QUÍMICA I SEGUNDA EDICIÓN
CON ENFOQUE POR COMPETENCIAS
EDUARDO MARTÍNEZ MÁRQUEZ
Segunda edición ión n
R
Con enfoque por competencias ias PRIME M ES T R E SE
Eduardo Martínez Márquez
Revisión técnica: Leticia Ángeles Malagón Vera Maestra en Competencias (M.C.)
Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur
Química I, segunda edición Eduardo Martínez Márquez Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: Fernando Valenzuela Migoya Director Editorial, de Producción y de Plataformas digitales para Latinoamérica: Ricardo H. Rodríguez Editora de Adquisiciones para Latinoamérica: Claudia C. Garay Castro Gerente de Manufactura para Latinoamérica: Raúl D. Zendejas Espejel Gerente Editorial en español para Latinoamérica: Pilar Hernández Santamarina Gerente de Proyectos Especiales: Luciana Rabuffetti Coordinador de manufactura: Rafael Pérez González Editora: Ivonne Arciniega Torres Diseño de portada: Lilia Palomino Red Studio Imágenes de portada: Estructura de la molécula de ADN © Palau/Shutterstock.com Composición tipográfica: Gerardo Larios García Luis Á. Arroyo Hernández Fotografías de interiores: Dreamstime Shutterstock
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CONTENIDO GENERAL
Presentación institucional del fondo editorial Cengage Learning para el estudiante ......... Presentación para el docente ......................................................................................................... ¿Cuáles componentes posee el libro? ............................................................................................ Acerca del autor ................................................................................................................................
ix xi xiv xvi
Bloque I Reconoces la química como una herramienta para la vida .........................................................................
2
¿Qué tanto sabes? ...........................................................................................................................
4
Objeto de aprendizaje: La química, una ciencia para la vida ....................
8
Relación de la química con otras ciencias .......................................................................................................
10
Los grandes momentos históricos de la química ........................................................................................
15
Objeto de aprendizaje: El método científico y sus aplicaciones ...............
18
El método científico en la vida cotidiana .........................................................................................................
19
Evaluación de aprendizaje ............................................................................................................. Proyecto: El método centífico aplicado al método científico ................................................... Rúbrica para la evaluación del proyecto ...................................................................................... Práctica de química: ¿Qué hay en la tinta? ................................................................................. Rúbrica para evaluar la práctica .................................................................................................... Rúbrica para evaluar el bloque .....................................................................................................
23 24 26 27 28 30
Bloque II Comprendes la interrelación de la materia y la energía ¿Qué tanto sabes?
.. 32
..........................................................................................................................
34
iv
Química I
Objeto de aprendizaje: Materia, propiedades y cambios ...........................
37
Características y manifestaciones de la materia ............................................................................................
37
Propiedades de la materia ....................................................................................................................................
38
Propiedades generales o extensivas ..........................................................................................................
39
Propiedades específicas o intensivas .........................................................................................................
40
Estados de agregación de la materia .................................................................................................................
42
Estado sólido .......................................................................................................................................................
42
Estado líquido ......................................................................................................................................................
43
Estado gaseoso ..................................................................................................................................................
43
Plasma ...................................................................................................................................................................
43
Cambios de estado de la materia .........................................................................................................................
45
Energía y su interrelación con la materia .........................................................................................................
49
Características y manifestaciones de la energía ............................................................................................
49
Manifestaciones de la energía .............................................................................................................................
50
Energía química ................................................................................................................................................
51
Energía calorífica ...............................................................................................................................................
51
Beneficios y riesgos en el consumo de energía ............................................................................................
52
Energías limpias .........................................................................................................................................................
52
Cambio ........................................................................................................................................................................
61
Cambio físico ......................................................................................................................................................
61
Cambio químico ................................................................................................................................................
62
Cambio nuclear ..................................................................................................................................................
63
Evaluación de aprendizaje ............................................................................................................. Proyecto: Vampiros eléctricos en los hogares, cómo eliminarlos ........................................... Rúbrica para la evaluación del proyecto ...................................................................................... Práctica de química: Estudio de los cambios de estado físico en el agua ............................... Rúbrica para evaluar la práctica ...................................................................................................... Rúbrica para evaluar el bloque ......................................................................................................
65 68 69 70 72 74
Bloque III Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones ........ 76 Objeto de aprendizaje: Modelos atómicos y partículas subatómicas .......
82
Primeras aproximaciones al modelo atómico actual ....................................................................................
82
Leyes ponderables y la teoría atómica de Dalton .........................................................................................
83
Contenido general
v
Objeto de aprendizaje: Se reconocen partículas subatómicas ..................
87
El electrón y el modelo atómico de Thomson ...............................................................................................
87
El protón y los rayos canales .................................................................................................................................
90
La radiación y el modelo de Rutherford ...........................................................................................................
91
El neutrón y los experimentos de James Chadwick .....................................................................................
97
Objeto de aprendizaje: Conceptos básicos: número atómico, número de masa y masa atómica .........................................................
99
Objeto de aprendizaje: Los isótopos y sus aplicaciones
........................... 103
Modelo atómico actual ...........................................................................................................................................
107
Los modelos de Bohr-Sommerfeld y los números cuánticos (n, l, m) ....................................................
108
Objeto de aprendizaje: Los números cuánticos
......................................... 111
Orbitales atómicos ...................................................................................................................................................
113
Objeto de aprendizaje: Configuración electrónica ...................................... 114 Proyecto: Aplicaciones médicas de los radiofármacos .............................................................. Rúbrica para la evaluación del proyecto .................................................................................... Práctica de química: Modelos atómicos ....................................................................................... Rúbrica para evaluar la práctica .................................................................................................... Rúbrica para evaluar el bloque .....................................................................................................
122 125 126 128 130
Bloque IV Interpretas la tabla periódica ................................................. 132 ¿Qué tanto sabes? ............................................................................................................................. 134
Objeto de aprendizaje: Elementos químicos
.............................................. 137
Antecedentes históricos de la clasificación de los elementos químicos ...............................................
137
Tabla periódica actual ............................................................................................................................................
141
Metales, no metales y semimetales o metaloides .........................................................................................
159
La importancia de los minerales en México ....................................................................................................
160
Proyecto: La máquina perfecta, el cuerpo humano .................................................................. Rúbrica para la evaluación del proyecto ..................................................................................... Práctica de química ......................................................................................................................... Rúbrica para evaluar la práctica .................................................................................................... Rúbrica para evaluar el bloque ......................................................................................................
166 167 168 171 172
vi
Química I
Bloque V Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares ................................................................ 174 ¿Qué tanto sabes? ........................................................................................................................... 176
Objeto de aprendizaje: Modelo de enlace iónico Objeto de aprendizaje: Regla del octeto
....................................... 179
...................................................... 179
Estructuras de Lewis ...............................................................................................................................................
