¡Las ciencias toman vida
¡Aprendizaje vivo!
¡Estudios sociales vivos! ¡Historia viva! ¡Geografía viva! ¡Gobierno vivo!
¡Las ciencias toman vida! www.teachtci.com
La materia
La materia
¡Economía viva!
¡Las ciencias toman vida
TCI ofrece programas para salones de clases de escuelas primarias, intermedias y secundarias.
800-497-6138
100% NGSS
UNIDAD 1
La composición de la materia VISTAZO GENERAL Ves un trozo de metal que resplandece con distintos colores brillantes. ¿Qué tipo de metal estás observando? Estás viendo un trozo de bismuto. De la misma manera en que una cerca de hierro negro cambia de color cuando se oxida, el bismuto puede cambiar de un gris plateado a estos vibrantes colores. En esta unidad, aprenderás que las sustancias, como el bismuto, están compuestas de partículas diminutas llamadas átomos. También aprenderás cómo se pueden combinar los átomos de bismuto con otros elementos para formar sustancias que componen el maquillaje para teatro y cine.
2
CONTENIDO DE LA UNIDAD 1
Átomos y elementos ¿Cuáles son las partículas más pequeñas de la materia?
Historia basada en fenómenos La materia está compuesta por átomos de elementos. Estos átomos se combinan y forman moléculas más grandes y estructuras extendidas. ¿Cómo te ayudará a desarrollar sustancias nuevas comprender la composición de la materia? Investigaciones Usa la tabla periódica para investigar los diferentes elementos y cómo se usan.
Diseño de ingeniería: Instrumentos de ingeniería para observar átomos Leer más a fondo: Explorar el interior del átomo
2
Moléculas y estructuras extendidas ¿Cómo se combinan los átomos para formar diferentes moléculas y estructuras extendidas? Leer más a fondo: Crear un cuerpo humano
3
Las sustancias y sus propiedades ¿Cómo puedes distinguir una sustancia de otra? Leer más a fondo: Resolver crímenes químicos
Investigaciones Usa diferentes instrumentos para representar moléculas simples y estructuras extendidas más complejas.
Investigaciones Realiza experimentos para identificar sustancias que parecen semejantes pero tienen propiedades diferentes. Evaluación del desempeño ¡Lanza tu producto! Realiza una presentación basada en tus conocimientos sobre los átomos, las moléculas, las estructuras extendidas, y las sustancias y sus propiedades para vender un material sintético nuevo a un cliente.
La composición de la materia
3
UNIDAD 1 Next Generation Science Standards
Performance Expectations MS-PS1-1.
Develop models to describe the atomic composition of simple molecules and extended structures.
MS-PS1-2.
Analyze and interpret data on the properties of substances before and after the substances interact to determine if a chemical reaction has occurred.
MS-ETS1-1. Define the criteria and constraints of a design problem with sufficient precision to ensure a successful solution, taking into account relevant scientific principles and potential impacts on people and the natural environment that may limit possible solutions.
Science and Engineering Practices
Crosscutting Concepts
Disciplinary Core Ideas
Developing and Using Models Develop a model to predict and/or describe phenomena.
Scale, Proportion, and Quantity Time, space, and energy phenomena can be observed at various scales using models to study systems that are too large or too small.
PS1.A. Structure and Properties of Matter • Substances are made from different types of atoms, which combine with one another in various ways. Atoms form molecules that range in size from two to thousands of atoms. • Each pure substance has characteristic physical and chemical properties (for any bulk quantity under given conditions) that can be used to identify it. • Solids may be formed from molecules, or they may be extended structures with repeating subunits (e.g., crystals).
Analyzing and Interpreting Data Analyze and interpret data to determine similarities and differences in findings. Asking Questions and Defining Problems Define a design problem that can be solved through the development of an object, tool, process or system and includes multiple criteria and constraints, including scientific knowledge that may limit possible solutions. Connections to Nature of Science: Scientific Knowledge Is Based on Empirical Evidence Science knowledge Is based upon logical and conceptual connections between evidence and explanations.
4
Patterns Macroscopic patterns are related to the nature of microscopic and atomic-level structure. Influence of Science, Engineering, and Technology on Society and the Natural World • All human activity draws on natural resources and has both short and long-term consequences, positive as well as negative, for the health of people and the natural environment. • The uses of technologies and limitations on their use are driven by individual or societal needs, desires, and values; by the findings of scientific research; and by differences in such factors as climate, natural resources, and economic conditions.
PS1.B. Chemical Reactions Substances react chemically in characteristic ways. In a chemical process, the atoms that make up the original substances are regrouped into different molecules, and these new substances have different properties from those of the reactants. ETS1.A. Defining and Delimiting Engineering Problems The more precisely a design task’s criteria and constraints can be defined, the more likely it is that the designed solution will be successful. Specification of constraints includes consideration of scientific principles and other relevant knowledge that are likely to limit possible solutions.
Conecta lo que aprendes Todo lo que hay en el mundo está compuesto por partículas diminutas, imperceptibles a simple vista; ¡incluso tú! ¿Cómo describirías esas partículas? Puedes usar modelos para describir partículas diferentes y ver cómo se combinan. También puedes describir las sustancias según sus propiedades. Comprender la composición de la materia es solo el primer paso para explicar toda clase de fenómenos.
La composición de la materia El grafito del lápiz está compuesto por finas láminas de moléculas de carbono unidas que forman una estructura extendida. Cuando escribes con un lápiz, el grafito deja marcas en el papel. ¿Cómo puedes explicar esto basándote en el hecho de que las partículas de grafito forman estructuras extendidas?
