Ciencia y Tecnología
8vo. Semestre Educación Media Técnica
Estimados participantes, bienvenidos una vez más al área de Ciencia y Tecnología. Seguiremos formándonos en un pensamiento científico- la tecnológico crítico, que te permitirá desarrollar capacidad investigativa, innovadora y creativa dentro de tu especialidad de Tecnología Gráfica, reforzando así tus habilidades y aptitudes para comprender los diferentes eventos que vive el ser humano en su ambiente y la promoción de desde soluciones prácticas a los problemas cotidianos una perspectiva ambientalista y conservacionista. En este nuevo semestre continuaremos explorando los diferentes fenómenos que ocurren en nuestro entorno físico frente a las posibles alteraciones que afectan a los ecosistemas, promoviendo una actitud reflexiva donde se valoren los fenómenos químicos como procesos esenciales para la calidad de vida, demostrando una vez más que el ser humano es capaz de generar nuevas tecnologías que le ayuden a corregir en alguna medida los daños causados a la naturaleza y a su propia salud.
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Semana 1
¡Empecemos! Nos encontramos una vez más en el área de Ciencia y Tecnología, donde continuaremos explorando fenómenos físicos y químicos que ocurren dentro de la naturaleza y han sido de gran utilidad para los seres humanos; no obstante, estos beneficios han traído efectos colaterales al ambiente. Iniciemos recordando algunos de los aspectos estudiados durante el semestre anterior, lo cual nos permitirá enlazar viejos y nuevos saberes, que serán de gran provecho en la especialidad de Tecnología Gráfica.
¿Qué sabes de...? En la vida cotidiana nos encontramos con infinidad de productos químicos. Estamos rodeados de publicidad que promociona y exhibe la supuesta calidad de un sinfín de artículos, usando estrategias como, por ejemplo, que salga alguien con una bata de médico o de laboratorio para hablar de las bondades de determinado producto. Por citar solo un caso, te invitamos a observar con detenimiento los comerciales de productos de pH neutro.
El reto es... El abuelo Floripondio se alegró mucho de saber que su nieto Sulfuro iba a tener una maestra de tareas dirigidas. Por fin –pensó– iba a descansar de los interrogatorios que le hacía Sulfuro. Lo que no sabía el abuelo era que su vecina tenía una niña muy curiosa, llamada Alcalina. Una tarde, Alcalina observaba a Floripondio desde una ventana y, sin la menor timidez, le preguntó: Señor, usted podría explicarme ¿por qué dicen que los ácidos son dañinos?, ¿es dañino el limón? Allí el abuelo Floripondio comprendió que su alegría fue efímera y que tendría nuevamente que estar atento a las preguntas, pero esta vez de Alcalina. 397
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Repaso
Vamos al grano Durante el semestre anterior trabajamos con varios temas, entre los que podemos destacar como más importantes o relevantes los referidos a la estequiometría y el estudio de las soluciones; sin olvidar, por supuesto, el reconocimiento de fórmulas de los compuestos inorgánicos. Empecemos con un breve recorrido por estos compuestos, especialmente los ácidos y los hidróxidos. Los compuestos químicos del tipo hidróxido se caracterizan por ser corrosivos y jabonosos al tacto, además de presentar en su fórmula química un radical oxidrilo mejor conocido como OH, el cual suele neutralizar los ácidos formando sales. Por tanto, no es de extrañar que, para neutralizar los ácidos estomacales, se utilice como medicina el hidróxido de magnesio (Mg(OH)2), conocido como leche de magnesia. Aunque estos compuestos no fueron detallados en el semestre anterior, es necesario recapitular la información, pues nuevamente trabajaremos con los hidróxidos. Recordando que éstos se denominan según la nomenclatura tradicional con la palabra genérica hidróxidos, seguida del nombre del metal finalizado en oso, si trabaja con la menor valencia el metal, o ico si trabaja con la mayor valencia. Si el metal sólo posee una valencia o estado de oxidación, el nombre del metal se escribe igual a su pronunciación sin ninguna terminación. Otro compuesto químico es el ácido, el cual se caracteriza por ser corrosivo y producir quemaduras al hacer contacto con la piel. Se identifica por presentar al inicio de su fórmula uno o varios átomos de hidrógeno (H). Existen diferentes tipos de ácidos, dependiendo de su capacidad de desprender iones hidronio (H+) en solución; su acidez varía, por ello podemos observar que los ácidos orgánicos suelen ser menos irritantes que los inorgánicos, pero igualmente corrosivos. Asimismo debemos recordar la nomenclatura tradicional de los ácidos. Los ácidos binarios o hidrácidos (hidrógeno-no metal) deben iniciar con la palabra genérica ácido, seguida del nombre del no metal con la terminación hídrica. En el caso de los ácidos ternarios u oxácidos (hidrógeno-no metal-oxígeno) deben igualmente iniciar con la palabra genérica ácido, seguida del nombre del no metal, con las terminaciones oso e ico y los prefijos hipo y per para las menores y las mayores valencias o estados de oxidación, respectivamente, del elemento central no metal.
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Los cálculos estequiométricos son operaciones básicas en la química; por ello es importante que no olvidemos algunas definiciones como mol, masa atómica y masa molecular. El mol es la cantidad de sustancia presente en un número fijo de partículas, por ejemplo: si un mol de calcio (Ca) pesa 40,08 gra-
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mos, entonces 40,08 gramos de calcio (Ca) tiene 6,02x1023 átomos de calcio (Ca). La masa atómica (MAG) de un elemento químico corresponde a la masa en gramos de 6,02x1023 átomos del elemento. Este valor de masa atómica está estandarizado para cada elemento químico y su valor se encuentra en el extremo superior izquierdo del símbolo químico dentro de la tabla periódica. La masa molecular (MMG) corresponde a la masa en gramos de 6,02x1023 moléculas de un compuesto químico. Este valor es calculable en función de su fórmula química y es de grandísima utilidad en las operaciones básicas de la química. Veamos un ejemplo: si deseamos conocer la masa molecular gramo (MMG) del compuesto sulfato cúprico (CuSO4), primero debemos ubicar en nuestra tabla periódica las masas atómicas gramos (MAG) de cada elemento presente en el compuesto cobre (Cu), azufre (S) y oxígeno (O). Sabiendo que las masas atómicas-gramo (MAG) para el cobre (Cu) son 63,54 g/mol, para el azufre (S) es 32,06 g/mol y para el oxígeno (O) es 15,99 g/mol, entonces procedemos a multiplicar las masas atómicas-gramo por el número de átomos presentes en la fórmula. Para el CuSO4, se tendría un átomo de cobre (Cu), un átomo de azufre (S) y cuatro átomos de oxígeno (O); por tanto, la masa molecular-gramo (MMG) del sulfato cúprico se calcularía así: MMG CuSO4= Σ (MAG Cu x 1) + (MAG S x 1) + (MAG O x 4) MMG CuSO4= Σ (63,54 g/mol x 1) + (32,06 g/mol x 1) + (15,99 g/mol x 4) MMG CuSO4= Σ (63,54 g/mol) + (32,06 g/mol) + (63,96 g/mol) MMG CuSO4= 159,56 g/mol Ya hemos estudiado cómo la presencia de un átomo dentro de una fórmula puede cambiar las propiedades de los compuestos. Por ejemplo, todos conocen las bondades del agua oxigenada y sabemos que son totalmente distintas a las del agua. Si detallamos su fórmula, nos daremos cuenta de que la diferencia radica en un átomo de oxígeno. La fórmula del agua es H2O y la fórmula del agua oxigenada es H2O2, por lo que sus masas moleculares gramos también difieren así: para el H2O es de 18 g/mol y para el agua oxigenada H202 es de 33,98 g/mol.
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Amadeo Avogadro (Turín, 1776-1856), es el nombre del químico y físico italiano que determinó que los gases simples como el hidrógeno y el oxígeno son diatómicos (H2 , O2) y asignó la fórmula (H2O) para el agua. Las leyes de Avogadro resolvieron el conflicto entre la teoría atómica de Dalton y las experiencias de Gay-Lussac. El número de partículas en un «mol» de sustancia fue denominado constante o número de Avogadro en su honor.
Otro tema que no podemos obviar es el estudio de las soluciones, el cual nos permitió trabajar con las unidades químicas de las mismas, como son: fracción molar, molaridad y molalidad; todas estas tienen como base el uso de moles, término adjudicado por las leyes de Avogadro. La fracción molar 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: Xsto =
nsto nsto + nste
La molaridad se define como el número de moles de un soluto presente por litro de solución. Para determinarla, se emplea la siguiente fórmula: M=
masasto PMxLitros
La molalidad se define como el número de moles por un kilogramo de solvente. Esta unidad no debe confundirse con la molaridad, por lo que su representación es con la letra “m” minúscula. Su fórmula es la siguiente: m=
masasto PMxKg(ste)
En todos los casos debemos recordar que las abreviaciones sto y ste corresponden a soluto y solvente respectivamente. Además, estas unidades de concentración, salvo la fracción molar que carece de unidades básicas, se expresan en moles.
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Para saber más… Te invitamos a consultar las siguientes direcciones web de referencia para investigar acerca de los compuestos químicos: http://goo.gl/zTGZq http://goo.gl/ykqRE http://goo.gl/z22Lo
http://goo.gl/bN25S
Aplica tus saberes Los ácidos inorgánicos son aquellos compuestos binarios o ternarios donde está presente el hidrógeno, el cual suele separarse del compuesto cuando el ácido entra en contacto con el agua. Además, se consideran ácidos minerales por su procedencia de los elementos que lo forman. En cambio, los ácidos orgánicos son una variedad de ácidos que se encuentran en la naturaleza: en plantas, frutas e inclusive en el mismo cuerpo humano. Estos son ácidos solubles con baja toxicidad que, en algunos casos, se utilizan como preservantes; por ejemplo, el ácido cítrico presente en el limón. Te invitamos a buscar los diferentes ácidos orgánicos que se encuentran en las frutas y las bondades que éstos proporcionan a los seres vivos.
Comprobemos y demostremos que… Los compuestos inorgánicos son de gran utilidad para el ser humano. Muy probablemente tengas una lista larga de compuestos inorgánicos que usas en el hogar, pero ¿te has detenido a pensar en el impacto ambiental que generan los desechos de estos compuestos en el ambiente? Si es así, ¿podrías dar una razón justificable de por qué los seres humanos seguimos utilizando compuestos de este tipo?
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Más fórmulas
Más fórmulas ¡Empecemos! Estimado participante, durante esta semana conoceremos algunos compuestos químicos que han modificado la calidad de vida del ser humano y han impactado el ambiente.
En otras oportunidades hemos trabajado los compuestos inorgánicos más comunes. En esta ocasión vamos a estudiar tres compuestos químicos que presentan algunas peculiaridades en su composición química, como son los hidruros, fluoruros y peróxidos.
¿Qué sabes de...? Para todos es conocido que las pastas dentales poseen fluoruro de sodio para prevenir las caries en los dientes, pero ¿sabías que el exceso de flúor puede ser nocivo para la salud? Te invitamos a investigar cuáles son las otras posibles fuentes de contaminación que podemos sufrir por exposición al fluoruro.
El reto es... 402
Alcalina estaba jugando en la bicicleta cuando de repente se cayó y se raspó la pierna; su mamá corrió a casa del vecino, Floripondio, en busca de agua
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Más fórmulas
oxigenada para colocarle en la herida. Allí el abuelo dijo a la niña, tratando de distraerla para que no llorara más: ¿sabes por qué el agua oxigenada produce espuma en tu herida? Alcalina secó sus lágrimas y estuvo atenta a las palabras del abuelo pues, tal como Sulfuro, es demasiado curiosa como para perderse de un tema interesante. ¿Sabes tú por que produce espuma el agua oxigenada aplicada en una herida?
Vamos al grano Existen tres compuestos químicos que no son explicados muchas veces en los libros de texto; sin embargo, su uso industrial, de salud y ambiental es muy diverso y de gran alcance; por esta razón, nos tomaremos un tiempo para conocer sobre los hidruros, peróxidos y fluoruros y su relevancia para el ser humano. Los hidruros son compuestos binarios que se producen al reaccionar el hidrógeno con otro elemento menos electronegativo que él mismo, especialmente con los metales alcalinos (litio, sodio, potasio, etc.) y metales alcalino-térreos (berilio, magnesio, calcio, etc.). En los hidruros se presenta la peculiaridad de que el átomo de hidrógeno trabaja con su estado de oxidación menos uno (-I). Su fórmula general es MHx, donde M es un metal y x es el número de oxidación con el cual trabaja el metal. La formación de un hidruro es simple: se combina un elemento más electropositivo que el hidrógeno con éste y se colocan los estados de oxidación correspondientes: 2 moles de sodio (sólido) + 1 mol de hidrógeno gaseoso 2 Na+I + H2-I
2 NaH
1 mol de calcio (sólido) + 1 mol de hidrógeno gaseoso Ca+II + H2-I
2 moles de hidruro de sodio
1 mol de hidruro de calcio
CaH2
Entre las utilidades que reciben los hidruros más conocidos, podemos destacar: el hidruro de sodio (NaH) es altamente reactivo con el agua y se utiliza en la preparación de otros hidruros; el hidruro de calcio (CaH2) se utiliza como agente desecante de disolventes orgánicos; el hidruro de litio (LiH) puede reaccionar con el cloruro de aluminio, formando un hidruro complejo de litio y aluminio (LiAlH4) que es usado como agente reductor en reacciones orgánicas.
