado "modelo orbital" o "cuántico ‐ ondulatorio" se basa en: • La dualidad onda‐partícula de luz: Louis de Broglie (1924) postula que el electrón y toda partícula material en movimiento tienen un comportamiento ondulatorio. • El principio de incertidumbre de Heisenberg (1927) físico‐alemán, establece:"Es imposible determinar simultáneamente y con exactitud, la posición y la velocidad del electrón". El acto de observar al electrón produce una incertidumbre significativa en la posición y el movimiento del electrón. 41 Universidad CNCI de México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
La naaturaleza on
ndulatoria d
del electrón
n permite q
que éste seaa descrito p
por una ecuación de ondas. o
Sch
hrödinger (1926) forrmuló una ecuación (ecuación de ondas de Schrö
ödinger) que permitee obtener valores qu
ue correspo
onden a reegiones de
e alta prob
babilidad dee encontrar electronees en una región tridimensionaal alrededo
or del núcleeo llamada orbital atóm
mica, dondee es probab
ble ubicarloss. Comparando el movimientto de los orrbitales con
n las aspas de un ventilador preendido, no podremos ver la forma de las aspas por la velocidaad ni donde
e se uentran, al igual lo eleectrones en
n la órbitas no encu
podeemos asegu
urar exactam
mente la p
posición donde están
n, solamen
nte observaarías las nubes n
que se form
man alrededor del núcleeo. Aunq
que con el m
modelo de la mecánicca cuántica del átom
mo queda cllaro que no se puede ssaber dónde
e se encu
uentra un electrón, si d
define la región en la q
que pued
de encontraarse en un m
momento daado. De laa época de Dalton a laa de Schröd
dinger nuesstro modelo del átomo ha sufrrido mucchas modificaciones y la investiggación siguee en marchaa. Núm
meros cuánticos Los n
números cu
uánticos nos indican laa posición y la energía del electrón. Cada electrón dentro de un átomo puedee ser identifficado por cuatro númeeros cuánticcos que son
n: Nú
úmero cuá
ántico prin
ncipal “n”
Nú
úmeros cu
uánticos
Nú
úmero cuá
ántico secundario o azimutal “l”
“
Nú
úmero cuá
ántico mag
gnético “m
m”
Nú
úmero cuá
ántico de giro
g “s”
mero cuántiico princip
pal n: indicca los nive
eles Núm
energéticos principales. Se encuentrra relacionaado con el tamaño de las órbitas. En la medida m
que
e su valorr aumenta, el nivel ocupa un volu
umen mayo
or y pued
de conteneer más electrones, y su conten
nido energético es superior. Puede tomar valo
ores enteros de n = 1
1, 2, 3… 42 Universsidad CNCI dde México Taller de Química I Semana 1 y 2
Número cuántico secundario o azimutal l: determina el achatamiento de la órbita, entre más achatada sea, más aplanado será el elipse que recorre el electrón. Puede tomar valores de l = 0, 1, 2, 3,…(n‐1) Número cuántico magnético m: indica la orientación espacial de las órbitas de los elipses. Su valor depende del número de elipses existentes y varía desde ‐1 hasta l, pasando por el valor de 0, m =2l+1. Las órbitas pueden tener 5 orientaciones en el espacio. Número cuántico de giro s: cada electrón en un orbital, gira sobre sí mismo. El giro puede ser en el mismo sentido que el de su movimiento o en sentido contrario como las manecillas del reloj, el número cuántico es spin s, que puede tener dos valores ½ y ‐1/2. Práctica 11 Instrucciones: identifica las respuestas correctas a las siguientes preguntas. 1.‐ Describe con tus palabras el principio de incertidumbre de Heisenberg: 2.‐ Completa la tabla con la información de los números cuánticos: Número cuántico
Nombre del número
cuántico
Qué describe
n
Número cuántico
principal
El tamaño de las
órbitas.
Representa su forma
l
m
s
43 Universidad CNCI de México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
3.1.8
8. Subnivele
es de energgía y orbitales Gracias a la mecánica m
cu
uántica y la ecuación del científico Schrödinger no
os ha mitido comp
prender máss la estructu
ura electrón
nica de los áátomos. perm
De acuerdo a laa mecánica cuántica, ccada nivel d
de energía d
del átomo ttiene uno o
o más subn
niveles. El prrimer nivel de energía tiene un só
ólo subnive
el; el segun
ndo tiene do
os subniveles; el terceer nivel tien
ne tres sub
bniveles y así a sucesivaamente, en otras palaabras el nivvel de energía “n” tien
ne “n” subn
niveles. Cada subnivel ttiene uno o
o más orbitales, que es una regió
ón en el esspacio del átomo á
en forma f
tridim
mensional específica. Los orbitales se desiggnan mediante letras m
minúsculas y son: “s”, “p”, “d” y ““f”. • Orbital “s”.