180
Formación de iones y las propiedades periódicas ........................................................................................
183
Objeto de aprendizaje: Propiedades de los compuestos iónicos .............. 187 El modelo de enlace covalente ............................................................................................................................
190
Estructuras de Lewis y electronegatividad .....................................................................................................
190
Representación de enlaces covalentes mediante estructuras de Lewis ...............................................
191
Geometría molecular y polaridad .......................................................................................................................
195
Objeto de aprendizaje: Propiedades de los compuestos covalentes ........ 199 Objeto de aprendizaje: El modelo de enlace metálico
.............................. 200
Los electrones libres y la energía de ionización ............................................................................................
200
Propiedades de los metales ..................................................................................................................................
202
Objeto de aprendizaje: Fuerzas intermoleculares (dipolos inducidos y dipolos instantáneos) ......................................... 206 Interacciones dipolo-dipolo .................................................................................................................................
208
Dipolos inducidos ....................................................................................................................................................
208
Puente de hidrógeno ...............................................................................................................................................
210
Características del agua ..........................................................................................................................................
210
Otros elementos que presentan puentes de hidrógeno ............................................................................
212
Química cotidiana ......................................................................................................................................................
213
Proyecto: ¿La industria minero-metalúrgica, una solución económica o amenaza ecológica? ........................................................................................................... Rúbrica para la evaluación del proyecto .................................................................................... Práctica de química ......................................................................................................................... Rúbrica para evaluar la práctica ..................................................................................................... Rúbrica para evaluar el bloque .....................................................................................................
216 219 220 223 225
Contenido general
vii
Bloque VI Manejas la nomenclatura química inorgánica .................... 228 ¿Qué tanto sabes? ............................................................................................................................ 230
Objeto de aprendizaje: Reglas de UIQPA para escribir fórmulas y nombres de los compuestos químicos inorgánicos ......................... 232 Lenguaje de la química ...........................................................................................................................................
232
Nomenclatura ............................................................................................................................................................
235
Nomenclatura tradicional ..............................................................................................................................
236
Nomenclatura Stock ........................................................................................................................................
237
Nomenclatura sistemática .............................................................................................................................
237
Escritura de fórmulas ..............................................................................................................................................
239
Moléculas simples .............................................................................................................................................
242
Compuestos binarios ...............................................................................................................................................
243
Óxidos no metálicos (óxidos ácidos) .................................................................................................................
245
Óxidos metálicos (óxidos básicos) .....................................................................................................................
248
Hidruros metálicos
.................................................................................................................................................
248
Sales ..............................................................................................................................................................................
249
Compuestos ternarios o superiores ..................................................................................................................
250
Oxiácidos ....................................................................................................................................................................
251
Oxisales ........................................................................................................................................................................
253
Hidróxidos ...................................................................................................................................................................
254
Proyecto: Contaminantes y sus efectos en la salud .................................................................. Rúbrica para la evaluación del proyecto ...................................................................................... Práctica de química ......................................................................................................................... Rúbrica para evaluar la práctica .................................................................................................... Rúbrica para evaluar el bloque .....................................................................................................
263 265 266 268 270
Bloque VII Representas y operas reacciones químicas
........................ 272
¿Qué tanto sabes? ............................................................................................................................. 274
Objeto de aprendizaje: Símbolos de las ecuaciones químicas Objeto de aprendizaje: Baanceo de ecuaciones químicas
................ 276
........................ 278
Método por tanteo o de ensayo y error ...........................................................................................................
278
viii
Química I
Balanceo por óxido-reducción (redox) .............................................................................................................
281
Objeto de aprendizaje: Tipos de reacciones químicas ............................... 292 Proyecto: Productos químicos en el hogar con riesgo de intoxicaciones .............................. Rúbrica para la evaluación del proyecto ..................................................................................... Práctica de química ........................................................................................................................... Rúbrica para evaluar la práctica .................................................................................................... Rúbrica para evaluar el bloque ......................................................................................................
303 305 306 308 310
Bloque VIII Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas .................... 312 ¿Qué tanto sabes? ............................................................................................................................ 314
Objeto de aprendizaje: Reacciones exotérmica y endotérmica ............... 317 Objeto de aprendizaje: Entalpía
................................................................... 318
Objeto de aprendizaje: Velocidad de reacción ............................................ 326 Objeto de aprendizaje: Factores que modifican la velocidad de reacción . 329 Objeto de aprendizaje: Desarrollo sostenible .............................................. 331 Proyecto: Consumismo e impacto ambiental ............................................................................ Rúbrica para la evaluación del proyecto ..................................................................................... Práctica de química ......................................................................................................................... Rúbrica para evaluar la práctica .................................................................................................. Rúbrica para evaluar el bloque ......................................................................................................
333 334 338 340 342
Presentación institucional del fondo editorial Cengage Learning para el estudiante Estimada(o) estudiante: El libro que tienes en tus manos constituye un compromiso que Cengage Learning Editores ha establecido con la educación de los jóvenes en México. Las condiciones sociales, económicas y culturales de la actualidad exigen la formación de ciudadanos con capacidades intelectuales y actitudinales que les permitan contribuir al desarrollo constante y sostenible de su entorno; que sean personas reflexivas que posean opiniones personales, así como la habilidad para interaccionar en contextos plurales; que asuman un papel propositivo como integrantes de la sociedad a la que pertenecen, disciernan sobre lo que es relevante y lo que no lo es, establezcan objetivos precisos con base en la información verificable y tengan la inquietud de actualizarse continuamente. Por ello, Cengage Learning Editores se dio a la tarea de renovar y mejorar las propuestas educativas que hasta la fecha ha ofrecido a jóvenes que estudian el bachillerato, de manera que estas constituyan para ustedes verdaderas herramientas de apoyo y les ayuden a responder en forma positiva ante las exigencias y los retos de hoy en día. Química I con enfoque por competencias, segunda edición, corresponde al programa oficial vigente para los estudiantes de la asignatura de Química I del Bachillerato General, dentro del campo disciplinar de las ciencias experimentales, en el que se busca que te conviertas en un ciudadano reflexivo, capaz de interpretar tu entorno social y cultural de manera crítica, y que no solo te adaptes a las condiciones de la realidad, sino que intervengas en su construcción y transformación valorando prácticas distintas a las tuyas y, de este modo, asumiendo una actitud responsable hacia los demás. En este libro se proponen actividades y proyectos que te permitirán consolidar, diversificar y fortalecer los aprendizajes adquiridos. Encontrarás mayor sentido de lo que vas aprendiendo al hacer conexiones entre lo que vas estudiando y la realidad de tu entorno. Esta propuesta educativa se orienta principalmente a que: • Reconozcas los grandes momentos de la química y su influencia en el desarrollo de la Humanidad, conjuntamente con el estudio del método científico como herramienta importante para la resolución de problemas. • Comprendas las interrelaciones de la materia y la energía. • Estudies los modelos atómicos que dieron origen al modelo atómico actual y sus aplicaciones en la vida cotidiana. • Hagas una interpretación de la tabla periódica y analices los antecedentes que dieron lugar a la tabla periódica actual, finalizando con un estudio de los metales y no metales más importantes del país desde el punto de vista socoeconómico.