Supón que se rompe un collar de plata. ¿Cómo lo arreglarías? El orfebre tiene que conocer el punto de fusión de diferentes sustancias a fin de calentar el metal a la temperatura correcta para darle forma. Pero los científicos usan el punto de fusión para identificar sustancias. ¿Cómo usan una propiedad como el punto de fusión para identificar una sustancia?
Toda la materia está compuesta por partículas diminutas, imperceptibles a la vista, llamadas átomos. En la actualidad, los científicos pueden usar una máquina llamada microscopio de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés) para “ver” los átomos. ¿Qué criterios y restricciones tuvieron en cuenta los científicos que desarrollaron el STM?
La composición de la materia
5
LECCIÓN 1
6
Átomos y elementos ¿Cuáles son las partículas más pequeñas de la materia? Introducción
Vocabulario
Cientos de tubos de vidrio de colores brillantes se prenden y se apagan en rápida sucesión. El parpadeo promete que la espera para subir a este juego de feria valdrá la pena. Mientras esperas, tal vez te preguntes: ¿De qué se componen las luces de neón? Las luces de neón son tubos de vidrio rellenos de billones y billones de partículas diminutas. Estas partículas diminutas son imperceptibles a la vista y, dentro de un solo tubo, son tantas que no se pueden contar. Cuando se corta el suministro de electricidad, el tubo parece vacío. Ni siquiera queda evidencia de que hay partículas en el tubo de vidrio. Cuando la electricidad circula por el tubo de vidrio, las partículas brillan y ves el color rojo brillante de las luces de neón. Pero, si tomaras un tubo de vidrio con aire e hicieras circular electricidad por él, no verías un brillo similar. ¿Por qué las luces de neón son rojas? En esta lección, comenzarás a aprender sobre las partículas de la materia y los 92 tipos de partículas que componen el mundo natural. Estas partículas son tan pequeñas que están en una escala que no puedes ver a simple vista. Por lo tanto, los científicos e ingenieros desarrollaron métodos para observarlas. Estos instrumentos, junto con otros experimentos, permiten categorizar las diferentes partículas que componen el mundo.
elemento tipo de partícula que es un componente fundamental de la materia átomo partícula individual de un elemento criterios requisitos que se deben cumplir para que una solución de ingeniería funcione restricción limitación en el rango de soluciones posibles para un problema de diseño masa atómica la masa de un átomo; todos los átomos de un elemento tienen la misma masa atómica tabla periódica de los elementos tabla que incluye todos los elementos conocidos y los agrupa en columnas según las propiedades importantes que tienen en común símbolo químico notación abreviada de una, dos o tres letras que representa el nombre del elemento
Next Generation Science Standards Performance Expectations MS-PS1-1. Develop models to describe the atomic composition of simple molecules and extended structures. MS-ETS1-1. Define the criteria and constraints of a design problem with sufficient precision to ensure a successful solution, taking into account relevant scientific principles and potential impacts on people and the natural environment that may limit possible solutions. Science and Engineering Practices Developing and Using Models Develop a model to predict and/or describe phenomena.
Asking Questions and Defining Problems Define a design problem that can be solved through the development of an object, tool, process or system and includes multiple criteria and constraints, including scientific knowledge that may limit possible solutions. Crosscutting Concepts Scale, Proportion, and Quantity Time, space, and energy phenomena can be observed at various scales using models to study systems that are too large or too small. Influence of Science, Engineering, and Technology on Society and the Natural World
Disciplinary Core Ideas PS1.A. Substances are made from different types of atoms, which combine with one another in various ways. Atoms form molecules that range in size from two to thousands of atoms. ETS1.A. The more precisely a design task’s criteria and constraints can be defined, the more likely it is that the designed solution will be successful. Specification of constraints includes consideration of scientific principles and other relevant knowledge that are likely to limit possible solutions.
Átomos y elementos
7
1. Átomos
Todo lo que hay en el mundo está compuesto por partículas diminutas de materia llamadas átomos. Hay 92 tipos de átomos, llamados elementos, en la naturaleza. Los carteles de neón están llenos de átomos del elemento neón, que brillan y se ponen rojos cuando los atraviesa una corriente eléctrica.
Supón que tienes un clavo de hierro y lo cortas por la mitad. Luego tomas una de las mitades y la divides en dos otra vez. ¿Cuál es el tamaño más pequeño en que se puede dividir un clavo de hierro? Si continúas dividiendo el clavo de hierro en mitades, al final terminarás con una sola partícula de hierro. Terminarás con una partícula de materia. Todo lo que hay en el mundo está compuesto por partículas de materia. Por ejemplo, todos los objetos de hierro están compuestos por partículas de hierro. El papel de aluminio que se usa para cocinar y hornear está compuesto por partículas de aluminio, y las luces de neón están llenas de un gas compuesto por partículas de neón. Incluso los objetos que no se pueden ver están compuestos por partículas de materia. El aire que respiras está compuesto principalmente por una mezcla de partículas de nitrógeno y de oxígeno. Aunque todas las cosas en el mundo están compuestas de partículas de materia, no todo está compuesto de la misma clase de partículas. Cada partícula es un componente fundamental de un tipo de materia llamado elemento. El oro, el aluminio, el oxígeno y el neón son elementos diferentes. Una partícula individual de un elemento se denomina átomo. Cada objeto del mundo que nos rodea está compuesto de átomos de elementos diferentes. Los clavos de hierro están compuestos de átomos del elemento hierro. El oxígeno que respiras está compuesto de átomos de oxígeno. Los diamantes están compuestos de átomos de carbono. El grafito de los lápices también está compuesto de átomos de carbono. El hierro, el oxígeno y el carbono son tres de los 92 elementos diferentes que existen naturalmente en el mundo. Todos estos elementos se combinan de distintas maneras y forman los millones de sustancias que te rodean.
