Ciencia y Tecnología
7mo. Semestre Educación Media Técnica
vo Estimados par ticipantes, iniciamos un nue dia, en camino hacia la Educación Técnica MeAqu í en el la especialidad de Tecnología Gráfica. rrol lar área de Ciencias y Tecnología podrás desa ico para un pensamiento científico-tecnológico crítesar ias que adquirir las habilidades y aptitudes nec ntos que te permitan comprender los diferentes eve lando vive el ser humano en su ambiente, estimu dora la capacidad investigativa, creativa, innova dar e implementando proyectos que permitan soluciones a problemas cotidianos en el marco del desarrollo sustentable. Iniciaremos una exploración en los diferentes fenómenos que ocurren en nuestro entorno físico frente a las posibles alteraciones que afectan a los ecosistemas donde se desenvuelven los seres vivos desde una actitud crítica-reflexiva, que nos permita valorar los fenómenos químicos como parte de los procesos biológicos en la naturaleza al reconocer los efectos y consecuencias de su influencia en la actividad humana.
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Semana 1
¡Empecemos! ¡Bienvenidos y bienvenidas una vez más al área de Ciencia y Tecnología! En esta nueva etapa nos corresponde explorar los diferentes fenómenos ocurridos en nuestro entorno y cómo afectan a los seres vivos, en especial al ser humano. Para ello, repasaremos durante esta semana algunos conceptos de la Química, para iniciarnos nuevamente en el micro mundo de sus fenómenos. Es necesario recordar que este tipo de fenómenos suelen ser un poco complicados de comprender; sin embargo, con perseverancia y dedicación, podemos llegar a entender los cambios químicos como parte natural de los procesos biológicos y su influencia en nuestra calidad de vida. Así que toma tu tabla periódica y ¡empecemos a ejercitar la memoria!
¿Qué sabes de...? Existen muchas sustancias que utilizamos en el hogar; sin embargo, casi siempre desconocemos qué tipo de compuesto contienen y cuál es su impacto en nuestra salud. Por ello te preguntamos: ¿tienes idea de que los alimentos que consumes, los maquillajes, las medicinas y los productos de limpieza poseen por lo menos uno de los compuestos inorgánicos más comunes, como son los óxidos, ácidos, sales o hidróxidos? Te invitamos a que busques varios productos del hogar y leas sus componentes y hagas una lista de lo que encuentres.
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El reto es... Floripondio Plumboso es un señor que toma café con leche todas las tardes con sus nietos. Un día su nieto, Sulfuro, le pregunta: “Abuelo, en el colegio me dijeron que la leche de magnesia combatía la acidez estomacal, ¿cómo es posible eso?”. Su abuelo amablemente le dice: “tómese su cafecito que se le enfría”, mientras pensaba cómo explicarle. ¿Podrías tú explicar este proceso a tus compañeros?
Vamos al grano En nuestro acontecer diario usamos una gran cantidad de sustancias que son compuestos químicos, algunos considerados orgánicos y otros inorgánicos; en este caso haremos hincapié en los compuestos inorgánicos. No obstante, es necesario tener presente algunas definiciones como: mezcla, compuestos y elementos. Una mezcla se define como la unión de dos o más sustancias en proporciones variables, donde cada una conserva sus propiedades y pueden ser separadas por técnicas de laboratorio. Las sustancias puras están formadas por partículas (átomos o moléculas) iguales, que tienen una composición fija y que no pueden separarse por medio físico; siendo los compuestos y los elementos sustancias puras. Los elementos son sustancias constituidas por una sola clase de átomos y cuando se someten a cambios químicos (electricidad o calor) no sufren ninguna descomposición; en cambio, los compuestos poseen dos o más átomos iguales o diferentes en proporciones fijas de masa. Bajo la acción de los cambios químicos, el compuesto se descompone en sus elementos.
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Conocer las diferentes terminologías, permite reconocer con mayor rapidez y asertividad las reacciones químicas empleadas en el quehacer diario del hogar o las industrias. Ahora bien, hablemos de los cuatro compuestos inorgánicos más importantes: óxidos, ácidos, hidróxidos y sales. Empecemos por los compuestos más fáciles de identificar a simple vista: los óxidos. Los óxidos son producto de las reacciones de combinación entre el oxígeno con otro elemento químico; sin embargo, si el elemento es un metal, hablamos
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de óxido básico; en cambio, si se trata de un no metal, hablamos de un óxido ácido o anhídrido. Por ejemplo, cuando alguna herramienta de hierro es dejada fuera de casa por mucho tiempo, vemos cómo se forma una costra naranja, que se llama óxido férrico (Fe2O3); en cambio, el dióxido de carbono (CO2) presente en los extintores es un anhídrido u óxido ácido que se usa para combatir el fuego, especialmente sobre equipos eléctricos. Fe + O2 C+ O2
Fe2O3 CO2
Óxido - Férrico Anhídrido - Carbónico
En química, cuando combinamos un óxido básico con agua obtenemos lo que se llama un hidróxido o base, que son sustancias con valores de pH altos y que suelen ser jabonosos al contacto sobre la piel, además de ser muy corrosivos en soluciones acuosas. Existe una gran diversidad en usos de los hidróxidos, que pueden ir desde medicinales como la leche de magnesia (Mg(OH)2), hasta limpiadores de cañerías como el hidróxido de sodio (NaOH) presente en el diablo rojo. MgO + H2O Na2O + H2O
Mg(OH)2 NaOH
Hidróxido - de- Magnesio Hidróxido - de - Sodio
En cambio, los ácidos se forman cuando se combina un hidrógeno con un no metal o un grupo de elementos, para formar compuestos binarios como los hidrácidos y ternarios como los oxácidos. Los ácidos son compuestos químicos que poseen bajos valores de pH, son muy corrosivos y pueden quemar la piel. Entre los hidrácidos más comunes está el ácido clorhídrico HCl; es muy probable que no lo hayas oído o visto, pero seguramente lo has sentido, ya que es el ácido que produce nuestro estómago para digerir los alimentos que consumimos. El oxácido de uso más frecuente es el ácido sulfúrico (H2SO4), el cual es utilizado para la elaboración de otro oxácido llamado ácido fosfórico (H3PO4) y que permite la síntesis de fertilizantes para la agricultura. H2 + Cl2 SO3+ H2O
HCl H2SO4
Ácido - Clorhídrico Ácido - Sulfúrico
Cuando combinamos un ácido más un hidróxido, obtenemos una sal más agua; dichas sales pueden ser compuestos binarios o ternarios, según el ácido de su procedencia, hidrácido y oxácido respectivamente. Las sales suelen ser sustancias neutras, de sabor salado y en soluciones acuosas pueden conducir la corriente eléctrica. La sal binaria más conocida es el cloruro de sodio (NaCl), que es la sal que le aplicamos a las papitas fritas, cotufas y platanitos. No obstante, existen algunas sales que pueden ser tóxicas para el ser humano y el ambiente a pesar
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de su utilidad en las industrias, como, por ejemplo, el sulfato cúprico pentahidratado (CuSO4 .5H2O), el cual es utilizado como mordientes textiles, colorante cerámico o recubrimiento galvanizado, pero provoca efectos nocivos a largo plazo en el medio ambiente acuático. NaOH+ HCl Cu (OH)2 + H2SO4
NaCl+H2O CuSO4 + H2O
Cloruro - de - Sodio Sulfato - Cúprico
Los compuestos inorgánicos presentan una gran versatilidad en usos, por lo que muchas veces ignoramos cuántas veces lo usamos en un día. Probablemente las sustancias químicas que usamos en casa no sean tóxicas para el ser humano o contaminantes para el ambiente, pero algo es seguro: debemos leer siempre las etiquetas de los productos, porque allí nos indican las normas de seguridad que debemos tener en cuenta al usar esa sustancia química.
Para saber más… Para conocer más sobre la terminología básica te invitamos a consultar las siguientes direcciones web: http://www.amazings.com/ciencia/noticias/020810e.html http://quimicaparatodos.blogcindario.com/2009/07/00017-usos-deacidos-y-bases-quimica-para-todos.html http://www.quiminet.com/articulos/caracteristicas-de-la-sal-4206.htm
Aplica tus saberes Cuando tenemos acidez estomacal, siempre tomamos medicamentos como leche de magnesia o bicarbonato de sodio, ya que son sustancias que permiten contrarrestar (neutralizar) los ácidos estomacales (HCl). Por lo tanto, vamos a demostrar la neutralización de ácido con una base; para ello, necesitamos varios materiales: cuchillo, olla, repollo morado, agua, vinagre, bicarbonato de sodio, tres recipientes de vidrio (pueden ser frascos de compotas limpios y secos).
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Procedimiento: toma un pedazo de repollo morado, pícalo en trozos pequeños y ponlo en una olla con agua y déjalo hervir por aproximadamente 15 o 20 minutos. Luego déjalo reposar hasta que enfríe. Toma un frasco de compota y prepara una solución de agua con vinagre; en otro frasco disuelve el bicarbonato de sodio en agua. Al último frasco añádele partes iguales de agua avina-
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grada y la solución de bicarbonato. A cada recipiente añádele una cucharadita de la solución de repollo morado y anota las coloraciones observadas.
Comprobemos y demostremos que… Recuerda que el repollo morado sirve como indicador de acidez de una sustancia; así, cuando obtengas una coloración roja se trata de un ácido, si se queda morada es neutra y si se torna verde o azul se trata de una solución básica. Ahora bien, te toca demostrar si la reacción de un ácido con una base forma una sal neutra.
Amigo participante, si preparaste tu indicador de pH con el repollo morado, no lo botes, guárdalo tapado en la nevera y, en otro momento, toma varios productos en casa (limpieza, medicinas, jabones, etc.) e identifica los tipos de compuestos que tienen, para luego comentarlo con tus compañeros en el CCA.
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Construyendo fórmulas Semana 2
Construyendo fórmulas ¡Empecemos!
Durante esta semana vamos a explorar algunos fenómenos químicos relacionados con la naturaleza y su influencia en la vida humana. Esto nos permitirá asumir una actitud más reflexiva sobre el uso y abuso de las sustancias que utilizamos. Por esta razón, nos pasearemos por la formación de dos compuestos inorgánicos que tienen mucha utilidad a nivel industrial, como son los oxácidos y las oxisales. Así que iniciemos esta semana con el propósito de comprender aun más el impacto de algunos de los compuestos inorgánicos sobre la calidad de vida del ser humano y su impacto en el ambiente.
¿Qué sabes de...? Seguramente recordarás que los oxácidos y las oxisales no son más que ácidos y sales que tienen presente en su fórmula uno o varios átomos de oxígeno. Por ello, te preguntamos: ¿has usado en algún momento alguna oxisal u oxácido? ¿Sabes cuáles son las desventajas de éstos compuestos? Te invitamos a indagar sobre su utilidad a nivel industrial.
El reto es... En el taller mecánico se encontraba Sulfuro con su abuelo Floripondio Plumboso, quien había llevado su carro para que lo revisasen. Allí Sulfuro escuchó al mecánico decirle a su abuelo: –Señor, la batería del carro está sulfatada, así que hay que sustituirla. Entonces Sulfuro se voltea, mira a su abuelo y le pregunta: –¿Qué pasó? Y éste responde: –Nada, mijo, el ácido de batería ya no sirve. Entonces, Sulfuro se quedó pensativo y su abuelo comprendió que tenía que buscar una explicación más sencilla. ¿Podrías ayudar al abuelo Floripondio a responderle a su nieto? 330
Construyendo fórmulas
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Vamos al grano Los oxácidos son compuestos inorgánicos llamados ácidos ternarios, ya que poseen tres elementos: un átomo central no metal que es variable para todos los oxácidos, y de forma invariable la presencia de hidrógeno y oxígeno. Estos oxácidos se forman de la combinación entre un anhídrido (no metal más oxígeno) más agua. Entre los oxácidos más utilizados tenemos: ácido nítrico (HNO3), ácido sulfúrico (H2SO4), ácido fosfórico (H3PO4), ácido carbónico (H2CO3), ácido perclórico (HClO4), entre muchos otros. El ácido nítrico (HNO3) es un líquido sofocante ya que humea fuertemente el aire; como todo ácido es corrosivo y abrasivo, es soluble en agua y se obtiene de manera industrial por la oxidación (O2) del amoníaco (NH3) en presencia de platino (Pt) como catalizador de la reacción. Se utiliza en la fabricación de explosivos, drogas y colorantes, fertilizantes petroquímicos, plásticos, limpieza de metales, etc. El ácido sulfúrico (H2SO4) es un líquido aceitoso transparente, extremadamente corrosivo para todos los tejidos del cuerpo humano, se obtiene de manera industrial por los procedimientos de cámaras de plomo y de contacto, utilizando como catalizador de la reacción el elemento químico de vanadio (V). Se utiliza en la fabricación de colorantes, drogas, pigmentos y pinturas, en la preparación de fertilizantes petroquímicos como el sulfato de amonio, en la refinación del alquitrán de la hulla y del petróleo, en la elaboración de drogas e insecticidas, en operación de blanqueo y fabricación de baterías, entre otras más utilidades. El ácido carbónico (H2CO3) es una solución acuosa muy inestable, ya que cuando se calienta desprende el dióxido de carbono (CO2) quedando solamente agua. Se utiliza principalmente en la elaboración de bebidas carbonatadas (refrescos). Las oxisales son compuestos inorgánicos llamados sales ternarias, ya que poseen tres elementos: un átomo central no metal y un átomo de metal, los cuales pueden ser variables, siendo inalterable la presencia de oxígeno. Estas oxisales se forman por la doble descomposición entre un oxácido y un hidróxido (base) o también por el desplazamiento de hidrógeno por un metal más un oxácido. Entre las oxisales más utilizadas tenemos: sulfato de magnesio (MgSO4), nitrato de sodio (NaNO3), permanganato de potasio (KMnO4), carbonato de calcio (CaCO3), hipoclorito de sodio (NaClO). El sulfato de magnesio (MgSO4) se presenta como cristales transparentes de sabor amargo o salino, se obtiene por extracción de yacimientos o son sin-
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tetizados mezclando el ácido sulfúrico (H2SO4) con el óxido magnesio (MgO), hidróxido de magnesio Mg(OH)2 o el carbonato de magnesio (MgCO3). Se utiliza en el curtido, teñido, cerillas, como fijador de colorante textil, además de ser usado como fertilizante. Asimismo, cuando esta sal se encuentra hepta-hidratada (MgSO4.7H2O) se utiliza en medicina como purgante, mejor conocido como sal de epsom. El carbonato de calcio (CaCO3) se puede encontrar como polvo blanco o como cristales transparentes y es insoluble en agua. Se obtiene de yacimientos de calcita, mármol o piedra caliza, aunque también se puede sintetizar cuando se combina el ácido carbónico (H2CO3) más hidróxido de calcio o agua de cal (Ca(OH)2). Se utiliza en la preparación de pasta dentífrica y en la industria de construcción para fabricar cemento, cal, tiza, entre otros usos. El hipoclorito de sodio (NaClO) se presenta como un líquido hediondo de color amarillo verdoso conocido comercialmente como lejía. Es corrosivo sobre la piel y telas. Se suele descomponer al incrementarse la temperatura. Se obtiene por un proceso de descomposición electrolítica de una solución fría y diluida de cloruro de sodio (NaCl o sal común). Principalmente se utiliza como blanqueador, específicamente en el blanqueo de la pulpa del papel, de algodón, de lino y de seda artificial. También se usa como desodorante de cañerías de desagües, entre otros. Es importante tener presente que en muchos procesos industriales se liberan óxidos de azufre y nitrógeno, específicamente los anhídridos sulfúrico, sulfuroso y nítrico, los cuales al presentarse en estado gaseoso suben a la atmósfera y, al combinarse con la humedad atmosférica (el agua presente en las nubes), se forman sus respectivos ácidos: ácido sulfúrico, ácido sulfuroso y ácido nítrico, ocasionando lo que hoy conocemos como lluvia ácida, que causa daños en diferentes magnitudes sobre las siembras, animales e inclusive en el ser humano.