x
Química I
• Relaciones las propiedades macroscópicas de las sustancias con los diferentes modelos de enlace tanto interatómicos como intermoleculares. • Identifiques los diferentes compuestos a través del uso del lenguaje de la química y promuevas el uso de normas de seguridad para el manejo de los productos químicos. • Describas los diferentes tipos de reacciones químicas y apliques la ley de conservación de la materia al balancear las ecuaciones. • Estudies los factores que intervienen en la velocidad de una reacción química conjuntamente con los intercambios de calor que experimenta la reacción finalizando con un análisis del consumismo y el impacto que esto genera en el medio ambiente y en tu vida cotidiana. Ten la seguridad de que realizando lo anterior con entusiasmo no solo aprenderás más sobre las ciencias experimentales, sino que desarrollarás actitudes y aptitudes que te permitirán un mejor desenvolvimiento dentro de tu entorno escolar, familiar y social.
Presentación para el docente La Reforma Integral de la Educación Media Superior ha instrumentado la definición de un Marco Curricular Común basado en un enfoque por competencias que permita “Establecer en una unidad común, los conocimientos, habilidades, actitudes y valores que el egresado de bachillerato debe poseer”, entendiendo por competencia: “La capacidad de movilizar recursos cognitivos para hacer frente a un tipo de situaciones”, con buen juicio, a su debido tiempo, para definir y solucionar verdaderos problemas.1 Esta Reforma, a través de los programas de Química I, ha permitido que el estudiante de primer semestre reconozca esta ciencia como parte importante de su vida diaria y como una herramienta para resolver problemas del mundo que nos rodea, implementando el método científico como un elemento indispensable en su resolución y exploración con la finalidad de contribuir al desarrollo humano y científico. En el libro se desglosan los 8 bloques que componen el programa de la Dirección General del Bachillerato: Bloque I. Reconoces a la química como una herramienta para la vida Bloque II. Comprendes la interrelación de la materia y la energía Bloque III. Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones Bloque IV. Interpretas la tabla periódica Bloque V. Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares Bloque VI. Manejas la nomenclatura química inorgánica Bloque VII. Representas y operas reacciones químicas Bloque VIII. Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas
Se ha procurado que los bloques contengan un número suficiente de actividades de aprendizaje, ya que su objetivo primordial es facilitar la formulación y/o resolución de situaciones o problemas de manera integral en cada uno, y de garantizar el desarrollo gradual y sucesivo de distintos conocimientos, habilidades, valores y actitudes, en el alumnado. Las actividades de aprendizaje se han diseñado persiguiendo los saberes requeridos para el logro de las unidades de competencia (conocimientos, habilidades y actitudes y valores) sugeridos en los programas oficiales y apegados a las Competencias disciplinares básicas del campo de las ciencias experimentales, inherentes a la química, que son: • Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. • Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. • Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para respoderlas. 1
Philippe Perrenoud. “Construir competencias desde la escuela”. Ediciones Dolmen, Santiago de Chile.
xii
Química I
• Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. • Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. • Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a apartir de evidencias científicas. • Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. • Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nociones científicas. • Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos. • Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. • Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. • Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece. • Relaciona los niveles de organización química, biológica y ecológica de los sistemas vivos. • Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. Las actividades pueden ser resueltas de manera individual, en pequeños grupos, en equipos o en grupo por todos los alumnos de la clase, en los espacios indicados en el libro, que debe considerarse parte del portafolio de evidencias de desempeño y de conocimiento correspondiente, o bien en hojas separadas, para integrarlas después en dichos portafolios. Las actividades de aprendizaje deben servir como indicadores de desempeño para lograr las Unidades de competencia y deben ser corregidos y evaluados cualitativa y cuantitativamente. El libro brinda al docente una serie de instrumentos de evaluación, pero pueden ser modificados para satisfacer las necesidades del grupo. Debemos recordar que el rol del docente es facilitar el proceso educativo diseñando actividades significativas integradoras que permitan al estudiante vincular los saberes previos con los objetos de aprendizaje; propiciar el desarrollo de un clima escolar adecuado, afectivo, que favorezca la confianza, seguridad y autoestima del alumnado, motivándolo a proponer temas actuales e importantes que los lleven a usar las Tecnologías de la Información y la Comunicación como un instrumento real de comunicación; despertar y mantener el interés y deseo de aprender al establecer relaciones y aplicaciones de las competencias en su vida cotidiana, así como su aplicación y utilidad; ofrecer alternativas de consulta, investigación y trabajo utilizando de manera eficiente las tecnologías de información y comunicación; incorporar diversos lenguajes y códigos (iconos, hipermedia y multimedia) para potenciar los aprendizajes del alumnado; coordinar las actividades de las alumnas y los alumnos ofreciendo una diversidad importante de interacciones entre ellos; favorecer el trabajo colaborativo de los estudiantes; utilizar diversas actividades y
Presentación para el docente
dinámicas de trabajo que estimulen la participación activa en la clase; conducir las situaciones de aprendizaje bajo un marco de respeto a la diferencia y de promoción de valores cívicos y éticos y diseñar instrumentos de evaluación del aprendizaje considerando los niveles de desarrollo de cada uno de los grupos que atiende, fomentando la autoevaluación y coevaluación por parte del alumnado y el trabajo colegiado interdisciplinario con sus colegas. Es por esta razón, que el libro jamás podrá suplir la responsabilidad del docente y que solo representa una herramienta para el trabajo en el aula. Es importante tener presente durante el curso, que la Reforma Integral de la Educación Media Superior pretende proporcionar al estudiante, una educación pertinente que le permita relacionar su entorno con la escuela, por lo que el bachillerato debe orientarse al desarrollo de los futuros ciudadanos a través de las competencias genéricas (transversales) que construyan su perfil de egreso y que deben permear a todas las asignaturas y proporcionar las capacidades básicas que le permitan seguir aprendiendo a lo largo de su vida. Las competencias genéricas, con sus atributos, para el bachillerato son: 1. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los
objetivos que persigue. 2. Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación de sus expresio-
nes en distintos géneros. 3. Elige y practica estilos de vida saludables. 4. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos me-
diante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados. 5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos
establecidos. 6. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general, con-
siderando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva. 7. Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida. 8. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos. 9. Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de su comunidad, región, México y el mundo. 10. Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la diversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales. 11. Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con acciones responsables. Habría que considerar que los atributos de las competencias genéricas, que articulan y dan identidad a la Educación Media Superior de México, desaparecieron de los programas de estudio de la Dirección General del Bachillerato. Sin embargo, el docente deberá tenerlos en cuenta en el diseño de las actividades, así como en todo el proceso del modelo educativo.
xiii
¿Cuáles componentes posee el libro? Entrada del bloque. Aquí se mencionan los objetos de aprendizaje que estudiarás en cada bloque, así como los desempeños y la competencias correspondientes; funciona como apoyo para que los visualices y sintetices.