Átomo de neón
8
Lección 1
Aunque los átomos componen todo lo que te rodea, nunca has visto uno. Los átomos son demasiado pequeños, por eso no los puedes ver. Aunque uses una lupa, no podrás ver un átomo. Pero ¿qué tan pequeño es un átomo? Supón que tienes un grano de arena en la mano. Ese grano de arena puede parecer diminuto, pero contiene alrededor de 50 trillones de átomos. ¡Eso es 50,000,000,000,000,000,000 (5 × 1019) átomos! Cuando sostienes un diminuto grano de arena, en realidad tienes todos esos átomos en tus manos. Para comprender cuántos átomos son, supón que expandes cada átomo al tamaño de una pelota de ping-pong. Con 50 trillones de pelotas de ping-pong, ¡se puede llenar el Gran Cañón 500,000 (5 × 105) veces! Los átomos son tan pequeños que los científicos usan una escala, o categoría de tamaño, única para pensar en ellos. Las personas están en una misma escala porque todas tienen el mismo tamaño. Los continentes también están en una misma escala porque tienen el mismo tamaño. Sin embargo, las personas y los continentes no están en la misma escala, porque las personas son más pequeñas que un continente. Las escalas se suelen describir por las unidades que se usan en ellas. Si estás describiendo el crecimiento del cabello, tal vez uses una escala de centímetros. Pero no usarías centímetros para medir la distancia entre Los Ángeles y la ciudad de Nueva York. En cambio, usarías una unidad más grande, como el kilómetro. De igual modo, los átomos están en una escala diferente, denominada escala atómica. Los científicos suelen usar la unidad picómetro (pm) para describir el tamaño de los átomos. Los picómetros tienen 10–12 metros de largo, lo que significa que hay 1 billón de picómetros en 1 metro. Si los átomos son tan pequeños, ¿qué instrumentos se pueden usar para verlos?
Los átomos son extremadamente diminutos; por lo tanto, es útil pensar en ellos en escalas diferentes. Son tan diminutos que un grano de arena contiene 50 trillones de átomos. Pero, si cada uno de los átomos del grano de arena fuera del tamaño de una pelota de ping-pong, llenarían el Gran Cañón 500,000 veces, como se muestra en la ilustración.
Átomos y elementos
9
Diseño de ingeniería
2. Instrumentos de ingeniería para observar átomos A través de la historia de la ciencia, los científicos desarrollaron tecnologías y métodos cada vez mejores para observar objetos cada vez más pequeños. Algunos microscopios permitieron a los científicos observar objetos tan pequeños como bacterias y otros microorganismos. Los rayos X les permitieron visualizar las estructuras del interior de las células. Pero no podían ver cada átomo por separado. Definir el problema de ingeniería A fines de la década de 1970, dos físicos llamados Heinrich Rohrer y Gerd Binnig decidieron abordar el problema e intentar ver los átomos directamente. Conocían las técnicas existentes, pero decidieron que mejorar esas técnicas no les permitiría ver objetos del tamaño diminuto de los átomos. En cambio, intentaron pensar en una técnica completamente nueva. Querían desarrollar una técnica que les permitiera ver, medir y mover cada átomo por separado. Esos eran sus criterios principales. Los criterios son requisitos que se deben cumplir para que una solución de ingeniería funcione. Rohrer y Binnig tenían que definir sus criterios con precisión. Necesitaban una resolución de al menos 100 picómetros para ver los átomos individuales. En general, los ingenieros tienen que trabajar teniendo en cuenta algunas restricciones, como plazos de tiempo o presupuestos estrictos. Las restricciones son limitaciones en el rango de las soluciones posibles para un problema de diseño. Rohrer y Binnig, sin embargo, trabajaban en un laboratorio de investigación donde no tenían un plazo estricto ni restricciones de presupuesto. Solo tenían que demostrar regularmente que avanzaban hacia una solución. Sin embargo, estaban limitados por la tecnología que tenían a disposición. La tecnología no les permitía ver partículas del tamaño de los átomos. Además, tenían que hacer mediciones tan precisas que no podían trabajar cuando había otras personas en el edificio. Debían hacer las mediciones por la noche para que las vibraciones de las personas que estaban en el edificio no afectaran los resultados.
Los átomos están en una escala muy pequeña, por lo que no se los puede ver con instrumentos convencionales. A fines de la década de 1970, dos físicos llamados Heinrich Rohrer y Greg Binnig definieron los criterios y las restricciones que debían considerar en la búsqueda de una solución satisfactoria para el problema de ingeniería de cómo lograr ver los átomos.
10
Lección 1
“Ver” átomos Rohrer y Binnig trabajaron en soluciones posibles durante muchos años. Construyeron varios dispositivos y pusieron a prueba diferentes técnicas. Al final, en 1981, construyeron un microscopio con el que se podían observar átomos de manera fiable. A diferencia de las clases de microscopios anteriores, el de ellos no usaba lentes ni luz. En cambio, tenía una sonda delgada que producía y detectaba la corriente eléctrica. El microscopio que crearon todavía se usa. La sonda se mueve hacia atrás y hacia adelante sobre una superficie. Cuando la sonda está cerca de un átomo, hay una corriente eléctrica. Cuando está más lejos de un átomo, hay menos corriente eléctrica. Eso permite detectar la forma de la superficie de manera tan precisa que se puede distinguir cada átomo individual. Los científicos pueden observar la forma de los átomos mirando cómo cambia la cantidad de corriente eléctrica a medida que la sonda se mueve sobre los átomos. Es similar a la manera en que se “ven” los puntos del sistema braille cuando se pasan los dedos sobre ellos. Rohrer y Binnig llamaron a su nuevo microscopio “microscopio de efecto túnel” (STM, por sus siglas en inglés). El STM fue un descubrimiento tan innovador que Rohrer y Binnig ganaron el Premio Nobel apenas cinco años después, en 1986. El STM no solo demostró que existen partículas de materia diminutas llamadas átomos, sino también que los átomos se agrupan en patrones característicos. Por primera vez, los científicos podían distinguir claramente los átomos y ver cómo eran.
