7 libro de biologia volumen 2 by Didier

volumen 1 Desarrolla los temas: Metabolismo, osmorregulación y excreción, procesos que se relacionan con el concepto de nutrición.

volumen 2 Ciencias 7

Ciencias 7

Incluye:

Proyecto de investigación

Incluye:

Razonamiento matemático

volumen 2

Características de los seres vivos, el interior celular y niveles de organización celular, en los cuales se explica que las células son las unidades básicas de los seres vivos y que forman tejidos, órganos, sistemas y organismos. Locomoción, en el que se explica cómo se lleva a cabo este proceso en los diversos grupos de seres vivos, partiendo de los organismos unicelulares, hasta los animales que poseen diferentes adaptaciones para desplazarse. A medida que se desarrollan los temas, también se invita al estudiante a asumir compromisos personales y a utilizar los métodos experimentales que le permiten ser un científico natural.

volumen 2 Desarrolla los temas: Dinámica ecológica, en el que se explican los diferentes tipos de relaciones ecológicas y cómo fluyen la materia y la energía en los ecosistemas. La estructura de la materia, en el que se explican con mayor profundidad los conceptos de átomo y tabla periódica. Electricidad y magnetismo, en el que se explican los conceptos de carga eléctrica, conductores, semiconductores y aislantes, corriente eléctrica y electromagnetismo, y algunas de sus aplicaciones.

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A medida que se desarrollan los temas, también se invita al estudiante a asumir compromisos personales y a utilizar los métodos experimentales que le permiten ser un científico natural.

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Ciencias 7 volumen 2

Nombre Curso:

Colegio

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Ciencias 7

para educación básica primaria, es una obra colectiva concebida, diseñada y creada por el Departamento Editorial de Santillana S. A., bajo la dirección de Fabiola Nancy Ramírez Sarmiento.

Volumen 2

EQUIPO EDITORIAL Clara María Sánchez Sánchez. Editora ejecutiva Martín Eduardo Reyes Villamizar. Editor júnior Esperanza Ortiz Ávila y Diana Torres Rodríguez. Editoras TIC Adriana Marcela Rodríguez Villarreal. Asistente editorial Isabel Hernández Ayala. Revisora de contenidos AUTORES Luz Stella Rodríguez Camacho Magíster en Bioquímica. Universidad Nacional de Colombia. Ana María Gómez Villegas Bióloga. Universidad Nacional de Colombia. Claudia Patricia Muñoz Meléndez Especialista en Educación ambiental. Universidad El Bosque. Gabriela Navarrete Forero Bióloga. Universidad Nacional de Colombia.

Diana Trinidad González Gutiérrez Licenciada en Química. Universidad Pedagógica Nacional. Luz Yadira Peña Gómez Licenciada en Química. Universidad Pedagógica Nacional. Johanna Carolina Jaramillo Silva Candidata Bióloga. Universidad Nacional de Colombia.

Los especialistas encargados de avalar este texto desde el punto de vista de la disciplina específica y desde su pedagogía fueron Eliseo Ladino Coronado. Magíster en Biología. Pontificia Universidad Javeriana. Gladys Carmenza Mora Bautista. Terapeuta Física. Universidad Nacional de Colombia. Mauricio Bautista Ballén. Físico. Universidad Pedagógica Nacional. Magíster en Docencia de la Matemática. Universidad Pedagógica Nacional. Elvia Stella Viarisio Ospina. Química. Universidad Nacional de Colombia. Beatriz Bechara Cabrera. Física. Universidad Nacional de Colombia. Science Instructor. Universidad de Londres. El especialista encargado de avalar este texto desde la equidad de género y de su adecuación a la diversidad cultural fue Evelio Castillo Pulido. Especialista en Ética y Pedagogía de los Valores. Pontificia Universidad Javeriana. Se ha hecho el máximo esfuerzo por ubicar a los propietarios de los derechos de autor. Sin embargo, si es preciso efectuar alguna rectificación, la Editorial determinará los arreglos pertinentes. EQUIPO GRÁFICO Y TÉCNICO Catalina Schroeder Torres. Coordinadora de arte Iván Merchán Rodríguez. Diseñador del modelo gráfico Mauricio García Duque. Coordinador de contenidos digitales Martha Jeanet Pulido Delgado, Beatriz Román Campos. Correctoras de estilo Alveiro Javier Bueno Aguirre. Analista de soporte técnico Luis Nelson Colmenares Barragán. Documentalista y operador de escáner Lady Midlennis Sánchez Yopazá, Asistente de documentación Omar Esteban Neira Valero, Fredy Alexander Castañeda Duitama, Juan Carlos López Gómez, Melany Janeth Martínez Castañeda. Diseñadores John Barinas, Diomedes Guilombo, Jhonny Fabián Villarraga Martínez, Gloria Cárdenas, Francisco Sánchez, Michael Ricardo Reyes Rojas. Ilustradores Tulio Pizano, Harold Cárdenas. Fotógrafos Repositorio Santillana, Archivo Santillana, Getty imágenes Latam, Corel Professional Photo, Photo Disc, Thinkstock. Fotografía Francisco Rey González. Jefe de producción Debido a la naturaleza dinámica de la Internet, las direcciones y los contenidos de los sitios web, a los que se hace referencia en este libro, pueden sufrir modificaciones o desaparecer. El uso de Internet debe ser supervisado por los padres de familia, tutores y docentes.

© 2014 EDITORIAL SANTILLANA S. A. Carrera 11A No. 98-50 Bogotá, Colombia ISBN 978-958-750-509-2 Obra completa ISBN 978-958-750-576-4 Edición para el alumno volumen 1 ISBN 978-958-750-577-1 Edición para el alumno volumen 2 ISBN 978-958-750-593-1 Edición para el docente

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Este libro está elaborado de acuerdo con las normas ICONTEC NTC-4724 y NTC-4725 para textos escolares. Depósito legal en trámite. Impreso en Colombia por Quad Graphics Colombia S.A. Prohibida la reproducción total o parcial, el registro o la transmisión por cualquier medio de recuperación de información, sin permiso previo por escrito de la Editorial.

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Presentación del modelo

Es un programa de educación que te ofrece múltiples recursos, impresos y digitales, para que adquieras conocimientos y desarrolles habilidades que te permitan enfrentar los retos del futuro.

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CONTENIDOS Proyecto de investigación

12 Entorno vivo

Unidad 1. Metabolismo y osmorregulación 1. Nutrición, metabolismo, osmorregulación y excreción 1.1 Metabolismo 1.2 Metabolismo de carbohidratos 1.3 Metabolismo de lípidos 1.4 Metabolismo de proteínas Infografía. Dinámica metabólica 1.5 Alteraciones metabólicas Actividades 2. Metabolismo en plantas 2.1 Metabolismo de carbohidratos, lípidos y proteínas vegetales 2.2 Fotosíntesis Infografía. Fotosíntesis: producción en serie de metabolitos primarios Actividades

30 31 33 34 35 36 38 40 42 42 43 44 46

Laboratorio. Observa lo que ocurre cuando las plantas son expuestas a la luz 48 3. La respiración es una actividad catabólica 50 3.1 Respiración celular 50 53 3.2 Respiración en móneras 3.3 Respiración en protistas 53 3.4 Respiración en hongos 53 54 3.5 Respiración en plantas Laboratorio. Observa el efecto de la fermentación en la elaboración del pan 55 Actividades 56 4. Respiración en animales 58 4.1 Respiración aérea frente a respiración acuática 58

Unidad 2. Función de excreción 1. La excreción 1.1 Importancia de la excreción 1.2 Sustancias de excreción 1.3 Excreción celular 1.4 Excreción en moneras 1.5 Excreción en protistos 1.6 Excreción en hongos 1.7 Excreción en plantas Laboratorio. Obtén aceite esencial de pétalos de rosa Infografía. Sustancias producidas por seres vivos: perjuicios y beneficios Actividades 2. Excreción en animales 2.1 Proceso de excreción en animales 2.2 Excreción en animales invertebrados

86 86 86 87 88 88 89 91 93 94 96 98 98 98

2.3 Excreción en invertebrados con estructuras excretoras 99 Actividades 102 3. Excreción en animales vertebrados 104 3.1 La nefrona: unidad funcional del riñón 104 3.2 Otros órganos excretores de los vertebrados 105 3.3 Excreción en vertebrados 106 de agua salada 3.4 Excreción en vertebrados de agua dulce 106 3.5 Excreción en vertebrados terrestres 106 Actividades 108 4. Excreción Humana 110 4.1 Órganos implicados en la función excretora 110

Unidad 3. Locomoción 1. Locomoción en los seres vivos 1.1 Locomoción en organismos unicelulares 1.2 El desplazamiento en animales Actividades 2. Sistema esquelético humano 2.1 Los huesos 2.2 La postura corporal y el movimiento

28 58 4.2 Tipos de respiración Actividades 66 5. Respiración humana 68 68 5.1 Sistema respiratorio humano 5.2 Anatomía del sistema respiratorio 68 5.3 La mecánica respiratoria o ventilación pulmonar 71 Laboratorio. Observa la anatomía de los pulmones 73 Infografía. Enfermedades respiratorias 74 76 Actividades 6. Osmorregulación 78 6.1 Ósmosis 78 79 6.2 El riñón y la función osmótica 6.3 Ósmosis y prácticas deportivas 80 Actividades 82

84 4.2 Glándulas con función excretora 111 4.3 Sistema urinario humano 112 4.4 Anatomía y fisiología del riñón 113 4.5 Fisiología del sistema urinario 114 4.6 Proceso de micción 115 4.7 Osmorregulación 116 4.8 Enfermedades del sistema urinario 116 4.9 Prevención de enfermedades 117 Infografía. Aspectos claves que debes saber acerca de la nutrición 118 Actividades 120 Laboratorio. Realiza la disección de un riñón de cordero 122 Laboratorio. Analiza una muestra 123 de orina

124 126 126 128 132 134 134 137

2.3 Estructura del esqueleto humano 137 Laboratorio. Observa la estructura de los huesos 141 2.4 Las articulaciones 142 2.5 Enfermedades del sistema esquelético humano 143 Actividades 144 3. Sistema muscular humano 146 3.1 Los músculos 146

3.2 Clasificación de los músculos 146 3.3 Organización muscular 147 3.4 Contracción muscular 148 3.5 Tensión activa y pasiva 149 Infografía. Músculos en acción 150 Actividades 152 Biología + Tecnología. Controladores biológicos: adiós a las plaguicidas químicos 154

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Unidad 4. Dinámica Ecológica 1. Relaciones ecológicas 28 1.1 Relaciones intraespecíficas 28 32 1.2 Relaciones interespecíficas 1.3 Interacciones y adaptaciones 36 Actividades 38 2. Flujo de materia y energía en los ecosistemas 40 40 2.1 Estructura trófica 2.2 La eficiencia ecológica 42 43 2.3 Cadenas tróficas 2.4 Redes tróficas 44 2.5 Pirámides tróficas 45 46 2.6 Ciclos biogeoquímicos 2.7 Sucesiones ecológicas 50

Actividades 52 3. Acción antrópica en la naturaleza 54 54 3.1 La contaminación 3.2 Problemas ambientales globales 58 3.3 La degradación del hábitat 61 62 Actividades Laboratorio. Reconoce la importancia de los recursos forestales 64 4. Consecuencias de las acciones antrópicas en la naturaleza 66 66 4.1 Desaparición de hábitats

4.2 Pérdida de la biodiversidad Infografía. Especies amenazadas 4.3 Conservación Actividades Laboratorio. Factores contaminantes de la tierra Laboratorio. Identifiquen fauna terrestre del país Ecología + Tecnología. Obtención de agua potable: una necesidad

67 68 70 72 74 75 76

Entorno físico

Unidad 5. La estructura de la materia 1. Estructura interna de la materia 1.1 El átomo según los filósofos griegos 1.2 El átomo de Demócrito 1.3 Teoría atómica de Dalton 1.4 Naturaleza eléctrica de la materia 1.5 El descubrimiento de la radioactividad 1.6 Descubrimiento del neutrón Actividades 2. Teoría moderna sobre la materia

82 82 82 83 84 86 87 88 90

2.1 Teoría electromagnética 2.2 Los espectros de radiación 2.3 La teoría cuántica de la luz (fotónica) 2.4 El efecto fotoeléctrico 2.5 El modelo atómico de Bohr 2.6 El modelo atómico actual 2.7 Caracterización de los átomos 2.8 Los isótopos 2.9 Masa atómica Actividades 3. La tabla periódica de los elementos 3.1 Antecedentes del sistema periódico de los elementos

80 90 90 91 91 92 93 96 96 97 98 100

3.2 La tabla periódica moderna 3.3 Electrones de valencia 3.4 Tabla periódica y configuración electrónica 3.5 Regiones de la tabla periódica 3.6 Las propiedades periódicas de los elementos 3.7 Fundamentos del enlace químico Laboratorio. Observa el espectro de algunos átomos Actividades

107 109 113 114

Actividades 128 2. Corriente eléctrica 130 2.1 La intensidad de corriente eléctrica 130 2.2 Tipos de corriente 131 2.3 El circuito eléctrico 131 2.4 Resistencia eléctrica 133 2.5 Energía eléctrica 135 Actividades 138 3. Magnetismo 140 3.1 Las fuerzas eléctricas y magnéticas 140 3.2 Los imanes 141 3.3 Magnetismo artificial 142 3.4 Campo magnético 142

116 3.5 Electromagnetismo 3.6 Magnetorrecepción Actividades Laboratorio. Observa el comportamiento de las cargas eléctricas Laboratorio. Observa el comportamiento de un electroimán Ciencia + Tecnología. La energía se transforma Ciencia sin fronteras Cultivos ilícitos: un grave problema social y ambiental

Glosario Bibliografía

144 147 148

150 151 152

156

158 160 ©

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106 107

100

Unidad 6. Electricidad y magnetismo 1. Electricidad 118 1.1 Un poco de historia 118 119 1.2 La carga eléctrica 1.3 Las fuerzas eléctricas 121 1.4 Constantes y unidades 122 1.5 Conductores, aislantes y semiconductores 123 1.6 Formas de cargar un cuerpo 124 1.7 Campo eléctrico 125 1.8 Representación de campos eléctricos 125 1.9 Energía potencial eléctrica 126 1.10 Almacenamiento de la energía eléctrica 127

102 103

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Proyecto de investigación

P deUNTO partida Medición Una medición es una comparación entre un patrón establecido, y un objeto. Toda medida tiene dos partes: número y unidad; el primero indica las veces que se repite el patrón de medida, y la unidad se relaciona con la característica que se mide. Por ejemplo, 10 kilómetros, 5 pasos, 20 cuartas, 15 litros. Las unidades pueden ser arbitrarias y estandarizadas. Las arbitrarias son aquellas que no se ajustan a un patrón establecido universalmente, por ejemplo, los pasos y las cuartas; las estandarizadas son aquellas que se aceptan internacionalmente como el metro, el kilogramo, el segundo, la libra, etc.

PONTE A

prueba

La mayoría de las actividades que se realizan en ciencias requiere de una o más mediciones. Debido a que muchas veces no tienes los instrumentos más apropiados para hacer una medición, el éxito de esta depende del instrumento que utilices como remplazo. Por ejemplo, los cordones de tus zapatos y el largo de tu mano te pueden servir para realizar comparaciones cuando no tienes una cinta métrica. En la siguiente actividad vas a hacer mediciones, utilizando diversos instrumentos. Recuerda que la medición implica indicar un número y una unidad.