¿Qué tanto sabes? A partir de esta sección será posible obtener información pertinente sobre tus conocimientos previos y planear estrategias que promuevan tu aprendizaje.
Autoevaluación. Con ellas podrás valorar tu desempeño en la actividad que la precede.
Actividades de aprendizaje. Mención de las actividades que deberás realizar en el transcurso del estudio del tema y la puntuación que se asignará a cada una.
Desarrollo temático. La presentación y explicación de los objetos de aprendizaje establecidos por la DGB; una característica de este texto es su redacción amigable para ti.
¿Cuáles componentes posee el libro?
Actividades. Ejercicios para que practiques lo aprendido; algunas se proponen como: individuales,
o en equipo; al observar el icono correspondiente puedes diferenciarlas.
Glosario. Resalta los téminos clave y te ayuda a localizarlos en el texto.
Evaluación de aprendizaje. Con esta sección se verificará tu nivel de aprendizaje, si se alcanzaron los objetivos planteados y si se acreditan o no.
Listas de cotejo. Con ellas evaluarás las actividades correspondientes a cada objeto de aprendizaje.
Prácticas de Química y Proyectos. Para que puedas trasladar los saberes adquiridos a una situación real y controlada.
xv
Acerca del autor
Eduardo Martínez Márquez
El profesor Eduardo Martínez Márquez es especialista en Bioquímica y Química de suelos por la Facultad de Estudios Superiores Zaragoza de la Universidad Nacional Autonoma de México. En su amplia experiencia profesional ha sido docente de Química y Biología en la Escuela Profesional de Contabilidad y Administración, el Centro de Educación Preparatorio, S. C., la Escuela Comercial Cámara de Comercio, la Escuela Comercial de la Ciudad de México y el Colegio Williams; también ha impartido las disciplinas de Química, Álgebra superior, Algebra lineal y Geometría analítica en la Universidad Tecnológica de México (UNITEC). También se ha desempeñado como asesor académico en el área de Ciencias Naturales, en el Departamento de Desarrollo Académico de la Dirección General del Bachillerato, perteneciente a la Subsecretaría de Educación Media Superior, de la Secretaría de Educación Pública (SEP). Entre las actividades que ha realizado se encuentran la revisión de los programas de estudio de las materias de Biología, Química, Física, Matemáticas, Geografía y Ecología; la evaluación de las propuestas de materiales didácticos de los diferentes colegios que integran los subsistemas en todo el país; la asistencia a reuniones académicas para la evaluación didáctica y la participación en la Reforma Curricular del Bachillerato General, entre otras. Ha impartido cursos sobre impacto ambiental y sus consecuencias actuales, tópicos de química, manejo de programas de estudio y manejo del libro de Química I para bachillerato. Es autor de los libros Química 1 (Cengage), Química 2 (Cengage); Temas Selectos de Química I, (Cengage, 2010) y Temas Selectos de Química II (Cengage, 2008).
Bloque I Reconoces la quĂmica como una herramienta para la vida
Propósito: Reconoce a la química como parte de su vida cotidiana, tras conocer el progreso que ha tenido esta a través del tiempo y la forma en que ha empleado el método científico para resolver problemas del mundo que nos rodea, así como su relación con otras ciencias que conjuntamente han contribuido al desarrollo de la Humanidad. Desempeños del estudiante al concluir el bloque: z Comprende el concepto de química, su desarrollo histórico y su relación con otras ciencias. z Utiliza el método científico en la resolución de problemas de su entorno inmediato relacionados con la química.
Objetos de aprendizaje: z La química, una ciencia para la vida. z El método científico y sus aplicaciones.
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Competencias a desarrollar: z Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. z Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.
z Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. z Obtiene, registra y sistematiza la información para responder preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. z Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. z Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. z Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. z Reconoce y comprende las implicaciones biológicas y económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente. z Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. z Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente. Este bloque sirve para que: z Expliques el concepto de química y sus aplicaciones, utilizando ejemplos reales de tu vida cotidiana. z Relates los momentos trascendentales que ha vivido el desarrollo de la química, a través del tiempo. z Establezcas la relación de la química con las matemáticas, la física y la biología, utilizando ejemplos reales de tu vida cotidiana. z Expliques la forma en que el método científico ha ayudado a la química en la resolución de problemas. z En un nivel inicial, observes y analices un fenómeno, hecho o situación de la vida cotidiana; formules una hipótesis, experimentes y obtengas las conclusiones correspondientes. Con el aprendizaje y la práctica podrás: z Desarrollar un sentido de responsabilidad y compromiso al reconocer que la química se aplica de manera permanente en tu vida diaria. z Valorar las aplicaciones de la química en tu vida cotidiana y en el desarrollo de la Humanidad. z Mostrar interés por participar en actividades experimentales y/o de campo. z Promover el trabajo metódico y organizado.
4
¿Qué tanto sabes? Contesta las siguientes preguntas. 1. ¿Qué estudia la química?
2. ¿Cómo se relaciona la química con el hogar?
3. Identifica cinco compuestos químicos en diversos productos de uso cotidiano.
4. Menciona cinco productos de origen natural y cinco de origen sintético.
5. ¿Qué entiendes por materia?
6. Menciona dos aspectos en los que la química ha contribuido a mejorar la calidad de vida.
7. Menciona con qué otras ciencias tiene relación la química.
8. ¿Consideras que la química ha beneficiado o perjudicado al medio ambiente?
9. ¿Por qué es importante que estudies química?
10. ¿Qué problemas del cuidado personal crees que haya resuelto la química?
Bloque I Reconoces la química como una herramienta para la vida
5
¿Qué está pasando?