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Por otro lado, encontramos algunas excepciones donde el hidrógeno con valencia (-I) se puede combinar con un no metal; el más famoso es el trihidruro de nitrógeno (NH3), mejor conocido como amoníaco, compuesto utilizado en la elaboración de tintes. 1 mol de nitrógeno (gaseoso) + 3 moles de hidrógeno gaseoso 2 moles de trihidruro de nitrógeno N2+III + 3 H2-I
2 NH3
Los peróxidos son compuestos binarios formados por un metal y un grupo de oxígeno con un estado de oxidación de menos uno (-I); los oxígenos presentes en dicha fórmula están relacionados entre sí por un enlace covalente. Su fórmula general sería M-O-O-M, donde M es un metal y O el oxígeno. Los peróxidos se forman cuando un óxido básico se oxigena. Veamos un ejemplo: 1 mol de óxido de sodio + ½ mol de oxígeno gaseoso 1 mol de peróxido de sodio Na2O + ½ O2-I Na2O2
1 mol de agua + ½ mol de oxígeno gaseoso 1 mol de peróxido de hidrógeno H2O + ½ O2-I H2O2 Los peróxidos son otros compuestos de relevancia comercial. El peróxido de sodio (Na2O2) es un fuerte oxidante y, gracias a ello, se utiliza en el blanqueo de la pasta de madera antes de producir papel. El más popular es el peróxido de hidrógeno (H2O2), mejor conocido como agua oxigenada, el cual tiene entre sus funciones servir como antiséptico general; sin embargo, posee otros usos industriales, tales como: blanqueo de pulpa de papel y blanqueo de algodón, e, incluso, se ha utilizado en la restauración de obras de arte. Los fluoruros son compuestos de sales binarias derivados del ácido fluorhídrico (HF) en combinación de hidróxidos. Los compuestos fluorados suelen destruir microorganismos estomacales; su consumo prolongado puede ocasionar lesiones estomacales o de colon graves. Veamos cómo es el mecanismo de formación de dicho compuesto: 1 mol de hidróxido de sodio + 1 mol de ácido fluorhídrico 1 mol de fluoruro de sodio + agua NaOH + HF NaF + H2O
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El fluoruro de sodio (NaF) se utiliza en las pastas dentales como agente contra las caries; también tenemos el fluoruro de calcio (CaF2), que es la forma mineral en la cual el flúor está presente en la naturaleza y se conoce con el nombre de
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Fluorita. Como toda sal, suele disolverse en agua, siendo ésta la razón por la cual existen compuestos fluorados en algunas aguas subterráneas. También están los compuestos fluorados del tipo orgánico que son sintetizados por el ser humano; el más usado es el politetrafluoretileno, mejor conocido como teflón. Estos compuestos presentan una gran diversidad de usos a nivel industrial, doméstico, farmacéutico, odontológico, metalúrgico, etc. Sin embargo, no debemos olvidar que los mismos pueden ocasionar a mediano y largo plazo contaminación en masas de agua, aumentando su toxicidad y disminuyendo su potabilidad.
Para saber más… Si deseas conocer más sobre los tres compuestos estudiados, te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://li.co.ve/kVl http://li.co.ve/kVm http://li.co.ve/kVn http://li.co.ve/kVo
Aplica tus saberes Entre los compuestos que hemos estudiado, el de mayor utilidad es el agua oxigenada; tanto así que cada hogar posee en su botiquín de primeros auxilios un frasquito de alcohol y otro de agua oxigenada. Esta última se utiliza en la limpieza de heridas superficiales para eliminar infecciones y se ha tenido la costumbre de asociar el grado de infección con la cantidad de espuma producida por el peróxido de hidrógeno, lo cual no es correcto. Nuestra sangre posee una enzima llamada catalasa que, cuando entra en contacto con el agua oxigenada, forma dos moléculas de agua y una molécula de oxígeno que escapa de forma gaseosa, produciendo la espuma que observamos sobre la herida. Debido a que el peróxido de hidrógeno es un producto de desecho en nuestro cuerpo y es de alta toxicidad, nuestro organismo posee esta enzima para transformar una molécula tóxica en dos inofensivas (agua y oxígeno molecular).
Comprobemos y demostremos que… Entre los compuestos fluoruros, hidruros y peróxidos, estos últimos son de fácil adquisición para el público en general, por ello haremos una demostración
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del efecto de la catalasa sobre el agua oxigenada, recordando que la catalasa es una enzima que se encuentra en los seres vivos. Toma dos recipientes; añade agua a uno de ellos y al otro agua oxigenada o peróxido de hidrógeno (H2O2). Luego, agrega un trocito de hígado de pollo al recipiente con agua y otro trocito de hígado de pollo al recipiente con agua oxigenada. Observa los resultados y discútelos con tus compañeros en el CCA. El peróxido de hidrógeno es un residuo del metabolismo celular que genera alta toxicidad para el organismo, es por ello que los seres vivos poseen una enzima llamada catalasa, la cual se encarga de descomponer el peróxido de hidrógeno en oxígeno y agua, sustancias inocuas para los seres vivos.
El peróxido de hidrógeno, mejor conocido como agua oxigenada, presenta una diversidad de utilidades: se utiliza como decolorante para los tintes de cabello, como gotas para los oídos, como enjuague bucal, para el blanqueamiento dental e, incluso, como desinfectante de lentes de contacto. A pesar de todos estos beneficios, es importante no abusar del producto, ya que puede ocasionar reacciones adversas en algunos casos; a fin de cuentas, es un compuesto químico.
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Más fórmulas Semana 3 Seguimos nombrando
¡Empecemos! La semana anterior estudiamos tres compuestos químicos que no son muy conocidos, pero si ampliamente utilizados: los hidruros, los peróxidos y los fluoruros. Durante esta semana te invitaremos a conocer las nomenclaturas tradicional, stock y, en algunos casos, sistemáticas para estos compuestos.
Na2 CO3
Tri-oxo-carbonato de sodio Es importante recordar que nuestro aprendizaje en química nos permitirá tener un mayor dominio sobre los productos que usamos o ingerimos, a fin de que empleemos racionalmente los compuestos e incrementemos nuestra conciencia verde por nuestro país y el planeta.
¿Qué sabes de...? Para muchos es conocido el uso del amoníaco (NH3, trihidruro de nitrógeno) en los tintes para el cabello que, junto al peróxido de hidrógeno (H2O2), trabaja para disolver y remover los pigmentos naturales del cabello. ¿Sabes cómo funciona el amoníaco sobre el cabello para garantizar la tinción permanente del mismo?
El reto es... La niña Alcalina se encontraba en la entrada de la casa observando su juguete, el cual había dejado de funcionar por falta de pilas. Cuando vio a su vecino, el señor Floripondio, corrió hasta él y le preguntó: “¿tiene usted pilas que le sobren? Son para poner a funcionar este juguete”. El abuelo –sonriente– le
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dijo “sí”. Cuando Alcalina vio las pilas que traía el abuelo, comentó: “Yo hubiese preferido las pilas de combustible”. El abuelo quedó sorprendido, pues nunca pensó que una niña supiese de la existencia de ese tipo de baterías. ¿Conoces tú las baterías de combustible?
Vamos al grano Como hemos visto anteriormente, los compuestos químicos tienen nombres específicos según su clasificación química y el tipo de nomenclatura. Pero, en ambos casos, existen reglas que se deben seguir si queremos mantener un mismo idioma a nivel científico. Es necesario recordar que los compuestos químicos no son exclusivos de los científicos; ellos los preparan y los utilizan con frecuencia; sin embargo, muchos de estos productos son utilizados a diario en nuestros hogares y no está de más conocer sus nombres para así reconocer los riesgos que pueden traer a la salud y/o al ambiente. Los hidruros son los compuestos binarios que se caracterizan por tener un elemento (frecuentemente metálico) y el hidrógeno con su estado de oxidación en menos uno (-I). Bajo la nomenclatura tradicional se empieza con la palabra hidruro, seguida del nombre del metal, con los prefijos y sufijos hipo-oso,-oso, -ico y per-ico correspondientes a la valencia del metal. Veamos algunos ejemplos:
Fórmulas Nomenclatura tradicional LiH
Hidruro de Litio
CaH2
Hidruro de Calcio
FeH2 Hidruro Ferroso FeH3 Hidruro Férrico CuH Hidruro Cuproso CuH2 Hidruro Cúprico
En los hidruros la nomenclatura stock es similar a la de los óxidos e hidróxidos, empezando con la palabra hidruro, seguida del nombre del metal, sin ninguna terminación o prefijos y colocando al final entre paréntesis la valencia en números romanos. Veamos algunos ejemplos: 408
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Fórmulas Nomenclatura stock NaH
Hidruro de Sodio
CaH2
Hidruro de Calcio
FeH2
Hidruro de Hierro (II)
FeH3
Hidruro de Hierro (III)
CuH
Hidruro de Cobre (I)
CuH2
Hidruro de Cobre (II)
Ahora bien, cuando el hidruro es formado por un no metal, no se aplica nomenclatura stock, sino más bien sistemática, en la cual se anteponen los prefijos griegos: mono, di, tri, tetra, penta, hexa, hepta, etc., correspondientes a la cantidad en átomos de hidrógenos presentes, seguida del nombre del no metal. En la nomenclatura tradicional se utiliza un nombre común, como se observa en los siguientes ejemplos:
Fórmulas
Nomenclatura sistemática
Nombre común
NH3
Trihidruro de Nitrógeno
Amoníaco
PH3
Trihidruro de Fósforo
Fosfina
BH3
Trihidruro de Boro
Borano
AsH3
Trihidruro de Arsénico
Arsina
SbH3
Trihidruro de Antimonio
Estibina
CH4
Tetrahidruro de Carbono
Metano
SiH4
Tetrahidruro de Silicio
Silano
De los hidruros no metálicos o volátiles, según algunos autores, el amoníaco (NH3) es uno de los más conocidos, especialmente por su capacidad de hinchar la cutícula del cabello y remover los pigmentos naturales del mismo, permitiendo que los nuevos pigmentos se afiancen por más tiempo, además de otorgarle brillantez al cabello. No obstante, este producto es bastante abrasivo para el cuero cabelludo, sin mencionar los efectos sobre la salud para quien los usa o aplica; es por ello que han aparecido nuevos tientes sin amoníaco, cuyos resultados son menos perdurables en el tiempo. Los peróxidos son compuestos binarios que se caracterizan por tener un elemento junto al oxígeno con un estado de oxidación de menos uno (-I). En la nomenclatura tradicional se utiliza la palabra peróxido seguida del nombre
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metal con las reglas generales para los óxidos en esta nomenclatura. Veamos algunos ejemplos:
Fórmulas Nomenclatura tradicional H2O2
Peróxido de Hidrógeno
CaO2
Peróxido de Calcio
ZnO2
Peróxido de Cinc
Cu2O2 Peróxido Cuproso CuO2 Peróxido Cúprico
Para la nomenclatura stock de los peróxidos se cumplen las mismas reglas generales que para los óxidos, solo que se antepone la palabra peróxido en vez de óxido. Veamos algunos ejemplos:
Fórmulas Nomenclatura stock H2O2
Peróxido de Hidrógeno (I)
CaO2
Peróxido de Calcio (II)
ZnO2
Peróxido de Cinc (II)
Cu2O2
Peróxido de Cobre (I)
CuO2
Peróxido de Cobre (II)
Los compuestos fluorados cumplen su nomenclatura tradicional y stock, como todas las sales haloideas, lo que significa que empezamos con el flúor terminado en uro (fluoruro), seguido del elemento metálico, cumpliendo las reglas generales para las haloideas en cada nomenclatura. Veamos algunos ejemplos:
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Fórmulas
Nomenclatura stock Nomenclatura tradicional
NaF
Fluoruro de Sodio (I)
Fluoruro de Sodio
CuF
Fluoruro de Cobre (I)
Fluoruro Cuproso
CuF2
Fluoruro de Cobre (II)
Fluoruro Cúprico
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Seguimos nombrando
En todas estas nomenclaturas seguimos manteniendo los esquemas generales de los compuestos que hemos venido trabajando, como ácidos, sales, hidróxidos y óxidos. Recordemos siempre que estas nomenclaturas han permitido a los diferentes científicos en el mundo mantener un lenguaje común a fin de globalizar el conocimiento en química y otras áreas.
Para saber más… Si deseas saber más sobre estos compuestos, te invitamos a consultar las siguientes direcciones web: http://li.co.ve/kVr
http://li.co.ve/kVs
http://li.co.ve/kVt
Aplica tus saberes Aunque las pilas combustibles son las más ahorradoras y pro-ambientales del momento, aún no se han desarrollado de forma portátil y de uso para público general. Una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila. Este tipo de pila funciona como una celda electroquímica pero, a diferencia de una celda electrolítica, que provee energía a partir del rompimiento de una molécula de agua; en este caso, obtiene energía de la reacción de los gases de hidrógeno y oxígeno.
Comprobemos y demostremos que… Recordando la nomenclatura estudiada, elabora una lista de productos químicos que se encuentren en tu hogar, reconociendo y resaltando los compuestos fluorados, peróxidos e hidruros presentes en sus ingredientes. Además, coloca a un lado las precauciones descritas para cada compuesto donde hayas reconocido algunos de los compuestos estudiados. Investiga: ¿cuál es el impacto ambiental de los compuestos fluorados sobre el agua potable?
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En 1907 Eugène Schueller funda la conocida empresa de belleza femenina L’Oréal. Él mismo creó el primer tinte comercial para el cabello, provocando una revolución mundial en las peluquerías y entre las mujeres de la época. Su descubrimiento se basó en un compuesto orgánico llamado p-fenilnediamina que, junto al amoníaco y peróxido de hidrógeno han sido, hasta ahora, los agentes principales en la coloración del cabello.
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Semana 3
Seguimos4nombrando Semana Equilibrio de reacciones
¡Empecemos! Estimado participante, durante esta semana estudiaremos los sistemas de equilibrio que mantienen de manera organizada, armónica y dinámica las diferentes reacciones químicas presentes en los seres vivos y que han garantizado la eficiencia en la supervivencia de todos. Es importante reflexionar en cuanto a que la complejidad del funcionamiento de los seres vivos radica en reconocer la perfección de su función; sólo así se puede mantener en equilibrio la infinidad de metabolismos presentes en los diferentes organismos vivos.
¿Qué sabes de...? Todos los días nos levantamos y comemos de manera equilibrada, es decir, de los principales grupos de alimentos reguladores, reparadores y energéticos, buscando mantener las funciones de nuestro cuerpo en equilibrio, inclusive insistimos en que esa moderación sea permanente y sin cambios. Sin embargo, si el equilibrio de nuestro cuerpo no sufriera variaciones, estaríamos en una condición estática y no dinámica, como es el funcionamiento del metabolismo en todos los seres vivos. Así, un equilibrio estático va en contra de nuestro metabolismo; en otras palabras, significaría la muerte. ¿Sabes por qué el equilibrio estático sería la muerte de un ser vivo?
El reto es... El abuelo Floripondio invitó a su vecinita Alcalina a jugar “jenga”, explicándole que debía colocar las piezas en forma de torre y luego intentar sacar las piezas de abajo sin que caigan las de arriba o se derrumbe la torre completa. Ambos jugaron con mucha paciencia, hasta que Alcalina se detuvo a observar al abuelo y le dijo: “Si nuestro cuerpo fuera tan monótono como este juego, sería aburrido vivir”. El abuelo –sorprendido– sonrió y tumbó la torre diciendo: “Empecemos otra vez, pero ahora hagamos una torre un poco más compleja”. En ese momento Floripondio entendió que esa brillante niña había descubierto el secreto de la vida. ¿Reconoces tú cuál es el secreto de la vida?