O
. La forma d
de este orb
bital es esférica y
y su tamaño
o aumenta su número
o cuántico n
n. El o
orbital s tien
ne un máxim
mo de 2e‐. Estos orbitaales se designan como 1s, 2
2s, 3s. El orb
bital 3s es m
más g
grande que el orbital 1ss. • Orbital O
“p”. Tienen la l forma de d dos lóbu
ulos u
ubicados en
n lados opu
uestos al nú
úcleo y con un n
nodo. Hay 3 3 tipos de orbitales o
“p
p” que difie
eren e la orien
en ntación. Los 3 orbitales p pued
den a
alojar 6e‐ co
omo máximo. •
Orbital “d”.
O
”. Presentan
n la forma d
de lóbulos p
pero con u distribu
una ución más compleja. Existen 5 tipos t
de o
orbitales d. Un conjunto de cinco
o orbitales, tiene 5 p
pares de ele
ectrones en un total mááximo de 10
0 e‐. •
Orbital “f””. Es la fo
O
orma más compleja c
que q los o
orbitales d Tiene un aspecto multilobu
d. ular y p
presenta un
n conjunto de siete orbitales, o
caapaz de c
contener sie
ete pares dee electronees en total h
hasta un m
máximo de 1
14 e‐. Tablaa que resu
ume la info
ormación fu
undamental acerca dee los nivelees de enerrgía, subn
niveles, orbitales atómiicos y la disstribución d
de los electrrones. 44 Universsidad CNCI dde México Taller de Química I Semana 1 y 2
3.1.9. Reglas para elaborar configuraciones electrónicas y diagramas de orbitales La forma en que están distribuidos los electrones en un átomo entre los diferentes orbitales se denomina, configuración electrónica. Con la configuración electrónica se pretende predecir la distribución de los electrones en un átomo simple o con muchos electrones y para esto tenemos que considerar tres reglas o principios: • Principio de exclusión de Pauli. Menciona que cada orbital puede tener como máximo dos electrones, pero si los electrones tienen espines opuestos. • Principio de Aufbau. El cual indica que si un átomo es polielectrónico, los distintos electrones van ocupando los orbitales en orden creciente de energía, es decir, primero ocupan los de menor energía y así sucesivamente. Dicho orden es el siguiente. Regla de Hund. Establece los electrones cuyo giro es igual. Deben ocupar todos los orbitales que tienen igual energía, antes de que electrones que tengan giros opuestos puedan ocupar los mismos orbitales. Se representan con un par de flechas en sentidos opuestos, en un diagrama de orbitales, que a continuación se presenta. 45 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Para construir una configuración electrónica hay que seguir los siguientes sencillos pasos: 1.‐ Conocer el número de electrones que hay que acomodar. Para cada elemento tenemos asociado un número atómico que representa al número de protones. Como el átomo es neutro, el número de protones deberá ser igual al número de electrones. De esta forma, si sabemos el número atómico del elemento podemos conocer el número de electrones que hay que acomodar. 2.‐ Aplicar el principio de Aufbau, esto significa seguir el orden de llenado, establecido por el principio de exclusión de Pauli. 3.‐ Tomar en cuenta la regla de Hund. O
O De acuerdo con las reglas anteriores, las configuraciones electrónicas se pueden representar conociendo el número atómico y distribuyendo los electrones, vamos a ilustrar la configuración electrónica del átomo más simple: el Hidrógeno, que tiene número atómico de 1 y por lo tanto tiene 1 electrón. 1
H
El orden de llenado de los subniveles de energía de los átomos va en orden creciente y la configuración electrónica se leería de la siguiente manera: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6
46 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
s
s
p
Las configuraciones electrónicas y los diagramas de orbitales permiten especificar la distribución de los electrones en los subniveles de los átomos y así nos permiten saber la posición de los elementos en la tabla periódica. Práctica 12 Instrucciones: con base en tus conocimientos adquiridos en la sesión identifica y contesta lo que se te pide. 1.‐ Explica el principio de exclusión de Pauli: 2.‐ ¿Cuál es el número máximo de electrones que se pueden acomodar en cada uno de los siguientes subniveles de energía? a) 2s _______ b) 5f _______ c) 4f ______ d) 4p _______ e) 3d ______ f) 7s ______ 3.‐ Arregla los siguientes subniveles en orden creciente de energía: 3p, 3d, 4s, 3s, 2p, 4p 4.‐ Debes consultar la tabla periódica y la sesión previa para encontrar el número atómico que representa la cantidad de protones y electrones, y escribir la configuración electrónica de los siguientes elementos.