El siguiente hecho real se presentó en cierta comunidad a principios de la década de 1980 en la región del bajo río Coatzacoalcos, Veracruz, y continúa ocurriendo hasta nuestros días en algunas otras zonas del país. En ese tiempo hubo una situación anormal en las mujeres embarazadas de la región: el índice de abortos se incrementó respecto a la media nacional y estatal, además de otras complicaciones que padecía la población, como un aumento en los casos de alteraciones renales, hipertensión arterial, asma, irritación cutánea, trastornos mentales y dificultades en el sistema óseo, entre otras afecciones. ¿Cuándo decimos que ocurre algo anormal? Sucede que hay patrones de comportamiento específicos de las enfermedades. Por ejemplo, en la época de invierno son frecuentes las enfermedades de vías respiratorias como la gripe o el resfriado, que no lo son tanto en la temporada de primaveraverano, tal es el caso de lo acontecido hace no mucho en la Ciudad de México donde se reportaron cuadros de gripe que no eran comunes en primavera, alertando a la comunidad médica sobre una posible epidemia generada por la mutación de un nuevo virus proveniente de los cerdos, al que llamaron influenza A (H1N1). La alerta epidemiológica previno a la población y el número de muertes fue inferior a lo que pudo haberse dado en caso contrario. Entonces, toda aquella enfermedad o patrón de salud del que se tenga conocimiento o información, que se presente en tiempos y formas diferentes, se considera anormal. Lo acontecido en las comunidades cercanas al río Coatzacoalcos despertó el interés de los científicos, que se dieron a la tarea de indagar lo que provocaba esta serie de problemas de salud. Una de las primeras acciones de los investigadores fue entrevistar a la población respecto a sus actividades, hábitos y costumbres, que incluían la alimentación y la higiene. Dieron un vistazo al medio físico donde se encontraban estas comunidades y se fijaron
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Lee con atención lo siguiente.
en los complejos petroquímicos más importantes de México: las plantas Lázaro Cárdenas, Morelos, Cangrejera, Cosoleacaque y Pajaritos, donde se produce la mayor parte de la gasolina, la turbosina, el combustolio y el gas licuado del país. Aparentemente la respuesta al problema se encontraba en los productos de desecho que estas plantas emiten al medio ambiente. Sin embargo, era preciso demostrar esta suposición con hechos, lo que llevó a los científicos, por principio de cuentas, a recabar la información existente respecto a estudios anteriores (que en realidad había desde 1975) y después a realizar investigaciones del medio ambiente que incluían organismos como peces, vegetales y posteriormente aguas, suelos y aire de la zona. Cabe aclarar que la misma población estuvo sometida a estudios sobre todo de sangre y muestras de tejidos. Después de las pruebas exhaustivas encontraron que los causantes del problema eran los metales pesados (plomo, mercurio, cromo y níquel) y algunas sustancias orgánicas producto de la actividad de otras empresas como la de fertilizantes determinando, por ejemplo, que la cantidad de plomo en la sangre de los habitantes fuera casi tres veces mayor en comparación con los que viven en la Ciudad de México. El límite permisible es de 10 microgramos por decilitro y se encontraron concentraciones de hasta 25.4 microgramos.
Química I
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Lo que hicieron los científicos parece simple en papel, pero en realidad fue un proceso arduo y complejo. Sin embargo, usaron un método muy poderoso que les ayudó a definir qué era lo que afectaba a la comunidad de las partes bajas del río Coatzacoalcos. Lo anterior nos conduce al planteamiento de las siguientes preguntas relacionadas con el método científico; una herramienta imprescindible y tan importante en la resolución de problemas reales como el que se ha narrado en párrafos anteriores.
Integra un equipo, contesta las siguientes preguntas en forma individual y compara tus respuestas con las de tus compañeros, para después socializar con el grupo. 1. ¿Conoces el método científico? ¿Qué importancia tiene?
2. ¿Recuerdas las etapas que constituyen el método científico?
3. Describe brevemente en qué consiste cada una de sus etapas.
4. ¿Cuál consideras la fase más importante del método, si la hay, y por qué?
5. Identifica las etapas del método científico para resolver el problema planteado y completa la tabla.
Etapas del método científico
Descripción
Bloque I Reconoces la química como una herramienta para la vida
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6. ¿Qué repercusiones sociales, económicas y de medio ambiente tiene la emisión de sustancias tóxicas generadas
por la industria? Repercusiones sociales:
Repercusiones económicas:
Repercusiones al medio ambiente:
7. ¿Qué otras áreas del conocimiento intervienen en el problema de las comunidades cercanas al río Coatzacoalcos
y de qué manera actúan?
Autoevaluación OBSERVACIONES Desempeño Identifiqué las ideas principales del tema. Localicé la información específica del texto planteado. Utilicé la información contenida para desarrollar la evaluación diagnóstica. Relacioné los conocimientos previos con el tema que se va a revisar en el bloque. Realicé los ejercicios con honestidad y en el tiempo requerido. Solicité ayuda del (de la) profesor(a), para que me orientara.
Sí
No
¿Qué me faltó?
¿Qué aspectos debo mejorar?
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Química I
Realiza un mapa conceptual de las etapas del método científico aplicadas en la resolución del problema planteado.
Método científico
Socialicen sus resultados para obtener conclusiones.
Objeto de aprendizaje
La química, una ciencia
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para la vida En el momento, estimado lector, en que inicias la lectura de este libro, se desarrolla alrededor y dentro de ti una cantidad innumerable de reacciones químicas: las plantas verdes transforman el dióxido de carbono (mediante un mecanismo muy complejo) en vapor de agua y oxígeno que, como sabemos, utiliza un gran número de seres vivos para mantenerse con vida. Asimismo, al respirar estos seres incorporan oxígeno a su organismo y lo devuelven al ambiente como dióxido de carbono, con lo cual el ciclo continúa. Mientras tus ojos recorren estas líneas se desarrollan reacciones químicas en tu retina que transforman la luz recibida en un impulso nervioso. Este se genera por intercambio de iones de sodio, potasio y cloro en el axón, es decir, en el cuerpo neuronal. En asociación con este intercambio iónico entre una neurona y otra, se liberan sustancias llamadas neurotransmisores, que llevan el mensaje a la siguiente neurona y así sucesivamente, hasta llegar a nuestra corteza cerebral que nos permite identificar sin duda las letras de este texto, la habitación en que nos encontramos, los rasgos faciales de la persona que está cerca, etcétera. Algo similar ocurre con los sonidos que percibes, así como con las sensaciones corporales de frío, calor y dolor. El proceso digestivo involucra aspectos físicos, mecánicos y sobre todo químicos. Desde que ingerimos los alimentos hasta que las sustancias nutritivas se incorporan a nuestro organismo, intervienen varios procesos químicos.