1. Mide la longitud de la mesa sin utilizar regla ni metro.

2. Mide el área de tu mano sin utilizar regla ni metro.

3. Construye un péndulo y realiza la medición del tiempo que dura encendida una vela dentro de un recipiente cerrado.

4. ¿Podrías medir la cantidad de agua que

contiene una botella, utilizando las mismas unidades que empleaste para medir el área y la longitud? ¿Cómo lo harías?

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Estrategia 2

¿Cómo buscar y organizar la información? Cuando realizas un experimento puedes obtener datos numéricos que debes registrar y organizar, de forma que te permita la interpretación y el análisis. Los gráficos sirven para lograr este objetivo.

Existen varios tipos de gráficos: cartesianos, circulares o de torta y de barras.

13 12 Medicamento en la sangre (mg)

Los gráficos cartesianos o de línea se utilizan para mostrar la relación existente entre dos variables, que se representan en los ejes X y Y de un plano cartesiano. La variable independiente es aquella que es causa de un efecto, por ejemplo el tiempo transcurrido por un móvil, se representa en el eje horizontal X; la variable dependiente es la consecuencia producida por la variable independiente, por ejemplo la distancia que recorre dicho móvil, y se ubica en el eje vertical Y.

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

9 10 11 12 13

Tiempo en segundos

Los gráficos de tortas o circulares son apropiados para representar la proporción de determinados valores y la relación que guardan entre sí.

Los gráficos de barras se utilizan cuando se comparan datos que no cambian continuamente. Gráfico de barras que muestra la cantidad de materiales reciclados en un centro de acopio durante una semana. kg

Películas de terror 18% No contestó 18%

150

150 120

Películas de comedia 64 %

120 100

90 60 30 0

Cartón

Vidrio

Plástico

Papel

Material reciclado

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Proyecto de investigación PONTE A

prueba

1. A las personas que se dedican al buceo les

interesa saber cómo se modifica la presión que ejerce el agua sobre sus cuerpos a medida que descienden a las profundidades del mar. Algunos físicos han realizado mediciones de presión a diferentes profundidades y han encontrado los siguientes resultados: Profundidad (m)

Presión (atm)

1,0

2,0

4,0

5,5

8,0

9,0

100

11,0

¿Cuál es la variable independiente y cuál la dependiente? Representa estos resultados en un gráfico cartesiano.

¿Qué relación existe entre la profundidad y la presión?

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2. Un científico quiere saber cómo crece una espe-

cie vegetal bajo ciertas condiciones. Para ello, dispuso seis grupos de plantas de la especie en cuestión. A cada grupo le varió la cantidad de luz recibida por día. Luego de cuatro semanas midió las plantas, registró los datos en una tabla y con ellos, elaboró el siguiente gráfico.

3. El siguiente gráfico muestra la concentración

de nicotina encontrada en la orina de fumadores pasivos; es decir, personas que no fuman pero que viven con fumadores o están en contacto con ellos.

Nicotina en orina (mg/ml) 30 24

Crecimiento (cm) 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

18 12 6 0

0-1,5

1,5-4,5

4,5-8,6

8,6-20

20-80

Horas/semana de exposición al humo

» ¿Cuál

14 16 Horas de luz diarias

¿En cuál de los grupos el crecimiento fue mayor? ¿Cuánto más crecieron las plantas que recibieron diez horas diarias de luz que las que recibieron sólo ocho horas? ¿Crees que exista algún motivo por el cual se use un gráfico de barras y no uno cartesiano?

es la variable independiente y cuál la dependiente? La concentración de nicotina aumenta con respecto... A. al consumo de cigarrillos. B. a las horas por semana que está expuesta la persona al humo. C. al peso de la persona. D. a la cantidad de cigarros que fuma una persona por semana. ¿Quiénes presentan menor concentración de nicotina? A. Aquellos expuestos al humo entre 0 y 1,5 horas por semana. B. Aquellos expuestos al humo entre 4,5 y 8,6 horas por semana. C. Aquellos expuestos al humo entre 20 y 80 horas por semana. D. Ninguno presenta nicotina en la orina. ¿Cómo entró al cuerpo la nicotina encontrada en la orina de las personas analizadas? A. Por el agua que bebieron. B. Por la nariz y las vías respiratorias. C. Por los alimentos que comieron. D. La nicotina no entró a su cuerpo.

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Proyecto de investigación PONTE A

prueba

C. En un día caluroso. D. En un día con neblina. E. Ninguna de las anteriores. ¿Qué cantidad de líquido se elimina en un día normal? A. 2,0 litros B. 2,5 litros D. 3,8 litros C. 2,2 litros E. 4,0 litros

1 La siguiente tabla relaciona la cantidad de

orina y de sudor con distintas condiciones ambientales.

Ambiente

Orina (litros)

Sudor (litros)

Día normal

1,5

0,5

Día frío

1,9

0,3

Día caluroso

0,4

2,1

2 Observa la siguiente tabla sobre la composición del sudor.

Responde:

Composición del sudor en los humanos

» ¿Cuál es la variable independiente y cuál la de-

pendiente?

99% agua

» Representa

cartesiano.

estos resultados en un gráfico

0,6% sales minerales (NaCl)

0,4% sustancias orgánicas (urea, creatinina y uratos)

Responde: » ¿Cuál

es la variable independiente y cuál la dependiente?

» Representa estos resultados en un gráfico cartesiano.

Subraya la respuesta correcta en cada caso. ¿En qué día hay mayor producción de orina? A. En un día normal B. En un día frío. C. En un día caluroso. D. En un día húmedo. E. Ninguna de las anteriores. ¿En qué día hay mayor producción de sudor? A. En un día normal. B. En un día frío.

Subraya la respuesta correcta en cada caso. ¿Cuál es el porcentaje total de sustancias no líquidas que eliminas con el sudor? A. 0,6% B. 0,4% C. 1% D. 100%

3 El gráfico ilustra el porcentaje de digestión que

corresponde a los distintos segmentos del tubo digestivo.

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5,7 5

Capacidad pulmonar (litros)

Porcentaje estimado de digestión

Volumen pulmonar (L)

20 Segmentos del tubo digestivo 0

Boca

Esófago

Estómago

Intestino delgado

Intestino grueso

Recto

Inspiración forzada

3 2,7 2,3 2

Inspiraciones y espiraciones normales

Respiración normal

Aire de reserva

1,3 1

Espiración forzada

Aire residual

Carbohidratos

Proteínas

Lípidos 0

Analiza el gráfico y responde: » ¿Cuál

es la variable independiente y cuál la dependiente?

Tiempo

Responde: » ¿Cuál

es la variable independiente y cuál la dependiente?

Subraya la respuesta correcta en cada caso. ¿En qué segmentos del tubo digestivo se produce la digestión? A. Boca, estómago, intestino delgado. B. Esófago, intestino delgado y grueso. C. Intestino grueso, estómago, esófago. D. Recto, esófago, estómago. ¿En cuál órgano no se produce la digestión? A. Estómago B. Boca C. Intestino delgado D. Intestino grueso ¿En dónde se terminan de digerir los carbohidratos? A. Esófago B. Boca C. Intestino grueso D. Intestino delgado ¿Dónde termina la digestión de proteínas? A. En el estómago. B. En el intestino grueso. C. En el intestino delgado. D. En la boca.

4 El gráfico siguiente representa la cantidad de aire (en mL) contenida en los pulmones durante la respiración.

Subraya la respuesta correcta en cada caso. ¿Cuál es el volumen promedio de aire entre inspiraciones y espiraciones normales? A. 700 mL B. 400 mL C. 300 mL D. 800 mL ¿Cuál es el volumen mínimo normal de aire contenido en los pulmones? A. 5 700 mL B. 2 300 mL C. 1 300 mL D. 2 800 mL ¿Cuál es el volumen máximo de aire contenido en los pulmones en una inspiración normal? A. 5 700 mL B. 2 300 mL C. 1 300 mL D. 2 700 mL ¿Cuál es el volumen máximo de aire en una inspiración forzada? A. 5 700 mL B. 2 300 mL C. 1 300 mL D. 2 800 mL ¿Cuál es el volumen mínimo de aire en una espiración forzada? A. 5 700 mL B. 2 300 mL C. 1 300 mL D. 2 800 mL ¿Qué cantidad de aire queda siempre en los pulmones, independientemente de la intensidad de la espiración? B. 2 300 mL A. 5 700 mL C. 1 300 mL D. 2 800 mL

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Proyecto de investigación Estrategia 3

Interpretación y análisis de la Información Luego de que has obtenido información útil para responder tu pregunta, debes aprender a interpretarla. A continuación, te proporcionamos un ejemplo de cómo te pueden ayudar a interpretar textos científicos.

PONTE A

prueba

Lee el siguiente texto: A través del aprendizaje, los animales se adaptan y sobreviven a las condiciones que les ofrece su medio y, aunque algunas de las conductas animales son heredadas de sus padres, el juego es generalmente uno de los medios más empleado para conseguir este aprendizaje. Por ejemplo, un gatito que juega con una pelota ejecuta una serie de movimientos muy parecidos a aquellos que utilizará más tarde para cazar un ratón. En los lobatos que juegan a pelearse, se percibe ya la gravedad de las batallas que se librarán más tarde entre lobos rivales. Y de una forma completamente análoga, los animales débiles y frecuentemente amenazados, como la ardilla, practican preferentemente juegos que ejercitan la rapidez durante la fuga.

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PONTE A

prueba

No es un azar que los mamíferos más inteligentes, como los simios, los delfines y los carnívoros, sean también los más juguetones de todos. El gran desarrollo de su cerebro les proporciona una enorme capacidad para adquirir conocimientos, y esta capacidad la suelen desarrollar a través del juego. En el caso de los seres humanos, después de mucho tiempo de recurrir a la memoria como única forma de aprendizaje, se redescubren hoy las ventajas de aprender mediante el juego. El caso de los niños que aprenden cómo utilizar un computador jugando, prueba que esta forma de aprendizaje es muy efectiva. Adaptado de Geiser, F. y Dossenbach, H., Sobrevivir: Los misterios del mundo animal, 1984.

1. Señala, en el texto, los términos que desconozcas y busca su significado. 2. ¿Qué título le pondrías al texto? ¿Por qué?

3. Propón dos preguntas o temas para un proyecto de investigación, en cuya resolución pudiera ser útil este texto.

A. B.

4. Propón dos afirmaciones, a partir del texto y somete a prueba su veracidad con tus compañeros. A manera de ejemplo, te presentamos algunas afirmaciones. Discútelas con un compañero o una compañera y digan si estas afirmaciones están o no de acuerdo con la lectura, o si no hay suficiente información para aceptarlas. — Algunas conductas de los animales son heredadas, pero no sirven para resolver situaciones complejas. — Las crías de un depredador juegan diferente a las crías de una presa. — Muchos juegos representan la conducta de los adultos. — No existen juegos comunes a los niños de todas las culturas humanas.

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Proyecto de investigación PONTE A

prueba

Lee el siguiente texto:

4. Propón dos afirmaciones, a partir del texto y somete a prueba su veracidad con tus compañeros.

Hace un par de décadas se descubrió una bacteria llamada Helicobacter pylori, que es la única que puede resistir la acidez del estómago humano (pH = 1,5). Esta bacteria es uno de los principales agentes que causa la gastritis, la úlcera gástrica y la úlcera duodenal. Prolifera en esta zona porque puede neutralizar la acidez del estómago, generando a su alrededor un medio básico, ya que su metabolismo produce amonio. Así, logra ingresar a la mucosa que cubre las paredes del estómago, consumiendo y dejando estas paredes expuestas al ácido clorhídrico. Asimismo, genera la producción extra de gastrina, una molécula que se encarga de regular la producción de ácido en el estómago. Por eso las personas con este mal tienen una secreción anormal de gastrina ante un estímulo alimenticio.

1. Señala, en el texto, los términos que desconozcas y busca su significado.

2. ¿Qué título le pondrías al texto? ¿Por qué?

3. Propón dos preguntas o temas para un proyecto de investigación, en cuya resolución pudiera ser útil este texto.

5. Averigua cómo puede llegar esta bacteria a nuestro organismo.

6. Diseña un folleto que difunda tus conocimien-

tos sobre la gastritis causada por H. pylori y la manera de evitar dicha enfermedad.

7. Investiga y elabora un esquema sobre cómo actúa esta bacteria en el estómago.

Lee el siguiente texto:

Es frecuente que los médicos pidan un examen de orina para diagnosticar alguna enfermedad. Esto se debe a que una gran variedad de trastornos tienen repercusión sobre la orina. Por ejemplo, si se detecta presencia de glucosa en la orina, ello puede ser un signo de que el paciente tiene diabetes. La sangre en la orina puede aparecer debido a la formación de cálculos en los riñones o a alguna infección, ya sea en la vejiga, en los uréteres o en la pelvis renal. Asimismo, pueden encontrarse restos de proteínas, lo que indicaría que hay una deficiente reabsorción de sustancias que puede recuperar el organismo o una deficiencia en el proceso del filtrado.

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1. Propón dos afirmaciones, a partir del texto y somete a prueba su veracidad con tus compañeros.

2. ¿Por qué es mejor que un médico especialista analice un examen de orina?

3. ¿En qué casos puede aparecer sangre en la orina?

Lee el siguiente texto: Tratando de encontrar una cura contra el cáncer, investigadores de la Escuela de Medicina de John Hopkins de Baltimore en Maryland, inocularon microorganismos anaerobios dentro de tumores cancerígenos. Estos microorganismos crecieron muy bien en un ambiente pobre en oxígeno dentro de un tumor, pero murieron cuando salieron a un ambiente rico en oxígeno, como sucede en los límites externos del tumor. Los investigadores inocularon el microorganismo Clostridium novyi en el torrente sanguíneo de ratas con tumores cancerosos. Por esa vía alcanzaron la región necrótica (región del tumor sin oxígeno) y consumieron las células tumorales aún vivas y las muertas. Cuando el microorganismo llegó a la superficie del tumor, también murió. Fuente: Revista Creces, marzo 2002. (www.creces.cl)

1. Señala, en el texto, los términos que desconozcas y busca su significado.

2. ¿Qué título le pondrías al texto? ¿Por qué?

3. Propón dos preguntas o temas para un pro-

4. Imagina que uno de tus familiares visita a un

médico, que lo envía a hacerse un examen de orina. Tu familiar no quiere hacerlo porque se siente bien y considera que no es necesario. ¿Crees que debería hacerse el examen? ¿Por qué?

yecto de investigación, en cuya resolución pudiera ser útil este texto.

4. Propón dos afirmaciones, a partir del texto

y somete a prueba su veracidad con tus compañeros.

5. ¿Por qué es importante seguir investigando

curas contra el cáncer y alternativas a la quimioterapia?

¿Qué razones le darías para que siga las indicaciones del médico?

5. Investiga qué es lo que origina que los riñones

tengan una reabsorción deficiente en el proceso de elaboración de orina.

6. ¿Por qué son usados estos microorganismos para este tipo de investigación?

7.¿Por qué los microorganismos anaerobios

no se han extinguido si en nuestra atmósfera, después del nitrógeno, el elemento más abundante es el oxígeno?

8. ¿Cuál es la importancia de los microorganis-

mos anaerobios en nuestro planeta? ¿Y en la investigación científica?