Elemento
Magnesio
Número atómico
12
Configuración electrónica
1s2, 2s2, 2p6, 3s2
Cloro
Arsénico
Kriptón
Plata
Plomo
47 Universidad CNCI de México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
Sesión 7 Los ttemas a revvisar el día d
de hoy son:: 4 Anteced
4.
dentes histó
óricos de la clasificació
ón de los ellementos 4.1. Nociones de
N
e grupo, periodo y bloq
que, aplicad
das a los elementos q
químicos en
n la tabla pe
eriódica acttual 4. An
ntecedentes históricoss de la clasifficación de los elemen
ntos El se
er humano
o se caractteriza por la constante exploración de un
n orden en
n la naturaleza y claasificar tod
do aquello que consid
dera de imp
portancia. LLos seres vivos tenemos un sistema de clasificació
ón, los Cinco Reinos y actualm
mente los Tres T
Dom
minios. p
deel siglo XIX
X se conoccían unos 55 5 elementtos con pro
opiedades que A principios parecían diferen
ntes y sin u
un orden. Vario
os químico
os intentarron organizarlos de maneera sistemáática y fue así como empezaron e
a su
urgir las primeras p
clasificacionees de los elem
mentos. En laa tabla perió
ódica que p
prevalece en
n nuestros días aparecen lo
os elemento
os en una aagrupación ordenada según
n sus caraccterísticas químicas q
y físicaas. Johann Döbereiiner (1780‐1849) das de Döbe
ereiner Triad
Uno de los prim
meros intenttos para aggrupar los elementos d
de propiedaades análogas y n los pesoss atómicos se debe al a químico alemán a
Joh
hann Wolfggang relaccionarlo con
Döbeereiner (178
80‐1849) quien en 1817 puso de
e manifiesto
o el notablee parecido que existía entre lass propiedad
des de ciertos grupos d
de tres elem
mentos, con
n una variacción mero al últim
mo. gradual del prim
ñaló la existtencia de ottros gruposs de tres eleementos en
n los Posteeriormente (1827) señ
que se daba la misma relaación (cloro
o, bromo y yodo; azuffre, selenio y telurio; litio, sodio
o y potasio)). mentos se lles denomin
nó Triadas y hacia 185
50 ya se hab
bían A esttos grupos de tres elem
enco
ontrado unaas 20, lo que q indicab
ba una cierrta regularidad entre los elemen
ntos quím
micos. 48 Universsidad CNCI dde México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
Döbeereiner inteentó relacionar las prop
piedades qu
uímicas de estos elementos (y de
e sus comp
puestos) co
on los pesoss atómicos, observando
o una gran aanalogía en
ntre ellos, y una variaación graduaal del primeero al último
o. Triad
das Döbereiner En su
u clasificación de las trriadas (agru
upación de tres elementoss) Döberein
ner explicab
ba que el peso
o atómico promedio de d los pessos de los elem
mentos extremos, ess parecido al peso atóm
mico del elem
mento de een medio. Por eejemplo, paara la triadaa Cloro, Bro
omo, Yodo los p
pesos atómiicos son resspectivamente 36, 80 y 127
7; si sumam
mos 36 + 127 y dividim
mos entre dos, obtenemos 81, que es e aproximadamente y si le dam
mos un visttazo a nueestra tabla 80 y perió
ódica el ellemento co
on el peso
o atómico aproximado a 8
80 es el bro
omo lo cual hace que conccuerde un aparente ordenam
miento de triadas. John
n Newlands (1838‐1898
8) Ley d
de las octavvas de Newlands En 18
864, el quím
mico inglés John Alexander Reina Newlands ccomunicó aal Royal College of Chemistry C
(Real Coleggio de Quím
mica) su observación
o
n de que aal ordenar los elem
mentos en o
orden crecieente de sus pesos atóm
micos (prescindiendo d
del hidrógeno), el occtavo elemeento a partirr de cualquier otro ten
nía unas pro
opiedades m
muy similare
es al primero. En essa época, lo
os llamados gases nobles no habíaan sido aún descubierto
os. Esta ley mostraba una cierrta ordenacción de los elementos en familiass (grupos), con prop
piedades mu
uy parecidaas entre sí y en Perio
odos, formaados por occho elemen
ntos cuyas propiedad
des iban varriando proggresivamentte. 49 Universsidad CNCI dde México Taller de Química I Semana 1 y 2