Bloque I Reconoces la química como una herramienta para la vida
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De manera muy clara y directa es posible afirmar que la mayoría de los objetos que utilizamos en la actualidad han sido elaborados aplicando los conocimientos químicos: las telas con las que está hecha nuestra ropa, los colorantes para teñirla, la suela de nuestros zapatos o tenis, los perfumes, muchos de los ingredientes de la sopa instantánea que disfrutas con tanta delicia y la tinta de la pluma con la que escribes; la misma textura y el color que tiene el papel de este libro, el pegamento que sirve para mantener unidas las hojas, la forma en que las imágenes aparecieron en las placas fotográficas con que se crearon muchas de las ilustraciones de este libro, etcétera. Es indudable que la química también está presente en los problemas ambientales. Los contaminantes que se vierten al aire, producto del funcionamiento de miles de vehículos automotores, llegan a la atmósfera, donde participan en una serie de reacciones fotoquímicas que dan como resultado la llamada lluvia ácida, la cual provoca alteraciones cada vez mayores en todo el ecosistema. Otro fenómeno químico asociado con la contaminación y sobre el que nos advierten numerosas organizaciones ambientales es la destrucción paulatina de la capa de ozono. Con el transcurso del tiempo, afirman los científicos, el fenómeno no impedirá el paso de la peligrosa radiación ultravioleta, generando cánceres de piel y mutaciones genéticas que ni siquiera imaginamos. La pregunta clásica de muchos estudiantes: “¿por qué debo estudiar química?”, encuentra una clara respuesta si consideramos que el aprendizaje de los conceptos químicos tiene entre sus objetivos, otorgarte una concepción lo más clara posible de la naturaleza de las cosas, de los procesos que en ellas se efectúan, de cómo es posible influir en ellos para obtener una mejor calidad de vida y de qué manera puedes colaborar para combatir la contaminación de la naturaleza. En suma, para que tomes conciencia de la importancia de tu participación en aras de lograr un mundo mejor para quienes habitarán después de nosotros este maravilloso planeta azul.
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Química I
Actividad de aprendizaje 1 Contesta las siguientes preguntas, primero de forma individual y posteriormente en equipos. Elaboren un cuadro donde puedan comparar sus diversas respuestas, con la finalidad de establecer semejanzas que permitan concluir en definiciones, conceptos y sobre todo en puntos de vista grupales. 1. ¿Qué es química?
2. ¿Qué relación guardas con la química?
3. ¿Consideras que la química es una herramienta para la vida? ¿Por qué?
TIC
GLOSARIO
Para ampliar la información sobre el tema, observa los siguientes videos:
Ciencia: Actividad que se ocupa de la resolución de problemas mediante la aplicación de la observación, la abstracción y la lógica. Biología: Ciencia que estudia a los seres vivos y los fenómenos que se relacionan con ellos. Ciencias ambientales: Disciplina científica que estudia el funcionamiento del ambiente y la forma en que lo afectamos, lo cual nos permite establecer estrategias para enfrentar los efectos que creamos en el ambiente. Cambio climático: Variaciones que presenta el clima por periodos prolongados.
https://www.youtube.com/watch?v=Ij47YutgLFc https://www.youtube.com/watch?v=28wIL7_y_uk https://www.youtube.com/watch?v=v-QQVb6QDnQ
Relación de la química con otras ciencias El desarrollo actual de la química exige que tenga relaciones con una gran cantidad de otras ciencias. Mencionaremos algunos ejemplos relevantes. Con la biología tiene una estrecha relación porque en los seres vivos se verifica una amplísima variedad de reacciones químicas y la materia en estudio proporciona conocimientos básicos para entenderlas y predecirlas. La química se relaciona de manera estrecha con las ciencias ambientales, debido a los cambios climáticos provocados por causas externas a la dinámica atmosférica, como la emisión de dióxido de carbono o de partículas suspendidas emitidas por las industrias en sus actividades de producción. A tal situación se le conoce como cambio climático.
Bloque III
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Explicas el modelo at贸mico actual y sus aplicaciones
Propósito: Estudiar los modelos atómicos que dieron origen al modelo actual, al describir la estructura del átomo, reconocer sus propiedades y aplicaciones de los elementos radiactivos en su vida personal y social. Desempeños del estudiante al concluir el bloque: z Distingue las aportaciones científicas que contribuyeron al establecimiento del modelo atómico actual. z Construye modelos para representar las distintas teorías atómicas. z Identifica las características de las partículas subatómicas. z Resuelve ejercicios sencillos donde explica cómo se interrelacionan el número atómico, la masa atómica y el número de masa. z Elabora configuraciones electrónicas para la determinación de las características de un elemento. z Argumenta sobre las ventajas y desventajas del empleo de isótopos radiactivos en la vida diaria.
Objetos de aprendizaje: z Modelos atómicos y partículas subatómicas. z Conceptos básicos (número atómico, masa atómica y número de masa). z Configuraciones electrónicas y los números cuánticos. z Los isótopos y sus aplicaciones. Competencias a desarrollar: z Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. z Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. z Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. z Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. z Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. z Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. z Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.
z Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos. z Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. z Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. z Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. z Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. z Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente. z Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente. Este bloque sirve para que: z Valores las aportaciones de Dalton, Thomson, Rutherford, Chadwick, Goldstein, Bohr, Sommerfeld y Dirac-Jordan como parte de un proceso histórico que desemboca en el modelo atómico actual. z Describas la masa, carga y ubicación de las partículas subatómicas (electrón, protón y neutrón). z Diseñes modelos con materiales diversos para representar la estructura del átomo. z Identifiques el número atómico, masa atómica y número de masa de cualquier elemento de la tabla periódica. z Representes la configuración electrónica de un átomo y su diagrama energético, aplicando el principio de exclusión de Pauli, la regla de Hund y el principio de edificación progresiva. z Identifiques los electrones de valencia en la configuración electrónica de los elementos, y su relación con las características de estos. z Reflexiones sobre las aplicaciones de los isótopos en las actividades humanas. Con el aprendizaje y la práctica podrás: z Valorar las aportaciones históricas de los modelos atómicos que nos llevan al modelo actual, así como las aplicaciones de los isótopos en la vida cotidiana.
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¿Qué tanto sabes? Contesta las siguientes preguntas. 1. ¿Qué significa átomo?
2. ¿Qué entiendes por nivel de energía?
3. Observa el siguiente esquema de la estructura del átomo y escribe en cada línea el nombre de la subpartícula y
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su carga.
4.
Define número atómico.
5.
¿Qué entiendes por masa atómica?
6.
¿Qué entiendes por número de masa?
7.
¿Qué son los números cuánticos?
79 8.
¿Qué es la radiactividad?
9.
¿Qué entiendes por isótopo?
Cáncer: Grupo de enfermedades que producen un exceso de células malignas que se dividen y crecen de forma descontrolada.
Lee el siguiente texto.