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Proyecto de investigación

prueba

Lee el siguiente texto: En la capa de ozono reaccionan, por acción de los rayos ultravioleta (UV), el oxígeno molecular (O2) y el atómico (O), formando moléculas de O3 y destruyéndolas en O2 y O, de manera constante. La capa de ozono absorbe los rayos UV, dejando atravesar solo una cantidad de radiación que no es nociva para el planeta. Muchos aromatizadores, desodorantes, refrigerantes, entre otros, contienen clorofuorocarbonos (CFC), que reaccionan con el oxígeno atómico en la capa de ozono. Esto ha generado un agujero donde no existe O3 ni O2 ni O.

1. Señala, en el texto, los términos que des-

De acuerdo con las fotografías satelitales tomadas en la última década, el agujero en la capa de ozono se encuentra cerca de la Antártida. 1980

2000

1990

2002

proyecto de investigación, en cuya resolución pudiera ser útil este texto.

El incremento en las concentraciones de CO2 produce mucho frío en algunas áreas del planeta. En las zonas más altas de la sierra peruana (Arequipa, Cusco y Puno) a más de 5.000 metros de altitud, en los últimos 25 años, las temperaturas han disminuido por debajo de los –20 OC. Los inviernos son cada vez más crudos, y muchos niños y ancianos mueren por enfermedades respiratorias.

4. Propón dos afirmaciones, a partir del

1. Señala, en el texto, los términos que desconoz-

conozcas y busca su significado.

2. ¿Qué título le pondrías al texto? ¿Por qué? 3. Propón dos preguntas o temas para un

texto y somete a prueba su veracidad con tus compañeros.

5. ¿Qué acciones humanas intensifican

la formación del agujero en la capa de ozono?

6. ¿Coincidirá este fenómeno con un au-

cas y busca su significado.

2. ¿Qué título le pondrías al texto? ¿Por qué? 3. Propón dos preguntas o temas para un proyecto de investigación, en cuya resolución pudiera ser útil este texto.

mento en el índice de cáncer a la piel a nivel mundial? ¿Existe algún indicador al respecto? Investiga.

4. Propón dos afirmaciones, a partir del texto y

7. Haz una lista de los problemas actuales

5. ¿Es el agujero en la capa de ozono un problema

causados por el agujero en la capa de ozono.

8. ¿Es realmente un agujero? ¿Por qué? 9. Haz una lista de los productos usados

en tu casa que puedan dañar la capa de ozono. ¿Qué medidas tomarías para disminuir este problema?

Lee el siguiente texto:

CORTESÍA: NASA

PONTE A

somete a prueba su veracidad con tus compañeros.

global o regional? ¿Por qué?

6. ¿Por qué si en la Tierra se incrementa la temperatura por el efecto invernadero, en algunas zonas aumenta el frío?

7. ¿Qué medidas crees que deben tomar los go-

biernos para evitar muertes causadas por el frío?

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Lee el siguiente texto:

Nuestra columna vertebral no es recta, sino que tiene curvaturas. Para que funcione correctamente y no se resienta, debemos movernos de modo tal que mantenga esas curvaturas.

1. Propón dos afirmaciones, a partir del texto y somete a prueba su veracidad con tus compañeros.

2. Observa las siguientes fotos que muestran dos

maneras de levantar un objeto pesado. Analiza la posición de la columna en cada caso. ¿En cuál se mantienen las curvaturas normales de la columna? Fundamenta tu respuesta.

Desde que comenzaron a usarse prótesis e implantes para sustituir partes internas de nuestro cuerpo, se ha buscado el material adecuado para que sean capaces de generar respuestas fisiológicas que faciliten su fijación. Por ejemplo, para reconstruir huesos se fabrican piezas de titanio a las que se agregan ciertas cerámicas bioactivas. Estas sustancias bioactivas actúan dentro del organismo de manera sorprendente: hacen que las células óseas produzcan más hueso, reconstruyendo así las partes que faltan e, incluso, extendiéndose dentro de las estructuras de las prótesis. Cuando una prótesis hecha de un material extraño es aceptada por el organismo, se dice que es un material biocompatible con nuestro cuerpo.

1. ¿Qué título le pondrías al texto? ¿Por qué? 2. Propón dos afirmaciones, a partir del texto

y somete a prueba su veracidad con tus compañeros.

3. Indica cuáles son las acciones correctas para cuidar la columna vertebral y cuáles las incorrectas.

4. Las deformaciones más comunes de la espalda

son la cifosis y la escoliosis. Investiga el significado de ambos términos y establece la diferencia entre ellos.

5. Elige cinco compañeros al azar y evalúa sus hábitos de postura al sentarse o caminar. Luego, elabora un informe al respecto.

3. ¿Qué tipo de elemento es el titanio? ¿En qué tipos de prótesis se utiliza?

4. ¿Por qué es tan biocompatible el titanio? 5. Averigua qué es la biónica y su importancia. 6. Imagina que un hombre reemplaza todas sus articulaciones del cuerpo por prótesis. ¿Cuáles serían las ventajas y desventajas de tener reemplazadas las articulaciones de esta manera?

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Proyecto de investigación

Proyectos científicos Ahora te invitamos a elaborar un proyecto de investigación para resolver preguntas que sean de tu interés. Como ayuda para que puedas desarrollar tu investigación vamos a presentarte algunas situaciones cotidianas, preguntas que estimularán tu percepción y te generarán nuevos interrogantes. Además, te sugerimos algunos conceptos y palabras claves que te pueden servir para buscar información útil en las bibliotecas y en internet.

Entorno vivo El cáncer.

¿Qué es el cáncer? ¿Cuál es la incidencia de los diferentes tipos de cáncer en la población colombiana? ¿Cómo influye la contaminación en el desarrollo de esta enfermedad? ¿Cuáles son los tratamientos médicos para los enfermos de cáncer? ¿De qué forma se emplea la medicina alternativa en el tratamiento de los enfermos de cáncer? Palabras claves: división celular, tumor maligno, tumor benigno, carcinoma, quimioterapia, radioterapia.

Las bebidas energizantes.

¿Cuáles son los componentes de las bebidas energizantes? ¿Cómo actúan en el organismo? ¿Es aconsejable su consumo por parte de los jóvenes? Palabras claves: bebidas energizantes, carbohidratos, vitaminas, carnitina, cafeína, sustancias estimulantes.

El movimiento del cuerpo humano.

¿Qué tipos de articulaciones existen? ¿Cómo interactúan músculos y huesos en el movimiento de las extremidades? ¿Cuáles son las lesiones más comunes en los deportistas? ¿Cómo actúan las sustancias como los anabolizantes y los esteroides en el organismo? Palabras claves: Articulaciones, movimiento de músculos y huesos, lesiones del sistema esqueléticomuscular, esguince, fractura, luxación, tendinitis, medicina deportiva, dopaje, anabolizantes, anabólicos, esteroides, fisicoculturismo.

Alteración ambiente local y regional.

¿Qué tipo de alteraciones ambientales ha sufrido la zona que habitas? ¿Qué tipos de contaminación puedes identificar y cuáles son sus causas? ¿Existen medidas o planes destinados a detener el deterioro ambiental de tu región? Palabras claves: alteración ambiental, deterioro ambiental, transformación del paisaje y del suelo, contaminación, basuras.

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Entorno físico La radiactividad.

¿Qué hace que algunos elementos sean radiactivos? ¿Qué consecuencias tiene la radiactividad en el organismo? ¿Qué usos se le ha dado a la radiactividad? ¿Es la radiactividad una fuente energética recomendable? Palabras claves: radiactividad, radiación, radiactividad natural y artificial, energía nuclear, fusión, fisión, elementos radiactivos, radioterapia, plantas nucleares.

Brújulas y magnetismo.

¿Cómo funcionan las brújulas? ¿Cuál es su utilidad? ¿Qué es y cómo se formó el campo magnético terrestre? ¿Qué son los polos magnéticos? ¿Cómo puedes fabricar una brújula casera? Palabras claves: brújulas, magnetismo, campo magnético terrestre, polos magnéticos.

Electromágnetismo.

¿Qué son los electroimanes y cómo funcionan? ¿Cómo se puede fabricar un electroimán? ¿Cómo funcionan los timbres, los trenes de levitación magnética y los motores eléctricos? Palabras claves: electromagnetismo, electroimán, fuerza de repulsión electromagnética, motor eléctrico.

Electricidad y seres vivos.

¿Cómo se manifiesta la actividad eléctrica en el cuerpo de los seres vivos? ¿Por qué el cuerpo animal es conductor de electricidad? ¿Qué lesiones puede causar el paso de la electricidad en el cuerpo? ¿Por qué la corriente eléctrica causa el movimiento sin control de los músculos? ¿De qué forma algunos animales producen descargas eléctricas? Palabras claves: actividad eléctrica, bioelectricidad, electrocución, descargas eléctricas, anguilas eléctricas, marcapasos, electrocardiogramas, nodo sinoauricular.

La luz de algunos elementos químicos.

¿De dónde provienen los colores de las luces que observas en los avisos luminosos y en los fuegos artificiales? ¿Qué características poseen los elementos que se utilizan para este fin? ¿Cómo se fabrican los diferentes tipos de iluminación artificial? ¿Cuál es el consumo eléctrico de los diferentes tipos de iluminación? Palabras claves: tipos de iluminación artificial, gases nobles, luminiscencia, fosforescencia, fluorescencia, filamento de tungsteno, luz halógena, luz normal, tubos fluorescentes.

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Dinámica ecológica El contexto

Entorno vivo

Tu plan de trabajo… Explicar diferentes tipos de relaciones ecológicas. Describir el flujo de materia y de energía en los ecosistemas. Identificar la acción antrópica en los ecosistemas y sus consecuencias.

Encuentra en tu Evaluaciones: 3 De desempeño

3 Por competencias

16 Multimedia 2 Galerías

1 Audio 29 Imprimibles

31 Actividades

5 Enlaces web

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El agua es un compuesto indispensable para mantener la vida en la Tierra. La precipitación es agua que se encuentra en la atmósfera y que cae sobre la superficie terrestre, arrastrando con ella diversas sustancias. Posteriormente, el agua regresa a la atmósfera en estado gaseoso y se repite el proceso como un ciclo.

La situación actual Los vehículos y algunas industrias emplean combustibles fósiles que contaminan la atmósfera. Contaminantes como el óxido de nitrógeno y el dióxido de azufre reaccionan con el vapor de agua para formar ácidos que, al llover, caen con el agua y llegan al suelo, lo que constituye la lluvia ácida. Este fenómeno hace que el suelo se torne ácido, lo cual perjudica a las plantas y a una gran cantidad de organismos que dependemos de ellas. Cuando las plantas están en riesgo, todo el ecosistema está en peligro, ya que ellas son la base para la obtención de energía en la comunidad.

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Galería de imágenes

Audio

Ubica en el tiempo el estudio de la ecología Pregunta problematizadora ¿Cómo podemos minimizar el daño que le causamos a los ecosistemas? Conociendo la importancia de cada uno de los elementos que

componen un ecosistema. Por ello, aprenderás cómo interactúan los diferentes organismos entre ellos y con su medio ambiente.

Desarrollando hábitos encaminados a proteger el medio am-

biente. Por ello, estudiarás acerca de las diferentes formas como las personas afectamos nuestro entorno.

Realizando acciones encaminadas a disminuir el impacto negativo

que producimos en los ecosistemas. Por ello, asumirás compromisos personales y sociales para cuidar los ecosistemas.

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Ernst Haeckel Define el término ecología como el estudio de las características del medio, incluyendo el transporte de materia y energía, y su transformación por parte de las comunidades biológicas. Lindeman Desarrolla el concepto de ecosistema desde el de intercambio de energía. World Wildlife Fund (WWF) Se funda esta organización, cuyo objetivo es organizar y financiar proyectos de investigación sobre los ecosistemas más importantes del planeta.

1870 1913

British Ecological Society Publica la primera edición de Journal of ecology una revista especializada en temas de ecología.

1935

1941

1948

1961

Gause Propone el concepto de nicho ecológico.

Julian Huxley Propone a la UNESCO fundar la UICN (Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza y sus Recursos Naturales), con el propósito de conservar el medio ambiente.

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Entorno vivo

Relaciones ecológicas

Ampliaciones

Actividad

1. multimedia Los seres vivos no se encuentran aislados sino que se relacionan con los elementos de su entorno y con otros seres vivos de diversas maneras. Estas relaciones son el fundamento de la ecología. La ecología es la rama de la biología que se encarga del estudio de las interacciones de los seres vivos con otros seres vivos y con su entorno físico. Las interacciones entre organismos reciben el nombre de relaciones ecológicas. Estas, junto con otros factores, moldean el desarrollo de los organismos y de las especies, determinando la distribución y el tamaño de las poblaciones. Los elefantes marinos compiten entre ellos por el territorio y por las hembras para poder aparearse.

Desde el punto de vista evolutivo, debido a que la mayoría de las relaciones ecológicas son duraderas, han permitido que los seres vivos desarrollen diversos tipos de adaptaciones, es decir, la aparición de una nueva estructura anatómica, proceso fisiológico o comportamiento útil para sobrevivir y garantizar su éxito reproductivo, que es la capacidad que tiene un organismo de reproducirse y de que su descendencia sea fértil. Las relaciones de los seres vivos con otros seres vivos pueden ser clasificadas en dos grandes grupos: las relaciones intraespecíficas y las relaciones interespecíficas.

Actividad

Recurso imprimible

Relaciones intraespecíficas

1.1 Las relaciones intraespecíficas ocurren entre organismos pertenecientes a la misma especie, como dos cachorros de lobo jugando entre ellos o dos caracoles que se aparean. Estas relaciones pueden ser beneficiosas o perjudiciales para alguno de los individuos que interactúan. En ocasiones, pueden durar poco tiempo y otras veces, son para toda la vida. Algunas de las interacciones intraespecíficas son la competencia intraespecífica, la cooperación y las relaciones sociales. 1.1.1 Competencia intraespecífica Este tipo de competencia ocurre cuando hay varios organismos que necesitan el mismo recurso para sobrevivir. Los organismos de una misma especie compiten todo el tiempo, ya que sus necesidades son muy similares: requieren el mismo tipo de alimento, de refugio y de hábitat, y en algunos casos los machos compiten por la mejor pareja. Los organismos mejor adaptados logran satisfacer sus necesidades, mientras que los menos adaptados no lo consiguen y se ven obligados a desplazarse o simplemente mueren.

Los escarabajos machos, generalmente, entablan luchas directas para poder aparearse con una hembra. Este es un ejemplo de competencia intraespecífica para el que muchas especies han desarrollado cuernos de gran tamaño en relación con la longitud del cuerpo, y otras han desarrollado vistosos colores o complejos rituales de cortejo.

1.1.2 Cooperación La cooperación es un tipo de relación en la que todos los organismos involucrados se ven beneficiados, ya que obtienen alguna ventaja para satisfacer sus necesidades, como el alimento o el refugio, o se pueden proteger de una amenaza, como un predador, o de condiciones ambientales, como las temperaturas extremas. Las relaciones de cooperación suelen ser sociales, y en tal caso pueden clasificarse en gregarias, coloniales, jerárquicas y relaciones familiares.

2 8 Acción de pensamiento: explico los diversos tipos de relaciones ecológicas.

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Componente Procesos biológicos

RELACIONES DE COOPERACIÓN Las relaciones gregarias se presentan entre individuos de una misma especie que no necesariamente tienen lazos familiares. Estos gru pos de individuos realizan varias funciones juntos con el fin de protegerse de los predadores y de las condi ciones climáticas extremas, y de facilitar la reproducción, sin embargo, sus organismos pueden llegar a competir por los recursos. Algunos anima les gregarios son los peces que viven en cardúmenes y las manadas de micos.

Las relaciones jerárquicas se establecen a partir de los individuos que ejercen el liderazgo en una población.