El nombre de octavas se basa en la intención de Newlands de relacionar estas propiedades con la que existe en la escala de las notas musicales, por lo que dio a su descubrimiento el nombre de Ley de las octavas. Como a partir del calcio dejaba de cumplirse esta regla, esta ordenación no fue apreciada por la comunidad científica que la menospreció y ridiculizó, hasta que 23 años más tarde fue reconocida por la Royal Society, que concedió a Newlands su más alta condecoración. Lothar Meyer (1830‐1895) Realizó una de las mejores clasificaciones, donde pone en evidencia una cierta periodicidad en el volumen atómico en relación con sus masas atómicas. Meyer logra clasificar 56 elementos. Dimitri Mendeleiev (1834‐1907) Presenta su primera versión de la Tabla periódica en 1869 que contenía 63 elementos y similar a la tabla periódica moderna. Señaló que las propiedades físicas y químicas de los elementos varían periódicamente al aumentar la masa atómica. Esto se conoce como la Ley periódica. Por lo tanto los elementos de la tabla de Mendeleiev estaban ordenados por masa atómica. Otro criterio de Mendeleiev fue que tomó en cuenta una propiedad llamada valencia, que es la capacidad que tienen los átomos para formar compuestos. La tabla periódica de Mendeleiev presentaba ciertas irregularidades y problemas. En las décadas posteriores tuvo que integrar los descubrimientos de los gases nobles, las "tierras raras" y los elementos radiactivos. Otro problema adicional eran las irregularidades que existían para compaginar el criterio de ordenación por masa atómica creciente y la agrupación por familias con propiedades químicas comunes. 50 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Henry Moseley (1887‐1913) En 1913, hizo experimentos con algunos metales en el tubo de rayos catódicos y al ordenar los datos observó las longitudes de onda de los rayos emitidos por un elemento dado, así pudo determinar el número atómico. Mosely estableció el concepto de número atómico, el cual relacionaba el número de cargas positivas del núcleo del átomo que coincide con el número de electrones en los niveles de energía. También ordenó los elementos de la tabla periódica de Mendeleiev, y demuestra que las propiedades de los elementos están en función periódica de sus números atómicos. Aunque se reconoce a Mendeleiev como el descubridor de la tabla periódica, Meyer había ideado de forma individual su tabla periódica, pero su trabajo no se publicó hasta 1870, un año después de Mendeleiev, quien ya había logrado predecir las propiedades químicas de elementos por descubrir. Como puedes observar, los científicos intentaron buscar un orden y clasificar a los elementos de acuerdo a sus características físicas, químicas y número atómico; tú también puedes clasificar los objetos dependiendo del tipo de material del cual están hechos, color, brillo, masa, etc. 51 Universidad CNCI de México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
Prácctica 13 Instrrucciones: con c base en
n el conocimiento adq
quirido en la l sesión 13
3, completaa de form
ma individual el siguientte cuadro de antecedentes de la ttabla periód
dica. ¿Quéé informaciión se pued
de obtenerr de la tabla periódicaa? ¿Cuál ess la utilidad
d de cono
ocer esta infformación? 4.1. Nociones de grupo, p
periodo y b
bloque, aplicadas a lo
os elemento
os químicoss en la tabla periódicca actual La taabla periódica ha experrimentado m
muchos cam
mbios para incluir elem
mentos nuevos, valorres más exaactos y diferrentes form
mas de rotulaar los grupo
os de elemeentos. En la actuaalidad, loss elementos están
n orden de: organizados en la tabla perriódica en o
• Número
o atómico, número de d la masaa atómica creciente. os. • Periodo
• Grupos o Familias. Bloque “f”. Son
n los elemeentos que se encuenttran en la parte inferior de la taabla perió
ódica, se llaman elem
mentos de
e transición
n interna y muchos de ellos son obtenidos de manera artificial. Aquí see encuentraan los lantánidos y actíínidos. 52 Universsidad CNCI dde México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
Elem entos
esentativos
Repre
Elementos de
ansición
tra
Elementos
ativos
representa
Elementos de
d
transición in
nterna
Veam
mos alguno
os ejemploss para iden