El microscopio de efecto túnel permitió a los científicos ver los átomos por primera vez. Esta imagen es una de las primeras que se tomaron con el STM. Muestra átomos de silicio dispuestos en anillos hexagonales.
Átomos y elementos
11
Figura 1.3 Algunos grupos de tres elementos con propiedades similares muestran un patrón en el que, cuando se disponen en orden según la masa atómica, el elemento del medio tiene propiedades que se encuentran entre las propiedades de los otros dos. Los tres elementos metálicos litio, sodio y potasio tienen aspectos similares. Los tres reaccionan con el agua, pero lo hacen en distintos grados.
3. Clasificar los elementos Mucho antes de que pudieran ver los átomos individuales, los científicos encontraron maneras de estudiar, identificar y clasificar los elementos. Si tuvieras que organizar tu armario, ¿cómo lo harías? Una manera sería observar el color y la forma de la ropa. ¿Cómo clasificaban los elementos los científicos si no veían cómo eran los diferentes átomos? A principios del siglo XIX, un científico alemán llamado Johann Döbereiner notó un patrón interesante en algunos elementos. Observó que el litio, el sodio y el potasio eran todos metales grises y blandos. También notó que los tres elementos reaccionaban con el agua. Agrupó estos tres elementos basándose en su propiedad de reaccionar con el agua. Sin embargo, no reaccionaban exactamente de la misma manera. La única reacción del litio puro cuando se expone al agua es entrar en efervescencia. El sodio puro a veces reacciona con tal violencia que genera fuego cuando se mezcla con agua. El potasio puro prácticamente explota cuando se moja. Döbereiner luego investigó la masa atómica de estos tres elementos. La masa atómica es la masa de un solo átomo; todos los átomos de un elemento tienen la misma masa atómica. Los científicos registran la masa atómica con una unidad de medida llamada dalton (Da). La masa atómica del hidrógeno es 1 Da. La del oxígeno es 16 Da. Cuando Döbereiner dispuso el litio, el sodio y el potasio en orden creciente según su masa atómica, descubrió que el elemento del medio (el sodio) tenía una masa atómica que estaba casi exactamente a mitad de camino entre las masas atómicas de los otros dos elementos. Descubrió que la masa atómica del sodio, 23 Da, estaba cerca del promedio de la masa del litio (7 Da) y del potasio (39 Da). Se basó en sus observaciones y en las masas atómicas para predecir que el elemento del medio en este tipo de grupos reaccionaría y se comportaría como un intermedio de los otros dos.
El aspecto y el comportamiento similares de los elementos de un grupo Litio
12
Sodio
Lección 1
Potasio
4. La tabla periódica A mediados del siglo XIX, el científico inglés John Newlands continuó pensando en la idea de Döbereiner de que los elementos presentaban patrones en su masa atómica. Newlands dispuso todos los elementos conocidos en ese entonces en orden creciente según su masa atómica. Una vez que los organizó, notó que los elementos tenían características similares que se repetían cada ocho elementos. Al poco tiempo, el científico ruso Dmitri Mendeléyev ordenó los elementos en una tabla con ocho columnas verticales. Hizo una lista con los elementos y los ubicó de izquierda a derecha a lo largo de filas horizontales de la tabla, de manera tal que aumentaban en masa atómica. Los elementos en la fila de abajo tienen una masa atómica mayor que los elementos en la fila que está justo arriba de ellos. Mendeléyev no solo ordenó los elementos según su masa atómica, sino que también los agrupó en columnas según características similares. Mendeléyev encontró el mismo patrón de propiedades y masa atómica que Döbereiner. Sabía que el litio, el sodio y el potasio tenían propiedades similares. Por lo tanto, ubicó estos tres elementos en la misma columna de la tabla. Mendeléyev sabía que las propiedades compartidas de cada columna eran importantes. Por lo tanto, cuando un elemento se podía ubicar según el orden de la masa atómica pero no compartía propiedades con su columna, dejó un espacio en blanco en la tabla. Predijo que el espacio en blanco era el lugar de un elemento que todavía no se había descubierto. También predijo que las propiedades serían similares a las de los otros elementos de esa columna. Incluso usó los promedios de las masas atómicas a cada lado del elemento que faltaba para predecir la masa atómica. Las predicciones de Mendeléyev resultaron correctas. A fines del siglo XIX, los científicos descubrieron tres elementos que coincidían con las propiedades predichas de los espacios en blanco de la tabla de Mendeléyev: el galio, el escandio y el germanio. Mendeléyev había diseñado la primera versión útil de una herramienta importante. Esta herramienta se conocería luego como la tabla periódica. La tabla periódica de los elementos es una tabla que enumera todos los elementos conocidos y los agrupa en columnas según las propiedades importantes que tienen en común. En 1871, Dmitri Mendeléyev enumeró los elementos en orden creciente de masa atómica en una tabla con 8 columnas. Esta imagen de su tabla periódica muestra los espacios que dejó en blanco cuando los elementos no tenían las mismas propiedades que los otros elementos en una columna. Usó estos espacios en blanco para predecir correctamente la existencia de elementos con esas propiedades y esa masa atómica.
Átomos y elementos
13
Concepto científico clave
La tabla periódica de los elementos
Hidrógeno
H
Todo lo que hay en el mundo está compuesto por partículas diminutas de materia llamadas átomos. Esos átomos son tan pequeños que se usa una escala diferente para pensar en ellos. Existen 92 tipos de átomos en la naturaleza. Una sustancia enteramente compuesta por solo uno de estos átomos se llama elemento. La tabla periódica enumera todos los elementos conocidos y los agrupa en columnas según las propiedades importantes que tienen en común.