Para saber más… Para saber más sobre el contenido de esta semana te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://www.rena.edu.ve/TerceraEtapa/Quimica/IntSimbElem.html http://www.slideshare.net/David0572/formulas-qumicas-caseras http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/1_anio/quimigeral/Formulas_Quimicas.pdf 332
Construyendo fórmulas
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Aplica tus saberes La creación de fórmulas no es simplemente escribir letras y números de química; si preparas una infusión de varias hierbas para un resfriado común, donde varías la cantidad de cada ingrediente, los resultados van a variar según la hierba predominante. Veamos un ejemplo: si posees un resfriado con tos, es muy probable que la infusión a preparar deba tener entre los principales ingredientes eucalipto, miel y jengibre; si se trata de un malestar estomacal con cólicos, debería pensarse en anís estrellado con manzanilla y así sucesivamente. Te invitamos a realizar un recetario personal sobre las infusiones que prepararías para los malestares más comunes que se presentan en tu hogar.
Comprobemos y demostremos que… Los ácidos suelen tener un promedio de vida o duración, por ello es que el ácido de batería debe ser revisado y chequeado para su cambio. Si quieres demostrar cuán efectivo está el ácido de un motor, te invitamos a buscar ácido de una batería nueva y vieja, pero recuerda que, por muy vieja que sea la batería, su ácido sigue siendo igualmente corrosivo y, si no se trata con cuidado, puede causar quemaduras. Te recomendamos que realices esta actividad en espacio abierto y despejado, para evitar accidentes e inhalaciones de gases tóxicos. Coloca en un recipiente de vidrio una pequeña cantidad de ácido de una batería nueva, en otro recipiente de vidrio coloca una pequeña cantidad de ácido de una batería vieja; a cada recipiente colócale un clavo de hierro y observa lo que ocurre. Recuerda NO inhalar los vapores desprendidos; si eres alérgico(a) o asmático(a) te recomendamos usar mascarilla y trabajar con algún compañero que no presente estas dificultades respiratorias.
El bicarbonato de sodio (NaHCO3) es una oxisal muy conocida y muy utilizada, ya que la usamos como antiácido, como componente de la levadura en las panaderías y como ingrediente activo de algunos extintores de incendios.
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Creando nomenclaturas Semana 3
Creando nomenclaturas ¡Empecemos! Esta semana reflexionaremos sobre la importancia de conocer el impacto ambiental de algunos compuestos en nuestros ecosistemas. Para ello, estudiaremos los nombres de algunos compuestos químicos presentes en las diferentes actividades del acontecer diario, enfocándonos en los compuestos inorgánicos oxácidos y oxisales.
Es necesario tener presente que nosotros somos quienes utilizamos los compuestos químicos de manera inconsciente y que hemos provocado alteraciones en diversos ecosistemas de nuestro país y el mundo. Por tal motivo, vamos a conocer algunas nomenclaturas que pudiesen orientarnos para el uso correcto y el descarte adecuado de las sustancias químicas.
¿Qué sabes de...? Te invitamos durante esta semana a observar los ingredientes de los medicamentos, alimentos o cualquier sustancia que pudiese tener compuestos químicos. Es probable que te sorprendas de encontrar estos compuestos en los lugares menos imaginados.
El reto es... Sulfuro escuchó en su salón de clases que la maestra tuvo que tomar sal de epsom para mejorar y volver a clases. Cuando Sulfuro llegó a su casa corrió hasta donde estaba su abuelo Floripondio y le preguntó qué era la sal de epsom. Y éste, conociendo a su nieto, sabía que una simple respuesta no bastaría, así que lo mandó a cambiarse de ropa, para que le diera tiempo de organizar una idea sencilla. ¿Sabes tú para qué se usa la sal de epsom?
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Creando nomenclaturas
Vamos al grano A medida que la ciencia de la química fue avanzando, creó su propio lenguaje, que es lo que conocemos como nomenclatura química. Esta sistematización sirve para nombrar los compuestos inorgánicos; en este caso haremos hincapié en los oxácidos y las oxisales, que quizás son los compuestos más complejos de nombrar. Empecemos por recordar qué son los oxácidos. Los oxácidos son compuestos ternarios que son producto de la reacción entre un anhídrido y agua, presentando en su fórmula los elementos hidrógeno, no metal y oxígeno. Su nomenclatura se escribe con la palabra genérica ácido seguida del nombre del no metal terminando en oso para la menor valencia y en ico para la mayor. Si el no metal posee más de dos estados de oxidación (valencias), entonces deberás colocar los prefijos hipo y per para la menor y mayor valencia respectivamente. Vamos a explicarlo ahora con un ejemplo: el cloro (Cl) es un no metal que posee cuatro estados de oxidación: uno (+I), tres (+III), cinco (+V) y siete (+VII), los cuales deben identificarse en números romanos y se consideran electropositivos (+) frente al oxígeno (salvo el flúor que siempre será negativo). Veamos cuándo el cloro trabaja con sus menores valencias uno y tres: Cl2O+ H2O
HClO
Aquí el cloro trabaja con valencia uno, por lo tanto el ácido deberá llamarse ácido hipocloroso, el cual es utilizado como ingrediente principal de bactericidas. HClO2 Cl2O3+ H2O En este caso se llamaría ácido cloroso el cual es usado como solución blanqueadora de tejidos y para el tratamiento de agua potable. Observa bien que la valencia del cloro no se detalla en el producto (oxácido) sino en el anhídrido de donde se origina. Ahora bien, cuando el cloro trabaja con sus mayores valencias, cinco y siete, tenemos que: Cl2O5+ H2O HClO3 335
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Creando nomenclaturas
Llamándose así ácido clórico; este ácido se utiliza en la limpieza de carbonatos en los utensilios de cocina: Cl2O7+ H2O
HClO4
En este caso se llamaría ácido perclórico, el cual se utiliza para oxidar aleaciones de metales. Al igual que los casos anteriores la valencia del cloro se encuentra visible en el anhídrido y no en el oxácido. Conozcamos ahora las oxisales. Son compuestos ternarios que poseen una fórmula escrita con un metal, no metal y oxígeno. Se forman de la reacción de síntesis de un oxácido y un hidróxido (base). La nomenclatura de las oxisales conserva los prefijos hipo y per para la menor y mayor valencia de los no metales; no obstante, su terminación oso e ico cambia en la sal por ito y ato, para la menor y mayor valencia respectivamente. Sin embargo, los metales conservan sus terminaciones oso e ico, según los estados de oxidación correspondiente. Expliquemos esta nomenclatura mediante un ejemplo donde el no metal será el azufre, sabiendo que sus valencias son dos (+II), cuatro (+IV) y seis (+VI). Cuando el azufre trabaja con valencia dos, obtenemos lo siguiente: H2SO2+ NaOH
Na2SO2 + H2O
Esta sal se llamaría hiposulfito de sodio, el cual se utiliza como agente fijador en fotografía; cuando el azufre trabaja con valencia cuatro obtenemos lo siguiente: H2SO3+ KOH K2SO3 + H2O Aquí la sal se llamaría sulfito de potasio, que se usa como agente reductor de las soluciones reveladoras en fotografía. Cuando el azufre trabaja con valencia seis, obtenemos: H2SO4+ Fe(HO)2 FeSO4 + H2O En este caso, la sal se llamaría sulfato ferroso, el cual es usado en el tratamiento de anemias.
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Es necesario recordar, que los oxácidos y las oxisales poseen gran variedad de usos en las industrias, farmacias e inclusive en el hogar pero, como todo compuesto químico, su desecho inconsciente puede provocar daños irreparables a nuestros ecosistemas. Como, por ejemplo, los procesos industriales cuando liberan los anhídridos de nitrógeno y azufre a la atmósfera, éstos se combinan con el agua presente en las nubes, se forman los ácidos que se precipitan a la tierra en forma de la lluvia ácida, alterando la fertilidad de los suelos y la cosecha de los cultivos.
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Creando nomenclaturas
De igual forma, cuando se descartan detergentes con fosfatos en las tuberías, estos fosfatos llegan a los cuerpos de agua ocasionando lo que se llama la eutrificación, que consiste en el desequilibrio ecológico de los cuerpos acuáticos; ya que los fosfatos incrementan la población vegetal, disminuyendo la disponibilidad de oxígeno presente en el agua, lo cual provoca la mortandad de peces. Seguramente utilizamos en casa o en el trabajo sustancias químicas del tipo oxácidos u oxisales; por ello es importante reconocer la nomenclatura de estos compuestos para buscar información sobre el manejo y descartes de esas sustancias. Quizás tengamos que investigar un poquito en nuestro tiempo libre, sin embargo, si con ello evitamos contribuir a la contaminación de nuestro ambiente, sería un tiempo bien invertido.
Para saber más… Para conocer más sobre la nomenclatura de compuestos químicos te invitamos a revisar las siguientes direcciones web: http://quimicalibre.com/acidos-oxoacidos/ http://www.rena.edu.ve/cuartaEtapa/quimica/Tema1.html http://www.bioygeo.info/pdf/Formulacion.pdf Si deseas conocer más sobre el impacto ambiental de los compuestos químicos, consulta las siguientes direcciones web: http://cienquimica.blogspot.com/2007/12/elementos-inorganicos-y-la. html http://www.svmst.com/Revista/N7/contaminantes.htm
Aplica tus saberes El sulfato de magnesio (MgSO4.7H2O) mejor conocido como sal de epsom, se utiliza como laxante suave, depurativo del hígado y como relajante muscular. Si quieres comprobar que la química funciona, compra sal de epsom y, después de una jornada de trabajo o ejercicio donde sientas cansancio muscular, prepara un baño con sal de epsom y ¡relájate! Sin embargo, ésta no es la única oxisal útil; te invitamos a buscar la utilidad de las siguientes sales: carbonato de sodio (Na2CO3), bicarbonato de so-
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Creando nomenclaturas
dio (NaHCO3 ), sulfato de bario (BaSO4 ), y también de algunos oxácidos como el ácido sulfúrico (H2SO4 ) y el ácido nítrico (HNO3 ). Recuerda que leyendo las etiquetas de los productos puedes encontrar un sinfín de compuestos químicos.
Comprobemos y demostremos que… Conocer la nomenclatura de los compuestos no es cosa sencilla; pese a ello, tú puedes reconocer los ácidos y sales que están presentes en los productos que usas en la vida diaria; por eso te invitamos a revisar los productos químicos (inclusive alimentos enlatados) que tienes en casa o en el trabajo. Lee sus ingredientes y verás que muchos poseen sustancias con terminaciones en oso e ico (para los ácidos) e ito y ato (para las sales).
Las oxisales se pueden clasificar en sales neutras (las sales que hemos venido estudiando), ácidas y básicas. Las sales ácidas contienen más de un hidrógeno en su fórmula, como el bicarbonato de sodio (NaHCO3). Las sales básicas son las que provienen de bases con más de un oxidrilo (OH) en su fórmula, como por ejemplo nitrato básico de aluminio (AlOH(NO3)2). Si piensas que estas sales no son tan comunes, pues te comento que el fosfato ácido de calcio (Ca(H2PO4 )2 se utiliza como ingrediente ácido del polvo de hornear.
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Creando nomenclaturas Semana 4 Estequiometría: calculando masas
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¡Empecemos! Durante esta semana exploraremos los aportes que brindan los cálculos estequiométricos para el desarrollo y la preparación de sustancias químicas que repercuten en nuestro acontecer diario. Por tal motivo, realizaremos cálculos matemáticos que nos permitirán determinar los pesos moleculares de compuestos e investigar los pesos atómicos de los distintos elementos químicos que son esenciales para el cuerpo humano.
¿Qué sabes de...? En la tabla periódica aparecen datos específicos para cada elemento químico, siendo los de mayor relevancia su símbolo químico, su estado de oxidación o valencia, su número atómico y su masa atómica-gramo. Es necesario conocer el valor de la masa atómica-gramo de un elemento para poder determinar la masa molecular-gramo de un compuesto. Te invitamos a observar la información que nos proporciona una tabla periódica.
El reto es... Floripondio se encontraba en un estacionamiento con su nieto Sulfuro, cuando de pronto el niño escuchó una discusión y una señora dijo: –Mira, muchacho, apaga tu moto que estoy aspirando mucho dióxido de carbono. A lo que el joven respondió: –Mi señora, apagaré mi moto, pero si ud. se está ahogando con dióxido de carbono, entonces pelee con un árbol. Fue entonces cuando el abuelo Floripondio, conociendo a su nieto, lo miró y le dijo: –Ambos tienen la razón, el problema es cuestión de un átomo. Podrías explicar ¿por qué en la discusión entre la señora y el motorizado, ambos tenían la razón?