En las relaciones matriarcales, son las hembras las que asumen el liderazgo del grupo. Este es el caso de las hienas.

En las relaciones patriarcales, son los machos los que ejercen el liderazgo, como ocurre con los leones.

En las relaciones estatales, los individuos se organizan en sociedades complejas, donde cada organismo de sempeña una actividad es pecífica que determina las castas. Esta estructura se puede encontrar en insectos sociales.

En las relaciones coloniales, los individuos que las tienen se encuentran unidos entre sí en forma insepara ble y funcionan como un solo organismo. Estas agru paciones surgen como un mecanismo para garantizar la supervivencia. En algunas relaciones colo niales como las que se esta blecen entre los miembros de un coral, no hay especia lización del trabajo. En otras, en cambio, los integrantes se especializan en realizar fun ciones específicas.

Las relaciones familiares ocurren entre miembros de una especie que tienen lazos de consanguinidad, como padres e hijos, o entre los adultos que hacen parte de una pareja o de un grupo de apareamiento.

En la monogamia, se esta blecen relaciones perdu rables entre el macho y la hembra, y ambos pueden cuidar de sus descendien tes. Es común en especies de aves.

En la poligamia, los miem bros de uno de los sexos, o de ambos, se aparean con varias parejas.

En las relaciones poliándricas, las hembras se pueden aparear con varios machos, mientras que los machos se aparean con una sola hembra. En las relaciones poligínicas, cada macho se puede aparear con varias hembras, pero las hembras se aparean con un solo macho. En las relaciones poliginándricas, no existen lazos permanentes entre los in dividuos, y tanto hembras como machos se aparean con varios miembros del sexo opuesto.

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1.1.2.1 Sociedades animales Los animales sociales y, especialmente, los insectos (hormigas, termitas y algunas abejas y avispas), son quizá los que más llaman la atención. Las sociedades de insectos se encuentran entre las estructuras sociales naturales más complejas del reino Animal. Entre ellos, existen diferentes niveles de sociabilidad y dependen del cumplimiento de tres características: Las especies sociales viven en grupos. En las sociedades, hay cuidado parental, es decir, los progenitores cuidan a sus crías por algún tiempo y supone un solapamiento generacional. Los individuos que componen una sociedad presentan una división del trabajo, que constituye lo que se conoce comúnmente como castas. Si una especie cumple todas estas condiciones, se dice que es eusocial, pero si cumple solo con las dos se trata de una especie subsocial. Aspecto externo de un termitero. Las termitas construyen nidos subterráneos, eígeos o catedrales (como en la imagen), o nidos arbóreos.

Los hormigueros y los panales pueden ser estructuras de gran tamaño y complejidad. En su interior hay cámaras especializadas en donde se realizan diversas funciones, como proteger los huevos o almacenar los alimentos.

En los sistemas eusociales, la división por castas incluye: Una reina fértil, que es mantenida por los demás individuos y su única función es la reproducción. Las obreras, que se agrupan por tamaños y están encargadas del mantenimiento de la colonia. Los soldados, que proporcionan seguridad a la colonia ante los depredadores. Todas las castas presentan diferencias morfológicas entre sí. Los animales estériles son generalmente hembras, todas hermanas. Además de su división en castas, llama la atención la diversidad de nidos, hormigueros o panales que construyen estos insectos con formas muy variadas y los múltiples hábitats en que se encuentran.

Obrera

Reina

Abeja obrera

Zángano

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Componente Procesos biológicos Las termitas Las termitas son insectos sociales que, al igual que muchos otros, presentan metamorfosis incompleta. Esto significa que durante su ciclo de vida pasan por distintos estadios corporales. Inicialmente, la reina pone los huevos. Al eclosionar, sale la ninfa, que es una forma juvenil sexualmente inmadura, pero que se asemeja a un adulto. Después de varias etapas como ninfa, finalmente la termita será un adulto. Las termitas se alimentan de celulosa, que es el principal componente de la madera y el papel. Las obreras consumen directamente la madera, pero no poseen las enzimas necesarias para degradar la celulosa, por eso cuentan con una asociación simbiótica con los protozoos que habitan en su tracto digestivo. Después de ser digerida, la celulosa es pasada por las obreras a las demás castas por la boca. 1. El predador: un oso hormiguero ataca el termitero para alimentarse.

2. Ventilación: el calor se eleva y hace circular el aire en los túneles. Las delgadas paredes permiten la entrada de oxígeno y la liberación de dióxido de carbono.

3. Residencias: las termitas viven en las cámaras y los túneles en el centro del nido.

Huevo (A), ninfa recién eclosionada (B), ninfa (C), operario grande (D), macho alado (E), hembra alada (F), operario pequeño (G), soldado grande (H), soldado pequeño (I), rey (J) y reina (K).

4. Cámaras de alimento: donde se almacena la comida para ser digerida posteriormente por las obreras que se alimentan de celulosa removida de las plantas, los troncos y el suelo. La celulosa es digerida en el intestino de la termita por un protozoo.

5. Cultivo de hongos (en algunos): estructura compuesta por excrementos, plantas masticadas y la saliva de las termitas. En este cultivo, se alimentan y crecen hongos.

4 5

8 6

10 9 Huevos Rey

Reina

Pequeños operarios

6. Establecimiento de nidos: las termitas pierden sus alas, excavan una madriguera y fundan una nueva colonia.

Soldados operarios especializados

7. Huevos: los primeros huevos se convierten en pequeños operarios que se encargan de las tareas de la colonia.

8. Soldados y operarios: la colonia crece y, de otros huevos, emergen nuevos soldados y operarios.

9. Guardería: los huevos toman alrededor de tres semanas para salir del cascarón.

10. Cámara real: donde el rey y la reina pasan la mayor parte de la vida. Los operarios alimentan y limpian a la reina. Una reina puede poner 10.000 huevos por día durante diez años o más. ©

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Relaciones interespecíficas

Utilización de los recursos

Selección disruptiva Distancia entre los picos de los nichos Especie A

Especie B

Solapamiento de nichos Dimensiones del nicho

La gráfica muestra el área de solapamiento de dos especies que ocupan un mismo nicho. Cuando ocurre un desplazamiento de caracteres, se eliminan los individuos con características comunes a las dos especies y divergen al modificar sus características en direcciones opuestas, lo cual disminuye el solapamiento.

Actividad

1.2 Las relaciones interespecíficas son las que establecen los seres vivos entre poblaciones de diferentes especies. El tamaño de una población puede modificarse por estas relaciones ya que en algunos casos afectan positivamente a los organismos involucrados y permiten que vivan y se reproduzcan. En otros los afectan negativamente y pueden impedir la reproducción o causar la muerte de los individuos, mientras que algunas relaciones no representan beneficio o perjuicio para al menos una de las poblaciones que se relacionan. Las principales relaciones interespecíficas son la competencia, la predación, el parasitismo, el comensalismo, el mutualismo y la simbiosis. 1.2.1 Competencia Se produce cuando individuos de diferentes especies utilizan un mismo recurso que se encuentra en cantidad limitada. El territorio, el agua, el alimento o la luz son algunos de los recursos que generan competencia interespecífica. La competencia es mayor cuanto más similares sean los requerimientos de las especies que interactúan. El científico G. Gause postuló el principio de exclusión competitiva, el cual afirma que cuando dos especies diferentes compiten por el mismo recurso, que es limitado, la especie que es más eficiente para utilizarlo terminará eliminando a la otra. Sin embargo, en la naturaleza se encuentran especies con hábitos muy similares que son capaces de coexistir aprovechando el mismo recurso pero en diferente espacio o tiempo. Que esto suceda depende del nicho ecológico de cada especie, es decir, de los factores ambientales, bióticos y abióticos, con los que interactúa una población determinada en la comunidad de la que forma parte. Gorjeadores

Gorjeador del Cabo May Gorjeador de pecho bayo

Los gorjeadores de Norteamérica son un clásico ejemplo de diferenciación de nichos. Estas especies de aves se alimentan del abeto, sin embargo, cada una se alimenta en un área distinta del árbol como indican las imágenes.

Gorjeador de rabadilla amarilla “mirto”

Gorjeador Blackbumiano Gorjeador verde de garganta negra

Existen dos tipos de competencia interespecífica: la competencia por interferencia, que tiene lugar cuando se presenta una lucha directa por el recurso y, en ausencia de esta, se dice que hay una competencia por explotación. En ambos casos, uno de los competidores tendrá más recursos que el otro, lo que disminuye el tamaño poblacional del competidor más débil y, en algunos casos, lo lleva a la extinción. Si la competencia ocurre en forma permanente, podrá moldear algunas adaptaciones, es decir, cambios evolutivos a nivel morfológico, fisiológico o comportamental, que harán que la especie sea más exitosa en un ambiente determinado y que ocupe un nicho específico. Gracias a estas adaptaciones, es posible que los organismos logren coexistir, diferenciándose en aquellas características que antes se superponían. A este fenómeno se le conoce como divergencia de caracteres.

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Componente Procesos biológicos Actividad

1.2.2 Predación La predación se presenta cuando los individuos de una especie, llamados predadores, dan muerte y se alimentan de individuos de otra especie, denominados presas. La predación solo ocurre en animales carnívoros, ya que generalmente los animales herbívoros no matan a la planta, solo afectan algunas de sus partes, por lo cual esta relación es conocida como herbivoría. La constante interacción entre predadores y presas ha permitido el desarrollo de diversas adaptaciones para el ataque o la defensa. Las adaptaciones químicas consisten en la expulsión de sustancias, principalmente venenos, que le permiten a la presa liberarse o disuadir al depredador, y al depredador, capturar a su presa. Por ejemplo, algunas serpientes poseen veneno para inmovilizar y matar a sus presas, y las mariposas monarcas acumulan veneno en sus cuerpos, que capturan de las plantas de las que se alimentan, para evitar ser comidas por predadores como las aves. Las adaptaciones morfológicas son cambios en la estructura física de los organismos. Existen muchas formas que adquieren los animales para evitar ser percibidos o atacados por sus predadores, por ejemplo, algunos insectos tienen forma similar a la de las hojas, o en los predadores se presentan órganos de los sentidos muy desarrollados. Las adaptaciones comportamentales son aquellas que implican una modificación en el comportamiento del individuo, por ejemplo, el agrupamiento es una estrategia que permite tanto el ataque como la defensa, o hacerse el muerto, que es un comportamiento conocido como tanatosis. Muchas de las estrategias que utilizan los individuos en la naturaleza involucran también adaptaciones fisiológicas, es decir, aquellas relacionadas con el funcionamiento del organismo. Algunas de las adaptaciones más importantes son: el mimetismo, el camuflaje y la coloración aposemática o de advertencia.

El lagarto cornudo de Norteamérica tiene una estrategia de defensa extrema: ¡expulsa sangre por los ojos para confundir a sus predadores y poder escapar! Esta estrategia no lastima al lagarto.

Por su forma, este insecto pasa desapercibido ante sus depredadores.

Mimetismo

Camuflaje

Coloración aposemática

Es una adaptación en la que un ser vivo, de nominado mimético, imita o copia el com portamiento de otro con el que no guarda relación, llamado modelo, y obtiene de ello un beneficio.

Es una adaptación que han desarrollado predadores y presas, que consiste en pasar inadvertidos frente a otros seres vivos, gra cias a su similitud con el entorno, a causa de su color o de su apariencia.

Es la coloración de ciertas presas que in forma a los predadores que son venenosas. Los colores brillantes, como rojos y amari llos combinados con negro, son caracterís ticos de la coloración aposemática.

La coloración de algunos animales les ayuda a confundirse con el entorno para evitar ser vistos. Esto les facilita capturar a sus presas o esconderse de sus predadores.

Phyllobates terribilis quizá sea la más tóxica de las criaturas vivientes. Expulsa de su piel una sustancia muy venenosa. Su intenso color amarillo informa a sus predadores acerca de su potente veneno.

Modelo Melinaea

Mimético Heliconius

Algunas especies de mariposas como Heliconius y Melinaea comparten un mismo pa trón de coloración de alas. Heliconius posee la misma coloración de Melinaea, y así evita a los depredadores porque Melinaea posee un sabor desagradable.

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Actividad

1.2.3 Parasitismo El parasitismo es una interacción que se establece entre un organismo denominado parásito, que durante toda su vida o parte de ella se alimenta de otro organismo conocido como huésped u hospedero, al que le causa daño. El beneficio que recibe el parásito puede provocar un incremento en su reproducción y llevar al hospedero a la muerte, lo cual perjudicará también al parásito.

Anopheles

Más de la mitad de las especies del planeta son parásitas, de plantas o de animales. De acuerdo con el lugar del cuerpo que parasitan, estos seres vivos se clasifican en ectoparásitos y endoparásitos.

Plasmodium

La malaria es una enfermedad causada por el protozoo endoparásito Plasmodium y es transmitida por la picadura de mosquitos hembra del género Anopheles.

Pediculus humanus humanus o piojos de la ropa, viven en la ropa o en las camas y pasan al hospedero para alimentarse. Es el único piojo que afecta a los humanos por una mala higiene.

Rhodnius prolixus La enfermedad de Chagas es transmitida por chinches de las especies Rhodnius prolixus y Triatoma infestans, que al picar transmiten el protozoo endoparásito Trypanosoma cruzi.

Los ectoparásitos habitan sobre el huésped, como ocurre con los piojos, las pulgas y las garrapatas que viven sobre el cuerpo de los mamíferos.

Pediculus humanus capitis o piojo de la ca beza, habita en las cabezas preferiblemente limpias. Los huevos conocidos como liendres se ubican cerca al cuero cabelludo en busca de calor. Se transmiten por contacto.

Phthirus pubis o ladillas, prefiere las áreas púbicas o perianales, aunque se ha en contrado en otras partes cubiertas por bello corporal. Generalmente, se trans mite por contacto sexual.

Los endoparásitos habitan dentro de su hospedero, como ocurre con la tenia o solitaria, que vive dentro del sistema digestivo de los cerdos, las vacas y los humanos. Existen otras formas particulares de parasitismo. En el parasitoidismo, que ocurre principalmente en insectos, los adultos de las especies son de “vida libre”, es decir, que no viven como parásitos de otros organismos, mientras que en los estados inmaduros (larvas o pupas), se desarrollan en el interior de los organismos de otras especies. Las hembras de la especie parasitoide ponen sus huevos dentro, sobre o cerca de los individuos de la otra especie y, posteriormente, la larva que eclosiona del huevo se desarrolla en el interior o sobre el hospedero, y con el tiempo lo consume casi por completo, causándole, inevitablemente, la muerte. El hiperparasitismo es un fenómeno que se observa principalmente en avispas, cuyas larvas parásitas se desarrollan en el interior de otros parásitos. El hiperparásito es capaz de reconocer si el hospedero está o no parasitado y, solo en el primer caso, pone sus huevos formando cadenas de hasta tres hiperparásitos.

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Componente Procesos biológicos Recurso imprimible

1.2.4 Comensalismo El comensalismo es una relación en la que una especie obtiene beneficios de otra que no se ve ni perjudicada ni beneficiada. Existen varias formas de comensalismo como la foresis y el inquilinismo. En la foresis, un organismo utiliza al otro como medio de transporte, como ocurre con el pez rémora que se adhiere al cuerpo del tiburón para movilizarse. En el inquilinismo, un ser vivo se hospeda dentro o sobre otro, como ocurre con las bromelias que se adhieren a las ramas o los troncos de los árboles y, desde allí, capturan el agua que almacenan en sus hojas dispuestas en forma de roseta, y obtienen del árbol únicamente el sustrato para sostenerse. Actividad 1.2.5 Mutualismo El mutualismo ocurre entre dos o más organismos de diferentes especies que se asocian para obtener beneficios. Las plantas con semillas y los organismos polinizadores y dispersores de estas constituyen un ejemplo de relación mutualista. Este tipo de interacción puede o no implicar un vínculo físico y, con base en esta condición, se puede clasificar en mutualismo obligado y mutualismo facultativo.