ntificar a lo
os elementtos de acueerdo al gru
upo, perio
odo y bloqu
ue, en que se encuenttran, de acu
uerdo con lla tabla perriódica. Re
evisa tamb
bién los sigu
uientes elementos (en
n la tabla se encierra caada uno de eellos): oro: 1. Clo
Grup
po: VIIA Perio
odo: 3 Bloque: p el CI se encuenttra en los mentos reprresentativo
os. elem
2. Caalcio: Grup
po: IIA Perio
odo: 4 Bloque: s Ca eestá dentro de los elem
mentos repre
esentativoss. 3. Orro: Grup
po: IB Perio
odo: 6 Bloque: d Au see encuentraa en los elem
mentos de trransición. Prácctica 14 Instrrucciones: contesta c
lo
o que se te pide, de acuerdo a laa sesión preevia y utilizza la tablaa periódica, para un meejor desemp
peño. 1. Lo
os metales alcalinos esstán en la m
misma familia en la taabla periódiica, ¿cuál es su nú
úmero de grupo y cuán
ntos electro
ones de vale
encia tiene ccada uno? 2.‐ Lo
os halógeno
os están en la misma ffamilia en laa tabla periódica, ¿cuáál es su núm
mero de grrupo y cuán
ntos electro
ones de valeencia tiene cada uno? 53 Universsidad CNCI dde México Taller de Química I Semana 1 y 2
3.‐ Escribe la configuración electrónica para el elemento que se localiza en: a) Grupo III A y periodo 4 b) Grupo VII A y periodo 3 4.‐ Indica el número de grupo y el número de electrones de valencia de los siguientes elementos. Ejemplo: carbono gpo. IV, 4 e‐ de valencia. Magnesio Flúor Potasio Nitrógeno 54 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Sesión 8 Los temas a revisar el día de hoy son: 4.2.
Propiedades periódicas (electronegatividad, energía de ionización, afinidad electrónica, radio y volumen atómico) y su variación en la tabla periódica 4.3. Caracteriza la unidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país 4.3.1. Importancia de los minerales en México 4.2. Propiedades periódicas (electronegatividad, energía de ionización, afinidad electrónica, radio y volumen atómico) y su variación en la tabla periódica Actualmente muchas empresas, negocios y casas utilizan purificadores de aire, debido a que la atmósfera presenta un alto grado de contaminación, así como iones negativos y positivos. Te preguntarás ¿qué son los iones negativos y positivos?, pues los verás a detalle más adelante en el avance de la sesión. El aire tiene una carga excesiva de iones positivos con efectos perturbadores que afectan la salud y el estado anímico de las personas. Los iones positivos provocan un aumento en la producción de serotonina que es una hormona que segregamos en el cerebro y causa hiperactividad y por consecuencia agotamiento, ansiedad y depresión. Y por el contrario los iones negativos son producto de la naturaleza, lo cual, tiene un efecto “positivo” para la salud, ya que adquieren importantes propiedades terapéuticas. Por ejemplo, es recomendable pasear cerca de montañas o donde existan plantas, ríos o lagunas, así como aspirar brisa marina, esto produce bienestar inmediato en cualquier ser vivo. Los iones negativos despejan la mente, levantan el ánimo y producen una sensación de alivio y bienestar, tienen efectos tranquilizadores y una reducción de serotonina. Esta sensación de acuerdo a investigaciones científicas, es la que se producirá cuando un aparato purificador limpie el aire de nuestro espacio, ya sea casa u oficina. Las propiedades periódicas son características de los elementos químicos, varían en forma similar a lo largo de los periodos o los grupos, y las tendencias observadas se repiten periodo tras periodo o grupos tras grupos. Hay un gran número de propiedades periódicas. Entre las más importantes destacaríamos:
• Tamaño atómico: Los electrones carga negativa son atraídos hacia el núcleo del átomo donde se
encuentran los protones carga positiva. Los electrones se repelen entre sí, por que poseen cargas
negativas iguales.
• Radio atómico: distribución de los electrones en los orbitales del átomo.
• Energía de ionización: energía necesaria para arrancarle un electrón.
• Electronegatividad: mide la tendencia para atraer electrones.
• Afinidad electrónica: energía liberada al captar un electrón.