1.008 Litio
Berilio
Li
6.9
Be
Sodio
Na
Magnesio
23.0
Mg
Potasio
K
39.1
85.5
Ca
40.1
Sr
87.6
Bario
132.9
Ba
Francio
Fr
Escandio
223
Sc
Estroncio
Cesio
Cs
24.3
Calcio
Rubidio
Rb
9.0
Itrio
Y
Ti
47.9
Circonio
88.9
Zr
91.2
Hafnio
137.3
Radio
Ra
45.0
Titanio
Hf
Rf
178.5
267
Lantano
La
138.9
Actinio
Ac 14
Lección 1
V
50.9 Niobio
Nb
227
Ta
92.9
180.9
Dubnio
Db
268
Cerio
Ce
140.1
Torio
Th
Cromo
Cr
Manganeso
52.0
Molibdeno
Tantalio
Rutherfordio
226
Vanadio
232.0
Mo
95.9
Mn
Tecnecio
Tc
Wolframio
W
183.8
Seaborgio
Sg
271
Praseodimio
Pr
140.9
Protactinio
Pa
231.0
54.9
98
Bohrio
272
144.2
Uranio
U
Ru
101.1
Co
Os
238.0
Hs
190.2
Rodio
Rh
277
145
Neptunio
Np
102.9
Ir
192.2
Meitnerio
Prometio
Pm
58.9
Iridio
Hassio
Neodimio
Nd
55.8
Osmio
186.2
Bh
Fe
Cobalto
Rutenio
Renio
Re
Hierro
237
Mt
276
Samario
Sm
150.4
Plutonio
Pu
244
Hidrógeno
Helio
Nombre
He
Cómo se usa Boro
H
B
1.008
Carbono
10.8
Aluminio
Símbolo
Níquel
Cobre
58.7
Paladio
Pd
106.4
Platino
Pt
195.1
Darmstatio
Ds
281
Europio
Eu
152.0
Americio
Am
12.0 Silicio
N
14.0
Oxígeno
O
Fósforo
16.0
Flúor
F
Azufre
Neón
19.0 Cloro
Ne
20.2
Argón
Masa atómica
Al
Ni
C
Nitrógeno
4.0
243
Cu
Cinc
63.5
Plata
Ag
107.9
197.0
Rg
280
Gadolinio
157.3
Curio
Cm
65.4
Cd
112.4
Ga
In
Hg
200.6
Copernicio
Cn
285
Terbio
Tb
Bk
Talio
158.9
247
Dy
204.4
284
162.5
Californio
Cf
Ge
72.6
Sn
118.7
Plomo
Nihonio
Nh
28.1
Estaño
Disprosio
Berquelio
247
69.7
114.8
Tl
Si
Germanio
Indio
Mercurio
Roentgenio
Gd
Galio
Cadmio
Oro
Au
Zn
27.0
251
Pb
207.2
287
Holmio
Ho
164.9
Einstenio
Es
31.0
Arsénico
As
74.9
Antimonio
Sb
121.8
Bismuto
Flerovio
Fl
P
252
Bi
209.0
Moscovio
Mc
288
Erbio
Er
32.1
167.3
257
Cl
Selenio
Se
79.0
Te
Br
Polonio
209
Livermorio
Lv
293
Tm
79.9
126.9 Astato
168.9
210
Teneso
258
Yb
293
83.8
Xe
131.3
Rn
222
Oganesón
Og
294
Lutecio
173.0
Nobelio
No
Kr
Radón
At
Ts
39.9
Xenón
Iterbio
Mendelevio
Md
I
Ar
Criptón
Yodo
127.6
Po
35.5
Bromo
Telurio
Tulio
Fermio
Fm
S
259
Lu
175.0
Laurencio
Lr
Átomos y elementos
262
15
5. Usar la tabla periódica Desde el diseño original de Mendeléyev, los científicos han mejorado la tabla. La tabla periódica moderna incluye los elementos que se descubrieron desde la época de Mendeléyev. Incluso con estos cambios, la idea básica es la misma y la tabla periódica continúa siendo una herramienta útil para los científicos. ¿Cómo puedes usar la tabla periódica para comprender los elementos? La tabla periódica es un modelo que organiza los elementos según sus propiedades y por la masa atómica creciente. Con muy pocas excepciones, las masas atómicas de los elementos aumentan a medida que vas de izquierda a derecha a lo largo de cada período, o fila de la tabla periódica. Y continúan aumentando hacia abajo de cada grupo, o columna de la tabla periódica. Figura 1.5 Los elementos de cada grupo (columna) de la tabla periódica suelen tener propiedades similares. Los elementos helio, neón y argón pertenecen al mismo grupo. Todos son gases a temperatura ambiente. El neón y el argón también se usan en las luces. De la misma manera, el litio, el sodio y el potasio son metales de color gris brillante que se queman en contacto con el agua.
Ubicación de los elementos El meticuloso diseño de la tabla periódica la convierte en una herramienta útil. El lugar de un elemento en la tabla te indica muchas cosas sobre sus propiedades. Los elementos dentro de un mismo grupo suelen tener propiedades similares. Por ejemplo, el grupo en el extremo derecho de la tabla contiene el neón, el argón y el criptón. Todos estos elementos son gases a temperatura ambiente. Los elementos del grupo en el extremo izquierdo, por otro lado, son casi todos metales sólidos que reaccionan cuando se los mezcla con agua. Los científicos usan esos patrones de la tabla periódica para predecir lo que sucederá si se mezclan dos elementos diferentes.