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Estequiometría: calculando masas
Vamos al grano La Estequiometría es el estudio de las cantidades de reactivos y productos que intervienen en las reacciones químicas. Los cálculos estequiométricos son operaciones básicas de la química; sin embargo, para poder aplicarlas es necesario conocer algunos conceptos básicos, como, por ejemplo: mol, masa atómica, masa molecular, composición centesimal, fórmula empírica y molecular, para empezar. Durante esta semana explicaremos los cálculos de masa atómica-gramo y masa molecular-gramo. En química es necesario tener presente que no podemos calcular ni medir en función de una sola molécula o átomo, por ello surge una unidad química que hace referencia a una cantidad fija de sustancia. El Mol es una unidad química que hace referencia a la cantidad de sustancia presente en un número fijo de partículas igual a 6,02 x 1023, esta cantidad es invariable, sin importar el tipo de sustancia ni su composición. Por ejemplo: un mol de carbono pesa 12g, por lo tanto 12g de carbono posee 6,02 x 1023 átomos de carbono. Todo elemento está constituido por átomos; sin embargo, para hacer referencia de cuánto es el peso de un elemento es necesario tener en cuenta su peso en moles, ocurriendo igual para el peso de un compuesto. La masa atómica es la masa en gramos que representa 6,02 x 1023 átomos de un elemento químico, que también es conocida como masa átomo gramo. Este valor es propio para cada elemento químico y se ubica en el extremo superior izquierdo del símbolo químico en la tabla periódica. Sus unidades se expresan en gramos por mol (g/mol). La masa molecular es la masa en gramos de 6,02 x 1023 moléculas, por lo tanto, se refiere a la cantidad que pesa una molécula por un mol de sustancia. Propongamos un ejemplo: si deseamos calcular la masa molecular-gramo de un compuesto como el carbonato de calcio o calcita (CaCO3), el cual suele ser un componente principal de algunos medicamentos usados para combatir la acidez estomacal. Para determinar la masa molecular-gramo del carbonato de calcio, lo primero que deberíamos hacer es buscar en una tabla periódica las masas atómica-gramos de los elementos presentes en la fórmula del carbonato de calcio (CaCO3).
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Sabiendo que las masas atómicas-gramo para el calcio (Ca) es 40,08g/mol, para el carbono (C) es 12,01g/mol y para el oxígeno (O) es 15,99g/mol, entonces procedemos a multiplicar las masas atómica-gramo por el número de átomos
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Estequiometría: calculando masas
presentes en la fórmula. Para el CaCO3, se tendría un átomo de calcio (Ca), un átomo de carbono (C) y tres átomos de oxígeno (O); por tanto, la masa molecular-gramo del carbonato de calcio se calcularía así: masa - molecular - gramo (m.m.g) CaCO1 = ∑ (m.a.g.Cax1 ) + (m.a.g.Cax1 ) (m.a.g.Ox3 ) m.m.g.CaCO3 = ∑ (40,07g/molx1) + (12g/molx1) + (15,99g/molx3) m.m.g.CaCO3 = ∑ 40,07g/molx1 + 12g/molx + 47,97g/mol m.m.g.CaCO3 = 100,04g/mol Ahora bien, si deseamos calcular la masa molecular-gramo de otra oxisal como el carbonito de calcio (CaCO2), se determinaría siguiendo el mismo procedimiento anterior: masa - molecular - gramo (m.m.g) CaCO1 = ∑ (m.a.g.Cax1) + (m.a.g.Cx1) + (m.a.g.Ox2) m.m.g.CaCO2 = ∑ (40,07g/molx1) + (12g/molx1) + (15,99g/molx2) m.m.g.CaCO2 = ∑ 40,07g/molx1 + 12g/molx + 31.98g/mol m.m.g.CaCO2 = 84,05g/mol De esta manera observamos cómo un átomo puede repercutir sobre la masa molecular-gramo y por lo tanto esto influye en la aplicación o reactividad de un compuesto. Un ejemplo es el ozono (O3) y el oxígeno molecular (O2), compuestos esenciales para la vida de todos los seres vivos, ya que el primer compuesto nos protege de los rayos ultravioletas (UV) y el segundo es indispensable para la sobrevivencia de los organismos aeróbicos. Sus masas molecular-gramo difieren en 15,99, ya que el oxígeno molecular (O2) posee una masa molecular-gramo igual a 31,98g/mol, y la masa molecular-gramo del ozono (O3) es igual a 47,97g/mol, y esto ocurre porque para determinar la masa molecular-gramo del oxígeno molecular solo debemos multiplicar por 2 la masa atómica-gramo del oxígeno (15,99g/mol) y para el ozono se multiplica por 3. Conociendo cómo se realiza la determinación de las masas moleculares, se pueden realizar distintos planteamientos estequiométricos, como por ejemplo: •
Determinar cuántos moles posee una cantidad en gramos de un compuesto: Si 100,05g de carbonato de calcio CaCO3
1mol de CaCO3
Entonces, 300g de carbonato de calcio CaCO3 ______X moles de CaCO3
341
Semana 4
Estequiometría: calculando masas
Aplicando una regla de tres: 300gCaCO3 x 1 mol de CaCO3 X = X=2,99 moles de carbonato de calcio (CaCO3) 100,05g CaCO3
•
Determinar cuántos gramos posee una cantidad en moles de un compuesto: Si un mol de carbonato de calcio CaCO3 ______ pesa 100,05g de CaCO3 Para 3,5 moles de carbonato de calcio CaCO3 __ corresponde X g de CaCO3
Aplicando una regla de tres: 3,5 moles de CaCO3 x 100,05g de CaCO3 X = X=350,17g de carbonato de calcio (CaCO3) 1 mol de CaCO3
•
Determinar el número de partículas que posee un compuesto. Recordando el número de Avogadro que un mol de un compuesto posee 6,02 x 1023 partículas, entonces, planteamos la siguiente regla de tres:
Un mol de CaCO3 _________ 6,02x1023 partículas de CaCO3
7,2 moles CaCO3 _________ X partículas de CaCO3
Aplicando una regla de tres: 7,2 moles de CaCO3 x 6,02 x 10 23 particulas CaCO3 X = 1 mol de CaCO3 X= 43,34 x 1023 partículas de carbonato de calcio (CaCO3)
Por medio de la unidad de mol podemos determinar el volumen que ocupa un gas, a lo que se le denomina volumen molar, ya que para un mol de cualquier sustancia gaseosa ocupa un volumen molar de 22,4 litros en condiciones normales (CN) de presión y temperatura. Veamos un ejemplo: Si un mol de ozono O3 ____________ ocupa un volumen de 22,4 litros en CN 342
Para 4,6 moles de ozono O3 ________ ocuparía un volumen de X litros
Estequiometría: calculando masas
Semana 4
Aplicando una regla de tres: 4,6 moles O3 x 22,4 litros X = X=1003,04 litros de O3 1 mol O3
Para saber más… Si deseas conocer más sobre las masas atómicas y moleculares, te invitamos a consultar las siguientes direcciones web: http://payala.mayo.uson.mx/QOnline/ESTEQUIOMETRIA.html http://www.eis.uva.es/~qgintro/esteq/tutorial-01.html http://w w w.educarchile.cl/Por tal.Base/Web/VerContenido. aspx?ID=139508 http://es.scribd.com/doc/50277369/6/PESO-MOLECULAR
Aplica tus saberes En los procesos metabólicos del ser humano y su interacción con los productos generados por los otros seres vivos, existe un intercambio de gases como el dióxido de carbono (CO2) y oxígeno (O2) durante los procesos fotosintéticos de las plantas y la respiración celular de los animales; estos procesos ocurren de manera natural en el medio ambiente. Sin embargo, desde la revolución industrial se ha incrementado la producción hacia la atmósfera de dióxido de carbono junto con la aparición del monóxido de carbono (CO), el cual no es asimilado por ningún ser vivo, acumulándose en la atmosfera y contribuyendo al efecto invernadero. El monóxido de carbono (CO) es producto de los procesos de combustión de hidrocarburos, especialmente la gasolina. El gas del monóxido de carbono se considera extremadamente tóxico para los seres vivos, ya que este compuesto presenta un enlace doble entre carbono y oxígeno (C=O), lo cual hace imposible su asimilación por los seres vivos, en cambio el dióxido de carbono presenta enlaces sencillos (O-C-O), permitiendo así su incorporación en los diferentes procesos metabólicos.
343
Semana 4
Estequiometría: calculando masas
Comprobemos y demostremos que… La presencia de un solo átomo en un compuesto puede hacer la diferencia, como la existente entre el dióxido de carbono (CO2) y el monóxido de carbono (CO), como también entre el peróxido de hidrógeno (H2O2 agua oxigenada) y el agua (H20). Por ello, aunque sus fórmulas son muy similares entre sí, te invitamos a investigar sobre las propiedades físicas de estos compuestos y compararlas, además de calcular sus respectivas masas moleculares y volumen molar.
Cuando realizamos la estequiometría de los gases es necesario conocer los valores de presión y temperatura del sistema, ya que estas propiedades modifican el comportamiento de los gases; por ello se consideran como condiciones normales (CN) de temperatura y presión cuando la temperatura es igual a 0°C = 273°K y a una presión de una atmósfera = 760mmHg.
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Semana 4 Estequiometría: Semana 5 calculando masas Estequiometría: calculando su composición ¡Empecemos! ¡Esta semana es de exploración! Estudiaremos la importancia de las proporciones en la elaboración de productos químicos. Para ello, repasaremos algunos conceptos básicos, a fin de emplear cálculos estequiométricos que puedan determinar la fórmula de un producto o reconocer la cantidad de un elemento presente en una sustancia.
¿Qué sabes de...? Seguramente durante las mañanas, mientras desayunas, has observado la caja de tu cereal preferido y has notado una tabla que se llama información nutricional, donde te indica cuánto es el aporte mineral y vitamínico por cada tanto de gramos de cereal consumido. ¿Sabes cuánto es el aporte de vitamina A que te da tu cereal?
El reto es... Floripondio se encontraba con su nieto Sulfuro cenando un cereal tradicional y el niño, tan inquieto como siempre, le preguntó a su abuelo: –Abuelito, aquí dice (señalando la caja de cereal), que si como 30g del cereal, este me da 13% de hierro (Fe) y que si lo tomo con leche me da 15% de hierro (Fe), ¿por qué? Entonces el abuelo Floripondio miró a su nieto y le dijo: –¡Come, muchacho, come!, mientras pensaba qué responderle a Sulfuro. ¿Puedes ayudar al abuelo a explicarlo?
345
Semana 5
Estequiometría: calculando su composición
Vamos al grano Recordemos que la estequiometría estudia las cantidades de reactivos y productos presentes en una reacción química; además de sus dos conceptos básicos como son mol y masa molecular-gramos, los cuales nos permitirán realizar cálculos estequiométricos de mayor complejidad. En las investigaciones químicas se desarrollan productos químicos que requieren cálculos matemáticos para determinar los pesos de cada uno de los elementos que forman parte de un compuesto, y a esto se le conoce como cálculo de la composición centesimal. Para calcular la composición centesimal de una sustancia basta con conocer la masa del compuesto y la masa de los elementos que la conforman. Por ejemplo: si experimentalmente se comprobó que 2,5g de calcio (Ca) reaccionaron con 1,25g de oxígeno (O), podemos calcular la composición centesimal del compuesto, ya por Ley de conservación de masa “la sumatoria de la masa de los reaccionantes es igual a la sumatoria de la masa de los productos”; así que: 2,5g de calcio (Ca) + 1,25g de oxígeno (O) = 3,75g del óxido de calcio (CaO) Entonces: 2,5g Ca x 100 % Ca= = 6,6 % de CaO 3,75g CaO
1,25g gO2 x 100 % O = = 3,3 % de O 3,75g CaO
Por medio de la composición centesimal de un compuesto se puede determinar la fórmula de dicho compuesto, para lo cual debemos saber que la fórmula química es la representación de un compuesto, indicando las cantidades del elemento presente. Existen tres tipos de fórmulas: la empírica o simplificada, la molecular o verdadera y la estructural (esta última se estudiará en semestres posteriores).
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La fórmula empírica es aquella donde se representa la relación más pequeña de los elementos presentes en el compuesto. Veamos cómo podemos crear una fórmula empírica: primero debemos tener datos obtenidos experimentalmente como, por ejemplo: se dice que una sustancia posee 40% de carbono (C), 6,66% de hidrógeno (H) y 53,33% de oxígeno (O); para conocer los aportes de cada elemento debemos dividir estos valores entre el peso atómico del elemento, es decir:
Semana 5
Estequiometría: calculando su composición C =
40 12
H =
= 3,33
6,6 1
O =
= 6,6
53,3 16
= 3,33
Luego dividimos estos resultados entre el menor valor obtenido, que para este caso sería 3,33 y así se consigue la cantidad de átomos mínima presente en el compuesto: C =
3,33 3,33
H =
=1
6,6 3,33
O =
=2
3,33 3,33
=1
Obteniendo así la siguiente fórmula empírica: CH2O, donde la proporción sería que, por un átomo de carbono existen dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno para este compuesto. La fórmula molecular es aquella que indica la cantidad real de átomos presentes en el compuesto y se obtiene partiendo de la fórmula empírica. Planteemos un caso: si al ejemplo anterior se le agrega como dato adicional la masa molecular igual a 180g/mol, debemos entonces primero calcular la masa de la fórmula empírica (CH2O), la cual se realizaría sumando las masas atómicas (ma) multiplicadas por sus subíndices respectivos: mme = ∑maC+(maH)x2+maO = ∑12g/mol+(1g/molx2)+16g/mol = 30g/mol Luego se divide la masa molecular 180g/mol entre la masa molecular empírica 30g/mol y así se obtiene (n) que sería el numero que multiplicaría a la fórmula empírica para obtener la fórmula molecular. n =
masa - molecular masa - molecular - empírica
=
180 30
=6
Ahora multiplicamos n por la fórmula empírica, para obtener la fórmula molecular: CH2 Ox6 = C6 H12 O6
Para saber más… Si deseas conocer más sobre los cálculos estequiométricos, te invitamos a revisar las siguientes direcciones web: http://payala.mayo.uson.mx/QOnline/CALCULO_ESTEQUIOMETRICO.html http://www.eis.uva.es/~qgintro/esteq/tutorial-03.html http://www.eis.uva.es/~qgintro/genera.php?tema=4&ejer=3
347
Semana 5
Estequiometría: calculando su composición
Aplica tus saberes Cuando en la información nutricional de un producto se indica que con la ingesta de 30g de cereal hay una ingesta del 13% de hierro, significa que, de los 30g consumidos 3,9g son de hierro. Ahora, cuando se menciona que al ingerir los 30g de cereal más leche existe un aporte de 15% de hierro, ¿cuás es el aporte en hierro que hace la leche? Con ejercicios como estos uno puede conocer y escoger aquellos alimentos que proporcionen mayor valor nutricional, también podemos entender por qué el médico nos receta una medicina con una dosis determinada; inclusive podemos saber cuál producto de limpieza nos brinda mayores ventajas de uso, sabiendo la composición del producto y su eficiencia.