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Equilibrio de reacciones
Vamos al grano El equilibrio químico es un producto de las velocidades de reacción entre los reaccionantes y productos. Inicialmente se pensaba que los reaccionantes interactuaban entre sí para formar productos de una manera irreversible. Sin embargo, se ha demostrado que las reacciones químicas y, en especial las que ocurren dentro de los seres vivos, son reversibles, ya que antes de que todos los reactivos se conviertan en su totalidad en productos, éstos interactúan entre sí produciendo nuevamente los reactantes. Por tal motivo, podemos definir al equilibrio químico como el estado final cuando dos reacciones irreversibles tienen lugar simultáneamente a una misma velocidad. Ahora bien, una vez alcanzado el equilibrio entre dos reacciones reversibles entre sí, no significa que la reacción se haya detenido, al contrario, el equilibrio químico se caracteriza por ser dinámico, espontáneo y único; la cuestión se basa en que sus velocidades de reacción se igualaron y la sensación que se manifiesta es que la reacción se detuvo. Cuando una reacción química alcanza un equilibrio estático, significa que la velocidad de reacción llegó a cero; por lo tanto, las reacciones se han detenido, al igual que las funciones vitales de un ser vivo. Un equilibrio estático no es compatible con la vida. Por otro lado, si se desea conocer cuál es la direccionalidad de la reacción química, debemos entender lo que se define como constante de equilibrio, la cual se determina como el producto de las concentraciones sobre el producto de las concentraciones de los reactantes, elevados a la potencia indicada por los coeficientes de balanceo. Veamos un esquema como ejemplo: aA(g) + bB(g)
cC(g) + dD(g)
Donde a, b, c y d son los coeficientes estequiométricos para cada reactante o producto: Keq= ([C]c x [D]d) / ([A]a x [B]b) Es importante recordar que este valor de constante de equilibrio será el mismo, indistintamente de las cantidades de los reaccionantes, siempre y cuando la temperatura y la presión permanezcan constantes.
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Existen diferentes tipos de reacciones químicas: aquellas que consideramos homogéneas, es decir, que todos los reactivos participantes de una reacción química se encuentran en el mismo estado de agregación; y aquellas que consideramos heterogéneas, donde los reactivos participantes se presentan en distintos estados de agregación. Veamos unos ejemplos de cada uno de ellos:
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Equilibrio de reacciones
Reacción homogénea
2HI (g)
H2 (g) + I2 (g)
2 moles de ácido yodhidrico
Keq= [H2] x [I2] / [HI]2
1 mol de hidrógeno + 1 mol yodo
Reacción heterogénea CaCO3 (s)
CaO (s) + CO2 (g)
1mol de carbonato de calcio
Keq= [CO2] x [CaO] / [CaCO3]
1 mol de óxido de calcio
+ 1 mol anhídrido carbónico
Es necesario tener presente que los compuestos que intervienen en el cálculo de la constante de equilibrio (Keq) son aquellos que pueden modificar su concentración, como las especies gaseosas y las especies en solución; por lo tanto, las especies sólidas quedan implícitas en la constante. Por esta razón, en una reacción heterogénea se omitirán las especies sólidas en el cálculo de la constante. De manera que, la reescribiremos para la Reacción Heterogénea: CaCO3 (s) 1mol de carbonato de calcio
CaO (s) + CO2 (g)
Keq= [CO2] x [CaO]
1 mol de óxido de calcio
+ 1 mol anhídrido carbónico
Como mencionamos anteriormente, el equilibrio químico depende de las velocidades de las reacciones opuestas entre sí, pero que ocurren simultáneamente; por tal motivo, es necesario conocer qué es y cómo se determina la velocidad de una reacción (Vr), la cual podemos definir como la cantidad de reactivo gastado y transformado en producto o la cantidad de producto formado. La expresión matemática para calcular la rapidez de una reacción sería así: Vr= moles de producto formado o reactivo transformado / tiempo empleado Vr=moles/seg. Si quisiésemos conocer la razón microscópica de por qué una reacción es más rápida que otra, tendríamos que basarnos en la Teoría de Colisiones, la cual plantea la necesidad de que las partículas reactantes choquen entre sí para el incremento de un movimiento continuo y desordenado, a fin de garantizar que la energía producida por el choque sea lo suficientemente alta para romper los enlaces de los reactivos y así reorganizar nuevos enlaces formando productos de la reacción. Existen varios factores que pueden alterar la velocidad de una reacción, como son: la temperatura, la concentración, los catalizadores, entre otros; sin embargo, nuestro interés no es conocer la velocidad de la reacción sino la al-
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Semana 4
Equilibrio de reacciones
teración del equilibrio. Por ello, la próxima semana estudiaremos los cambios en un sistema en equilibrio, bajo variaciones de concentración, temperatura y presión.
Para saber más… Si deseas saber más sobre los equilibrios químicos, te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://li.co.ve/kVu
http://li.co.ve/kVq
http://li.co.ve/kVw
Aplica tus saberes Es increíble que un simple cambio sobre un sistema que se encuentra en equilibrio pueda generar una transformación tan radical en la existencia de una especie. Los humanos no son una especie conformista y sumisa, por el contrario, buscan constantemente cambios que mantengan en completa actividad su cuerpo y su mente. Es por ello que han surgido tantos inventos para mejorar la calidad de vida, las formas de diversión e, inclusive, las guerras; cada necesidad del ser humano ha provocado una revolución de inventos para sobrellevarla. Pero la adaptación a los cambios no es un hecho exclusivo del ser humano; las plantas también saben aprovechar las desavenencias ambientales; por ejemplo, cuando existe un incremento de la temperatura, éstas reducen el tamaño de sus hojas, para evitar la deshidratación. La vida no tiene definición, pero es importante reconocer que los cambios son las oportunidades para demostrar nuestra inventiva y capacidad de resolver los problemas. La monotonía, el sedentarismo, la dependencia y el conformismo no han sido ni serán las herramientas para el progreso de un país; por tal motivo, nuestra mente, corazón y cuerpo deben mantenerse activos frente a los diferentes cambios climáticos, sociales y tecnológicos que está sufriendo la humanidad. Te invitamos a reflexionar y discutir con tus compañeros: ¿cuál es tu actitud frente a situaciones inesperadas?, y ¿cómo las resuelves?
Comprobemos y demostremos que…
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Para demostrar cómo un sistema en equilibrio puede ser alterado, toma tres frascos medianos de mayonesa limpios y secos; añade agua potable más unas gotas de azul de metileno. A dos frascos coloca una pequeña rama de alga lla-
Equilibrio de reacciones
Semana 4
mada elodea; en uno de los frascos coloca un caracol; deja uno de los frascos sin alga ni caracol. Cierra los tres frascos con sus tapas y observa los cambios de coloración en el agua. Con esto demostraremos el equilibrio entre la disponibilidad de dióxido de carbono (CO2) y oxígeno (O2) presente en el agua.
Josiah Willard Gibbs fue un físico y químico estadounidense que desarrolló un método para calcular las variables involucradas en los procesos de equilibrio químico; además definió la energía libre o energía de Gibas, la cual permite prever la espontaneidad de un determinado proceso fisico-químico. La publicación “Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas” no fue reconocida en su momento; no obstante, resultó ser de importancia trascendental para la posterior evolución de la física y la química modernas.
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Semana 5 5 Semana
Alteración del equilibrio
Alteración del equilibrio ¡Empecemos! Ya hemos aprendido que los seres vivos poseen un equilibrio interno, pero éste es dinámico y continuo mientras no exista una perturbación. Durante esta semana estudiaremos cómo podemos alterar un equilibrio dinámico y las consecuencias que esto puede tener.
Los procesos biológicos son producto de reacciones químicas que ocurren a diario dentro de cada organismo; la alteración de estas reacciones provocará cambios en los procesos biológicos que, por ende, se manifestarán en la naturaleza; por tal motivo, debemos reflexionar acerca de las repercusiones de la actividad humana sobre los sistemas en equilibrio de los demás seres vivos del planeta.
¿Qué sabes de...? Cuando nos encontramos atrapados en el tráfico con diligencias aún por hacer, nuestra capacidad de respuesta es diversa: procuramos salir de ahí caminando, en metro e, inclusive, contratamos una moto taxi; en fin consideramos cualquier alternativa con tal de solucionar el problema. Los sistemas en equilibrio químico también dan respuesta cuando existe la alteración de su equilibrio; a esto se le conoce como Principio de Le Châtelier. ¿Sabes en qué consiste este principio?
El reto es... Alcalina ayudaba a su mamá a preparar las hallacas y notó que, cuando su madre colocaba las pasitas en un recipiente con agua y azúcar, algunas pasitas se hinchaban. Entonces a Alcalina se le ocurrió colocar las pasitas sólo con agua, descubriendo que se hinchaban mucho más rápido e, incluso, se rompían. ¿Podrías explicar cómo Alcalina está alterando el equilibrio? y ¿qué está ocurriendo dentro de la pasita? 418
Semana 5
Alteración del equilibrio
Vamos al grano Los sistemas de equilibrio químico pueden ser alterados modificando las concentraciones de los reactantes o productos en cualquiera de sus dos estados de agregación, ya sea líquida o gaseosa; también se pueden alterar incrementando o disminuyendo la presión del sistema sobre los gases allí presentes, o se podría modificar la temperatura del sistema provocando un cambio en la energía cinética de las partículas presentes; en fin, podemos crear diversas perturbaciones que alteren el equilibrio; no obstante, las partículas buscarán reacomodarse frente a la perturbación, formando un nuevo equilibrio. En estos ejemplos se manifiesta el Principio de Le Châtelier, quien postula que: Cuando un sistema en equilibrio modifica cualesquiera de los factores mencionados, se afecta la velocidad de la reacción y el punto de equilibrio se desplaza en la dirección opuesta que tienda a contrarrestar el efecto primario de dicha alteración. En otras palabras, el equilibrio se desplazará en sentido contrario a la perturbación. Asimismo, en 1884, un científico neerlandés llamado Jacobus Henricus Vant´Hoff enunció formalmente que: Los cambios de temperatura del sistema ocasionarán un aumento en la velocidad de reacción, en la dirección en la que se absorba calor, es decir, favoreciendo la reacción endotérmica. Veamos qué ocurre cuando alteramos la temperatura en un sistema en equilibrio como el que presentamos a continuación: Hidrógeno + oxígeno H2 + O2
agua + calor
H2O + 68,3 Kcal.
Notemos que la reacción que favorece la síntesis de agua es exotérmica, es decir, se libera calor; sin embargo, su reacción es contraria (descomposición del agua): la reacción se convierte en endotérmica; por lo tanto, siguiendo el postulado de Vant´Hoff, la reacción favorecida será la formación de reactantes: hidrógeno y oxígeno. Esto se debe a que, al haber un exceso de energía en el sistema, ésta será absorbida favoreciendo la reacción contraria, es decir, la descomposición del agua. En 1879 se enunció la Ley de Robin, la cual plantea que: Cuando un sistema está en equilibrio, un aumento de presión favorece la reacción donde haya menor volumen; si se disminuye, la presión favorece la reacción donde haya mayor volumen. Cuando el volumen es igual en ambos miembros, los cambios de presión no modifican el equilibrio.
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Semana 5
Alteración del equilibrio
Existen tres posibles alternativas cuando alteramos la presión sobre un sistema de gases; veamos qué ocurre cuando modificamos la presión en el siguiente sistema: 1 mol de nitrógeno + 3 moles de hidrógeno N2 (g) + 3 H2 (g)
dos moles de amoníaco
2 NH3 (g)
En este caso, podemos observar que hay cuatro moles de reaccionantes para formar dos moles de producto; por lo tanto, si aumentamos la presión en el sistema y bajo la Ley de Robin, el equilibrio se desplazará hacia la formación de amoníaco ya que, un aumento de presión, favorece donde haya menor volumen. Vamos con otro ejemplo: 1 mol de pentóxido de nitrógeno N2O5 (g)
dos moles de dióxido de nitrógeno 2 NO2 (g)
Si aumentamos la presión en este sistema, el equilibrio se desplazará hacia la izquierda, es decir, favorecerá la formación de reaccionantes, ya que es allí donde hay menor volumen. Si nos encontramos en un sistema donde los volúmenes son iguales para ambos lados de la reacción, entonces cualquier variante de la presión no surtirá efecto alguno sobre el equilibrio. La Ley de Acción de Masas (LAM) establece que: La velocidad de una reacción química es proporcional al producto de las concentraciones molares de las sustancias reaccionantes. Es decir, cuando aumentamos la concentración de uno de los reaccionantes se estará favoreciendo la formación de producto; en cambio, una disminución de los reaccionantes provocará un desplazamiento del equilibrio hacia la formación de reaccionantes. Veámoslo a través de un ejemplo: 1 mol de yodo + 1 mol de hidrógeno I2 (g) + H2 (g)
dos moles de ácido yodhídrico 2 HI (g)
Si aumentamos la concentración de yodo, el equilibrio se desplazará hacia la derecha, favoreciendo la formación de ácido yodhídrico; en cambio, si disminuimos su concentración, el equilibrio se desplazaría hacia la izquierda, favoreciendo la formación de yodo e hidrógeno.
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Como ves, en todos los casos se aplica el Principio de Le Châtelier, donde el equilibrio se desplazará en sentido contrario de la perturbación, alcanzando un nuevo estado de equilibrio.
Semana 5
Alteración del equilibrio
Para saber más… Si deseas conocer más sobre las alteraciones de los equilibrios químicos, te invitamos a consultar las siguientes direcciones web: http://li.co.ve/kVy http://li.co.ve/kVq http://li.co.ve/kVz http://li.co.ve/kV0
Aplica tus saberes Las estructuras celulares son ejemplos idóneos para explicar la vulnerabilidad de un sistema en equilibrio, ya que las células presentan una concentración y presión características que determina el flujo de sustancias a través de su membrana plasmática, la cual es semipermeable y selectiva. Es por ello que cuando exponemos a una célula en medio de concentraciones diferentes al interno, ocurre un desplazamiento, en primer lugar, de agua y luego de soluto permeables. Cuando el medio externo presenta una condición extrema con respecto al medio intracelular, la célula puede tener dos opciones: turgencia por salida excesiva de agua o lisis por entrada excesiva de agua; esto ocurrirá con tal rapidez que habrá ocasiones en que la célula morirá sin haber alcanzado un nuevo estado de equilibrio. Para ilustrar esto, te invitamos a observar y determinar lo ocurrido con las pasitas que fueron remojadas en agua con azúcar y luego en agua sola.
Comprobemos y demostremos que… Con base en el Principio de Le Châtelier y las leyes de Acción de Masas de Robin y Vant´Hoff, responde las siguientes preguntas: 1. Para la esta reacción: PCl5 (g)
PCl3 (g) + Cl2 (g) + 85,3 Kcal.
¿Qué efectos tendrán sobre el equilibrio los siguientes cambios? a) Un aumento de la presión. b) Un aumento de temperatura. c) Una disminución de la concentración de PCl3. 2. Para esta reacción:
CO2 (g) + H2 (g) + 10 Kcal.
CO(g) + H2O(g)
¿Qué efectos tendrán sobre el equilibrio los siguientes cambios?