Grupos de la tabla periódica
16
Litio (Li)
Helio (He)
Sodio (Na)
Neón (Ne)
Potasio (K)
Argón (Ar)
Lección 1
Leer los nombres de los elementos La tabla periódica contiene tanta información que los científicos tienen que usar abreviaturas para que quepan todos los datos y sea de un tamaño que se pueda usar. Cada elemento tiene una abreviación de una, dos o tres letras que se llama símbolo químico. Los símbolos químicos son notaciones abreviadas que representan los nombres de los elementos. Algunos, como C para carbono y Ne para neón, probablemente tienen sentido. Eso es porque son versiones abreviadas del nombre del elemento tal como se escribe en español. Otras, como Pb para plomo y K para potasio, parecen más misteriosas. Vienen del nombre de estos elementos en otros idiomas. Por ejemplo, el símbolo químico del plomo, Pb, viene del latín plumbum, que significa plomo. Sin importar qué idioma hablen en su casa, los científicos de todo el mundo usan los mismos símbolos químicos para comunicarse sobre los elementos. Mostrar este “alfabeto químico” universal en una práctica tabla es apenas una de las muchas razones por las cuales la tabla periódica de los elementos es una herramienta científica tan útil.
RESUMEN DE LA LECCIÓN
Átomos y elementos Átomos Toda la materia está compuesta de partículas que son demasiado diminutas para verse a simple vista. Estas partículas son átomos de elementos. Una partícula individual de un elemento es un átomo. Los átomos son extremadamente pequeños; se miden con una escala de un tamaño mucho más pequeño que la de los objetos comunes: una escala de tamaño atómico. Instrumentos de ingeniería para observar átomos Para resolver el problema de cómo ver los átomos, los científicos definieron cuidadosamente criterios y restricciones, y diseñaron el microscopio de efecto túnel. Este microscopio permitió observar los átomos por primera vez. Clasificar los elementos En el siglo XIX, los científicos descubrieron que algunos grupos de tres elementos mostraban características similares y un patrón en sus masas atómicas. En estos grupos, el elemento del medio tiene una masa atómica que está casi exactamente a mitad de camino entre las masas atómicas de los otros dos elementos. Otras propiedades del elemento del medio en este tipo de grupos también parecen ser un promedio de las propiedades de los otros dos. La tabla periódica A mediados del siglo XIX, un científico llamado Mendeléyev ordenó los elementos según la masa atómica creciente y en columnas de propiedades compartidas. La tabla que creó se convirtió en la base de la tabla periódica moderna. Usar la tabla periódica La tabla periódica es una herramienta importante y un modelo para los científicos. Enumera todos los elementos conocidos y los agrupa en columnas según propiedades importantes que tienen en común. Los elementos dentro de un grupo suelen tener propiedades físicas similares y reaccionar con elementos de otros grupos específicos en razones similares. Para que todos los elementos quepan en la tabla periódica, se usan símbolos químicos que los representan.
Átomos y elementos
17
LEER MÁS A FONDO
Explorar el interior del átomo Desde el nacimiento de la idea del átomo, muchos se han preguntado qué hay dentro de esta partícula diminuta de materia. ¿Cómo pueden los científicos descubrir qué hay dentro del átomo? Descubrir el corazón de un átomo A principios del siglo XX, el físico británico Ernest Rutherford realizó un experimento. Disparó partículas de carga positiva, llamadas partículas α, contra una lámina de oro muy delgada. La lámina tenía apenas unos átomos de espesor: ¡era unas 100 veces más delgada que una fibra de algodón! Rutherford y su equipo esperaban ver que
Rutherford observó que, cuando se disparaban partículas α contra una lámina de oro, la mayoría la atravesaban. Pero cuando las partículas golpeaban ocasionalmente el núcleo en el centro del átomo de oro, rebotaban, como una bala que le pega a un objeto duro, pesado y pequeño.
las partículas α pasaran directamente, de la misma manera que una bala penetraría un trozo de papel. Sin embargo, su equipo observó un patrón diferente. La mayoría de las partículas α atravesaban la lámina, ¡pero algunas rebotaban! Esto solo podía pasar si una partícula α golpeaba algo mucho más pesado que ella. Rutherford señaló: “Fue lo más increíble que me pasó en la vida. Fue como si le dispararas con un proyectil de 15 pulgadas a un papel de seda y el proyectil volviera y te pegara a ti”. ¿Por qué las partículas α se comportaban de esta manera? Rutherford llegó a la conclusión de que la mayor parte de la materia de un átomo de oro estaba concentrada en un lugar diminuto, que llamó núcleo. El resto del átomo era en su mayor parte un espacio vacío. La mayoría de las partículas α pasaban a través del átomo sin golpear el núcleo. Cuando una partícula α golpeaba el núcleo, rebotaba, como si una bala golpeara un objeto pequeño y pesado dentro del átomo.
Pantalla fluorescente
Haz de partículas 𝛂
Átomo de oro (espacio vacío en su mayor parte)
Lámina de oro Fuente de partículas 𝛂 Núcleo
18
Lección 1
Espacio vacío en su mayor parte Rutherford se preguntó: ¿De qué está hecho el núcleo? Pensó que podía estar compuesto de partículas con carga positiva (llamadas protones), partículas con carga negativa (llamadas electrones), o una mezcla de ambas. Si el núcleo estaba compuesto solo de electrones, entonces las partículas α con carga positiva se pegarían al núcleo (así como los diferentes polos de un imán se atraen entre sí) en vez de rebotar. Si el núcleo estaba compuesto de protones, o una mezcla de protones y electrones, las partículas α rebotarían cuando golpearan el núcleo directamente. Sin embargo, esto no explicaba por qué las partículas α cambiaban levemente de dirección. Eso solo podía pasar si las rechazaba un núcleo con carga positiva. Rutherford llegó a la conclusión de que un átomo estaba compuesto de un núcleo de protones rodeado de electrones esparcidos en el espacio vacío. A partir de esas nuevas conclusiones, Rutherford propuso un modelo del átomo que es similar al de un sistema solar. El núcleo representa al sol y los electrones representan a los cuerpos celestes esparcidos en el espacio vacío alrededor del sol. Hoy en día, los científicos están de acuerdo en que la mayor
Ernest Rutherford descubrió que los átomos eran en su mayor parte espacio vacío con un núcleo de protones rodeado de órbitas de electrones.