Comprobemos y demostremos que… Teniendo presente que los valores estequiométricos son producto de cálculos que determinan la cantidad de una sustancia dentro de un compuesto, es posible aproximarnos a las bondades de un producto de limpieza. Por esta razón, te invitamos a que busques los ingredientes presentes en las pastas dentales de las diferentes marcas y lleves un registro sobre la cantidad de flúor o compuestos fluorados presentes. Ten en cuenta que el Flúor es un elemento que se utiliza para la prevención de caries.
En muchas reacciones químicas, los reactantes o reactivos no se consumen por completo, por lo que a veces dentro de los productos formados puede estar presente algunas trazas del reactivo inicial. Así que la cantidad de producto con la que se forme una reacción dependerá del reactivo que no esté en exceso, al cual se le denomina reactivo limitante. Por lo que: 1mol de ácido+1mol de base forma 1mol de sal. Entonces, con 2 moles de ácido + 1mol de base se forma 1mol de sal y sobrará 1mol de ácido sin reaccionar, siendo la base el reactivo limitante.
348
Estequiometría: Semana 6 calculando su composición Aplicando la Estequiometría
Semana 5
¡Empecemos! Durante esta semana reflexionaremos sobre la elaboración de compuestos químicos que tienen influencia sobre la calidad de vida del ser humano. Para ello analizaremos la composición de algunos medicamentos, aplicando los procedimientos estequiométricos explicados la semana pasada. De esta manera, vamos a valorar no solo la preparación de sustancias químicas sino su utilización racional, para así concientizar sobre el abuso de algunos remedios que suelen ser automedicados.
¿Qué sabes de...? Cuando nos enfermamos tenemos la costumbre de ir a las farmacias y auto recetarnos algún medicamento como Tempra® o Tachipirin®, sin darnos cuenta de que ambos medicamentos poseen el mismo ingrediente activo llamado acetaminofen. Bien es cierto que el acetaminofen es un analgésico por excelencia y está indicado en casos de dengue, pero la presentación de la medicina cambia la cantidad de ingrediente activo. ¿Sabes cuál de las presentaciones de Tempra® o Tachipirin® tiene menor o mayor cantidad de acetaminofen?
El reto es... Sulfuro está cuidando a su abuelo Floripondio que se encuentra enfermo y le pide a su nieto que le traiga el Tachipirin® porque le duele la cabeza. Su nieto muy preocupado corre y se lo trae, pero su abuelo le dice: –No, mijo, ese frasco es para cuando tú te enfermas, tráeme el Tachipirin® para mí. ¿Podrías ayudar a Sulfuro indicando el tipo de presentación del medicamento para su abuelito? 349
Semana 6
Aplicando la Estequiometría
Vamos al grano Todos alguna vez hemos sentido malestar de gripe, acompañado de dolor de cabeza o fiebre; seguramente algunos usamos remedios caseros a través de infusiones de jengibre con eucalipto y miel, también es cierto que muy pocos visitan a su médico para que les recete algún medicamento. Por consiguiente, la gran mayoría entra a una farmacia a buscar el medicamento que mejor publicidad tenga o el más económico; no obstante, esto puede repercutir en nuestra salud, ya que, peor que la enfermedad en sí es una gripe mal curada. Esta es la razón por la cual los farmaceutas deben dominar con exactitud la química, en especial los cálculos estequiométricos, ya que la elaboración de un medicamento no solo se basa en la acción de su ingrediente activo, sino en la cantidad presente en el medicamento, para que luego el médico, después de unos análisis, pueda recetarlo en función de la edad y peso del paciente, evitando así posibles efectos secundarios. Estudiemos la información que nos proporciona un medicamento sencillo, para aplicar así algunos cálculos estequiométricos. Por ejemplo: un medicamento X tiene como componente 1260mg de carbonato de calcio (CaCO3) por comprimido o cucharada, que equivale a 500mg de calcio (Ca); verifiquemos si es cierto. Primero debemos calcular la masa molecular (m.m.) del compuesto, que para este caso es carbonato de calcio (CaCO3): m.m.g.CaCO3 = ∑ m.a.Ca + m.a.C + (m.a.O)x3 m.m.g.CaCO3 = 40,01g/mol + 12,0g/mol + (16,0g/mol)x3 m.m.g.CaCO3 = 100,1g/mol Luego convertimos los miligramos (mg) en gramos para trabajar con las mismas unidades: 1g _____________ 1000 mg X ______________ 1260mg Por lo tanto, tenemos 1,26g de CaCO3 1260 mgxlg X = = 1,26g 1000mg 350
Aplicando la Estequiometría
Semana 6
Ahora, si deseamos saber cuánto calcio (Ca) nos proporciona el medicamento X, realizamos la siguiente regla de tres: 100,1g/moldeCaCO3 _____ 40,1g/moldeCa 1,26gdeCaCO3 _________ X Lo cual equivale a 505mg de Ca 1,26g de CaCO3 x 40,1 g/moldeCa 50,526gCa X = = = 0,505gCa 100,1g/molde CaCO3 100,1 Estos cálculos significan que, por cada comprimido o cucharada del medicamento X que posee 1260mg del componente carbonato de calcio (CaCO3 ) en su composición, la persona ingiere un equivalente “real” de 505mg de calcio (Ca), lo cual sería una variante mínima, en comparación a los 500mg de Ca escritos en el empaque de la caja. Probablemente, pensarás que mientras más calcio es mejor; sin embargo, para un paciente con problemas de regulación de calcio plasmático (calcio en la sangre) como la hipercalcemia, un leve incremento de calcio en la sangre puede significar a mediano plazo una calcificación de las arterias y futuras complicaciones cardíacas. Esta es la razón por la cual los medicamentos deben ser recetados exclusivamente por los médicos y, aunque parezca irrelevante, existen medicamentos que en diferentes concentraciones o en pacientes con hipersensibilidad al ingrediente activo pueden ser letales para el ser humano, especialmente cuando se les suministran a niños o personas mayores. No obstante, la estequiometría no es exclusividad de los farmaceutas y médicos, ya que existe una gran variedad de productos químicos (limpieza y/o cosméticos) que dependen de los cálculos estequiométricos. Por ejemplo, si una industria desea preparar toneladas de algún desinfectante, debe tener presente varios aspectos como la capacidad de los recipientes a preparar, las cantidades de reactivos o materia prima necesaria para poder producir una cantidad específica del desinfectante, sin que haya pérdida de reactivos. Los cálculos estequiométricos no solo son cuestión de pesos moleculares, composición centesimales, sino que se refieren a la cantidad necesaria de los componentes principales para obtener un producto específico. El mejor ejemplo es la elaboración de una torta, ya que la ausencia de leche o el incremento de mantequilla harán variantes en el producto obtenido.
351
Semana 6
Aplicando la Estequiometría
Otro ejemplo sería cuando deseamos preparar un tinte para tela, para lo cual es necesario saber que en algunos tintes se requiere el uso de mordantes que son sustancias que ayudan a fijar el color a la tela, excepto para el añil que no es necesario el uso de mordante sino el aguante para soportar el mal olor. Ahora bien, las proporciones que usemos es lo que determinará la intensidad del color o su diversidad. Las reacciones químicas como los procesos químicos están estrechamente vinculadas a nuestro acontecer diario, solamente debemos dominar la terminología empleada para así transferir nuestros conocimientos al quehacer cotidiano y, más que una cuestión teórico práctica, se trata de prestar atención a nuestro alrededor.
Para saber más… Si deseas saber un poco más sobre la aplicación de los cálculos estequiométricos, te invitamos a revisar las siguientes direcciones web: http://www.murciencia.com/UPLOAD/COMUNICACIONES/calculos_estequiometria_aplicados.pdf http://tilz.tearfund.org/webdocs/Tilz/Footsteps/Spanish/FS21S.pdf http://www.bing.com/images/search?q=estequiometria+en+medica mentos&view=detail&id=47398A1F3866E5C1C1 D495E47D804B54C8CF407
Aplica tus saberes Los medicamentos poseen distintas cantidades del ingrediente activo en función de su presentación, es por ello que siempre encontrarás los medicamentos pediátricos en forma de jarabes o soluciones en gotas; mientras que para los adultos se ofrecen tabletas o cápsulas blandas. Por tal motivo, te invitamos que vayas a una farmacia, leas la composición química del Tachipirin® en sus presentaciones en jarabe, gotas y cápsulas y notarás que las cantidades son similares pero, si transferimos esa cantidad de ingrediente activo en función del volumen (cucharada) o masa (capsula) ingerida, veremos cuán concentrado esta el medicamento en sus distintas versiones. 352
Aplicando la Estequiometría
Semana 6
Comprobemos y demostremos que… Investiga en los centros farmacéuticos ¿cuál es la verdadera diferencia entre los medicamentos genéricos y los de laboratorios reconocidos? Si ambos poseen el mismo aporte de ingrediente activo, ¿por qué los médicos siguen recetando los medicamentos de laboratorios reconocidos?, ¿la cantidad de pastillas es la misma para ambas presentaciones? Después de consultar, reúnete con tus compañeros y discutan: ¿qué tan buenos son los medicamentos genéricos?
El mordiente es una sustancia que permite fijar el color a la tela de manera permanente. El tipo de tinte que se desee aplicar determinará el mordiente a usar; por ello es necesario escoger el mordiente adecuado para cada tinte. Algunos mordientes se preparan con alumbre, cremor tártaro y sosa de lavar.
353
Semana 7
Estudiando las soluciones Semana 7
Estudiando las soluciones ¡Empecemos! Esta semana nos dedicaremos a explorar el impacto de los desechos químicos sobre nuestro ambiente, valorando el uso racional y el descarte adecuado de las diferentes sustancias químicas que utilizamos a diario. Para ello, debemos recordar las características de las sustancias más utilizadas (las soluciones); para así conocer cómo se determinan las concentraciones en sus unidades químicas.
¿Qué sabes de...? En la vida cotidiana los productos químicos más usados expresan su concentración en unidades físicas expresadas de forma porcentual como, por ejemplo, el jugo de naranja al 60%, el vinagre en un 35%, el cloro en un 17%, etc. Sin embargo, a nivel industrial las unidades de concentración de las soluciones se expresan en sus unidades químicas: fracción molar, molaridad y molalidad. Te invitamos a reflexionar sobre la importancia de conocer la concentración de soluciones, especialmente si son sustancias químicas tóxicas.
El reto es... Sulfuro regresaba de su escuela cuando se encontró con su abuelo Floripondio, el cual intuyó rápidamente que su nieto le tenía una pregunta: –Abuelo, ¡bendición!, ¿qué es concentrado? Porque mi maestra me dijo que no podíamos ir a la biblioteca porque el cloro que usaron para limpiar el salón era muy concentrado y no se podía respirar, ¿qué es eso? Su abuelo pacientemente le respondió: –Dios te bendiga, mijo, primero vamos a la casa que el sol está muy fuerte, allá en el fresquito te explico con tranquilidad. Esta vez el abuelo agradeció que la pregunta fuera sencilla. 354
¿Sabes lo que el abuelo va responder?