En el mutualismo obligado la relación entre las especies es tan estrecha que estas no pueden vivir la una sin la otra. Por ejemplo, los corales son una asociación entre diminutos animales, los pólipos, en cuyo interior viven algas. Sin las algas, los pólipos mueren. En el mutualismo facultativo una de las especies no depende de la otra para sobrevivir y ambas pueden establecer relaciones semejantes con otras especies. Así, por ejemplo, algunas plantas con flores producen el néctar del que se alimentan algunos insectos o aves y, a cambio, las plantas obtienen, de cualquiera de los dos, insecto o ave, el transporte de su polen hacia otras plantas para su reproducción. Actividades 1.2.6 Simbiosis En la simbiosis, los organismos se asocian físicamente, es decir, uno vive dentro del otro, pero sin perjudicarse. Las relaciones simbióticas muy prolongadas pueden generar grandes cambios en los organismos que interactúan; por ejemplo, en los líquenes, que están conformados por un alga y un hongo, la asociación es tan íntima que es imposible que vivan separados. El alga provee nutrientes al hongo que obtiene durante la fotosíntesis y el hongo ofrece al alga la humedad necesaria para que sobreviva. Así, la simbiosis constituye una forma de mutualismo, pero no todos los casos de mutualismo se pueden calificar como simbióticos.

La rémora es un pez que se adhiere a otro, con frecuencia un tiburón, y se alimenta de los restos de comida que este desecha.

Las especies de orquídeas necesitan de un polinizador para transferir sus granos de polen de una planta a otra para que se produzca la fecundación.

Los rumiantes alojan bacterias y hongos en el rumen. Esta estructura les proporciona a los microorganismos un ambiente adecuado y el animal, a cambio, es beneficiado con la digestión de la celulosa. ©

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Interacciones y adaptaciones

1.3 La selección natural moldea los cambios a nivel anatómico, fisiológico y comportamental, lo que lleva a las especies a evolucionar. Pero es el ambiente el que impone las condiciones que los organismos deben resistir para lograr sobrevivir y, para enfrentarlas, los seres vivos deben establecer diversas y complejas interacciones.

Los escarabajos del género Cyclocephala entran a las flo res de la Victoria amazónica para quedar atrapados den tro, cuando en la noche los pétalos se cierran completa mente. Allí, el escarabajo se alimenta en las estructuras ricas en néctar y queda casi completamente cubierto de polen. Al día siguiente, las flores se abren y cambian el color de sus pétalos de blanco a rojo, pierden el olor y bajan su temperatura. Por esto ya no resultan atracti vas para los escarabajos que abandonan la flor y empie zan a buscar otra flor blanca para alimentarse y, a su vez, depositar el polen.

Las especies de las plantas del género Ficus spp. son lla madas trepadoras estrangu ladoras. Inician su vida con una semilla depositada por un ave o un mono en la copa de un árbol entre las epifi tas. Los zarcillos, que son estructuras similares a espi nas, crecen hacia el tronco del árbol y hacia abajo, ro deándolo de manera similar a una malla; posteriormente, tocan el suelo y generan su propio sistema radicular. El árbol muere y se descom pone, por efecto del estran gulamiento o de la sombra, y la estranguladora continúa creciendo, pero sostenién dose sola.

Existen relaciones hormigaplanta, en las que la hormiga protege a la planta mientras la planta le ofrece refugio y nutrientes. Pero no en todos los casos la hormiga le es fiel a la planta: en ocasiones las orugas de la mariposa Thisbe irenea atraen a las hormigas para que las protejan de las avispas, y dejan de cuidar a la planta hospedera (Croton spp.) que, además, es consu mida por las mismas orugas. Estas orugas han desarro llado órganos nectarios que producen más proteínas para atraer a la hormiga que la planta, que solo puede pro ducir carbohidratos. También desarrollaron secreciones químicas que imitan las de las hormigas y les indican que las deben defender.

Las epífitas son plantas que viven sobre otras plantas. Allí atrapan partículas suspen didas en el aire de las que obtienen sus nutrientes. De sarrollan su sistema radicular acumulando materia orgá nica y, con esta, forman una base de suelo orgánico. Las epifitas no dañan directa mente el árbol, pero pueden afectarlo al competir con él por agua y minerales. Algu nos árboles desarrollan raí ces aéreas que crecen dentro de la materia orgánica acu mulada por la epifita para tomar agua y nutrientes de esta. Así, gracias a la presen cia de la epifita, el árbol se beneficia al obtener nutrien tes de su propia copa.

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Componente Procesos biológicos

Desgarrar

Velocidad y agudeza visual

Fuerza

Los osos pueden destrozar con las garras prácticamente todo lo que encuentran a su paso.

El halcón peregrino (Falco peregrinus) es un ave de actividad diurna, se alimenta princi palmente de aves, mamíferos pequeños e insectos. Sobrevuela áreas abiertas, donde despliega un vuelo suave con planeos cortos. Al momento de cazar alcanza las mayores velocidades registradas entre las aves (hasta 300 o 400 km/h) para abalan zarse sobre las presas.

Los cocodrilos poseen como máximo 32 dientes en el maxilar superior y 40 en el in ferior. Son pocos los animales que se libran de la muerte si quedan atrapados entre los dientes y las mandíbulas de un cocodrilo.

Cortar

Luchar

Punzar

Las barracudas embisten rápidamente a sus presas y las atrapan con sus dientes que son como dagas. En ocasiones, guían los cardúmenes con el propósito de facilitar su captura. Las barracudas de mayor tamaño viven en las aguas occidentales del Atlántico.

Los machos alces rivalizan para descubrir cuál es el más fuerte. Se enfrentan y, si ninguno se retira, lanzan bramidos de de safío y entrelazan las cornamentas en una lucha de fuerza y resistencia. Tensan todos los músculos para empujarse y chocar de frente. Por lo general, el más débil se retira, aunque algunas veces luchan hasta que alguno muere. El vencedor copula con la hembra y pasa varios días con ella.

Los colmillos de las serpientes de cascabel apuntan hacia fuera para inyectar el ve neno en las presas. Mientras la ponzoña ejerce su rápido efecto, la serpiente retrocede y devora su presa muerta o moribunda.

1.3.1 Adaptaciones Las adaptaciones son características anatómicas o comportamentales que ayudan a mejorar la supervivencia o la reproducción de un organismo. Estas se forman a través de largos períodos de tiempo y responden a las presiones de selección del ambiente como la búsqueda de pareja o la evasión de los predadores. Cuando una especie es predadora de otra y adquiere adaptaciones para mejorar su ataque, la especie presa también debe adquirir adaptaciones que le permitan escapar del predador, así las especies se ven involucradas en una carrera armamentista en la que aquella que flaquee estará condenada a la extinción. ©

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Competencias científicas

5 Señala un ejemplo de adaptación de un ser

INTERPRETO A F I A N Z O

1 Lee, con atención, el siguiente texto. Con

vivo para cada una de las siguientes condiciones ambientales.

base en él, realiza las actividades 2 y 3.

En la selva húmeda tropical hay una enorme diversidad de organismos. Sobre los grandes árboles crecen plantas como las bromelias que viven en ellos, sin hacerles daño. Las aves y los micos se alimentan de frutas y, al hacerlo, dispersan sus semillas por distintos lugares. Sin embargo, no deben descuidarse: de la parte alta del bosque puede caer en picada una rápida águila para atraparlos. Los micos viven en grupo y se acicalan el pelaje unos a otros, mientras se quitan garrapatas y piojos de los cuales se alimentan.

C O M P E T E N C I A S

2 Escribe las relaciones ecológicas que se mencionan en el texto.

3 Completa en tu cuaderno un cuadro como el siguiente, sobre las interacciones de los seres vivos. Seres vivos que interactúan

Explicación de la interacción

Tipo de interacción (intraespecífica o interespecífica)

Ser vivo

Condición Altas temperaturas Bajas temperaturas Luz Oscuridad permanente Movimiento del agua

Adaptación

ARGUMENTO 6 Lee el siguiente texto y con base en él, realiza las actividades 7 a 11.

Un investigador cultivó dos especies de protozoos, Paramecium caudatum y Paramecium aurelia, cada una en un medio nutritivo independiente. Las observó durante varios días y registró el crecimiento de cada población. Posteriormente, colocó las dos especies en un mismo medio y registró el crecimiento de las poblaciones durante el mismo tiempo. Con los datos obtenidos, realizó las siguientes gráficas. Número de individuos 800 Paramecium caudatum en cultivo puro

400

4 Escribe acerca del tipo de relación interespecífica que se observa en los siguientes casos. A

2 4 6 8 10 12 14 16 18 Días

Número de individuos 800 400

Paramecium aurelia en cultivo puro

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Días Número de individuos P. aurelia 800 400 0

En cultivo mezclado P. caudatum 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Días

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Identificar •

Indagar •

7 Describe el comportamiento de cada especie

Explicar •

Comunicar •

Trabajar en equipo

Desarrollo compromisos personales y sociales

en su propio medio de cultivo.

8 Explica qué ocurre con las especies en la tercera gráfica.

9 Relaciona con un tipo de interacción, el com-

17 Lee, con atención, la siguiente información. Luego, realiza las actividades 18 a 21.

portamiento de las especies en la tercera gráfica.

10 Identifica si se trata de un caso de competen-

cia por explotación o por interferencia. Argumenta tu respuesta.

11 Determina si se trata de un caso de exclusión competitiva o no, y justifica tu respuesta.

12 Observa la imagen y realiza las actividades 13 a 15.

Los arrecifes coralinos, junto con las selvas tropicales húmedas, constituyen los ecosistemas más diversos pero a su vez los más frágiles. Se desarrollan en aguas cálidas, claras, con alta salinidad y pobres en nutrientes. Proveen hábitat a una gran cantidad de organismos que viven asociados a ellos: más de un millón de especies vivientes pertenecientes a los cinco reinos. Los arrecifes modifican las propiedades físicas del fondo marino y, por tanto, también las ecológicas.

18 Explica la relación que existe entre la alta

diversidad y la fragilidad de los arrecifes coralinos.

19 Consulta sobre los arrecifes coralinos en Co13 Escribe el tipo de interacción que muestra la imagen y respalda tu respuesta con dos razones.

14 Explica cuáles serían las consecuencias de

disminuir el tamaño de la población de arañas de un determinado lugar.

15 Explica qué ocurriría si disminuyera la población de presas de una araña.

16 Explica por qué la siguiente expresión es incorrecta, y escríbela correctamente:

“El nicho ecológico del elefante africano es la sabana y lo comparte con otras muchas especies de herbívoros”.

lombia y el tipo de relaciones ecológicas que allí se establecen. Con la información obtenida, elabora un friso y compártelo con tus compañeros.

20 Con ayuda de tu docente y tus compañeros,

organiza una exposición de los frisos elaborados por todo el curso ante los compañeros de otros cursos para mostrarles la importancia de este valioso ecosistema y concientizarlos de la necesidad de protegerlo.

21 Con tus compañeros, elabora un listado de

las especies más importantes de los arrecifes coralinos y de las características más representativas de cada una. Publíquenlo en el periódico del colegio, o en otro medio, para contribuir a la conservación de las especies de este ecosistema. ©

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Entorno vivo

Flujo de materia y energía en los ecosistemas

Recurso imprimible

Ampliación multimedia

Los seres vivos necesitamos alimentarnos para obtener la materia y la energía que utilizamos al realizar todas las funciones vitales. En los ecosistemas, la materia y la energía circulan entre los seres vivos y el entorno físico que los rodea y son incorporados a medida que los organismos se alimentan de otros. La energía fluye a través de las cadenas y las redes tróficas y los nutrientes son reciclados durante los ciclos biogeoquímicos.

Recurso

Estructura trófica

Actividad imprimible 2.1 La estructura trófica de un ecosistema hace referencia a las interacciones alimenticias que se establecen entre los diferentes organismos que lo componen y que permiten que, tanto la energía como los nutrientes, pasen de un organismo a otro. Consumidor terciario

Según la fuente de la cual obtienen energía y materia, los organismos pueden ser clasificados como productores o autótrofos, consumidores y descomponedores. Los productores o autótrofos (ver imagen A) son aquellos que fabrican su propia materia orgánica por medio de la fotosíntesis o por otros procesos químicos.

Consumidor secundario

Consumidor primario A

Los consumidores (B) son aquellos que se alimentan de otros seres vivos, y se clasifican en consumidores primarios, que son los que se alimentan de los productores, es decir, aquellos que se alimentan de plantas; consumidores secundarios, que son los que se alimentan de los consumidores primarios; por ejemplo: los animales carnívoros, que se alimentan de los herbívoros, y consumidores terciarios, que son aquellos que se alimentan de herbívoros y de otros carnívoros. Los descomponedores (C) se nutren al consumir materia orgánica en descomposición y, como resultado, liberan sustancias inorgánicas, que son las que utilizan los productores en la fotosíntesis. El nivel trófico de un organismo se refiere a cuántos organismos hay entre él y los autótrofos unidos por relaciones alimenticias, como los eslabones de una cadena. Inicialmente, la energía es capturada por los autótrofos, que constituyen el primer nivel trófico, y los organismos que se alimentan de estos o de otros animales tendrán un nivel trófico cada vez mayor.

4 0 Acción de pensamiento: explico la forma en que fluyen la materia y la energía en los ecosistemas.

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Componente Procesos biológicos 2.1.1 Productores o autótrofos Los productores o autótrofos son los organismos que tienen la capacidad de captar la energía de la luz solar para producir moléculas orgánicas y constituyen el primer nivel trófico. El proceso por el cual obtienen estas moléculas generalmente es la fotosíntesis, que consiste en la absorción de dióxido de carbono del aire o del agua y, junto con el agua y la energía proveniente del sol, se produce glucosa, una molécula que almacena energía. La quimiosíntesis es un proceso alterno a la fotosíntesis que es realizado por algunas bacterias capaces de utilizar la energía liberada en las reacciones químicas de oxidación para producir su propio alimento; a estas bacterias se les llama quimioautótrofas y son la base de comunidades que no disponen de energía proveniente del sol. 2.1.2 Consumidores o heterótrofos Los consumidores dependen de otros organismos para adquirir materia y energía, que ingresa en este nivel por medio de los herbívoros o consumidores primarios. Una gran cantidad de energía química proveniente del alimento digerido se utiliza para el mantenimiento de los procesos metabólicos y las actividades cotidianas, por lo que, en términos ecológicos, se considera perdida. A partir del segundo orden, todos los consumidores matan a otros animales para alimentarse, por lo que se denominan carnívoros, ya que se alimentan de carne. En la mayoría de ecosistemas se encuentran consumidores hasta de tercer orden, y en donde hay abundancia de recursos se puede encontrar hasta del cuarto o quinto orden; sin embargo, esto no es muy común, ya que la energía se pierde a medida que se sube de nivel trófico y, en los niveles altos, no es suficiente para sostener una población de grandes predadores. 2.1.2.1 Carroñeros y detritívoros Algunos organismos pueden ser carroñeros, si se alimentan de grandes pedazos de animales muertos, o detritívoros, si se alimentan de pequeños fragmentos de material orgánico en proceso de descomposición llamados detritos, lo que contribuye con el reciclaje de nutrientes y permite que las sustancias almacenadas regresen a la cadena trófica. Actividades

2.1.3 Descomponedores Cuando un organismo muere quedan energía y materia almacenadas en sus tejidos que no son consumidos totalmente por los predadores. Estos tejidos son aprovechados por los descomponedores, quienes obtienen energía y liberan nutrientes como el carbono y el nitrógeno, que luego, vuelven a depositarse en el suelo o en la atmósfera. Descomponedores como los hongos tienen paredes celulares rígidas que les impiden formar vesículas para englobar su comida, por lo que liberan enzimas que descomponen los restos y, luego, absorben directamente las moléculas orgánicas simples. Los descomponedores juegan un papel fundamental en los ecosistemas, ya que permiten que los nutrientes se reciclen y vuelvan a ser utilizados. Si no estuvieran presentes, la materia orgánica y los restos de organismos muertos se quedarían en el suelo y se acumularían.