parte del átomo es espacio vacío. Si tuvieras un átomo de oro del tamaño del nuestro sistema solar, el átomo tendría un núcleo del tamaño del sol. Casi toda su materia estaría dentro de ese núcleo. Sus electrones estarían en el espacio siguiendo órbitas cada vez más amplias. El electrón más lejano se encontraría más lejos que nuestro planeta más distante, Neptuno. Aunque un modelo de sistema solar no muestra todas las características de un átomo con exactitud, ¡te da una idea de cuánto espacio vacío hay en un átomo!
Un átomo, como un sistema solar, está compuesto en su mayor parte de espacio vacío. El núcleo de un átomo de carbono es 100,000 veces más pequeño que el átomo entero. En un sistema solar, el sol es más de 800 veces más pequeño que todo el sistema solar.
En qué se parecen el sistema solar y un átomo Modelo de un átomo
Núcleo Electrón
Modelo del sistema solar Sol
Neptuno
Átomos y elementos
19
Colisionador de átomos Los científicos continuaron investigando el átomo después del experimento de la lámina de oro de Rutherford. Aunque sabían que los átomos eran en su mayor parte un espacio vacío con protones y electrones, querían reunir más datos sobre estas partículas a través de experimentos. Pero ¿cómo podían estudiar átomos diminutos que eran decenas de miles de veces más pequeños que las bacterias? ¡Los electrones de los átomos pueden ser miles de veces más pequeños que el mismo átomo! Para estudiar el interior de un núcleo, los científicos decidieron romperlo. Supón que abres una computadora y miras dentro. Observarás que la computadora tiene chips de metal y cables, y que los cables conectan distintos componentes. Los científicos querían abrir un átomo de la misma manera; sin embargo, un átomo es demasiado pequeño y no se lo puede abrir fácilmente. Entonces, la única manera de abrirlo es romperlo. A diferencia de lo que ocurre cuando abres con cuidado una computadora, romper un átomo no daría una imagen clara del interior. Sin embargo, los científicos podrían estudiar los trozos que obtuvieran al romper el núcleo para aprender más sobre él. Podrían usar las partes rotas del interior del núcleo como evidencia para hacer predicciones y especular sobre cómo sería el interior de un núcleo si no estuviera roto. A principios de la década de 1930, los científicos construyeron el primer acelerador de partículas para colisionar átomos. Un acelerador de partículas es una máquina que dispara partículas diminutas, como protones, a gran velocidad. A medida que una partícula viaja a través del acelerador, los imanes la arrastran de manera tal que la partícula se mueve cada vez más rápido. Una vez que alcanza suficiente velocidad, los científicos colocan un núcleo en el camino de la partícula. La partícula golpea al núcleo y el núcleo se rompe. Entonces pueden estudiar los componentes del átomo. Para estudiar el interior de los átomos, los científicos construyen aceleradores de partículas. Los aceleradores de partículas son máquinas que disparan partículas diminutas a una velocidad muy alta para romper los átomos y poder abrirlos. Aquí, un científico revisa los imanes de un acelerador de partículas.
20
Lección 1
Un esfuerzo internacional Los aceleradores de partículas que se usan para estudiar el interior de un núcleo son muy difíciles de construir. La partícula debe moverse a una velocidad muy alta cuando golpea al átomo para que el átomo se rompa. Para lograr suficiente velocidad, las partículas deben viajar distancias largas. Un método para construir un acelerador de partículas es construir uno lineal. En un acelerador de partículas lineal, la mayor parte de la máquina se extiende en una sola línea larga. El acelerador de partículas lineal más largo es una máquina de 3 km de largo que se encuentra en la Universidad Stanford de California. Sin embargo, este no es el acelerador de partículas más grande. Existen aceleradores de partículas más grandes que tienen circuitos circulares. La partícula puede dar todas las vueltas necesarias para alcanzar la velocidad suficiente. Después de muchos años de trabajo en colaboración, los científicos construyeron un acelerador de partículas llamado Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés). El LHC en realidad es un círculo de 27 km de circunferencia y está en Europa, en la frontera entre Francia y Suiza. Científicos de todo el mundo se unieron para construir el LHC, y ahora se turnan para usarlo en sus experimentos. El LHC se empezó a usar en 2010. Con el paso de los años, se continuaron mejorando los equipos y los experimentos. El mundo entero está ansioso por ver cómo este enorme acelerador, y los nuevos que se podrían construir en el futuro, ayudarán al mundo a comprender al diminuto átomo. ◆
El acelerador de partículas más grande es el LHC y se encuentra en la frontera entre Francia y Suiza. El LHC es una máquina enorme de 27 km de circunferencia. ¡Fíjate si puedes encontrar a la persona que está parada dentro del LHC!
Átomos y elementos
21
En el Cuaderno interactivo del estudiante: • Pensarás en lo que ya sabes. • Tomarás notas a partir de la lectura. • Anotarás lo que descubras en cada investigación. • Mostrarás lo que has aprendido. Al final del año escolar, ¡podrás volver a mirar las páginas de tu cuaderno para recordar todo lo que exploraste en ciencias!