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Semana 5
Alteración del equilibrio
a) Un aumento de la presión. b) Un aumento de temperatura. c) Un aumento de la concentración de H2 (g).
Jakobus Hendrikus Van’t Hoff fue un físico holandés, considerado uno de los precursores de la estereoquímica en la química orgánica, además de proponer la hipótesis del carbono tetraédrico asimétrico. En la química inorgánica y la termodinámica hizo aportes valiosos como la relación de la constante de equilibrio con la temperatura absoluta. Por otro lado, realizando estudios en disoluciones y evidenciando ciertas analogías con los gases, introdujo el término de presión osmótica. En 1901 Vant´ Hoff recibió el premio Nobel de Química.
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Alteración6del equilibrio Semana Ionización
Semana 5
¡Empecemos! En la naturaleza los electrolitos juegan un rol de suma importancia, desde la transmisión del impulso nervioso en el ser humano hasta la electricidad almacenada en las pilas de nuestros celulares. No obstante, a pesar de las bondades de los electrolitos, la presencia de algunos electrolitos en el agua puede generar alteraciones en sus propiedades y, por ende, hacer perjudicial su consumo. Por tal motivo, debemos reflexionar sobre el uso y abuso de electrolitos en los distintos compuestos químicos que usamos a diario.
¿Qué sabes de...?
Átomo neutro + electrón
ión negativo
Átomo neutro - electrón
ión positivo
Para que exista una transmisión de corriente, es necesaria la presencia de entidades que permitan transportarla. Por ejemplo, en los alambres, la corriente es transmitida por el flujo de electrones o, en soluciones, por la presencia de iones. Sin embargo, el agua es un mal conductor de la electricidad, ¿sabes por qué?
El reto es... El abuelo Floripondio se encontraba revisando un álbum de fotos, donde observaba los momentos en que su nieto Sulfuro había participado en la Feria de Ciencias de su escuela, con un proyecto en el cual el abuelo y él habían trabajado, que se llamaba “Los conductores de la electricidad”. Allí se mostró que diferentes sustancias como: agua pura, agua salada, agua azucarada, soda cáustica, vinagre y cuerno de ciervo (amoníaco), podían o no transmitir la corriente. ¿Podrías decir cuál(es) de las sustancias mencionadas conducen la elec-tricidad?
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Semana 6
Ionización
Vamos al grano Hasta ahora hemos estudiado entidades químicas de condición neutra; sin embargo, existen sustancias que, al estar en contacto con el agua, producen electricidad; esto es posible gracias a la presencia de electrolitos, que vienen a ser aquellas sustancias que, en su condición de solución acuosa, son capaces de producir corriente eléctrica; los mismos se pueden clasificar en débiles o fuertes. Los electrolitos fuertes son aquellas entidades que se disocian por completo al estar en solución acuosa; entre ellos tenemos a los ácidos: nítrico (HNO3), sulfúrico (H2SO4) y clorhídrico (HCl); los hidróxidos: de sodio (NaOH) y potasio (KOH) y las sales como el cloruro de sodio (NaCl). Los electrolitos débiles son aquellas entidades que se disocian parcialmente en soluciones acuosas y que no son buenos conductores de la electricidad; entre ellos tenemos: el ácido acético (vinagre, CH3COOH), el ácido carbónico (H2CO3) y el amoníaco (NH3). En 1884 Arrhenius postuló su teoría de la disociación electrolítica, la cual constituyó un aporte significativo a los conceptos químicos. En ella se define a un ácido como la sustancia que contiene hidrógeno (+H), y una base es aquella sustancia que contiene oxidrilos (-OH). Sin embargo, esta teoría presentaba la limitante de que no explicaba el papel del agua (H2O) dentro de la disolución.
2H2O
H3O+
HO-
Figura 1 No obstante, en 1923, Bronsted y Lowry presentaron de manera independiente una extensión de la teoría de Arrhenius, explicando el rol del agua dentro de las disoluciones; esta se conoció como la teoría protónica de Bronsted y Lowry, la cual definía a un ácido como aquella sustancia capaz de donar protones (+H); y una base como aquella sustancia encargada de recibir protones. En este punto se determinó el papel del agua dentro de las disoluciones, la cual, frente a un ácido recibiría los protones liberados por el ácido, convirtiéndose el agua en una base. Veamos unos ejemplos: CH3COOH + H2O Ácido 1
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base 2
CH3COO - + H3O+ ácido 2
base 1
Semana 6
Ionización H2O + NH3
NH4+ + OH -
Ácido 1
ácido 2
base 2
base 1
Si detallamos bien los ejemplos presentados, vemos cómo el agua adopta una condición de ácido o base según la especie química con la cual se enfrente. Por lo que en ambos lados de la ecuación química vamos a encontrar especies químicas ácidas y básicas, a lo cual se le conoce con el nombre de par conjugado ácido-base. Veamos cómo determinar los pares conjugados: acepta un H+ y se convierte en NH3 (ac) + base
H2 O (I) ácido
NH4+ (ac) + OH- (ac) ácido base conjugado conjugada
cede un H+ y se convierte en cede un H+ y se convierte en CH3COO- (ac) + H O+ (ac) 3 base ácido conjugada conjugado
CH3COOH (ac) + H2 O (I) base ácido
acepta un H+ y se convierte en En las disoluciones de electrolitos débiles existe un equilibrio entre las especies participantes de la reacción; por lo tanto, existe una constante de equilibrio que recibe el nombre de constante de disociación. Siguiendo el mismo esquema de cálculo de las constantes de equilibrio, vamos a plantear las constantes de disociación para el ácido acético (CH3COOH) y el amoníaco (NH3): Constantes de disociación Ácida
Básica
Ka= [CH3COO-] x [H3O+] / [CH3COOH]
Kb= [NH4+] x [OH-] / [NH3]
En ambos casos no se considera el aporte del agua pura (H2O), ya que experimentalmente se ha demostrado que es un electrolito muy débil y, por tanto, su aporte a la constante de disociación es despreciable. Sin embargo, el agua se disocia formando así el siguiente equilibrio químico: 2H2O
H3O+ + OH425
Semana 6
Ionización
Por lo tanto, su constante de disociación la podemos representar de la siguiente forma: Keq =
[H+][OH-] [H2O]
Como el aporte de la concentración de agua pura no es relevante, podemos expresarla así: Kw= [H+] x [OH-]. Donde Kw es la constante de disociación del agua. A través de varios experimentos se ha demostrado que la concentración de los iones de hidronio (H3O+) y oxidrilo (-OH) presentes en el agua a una temperatura de 25 ºC, son iguales entre sí y con un valor igual a 1 x 10-7 Molar. Así que, en soluciones acuosas, se pueden presentar los siguientes casos: Soluciones acuosas Ácida Si [H+]>10-7 y [-OH] <10-7
Neutra Si [H+] = [-OH] =10-7
Básica Si [H+]<10-7 y [-OH] >10-7
Para saber más… Si deseas saber un poco más sobre la aplicación de los cálculos estequiométricos, te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://li.co.ve/kV3
http://li.co.ve/kV4
http://li.co.ve/kV5
Aplica tus saberes El agua es el solvente universal de las sustancias químicas inorgánicas, por lo que es considerado un excelente disolvente de las sales, las cuales se disocian en grandes cantidades de iones en el agua, convirtiéndose en una solución conductora de la electricidad. El agua pura es incapaz de conducir la corriente eléctrica, ya que no posee iones y esto es comprobable experimentalmente cuando a una temperatura de 25ºC la constante de disociación del agua tiene un valor de 1,0 x 10-14; este valor tan bajo significa que sólo una mínima cantidad de agua se disocia en sus iones.
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Ionización
Semana 6
Comprobemos y demostremos que… Prepara una batería de frascos, a los cuales vas a colocarles distintas soluciones de ácido acético (vinagre), amoníaco (cuerno de ciervo), soda cáustica (diablo rojo), cloruro de sodio (sal común) y azúcar. Estando las soluciones en sus respectivos frascos, prepara un pequeño circuito eléctrico, con cables y un bombillo de linterna. Si las soluciones preparadas poseen electrolitos, entonces se encenderá el bombillo; su intensidad dependerá de si el electrolito es fuerte o débil. Discute con tus compañeros los resultados observados.
Svante August Arrhenius fue un físico y químico sueco. En 1884, con su tesis doctoral sobre la conducción eléctrica de las disoluciones electrolíticas, expuso el origen de su teoría según la cual las moléculas de los electrólitos se disocian en dos o más iones y que la fuerza de un ácido o una base está en relación directa con su capacidad de disociación. Por su trabajo de ionización de los electrolitos, que permite interpretar las leyes físicas de la electrólisis, recibió en 1903 el premio Nobel de la química.
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Semana 7 7 Semana
¿Ácidos o bases?
¿Ácidos o bases? ¡Empecemos! Continuando con el estudio de los electrolitos, durante esta semana revisaremos: ¿cómo se puede determinar el grado de acidez o basicidad de estos electrolitos?, y ¿cuál es su impacto en la calidad de vida del ser humano?
Muy ambiguamente conocemos el impacto que han causado los ácidos y los hidróxidos en nuestro ambiente, especialmente sobre los cuerpos de agua existentes en el planeta. Por tal motivo, es necesario reafirmar nuestra actitud conservacionista Figura 2 y asumir un grado de responsabilidad en lo que tiene que ver con la contaminación de nuestro planeta Tierra.
¿Qué sabes de...? En muchas campañas publicitarias se emplea la frase “pH balanceado” como una característica relevante de determinados productos; se comenta, por ejemplo, sobre el jabón para el rostro de pH neutro o balanceado; también esta expresión es utilizada por las industrias como garantía de las propiedades del producto. Ahora bien, ¿qué sabes tú sobre el pH balanceado?
El reto es... La niña Alcalina estaba viendo un programa infantil donde se comentaba sobre el ácido cítrico presente en las naranjas y que dicho ácido era conocido como vitamina C. Esto puso a pensar a Alcalina, ya que en la escuela escuchó acerca del impacto que está dejando la lluvia ácida sobre nuestro planeta. Entonces se preguntó: si los ácidos son tan malos ¿cómo es que la vitamina C es un ácido y nos protege de enfermedades? 428
¿Puedes ayudar a Alcalina a descifrar este asunto?
Semana 7
¿Ácidos o bases?
Vamos al grano Cada día es mayor la cantidad de productos que se publicitan por poseer un pH balanceado. El pH es un término cuantitativo que permite determinar cuán ácida o básica es una sustancia. La escala de pH es logarítmica, adoptando valores positivos que generalmente van desde cero (0) hasta catorce (14), estableciendo como ácidas aquellas sustancias por debajo de siete en una escala de pH y tomando como básicas aquellas sustancias por encima de siete en la misma escala. Para valores iguales a siete se considera que la solución es neutra, es decir, ni es ácida ni es básica. La expresión matemática para calcular el pH es la siguiente: pH = -Log [H+] Siendo [H+] la concentración de los iones hidronio provenientes del ácido; por ello, cuando conocemos la concentración de un ácido, también podemos cuantificar su pH. Veamos un ejemplo: si deseamos calcular el pH de una solución de ácido fluorhídrico a 8,3 x 10-3 molar, aplicamos la fórmula: pH = -Log [H+]. Sabiendo que la concentración del ácido es proporcional a la cantidad de hidronio disociado, podemos sustituir: pH = -Log [8,3 x 10-3]; por lo tanto, usando la calculadora sabremos que es: pH = 2.08. Ahora bien, si deseamos calcular el pH de un hidróxido de sodio, debemos tener presente que este último, al disociarse, produce iones oxidrilo en vez de hidronios; por tal motivo, como analogía, podemos calcular el pOH, que no es más que la determinación cuantitativa de los iones oxidrilos presentes en la solución. Veamos un ejemplo: Si deseo conocer el pH de una solución de hidróxido de sodio que posee una concentración igual a 5.6 x 10-4 molar, entonces comienzo calculando su pOH: pOH = -Log [-OH] Luego sustituimos valores, donde el pOH = -Log [5.6 x 10-4]; por lo tanto el pOH= 3,25. Si establecemos que las escalas de pOH y pH son complementarias, podemos decir que: pOH + pH = 14 Podemos despejar pH, quedando de la siguiente manera:
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Semana 7
¿Ácidos o bases? pH = 14 - pOH
Si sustituimos, obtenemos que pH = 14 - 3,25. Y el pH queda así: pH = 10,74 Los cálculos de medición de pH han permitido avances en la ciencia y la tecnología. Si nos ponemos a observar, los fertilizantes de los suelos deben cumplir unas normas de reglamentación química que garanticen el uso apropiado en los cultivos y evitar así el empobrecimiento del suelo que, a la larga, perjudicaría a los dueños de las cosechas y los miembros de la comunidad que dependen de esos cultivos. Otro aspecto de relevancia en los estudios de cálculos de pH es la determinación de acidez de las aguas. Es bien sabido que existe un procedimiento físico, mecánico y químico en la purificación del agua, dentro del cual se da un estricto control en las propiedades físico-químicas del agua. En el mencionado procedimiento se encuentra la medición de pH del agua, ya que ésta debe encontrarse en valores neutros para considerarse óptimamente potable. Igualmente, la expulsión de óxidos a la atmósfera ha incrementado la aparición de la lluvia ácida, causando graves consecuencias en los suelos (desertificación) y cultivos (pérdida de cosechas), sin mencionar los efectos sobre la salud del ser humano y demás seres vivos. Se considera que una lluvia es ácida cuando los valores de pH se encuentren por debajo de 5 o 5,6 en una escala de 0 a 14. Los procesos biológicos están regidos por los valores de pH presentes, como los valores de pH sanguíneos, los cuales están determinados por la presencia de dióxido carbónico en los glóbulos rojos; sus valores de pH deben estar alrededor de 7,35 y 7,45; pequeñas variaciones dentro de este estrecho rango pueden causar graves consecuencias. No obstante, los sistemas biológicos poseen una diversidad de compuestos químicos que permiten regular esas variaciones. Las sustancias amortiguadoras o buffer se encargan de regular los valores de pH con base en el efecto de ión común, el cual se presenta cuando un mismo ión se produce a partir de dos compuestos diferentes; por ejemplo, los sistemas de ácido débil y su sal, lo que se conoce como buffer ácido. Pensemos en el sistema ácido acético (CH3COOH) y su sal (el acetato de sodio, CH3COONa). Ambos compuestos al disociarse producen el ión acetato (CH3COO-); cuando se disocia el acetato de sodio se produce una gran cantidad del ión acetato, provocando que el equilibrio ácido acético ión acetato se vea forzado a desplazarse hacia la formación del ácido acético. 430
Semana 7
¿Ácidos o bases? CH3COONa (diluido)
CH3COO - + Na+
Disociación total
CH3COOH (diluido)
CH3COO - + H3O+
Sistema en equilibrio
Igualmente existe el sistema base débil con su sal, el cual se conoce como buffer básico. Planteemos el sistema amortiguador formado por hidróxido de amonio y cloruro de amonio, sabiendo que la sal se disocia completamente y la base se encuentra en equilibrio, aplicando el mismo principio que en los buffer ácidos. NH4Cl (diluido) NH4OH (diluido)
NH4+ (ac) + Cl – (ac) NH4+ (ac) + OH – (ac)
Disociación total Sistema en equilibrio
Johannes Bronsted fue un químico danés que aportó a la ciencia el desarrollo de la teoría de la actividad química y la teoría sobre el comportamiento de ácidos y bases. En 1923, Bronsted y el químico británico Thomas M. Lowry propusieron, de forma independiente, un nuevo concepto de ácido y de base, definiendo al primero como toda sustancia que puede ceder protones y a la segunda como toda sustancia que puede ganar protones. Dado que el proceso de perder o ganar un protón es reversible, el ácido, al perder un protón, se transforma en una base y, a su vez ésta, al ganar un protón, se transforma en un ácido. Así, pues, un ácido y su base correspondiente forman un sistema conjugado.