55 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
La configuración electrónica de valencia explica por qué los grupos de la tabla periódica definen a familias con propiedades similares. Debido a que los electrones de valencia determinan el comportamiento químico de un elemento, y los grupos tienen configuraciones electrónicas de valencia parecidas, entonces los elementos dentro de un mismo grupo presentarán un comportamiento químico similar. A continuación veremos algunas propiedades que presentan un comportamiento periódico. •
Tamaño atómico Los electrones poseen carga negativa, por tal motivo, son atraídos hacia el núcleo del átomo donde se encuentran los protones con carga positiva. Además, los electrones también repelen entre sí debido a que todos poseen cargas negativas iguales. Al aumentar el número atómico, aumenta también la cantidad de protones en el núcleo y con ello la carga nuclear, pues, conforme crece esta carga nuclear, los electrones son atraídos hacia el núcleo con mayor fuerza. Sin embargo, entre más lejano esté un electrón del núcleo, menos será la atracción que experimentará debido a éste. Se debe considerar que de acuerdo a la configuración electrónica de un átomo, existen electrones en varios niveles de energía, por lo que aquellos electrones con capas más internas repelerán a aquellos que se encuentran en las capas más externas haciendo que la atracción que sientan por parte del núcleo sea menor. A este efecto de protección que ejercen los electrones de las capas internas se le conoce como efecto pantalla. El efecto pantalla permite que la atracción nuclear sobre los electrones de las capas más externas sea menor al que se esperaría de no haber repulsión entre electrones. Por tal motivo, se define a la carga nuclear efectiva como la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones de las capas externas, considerando el efecto de pantalla que ejercen los electrones de las capas internas. La carga nuclear real es la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones externos sin considerar el efecto pantalla. De acuerdo a lo anterior, observamos que al recorrer la tabla periódica de arriba hacia abajo a lo largo de un grupo, se incrementa el nivel de energía principal (número cuántico n) y con ello aumenta la distancia entre los electrones y el núcleo; por lo que el tamaño del átomo debe aumentar. Si recorremos la tabla periódica a lo largo de un periodo de izquierda a derecha, el nivel de energía principal no cambia, sin embargo, aumenta la cantidad de protones en el núcleo, por tanto, la atracción hacia los electrones también aumenta haciendo que el tamaño del átomo disminuya. 56 Universidad CNCI de México Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
•
Radio aatómico No es e tan fácil de medir, tomando t
en cuenta el radio de un átomo aislaado, puesto
o que su nubee de electro
ones, se exttiende en el espacio y vaaría según
n los facttores amb
bientales. Cuan
ndo los átomos á
see unen fo
ormando molééculas com
mo Cl2, es posible medir m
la distaancia entre dos núcleos, por lo tanto el radio
o atómico ees la distanccia entre loss centros de lo
os átomos. En la tablaa periódica el radio aumeenta hacia aabajo en un
n grupo y disminuye a lo largo de un periodo. •
ón Energía de ionizació
Es laa energía necesaria para p
arranccar electron
nes a un áttomo. Y cu
uando un átomo pierd
de un electrrón se dice que se ion
niza y se convierte en un ion positivo o Catiión. Y cuan
ndo gana un
n electrón see convierte en ion negativo o Anión. Existten distintaas energíass de ionizaación, depe
ende de la especie q
que se tratte. La primera energíaa de ionizacción es la eenergía nece
esaria para separar el primer electrón de un átomo neutro. La segunda eneergía de ionización, ess la energíaa necesaria para separar el segun
ndo electrón de un áto
omo y así su
ucesivamente hasta “n” electrones que tenga el átomo. Entree mayor seea el valor de d la energgía de ionizzación, máss difícil seráá separar a ese electtrón. Los átomos á
con
n valores bajos b
de en
nergía de ionización, pueden perder electtrones para formar iones cargadoss positivamente (cationes) con faccilidad. La en
nergía de io
onización en
n un periodo aumenta al hacerlo eel número aatómico, y e