Semana 7
Estudiando las soluciones
Vamos al grano Las sustancias químicas que utilizamos a diario son mezclas homogéneas conocidas como soluciones, las cuales están constituidas por un componente en menor proporción, el soluto, y otro en mayor proporción, llamado solvente. Este último, por norma general, es el agua, por lo que las soluciones de este tipo se llaman acuosas. El estado de agregación en que se presente un soluto y un solvente dentro de una solución determinarán el estado de agregación de la solución resultante. Veamos un cuadro comparativo (tabla 1). Tabla 1 Del soluto
Estados Del solvente
De la solución
Sólido
Sólido
Sólido
Líquido
Sólido
Sólido
Gas
Sólido
Sólido
Hidruro: rógeno+paladio
Sólido
Líquido
Líquido
Agua de mar: sal+agua
Líquido
Líquido
Líquido
Vinagre: ácido acético+agua
Gas
Líquido
Líquido
Sólido
Gas
Gas
Líquido
Gas
Gas
Gas
Gas
Gas
Ejemplos Aleaciones: latón (cobre+cinc) Amalgama dental: mercurio+plata
Agua mineral: dióxido de carbono+agua Polvo atmosférico: polvo+aire Humedad atmosférica: agua+aire Aire atmosférico: ígeno+nitrógeno
En esta oportunidad trabajaremos con las soluciones en su estado de agregación líquida, que es la presentación más común de las soluciones en nuestra vida cotidiana. Ahora bien, sabemos que la concentración de una solución determinará la efectividad de la misma; por ejemplo: un lavaplatos concentrado implicaría el uso de una mínima cantidad de jabón con el mismo resultado de otros lavaplatos diluidos; también están los perfumes concentrados, los
355
Semana 7
Estudiando las soluciones
cuales requieren de menor aplicación que las aguas de colonias para una misma intensidad de fragancia. Para conocer cuándo un producto químico es concentrado o no, se requiere de cálculos matemáticos sencillos donde se tome en cuenta la cantidad de soluto y solvente presentes en la solución. Sin embargo, las sustancias químicas reflejan con exactitud su concentración cuando determinamos la cantidad de soluto en moles utilizado en la preparación de la solución. Existen varias unidades químicas que implican el número de moles presentes pero, en nuestro caso, solo estudiaremos tres: fracción molar (X), molaridad (M) y molalidad (m). La fracción molar es la unidad de concentración que puede usarse en soluciones en fase líquida o en fase gaseosa y se expresa con la letra equis (X). Se define como el número de moles de un componente (soluto o solvente) en relación al número total de moles de la solución. Y se determina mediante la siguiente fórmula: moles de soluto Xsoluto = moles de soluto + moles solvente nsto Abreviadamente sería así: Xsto = nsto + nste nsto Xsto = moles de soluto + moles solvente nste Abreviadamente sería así: Xste = nsto + nste masa (gramos) número de moles = Peso Molecular masa (sto) Abreviadamente sería así: nsto = M (sto) masa (ste) nste = M (ste) Donde n= número de moles; sto= soluto; ste= solvente; Xste=fracción molar del solvente, Xsto=fracción molar del soluto; PM= peso molecular o masa molecular-gramo; PA= peso atómico o masa atómica-gramo. Ejemplo: Una solución fue preparada disolviendo 15g de cloruro potásico (KCl) en 62g de agua. Determina la fracción molar de cada componente: 356
Semana 7
Estudiando las soluciones
1. Calculamos los pesos moleculares del agua y el cloruro potásico (KCl). Los pesos atómicos se encuentran en la tabla periódica: PMH20=∑(PAH)x2+(PAO)x1=∑(1g/molx2)+(15,99g/molx1) = ∑2g/mol+15,99g/mol=17,99g/mol PMKCl=∑(PAK)x1+(PACl)x1= ∑(39,09g/molx1)+(35,45g/molx1) = ∑39,09g/mol+35,45g/mol=74,54g/mol 2. Calculamos el número de moles de soluto (nsto) y el número de moles de solvente (nste). masa (sto) nsto = M (sto)
nsto =
masa (ste) nsto = PM (ste)
nste =
15 g 74,54 g/mol 62 g 17,99 g/mol
= 0,20 moles (sto) = 3,44 moles (sto)
3. Calculamos las fracciones molares del soluto (Xsto) y del solvente (Xste) Xsto = Xste =
nsto nsto + nste nste nsto + nste
Xsto =
Xste =
0,20 moles 0,20 moles + 3,44 moles 3,44 moles 0,20 moles + 3,44 moles
=
=
0,20 moles 3,64 moles 3,44 moles 3,64 moles
= 0,05
= 0,94
Es importante saber que la suma de la fracción molar del soluto, más la fracción molar del solvente, siempre será igual a uno; por lo tanto, los valores de fracción molar siempre serán menores a uno. Así que, otra manera de calcular la fracción molar puede ser despejando la siguiente fórmula: Xsto+Xste=1
357
Semana 7
Estudiando las soluciones
La Molaridad es la unidad de concentración más utilizada en los laboratorios, se representa con la letra M en mayúscula; se define como el número de moles de un soluto presente por litro de solución. Para determinar la Molaridad se emplea la siguiente fórmula: masa de soluto Molaridad = (Peso molecular+ litros de solución) Abreviadamente sería así:
masa sto M = PM x litros
Veamos un ejemplo: ¿cuál será la molaridad de una solución que contiene dos gramos de Hidróxido de sodio disueltos hasta tener un volumen de 500ml? 1. Calculamos el peso molecular del hidróxido de sodio (NaOH). Los pesos atómicos se encuentran en la tabla periódica: PMNaOH=∑(PANa)x1+(PAH)x1 + (PAO)x1= ∑ 22,98g/mol+ 1g/mol + 15,99 g/mol= 39,97 g/mol 2. Convertimos los mililitros de solución en litros: 1litro _____________ 1000 ml X _____________ 500 ml
Por lo tanto X =
500 ml x 1 litro 1000 ml
= 0,5 litros
3. Calculamos la molaridad de la solución del hidróxido de sodio (NaOH) M=
masa sto 2g M= = PMx + Litros 39,97 g/mol x 0,5 litros 2g = 0,05 mol/litros = 0,10 molar 19,98 litros/mol
La molalidad es la unidad de concentración que se define como el número de moles por un kilogramo de solvente. Esta unidad se presenta con la letra m minúscula. Su fórmula es la siguiente:
358
masa de soluto Molaridad = (Peso molecular+ Kg de solvente)
Semana 7
Estudiando las soluciones masa sto Abreviadamente sería así: m = PM x KG (ste)
Realicemos un ejercicio para ejemplificar su cálculo: ¿en cuántos gramos de agua deben disolverse 375g de cloruro de calcio (CaCl2) para que resulte una solución 1,32 molal? 1. Calculamos el peso molecular del cloruro de calcio (CaCl2). Los pesos atómicos se encuentran en la tabla periódica: PMCaCl2=∑(PACa)x1+(PACl)x2 =∑ (40,08g/molx1)+(35,45 g/molx2) = ∑ 40,08g/mol+70,9 g/mol =111,18g/mol 2. Despejamos de la fórmula de molalidad los kilogramos de solvente:
masa (sto) m = M (sto)
masa (sto) despejamos Kg(ste) Kg(ste) = PM x molal
Sustituimos y calculamos 375 g 375 g Kg(ste) = = = 2,5 Kg (ste) 111,18 g/mol x 1,32 mol/Kg 146,75 g/Kg 3. Ahora convertimos los kilogramos en gramos: 1Kg _____________ 1000 ml 2,5 Kg ___________ X
Por lo tanto X =
2,5 Kg x 1000 g 1 kg
= 2550 g
Si observas bien, en las fórmulas para determinar molaridad y molalidad no aparecen los moles de soluto, a pesar de que en sus definiciones están implícitos los números de moles presentes. Esto es porque como los moles=masa/peso molecular, simplemente se sustituyen en las fórmulas de molaridad y molalidad, dando un cálculo más directo. 359
Semana 7
Estudiando las soluciones
Para saber más… Si deseas conocer más sobre las unidades de concentración de soluciones o las características de las soluciones, te invitamos a revisar las siguientes direcciones web: http://www.profesorenlinea.cl/Quimica/Disoluciones_quimicas.html http://concentraciondesoluciones.blogspot.com/p/concentracion-desoluciones.html http://www.slideshare.net/deadmind/unidades-quimicas1
Aplica tus saberes Cuando realizamos la limpieza de nuestro hogar, muchas veces usamos productos químicos sin considerar el impacto que estas sustancias pueden generar en nuestro ambiente. Por ejemplo, algunos blanqueadores poseen hipoclorito de sodio (NaClO), que muchas veces es considerado como cloro puro; cuando añadimos esta sustancia para limpiar la baldosa del baño o la cocina, garantizamos una limpieza rápida y efectiva, especialmente si este no ha sido diluido. No obstante, este producto, al entrar en contacto con alguna otra sustancia ácida (desinfectante), puede desprender cloro gaseoso que es extremadamente tóxico. Es necesario tener presente cuando utilizamos sustancias químicas en nuestros hogares, leer los componentes de la solución y en especial revisar las precauciones que se deben tener. Tomemos conciencia de que el abuso de sustancias químicas, su desecho indiscriminado y su mala aplicación pueden repercutir seriamente sobre nuestro ambiente y nuestra salud. De igual manera, no olvides que existen alimentos y bebidas que son sustancias químicas, cuyo consumo prolongado incrementará su impacto en la salud integral de nuestro cuerpo, de acuerdo a la concentración en que los consumamos.
Comprobemos y demostremos que…
360
Las soluciones son sustancias que utilizamos a diario, pero muchas veces no lo tomamos en cuenta, por lo que te invitamos a realizar una lista de todos los productos químicos que usas durante una semana e investiga (en su etiqueta) la concentración que poseen, además de describir el estado de agregación en que se presenta dicha solución.
Semana 7
Estudiando Semana 8 las soluciones A preparar soluciones
¡Empecemos! Seguiremos explorando esta semana el impacto de los desechos en nuestro ambiente, apreciando así el uso racional y mejorando el descarte de las sustancias químicas que utilizamos a diario. En este caso estudiaremos, tanto los cálculos necesarios, como los pasos a seguir en la preparación de las soluciones químicas.
¿Qué sabes de...? Cuando preparamos bebidas en casa siempre realizamos una metodología en particular, como, por ejemplo, para hacer una naranjada lavamos las naranjas, las picamos, las exprimimos dentro de un frasco y en algunos casos completamos con agua y azúcar. Ahora bien, para preparar soluciones distintas a las del consumo humano, requerimos seguir una serie de pasos. ¿Podrías mencionar cuáles serían los primeros pasos a seguir?
El reto es... Floripondio se encontraba en casa cuando su nieto Sulfuro llegó de la escuela y le comentó de una tarea que debía realizar, la cual empezaba por responder: ¿cómo se hace para diluir una solución a tres cuartos? Su abuelo le dijo: –Saca el agua y unas naranjas de la nevera, ya te demostraré el procedimiento. ¿Sabes cómo el abuelo Floripondio responderá esta pregunta?
Vamos al grano Antes de comenzar a explicar cómo debemos preparar las soluciones, es necesario recordar la definición de dilución, conocida como la acción de disolver un soluto en un solvente apropiado; es decir, consiste en añadir más agua a la solución para que la proporción del soluto por el solvente se disminuya. 361
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A preparar soluciones
Ahora bien, en la preparación de soluciones partiremos de dos casos: 1) cuando el soluto es un sólido y 2) cuando es un líquido. En ambos casos es necesario comprender que cuando se trata de preparar soluciones químicas como ácidos, hidróxidos e inclusive sales, es necesario tener presente las normas de seguridad según la sustancia preparada, ya que suelen ser sustancias químicas tóxicas, tanto para el ambiente como para el ser humano. Cuando deseamos preparar una solución partiendo de un sólido, realizamos los siguientes cálculos: Por ejemplo, se desea preparar 200ml de una solución de cloruro de potasio (KCl) 0,5 molar. Para ello debemos conocer cuántos gramos de sal debemos utilizar. 1. Se calcula la masa molecular del cloruro de potasio (KCl): MasaMolecularKCl= ∑ MAK + MACl = ∑ 39,09g/mol + 35,45 g/mol = 74,54g/mol 2. Convertimos los mililitros de solución en litros: 1litro ____________ 1000 ml X ____________ 200 ml
Por lo tanto X =
200 ml x 1 litro 1000 ml
= 0,2litros
3. Despejamos los gramos de la fórmula de concentración de molaridad: gramos M = (Masa molecular x litros) Si despejamos tenemos que Gramos=(M) x (Litros) x (Masa Molecular) 4. Ahora sustituimos los valores: Gramos=(0,3mol/litros) x (0,2 litros) x (74,54g/mol) = (0,06g/mol) x (74,54 g/mol)= 4,47g/mol
Gramos
Con este resultado sabemos que debemos pesar 4,47g de cloruro de potasio (KCl) para preparar 200ml de solución al 0,3 molar. Cuando deseamos preparar una solución partiendo de un líquido, realizamos los siguientes cálculos: 362
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A preparar soluciones Por ejemplo: si tenemos un litro de ácido muriático (HCl) que posee un 32% de pureza, cuya densidad es de 1,18g/ ml (Solución madre), ¿cuántos mililitros del ácido debemos tomar para preparar 200ml de una solución de ácido muriático (HCl) 0,4 molar?
1. Calcular la masa total del ácido muriático (HCl) contenido en la solución madre; para ello usamos el valor de densidad: 1ml ____________ 1,18 g 1000ml ____________ X
Por lo tanto X =
1000 ml x 1,18 gramos 1 ml
= 1,180 gramos
2. Calcular la masa total verdadera de ácido muriático (HCl) presente en la solución madre; para ello usamos el valor de pureza: 100 gHCI ____________ 32 gHCI (puro) 1,180 gHCI ____________ X
Por lo tanto X =
1,180 g x 32 g 100 g
= 377,6 gramos
3. Sabiendo la masa total de ácido puro presente en la solución madre, procedemos a calcular su concentración en molaridad, previo cálculo de masa molecular del HCl. MasaMolecularHCl= ∑ MAH + MACl = ∑ 1,00 g/mol + 35,45 g/mol = 36,45 g/mol gramos M = (Masa molecular x litros) Sustituimos M=
377,6 g (36,45 g/mol) x ( 1 litro)
= 10,35 mol/litros 363
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A preparar soluciones
4. Una vez conocida la concentración de la solución madre y partiendo del principio de que el número de moles tomados de la solución madre será igual al número de moles de la solución a preparar, obtenemos los moles de la fórmula de molaridad=moles/volumen. moles M = litros
despejando
moles = (Molaridad) x (litros)
Donde expresaremos de manera general que: moles = concentración (C) x volumen (V) Si los moles de soluto de la solución madre serán iguales a los moles de soluto de la solución a preparar, podremos reescribirlo de la siguiente manera, considerando 1 como los datos de la solución madre y 2 los datos de la solución a preparar: moles1 = moles2
sustituyendo
C1 x V1 = C2 x V2
5. Sabiendo que deseamos preparar 200ml de solución 0,4M, partiendo de una solución madre cuya concentración es 10,35M, despejaríamos V1 para conocer el volumen a tomar de la solución madre a fin de obtener la solución deseada: C2 x V2 0,4M x 200ml V1 = sustituyendo V1 = = 7,7 ml C1 10,35 M Con este resultado sabemos que debemos tomar 7,7ml del ácido muriático (HCl) que posee una densidad de 1,18g/ml y una pureza de 32% para preparar 200ml de un nuevo ácido muriático (HCl) 0,4M. Una vez realizados los cálculos para preparar una solución, se deben seguir unos pasos para evitar posibles accidentes en un laboratorio: 1. Se procede a medir el soluto: a) Si es un sólido, debemos tomar un recipiente y medimos su masa en la balanza, a este valor le sumamos la cantidad de soluto calculado y, luego, añadimos el soluto hasta alcanzar la nueva medida de masa (recipiente + soluto). b) Si es un líquido, tomamos el instrumento adecuado para medir el volumen calculado; si el volumen es menor a diez mililitros se usa una pipeta; en cambio, para volúmenes mayores de diez mililitros se usa un cilindro.
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2. Se añade el soluto, con mucho cuidado de no derramarlo (puedes ayudarte con un embudo), dentro de un balón aforado; es importante recordar que, si se trata de un ácido, se debe añadir un poco de agua en
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A preparar soluciones
el balón antes de agregar el ácido, ya que algunos reaccionan violentamente con el agua y podrían romper el envase. 3. Se añade una pequeña cantidad de agua y se trata de disolver el soluto; es importante que este se encuentre completamente disuelto antes de enrasar (llegar la solución hasta el aforo) el balón. Si se completa con agua antes de disolver el soluto, ocurre que el soluto incrementa el volumen cambiando la concentración de la solución preparada. 4. Una vez culminada la solución química, se transfiere a un recipiente previamente rotulado (identificado) con el nombre de la solución preparada, su fórmula química, su concentración y la fecha de su elaboración.
Para saber más… Si deseas conocer más sobre la preparación de soluciones, te invitamos a consultar las siguientes direcciones web: http://www.todomonografias.com/quimica/analisis-aguas-y-productosindustriales-parte-3/ http://quimicaparatodos.blogcindario.com/2009/07/00025-como-preparar-una-solucion-a-partir-de-una-concentrada.html http://www.fisicanet.com.ar/quimica/soluciones/ap01_disoluciones.php
Aplica tus saberes Si deseas preparar una solución química en casa, puedes tomar un recipiente de vidrio con tapa (como los frascos de jugo en sustitución del balón aforado), una taza, un embudo, una balanza de comida, una cuchara, agua y sal. Conociendo los pasos a seguir, calcula cuántos gramos de cloruro de sodio NaCl (sal común) necesitas para preparar 500ml de una solución de cloruro de sodio NaCl 0,3M.
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A preparar soluciones
Sin embargo, es necesario aforar el frasco de vidrio a 500ml, que es el volumen que deseamos preparar. Para ello, pesa el frasco en la balanza, luego a la masa medida súmale 500g y añade agua al frasco hasta la cantidad calculada. Como la densidad del agua es 1g/ml, el volumen de agua es igual a su masa. Señala con un marcador indeleble en el frasco de vidrio hasta dónde llegaron los 500g de agua pesados, vacía el frasco y, ya tienes un frasco aforado.