Para saber más… Si deseas conocer más sobre los ácidos y las bases, te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://li.co.ve/kV6 http://li.co.ve/kV7
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Semana 7
¿Ácidos o bases?
Aplica tus saberes Existen muchos tipos de ácidos, incluso con diferentes valores de pH; reconociéndose a los ácidos inorgánicos como el ácido sulfúrico, el ácido nítrico y el ácido clorhídrico, como muy abrasivos y altamente corrosivos, que pueden causar quemaduras en la piel; por ello, cuando los óxidos de azufre, nitrógeno o cloro llegan a la atmósfera, se combinan con el agua presente en la nubes formando ácidos, que son los causantes de la lluvia ácida y, a su vez, de la desertificación de los suelos. El ácido cítrico está presente en las frutas cítricas, especialmente naranjas y limones y está asociado a la prevención de enfermedades gripales, así como favorece los procesos antioxidantes en el organismo. Las bondades del ácido cítrico no se pueden comparar con las de los ácidos inorgánicos. Un ácido orgánico tiene una capacidad garantizada de reintegro al ambiente, además de su integración sobre los metabolismos del cuerpo humano. Investiga: ¿qué otros ácidos orgánicos existen y cuál es su importancia para los seres vivos?
Comprobemos y demostremos que… Realiza los siguientes cálculos de pH para las soluciones que se mencionan: 1. Solución de hidróxido de sodio cuya concentración es 3 x 10-3 molar. 2. Solución de hidróxido de magnesio cuya concentración es 0,5 x 10-5 molar. 3. Solución de hidróxido de aluminio cuya concentración es 6,4 x 10-2 molar. 4. Solución de ácido clorhídrico cuya concentración es 3 x 10-3 molar 5. Solución de fluoruro de hidrógeno (I) cuya concentración es 4 x 10-3 molar. 6. Solución de ácido sulfúrico cuya concentración es 0,8 x 10-9 molar.
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¿Ácidos o 8 bases? Semana Aplicando los equilibrios
Semana 7
¡Empecemos! Estimado participante, durante esta semana estudiaremos el principio de Le Châtelier y su aplicación en los diferentes sucesos químicos y biológicos presentes a nuestro alrededor. Es importante recordar que ningún principio o teoría es infalible Henri-Louis Le Châtelier y siempre existirán detractores; sin embargo, el principio que estudiaremos esta semana se cumple en la mayoría de las alteraciones que puede sufrir un sistema químico o biológico, donde cualquier perturbación obligará al sistema a desplazarse en sentido contrario a la alteración.
¿Qué sabes de...? Dentro de los sistemas biológicos tenemos los ejemplos más resaltantes que siguen los principios de Le Châtelier, donde los diferentes sistemas han tenido que evolucionar junto con los cambios ambientales. ¿Podrías mencionar algún sistema de equilibrio del ser humano o algún ser vivo en particular?
El reto es... El abuelo Floripondio se encontraba leyendo sobre la vida y eventos de Henri-Louis Le Châtelier y pudo percatarse que en el día a día encontramos varios ejemplos sobre la alteración de los equilibrios y su respuesta casi siempre aplica el principio de este gran químico. Entre los que más le llamó la atención se encontraba la fotosíntesis. ¿Podrías explicar cómo la fotosíntesis manifiesta el principio de Le Châtelier?
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Semana 8
Aplicando los equilibrios
Vamos al grano En la naturaleza existe una gran variedad de ejemplos que demuestran el principio de Le Châtelier, como la homeostasis del cuerpo, la regulación de las hormonas insulina-glucagón y la insuficiencia renal crónica, por mencionar algunos. En los procesos de homeostasis del cuerpo humano, éste busca mantener los niveles de temperatura corporal en su promedio de 36,5ºC a 37ºC; sin embargo, pueden ocurrir cambios que obliguen al cuerpo a ajustar su temperatura corporal de acuerdo con la temperatura ambiental. Por ejemplo, cuando nos encontramos en regiones donde se alcanzan temperaturas extremas de calor, el cuerpo humano empieza un proceso de transpiración que permite al sudor refrescar la superficie de la piel y así disminuir su temperatura; este principio se repite para los momentos de fiebre y otros quebrantos. Por otro lado, cuando la temperatura tiende a disminuir notablemente, el cuerpo humano comienza una serie de movimientos involuntarios, buscando incrementar la energía cinética de las células del cuerpo y así compensar la pérdida de calor. Otro proceso en el ser humano es el de equilibrio hormonal entre insulina y glucagón; dichas hormonas son antagónicas y se manifiestan según los cambios de azúcar en la sangre; por ello, cuando los niveles de azúcar se incrementen después de una ingesta alimenticia, la insulina aumenta sus niveles buscando aprovechar el azúcar en la sangre en los distintos sistemas metabólicos que la requieran como fuente de energía. Sin embargo, cuando estas necesidades son cubiertas, el organismo dispara una señal para que disminuyan los niveles de insulina y se incrementen los niveles de glucagón, el cual se encargará de guardar el azúcar excedente en forma de glucógeno, que será aprovechado cuando haya retardo o ausencia de ingesta calórica. El sistema renal del ser humano es altamente complicado y delicado: una mala alimentación puede descompensar la presión osmótica del cuerpo provocando al organismo una retención de líquidos por el aumento de la concentración de las sales (edemas) o una acumulación de sustancias tóxicas, como el incremento de la urea en sangre, que se conoce como uremia. Estos cambios producidos por una mala alimentación conllevan a largo plazo a un aumento de la presión sanguínea e insuficiencia cardiaca. Es bastante alarmante reconocer que una mala alimentación pueda repercutir tan seriamente en varios sistemas metabólicos del cuerpo humano; claro está que esto no ocurre de la noche a la mañana, sino que se manifiesta luego de meses o años de mala alimentación. Si el ser humano no cuida este aspecto, puede alterar simultáneamente varios metabolismos ocasionando una descompensación generalizada que, a largo plazo, puede conllevar a la muerte. 434
Aplicando los equilibrios
Semana 8
Al igual que las modificaciones que podamos hacer a nuestro cuerpo, existen alteraciones que causamos al medio ambiente y que tienen significativas repercusiones observables a mediano o largo plazo. Por ejemplo, en los años 60 y 70 se abusó de los compuestos fluoro carbonados (CFC), dado el frecuente uso de aerosoles (spray). En esa época era desconocido el impacto o la acción de los CFC sobre las moléculas de ozono; fue posteriormente cuando nos percatamos de la destrucción de la capa de ozono. También podemos citar la caza indiscriminada impulsada, algunas veces, por un supuesto “espíritu deportivo” o por la vanidad de usar objetos de cuero o telas de algún felino. Esto ha puesto en peligro de extinción a muchas de las especies animales. Por otra parte, la destrucción masiva de árboles ha ocasionado un cúmulo de dióxido de carbono en la atmósfera, provocando el famoso efecto invernadero, que nos está conduciendo por el camino del calentamiento global. De manera que, se hace necesario reflexionar. Nuestra calidad de vida no puede estar por encima del bien del planeta. Es cierto que cualquier alteración, por más mínima que sea, busca un nuevo estado en equilibrio, el problema está en que la mayoría de las veces no hemos sido capaces de dar a la naturaleza el tiempo necesario para recuperarse. En los sistemas de equilibrio químico siempre podremos encontrar sucesos donde las alteraciones producen un nuevo y mejor estado en equilibrio; sin embargo, también podemos generar resultados desastrosos. Si consideramos que la química forma parte de nuestro cuerpo y que nuestra conducta es reflejo indirecto de las reacciones químicas, es necesario siempre tener presente que cada acción va a generar consecuencias positivas o negativas a nuestro alrededor y a veces pueden ser de tal magnitud que, ni el mismo principio de Le Châtelier, podrá revertir dichos efectos.
Henri-Louis Le Châtelier fue un químico francés conocido por el principio que lleva su nombre, que permite predecir los efectos originados por los cambios de ciertas condiciones en una reacción química. A Le Châtelier se debe la introducción del oxiacetileno en la industria metalúrgica, así como las técnicas de producción del amoníaco basadas en su principio.
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Semana 8
Aplicando los equilibrios
Para saber más… Te invitamos a visitar las siguientes direcciones web para aumentar tus saberes acerca de la aplicación del principio estudiado: http://li.co.ve/kZB
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Aplica tus saberes El proceso fotosintético se basa en la producción de carbohidratos y oxígeno partiendo de sales minerales, agua y dióxido de carbono, lo cual ocurre diariamente durante las mañanas en todas las plantas con clorofila. Sin embargo, cuando la planta es expuesta a cambios climáticos como la llegada de las lluvias o la entrada de la noche, se producen transformaciones en la planta que desencadenan una serie de eventos. Cuando empiezan a aparecer las primeras lluvias, muchas de las plantas disparan su mecanismo de reproducción, el cual había estado detenido mientras no había agua en el ambiente. De igual manera, cuando empieza a caer la noche, la planta inicia su proceso de respiración, el cual consiste en gastar energía para liberar dióxido de carbono más agua, y así poder soltar los excedentes presentes en la planta. ¿Cuáles y cuántos eventos más conoces que permitan regular los sistemas en equilibrio?
Comprobemos y demostremos que… Vamos a demostrar cómo una perturbación de un sistema en equilibrio puede provocar cambios en la búsqueda de compensación de una alteración. Imagina que un día viernes te acostaste tarde por ver películas en la televisión; al día siguiente te levantas temprano con algo de sueño y realizas tus actividades a una velocidad más lenta por el cansancio. Ahora bien, si repetimos la rutina del viernes el día sábado, experimentaremos un sueño incontrolable e incluso ineptitud para realizar determinadas tareas.
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Aunque suenen básicos y lógicos los resultados, este ejemplo tan sencillo explica que, cuando alteramos el equilibrio, nuestro organismo buscará desplazarnos en sentido contrario de la perturbación; por eso, en el ejemplo anterior, procuraremos dormir, aun en condiciones poco comunes, con tal de retomar nuestro ciclo de descanso. Te invitamos a realizar pequeñas demostraciones de alteración de un equilibrio; lleva tus resultados al CCA y discútelos con tus compañeros.
Aplicando9los equilibrios Semana Química y electricidad
Semana 8
¡Empecemos! Durante esta semana conoceremos los fenómenos relacionados con la disciplina que se encarga de estudiar las reacciones químicas y su electricidad asociada, la cual es conocida como electroquímica. Esta disciplina ha logrado impulsar el desarrollo de tecnologías que han traído un sinfín de beneficios para el ser humano y las comunidades. Por tal motivo, haremos hincapié en dos de los procesos más importantes de la electroquímica, como son: la electrólisis y las celdas galvánicas. Durante la próxima semana profundizaremos sobre las diferentes aplicaciones de la electroquímica.
¿Qué sabes de...? La corriente eléctrica es un flujo de electrones que viajan a través de un material (por lo general, metales) capaz de conducir los electrones desde un polo negativo hacia un polo positivo; no obstante, también existen sustancias capaces de conducir la corriente eléctrica y otras que no. ¿Sabes cómo se llaman estas sustancias idóneas para transportar electrones de una región a otra?
El reto es... Alcalina y su madre se encontraban revisando varios juguetes viejos para regalarlos a los primitos más pequeños; sin embargo, la mamá se percató de que un juguete tenía las pilas dañadas. Alcalina intentó agarrarlas, pero su mamá se lo impidió, diciéndole: “Alcalina, no toques las pilas, están dañadas y el juguete también”. La niña se dio cuenta de que las pilas botaban una sustancia y el lugar donde se guardaban se veía dañado. ¿Sabes tú cuál es la sustancia que poseen las pilas y por qué dañaron el juguete? 437
Semana 9
Química y electricidad
Vamos al grano Es tradicional utilizar un cable con alambre de cobre cuando se intenta realizar un pequeño circuito casero; el cobre es un metal y, por lo tanto, se comporta como un buen conductor de la electricidad. En cambio, el plástico que recubre el alambre de cobre es incapaz de transportar electrones, por lo que se considera como un no conductor o aislante. No obstante, también podemos formar circuitos eléctricos con soluciones; en este caso pueden existir solutos presentes en las soluciones capaces de conducir la corriente eléctrica como, por ejemplo, la sal. A estos solutos + se les conoce como electrolitos; mientras que Ánodo las sustancias incapaces de conducir corriente, como la glucosa, se denominan no electrolitos. Cuando la corriente eléctrica pasa a través de una solución electrolítica, provocando un cambio químico en la solución, se le denomina Electrólisis. Esto se lleva a cabo dentro de una celda electrolítica, la cual consta de un recipiente que contiene la solución con los dos electrodos sumergidos y conectados a una fuente de corriente directa.