en un grupo disminuyye conform
me aumentaa el número atómico debido a q
que aumen
nta la ones y el núcleo; n
porr lo que lo
os electrones al estarr más distaancia entre los electro
alejados del núccleo son fácilmente seeparables. P
Por ejemplo
o el Cl tienee menor en
nergía onización qu
ue el F. de io
•
Afinidad
d electrónicca Es la energía qu
ue se absorrbe o se libera cuando
o un átom
mo acepta un electró
ón y se convierte en un anión o ion ne
egativo. Essta energía tiene valo
ores posittivos, cuand
do la energgía es absorbida, y tiene valorres negativos cuan
ndo es liberada. Para P
elem
mentos de un mism
mo periodo
o la afinid
dad electtrónica depende de la carga nucleear. La afinid
dad electtrónica aum
menta en un periodo, conforrme 3
aumeenta el núm
mero atómico. Por ejemplo e
el 35
Br 19
tienee mayor afin
nidad que eel K. 57 Universsidad CNCI dde México Taller de Química I Semana 1 y 2
•
Electronegatividad Es la capacidad que tienen los átomos para atraer electrones cuando forman un enlace covalente en una molécula, posteriormente veremos los tipos de enlaces. La electronegatividad no es estrictamente una propiedad atómica, pues se refiere a un átomo dentro de una molécula y por lo tanto, puede variar ligeramente cuando varía el "entorno" de un mismo átomo en distintos enlaces de distintas moléculas. Louis Pauling ideó una escala numérica de electronegatividad, donde el más electronegativo es el flúor, seguido del oxígeno. La propiedad equivalente de la electronegatividad para un átomo aislado sería la afinidad electrónica. En un periodo de elementos, la electronegatividad aumenta con el número atómico y dentro de un grupo la electronegatividad disminuye a medida que el número atómico aumenta. Los no metales tienen electronegatividades más altas, es decir, más capacidad de atraer electrones. Electronegatividad aumenta
D
i
s
m
i
n
u
y
e
Por ejemplo: El elemento Flúor es más electronegativo que el Carbono (C), el
´ flúor (F), tiene una tendencia mayor a atraer electrones. Así como el oxigeno
´ electronegativo que el boro (B)y el litio (Li)
(O) es mas
Práctica 15 Instrucciones: atendiendo a las propiedades periódicas de los elementos y con ayuda de la tabla contesta las siguientes preguntas, es necesario también que cuentes con la tabla de electronegatividad. 1. a) ¿Qué elemento tiene mayor Radio Atómico? ¿C o Fe? b) ¿Qué elemento presenta mayor energía de Ionización? ¿N o K? c) ¿Qué elemento presenta menor electronegatividad? ¿Se o Zn? d) ¿Qué elemento presenta menor Afinidad Electrónica? ¿Cr o W? 58 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
2. ¿Cuál elemento de cada par puede predecirse que tenga mayor radio atómico? a)
b)
c)
d)
Ca y Mg Na y Al Li y Fr As y Se 4.3. Caracteriza la unidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país Los elementos químicos también se clasifican en clases como los metales, no metales y metaloides o semimetales, a partir de sus propiedades físicas y químicas. A continuación te presentamos las características de cada clase. Características
de los metales
• Todos son sólidos excepto el Hg.
• Son buenos conductores de calor y electricidad. Ejemplo: la Ag, Au, Hg, Cu y
Al.
•Tienen superficies brillantes.
• Son maleables, que se pueden martillar o laminar. Ejemplo: Fe, Au, Sn, Pb.
• Son dúctiles, muchos se pueden estirar para formar alambres. Ejemplo: Al, Cu,
Fe.
• No tienden a combinarse químicamente unos con otros, pero si reaccionan con
los no metales para formar compuestos, ejemplo NaCl.
No
metales
• Pueden ser sólidos, líquidos o gases.
• Son malos conductores de calor y electricidad.
Ejemplo: S, Se, I
• Tienen superficies opacas, como el carbón, azufre y
fósforo.
• Son frágiles y se desmoronan al golpearlos, S, C, P.
• No dúctiles.
• No tienen dureza, excepto el diamante.
• Se combinan unos con otros para formar compuestos
como CO2, SO2, metano CH4. El flúor es el no metal
´ reactivo.
mas
Metaloides
59 Universidad CNCI de México • Se encuentran en la parte intermedia de la
tabla periódica.
• Tienen propiedades intermedias, son
semiconductores eléctricos.
• El silicio es el metaloide más abundante y el
cuarto elemento más abundante en la tierra,
forma parte del suelo, la arcilla, ágata,
amatista y la arena en combinación con otros
elementos.