Comprobemos y demostremos que… Sabiendo cómo preparar una solución, es mucho más sencillo realizar una dilución. Toma un jugo de naranja concentrado (solución madre), si deseas diluir a la mitad, solamente toma un vaso de jugo y añádelo en un frasco; toma el mismo vaso, completa con agua y vuélvelo a añadir al frasco, así habrás obtenido una dilución hasta la mitad de su concentración original. Si a esta nueva solución la añades en otro frasco y lo completas con el mismo vaso, pero esta vez con agua, entonces habrás realizado una dilución tres cuartos de la solución madre. Te invitamos a realizar otras diluciones con otras bebidas y distintas proporciones.
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A preparar Semana 9soluciones Valorando una solución
Semana 8
¡Empecemos! Durante esta semana seguiremos explorando la marca que dejan los desechos químicos sobre nuestro ambiente, reforzando así el uso racional y destacando la importancia del descarte adecuado de las diferentes sustancias químicas que utilizamos a diario. Pero esta vez, determinaremos el valor de una solución, partiendo de otra solución distinta, lo cual permite conocer la concentración de una solución a partir de otra de concentración conocida.
¿Qué sabes de...? Para los procesos de valoración de soluciones se requiere de instrumentos específicos de medición de volumen, como son: la pipeta graduada, la pipeta volumétrica, el balón aforado y la bureta, siendo la pipeta y la bureta instrumentos de medición de volumen de gran precisión. La bureta es el instrumento por excelencia en los procesos de neutralización, ya que permite dosificar la cantidad y la velocidad de adicción del líquido. ¿Conoces cómo se realiza el montaje de una titulación?
El reto es... En casa del abuelo Floripondio, su nieto Sulfuro miraba un programa de ciencias donde observaban los cambios de color que sufre un indicador en presencia de un ácido o una base; fue entonces que Sulfuro se volteó y miró a su abuelo, éste sonrió y le preguntó a su nieto: –¿Quieres saber cómo ocurre eso? Y su nieto emocionado respondió: –¡Sí, sí, sí! –Muy bien, respondió el abuelo. Terminemos de ver el programa y te explicaré. ¿Podrías –una vez más– ayudar al abuelo? 367
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Valorando una solución
Vamos al grano Las soluciones, como los ácidos, las bases y las sales se utilizan para realizar reacciones químicas o simplemente para preparar otros compuestos que en algunos casos deben ser neutralizados y luego descartados por el desagüe. El proceso de neutralización permite evidenciar una reacción química a través de un cambio de color que sufre el indicador seleccionado. Entre los indicadores más utilizados se encuentra la fenolftaleína y el anaranjado de metilo; sin embargo, puedes preparar tu propio indicador a partir de repollo morado como se explicó en la semana 1. La neutralización es un proceso que se lleva a cabo por medio de una técnica muy utilizada en los laboratorios, llamada titulación, la cual consiste en añadir una solución de concentración conocida colocada dentro de una bureta; debajo de la bureta se coloca un matraz con una solución de concentración desconocida pero con un volumen conocido; dentro del matraz se añaden unas gotas de indicador, el cual virará de color en el momento que se haya neutralizado la reacción. Veamos cómo sería un ejemplo de titulación si colocamos en la bureta ácido muriático HCl 0,1M y abajo en el matraz tenemos 20ml de hidróxido de sodio de concentración desconocida. Dentro del matraz se añade un indicador de acidez llamado fenolftaleína, el cual toma un color fucsia en presencia de una base. Posteriormente se procede a añadir el ácido, poco a poco, hasta que la coloración del indicador dé un rosa pálido, indicando que se ha alcanzado la neutralidad, conocido como punto final de la titulación. No obstante, para tener mayor certeza en los resultados, se repite el procedimiento tres veces, promediando el valor del volumen añadido. Supongamos que los valores del ácido añadido fueron: 23,4ml; 24,1ml y 23,8ml; promediando estos valores obtenemos: Se gastaron 23,77ml de ácido muriático HCl 0,1M para neutralizar 20ml de 23,4ml + 24,1ml + 23,8 ml Promedio = = 3 368
71,3 ml 3
= 23,77 ml
hidróxido de sodio NaOH de concentración desconocida. Para determinar su concentración, partimos de que en el proceso de neutralización se igualan los números de moles del ácido con los números de moles de la base:
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Valorando una solución
HCl + NaOH
NaCl + H2O
Matemáticamente se expresaría de la siguiente manera: moles (base) = moles (ácido) Sabiendo que moles = Concentración x Volumen, tenemos que: CbxVb=CaxVa despejando(Cb) Ca x Va = sustituyendo Vb
Cb =
Cb
0,1M x 23,77ml 20ml
= 0,1ml
Como resultado tenemos que se gastaron 23,77ml de ácido muriático HCl 0,1M para neutralizar 20ml de hidróxido de sodio que tiene por concentración 0,11M. La técnica de titulación es ampliamente utilizada dentro de los laboratorios, ya que permite determinar la concentración de ácidos y bases que pueden estar presentes en las sustancias químicas, pero también en alimentos, bebidas e, inclusive, en el agua que tomamos a diario. Por ello, los alimentos y bebidas que consumamos deben pasar por un estricto control de calidad que permita garantizar que los valores de acidez y basicidad tienen tendencia hacia la neutralidad, evitando inconvenientes sanitarios. Sabiendo que el agua es un compuesto inorgánico neutro y de características particulares que lo hacen esencial para la vida, los cambios en la acidez o basicidad determinan su calidad para el consumo humano o para la sobrevivencia de los demás seres vivos. Por tal motivo, los agentes contaminantes presentes en el suelo o en el agua pueden alterar su calidad, haciendo poco recomendable su consumo. Además de los agentes contaminantes terrestres y acuáticos, se suma otro factor: los gases emitidos a la atmósfera provocan que las precipitaciones se acidifiquen. Todos estos elementos inciden en el incremento del costo final del agua potable. Y hacen cada vez más urgente la necesidad de concientizar a la población en general acerca de la valoración y conservación del vital líquido.
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Valorando una solución
Para saber más… Si deseas conocer más sobre la valoración de las soluciones, te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://quimipage.galeon.com/ http://labquimica.wordpress.com/2008/04/30/titulacion-acido-base/ http://www.edutecne.utn.edu.ar/sem_fi_qui_micrb_09/biosolidos_ en_suelo.pdf http://www.elergonomista.com/quimica/q10.html
Aplica tus saberes Los indicadores de acidez y basicidad son compuestos; junto con el ácido o la base a medir puede existir una transferencia de protones (hidrógeno) provocando cambios en el color; es por ello que la fenolftaleína en presencia de bases forma una sal de color rojizo (fucsia), en cambio, en presencia de ácidos se forma un compuesto llamado lactona fenólica, la cual es incolora. En el caso del indicador de pH natural como el repollo morado, al igual que los otros indicadores, cambia la composición química alterando su coloración por la presencia de un ácido o una base. Te invitamos a que prepares una solución de repollo morado y busques distintas fuentes de agua (potables o no) y determines su acidez o basicidad.
Comprobemos y demostremos que… Continuando con el repollo morado, te animamos a realizar una dilución seriada (diluir a la mitad, varias veces) de vinagre y añadas unas gotas de indicador. Repite la misma experiencia, pero esta vez con bicarbonato de sodio. Anota tus observaciones con respecto a la coloración obtenida y la intensidad del color resultante.
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Valorando una solución
Semana 9
El agua natural posee en su composición una cantidad determinada de sales; sin embargo, cuando estos minerales se incrementan, especialmente el calcio (Ca) y magnesio (Mg), las aguas cambian su solubilidad y pasan a denominarse “aguas duras”, las cuales no son aptas para el consumo humano, ni tampoco para el lavado de utensilios, ya que el jabón es insoluble en las aguas duras. Existen algunas sustancias llamadas “intercambiadores de iones” que permiten remover el excedente de calcio y magnesio presente en las aguas, esta técnica es utilizada principalmente en el mantenimiento de piscinas.
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Semana 10
Apliquemos las soluciones Semana 10
Apliquemos las soluciones ¡Empecemos! Esta semana cerraremos nuestra exploración sobre el impacto de los desechos químicos en el ambiente, valorando el uso racional y resaltando la importancia del descarte adecuado de las sustancias químicas que utilizamos a diario. Por consiguiente, en esta sesión comentaremos sobre las soluciones más usadas en la vida diaria y el impacto ambiental que estas producen.
¿Qué sabes de...? Todos hemos oído que no debemos descartar algunas sustancias directamente en los desagües de los fregaderos o lavamanos; algunos presumen que contamina las aguas, pero muy pocos conocen por qué. ¿Sabes cuáles son las sustancias que usas a diario que no deben ser arrojadas directamente al fregadero?, ¿conoces los pasos a seguir para el descarte de dichas sustancias?
El reto es... La esposa del abuelo Floripondio se encontraba en la cocina lavando los utensilios; en ese momento llegaron Floripondio y su nieto Sulfuro, el cual le dijo a su abuela: –Abuelita, ¿por qué colocas el aceite en ese frasco, por qué no lo botas en el fregadero? A lo que ella contestó: –Porque contamina el agua, mijo. Entonces Floripondio dijo: –Sí, mijo, el aceite que se bota por el desagüe hace mucho daño al ambiente. Y Sulfuro insistió: –Pero, ¿por qué ocurre eso? Entonces el abuelo dijo: –Deja a tu abuela seguir que yo te contaré por qué el aceite contamina las aguas. ¿Tú puedes explicarlo? 372
Apliquemos las soluciones
Semana 10
Vamos al grano El agua es uno de los recursos más importantes para el funcionamiento de la vida en el planeta; sin embargo, el ser humano ha olvidado aprovecharla racionalmente, con lo que ha saturado su capacidad de auto recuperación por la presencia de desechos, los cuales pueden ser inorgánicos y orgánicos. Esta desidia ha provocado que las propiedades del agua estén cambiando, especialmente en cuanto a su apariencia y consumo. El agua puede tener en su estado natural trazas de minerales; sin embargo, el incremento de aguas servidas sobre las fuentes de aguas como ríos, pozos y lagos, ha provocado su contaminación, razón por la cual su disponibilidad para el consumo humano se ha visto limitada en los últimos años. Algunos de los agentes contaminantes más frecuentes son: minerales que cambian las propiedades organolépticas del agua, la presencia de fenoles que cambia su sabor, hidrocarburos que modifican el olor y sabor del agua, los detergentes responsables de la espuma, residuos sanitarios que producen malos olores en el agua y el incremento de microorganismos patógenos que ponen en riesgo la salud del consumidor, las aguas calientes expulsadas de las industrias que alteran el ecosistema acuático; en fin, existe una gran diversidad de agentes contaminantes y pocas soluciones, pero en realidad lo más grave es la indiferencia de los seres humanos frente a esta problemática mundial. Así como las soluciones son mezclas homogéneas de un soluto y un solvente, también implican la acción de resolver una problemática; por ello vamos a dar algunas recomendaciones para evitar que continúen contaminándose las aguas. Empecemos por el uso del jabón; es obvio que todos los seres humanos necesitan del jabón, tanto para bañarse como para lavar la ropa; sin embargo, existen jabones biodegradables y que no contribuyen a la contaminación de las aguas. En los laboratorios pueden contribuir acatando las normas de seguridad donde las sustancias químicas deben ser neutralizadas para su posterior descarte. En las zonas agrícolas se debe disminuir el uso de fertilizantes de manera indiscriminada sobre cuerpos de agua, pudiendo sustituirse por bioinsecticidas. En las industrias se deben establecer plantas de tratamiento que eviten la descarga de agentes contaminantes o térmicos sobre los cuerpos de agua potable.
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Otra forma de cuidar el agua es garantizando su uso racional en las comunidades en general y con las familias en particular, a través de operativos o actividades de concientización. De igual manera, en las oficinas y sitios de trabajo deberíamos usar el agua como si pagáramos por el servicio, pues solo así aprenderemos a valorar el preciado líquido. En fin, desde lo más sencillo podemos contribuir con el resguardo de los cuerpos de agua potable que son esenciales para la vida, sin mencionar el beneficio que le estaríamos otorgando a los demás seres vivos que no son responsables de nuestra desidia.
Para saber más… Si deseas saber más sobre el cuidado y rescate de las aguas, te invitamos a revisar las siguientes direcciones web: http://www.bajoelagua.com/articulos/reportajes-buceo/630.htm http://www.desechos-solidos.com/desechos-solidos-toxicos.html http://www.botanical-online.com/monografias/problemasocasionadosporlosdetergentes.htm http://www.isil.org/resources/lit/la-solucion-contaminacion.html
Aplica tus saberes En las dietas se recomienda consumir de todos los grupos alimenticios; entre ellos tenemos las grasas, que son consumidas principalmente en su forma de aceite. Muchos piensan que el aceite es dañino para el cuerpo, pero no es así, su consumo moderado puede ser beneficioso. No obstante, para el ambiente y, en especial, para los cuerpos de agua potable, la presencia de aceite es extremadamente perjudicial; los organismos ambientalistas advierten que un mililitro de aceite puede contaminar miles de litros de agua.
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Por ello, la recomendación que se hace es que el aceite usado no se descarte por los desagües, sino que se guarde en un recipiente de plástico con tapa de rosca y se conserve hasta llenar el frasco; una vez lleno, debe llevarse a las
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empresas encargadas de reciclarlo o a los lugares donde se realizan operativos de reciclaje, que en los últimos años se han venido incrementado, para el beneficio de nuestro planeta y el ser humano.
Comprobemos y demostremos que… El consumo de agua potable no solo se ha incrementado por las altas temperaturas que se han venido dando en los últimos años, sino que, además, los sistemas tradicionales para obtener agua potable se han vuelto costosos y engorrosos. Por ello, te invitamos a realizar un sistema de filtro de agua casero; necesitarás una jarra de barro o cerámica perforada por abajo, piedras de diferentes tamaños, carbón, arena, malla y agua. Demuestra cómo debería ser el orden de los materiales para garantizar un buen filtrado del agua. Es recomendable hervir el agua después de filtrado, ya que no sabemos qué microorganismos pueden estar presentes en la arena.
Las propiedades organolépticas son aquellas que se determinan a través de las sensaciones percibidas por los órganos de los sentidos, como: la vista, el gusto, el olfato, el oído y el tacto. Estas propiedades son intrínsecas, es decir, son propias del material estudiado, por lo que permiten identificar sustancias. Por otro lado, las propiedades organolépticas son consideradas como propiedades físicas, ya que pueden ser estudiadas sin que los cuerpos cambien su naturaleza.