Electrones
+
-
Suministro de corriente
Cátodo
Cationes
Oxidación
Reducción
Figura 3
Flujo de electrónes voltímetro
Electródo de cinc metállico
ánodo (+) Puente salino
ZnSO4 (ac) Zn
Electródo de cobre metállico
Cu+2 + 2e-
Oxidación 438
cátodo (-)
CuSO4 (ac)
Zn+2 + 2e-
Cu
Reducción Figura 4
-
Semana 9
Química y electricidad
Los procesos de electrólisis ocurren dentro de celdas electrolíticas que requieren de un suministro de corriente eléctrica para provocar reacciones químicas no espontáneas. Por otro lado, las reacciones químicas que producen corriente eléctrica son conocidas como reacciones espontáneas de óxido-reducción. Estas ocurren dentro de celdas o pilas llamadas galvánicas, las cuales se encuentran separadas, por lo que la transferencia de electrones ocurre gracias a un circuito externo como, por ejemplo, un puente salino. En todas las reacciones electroquímicas se dan procesos de óxido-reducción, debido a que la transferencia de electrones de un polo a otro genera estados transitorios de oxidación (perdida de electrones) y reducción (ganancia de electrones). La migración de iones positivos y negativos es explicada gracias a la teoría de disociación de Arrhenius quien, a través de cinco postulados, describe el comportamiento a esperar de los electrolitos en solución: 1. Los electrolitos en solución se disocian en sus iones (átomos o radicales con carga): Solución de cloruro de sodio NaCl(ac)
Na+ + Cl-
2. El número de carga eléctrica de los iones es igual a su valencia o estado de oxidación: FeCl2
Fe++ + 2 Cl-
3. La ionización es un proceso reversible y se establece un equilibrio entre las moléculas no disociadas y sus iones. 4. Los iones deben ser considerados como especies químicas con sus propiedades características. 5. Los poli-ácidos se disocian en fases: H2CO3
HCO3- + H+
CO2= + 2H+
En el siglo XIX el científico Michael Faraday formuló las leyes de la electrólisis; la primera ley enuncia lo siguiente: La masa de un producto obtenido o de reactivo consumido durante la reacción en un electrodo es proporcional a la cantidad de carga (corriente x tiempo) que ha pasado a través del circuito. Gracias a esta ley se puede determinar la cantidad de electricidad (en coulomb o faradios) necesaria para depositar un equivalente gramo de una sustancia. Coulombs= Amperios x Segundos
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Semana 9
Química y electricidad
Coulomb (c) es la unidad física que se define como la cantidad de carga que atraviesa una corriente de un amperio (A) de intensidad por un punto determinado durante un segundo. Por lo que las unidades de Coulomb son amperios x segundos.
De aquí surge la unidad cuantitativa de electricidad denominada Faraday, en honor a su descubridor, que se define como la cantidad de electricidad que reduce el peso equivalente de una sustancia en el polo negativo (cátodo) y oxida el peso equivalente de la misma sustancia en el polo positivo (ánodo). 1 Faraday equivale a 96.487 coulomb, que se expresa como 1 Faraday = 96.500 c Faraday también postuló una segunda Ley, donde plantea que: Las masas de diferentes sustancias producidas por el paso de la misma cantidad de electricidad, son directamente proporcionales a sus equivalentes gramos. Gracias a esta Ley se puede determinar la masa de sustancia depositada por un Faraday (96.500 c), lo cual se conoce como equivalente electroquímico. Equivalente químico = Masa Atómica gramo/valencia. Veamos ahora un ejemplo sobre la aplicación de las leyes de Faraday: si quisiéramos conocer la cantidad de cobre que se depositará al hacer pasar una corriente de 300 amperios durante una hora, a través de una solución de cloruro cúprico (CuCl2), realizaríamos los siguientes pasos: 1. Calcularíamos el equivalente químico del cobre, sabiendo que la valencia con la cual está trabajando el cobre es dos (II): Equivalente químico = Masa Atómica gramo/valencia Equivalente químico = 63,5g/mol/ 2 Equivalente químico = 31,75g/eq-g 2. Calculamos la cantidad de electricidad (coulombs) que se produce, sabiendo que una hora equivale a 360 segundos: Coulombs= amperios x segundos 440
q=Ixt
Semana 9
Química y electricidad q= 300 amperios x 360 segundos q= 108.000 coulombs
3. Por último, calcularíamos la masa de cobre depositada, planteando que: Si en 96.500 coulombs se depositan 31,75 gramos En 108.000 coulombs cuanto se depositarán X X= 108.000 coulombs x 31,75 g / 96.500 coulombs X= 3.429.000 g / 96.500 X= 35,53 g Resolución: cuando en una solución de cloruro cúprico (CuCl2) se hacen pasar 300 amperios por una hora, se depositarán 35,53 gramos de Cobre (Cu++).
Para saber más… Si deseas conocer más sobre las celdas electrolíticas o galvánicas, te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://li.co.ve/kZF
http://li.co.ve/kZG
http://li.co.ve/kZI
http://li.co.ve/kZJ
http://li.co.ve/kZH
Aplica tus saberes Las pilas alcalinas con el tiempo suelen presentar escapes de su contenido como, por ejemplo, el hidróxido de potasio, sustancia química corrosiva y cáustica que puede irritar las vías respiratorias y la piel. Es por ello que las pilas que tienen una fuga de su contenido no deben ser tocadas directamente con las manos. Lo recomendable es tomarlas con servilletas y colocarlas dentro de un recipiente de plástico, que luego sea llevado a un centro de reciclaje. Cuando dejamos las pilas dentro de los equipos eléctricos por mucho tiempo, corremos el riesgo de que se libre el contenido de las mismas, causando corrosión del equipo e inclusive ocasionando graves daños. Por lo tanto, se recomienda quitar las pilas cuando no estén en uso, cambiar todas las pilas simultáneamente, no recargar las pilas desechables, además de no mezclar diferentes tipos de pilas. Investiga cuáles eran los componentes de las pilas anteriores a la alcalina y discute con tus compañeros el impacto ambiental que producen las pilas desechadas inadecuadamente. 441
Semana 9
Química y electricidad
Comprobemos y demostremos que… Para reconocer un proceso electrolítico se suele experimentar con la electrólisis del agua, el cual puedes demostrar colocando agua en un frasco de vidrio de boca ancha, más un poco de cloruro de sodio (sal común); luego, introduce dos cables que cerrarán el circuito con un par de pilas AA (figura 5). Explica junto a tus compañeros los cambios observados.
Figura 5
Las pilas alcalinas, a diferencia de otras, son consideradas residuos domésticos; sin embargo, son tóxicos para el ambiente, es por ello que en algunos lugares como Europa se tiene un estricto control para el desecho de pilas; incluso, los establecimientos que venden pilas están obligados por la Ley a recibir pilas viejas y reciclarlas en los sitios autorizados para ello.
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Química y10 electricidad Semana Apliquemos electroquímica
Semana 9
¡Empecemos! Apreciado participante, la semana pasada conocimos brevemente sobre los aportes teóricos que nos brindan los procesos electroquímicos. Ahora vamos a estudiar la aplicabilidad de las celdas electroquímicas en nuestra vida cotidiana, resaltando las bondades y perjuicios que han tenido y siguen teniendo sobre el medio ambiente. Es importante resaltar que los distintos fenómenos físicos y químicos son procesos espontáneos que ocurren en la naturaleza y el ser humano ha sabido aprovecharlos para su beneficio. Sin embargo, esos avances han traído serios problemas ambientales, por lo que debemos continuar sembrando conciencia para que el progreso científico y tecnológico vaya de la mano con la conservación del ambiente.
¿Qué sabes de...? En los últimos años se ha buscado reducir el consumo masivo de pilas desechables, sustituyéndolas por los acumuladores que, al igual que otras pilas, funcionan como celdas electrolíticas. ¿Sabes cuál es la bondad que nos proporcionan los acumuladores?
El reto es... El abuelo Sulfuro se encontraba revisando el motor de su carro cuando se percató que la batería se había sulfatado. Cuando se disponía a sacarla para colocar una nueva, la niña Alcalina se acercó y le preguntó: “¿La pila de tu carro se echó a perder?”. El abuelo sonrió y le dijo: “Así es, niña, se dañó y tengo que colocar una nueva”. A lo que Alcalina respondió: “Me imaginé, le ocurrió lo mismo que a un juguete mío”. ¿Podrías explicar esta similitud?, ¿la batería de carro es semejante a una pila?, ¿por qué?
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Semana 10
Apliquemos electroquímica
Vamos al grano Las pilas pueden considerarse de dos tipos: a) primarias, las cuales transforman la energía química en energía eléctrica de manera irreversible, ya que las sustancias electrolíticas se agotan y no pueden regenerarse; b) secundarias, que transforman la energía química en energía eléctrica de manera reversible, lo cual hace posible que estas pilas puedan ser “recargadas”. Las pilas secundarias suelen llamarse acumuladores. Las baterías de carro están formadas por seis acumuladores de plomo asociados en serie. Cuando la energía química se transforma en energía eléctrica se dice que la batería se descargó; en cambio, la transformación de energía eléctrica en energía química carga la batería. La batería de un automóvil está constituida por dos electrodos de plomo en forma de sulfato de plomo (PbSO4) sumergidos en una solución electrolítica de ácido sulfúrico (H2SO4). Cuando se carga una batería, el sulfato de plomo (PbSO4) se reduce a plomo metálico en el cátodo (polo negativo) y en el ánodo (polo positivo) se forma el óxido de plomo (PbO2). En el proceso de descarga, el sentido de movimiento de electrones se invierte, permitiendo así la formación de corriente eléctrica. PbO2 + 2 H2SO4 + 2e– Pb + SO42–
2 H2O + PbSO4 + SO42– PbSO4 + 2e–
Durante este proceso la concentración del ácido sulfúrico disminuye, cambiando así su densidad, siendo este un indicador sencillo de descarga de la batería, lo cual se logra conectando los electrodos a una fuente de poder con mayor potencial a la descarga. Ahora bien, si no se realiza la recarga de la batería, puede ocurrir la formación de cristales de sulfato de plomo, los cuales impiden la funcionalidad de la misma; cuando esto ocurre, se recomienda remplazar la batería “sulfatada” por una nueva. Otros acumuladores son las pilas de níquel y hierro (Ni-Fe), siendo éstas las más comunes, ya que sus componentes se encuentran disponibles en la naturaleza, por lo que su elaboración es fácil y su costo es bajo; además, pueden tener una larga vida útil. También están los acumuladores de níquel y cadmio (Ni-Cd) los cuales soportan un amplio rango de temperatura, pero con poca capacidad.
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Los acumuladores presentan el beneficio de ser recargables, disminuyendo así el consumo de nuevas baterías, por lo cual han logrado tener éxito entre las baterías presentes en el mercado; sin embargo, los acumuladores de plomo, a pesar de su aporte a la industria automotriz, han generado un alto impacto en el ambiente.
Apliquemos electroquímica
Semana 10
Las pilas primarias son también conocidas como pilas voltaicas, que suelen derramar fácilmente su contenido. Entre las más conocidas y utilizadas tenemos las pilas Leclanché y las pilas alcalinas, entre otras. Las pilas Leclanché, conocidas como pilas húmedas, consisten en una solución electrolítica de cloruro de amonio, un electrodo positivo de carbono y un electrodo negativo de cinc, además de un despolarizador de dióxido de manganeso. Estas pilas fueron las precursoras de las pilas secas. Las pilas alcalinas presentan una configuración igual a las pilas Leclanché, salvo que la solución electrolítica es de cloruro de sodio o cloruro de potasio; lo cual permite una mayor durabilidad al electrodo de cinc, el cual era desgastado fácilmente por el ambiente ácido que provocaba el amonio dentro de las pilas Leclanché. Las pilas alcalinas o pilas secas, como se conocen, son de amplio uso y su larga vida útil las ha mantenido en el mercado. Sin embargo, su costo es elevado debido al sistema de sellado que se requiere para evitar la fuga de la sustancia electrolítica que es el hidróxido de potasio (KOH), lo que las ha colocado entre las baterías de alto costo. Existen otras pilas que varían en el tipo de electrodo o solución electrolítica presente, entre las cuales tenemos las baterías de iones de litio que, tal como las pilas de níquel, en conjunto con hidruro metálico, no soportan los cambios drásticos de temperatura. Las pilas alcalinas de manganeso son extremadamente contaminantes para el ambiente; las pilas de polímero de litio (LiPo) permiten una alta densidad de energía y pueden ser elaboradas en un tamaño reducido, permitiendo ser usadas en aparatos electrónicos pequeños como el bluetooth.
Para saber más… Si deseas conocer más acerca de las bondades de las celdas electroquímicas, te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://li.co.ve/la7
http://li.co.ve/la8
http://li.co.ve/la9
Aplica tus saberes Los acumuladores se crearon como respuesta al inconveniente presentado por la mayoría de las pilas tradicionales que, una vez alcanzado el equilibrio de las sustancias electrolíticas, deben desecharse. Por ello, los acumuladores fueron creados como pilas recargables; dos ejemplos muy conocidos son los acumuladores de plomo y las pilas de cadmio y níquel.
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Semana 10
Apliquemos electroquímica
Como hemos visto, los acumuladores de plomo se encuentran en las baterías usadas en los automóviles, las cuales poseen una solución electrolítica de ácido sulfúrico al 38% con electrodos de plomo y óxido plumboso. Por su parte, la pila de cadmio y níquel es usada en los aparatos electrónicos portátiles, como las calculadoras y teléfonos celulares, las cuales poseen como solución electrolítica el hidróxido de potasio con electrodos de cadmio y óxido de níquel hidratado, aunque existen variantes donde se sustituye el cadmio por hidruros metálicos.
Comprobemos y demostremos que… El cuerpo humano es conductor de electricidad, al igual que algunos alimentos como, por ejemplo, el limón, la papa o la manzana. Una experiencia sencilla para comprobar el funcionamiento de una pila sería tomar dos electrodos: uno puede ser una lámina de cobre y el otro un clavo galvanizado (con cinc). ¡Inténtalo! Introduce ambos electrodos en un limón, conecta los electrodos a un cable y vincula éstos a un pequeño bombillo o led, como se muestra en la figura 6. Ahora bien, monta tu pila de limón e investiga junto a tus compañeros cuál es el ácido presente en el limón que se comporta como la solución electrolítica.
Figura 6
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George Leclanché fue un ingeniero francés que inventó la pila eléctrica. En 1870 patentó un nuevo tipo de pila: “la pila económica de ácido insoluble”, con la que tuvo gran éxito. Anteriormente las pilas se polarizaban produciendo hidrógeno; Leclanché introdujo un despolarizante dióxido de manganeso (MnO2) que, al unirse a la solución electrolítica impedía la formación de hidrógeno. Las pilas de 1,5 voltios o de 4,5 voltios de hoy día de derivan de las pilas Leclanché.
Apliquemos Semana 11electroquímica ¿Oxidamos o reducimos?
Semana 10
¡Empecemos! Estimado participante, durante esta semana estudiaremos uno de los principales mecanismos de reacción que se presenta en la naturaleza permitiendo el desarrollo de las baterías eléctricas: las reacciones de oxido-reducción. Para ello, aprenderemos las diferentes terminologías asociadas a las reacciones redox y su importancia para el ser humano. La siguiente semana veremos las aplicaciones de los sistemas redox en la vida cotidiana del ser humano.
¿Qué sabes de...? Se dice que las reacciones redox se encuentran presentes en la gran mayoría de las reacciones químicas de los seres vivos como, por ejemplo, la respiración celular en plantas y animales. ¿Sabes cuál es la etapa de la fotosíntesis donde ocurre el proceso redox?