Talller de Q
Química II Semana 1 y 2
Los eelementos sse clasifican
n en metales, no metales y metaaloides, com
mo se mue
estra en laa tabla perió
ódica. 4.3.1
1. Importan
ncia de los m
minerales en México Los m
minerales son sólidos n
naturales dee origen ino
orgánico. Exxiste una grran variedad
d de mineerales que sse acumulan en yacimientos en e
el subsuelo,, al aire lib
bre o a gran
ndes profu
undidades een el mar. Los m
minerales see clasifican en: • Metálicos • No metálicos • Mineralloides Los mineraloides se diferrencian dee los metáálicos porqu
ue presenttan una forma cristaalina definida, como laa calcita y e
el cuarzo. Denttro de los metálicos m
p
podemos en
nunciar los metales prreciosos como el oro y la plataa; los metalles no ferro
osos como eel cobre, zin
nc y plomo
o; los metales siderúrggicos como
o el hierro yy sus aleacio
ones. En lo
os no metálicos podem
mos citar al ccarbón, ámbar y petró
óleo. Los m
minerales tiienen gran importancia por sus m
múltiples ap
plicaciones en los diversos camp
pos de la acctividad hum
mana. La in
ndustria mo
oderna dep
pende directa o indirectamente de d los mineerales; se usan u
para fabricar múltiples pro
oductos, desde herram
mientas y orrdenadores hasta edificios rascaacielos. En el territorio nacional see encuentraan yacimien
ntos de min
nerales quee son extraíídos para ser sometidos a proce
esos industrriales empleando maq
quinaria, com
mbustibles que geneeran energía y equipos. Es un proceso p
con la finalid
dad de obteener todoss los elem
mentos que se conocen
n en la naturaleza, conttribuyendo al desarrollo tecnológgico, econ
nómico y so
ocial de la nación. 60 Universsidad CNCI dde México Taller de Química I Semana 1 y 2
Uno de los elementos más importantes de la industria metalúrgica es el hierro, pues es la base de la fabricación de maquinaria, vías férreas, puentes, barcos y otros productos. México es un país escaso en este mineral, sus reservas ahora conocidas son 1, 100 millones de toneladas, representando un 0.5% de las reservas mundiales. Uno de los estados con mayor producción de hierro es Coahuila. El desarrollo de mayores recursos minerales ha contribuido a la industria de la construcción con nuevos materiales como yeso, arcilla, cemento, adhesivos, concretos, ladrillos y material aislante, entre otros. Por otro lado, existe un grupo de minerales como el zinc, plomo, cobre, aluminio y níquel que participan activamente en la industria eléctrica, en la construcción de buques, aviones y maquinaria. Cabe destacar, que en la agricultura se desarrollan fertilizantes de origen mineral como potásicos y la fosforita que también se emplea en la elaboración de detergentes, explosivos y cerámica. Una gran cantidad de industrias se basan en la producción de sustancias minerales. México se ubica entre los primeros diez lugares de la producción de minerales no metálicos a nivel mundial, donde uno de los representantes en producción es el azufre. Los minerales no metálicos son empleados para producir medicinas, impermeabilizantes, jabones, reactivos, pinturas, hules y cosméticos, entre muchos otros. El petróleo y gas natural La mayor parte de la energía empleada actualmente en el mundo proviene de los combustibles fósiles. Se utilizan en transporte, para generar electricidad, para calentar ambientes, para cocinar, etc. Estos son compuestos a base de carbono e hidrógeno, que son dos no metales. El petróleo y el gas natural son los recursos de mayor significación dentro de la industria minera en México y constituyen también un factor decisivo en el crecimiento de la economía nacional debido a su significativo aporte de divisas, a su cuantiosa contribución fiscal, a la generación de empleos y a la demanda de insumos industriales. Desde su nacionalización, sucedida en el año 1938, el Estado mexicano controla la producción y la comercialización del petróleo y del gas natural a través de la empresa Petróleos Mexicanos (PEMEX), la empresa más grande del país. PEMEX cuenta con un total de 133.040 empleados, de los cuales 109.739 pertenecen a la plantilla fija y el resto es personal temporal. En el año pasado, tuvo un gasto programable superior a los 62.000 millones de pesos y unos ingresos brutos de más de 240.000 millones. Los descubrimientos de yacimientos a finales de los años setenta situaron a México entre los cinco primeros países exportadores de petróleo en el mundo. 61 Universidad CNCI de México Taller de Química I Semana 1 y 2
Actualmente, las principales zonas de explotación se localizan en el sur del país, en una región comprendida entre los estados de Tabasco y Chiapas, y en la plataforma marina de Campeche, que junto con la zona costera del Golfo, Tamaulipas y Veracruz, constituyen la gran zona petrolera de México. Práctica 16 Instrucciones: responde lo que a continuación se indica, con base en el conocimiento adquirido en esta sesión. 1. Completa el siguiente cuadro comparativo de: Metales, No metales y Metaloides. Metales
No metales
Metaloides
Características
Ejemplos de elementos
2. Clasifica los siguientes elementos de acuerdo a sus propiedades y su posición en la tabla periódica en metales, no metales y metaloides As
Ga
O
P
Bi
Fe
Pb
Te
Ge
Zn
N
I
3.- Señala algunos artículos que utilices generalmente hechos a base de metales.
3.‐ Señala algunos artículos que utilices generalmente hechos a base de metales 62 Universidad CNCI de México