Muchas especies de buitres consumen el mismo tipo de animales muertos, pero se especializan en diversas partes: A. El buitre común (Gyps fulvus) tiene un pico enorme y pesado para desgarrar el cadáver. B. el buitre de rupell (Gyps rueppellii) alcanza con su cuello, largo y sin plumas, las partes más internas del cadáver. C. el alimoche común (Neopron percnopterus) puede arrancar ciertos pedazos de carne como los del cráneo con su pico delgado. ©

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La eficiencia ecológica

Enlace web

2.2 La eficiencia ecológica es la capacidad de los seres vivos para explotar sus recursos alimenticios y convertirlos en biomasa en un nivel trófico particular. Esta eficiencia puede ser medida con parámetros que permiten entender mejor las relaciones tróficas y evaluar la acumulación y la transferencia de materia y energía que se produce en un ecosistema.

1 año Biomasa: 500.000 kg/m2

2.2.1 Biomasa (B) La biomasa es la cantidad de materia acumulada en un individuo, un nivel trófico, una población o un ecosistema; se expresa en unidades de masa por unidad de superficie o de volumen. Los organismos aumentan la biomasa con la reproducción y con el crecimiento. 2.2.2 Producción (P) Se denomina producción a la cantidad de energía que se almacena en forma de biomasa en cada nivel trófico por unidad de tiempo. Se puede medir de distintas formas, en g/cm2/año, t/ha/año, etc.

10 años

En función del nivel trófico, se distingue entre: Producción primaria

Biomasa: 650.000 kg/m2

Producción secundaria

Es la energía captada por los productores en un ecosistema por medio de la fotosíntesis.

Es la energía captada por los consumidores mediante la alimentación.

2.2.3 Productividad (p) La productividad expresa la rentabilidad y el estado de un nivel trófico, ya que relaciona su producción con su biomasa (p 5 P/B). La productividad será mayor cuanto menor sea la pérdida de biomasa entre un nivel trófico y el siguiente. 20 años Biomasa: 800.000 kg/m2

En general, los organismos pequeños son muy productivos, debido a que se reproducen y crecen rápidamente; es decir, la biomasa aumenta con gran rapidez. Dentro de la productividad se diferencia entre: Productividad bruta (pb) que es la cantidad total de biomasa generada por un nivel trófico cualquiera. Productividad neta (pn) que es la cantidad total de biomasa que queda disponible para el siguiente nivel trófico, después de descontar la parte consumida en la respiración celular (R), es decir, es la biomasa almacenada en un nivel trófico y que puede ser aprovechada por otros niveles. Esto es: pn 5 pb 2 R Donde: pn 5 productividad neta pb 5 productividad bruta R 5 respiración celular

En un bosque maduro como este, la productividad es muy baja. La producción se emplea en reponer la elevada biomasa (troncos, ramas,...) y en la respiración.

Argumento Si en un determinado ecosistema pudiésemos calcular la masa de todos los herbívoros y carnívoros, ¿cuál de estos grupos de animales tendría más cantidad de masa?, ¿por qué?

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Componente Procesos biológicos

Cadenas tróficas

Ampliación multimedia

2.3 Del total de energía que emana del Sol, solo una pequeña porción que puede oscilar, entre el 0,1% al 3%, dependiendo de la cantidad de vegetación, fluye hacia las plantas y algas, para realizar el proceso de fotosíntesis. Los organismos fotosintetizadores utilizan esta pequeña porción de energía solar, más moléculas de dióxido de carbono y agua para producir constantemente varias toneladas de materia orgánica, que pasa de un organismo a otro mediante la alimentación, atravesando los diversos niveles tróficos. A medida que la energía acumulada en cierto nivel trófico es utilizada y transformada en un nivel trófico superior, una parte de ella se pierde, por lo que la energía disponible para los niveles superiores va disminuyendo. La dinámica entre los niveles tróficos y el fluir de energía y materia fue representada en diagramas de flujo, como las cadenas tróficas del ecólogo Eugene P. Odum. Las cadenas tróficas son representaciones gráficas que muestran el flujo de energía en los niveles de un ecosistema a partir de las relaciones alimentarias, es decir, muestran quién se come a quién. Cada cadena trófica empieza con un productor, ya que es este el organismo que tiene la capacidad de producir sus propias moléculas orgánicas. A continuación, se encontrará un consumidor de primer orden. Entre ambos organismos se dibuja una flecha que indica la dirección del flujo de energía, es decir, que se origina en el productor y apunta hacia el consumidor de primer orden. Después habrá un consumidor de segundo orden, nuevamente conectado con una flecha al consumidor de primer orden.

Productor

Consumidor primario

Consumidor secundario

Cada organismo es un eslabón en la cadena y representa un nivel trófico: los productores son el primer nivel trófico, los consumidores primarios son el segundo nivel trófico, los consumidores secundarios son el tercer nivel trófico, y así sucesivamente. Generalmente, las cadenas tienen entre tres y cinco eslabones, y son lineales; cada organismo solo puede estar conectado con una presa y con un predador.

Consumidor terciario

Aprende a resolver problemas ¿Cómo construir una cadena trófica? A partir del siguiente texto, construye una cadena trófica. Después, te invitamos a revisar los pasos necesarios para hacerlo correctamente. En las sabanas africanas, grandes manadas de herbívoros, como las cebras, pastan tranquilamente durante el día. Parecen ajenas al peligro que las acecha: una leona, oculta entre los pastizales, observa atentamente a las cebras. Ella misma no se imagina que, a su vez, está siendo observada por un grupo de hambrientas hienas, dispuestas a atacarla. ¿Qué necesitas encontrar? Lo primero que debes hacer es identificar la fuente de alimento de cada uno de los organismos que se mencionan: El pasto hace fotosíntesis, por tanto, es un productor. Las cebras comen pasto. La leona come cebras.

Las hienas comen leones (en ocasiones). ¿Cómo resuelves el problema?

Ubica en el primer nivel trófico, en la base de la cadena, al productor: el pasto.

Traza una flecha desde el pasto hacia arriba, hacia el segundo nivel trófico. Escribe allí el nombre del organismo que se alimenta de pasto: la cebra.

Traza una flecha hacia arriba y escribe el nombre

del organismo que se come a las cebras: la leona.

Desde la leona, traza una última flecha hacia arriba

y escribe el nombre de las hienas. Reflexiona

¿Por qué es importante la dirección de las flechas? ¿Qué podrías proponer si en el texto no apareciera la fuente de alimento de alguno de los animales?

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2.4

Redes tróficas

Recurso imprimible

Actividades

Las redes tróficas son representaciones gráficas que muestran cómo fluye la energía en un ecosistema, cuando hay varias relaciones alimenticias posibles entre las diferentes especies. Una red trófica está formada por el conjunto de cadenas tróficas interconectadas que se establecen entre los seres vivos de un ecosistema. Las redes tróficas pueden ser construidas para describir el flujo de energía en cualquier ecosistema, ya sea terrestre o acuático.

Podría decirse que una red trófica está formada por varias cadenas tróficas que se cruzan. En una cadena trófica, cada organismo se alimenta de una sola especie y por esto es lineal, pero en la naturaleza no suele ocurrir así. La mayoría de los animales se alimentan de varias especies distintas, como por ejemplo las mirlas, que se alimentan de diferentes frutos, gusanos y hasta polluelos de otras especies. A estos animales se les llama generalistas. Por el contrario, los animales especialistas se alimentan solo de una especie o varias especies cercanas. Es el caso de los koalas, que únicamente comen hojas de eucalipto. Las redes tróficas son más apropiadas que las cadenas tróficas para mostrar las relaciones alimentarias en un ecosistema, pero también son más complejas. Es casi imposible representar todas las relaciones en un ecosistema, por lo que los investigadores se centran en algunas especies de su interés para construirlas. Al observar una red trófica es fácil entender cómo todos los seres vivos se relacionan y son dependientes unos de otros. Cada especie desempeña un papel particular en un ecosistema: ser la presa de otra especie para permitir su supervivencia, ser predador, y de esta manera controlar el crecimiento de la población de presas, y en la mayoría de los casos, las dos cosas: los organismos son tanto predadores como presas. Por ejemplo, en un ecosistema marino, tanto los delfines como los tiburones se alimentan de atunes, es decir, que compiten por alimento. Si los atunes llegaran a desaparecer, los delfines y los tiburones necesitarían buscar otra fuente de alimento o podrían morir. Si los tiburones desaparecieran los delfines tendrían más alimento y podrían reproducirse más, quizás hasta llegar a la sobrepoblación. Si tanto delfines como tiburones desaparecieran, serían los atunes los que estarían en exceso. En resumen, el delicado equilibrio de un ecosistema puede ser fácilmente perturbado, en formas que a veces ni imaginamos. Aunque todas las especies de un ecosistema son muy importantes, algunas desempeñan un papel fundamental para mantener la red trófica y el ecosistema. Se trata de las especies clave. Estas especies desempeñan alguna función vital para el ecosistema: las especies ingenieras modifican el entorno en sus ecosistemas, y las especies predadoras mantienen el tamaño de las poblaciones de sus presas bajo control.

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Componente Procesos biológicos

Pirámides tróficas

Actividad

2.5 Las pirámides tróficas son representaciones de la cantidad de energía, biomasa o individuos que hay en cada nivel trófico dentro de un ecosistema.

Pirámide de energía Consumidores terciarios Calor

2.5.1 Pirámides de energía Las pirámides de energía muestran qué tanta energía pasa de los productores a los consumidores primarios, de estos a los secundarios, y así sucesivamente. También muestran cómo al pasar de un nivel trófico a otro se pierde parte de la energía, y que a medida que se sube de nivel trófico hay menos energía, que se puede perder en tres formas: el material no consumido, el material no digerido y la pérdida de calor. El material no consumido: al matar a una presa, los predadores no devoran todo el animal y dejan restos como los huesos, la piel, los dientes y hasta carne. La energía almacenada en estos tejidos no pasará al siguiente nivel trófico. Igual pasa con los herbívoros, cuando no ingieren las semillas o la piel de los frutos, o dejan caer al suelo parte del alimento. El material no digerido: parte del alimento Pirámide de biomasa que pasa por el sistema digestivo de un animal Consumidores no es digerido ni absorbido por este, y al final secundarios del proceso de digestión es expulsado en forma de heces. Los productos que se expulsan en la egestión, como las plumas o los pelos también constituyen una forma de perder energía. La pérdida de calor: en el proceso de atrapar a su presa, matarla y comerla, los predadores invierten energía. Una parte de esta energía es transformada en calor, que se libera al ambiente. 2.5.2 Pirámides de biomasa Las pirámides de biomasa son representaciones de la cantidad de materia orgánica o biomasa que se encuentra acumulada en los organismos de un nivel trófico. Al igual que en las pirámides de energía, el nivel de los productores cuenta con la mayor cantidad de biomasa. Para realizar este tipo de diagrama, se utilizan parámetros como la productividad primaria bruta, la productividad primaria neta, la productividad secundaria y la eficiencia ecológica. 2.5.3 Pirámides de individuos Las pirámides de individuos muestran cuántos organismos hay en cada nivel trófico. Generalmente hay un mayor número de individuos en los primeros niveles tróficos y menos en los superiores, aunque estos últimos suelen ser de mayor tamaño.

Consumidores secundarios

Consumidores primarios Energía solar

Productores

Consumidores primarios

Productores

Pirámide de individuos

Consumidores secundarios (8 individuos) Consumidores primarios (92 individuos)

Productores (muchos individuos) ©

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Recurso

Ciclos biogeoquímicos

Lexicón Agua: palabra que procede del latín aqua y es una sustancia cuyas moléculas están formadas por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno.

Inicialmente el agua que se encuentra en las nubes cae de la atmósfera a la Tierra en forma de precipitación, ya sea en estado líquido o sólido, como nieve y granizo.

Recurso

Ampliación

imprimible multimedia 2.6.1 Ciclo del agua El ciclo del agua describe la circulación del agua entre los organismos y el medio, a partir de los cambios de estado de esta, que dependen de la temperatura sobre la superficie de la Tierra y de su localización. Muchos de los nutrientes que necesitan las plantas son transportados disueltos en agua; el agua constituye el hábitat de muchas especies, además tiene la capacidad de actuar como regulador térmico en los ecosistemas y en los organismos gracias a sus propiedades químicas.

9 Las nubes pueden ser transportadas por el viento a sitios lejanos, donde eventualmente el agua caerá nuevamente en forma de precipitación.

Ampliaciones Actividades

2.6 imprimible multimedia Los ciclos biogeoquímicos son procesos en los que circula la materia entre los componentes bióticos, como los animales y las plantas, y los componentes abióticos como la hidrosfera, la litosfera y la atmósfera. Estos ocurren debido a que algunos nutrientes, por ejemplo: el carbono, el nitrógeno y el fósforo, se encuentran en cantidades limitadas en la Tierra y, por consiguiente, los ecosistemas deben reciclarlos constantemente. Actividades

Una vez en la atmósfera, el agua en estado gaseoso o vapor se elevará hasta formar las nubes. Luego, al enfriarse, se condensará, regresará al estado líquido y se precipitará nuevamente en forma de lluvia.

8 El agua precipitada puede caer directamente sobre el océano o los cuerpos de agua continentales, como lagos y ríos.

Parte del agua superficial en las escorrentías y los cuerpos de agua pasará al estado gaseoso por evaporación.

El agua puede pasar a los organismos al ser bebida por los animales o absorbida por las raíces de las plantas.

En la superficie terrestre, el agua puede ser absorbida por el suelo hasta llegar a depósitos subterráneos.

El agua puede permanecer en la superficie terrestre, formando la escorrentía superficial y deslizándose sobre el suelo hasta desembocar en un riachuelo.

En la evapotranspiración, el agua que se encuentra en los organismos pasará nuevamente a estado gaseoso y regresará a la atmósfera.