El reto es... La niña Alcalina, de visita en casa de su vecino, el abuelo Floripondio, hablaba con él acerca de la contaminación del aire; cuando –de repente– Alcalina preguntó a Floripondio: “¿Por qué dicen que la combustión es un proceso redox?”. El abuelo sonrió y le dijo: “Muy buena pregunta, déjame buscar limonada y galletas para que vayas merendando mientras te contesto”.
Vamos al grano Las reacciones redox son aquellas en las que se da un movimiento de electrones, es decir, ocurren dos reacciones simultáneas donde una especie química pierde electrones y la otra gana electrones. Cuando una especie química ha perdido electrones, se dice que ha ocurrido una oxidación y, cuando gana electrones, se habla de reducción.
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Semana 11
¿Oxidamos o reducimos?
Todas las especies químicas (átomos o moléculas) tienen la capacidad de oxidarse o reducirse; esto va a depender de la electronegatividad de la especie química. El átomo o molécula que pierde electrones (se oxida) induce automáticamente a que la otra especie química gane electrones (se reduzca); por lo tanto, la especie que se oxida se considera Agente Reductor, mientras la especie que se reduce se considera Agente Oxidante. En los procesos redox, la presencia de un agente oxidante obliga la existencia de un agente reductor; por tal razón, el número de electrones perdidos por el agente reductor es igual al número de electrones ganados por el agente oxidante. Debido a que la mayoría de las reacciones redox son reversibles, se pueden generalizar con la siguiente reacción: Agente Oxidante1 + Agente Reductor1 Agente Reductor2 + Agente Oxidante2 Los pares de agentes oxidantes1 / reductor1 y reductor2 / oxidante2 son considerados pares conjugados, ya que la presencia de uno es el resultado de la otra especie; por ejemplo: Cu+2 + Zn
Zn+2 + Cu
Este tipo de reacciones constituye una fuente importante de energía en el planeta. La combustión de la gasolina dentro del carro o la asimilación de los alimentos dentro del sistema digestivo son procesos donde ocurre la transferencia de electrones, ocasionando una producción o almacenaje de energía. Para identificar dentro de una reacción química cuál sustancia se está reduciendo y cuál oxidando, es necesario conocer el número de oxidación de las especies participantes en la reacción. El número de oxidación puede definirse como la carga asignada a los átomos que forman una especie química, tomando en cuenta su electronegatividad frente a los otros elementos con que está combinado. Para determinar el número o estado de oxidación de un elemento o compuesto es necesario seguir unas reglas, teniendo siempre presente que la suma algebraica de los números de oxidación debe ser igual a cero. Veamos las reglas para asignar el número de oxidación (Requeijo y Requeijo, 2002): 1. Los elementos no combinados, ya sean átomos o moléculas, tienen un número de oxidación igual a cero (0). Ejemplos: Feº; H2º; Naº; Sº; O2º.
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2. El hidrógeno combinado con otros elementos posee un número de oxidación igual a uno positivo (+1), excepto en los hidruros metálicos que presenta un uno negativo (-1). Ejemplos: +1HCl; +1H2O; +1HNO3 ; NaH-1 (hidruro de sodio).
Semana 11
¿Oxidamos o reducimos?
3. El oxígeno combinado con otros elementos posee un número de oxidación igual a menos dos (-2), excepto en los peróxidos, que presenta un uno negativo (-1). Ejemplos: Na2O-2; CO2-2; HClO-2; KO-2H; MgSO4-2; H2O2-1 (peróxido de hidrógeno). Otra excepción: en el óxido de flúor (F2O) el oxígeno posee un número de oxidación de más dos (+2), ya que el flúor es el elemento más electronegativo de la tabla periódica. 4. El número de oxidación de cualquier ión monoatómico es igual a su carga. Ejemplos: Na+; Li+; Ag+ poseen números de oxidación igual a más uno (+1); Mg+2; Ca+2; Fe+2 poseen números de oxidación igual a más dos (+2); Al+3; Au+3; Fe+3 poseen números de oxidación igual a más tres (+3); Cl-; Br- poseen números de oxidación igual a menos uno (-1); S-2 posee números de oxidación igual a menos dos (-2). 5. Los no metales tienen números de oxidación negativos cuando están combinados con metales o con hidrógeno. Sus números de oxidación pasan a ser positivos cuando se combinan con el oxígeno, excepto, como ya se planteó en el numeral 3, que el flúor siempre será negativo. Ejemplos: +2CO2 ; +6SO3 ; KCl -1; HBr -1. Ahora bien, si tenemos un compuesto químico ternario, como un oxácido o una oxisal, para conocer el número de oxidación del elemento central debemos guiarnos por las reglas antes mencionadas y aplicar una pequeña operación algebraica. 1. Asignamos los números de oxidación para el hidrógeno y oxígeno establecidos en las reglas anteriores: H+1 Cl? O3-2 2. Multiplicamos los subíndices por los números de oxidación; para hidrógeno sería 1x+1, para el oxígeno sería 3x-2 y el cloro es nuestra incógnita (?). H+1 Cl? O3-2 +1 +? -6 3. Como la sumatoria de todos los términos se iguala a cero, obtenemos una ecuación de una incógnita y despejamos para conocer el número de oxidación del cloro que será cinco (+5). +1 +X (-6) = 0 X = 6-1 = 5 Para reconocer dentro de una reacción química cuáles son las especies reducidas y las especies oxidadas, debemos determinar los números de oxidación de cada una de las especies involucradas en la reacción, siguiendo los pasos para la asignación de números de oxidación. Veamos un ejemplo:
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Semana 11
¿Oxidamos o reducimos?
En la reacción FeO + CO oxidado.
Fe + CO2 , determine el elemento reducido y el
1. Escribimos los números de oxidación para cada elemento: FeO-2 + +2CO-2
+2
Feº + +4CO2-2
2. Se observan los elementos que cambiaron su número de oxidación: El hierro (Fe) pasó de +2 a cero (0); mientras que el carbono pasó de +2 a +4 3. Se determina quien ganó y perdió electrones: El hierro pasó de un número de oxidación positivo a cero, lo que quiere decir que ganó específicamente dos electrones; por lo tanto redujo (agente oxidante) y el carbono pasó de un número de oxidación de positivo (más dos) a más cuatro, lo que quiere decir que perdió específicamente dos electrones, por lo tanto se oxidó (agente reductor).
Para saber más… Si deseas conocer más los procesos redox, te invitamos a consultar las siguientes direcciones web: http://li.co.ve/laC
http://li.co.ve/laD
http://li.co.ve/laF
http://li.co.ve/laG
http://li.co.ve/laE
Aplica tus saberes La combustión de la gasolina es una reacción redox, la cual consiste en que el polímero de hidrocarburos (muchos enlaces carbono-carbono y carbonohidrógeno) reacciona con el oxígeno, generando varios productos entre los que está el agua y el dióxido de carbono; éste último es factor determinante en la contaminación del aire; gracias a su acumulación en la atmósfera por la combustión de la gasolina y la tala indiscriminada de árboles, existe lo que hoy día conocemos como efecto invernadero.
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Asimismo, la respiración celular es un proceso de combustión, por lo que es una reacción redox, ya que aún en ausencia de una “llama”, los productos alimenticios, como la glucosa, se metabolizan para luego producir dióxido de carbono, agua y energía.
Semana 11
¿Oxidamos o reducimos?
Comprobemos y demostremos que… 1. Busca el número de oxidación de los elementos señalados para cada uno de los siguientes compuestos: a) H3PO4 (P) b) K2SO4 (S) c) CuNO2 (N) d) HBrO4 (Br) 2. Observa las siguientes reacciones y, aplicando las reglas de número de oxidación, indica el elemento oxidado (agente reductor) y el elemento reducido (agente oxidante): a) Fe
+
b) Cu +
CuSO4
FeSO4 + Cu
AgNO3
Cu(NO3)2 + Ag
Recordemos que los metales tienen como característica ser electropositivos, es decir, la capacidad de ceder electrones (oxidarse). En cambio, los elementos no metales tienen como característica la capacidad de aceptar electrones (reducirse). Así que, no te extrañe que dentro de una reacción química los metales sean los agentes reductores y los no metales sean los agentes oxidantes. Claro, esto dependerá de cuál sea la combinación química en la cual se encuentre presente el metal y el no metal.
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Semana 12 12 Semana
Aplicando redox
Aplicando redox ¡Empecemos!
Estimado participante, la semana anterior estudiamos el comportamiento de las especies químicas durante las reacciones redox y, durante esta semana, veremos dónde ocurren las diferentes reacciones redox y cuál es su importancia para la existencia de los seres vivos. Los procesos redox son reacciones que ocurren espontánea y reversiblemente, generando o almacenando energía, lo cual ha sido aprovechado por el ser humano.
¿Qué sabes de...? Existen procesos redox que no convienen al ser humano como, por ejemplo, la corrosión; estos son procesos espontáneos que ocurren cuando factores climáticos pueden incidir sobre un objeto metálico. ¿Sabes cuáles son los factores climáticos que favorecen la corrosión de los metales?, ¿podrías explicar por qué?
El reto es... El abuelo Floripondio se encontraba limpiando unas herramientas y notó que algunas habían sido corroídas, pues estaban en el patio de la casa y recientemente les había caído agua de lluvia. ¿Podrías ayudar al abuelo Floripondio a encontrar una solución para recuperar las herramientas corroídas?
Vamos al grano
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Existe un sin fin de procesos redox en la naturaleza que ocurren de manera espontánea y son de gran relevancia para el funcionamiento de algunos seres vivos. Por ejemplo: el proceso de respiración celular, en el que la oxidación de
Aplicando redox
Semana 12
una molécula de glucosa (azúcar) permite la producción de dióxido de carbono y agua, además de proporcionar energía, ha permitido el funcionamiento de los diferentes metabolismos aeróbicos presentes en nuestro cuerpo. El agua influye en los procesos redox que ocurren en los suelos ya que, gracias a ella, se pueden transportar el oxígeno y dióxido de carbono necesarios para los microorganismos presentes en el suelo. Por otro lado, la materia orgánica es una buena sustancia reductora en los suelos, pues junto a un buen drenaje permite la incorporación de algunos elementos en la composición química, alternando así su pH y color, lo cual repercute en la actividad biológica de los suelos. De igual manera, la formación de la capa de ozono (O3) resultó ser un proceso redox ya que, en la atmósfera primitiva, las moléculas de oxígeno molecular (O2) se fueron acumulando en la troposfera y ascendieron hacia la estratosfera, donde están los rayos ultravioletas provenientes del sol, catalizando la formación de moléculas triatómicas de oxígeno, mejor conocidas como ozono, lo cual produjo el surgimiento de organismos en el planeta. Por otro lado, los procesos redox han servido para mejorar la calidad de vida del ser humano; recuerda las pilas y acumuladores estudiados en la semana 11, en los cuales las celdas electrolíticas o galvánicas funcionan gracias al transporte de electrones de un lugar a otro, es decir, se trata de un proceso de óxido-reducción. Otra aplicación de los procesos redox es la galvanoplastia, que consiste en recubrir una pieza de metal con una delgada capa de otro metal. Este proceso evita la corrosión de los metales como, por ejemplo, el hierro o el acero, los cuales, bajo una cubierta delgada de cinc o cromo, se hacen más resistentes a la corrosión. El proceso de galvanoplastia consiste en tomar la pieza a recubrir y convertirla en el cátodo, siendo el ánodo el trozo de metal con el cual se va a revestir la pieza, e introducirlos en una solución electrolítica que no es más que la sal del mismo metal presente en el ánodo, es decir, del metal con el cual se va recubrir la pieza. Los iones positivos del metal, ya sean de la solución electrolítica o por la oxidación del ánodo, se depositan sobre el cátodo (reduciéndolo), recubriendo así la pieza. En la actualidad los mecanismos para tomar fotos son extremadamente sencillos, sin mencionar que las podemos guardar en una cámara, cd, pendrive, computadora, álbum electrónico; en fin, las fotos están a nuestra disposición y casi con la calidad propia de un fotógrafo profesional. Pero esto no siempre fue así. Cuando se realizaron las primeras fotografías se requería de una serie de acciones y condiciones para garantizar una buena foto. Las primeras fotografías eran en blanco y negro, los negativos se revelaban dentro de un cuarto oscuro y, antes de hacer el revelado, se procuraba usar
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Aplicando redox
todo el rollo para evitar desperdicios. Durante el revelado se aplicaba un proceso redox entre la película, donde quedaban guardadas las imágenes, y la solución reveladora de las mismas (la hidroquinona). Dicha sustancia sería capaz de reducir la plata (Ag) presente en la película y oxidarse hasta formar una quinona. Este proceso, engorroso al principio, permitió plasmar recuerdos en imágenes que quedarían para la posteridad (ver figura 7).
Figura 7. Susana Duijm, Miss Mundo, 1955.
Para saber más… Si deseas conocer más sobre las aplicaciones de los procesos de óxido reducción, te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://li.co.ve/laI
http://li.co.ve/laL
http://li.co.ve/laJ
http://li.co.ve/laM
http://li.co.ve/laK
http://li.co.ve/laN
Aplica tus saberes
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La corrosión es un proceso por el cual un metal se consume, ya que el oxígeno y la humedad atmosférica provocan su oxidación, es decir, el metal pierde sus electrones, disminuyendo al mismo tiempo sus propiedades metálicas, producto del cambio estructural que presenta el metal al combinarse con el oxígeno formando el oxido correspondiente. Este es un proceso que ha perjudicado al ser humano, ya que la corrosión genera grandes pérdidas económicas, por ejemplo, en lugares como los puertos marítimos.
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Si tus herramientas se han oxidado, puedes utilizar viejos trucos caseros, como: sumergirlas en refresco de cola por 24 horas, luego las sacas y aplicas un poco de aceite; también puedes sumergirlas en una mezcla de jugo de limón con sal por 30 minutos, las sacas y las frotas con un paño húmedo. Sin embargo, la mejor manera para que las herramientas no se oxiden es prevenir, limpiándolas bien después de usarlas y guardándolas en un lugar seco y limpio; para retirar la humedad del lugar, puedes colocar pequeñas bolsitas de sílica gel.
Comprobemos y demostremos que… Hemos observado que los procesos redox se encuentran en diversos momentos de nuestra existencia y que han repercutido en nuestra historia y calidad de vida, sin mencionar la relevancia de estos procesos para el surgimiento y mantenimiento de la vida en el planeta. Veamos una demostración más acerca de los procesos redox en la naturaleza y los mecanismos de protección para evitar las oxidaciones, con un simple experimento: toma una manzana, pera o papa, las primeras son mejores porque los cambios de oxidación son rápidos. Pica por la mitad la manzana; a una mitad viértele jugo o zumo de limón por encima (generosamente) y deja la otra mitad de la manzana expuesta al aire libre. Observa los cambios y trata de explicarlos según lo que hemos estudiado.