Generalmente relacionamos la energía atómica con armamento y desastres originados por centrales nucleares, pero existen mayores aplicaciones del átomo en beneficio de la humanidad de lo que podemos imaginar. Permíteme platicarte del uso de esta energía en uno de los campos más fascinantes que ha desarrollado el hombre: la medicina nuclear. Algunos de los grandes padecimientos más representativos que aquejan a la Humanidad son el cáncer, las enfermedades neurológicas y las dificultades cardiacas. Tan solo la primera de ellas causará cerca de 85 millones de muertes en todo el mundo, en un periodo de 15 años contabilizados a partir del año 2000. Cuando el cáncer se detecta a tiempo (es decir, antes de que las células cancerosas invadan otros órganos por vía linfática o sanguínea) se puede controlar y en algunos casos eliminar; por lo tanto, la detección temprana es vital para su tratamiento. Para esto se ha desarrollado la tomografía por emisión de positrones (PET, por sus siglas en inglés) ciclotrón, cuya tarea es diagnosticar el funcionamiento de los órganos internos, las glándulas, los huesos o las articulaciones aplicando
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EL ÁTOMO AL SERVICIO DE LA HUMANIDAD
material radiactivo. Pero, ¿cómo trabaja este método de detección? Primero se emplean sustancias conocidas como radiofármacos o trazadores que se inyectan directamente en la vena del paciente y son absorbidos por los órganos que se desea estudiar. Entre los trazadores utilizados con más frecuencia se encuentran el yodo radiactivo, el tecnecio 99 y el talio 201. Cuando estos trazadores se alojan en los tejidos de los órganos la energía que emiten es captada por un aparato que rodea al paciente (ciclotrón), transformando las señales del átomo
GLOSARIO
10. Menciona tres aplicaciones de los radioisótopos en la medicina.
Química I
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en señales eléctricas; una computadora las convierte en imágenes que permiten diagnosticar el funcionamiento de los órganos. La diferencia esencial de este método con otros como los rayos X y las tomografías (las cuales generan imágenes tanto verticales como transversales) es que utilizan radiación que no se genera en el núcleo del átomo, sino que proviene de los electrones que se ubican en las órbitas; por eso, es posible decir que el paciente es “bombardeado”. La ventaja de este sistema, incluso por encima de la resonancia magnética, reside en que permite
analizar la eficiencia del órgano más que la apariencia. Este aspecto es de suma importancia, ya que la forma de los órganos y sus funciones son distintas. Al ver claramente la forma y el tamaño de un riñón es posible determinar si tiene lesiones o tumores, pero no se puede saber si la sangre se filtra adecuadamente y se eliminan las toxinas. La técnica de PET ciclotrón no genera gráficos tan claros, pero sí permite conocer qué tan bien funciona el cuerpo humano. Esta técnica permite conocer el funcionamiento del hígado, el riñón, el páncreas, las glándulas, la vesícula biliar, las venas y arterias, así como la calidad de irrigación sanguínea, entre muchas otras aplicaciones, sin que existan riesgos, pues las reacciones alérgicas son de 1 caso entre 15 000 o 20 000, y el paciente no requiere preparación especial, tan solo un ayuno de seis horas aproximadamente. Los trazadores tienen una vida media de entre 15 y 20 minutos en el organismo, por lo cual la exposición es muy baja y el método más seguro. Cabe señalar que las radiaciones generadas son pequeñas y no provocan problemas al organismo, de hecho es más riesgosa una exposición prolongada a los rayos solares.
Después de leer y reflexionar sobre el átomo al servicio de la Humanidad, contesta las siguientes preguntas de forma individual. 1. ¿Cómo hemos podido manipular el átomo de esta manera?
2. ¿Qué es el átomo?
3. ¿Quién o quiénes lo descubrieron?
4. ¿Hace cuánto tiempo?
Bloque III Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones
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5. ¿Cómo está formado el átomo?
6. ¿Qué características tienen sus elementos estructurales?
7. ¿Qué propiedades del átomo puedes reconocer?
8. ¿Qué otras aplicaciones tiene el átomo?
9. Reúnete con tus compañeros y discute las preguntas antes formuladas para conocer qué tanto sabes del átomo y
sus propiedades, así como de su historia. Te sugiero elaborar un cuadro donde señales tu grado de conocimiento al respecto, tratando de ser más específico en tus conocimientos (marca nombres, términos, procesos, propiedades, leyes, teorías, etc.) sin que para ello asignes un número o calificación. Por ejemplo, podrías escribir si sabes mucho, regular, poco o nada. Para cada uno de los términos identifica tu grado de conocimiento y márcalo con una .
Autoevaluación ¿Cuál es tu grado de conocimiento acerca de….? El átomo. Cómo está formado el átomo. Qué características tienen sus elementos estructurales. Qué propiedades puedes reconocer del átomo. Qué otras aplicaciones tiene el átomo. Quién descubrió el átomo y hace cuánto tiempo. Cómo se ha podido manipular el átomo. Aplicaciones del átomo.
Desempeño Identifiqué las ideas principales del tema. Localicé la información específica del texto planteado.
Sí
No
Mucho
Regular
Poco
Nada
OBSERVACIONES ¿Qué me faltó? ¿Qué aspectos debo mejorar?
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Química I
Desempeño Utilicé la información contenida para desarrollar la evaluación diagnóstica. Relacioné los conocimientos previos con el tema que se va a revisar en el bloque. Realicé los ejercicios con honestidad y en el tiempo requerido. Solicité ayuda del profesor(a), para que me orientara.
Sí
Objeto de aprendizaje
No
OBSERVACIONES ¿Qué me faltó? ¿Qué aspectos debo mejorar?
Modelos atómicos y partículas
subatómicas Primeras aproximaciones al modelo atómico actual
GLOSARIO
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Muchas de las propiedades de la materia descritas en el bloque anterior tienen su explicación a nivel atómico. Los átomos son, en la escala de lo pequeño, los “ladrillos del Universo”, como señalaba Isaac Asimov, y es precisamente ahí adonde haremos un viaje para explorar el interior del átomo. Cada sustancia del Universo, incluyéndonos, está formada por átomos. Muchos de los procesos químicos que ocurren en la naturaleza o que son generados en los laboratorios tienen una explicación a nivel microscópico y para entenderlos es preciso partir del conocimiento de la estructura y el comportamiento del átomo. En la actualidad conocemos mucho de su estructura y sus propiedades pero, ¿cómo se ha llegado a esto? Imaginemos que tenemos una caja en la cual se encuentran objetos de diversa índole, pero que no se nos permite abrirla. ¿Qué harías para conocer su contenido? Posiblemente una serie de pruebas como agitarla de diferentes formas, escuchar los sonidos que se generan al moverla, sentir algún objeto pesado usando el tacto, etc. A partir de estas acciones tendrías una idea de su contenido y de seguro te atreverías a precisar el nombre de algunos objetos e incluso hacer predicciones sobre el comportamiento de la caja. Puesto que no podemos ver el contenido de la caja, al igual que no podemos ver un átomo, empleamos nuestros sentidos e intelecto para crear un modelo que
Modelo: Representación abstracta de un sistema o proceso del Universo, que nos permite hacer predicciones respecto a su comportamiento.