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Recurso

Ampliación

Actividad

2.6.2 Ciclo del carbono imprimible multimedia El ciclo del carbono consiste en una serie de transformaciones, principalmente químicas, por las que pasa el carbono en un ecosistema. El carbono es el principal elemento que forma las macromoléculas de los seres vivos: proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, en combinación con oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y otros elementos. La atmósfera contiene dióxido de carbono (CO2), que es absorbido del aire por los organismos productores para realizar la fotosíntesis y producir glucosa. En el proceso de fotosíntesis, los productores también liberan oxígeno (O2) a la atmósfera. El carbono que ha sido fijado en los tejidos de los productores pasa a los consumidores a través de la cadena trófica, y de esta manera, todos los consumidores obtienen el carbono en forma de moléculas orgánicas. Los seres vivos realizamos el proceso de respiración celular, en el que se libera la energía contenida en la glucosa y como productos de desecho se liberan CO2 y vapor de agua. Cuando los organismos mueren, los descomponedores actúan sobre sus restos y liberan CO2, que regresa a la atmósfera para ser usado nuevamente por las plantas. Parte del carbono que está almacenado en la corteza terrestre se encuentra en los combustibles fósiles, como el petróleo y el carbón, que provienen de un lento proceso de transformación de los restos de antiguas plantas. Cuando se usan los combustibles fósiles ocurre una reacción química llamada combustión, que es similar a la respiración celular ya que ambas usan O2 para liberar energía y producir CO2, solo que en la combustión también se libera mucha energía en forma de luz y calor. Las erupciones volcánicas liberan una gran cantidad de CO2 al aire.

En los ecosistemas acuáticos hay una gran cantidad de carbono almacenado, en forma de iones de carbonato disueltos en el agua y como sales de carbonato de calcio en las conchas de animales marinos. Al igual que en los ecosistemas terrestres, los productores, en este caso las algas, fijan el carbono mediante la fotosíntesis e inician la red trófica. La respiración y la descomposición regresan el carbono al agua o directamente a la atmósfera.

Lexicón Carbono: palabra que procede del latín carbo-onis que significa “carbón de leña”.

Las erupciones volcánicas liberan CO2 a la atmósfera.

El CO2 se encuentra presente en la atmósfera.

El CO2 es utilizado por las algas y las plantas en la fotosíntesis.

El CO2 es liberado a la atmósfera como producto de la respiración.

El carbono pasa a través de los seres vivos por medio de la alimentación.

Liberación de CO2 por quema de biomasa.

La quema de combustibles fósiles libera CO2 a la atmósfera.

Sedimentos marinos

Roca caliza Combustibles fósiles

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Lexicón Fósforo: palabra que procede del latín phosphŏrus que significa “portador de luz”.

Enlace web 2.6.3 Ciclo del fósforo El ciclo del fósforo describe cómo este elemento circula entre los organismos, el suelo, el agua y las rocas, aunque no pasa por la atmósfera. El fósforo es utilizado por los seres vivos en moléculas tan importantes como el ADN, la molécula que contiene la información genética de los seres vivos, el ATP, la fuente de energía para todos los procesos necesarios para mantener la vida, y los fosfolípidos, que son el principal componente de las membranas celulares.

La fuente inicial del fósforo es la corteza terrestre, ya que se encuentra almacenado en las rocas y el suelo. Cuando el agua se precipita y corre por la superficie terrestre, disuelve y arrastra el fósforo en forma de fosfatos. Los fosfatos del suelo pueden ser usados por las plantas para fabricar alimento. A partir de ahí el fósforo pasará a los demás organismos del ecosistema a través de las relaciones tróficas. Este elemento regresará al suelo en los excrementos de los animales, o en los restos de organismos muertos. Mediante la acción de los descomponedores, los fosfatos quedarán en el suelo y podrán ser usados nuevamente por las plantas.

Los ecosistemas acuáticos también hacen parte del ciclo del fósforo. La precipitación y, posteriormente, la escorrentía arrastran parte del fósforo que se encuentra en el suelo y lo llevan hasta cuerpos de agua como los ríos. Los ríos siguen con su cauce hasta desembocar en el océano, llevando consigo el fósforo. Una vez en el mar, parte del fósforo puede ser absorbido por los productores, y de esta manera ingresar a la cadena trófica. Otra parte puede acumularse en el fondo del mar. Este fósforo prácticamente queda fuera del ciclo, ya que puede tardar millones de años en volver a circular, quizás cuando haya hecho parte de nuevas rocas formadas en el fondo del mar. Igualmente pasa con el fósforo que se encuentra almacenado en los fósiles. Cuando los organismos marinos mueren, o al alimentarse, los restos orgánicos caen al fondo y quedan a disposición de los descomponedores, cuya acción hace regresar el fósforo al ciclo.

Escorrentía Incorporación de fósforo por medio de la alimentación.

Fosfatos

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2 Los fosfatos y el nitrógeno son sustancias fundamentales para el crecimiento de las plantas. Por este motivo son componentes básicos de los fertilizantes, que se utilizan en los cultivos para incrementar la productividad agrícola. Sin embargo, su uso acarrea algunos problemas ya que el agua de la precipitación transporta parte de los fertilizantes usados en los cultivos hasta los cuerpos de agua que, al recibir descargas de fertilizantes, producen el crecimiento desmedido de las algas y las plantas de los ecosistemas acuáticos. Esto causa que se acumule la materia orgánica y en descomposición, y que disminuya la concentración de oxígeno disuelto en el agua. El proceso de la acumulación excesiva de nutrientes en el agua se conoce como eutrofización.

Absorción de fosfatos por productores acuáticos.

Fosfatos

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Componente Procesos biológicos Recurso

Ampliación

imprimible multimedia 2.6.4 Ciclo del nitrógeno El ciclo del nitrógeno comprende los cambios por los que pasa el nitrógeno en su paso por los seres vivos y la atmósfera. Los seres vivos necesitamos del nitrógeno porque forma parte de las proteínas y del ADN.

El nitrógeno de la atmósfera se encuentra en estado puro y no puede ser usado por la mayor parte de los seres vivos, por eso, debe ser modificado para formar iones que las plantas puedan absorber y emplear para construir sus proteínas y otras moléculas. Los iones son átomos o conjuntos de átomos que tienen carga eléctrica, ya sea positiva o negativa. Esta modificación del nitrógeno la realizan algunas bacterias y algunos hongos que habitan el suelo. Ellos toman el nitrógeno del aire y lo combinan con hidrógeno o con oxígeno para formar nitratos, nitritos y amoniaco. Esta transformación química se conoce como fijación de nitrógeno, ya que se toma nitrógeno del aire y se transforma en formas útiles para los seres vivos.

Actividades

Las raíces de las plantas pueden absorber estas formas de nitrógeno y utilizarlas para construir nuevas moléculas, en un proceso llamado asimilación. Después de que el nitrógeno forma parte de los tejidos de las plantas, pasará a los consumidores de primer orden cuando estos se alimenten de ellas, y así sucesivamente por medio de las cadenas tróficas. El metabolismo de las proteínas en los animales produce desechos nitrogenados como la urea y el ácido úrico, que son liberados al ambiente en la orina. Estos desechos son convertidos en amoniaco que permanece en el suelo y puede ser usado otra vez mediante el proceso de amonificación. Lo mismo ocurre con los compuestos nitrogenados que se encuentran en los restos de organismos muertos. Las bacterias anaeróbicas que habitan el suelo actúan sobre los compuestos nitrogenados para liberar nitrógeno a la atmósfera nuevamente, y continuar con el ciclo. Nitrógeno atmosférico

Paso del nitrógeno a través de la alimentación.

6 Liberación de desechos nitrogenados.

4 Amonificación

5 Asimilación Liberación de nitrógeno a la atmósfera. Fijación de nitrógeno Micorrizas ©

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Sucesiones ecológicas

Recurso imprimible

Ampliación multimedia

2.7 Las sucesiones ecológicas son las transformaciones por las que pasa un ecosistema a medida que las especies que forman parte de él varían hasta conformar una comunidad relativamente constante. Estas se pueden clasificar en dos categorías: las sucesiones primarias y las sucesiones secundarias, dependiendo de las condiciones iniciales de las cuales parte la sucesión.

2.7.1 Cambios generales en una sucesión En todos los ecosistemas, a medida que la sucesión avanza, se van produciendo de manera general los siguientes fenómenos: La instalación de monocultivos en zonas donde había bosques provoca una regresión hacia las primeras etapas de la sucesión. Se vuelve a etapas de gran producción y baja biodiversidad.

Cuando un ecosistema alcanza el clímax, prácticamente toda la materia orgánica que se produce es consumida y la materia orgánica muerta es descompuesta rápidamente. La biomasa alcanza niveles máximos y la producción neta es muy baja, a este ecosistema se le denomina bosque maduro.

Aumento de la diversidad de especies: que requiere de un mayor número de ni chos ecológicos, donde unas especies son sustituidas por otras. Mayor complejidad estructural: al aumentar el número de especies, la diversidad en cada nivel trófico es mayor y se producen redes tróficas cada vez más complejas. Además, aumenta el número de relaciones interespecíficas. Incremento en la biomasa: al comienzo de la sucesión se incrementa de forma exponencial, pero conforme va madurando, el crecimiento se estabiliza. Eficacia en el aprovechamiento de la energía: a lo largo de los niveles tróficos, la energía fluye de manera más eficaz, con lo que el aprovechamiento energético tiende a ser óptimo. Disminución de la productividad: la relación producción/biomasa disminuye. Mayor estabilidad del ecosistema: un ecosistema maduro presenta mecanismos de autorregulación que lo hacen más resistente a las perturbaciones. Comunidad clímax Se denomina clímax al estado ideal de un ecosistema al final de un proceso de su cesión. Es un estado teórico en el que no se producen cambios en la composición de una comunidad, pero puede perderse si cambian las condiciones ambientales o el número de individuos de las poblaciones. En todos los ecosistemas, cada cierto tiempo, se producen alteraciones que llevan a etapas anteriores de la sucesión o a una nueva evolución. Este proceso es conocido como regresión. Emergente

Dosel

Intermedio

Arbustivo

Herbáceo Suelo

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Componente Procesos biológicos Enlace web

2.7.2 Sucesión primaria La sucesión primaria es el proceso de formación de un ecosistema en una zona en la que no ha existido vida previamente y no hay suelo, ni nutrientes acumulados; por ejemplo, en rocas desnudas e islas de origen volcánico, entre otros.

Sucesión primaria en una isla volcánica

Las rocas están expuestas a condiciones ambientales como la temperatura y la pre cipitación (ver A en las imágenes), que hacen que se fragmenten lentamente, en un proceso llamado meteorización; el agua puede introducirse en las grietas de la roca y al bajar la temperatura se congela, aumenta el volumen y ejerce presión sobre la roca hasta fragmentarla, lo que se conoce como gelifracción. La descomposición de la roca permite el establecimiento de líquenes, que son especies pioneras, es decir, las primeras en colonizar el ecosistema (B). Los líquenes pueden obtener los nutrientes del aire y liberar ácidos que aceleran la degradación de la roca.

Cientos de años

Cuando los líquenes mueren, se inicia la acumulación de materia orgánica que se mezcla con los fragmentos de roca. Esta mínima cantidad de nutrientes puede sostener especies como los musgos, lo que aumenta la acumulación de materia or gánica y permite el establecimiento de otras especies, como hierbas y helechos. Las raíces de las plantas sostienen el suelo y ayudan a retener el agua lluvia, y cambian así las condiciones ambientales del ecosistema (C). El suelo aumenta de grosor y tiene la capacidad de sostener árboles, así la composición de las especies vegetales y animales permanece relativamente constante en el tiempo, hasta alcanzar una comunidad clímax en un bosque primario (D).

2.7.3 Sucesión secundaria Después de una regresión, se inicia el establecimiento de una nueva comunidad, en un proceso conocido como sucesión secundaria. Algunas de estas perturbacio nes son de origen natural, como los huracanes o los tsunamis, pero otras son de origen antrópico, como la contaminación o la tala de árboles. En la sucesión secundaria ya existe una capa de suelo que contiene nutrientes, lo que permite que nuevas plantas puedan establecerse rápidamente. Las plantas pue den provenir de semillas almacenadas en el suelo y que sobrevivieron a la pertur bación, o pueden ser transportadas por el viento o los animales (E). Las primeras plantas se denominan especies oportunistas (F). Luego, entran a competir plantas de crecimiento más lento, pero con otras ventajas adaptativas (G), y así sucesiva mente, van siendo remplazadas hasta que al final se establece un nuevo bosque, conocido como bosque secundario (H).

No todas las sucesiones terminan formando un ecosistema igual al original. De pendiendo de condiciones como la precipitación, la temperatura y la pendiente del terreno, es posible que un bosque no pueda establecerse y, por tanto, la suce sión termina en un tipo de ecosistema diferente, como un desierto o una pradera. Sucesión secundaria tras un incendio

Decenas de años ©

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Competencias científicas

4 ¿Cuál es el organismo consumidor de mayor

INTERPRETO A F I A N Z O

nivel trófico y cómo lo sabes?

1 Observa la siguiente red trófica. A partir de

ella, realiza las actividades 2 y 3, y responde las preguntas 4 y 5.

él, realiza las actividades 7 a 9.

Serpiente

Conejo

2. Águila - Liebre - Zorro - Saltamontes - Araña

Orugas Ratón

3. Pasto - Árboles - Frutos - Hierbas - Flores

Frutos Hierba

7 ¿A qué tipo de pirámide se refiere el esquema?

8 Escribe, junto a los números, los niveles trófi-

2 Construye tres cadenas tróficas presentes en la red anterior.

1. Bacterias - Hongos

Comadreja

Pájaro

Saltamontes

mente el mayor número de niveles tróficos?

6 Observa el siguiente esquema y, con base en

Águila

C O M P E T E N C I A S

5 ¿Cuál es el organismo que tiene simultánea-

cos correspondientes.

9 Completa la siguiente tabla comparando los

diferentes ciclos y procesos que ocurren en los ecosistemas.

Ciclos y procesos

Diferencias Semejanzas

Flujo de energía y flujo de nutrientes

3 Escribe los niveles tróficos de cada organismo relacionado en las cadenas tróficas que construiste en el punto anterior.

Ciclo del carbono y ciclo del fósforo Ciclo del nitrógeno y ciclo del agua Sucesión primaria y sucesión secundaria

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Identificar •

Indagar •

Explicar •

Comunicar •

Trabajar en equipo

Desarrollo compromisos personales y sociales

ARGUMENTO 10 Observa el siguiente gráfico que muestra la

composición porcentual de los elementos que conforman a los seres vivos. Con base en él, resuelve las actividades 11 a 13. Elementos que componen la materia viva en porcentaje de peso corporal 65%

4% 3%

18%

10%

Oxígeno Carbono Hidrógeno Nitrógeno Otros

11 Escribe el nombre del elemento más abundante en nuestro cuerpo.

12 Describe de qué manera los seres vivos obte-

17 Lee la siguiente información. Con base en ella, responde las preguntas 18 a 21.

El DDT (dicloro-difenil-tricloroetano) es uno de los compuestos principales de los pesticidas. Durante décadas, el DDT tuvo aplicación agrícola y forestal, pero debido a su impacto ambiental se prohibió universalmente, ya que es una sustancia altamente tóxica, estable y persistente. Cifras de residuos de DDT (en ppm, partes por millón) en tejido corporal de diferentes especies

3,76 ppm

nemos estas sustancias.

13 Consulta en qué forma se encuentran estos

elementos en nuestro cuerpo (recuerda los ciclos y su importancia para el ser humano).

14 Observa las siguientes imágenes y lee los da-

1-2 ppm

0,2-1,2 ppm 1-2 ppm

0,2-1,2 ppm

tos. Con base en esta información, realiza las actividades 15 y 16. En las siguientes imágenes se muestran los datos de los parámetros tróficos de un desierto artificial y un robledal.

2 0,04 ppm

18 ¿Por qué los contaminantes como el DDT se

concentran más en los niveles tróficos más altos?

19 ¿Crees que a los humanos nos afecta la con-

centración de DDT en el ambiente? Justifica tu respuesta.