Cuaderno interactivo del estudiante
La materia
La materia
Cuaderno interactivo del estudiante Tu diario de investigación científica
La materia
www.teachtci.com 800-497-6138
100 % NGSS
L A C O M P O S I C I Ó N D E L A M AT E R I A
CUADERNO INTERACTIVO
Átomos y elementos O B S E R VA R F E N Ó M E N O S
1. Anota la masa de los globos antes y después de inflarlos. Luego determina la masa del aire que hay en cada globo. Globo
Masa del globo antes (g)
Cantidad de soplidos
A
2
B
3
C
4
D
5
Masa del globo después (g)
Masa del aire en el globo (g)
Fenómeno: Los globos tienen más masa cuando contienen aire, a pesar de que el aire es invisible.
2. ¿Qué preguntas tienes sobre este fenómeno?
© Teachers’ Curriculum Institute
Átomos y elementos
1
CUADERNO INTERACTIVO INVESTIGACIÓN 1
1. Clasifica los objetos que viste en tu salón de clases según estén compuestos o no de materia. Tienen materia.
No tienen materia.
2. Haz una lista de objetos que aparecen en el video que se puedan clasificar según tengan materia o no. Tienen materia.
No tienen materia.
3. Describe a tu compañero la diferencia entre materia y energía.
2
Átomos y elementos
© Teachers’ Curriculum Institute
CUADERNO INTERACTIVO 1 - Átomos
1. Lee la lista de objetos con atención y numéralos de menor a mayor, siendo “1” el más pequeño y “5” el más grande. hormiga átomo célula partícula de polvo pelota de ping-pong INVESTIGACIÓN 2
1. Anota cuántas veces puedes cortar el papel de aluminio por la mitad.
2. Anota los siguientes números en forma estándar. Notación científica
Forma estándar
2.23 × 1022 átomos 1.43 × 10-14 metros 3. Anota los siguientes números en notación científica en tu cuaderno. Forma estándar
Notación científica
11,100,000,000,000,000,000,000 cortes 3,500,000,000,000 siglos 3,500,000,000,000 siglos en años © Teachers’ Curriculum Institute
Átomos y elementos
3
CUADERNO INTERACTIVO
4. Anota aquí la categoría de tamaño que se te asignó.
5. Elige cinco objetos y clasifícalos según la categoría de tamaño que se te asignó. Objetos
4
Átomos y elementos
Orden predicho
Orden real
© Teachers’ Curriculum Institute
CUADERNO INTERACTIVO 2 - Instrumentos de ingeniería para observar átomos
1. Heinrich Rohrer y Gerd Binnig querían poder ver los átomos directamente. Haz una lista de los criterios y las restricciones del problema que intentaban resolver. Criterios
Restricciones
2. Supón que eres un ingeniero que intenta resolver el problema de identificar el elemento de un átomo. Necesitas construir una herramienta para hacerlo. ¿Cuáles son tus criterios? ¿Qué restricciones crees que podrías tener? Criterios
© Teachers’ Curriculum Institute
Restricciones
Átomos y elementos
5
CUADERNO INTERACTIVO INVESTIGACIÓN 3
1. Anota tu tema aquí.
2. Anota aquí los elementos relacionados con tu tema.
3. ¿Qué información importante incluirás en tu tabla periódica? Anota tus ideas aquí.
4. Organiza tus listas en grupos. Anota el nombre de cada grupo en la primera hilera y debajo anota todos los elementos del grupo.
6
Átomos y elementos
© Teachers’ Curriculum Institute
CUADERNO INTERACTIVO
5. Crea tu tabla periódica a continuación. Asegúrate de incluir una clave para que todos puedan leer tu tabla.
3 - Clasificar los elementos
1. El cobre, la plata y el oro son tres elementos que a menudo están agrupados. Suelen llamarse metales de acuñación. ¿Por qué crees que se llaman así?
© Teachers’ Curriculum Institute
Átomos y elementos
7
CUADERNO INTERACTIVO 4 - La tabla periódica
1. Muchos científicos organizaron los elementos en tablas. Compara la tabla periódica de Dmitri Mendeléyev con la de John Newland. ¿Qué similitudes ves? ¿Qué diferencias ves? Escribe un párrafo en el que expliques tus observaciones.
Tabla periódica de Dmitri Mendeléyev
Tabla periódica de John Newland
8
Átomos y elementos
© Teachers’ Curriculum Institute
CUADERNO INTERACTIVO 5 - Usar la tabla periódica
Usa la tabla periódica para responder las siguientes preguntas.
© Teachers’ Curriculum Institute
Átomos y elementos
9
CUADERNO INTERACTIVO
1. ¿Cuál es el nombre de los siguientes elementos? • Cu • Li • Ni • O • Pd • Po • Pt • S • Zn 2. Observa con atención la ubicación de estos elementos en la tabla periódica. Haz una predicción: ¿qué elementos tienen propiedades similares y por qué?
10
Átomos y elementos
© Teachers’ Curriculum Institute
CUADERNO INTERACTIVO COMPRENDER LOS FENÓMENOS
Fenómeno: Los globos tienen más masa cuando contienen aire, a pesar de que el aire es invisible. 1. Usa lo que aprendiste para explicar este fenómeno.
2. Toma notas de tu investigación en Internet sobre una de las siguientes categorías de la tabla periódica: • • • • •
Gases nobles Elementos radiactivos Metales de transición Semimetales No metales
© Teachers’ Curriculum Institute
Átomos y elementos
11
CUADERNO INTERACTIVO
3. Escribe un párrafo en el que describas las similitudes entre esos grupos de elementos y las diferencias respecto de los demás grupos.
4. Haz una lista de los usos comunes de la categoría sobre la que investigaste.
12
Átomos y elementos
© Teachers’ Curriculum Institute