Algunas sustancias como dulces, alcohol o nicotina, son reconocidos agentes oxidantes, que provocan el envejecimiento prematuro de nuestro cuerpo. La vitamina C o ácido ascórbico es un conocido antioxidante, es por ello que muchos productos de belleza la han incluido entre sus principales ingredientes, especialmente como mecanismo para prevenir la oxidación de los tejidos de la piel y evitar las famosas “patas de gallo”.
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Colorimetría
Colorimetría ¡Empecemos!
¡Muy bien, participantes! En esta semana haremos hincapié en la percepción de los colores y la utilidad de estos en las diversas actividades que realizan los seres humanos. Sabemos que los colores son percepciones visuales generadas por el cerebro y el ser humano ha sabido aprovecharlas para mantener una comunicación visual con sus congéneres. Esto nos ha permitido crear y recrear a través de los años cualquier cantidad de expresiones artísticas que han embellecido nuestras sociedades. Asimismo, la naturaleza nos ha brindado un sinfín de monumentos naturales, que debemos cuidar hoy más que nunca.
¿Qué sabes de...? La colorimetría es la ciencia que estudia la medida de los colores, además de desarrollar métodos que permitan cuantificarlos. Su procedimiento se basa en sumar las respuestas a los estímulos de colores para determinar, a través de una curva, la sensibilidad de un color. ¿Sabes cuáles han sido las aplicaciones de la colorimetría en los últimos años?
El reto es... La niña Alcalina se encontraba en el jardín de su casa con su juego de tazas de cristal cuando, de repente, empezaron a funcionar los rociadores del jardín mojando todo, incluyendo a Alcalina y sus juguetes. Como era un día soleado, ella pudo percatarse de que la luz que incidía en las tacitas de cristal era diferente al color que salía. ¿Podrías explicar la razón de por qué Alcalina observa dos colores diferentes para un mismo rayo de luz? 456
Semana 13
Colorimetría
Vamos al grano El ser humano tiene la capacidad de percibir los colores gracias a la fisiología del ojo humano, el cual consta de dos foto-receptores, llamados conos y bastones que se encuentran en nuestra retina. Los bastones son los responsables de la visión nocturna, es decir, los tonos blancos y negros; estos no perciben los colores. Los conos son los responsables de la percepción de los colores, además de permitir la visión de luz brillante, como la luz de una habitación o la luz solar; sin embargo, no perciben todos los colores, siendo más sensibles al verde, azul y rojo.
Verde
Amarillo
Rojo
Blanco Cian
Magenta Azul
Figura 8 Ahora bien, existen tres aspectos importantes en la percepción de los colores: el matiz, la luminosidad y la saturación. El matiz es el estado puro de los colores: rojo, azul, amarillo, etc.; la luminosidad o intensidad representa la claridad u oscuridad de un color; la saturación hace referencia a su grado de pureza, es decir, la relación con la cantidad de grises o blancos presentes en el color. Los tres colores percibidos por el ojo humano: rojo, azul y verde, son considerados primarios, ya que la combinación de ellos produce los colores secundarios: cian, magenta y amarillo. Es importante resaltar que de la suma de los tres primarios se obtiene el blanco y la ausencia de ellos produce el negro. Los colores primarios son una definición biológica, ya que estos no son más que una respuesta a un estímulo determinado. La combinación de los colores primarios es lo que se conoce como la síntesis aditiva de los colores, lo cual se emplea en los televisores y monitores de computadoras. Asimismo existe la síntesis sustractiva, la cual se basa en la luz reflejada más que la absorbida. En este caso, los colores primarios son el cian, el magenta y el amarillo, los cuales se encargan de absorber otros colores, por lo que se les considera como filtros: el amarillo no deja pasar las ondas que forman el azul, el magenta filtra el verde y el cian impide el paso del rojo.
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Colorimetría
Cian
Azul
Magenta
Negro Verde Rojo Amarillo
Figura 9 En 1931 se establecieron los parámetros para la percepción del color, de los cuales surgen dos modelos: RGB
CMYK
Red = rojo; Green = verde; Blue = azul
Cian; Magenta; Yellow = amarillo; Key = negro
El modelo RGB se basa en conceptos de colores primarios idealizados, que no representan las sensaciones de colores reales, ni los impulsos nerviosos reales; los colores primarios del modelo RGB se consideran imperfectos. Por su parte, el CMYK se basa en el modelo de color sustractivo y se considera un modelo correctivo del RGB, ya que permite obtener más colores que otro modelo y se basa en colores primarios más exactos.
CMYK
RGB
Figura 10
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Hasta ahora hemos estudiado los colores que percibimos de los objetos, pero existe la posibilidad de cambiar estos colores gracias a la presencia de pigmentos o tintes, los cuales requieren de unos procesos químicos para su obtención y posterior contribución en la estandarización del color y su impresión en el campo del diseño gráfico.
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Colorimetría
Al principio, el ser humano obtenía los colores de la extracción de piedras preciosas como el lapislázuli. Con el advenimiento de la Revolución Industrial, la investigación en los procesos químicos permitió la aparición de los pigmentos sintéticos de fácil elaboración a bajo costo. Estos pigmentos creados por el ser humano requerían de unas bondades que les permitiera utilizarlos en otros materiales y que fuesen estables a temperatura ambiente. La mayoría de los pigmentos utilizados en las artes visuales son secos y están asociados con aglutinantes neutros o incoloros que actúan como adhesivos y garantizan su estabilidad y permanencia en un soporte. Es de suma importancia que los pigmentos elaborados para las pinturas artísticas sean de buena calidad y duraderos, ya que eso permite garantizar un buen acabado de la expresión artística. Los pigmentos se pueden clasificar según su origen en: naturales, artificiales y sintéticos. Los pigmentos naturales se dividen a su vez en orgánicos e inorgánicos, según sea su origen vegetal, animal o mineral. Durante la próxima semana explicaremos en qué consisten los pigmentos naturales de origen inorgánico.
Para saber más… Si deseas conocer más sobre la teoría del color y la colorimetría, te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://li.co.ve/laO http://li.co.ve/laP
Aplica tus saberes Es necesario que hagamos una distinción entre los colores físicos y los colores fisiológicos. Los primeros se pueden identificar observando la refracción del haz de luz cuando atraviesa algún material; mientras que los segundos dependen de la estimulación que reciben los foto-receptores, dando al cerebro una percepción de color. Por ejemplo, si vemos un haz de luz verde que pasa a través de un prisma y no sufre ninguna dispersión, se dice que el color fisiológico y físico son iguales; pero si el mismo haz de luz genera una dispersión en dos haces de luz como azul y amarillo, resulta que el color verde se consideraría como el fisiológico (el que percibimos) y el azul y amarillo serían los colores físicos. 459
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Colorimetría
Comprobemos y demostremos que… En la escuela tradicional se tiene la costumbre de enseñar los colores secundarios partiendo del modelo aditivo de colores; sin embargo, como ya leímos, estos colores no son exactos. Por ello te invitamos a realizar un experimento donde puedas demostrar las diferencias entre los dos modelos de los colores primarios: el aditivo y el sustractivo. Luego comparte la experiencia con tus compañeros en el CCA y discutan sobre la importancia de los colores primarios y secundarios para la especialidad de Tecnología Gráfica.
En 1931 fue establecido por la Comision Internacionale de l´Eclairage (CIE) lo que se conoce como el espacio de color CIE, que está basado en una serie de experimentos realizados por W. David Wright y John Guiad a finales de los años 20, cuyos resultados permitieron la definición precisa de los tres colores primarios de la síntesis de color a partir de los cuales se generan los colores secundarios.
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Semana 13
Colorimetría Semana 14 Colores inorgánicos
¡Empecemos! Apreciado participante, la semana pasada estudiamos la teoría de los colores y comentamos un poco de su relevancia para las artes gráficas. Durante esta semana nos dedicaremos a estudiar los pigmentos naturales de tipo inorgánicos. Tenemos la costumbre de asociar los compuestos químicos con contaminación; no obstante, las artes plásticas se han valido por muchos años de las piedras preciosas para la obtención de pigmentos. Lo que la Revolución Industrial nos dejó es la capacidad inventiva de crear pigmentos de buena calidad y larga durabilidad.
¿Qué sabes de...? En la época medieval se utilizaban las piedras preciosas y semi-preciosas en la elaboración de pigmentos que luego eran utilizados como óleos para las obras de arte. Se dice que los grandes maestros de la pintura no dejaron ninguna evidencia escrita que demostrara la elaboración de sus pigmentos. ¿Sabes con cuál mineral producían, por ejemplo, el color verde?
El reto es... El abuelo Floripondio se encontraba en el patio de su casa, contándole a su vecinita Alcalina que existen pigmentos de efectos, es decir, pigmentos capaces de lograr efectos visuales basados en sus propiedades ópticas. ¿Conoces los pigmentos de efectos? Menciona algunos.
Vamos al grano Durante mucho tiempo se utilizaron las piedras preciosas como fuente de colores; sin embargo, la extracción de éstas implicaba un alto costo para cantidades mínimas. Aunque la Revolución Industrial permitió la masificación de
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Colores inorgánicos
pigmentos sintéticos, muchos no presentaban las cualidades de los pigmentos naturales. Los pigmentos inorgánicos se clasifican según la coloración que proporcionan, como: blancos, azules, rojos, verdes, amarillos. Veamos algunos minerales que nos brindan pigmentos inorgánicos: Los pigmentos de color blanco podemos obtenerlos de minerales tales como: dióxido de titanio (TiO2), blanco de plomo, litopón, sulfato de bario. El dióxido de titanio es utilizado en pinturas de exteriores y como blanqueador de papel, entre otros usos posibles. El pigmento blanco de plomo dejó de utilizarse por su alto impacto ambiental y sobre la salud de los seres humanos; éste fue reemplazado por el dióxido de titanio que no es tóxico. El lipotón es una mezcla de sulfuro de cinc (ZnS) y sulfato de bario (BaSO4); éste es un pigmento blanco muy utilizado por su bajo costo. El sulfato de bario se utiliza principalmente junto a otros pigmentos para aumentar el brillo, ya que el sulfato de bario por sí sólo no presenta un buen poder de cubrimiento. Los pigmentos de color azul podemos obtenerlos a partir del azul de ultramarino y de azules de ferrocianuros. El pigmento de azul de ultramarino, debido a la presencia de sulfuro en su composición, no puede utilizarse sobre superficies que contengan hierro o plomo; se usa principalmente en las lavanderías como tinte azul que neutraliza el amarillo del algodón y lino. Al pigmento azul de ferrocianuro se le conoce como azul de Prusia, azul milori, azul chino, azul bronce, azul espacio o azul Trumbull; este pigmento genera un buen color y su relativa transparencia lo hace ideal para avisos de carreteras. No se puede utilizar en pinturas a base de agua. Los pigmentos de color rojo podemos conseguirlos en los óxidos de plomo (PbO.2PbO2), en los óxidos férricos (Fe2O3) y en los cromatos de plomo básico (PbCrO4.Pb(OH)4). El óxido de plomo se presenta en una mezcla de los óxidos de plomo en sus dos posibles estados de oxidación; se utiliza como primera capa de recubrimiento en estructuras de acero inhibiendo su corrosión. Los óxidos férricos se utilizan como pigmento de pinturas y fuegos artificiales. De ellos se deriva el rojo veneciano que sirve para recubrir maderas. El cromato de plomo básico es excelente inhibidor de corrosión.
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Los pigmentos de color verde provienen de los minerales como verde óxido de cromo, verde Guignet. El verde Guignet (Cr2O2.nH2O) se utiliza como pintura de exteriores por su durabilidad. El verde óxido de cromo (Cr2O3) es el
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Colores inorgánicos
más antiguo; sin embargo, presenta algunas desventajas, empezando por sus altos costos, falta de brillo y opacidad. Los pigmentos de color amarillo se obtienen de los minerales amarillo de cinc y amarillo de cromo. El amarillo de cromo (PbCrO4) proviene del cromato de plomo; éste es el favorito entre los pigmentos amarillos, utilizado principalmente en las líneas amarillas de carreteras; sin embargo, su uso excesivo es tóxico y puede conducir al cáncer. Encontrar un sustituto para este pigmento ha sido difícil, debido al gasto mecánico, de calor y luz que requiere esta aplicación. El amarillo de cinc o cromato de cinc (4ZnO.K2O.4Cr2O3.3H2O) a pesar de no tener buena calidad como colorante, tiene un efecto inhibidor sobre la corrosión de metales. Por ello se utiliza en la cubierta de piezas de acero y aluminio.
Para saber más… Si deseas conocer más sobre los pigmentos naturales inorgánicos, te invitamos a visitar las siguientes direcciones web: http://li.co.ve/laR
http://li.co.ve/laT
http://li.co.ve/laS
http://li.co.ve/laQ
Aplica tus saberes Los pigmentos de efectos se clasifican en metálicos, perlescentes e iridiscentes. Los metálicos se clasifican en colores plata, oro y bronce, son de buena resistencia a la luz y son tóxicos. Estos se combinan con pigmentos orgánicos dando un efecto brillante. Son recomendados con el uso de pigmentos transparentes para no quitar el efecto metálico. Los pigmentos perlados consisten en hojuelas de mica natural recubiertas con una delgada capa de dióxido de titanio. Insolubles en agua y solventes orgánicos, tienen excelente estabilidad térmica. Cumplen con estándares de seguridad requeridos en el empaque para alimentos y cosméticos. Los pigmentos iridiscentes muestran, dependiendo del ángulo de visión, un cambio de color pasando hasta por dos o tres tonos diferentes. Su efecto multicolor se basa en laminillas de dióxido de silicio recubiertas con dióxido de titanio. Son pigmentos de alta resistencia a la intemperie y son de buen rendimiento. Pueden ser utilizados en mezclas con pigmentos orgánicos y, al igual
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que los perlados y metálicos, pueden disminuir sus efectos con la presencia de pigmentos opacos o cargas minerales.
Comprobemos y demostremos que… La producción de pigmentos naturales inorgánicos depende de los minerales que lo conformen. Te invitamos a buscar un mineral de los estudiados esta semana e intentar realizar una metodología para extraer sus pigmentos. Luego realiza una pequeña pintura rupestre que puedas llevar al CCA y mostrar a tus compañeros. En caso de no poder conseguir el mineral, busca cualquier material natural del cual puedas extraer sus pigmentos para luego realizar una pintura.
Cuando vayamos a seleccionar un pigmento, es importante considerar si el mismo es recomendado para plásticos, resina o el medio donde se va aplicar; el tipo de proceso y temperatura al cual se va a someter; los tiempos de residencia del proceso; los moldes y color requerido; resistencia a la luz y a la intemperie; la reducción del tono; así como las regulaciones específicas de cada país. Otro punto de importancia es el costo, rendimiento y la consistencia.
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