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Conociendo las Propiedades Coligativas Semana 11
Conociendo las Propiedades Coligativas ¡Empecemos!
Durante esta semana exploraremos los fenómenos físicos que se producen por la modificación de la composición de las soluciones y su influencia en los procesos biológicos en la naturaleza. Para ello, comenzaremos el estudio de las propiedades coligativas de las soluciones, específicamente los puntos de congelación y de ebullición de una solución.
¿Qué sabes de...? Las sustancias poseen propiedades físicas particulares que suelen modificarse cuando dichas soluciones se combinan. A las nuevas propiedades formadas producto de la combinación de un soluto más un solvente es lo que denominamos propiedades coligativas. ¿Podrías mencionar cuáles son las propiedades coligativas y cómo varían dichas propiedades?
El reto es... El abuelo Floripondio puso a calentar una olla con agua a fin de preparar una pasta para el almuerzo de Sulfuro. En eso, su señora le dice que le añada el aceite y la sal al agua. Él le dice que lo hará cuando el agua esté hirviendo. ¿Sabes por qué el abuelo Floripondio no quiere añadir la sal y el aceite antes de que hierva el agua?
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Cuando hablamos de las propiedades coligativas de las soluciones, hacemos referencia al cambio que sufren las propiedades físicas del agua. Por tal
Conociendo las Propiedades Coligativas
Semana 11
motivo, empecemos por recordar dos propiedades físicas del agua, como son el punto de congelación y el punto de ebullición. El punto de congelación se refiere a la temperatura en la cual el agua pasa de estado líquido a sólido, teniendo para el agua pura un valor de 0°C. El punto de ebullición se refiere a la temperatura en la cual el agua pasa de estado líquido a gaseoso, que para el agua pura tiene un valor de 100°C. Es importante recordar que estas dos propiedades son intrínsecas para el agua y sirven para la identificarla como sustancia. El punto de ebullición del agua se define como la temperatura en la cual la presión de vapor del agua se iguala a la presión atmosférica; sin embargo, cuando se añade un soluto no electrolito al agua, la temperatura de ebullición resultante aumenta. Esto se ha demostrado experimentalmente cuando el incremento del punto de ebullición es proporcional a la concentración molal del soluto. Matemáticamente se expresaría así: PtoEbSolución= PtoEbH2O + ΔEb Donde ΔEb significa el incremento de la temperatura de ebullición de la solución, y se calcula de la siguiente manera: ΔEb= (Ke) x (M) Donde Ke significa constante ebulloscópica molal y se expresa como: 0,52 (°CxKg)/mol; y m es la concentración de soluto en molal. moles (sto) m = Kg (ste) El punto de congelación del agua se define como la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido y del sólido se iguala; pero, cuando se añade un soluto no electrolito al agua, la temperatura de congelación de la solución desciende. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera: PtoCgSolución= PtoCgH20 - ΔCg 377
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Conociendo las Propiedades Coligativas
Donde ΔCg significa el descenso de la temperatura de congelación de la solución y se calcula de la siguiente manera: ΔCg= (Kc) x (m) Donde Kc significa constante crioscópica molal y se expresa como 1,86 (°CxKg)/mol; y m es la concentración de soluto en molal. moles (sto) m = Kg (ste) Veamos un ejemplo: Calcula el punto de ebullición y el punto de congelación para 20g de glucosa (C6H12O6) en 200ml de agua. 1. Calculamos la masa molecular de la glucosa: PMC6H1206= ∑ (PAC) x 6 + (PAH) x12 + (PAO) x6 = ∑(12,01g/mol)x6+(1,0 g/mol)x12+(15,99 g/mol)x6 = ∑72,06 g/mol+12,00g/mol+95,94g/mol= 180g/mol 2. Luego convertimos los gramos de solvente en kilogramos. Recordemos que la densidad del agua es igual a 1g/ml, por lo tanto su volumen (200ml) es igual a su masa (200g). 1Kg ____________ 1000 g X ____________ 200 g
Por lo tanto X =
200 g x 1 Kg 1000 g
= 0,2 kg
3. Calculamos la concentración en molalidad. m=
masa(sto) PM x Kg (ste)
m=
20 g
=
20 g
180 g/mol x 0,2 Kg 36,0 g x Kg/mol
= 0,55 mol/Kg = 0,5 molal
4. Calculamos la variación de ebullición ΔEb y posteriormente el punto de ebullición de la solución: °CxKg mol ΔEb = (Ke)x(m) sustituyendo ΔEb = 0,52 x 0,5 = 0,28 °C mol Kg 378
PtoEbSolución=PtoEbH2O+ΔEb
sustituyendo
EbSol=100°C+0,28°C=100,28°C
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Conociendo las Propiedades Coligativas
5. Calculamos la variación de congelación ΔCg y posteriormente el punto de congelación de la solución. °CxKg mol ΔEb = (Kc)x(m) sustituyendo ΔCg = 1,86 x 0,5 = 1,02 °C mol Kg PtoCgSolución=PtoCgH2O+ΔCg
sustituyendo
PtoCgSol = 0°C-1,02°C= -1,02°C
Por lo tanto, para una solución de glucosa que contiene 20g del azúcar en 200ml de agua, el punto de ebullición de la solución ascenderá a 100,28°C y el punto de congelación descenderá a -1,02°C.
Para saber más… Si deseas saber más sobre las propiedades coligativas, te invitamos a consultar las siguientes direcciones web: http://www.ecured.cu/index.php/Propiedades_coligativas http://quimica2medio.blogspot.com/p/propiedades-coligativas.html http://fqexperimental.blogspot.com/2010/11/propiedades-coligativas.html http://educacionquintanormal.files.wordpress.com/2011/08/guc3adanc2ba-7-de-propiedades-coligativas-2c2ba-medio.pdf
Aplica tus saberes Cuando añadimos aceite o sal en la preparación de unos espaguetis, lo que hacemos es disminuir la cantidad de agua disponible en la superficie, por lo que las moléculas de agua no pueden pasar de su estado líquido a gas. Para que esto ocurra, es necesario que se incremente la temperatura y así las moléculas de agua tienen la suficiente energía para separarse del soluto y pasar a su fase gaseosa. Aplicando la misma analogía, explica por qué una solución requiere disminuir la temperatura de congelación con respecto a la temperatura de congelación del agua pura; puedes experimentarlo colocando dos moldes, uno con agua sola y otro con jugo de fresa. Observa la temperatura a la cual se congelan las sustancias. 379
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Comprobemos y demostremos que… Existen otras propiedades coligativas de las soluciones como, por ejemplo, la presión de vapor de una solución, la cual desciende proporcionalmente a la fracción molar de un soluto no electrolito y la presión osmótica, la cual es directamente proporcional a la cantidad de soluto presente en la solución. Te invitamos a investigar qué les pasa a las moléculas de agua cuando medimos la presión de vapor de una solución de glucosa.
Las propiedades coligativas se cumplen cuando el soluto presente en la solución es considerado un soluto no electrolítico, como por ejemplo: la urea, glucosa, proteínas, sacarosa, o cualquier soluto que sea incapaz de conducir la corriente eléctrica en su fase acuosa.
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Semana 11 Conociendo Semana 12las Propiedades Coligativas Aplicando las Propiedades Coligativas ¡Empecemos! Reflexionaremos esta semana sobre los fenómenos físicos que ocurren en la naturaleza y que son aplicables eficientemente en las industrias proporcionando además al individuo una mejora en la calidad de vida. Por lo tanto, estudiaremos la aplicabilidad de las propiedades coligativas en las industrias y en nuestra vida cotidiana.
¿Qué sabes de...? La presión osmótica es otra propiedad coligativa que deriva del proceso de ósmosis, el cual consiste en el paso de un solvente (agua) a través de una membrana semipermeable, donde se busca equilibrar las concentraciones de las soluciones separadas y, siendo el agua el único componente permeable, éste se moverá desde una concentración menor hacia una concentración mayor. Este movimiento de moléculas provoca un aumento en la presión de la solución que, sumado a la presión de vapor de la solución, se denomina presión osmótica. ¿Sabes para qué se usa esta propiedad coligativa en las industrias?
El reto es... Sulfuro se encontraba en su escuela realizando unas manualidades. De pronto, se percató de que el pegamento había quedado destapado y en la superficie se había endurecido y secado; sin embargo, hacia el fondo del recipiente todavía el pegamento se encontraba viscoso, lo cual le pareció muy extraño: ¿por qué se secó en la parte de arriba y abajo no? Pregunta que seguramente el abuelo Floripondio tendrá que responder cuando Sulfuro llegue a casa. ¿Podrías explicar lo ocurrido basándote en las propiedades coligativas?
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Vamos al grano El agua es considerada el solvente universal, ya que es capaz de disolver una gran variedad de solutos electrolitos y no electrolitos; no obstante, debido a su condición polar, el agua no puede disolver los compuestos orgánicos, ya que estos carecen de polaridad. Ahora bien, cuando el agua se combina con algún soluto hidrofílico sus propiedades físicas cambian; para poder estudiar estos cambios es necesario recordar las propiedades de punto de ebullición y congelación cuando el agua se encuentra como solvente puro. Cuando se incrementa la temperatura sobre el agua en su estado líquido, se aumenta proporcionalmente la energía cinética de sus moléculas, lo cual genera un incremento en la presión entre las moléculas cuando esta presión supera la presión atmosférica (1 atmósfera = 760mm Hg); es decir, la presión que ejerce el aire sobre la superficie del agua produce el rompimiento de los enlaces que mantienen unidas a las moléculas de agua entre sí y son liberadas al ambiente en forma de vapor (gas). Ahora bien, cuando desciende la temperatura sobre el agua en su estado líquido, la energía cinética que poseen las moléculas de agua disminuye proporcionalmente, lo cual provoca una estabilidad entre las moléculas hasta formar una rigidez en sus enlaces, que conlleva a la solidificación completa del solvente. Los procesos de ebullición y congelación del agua se ven alterados por la presencia de un soluto no electrolito, ya que en solución el agua mantiene una interacción son el soluto solvente, que en estado líquido no presenta ninguna alteración visible del agua; por el contrario, solvata el soluto hasta disolverlo y convertirse en una mezcla homogénea. Sin embargo, cuando existen variaciones en la temperatura este equilibrio estable entre las moléculas se perturba, generando las propiedades coligativas. En el caso de un incremento de la temperatura en una solución, al igual que con el solvente puro, las moléculas tienden a incrementar su energía cinética; no obstante, como el solvente y el soluto poseen diferentes puntos de ebullición, esto ocasiona que se evapore uno primero y otro después; el primero en evaporarse es el agua. Ahora bien, para que el agua pase a su forma de vapor, será necesario un incremento de la temperatura (mayor a 100°C), ya que se necesita mayor energía entre las moléculas de agua, para poder superar la presión atmosférica y romper sus enlaces con el soluto. 382
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De manera análoga, la presencia de un soluto en el agua hace disminuir su temperatura; solamente así se puede garantizar una nueva organización molecular que le permita obtener una rigidez entres las moléculas para conseguir la solidificación de la solución. La presencia de un soluto no electrolítico y no volátil dentro del agua permite generar productos químicos de gran utilidad en el acontecer diario, como por ejemplo el etilenglicol (compuesto orgánico), que constituye el componente esencial de los anticongelantes de vehículos, ya que disminuye el punto de congelación y aumenta el punto de ebullición del agua del radiador, evitando la congelación del agua en épocas de invierno o la ebullición del agua en épocas de verano, lo cual es de muchísima importancia en países con períodos estacionales.
Para saber más… Si deseas conocer un poco más sobre las propiedades coligativas, te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://educacionquintanormal.files.wordpress.com/2011/08/guc3adanc2ba-7-de-propiedades-coligativas-2c2ba-medio.pdf http://www.salonhogar.net/Quimica/Nomenclatura_quimica/ Propiedades_coligativas.htm http://www.ehu.es/biomoleculas/agua/coligativas.htm http://www.radiodent.cl/quimica/propiedades_coligativas_de_ soluciones.pdf http://www.revistaciencias.com/publicaciones/EpyuZEEAlFBVNiLBUt. php
Aplica tus saberes La mayoría de los pegamentos contienen solventes tóxicos, los cuales suelen ser compuestos orgánicos volátiles, razón por la cual, cuando mantenemos los pegamentos cerrados, los vapores del solvente permanecen dentro del recipiente conservando sus propiedades y evitando que se sequen. Pero, una vez destapado el pegamento, los solventes volátiles se evaporan, provocando que éstos se sequen. 383
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No todos los pegamentos poseen los mismos componentes; por ejemplo, los que son de uso escolar utilizan solventes no tóxicos, para evitar dañar la salud de los niños. Por ello, te invitamos a buscar varios pegamentos y colocar pequeñas capas de cada uno sobre una superficie. Luego, observa cuál pegamento se seca más rápido y si esto coincide con el olor característico de los solventes orgánicos. Una aclaratoria: para comprobar la presencia de solventes orgánicos es suficiente con reconocer el aroma desprendido en el momento de su destape. ¡Ten cuidado! la inhalación directa y excesiva de pegamentos puede ser letal en algunos casos.
Comprobemos y demostremos que… En los procesos industriales alimentarios se utilizan los azúcares o sales para conservar los alimentos, ya que la presencia de estos solutos provoca deshidratación en los microorganismos que puedan estar presentes, retardando así la descomposición de los alimentos. Los procesos osmóticos son ampliamente utilizados en las industrias. Este proceso es fácilmente comprobable: toma dos frutas de tu elección, colócalas en dos recipientes de vidrio limpios y estériles (como los teteros); en uno, la fruta sumergida en agua sola y en el otro, en agua saturada con azúcar; cierra ambos frascos y déjalos a temperatura ambiente; obsérvalos por una semana. Comenta con tus compañeros los cambios observados.
Cuando el agua contiene un soluto no electrolítico y no volátil se genera una gran interacción entre las moléculas soluto solvente, esto provoca una reducción en el desplazamiento en las moléculas de agua al pasar de su fase líquida a su fase gaseosa, provocando un descenso en la presión de vapor de la solución. El descenso de la presión de vapor de la solución será proporcional a la concentración del soluto no electrolítico, no volátil, dentro de la solución.
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Aplicando13 las Propiedades Coligativas Semana ¿Qué es el color?
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¡Empecemos! Esta semana exploraremos uno de los fenómenos físicos de mayor repercusión en los seres vivos: el color, una propiedad presente en nuestra naturaleza pero que además es capaz de influir sobre la actividad humana. Por ello, estudiaremos el color desde su significado hasta algunas curiosidades biológicas y químicas asociadas.