Las leyes ponderales y la teoría atómica de Dalton El desarrollo de la química tomó un nuevo giro a partir de las investigaciones de Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), quien realizó los primeros experimentos químicos realmente cuantitativos. Lavoisier demostró que en una reacción química la cantidad de materia es la misma al comienzo y final de la reacción. Al efectuar un experimento con agua pudo determinar que su peso, antes y después de una prolongada ebullición, era el mismo. Claro que en condiciones controladas, como un sistema cerrado, en el que no hubiera escape de vapor, lo que le permitía hacer cálculos con gran precisión.
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lo explique. De la misma manera, los científicos crean modelos que les permiten formular predicciones que los llevan a proponer teorías sobre la naturaleza del átomo. Un modelo no es una estructura rígida, se puede perfeccionar, cambiar o desechar si se vuelve obsoleto y ya no cumple la función para la cual se creó. Haremos un breve recorrido por los 2 500 años que han transcurrido en la evolución del concepto de átomo, citando a los personajes y los momentos en que se produjeron los cambios más notables y los hechos experimentales que los indujeron. En la antigua Grecia comenzaron los primeros cuestionamientos científicos sobre las leyes que rigen el comportamiento de la materia y que no obedecen a los mandatos o designios divinos. Leucipo y su discípulo Demócrito propusieron que la materia se componía de diminutas partículas indivisibles que llamaron átomos, cuyo significado es indivisible. Creían que las sustancias se podían dividir hasta cierto límite que eran los átomos, mismos que ya no podían dividirse más. Sin embargo, esta teoría no fue muy popular en su tiempo y hubo filósofos muy influyentes que no la aceptaron pues desde la época de los romanos se creía que toda sustancia estaba formada por la combinación de fuego, agua, aire, agua y tierra. El modelo atómico actual no es producto de la casualidad; su concepción tiene un pasado maravilloso que abordaremos a continuación, porque para entender el presente hay que conocer su historia, la cual está repleta de personajes, acontecimientos, experimentos y teorías que dieron forma a lo que hoy conocemos del átomo. Su conocimiento nos ha llevado a explorar el espacio exterior, nos ha proporcionado una vida más cómoda y placentera, y nos ha permitido conocer lo más íntimo del cuerpo humano. Este y muchos otros aspectos son los beneficios de conocer la estructura atómica y sus propiedades.
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Bloque III Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones
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Química I
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Laurent Lavoisier.
A partir de este y otros experimentos enunció su conocida ley de la conservación de la materia, la cual establece que “la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma”. Por ello, Lavoisier es considerado el padre de la química moderna. Posteriormente, Joseph Louis Proust (1754-1826), químico francés, propuso la ley de las proporciones definidas, también conocida como ley de la composición constante, la cual establece que los elementos se combinan para formar compuestos, y siempre lo hacen en proporciones definidas. Proust realizó mediciones muy cuidadosas en las que comprobó que el cobre, el oxígeno y el carbono, que forman el carbonato de cobre II, CuCO3, se combinaban en las mismas proporciones de peso: 5 unidades de cobre por 4 de oxígeno por 1 de carbono, y sin importar lo que se haga la proporción siempre será 5:4:1, este descubrimiento le llevó a pensar que no se trataba de una receta de cocina, donde ponemos una “pizca” de algún ingrediente o le quitamos otro. La proporción del CuCO3 es inmutable. Otra ley fue establecida por el alemán Jeremías Benjamín Richter (1762-1807) en 1792 llamada ley de las proporciones recíprocas, la cual establece que: [...] la relación de masas de dos elementos, que se combinan con una cantidad fija de un tercero, es la misma con la cual se combinan para formar un compuesto. Pero, ¿qué significa esto? Bueno, veamos un ejemplo. H2O 1: 8
Cl2O 17: 8
HCl 1: 17
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Química I
Elemento 1 Carbono
Símbolo C
Elemento 2 Oxígeno
Símbolo O
Compuesto 1 Monóxido de carbono
Fórmula CO
Compuesto 2 Dióxido de carbono
Fórmula CO2
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Comenten, reunidos en equipos de dos a tres integrantes, la importancia de las leyes ponderales.
John Dalton
Al conjunto de las leyes citadas se les conoce como leyes ponderales o leyes de las combinaciones químicas, ya que rigen la proporción de la masa y el volumen en los compuestos. Entre 1808 y 1810, Dalton publicó su obra Un nuevo sistema de filosofía química, en la cual establece su teoría atómica a partir del estudio de las propiedades físicas del aire atmosférico y de otros gases. Asimismo, incluyó en ese trabajo la masa atómica de varios elementos y compuestos conocidos. Aunque sus masas no eran muy precisas, constituyó una aportación importante en la clasificación de los elementos. También proporcionaba una simbología para representar a los elementos químicos y las moléculas. Dalton estableció los siguientes postulados, que son la esencia de su teoría atómica:
• Los elementos se componen de partículas en extremo pequeñas llamadas átomos.
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PRIMER SEMESTRE
En la actualidad nos encontramos en el umbral de la generación tecnológica de la información y la comunicación que impacta a nuestra sociedad y nuestras actividades cotidianas. Hoy en día las aplicaciones en la nube, la internet y las interfaces naturales del usuario establecen las bases para poder realizar extraordinarios proyectos de creatividad e innovación. La química ha contribuido al logro de muchos de los cambios que ocurren en este umbral generacional con mayor respeto a la naturaleza y con tecnologías “verdes”. Se trata de una química más amigable y al alcance de todos los jóvenes, que les ayuda a entender el mundo que los rodea y al mismo tiempo los motiva a continuar un proyecto de vida en uno de los campos más fascinantes de la ciencia. Química I con enfoque por competencias, segunda edición, está estructurado en ocho bloques de conocimiento con un enfoque en el desarrollo de competencias y brinda los elementos teóricos metodológicos propios de la materia. Fomenta la construcción de conocimientos y afina las capacidades de inducción y deducción, útiles en el análisis y la reflexión sobre los fenómenos que caracterizan a la materia, la energía y los cambios que estas sufren a través de las reacciones químicas. Entre los temas que se incluyen en el texto se encuentran las propiedades de la materia y la energía, los diferentes modelos atómicos y sus aplicaciones, la tabla periódica, los enlaces químicos, la nomenclatura inorgánica y los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas. Además contiene actividades que permiten evaluar los avances logrados, actividades experimentales, lecturas dirigidas, secciones de reflexión y apoyo con páginas de internet que amplían aún más el conocimiento y sus aplicaciones.
ISBN-13: 978-607-522-489-3 ISBN-10: 607-522-489-0
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