¿Qué sabes de...? El físico Sir Isaac Newton fue quién descubrió que la luz blanca se descomponía en diferentes colores mediante un prisma, allí pudo notar que los colores se organizaban de forma precisa, formando lo que se llama el espectro de luz visible. Este espectro de luz se descompone en rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta. Sin embargo, fue James Clerk Maxwell quién descubrió que la luz estaba compuesta por un espectro de radiación electromagnética comprendida por las ondas radiofónicas, luz visible y los rayos X. Ahora bien, ¿sabes por qué del espectro de radiación electromagnética solo podemos observar la luz visible?
El reto es... Sulfuro se encontraba en la escuela realizando una actividad de artes plásticas con su tempera, disfrutando mucho de la combinación de colores en su cuaderno. Mientras lo hacía, recordó cuando su abuelo le explicó que la luz blanca se descomponía en siete colores, pero cuando él los había mezclado todos en su cuaderno, el color resultante fue el negro. ¿Podrías explicar por qué Sulfuro obtuvo un color negro en vez de blanco?
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¿Qué es el color?
Vamos al grano El color es una manifestación de la absorción o reflexión de la luz visible por los objetos. Veamos un ejemplo: la radiación de la luz solar entra en el rango de luz visible, el cual puede incidir sobre un objeto provocando la absorción de los colores, salvo uno, el cual será reflejado y esta radiación reflejada será el color captado por el ojo humano; es decir, los colores que observamos son las radiaciones reflejadas, mas no las absorbidas. La luz solar no solo nos permite capturar los colores reflejados en la naturaleza sino que también proporciona la fuente de calor al planeta y a los seres vivos, ya que el espectro de radiación solar cae en la región de luz visible y se extiende un poco más allá de la región del rojo (radiación infrarroja IR) y más allá del violeta (radiación ultravioleta UV). Los colores dentro de la luz se deben a las longitudes de onda en que se manifiesta la radiación, donde el violeta posee las longitudes más cortas y el rojo las longitudes de onda más largas y, a pesar de que estas ondas están presentes dentro de la radicación solar, el ojo humano es incapaz de captar cualquier radicación fuera del rango del espectro de luz visible. La coloración verde que poseen las plantas se debe a un pigmento llamado clorofila que se encuentra en las hojas y en algunos tallos; sin embargo, este pigmento, además de brindar el color a la planta, permite dar inicio de los procesos biológicos de mayor relevancia para los seres vivos, como es la fotosíntesis, responsable de la regulación del oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera y de proveer de alimentos al resto de los seres vivos no autótrofos. No obstante, la coloración no es una exclusividad de las plantas, también existe un insecto que parasita las hojas de nopal, llamado cochinilla (Caccus cacti), el cual suele ser utilizado para elaborar tintes rojo, aunque la aparición de tintes sintéticos hizo que disminuyera su cultivo. Las industrias de cosmetología prefieren el uso de tintes naturales, ya que generan menos efectos secundarios sobre la piel. La industria alimentaria también se ha visto beneficiada por el uso de los colores en los alimentos, especialmente en las chucherías o reposterías, ya que la variabilidad de los pigmentos le ha permitido incrementar las variedades de presentaciones. El grupo químico presente en los cromóforos más usado por las industrias alimentarias son los azoicos, compuesto orgánicos constituidos por anillos aromáticos con la presencia del grupo azo (-N=N-). 386
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¿Qué es el color?
Los compuestos orgánicos e inorgánicos coloreados son los responsables de la química del color, la cual se basa en los procesos que utilizan como materia prima los colorantes; estos se dividen en dos: tintes y pigmentos. La diferencia entre los tintes y los pigmentos es que los tintes son partículas pequeñas y solventes, en cambio los pigmentos son partículas más grandes e insolventes. Ambos se utilizan en los productos comunes en la vida diaria. En la actualidad existen en el mercado miles de colorantes que difieren en su composición, propiedades químicas y físicas. También existen diferentes formas de clasificación de los colorantes; sin embargo, una de las más usadas es según la naturaleza del cromóforo (grupo de la molécula responsable del color observado). Del mismo modo, se pueden clasificar según su aplicación, como se muestra en la tabla 2. Tabla 2 Clasificación Tintórea Clase Ácidos
Básicos
Características Son solubles en agua y en su mayoría poseen el grupos ácidos sulfónico (-SO3H) o carboxílico (-COOH). Son solubles en agua y contienen grupos amino (-NH3).
Son solubles en agua y se aplican en baños neutros en presencia de electrolitos. Insolubles en agua y se aplican en Dispersos telas. Hidrofóbicas. Reaccionan con la fibra formando Reactivos enlaces covalentes. Poseen triclorotriazina. Insoluble en agua en su forma oxidaColorante da; su forma reducida puede teñir las de tina telas y son reoxidados para fijarlos. Compuestos con metales, el mordiente precipita en su forma de hiMordientes dróxido, donde el colorante se une firme al metal del hidróxido. Directos
Dónde se aplica Lana y seda. Acrílicos, nylon y poliéster modificados por grupos ácidos. Algodón, lino, rayón. Nylon, poliéster, acrílicos. Algodón, lana y nylon.
Algodón, rayón, lana.
Lana.
Tomado de http://www.cienciaenlaescuela.acfiman.org/quimica/fasciculo27.pdf La física y la química del color presentan puntos de vista diferentes; sin embargo, coinciden en las características del colorante, conocidas como: absorción, transmisión y refracción; sin ellas no se podría dar el color. 387
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¿Qué es el color?
Para saber más… Si deseas conocer más sobre la química del color, te invitamos a revisar las siguientes direcciones web: http://www.cienciaenlaescuela.acfiman.org/quimica/fasciculo27.pdf http://rauladdi.blogspot.com/2010/11/fisica-del-color.html http://www.cosasquesealpedo.com.ar/naturaleza-quimica-del-color-ysu-relacion-con-el-ph-explicacion-en-fotos/ http://www.fotonostra.com/grafico/colorluzpigmento.htm
Aplica tus saberes El estudio del color siempre ha sido problemático, dados los distintos puntos de vista desde donde puede enfocarse: físico, químico, artístico e inclusive psicológico. Es por ello que, cuando tratamos de explicar por qué la unión de varias témperas de distintos colores produce negro en vez de blanco, se debe a que estamos hablando de colores sustractivos, es decir, los pigmentos; en cambio, los colores de luz (producto de las luces como televisión, cine, etc.) son colores aditivos. La unión de colores luz siempre producirá blanco, mientras que la unión de pigmentos de colores siempre producirá negro. Te invitamos que hagas la demostración en casa y en el CCA, donde experimentes que la unión de haces de luz produce el color blanco y la unión de pigmentos produce el color negro. Ten presente que debes unir principalmente los colores primarios: amarillo, azul y rojo.
Comprobemos y demostremos que… El ojo es un fotorreceptor sensible a los cambios en la emisión e intensidad de luz; sin embargo, el fotorreceptor humano es incapaz de percibir todo el espectro de ondas electromagnéticas, razón por la cual no podemos captar con la visión los rayos X o las ondas radiofónicas; solamente es posible observar las ondas electromagnéticas dentro del rango de luz visible, lo que nos permite disfrutar los colores presentes en la naturaleza o, mejor dicho, los colores que refleja la naturaleza. Te invitamos a realizar un círculo cromático que pueda demostrar el efecto óptico de la luz blanca. 388
¿Qué es el color?
Semana 13
La hemoglobina es una proteína presente en los glóbulos rojos, que se encuentran en la sangre; está proteína posee el grupo hemo que es parte de una estructura llamada porfirina, la cual da la coloración rojiza de la sangre. Las diferencias entre la coloración de la sangre arterial y la sangre venosa se debe a que absorben diferentes longitudes de onda debido a los estados de oxidación que presenta el hierro dentro del grupo hemo de la hemoglobina.
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Piedritas de colores Semana 14
Piedritas de colores ¡Empecemos!
Amigos y amigas, ¡hemos llegado al final de este semestre! Y nos despediremos explorando las bondades que nos provee la naturaleza y que el ser humano ha sabido aprovechar para su beneficio y el de los demás. En particular estudiaremos los aportes de algunos minerales a la química del color.
¿Qué sabes de...? Todos alguna vez hemos escuchado nombrar o hemos tenido en nuestra mano una piedra de color como el cuarzo, la amatista, la esmeralda o la malaquita, pero muy pocas veces sabemos diferenciar cuáles son consideradas gemas preciosas o semipreciosas. ¿Conoces la diferencia entre una gema preciosa y una semip reciosa?
El reto es... El abuelo Floripondio se encontraba arreglando un poco su estudio, que no era más que un porche con unos cuantos objetos y libros. Allí se encontró con una piedrita de color amarillo transparente, la cual recordó haber encontrado en una excursión que hizo acompañado de su esposa. Recordó que el guía le comentó que en la antigüedad esa piedra era empleada como medicina, dadas sus propiedades curativas. ¿Sabes cuál es el nombre de esta gema de origen orgánico?
Vamos al grano
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La naturaleza nos ha provisto de grandes maravillas como, por ejemplo, las gemas, piedras formadas por diferentes compuestos inorgánicos (sales u óxidos), los cuales suelen mostrar coloraciones diferentes según el elemento químico que se encuentre presente. Las gemas se clasifican en alocromáticas o idiocromáticas.
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Las gemas preciosas o alocromáticas se caracterizan por poseer impurezas metálicas dentro de su red cristalina para absorber ciertos rangos de luz visible, proporcionándole una coloración específica y propia del metal. En cambio, las gemas semipreciosas o idiocromáticas se caracterizan por poseer color propio debido a los iones metálicos que forman parte de su composición específica. Muchas son las piedras preciosas y semipreciosas que existen en la naturaleza; su estudio completo abarcaría el capítulo de un libro; por ello solo estudiaremos algunas de las más reconocidas, como la esmeralda, el cuarzo, la amatista; así como algunas gemas de origen orgánico, como las perlas, el azabache y el ámbar. La esmeralda presenta en su composición berilio; sin embargo, su coloración verde la separa de las gemas del grupo berilio. La coloración verde se debe a la presencia de impurezas como el vanadio (V) y el cromo (Cr); no obstante, su calidad radica en la transparencia que posee, considerándose más valiosa la gema más transparente y menos valiosa la más opaca. Su intensidad de color puede ir de un color verde oscuro a un verde claro, el cual dependerá de la cantidad de impurezas (V o Cr) presentes en el cristal. El cuarzo es el más abundante de los minerales presentes en la Tierra; su composición principal está formada por óxido de silicio, silicatos o tectosilicatos; los cuarzos presentan un color ahumado por la ausencia de impurezas. El óxido de silicio (SiO2) presente en el cuarzo sirve de materia prima para la elaboración de vidrio, cosméticos y joyerías. El cuarzo también es utilizado en la construcción de equipos científicos, ya que tiene una propiedad conocida como piezoeléctrica, que consiste en producir corriente eléctrica bajo presión, además de vibrar cuando es sometido a alguna corriente eléctrica. La amatista es una variedad del cuarzo, por lo que sus cristales son transparentes, pero su coloración
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violeta se debe a la presencia de impurezas de hierro (Fe) en su estructura. Presenta forma piramidal pero es mucho más corta que el cuarzo común. Suele crecer dentro de piedras huecas. En el grupo de los cuarzos es la más preciada, además de sus atributos “mágicos” contra la hechicería, según se creía en la antigüedad. La perla es una gema de origen orgánico, ya que se forma dentro de las ostras; su coloración dependerá del molusco y de las aguas donde se encuentre, las cuales pueden variar desde rosadas hasta negras. Están compuestas por nácar y aragonito (CaCO3), el cual sirve como cemento entre los microcristales que se depositan concéntricamente. Su brillo perlado se debe a la organización laminar del aragonito; su tamaño puede variar desde parecerse a una cabeza de alfiler hasta ser semejante al huevo de un ave como la paloma. El azabache es otra gema de origen orgánico; es un carbón bituminoso que puede ser tallado y pulido dándole un acabado muy elegante; en nuestra sociedad es considerado una especie de amuleto contra “el mal de ojo”. El ámbar es una gema que proviene de la resina de pino fosilizada. Su color transparente va de amarillo claro hasta marrón muy claro, en la antigüedad era utilizado como piedra medicinal por sus propiedades curativas. Los cristales suelen ser utilizados como parte decorativa de joyas; no obstante, existe una técnica llamada Cromoterapia, que consiste en aprovechar el color y poder curativo de los cristales. Esta técnica trata de utilizar la luz blanca o de colores para generar bienestar en las personas, lo cual no ha sido comprobado científicamente, por lo que se considera una pseudociencia y no puede ser tomada como un tratamiento de salud válido.
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Para saber más… Si deseas conocer más sobre las piedras preciosas, te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://www.alasparavivir.com.ar/notas/gemoterapia007b.php http://www.astromia.com/tierraluna/cristales.htm http://www.serbi.ula.ve/serbiula/librose/pva/Libros%20de%20PVA%20 para%20libro%20digital/El%20orig en%20del%20color%20en%20la%20 naturaleza.pdf http://www.planetaholistico.com.ar/Gemoterapia/ORIGENDELASROCAS. doc http://www.gemselect.com/spanish/other-info/gemstone-formation.php
Aplica tus saberes Existen muchos comentarios sobre los poderes curativos de las piedras preciosas; sin embargo, desde épocas antiguas se han utilizado para diferentes funciones además de la curativa. Un ejemplo de ello es la malaquita, piedra preciosa de color verde oscuro, la cual fue utilizada por los egipcios para maquillarse los ojos y por los mayas para la elaboración de adornos de cerámica. Te invitamos a investigar sobre otras utilidades, aparte de las curativas, de las diferentes piedras preciosas.
Comprobemos y demostremos que… Uno de los cristales más llamativos es el diamante, el cual es transparente y proviene del carbón. El diamante es el cristal de mayor dureza, considerado número 1 en la escala de Mohs, lo cual ha permitido que el mismo sea utilizado en la industria de equipos médicos como el bisturí y también en la joyería. Te invitamos a investigar quién fue el creador del bisturí de diamante.
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Semana 14 El corindón es un mineral de óxido de aluminio (Al2O3) de gran dureza. El óxido puro es incoloro; sin embargo, puede presentar impurezas en su composición cristalina, dándole diversidad en su coloración. Estas coloraciones son producto de algún metal presente en la red cristalina de la gema, como por ejemplo: la presencia de cromo le proporciona el color rojo para dar origen al rubí, en cambio, la presencia de hierro da origen al topacio de color amarillo.
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