Biomasa: 3 kg/m2 PB: 6 g/m2 día Respiración: 3 g/m2 día

Biomasa: 18 kg/m2 PB: 8,8 g/m2 día Respiración: 7 g/m2 día

15 Calcula la productividad neta de ambos ecosistemas.

16 Explica cuál de los dos ecosistemas es mejor

para producir alimentos u otros productos. Respalda tu respuesta con dos razones.

20 ¿Cómo explicarías que se haya encontrado DDT en animales de la Antártida, como los pingüinos?

21 Consulta si existen otros métodos para fu-

migar. Supón que eres un ingeniero agrícola y debes lograr que los campesinos de una vereda dejen de usar productos a base de DDT, ¿qué les propondrías? Elabora un folleto ilustrado de tu propuesta. ©

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Entorno vivo

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Acción antrópica en la naturaleza

Desde el principio de nuestra existencia, los humanos, al igual que todos los seres vivos, hemos explotado la naturaleza para obtener de ella los recursos necesarios para sobrevivir, como el agua, los alimentos y el territorio. Hace unos 18.000 años, ocurrió la última glaciación. Los casquetes glacia res cubrieron gran parte de Europa, Asia y Norteamérica y, posteriormente, comenzó un ascenso de la temperatura. 11.000 años después, en algunas regiones de África y Asia, se estableció un clima cálido y húmedo, en el que las poblaciones humanas lograron dejar de ser nómadas para asentarse y de sarrollaron la agricultura y la ganadería.

Los impactos ambientales son mayores a medida que crece la población humana y sus tasas de consumo, que determinan la extracción de recursos naturales y el aumento de la destrucción de hábitats. Si continuamos por esta vía, muchas especies desaparecerán para siempre.

Mis compromisos personales y sociales En 1997, en la ciudad japonesa de Kioto, se reunieron políticos de todos los países industrializados. El objetivo era corregir uno de los impactos ambientales más graves del siglo XX: el cambio climático. Las investigaciones científicas han dejado claro que la subida de temperaturas, que causan el cambio climático, se deben al calentamiento global producido por el aumento del dióxido de carbono en la atmósfera, procedente de la quema de combustibles fósiles. A partir de esta y de reuniones posteriores, se acordó reducir la cantidad de CO2 que se emite, para lo cual, entre otras acciones, se propuso potenciar la investigación y el uso de energías alternativas limpias, como la eólica y la hidroeléctrica.

Escribe y lleva a la práctica tres tareas con las que tú puedas contribuir, desde tu cotidianidad, a alcanzar este objetivo.

Desde entonces, la especie de los seres humanos se ha extendido por todo el planeta y ha ejercido una presión cada vez mayor sobre su entorno natural, con el fin de obtener de él los recursos necesarios para su supervivencia, su expansión y el sostenimiento de su estilo de vida. Así se han explotado ex cesivamente dichos recursos y afectado la dinámica de los ecosistemas. Todo esto ha generado impactos ambientales, que son alteraciones en el ambiente provocadas por la actividad humana. Por ejemplo: Con la llegada de los europeos a América, se incrementó la actividad minera. En los siglos XVI y XVII la demanda y la extracción de materias primas pro dujo impactos ambientales como la tala de bosques, la contaminación de los ríos, y la contaminación atmosférica por la combustión de madera y carbón. La utilización del carbón, a partir del siglo XVIII, para mover las máquinas de vapor durante la Revolución industrial, dio comienzo al consumo a gran escala, de combustibles fósiles, lo que ha producido una gran contaminación atmosférica. La utilización del petróleo en el siglo XIX aumentó el vertido de CO2 e incre mentó su concentración en la atmósfera. 3.1

La contaminación

Recurso imprimible

La contaminación ocurre cuando, en un ambiente, una sustancia o forma de energía aumenta excesivamente, o cuando ingresa una que no es propia de él, causando efectos negativos sobre las especies que habitan allí, y gene ralmente, sobre otros hábitats y sus recursos. La contaminación puede ser causada por agentes físicos, químicos o biológicos. Los agentes físicos son sustancias que por estar presentes en un ecosistema y, sin importar su composición química, alteran el equilibrio y la composición de los mismos. Por ejemplo, los sedimentos en el agua que impiden que la luz penetre. Los agentes químicos son sustancias orgánicas o inorgánicas que pueden alterar las condiciones físicas y químicas de los factores abióticos, o a los seres vivos al ser absorbidas por ellos. Por ejemplo, el petróleo y sus derivados, los fertilizantes, los pesticidas, los detergentes y los desechos industriales. Los agentes biológicos son desechos orgánicos como las heces, los cuerpos en descomposición o los microorganismos, que pueden causar enfermeda des a los organismos del ecosistema.

5 4 Acción de pensamiento: explico las consecuencias de la acción antrópica en la naturaleza.

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Componente Procesos biológicos Recurso imprimible

3.1.1 La contaminación del aire El aire es una mezcla de elementos y compuestos químicos en estado ga seoso. El gas más abundante es el nitrógeno, que constituye más del 70% de la atmósfera o capa de gases que rodea nuestro planeta. El oxígeno forma aproximadamente el 20% y, en menor cantidad, se presentan el dióxido de carbono, el vapor de agua y otros gases. El aire se contamina con productos de las industrias, el uso de combustibles fósiles, las erupciones volcánicas, las quemas que vierten gases y alteran su composición y partículas sólidas microscópicas que quedan en suspensión. Existen dos tipos de contaminación del aire: La contaminación primaria, que ocurre cuando las sustancias contaminan tes no sufren transformaciones, como las cenizas volcánicas. La contaminación secundaria, que ocurre cuando los contaminantes reac cionan con otros gases para formar nuevos compuestos químicos que tam bién son contaminantes. Por ejemplo, los óxidos de nitrógeno y de azufre reaccionan con el vapor de agua para producir ácido nítrico y ácido sulfú rico. Los gases que se vierten en la atmósfera y que provienen de las actividades humanas son variados y cada uno produce un impacto diferente. Fenómeno Acumulación de ozono y nitrógeno.

Metales

Actividad humana que lo produce Los automóviles, las plantas productoras de energía y otras actividades industriales.

Uso de gasolina con aditivos de plomo. La minería. La industria.

Clorofluorocarbonos Uso de algunos (CFC) aerosoles.

Principales gases contaminantes del aire Contaminantes primarios Monóxido de carbono (CO) Dióxido de carbono (CO2) Dióxido de azufre (SO2) Óxido de nitrógeno (NO) La mayor parte de los hidrocarburos. Contaminantes secundarios Dióxido de nitrógeno (NO2) Óxido sulfúrico (SO3) Ácido nítrico (HNO3) Ácido sulfúrico (H2SO4) Agua oxigenada (H2O2) Clorofluorocarbonos (CFC)

Impactos resultantes Acumulación de ozono al nivel del suelo. El ozono daña los tejidos vegetales, lo que afecta a muchas especies animales y poblaciones humanas al ocasionar daños agrícolas. El nitrógeno al combinarse con ozono, especialmente en áreas urbanas, genera una atmósfera de color gris plomo conocida como esmog, que resulta tóxico para el organismo al ser inhalado. Altamente tóxicos para los humanos, principalmente los niños. Intoxicación de animales. Pueden producir malformaciones. Al entrar en contacto con la radiación ultravioleta (UV), liberan el átomo de cloro, que reacciona con el ozono (O3) y producen oxígeno (O2), por lo tanto, disminuye los niveles de ozono que nos protegen de las radiaciones UV. Apertura de agujeros en la capa de ozono sobre la Antártica.

Las partículas sólidas que contaminan el aire son principalmente hollín y ce nizas, resultantes de la combustión de todo tipo de materiales. El hollín está formado por multitud de sustancias diferentes, como plásticos y alquitranes. Su tamaño microscópico y su gran adherencia hace que estas partículas sean contaminantes peligrosos para la salud de las personas. El hollín y las cenizas son los causantes de la capa negra de suciedad que se forma sobre los edificios y sobre las superficies de los objetos expuestos a la intemperie. ©

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3.1.2 El deterioro del agua multimedia imprimible El agua conforma un alto porcentaje de los seres vivos y es indispensable para que ocurran los procesos metabólicos necesarios para la vida. En la Tierra podemos encontrar agua salada y agua dulce. El agua salada se encuentra en los mares, ocupa un gran parte de la superficie del planeta y tiene una alta concentración de sal. El agua dulce, por el contrario, tiene muy bajas concentraciones de sal, se encuentra en estado sólido en los casquetes polares, y solo una pequeña parte es líquida y potable, presente en ríos, lagos y lagunas. Ampliación

El río Bogotá es uno de los principales afluentes del río Magdalena, del cual depende la actividad económica de cientos de familias a su alrededor y es una de las más importantes fuentes pesqueras. Sin embargo, se encuentra altamente contaminado como consecuencia de las aguas negras que llegan a él y los procesos industriales que se llevan a cabo en las zonas aledañas.

Recurso

Actividad

Muchos cuerpos de agua se han manejado como un vertedero de aguas negras, residuos orgánicos, detergentes y residuos industriales, entre otras sustancias, que se acumulan y transportan a través de largas distancias, y que modifican las propie dades químicas del agua, su dinámica y su distribución. Estos cambios traen como consecuencia la destrucción de importantes fuentes de alimento, la contamina ción del agua potable con sustancias químicas perjudiciales para la salud humana, la muerte de comunidades acuáticas y terrestres, y conducen a fenómenos como la eutrofización, la salinización y el calentamiento. 3.1.2.1 Eutrofización La eutrofización es el aporte excesivo de nutrientes inorgánicos, fundamental mente nitratos y fosfatos, que producen una gran proliferación de algas y plantas acuáticas. Debido a esto, el agua adquiere un color verdoso. El incremento de organismos fotosintetizadores hace que proliferen también los herbívoros que se alimentan de ellos. La respiración de tantos seres vivos no tarda en consumir el oxígeno, por lo que mueren todos los organismos en estos ecosis temas acuáticos, excepto las bacterias anaerobias que descomponen, sin necesidad de oxígeno, la abundante materia orgánica muerta. La descomposición bacteriana produce sulfuro de hidrógeno (H2S), que da un olor característico, a la vez que la abundancia de materia orgánica proporciona un color negruzco al agua.

Oligotrófico B

3.1.2.2 Salinización de acuíferos En las zonas costeras, las aguas subterráneas que empapan las rocas del subsuelo, suelen consistir en una masa de agua dulce que se encuentra sobre otra de agua salada procedente del mar. Cuando se extrae mucha agua de los pozos, la masa de agua dulce se reduce y el agua salada asciende para ocupar su lugar. Recurso

Al poco tiempo C

Eutrófico

imprimible 3.1.2.3 Calentamiento de masas de agua Muchas industrias utilizan gran cantidad de agua para la refrigeración de calderas, motores u otros equipos. Para ello, la captan de un río y la devuelven al curso flu vial una vez utilizada. El agua que se devuelve no contiene sustancias contaminan tes, pero está bastante más caliente que cuando se captó. El agua caliente contiene menos oxígeno disuelto, por lo que se produce un grave impacto sobre la fauna acuática, al reducirse la cantidad de oxígeno disponible en su hábitat. En los cuerpos de aguas claras (A), la luz penetra y los productores pueden fabricar alimentos y las redes tróficas se mantienen. Si hay aporte adicional de nitratos y fosfatos (B), aumentan los productores y también los consumidores primarios, lo que enturbia el agua y dificulta la fotosíntesis. Rápidamente el oxígeno se acaba (C) y se produce la muerte de los organismos aerobios.

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Componente Procesos biológicos Recurso imprimible

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3.1.3 La pérdida del suelo El suelo es un componente bastante complejo de los ecosistemas, del que depende la supervivencia de las plantas y, por tanto, de los animales. Está constituido por rocas descompuestas, mezcladas con materiales orgánicos e inorgánicos que se acu mulan durante la sucesión ecológica, y los organismos vivos. El suelo es un ele mento importante que, en interacción con la atmósfera y los organismos, participa en los ciclos biogeoquímicos. 3.1.3.1 Factores que deterioran el suelo La compleja estructura del suelo puede ser perturbada por actividades como la agricultura, el uso de pesticidas, la destrucción de la cobertura vegetal, la ganadería y la contaminación por desechos químicos. La agricultura es el uso del suelo como sustrato para el cultivo y la producción de alimentos, flores, medicinas, colorantes y perfumes. El excesivo uso del suelo para asegurar las cosechas hace que se desgaste y se agoten sus nutrientes. Para enrique cer estos suelos se emplean fertilizantes químicos ricos en minerales que acarrean efectos negativos a largo plazo, como la eutrofización de cuerpos de agua cercanos a los cultivos. Los pesticidas son sustancias químicas que matan a los organismos considerados plagas, como los hongos y los insectos que atacan a los cultivos pero, al hacerlo, también actúan como venenos para otros organismos que son inofensivos o que pueden ser benéficos para el cultivo, como las bacterias que fijan nitrógeno del aire y lo acumulan en el suelo, o insectos que actúan como polinizadores de flores. La destrucción de la cobertura vegetal es la remoción de las plantas cuyas raíces sostienen el suelo y evitan la erosión, que es el desgaste de la capa superior del suelo por la acción del viento y el agua dejando expuesta la roca madre. La ganadería es el uso del suelo para alimentar animales que, posteriormente, se utilizan en la producción de carne, leche y piel. Esta actividad tiene varios efectos negativos sobre el ambiente como la tala de extensas áreas de bosque para conver tirlas en grandes potreros, el sobrepastoreo, es decir, la explotación de la misma área durante largos períodos de tiempo, el pisoteo constante de los grandes anima les haciendo que las capas superiores del suelo se prensen y formen una capa dura y compacta que no permite el paso de las raíces de las plantas ni la circulación del agua y del aire, y la producción de gas metano durante la digestión de los animales que contribuye al calentamiento global. La contaminación por desechos químicos ocurre cuando las industrias vierten sus residuos con sustancias contaminantes que se filtran en el suelo o por desechos derivados del petróleo. También son contaminantes los metales pesados liberados por baterías utilizadas y por desechos radiactivos de plantas nucleares.

Mis compromisos personales y sociales Las baterías son una fuente importante de contaminación, ya que contienen metales pesados. En lo posible, evita el uso de baterías no recargables, y cuando estén descargadas asegúrate de llevarlas a un centro especializado en el manejo de estos residuos y no las botes a la caneca simplemente.

El suelo puede tardar cientos a miles de años en formarse desde la alteración física de las rocas (A), hasta que tiene la capacidad de sostener árboles de gran tamaño (B). Sin embargo, su destrucción puede tardar apenas unos días, meses o años, lo cual también termina con la enorme diversidad biológica que encuentra en él su hábitat. B

Horizonte O residuos de hojas

Horizonte A humus

Horizonte C material original

Horizonte B subsuelo

Horizonte C material original

Horizonte C material original ©

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Problemas ambientales globales

Formación del agujero de la capa de ozono 1. Rompimiento de la 2. A causa del molécula CFC por la rompimiento de radiación ultravioleta. la molécula CFC, se separa un átomo de cloro. F

C C

Cl Cl Cl F Cl Cl Cl F

ClF C 3. El átomo de Cl cloro Cl Cl Cl Cl reacciona con la ClC molécula de ozono. Cl F Cl Cl Cl

O O OO

O O Cl Cl Cl Cl Cl O O OO O O Cl O

O oxígeno 5. El átomo de O O O Cl reaccionaOcon elClO O óxido de cloro. O O Cl O O

O O

O ClO Cl

O Cl O Cl

C C Cl

F Cl Cl F

Cl Cl O ClO Cl

O OO O

4. EnCllaFC reacción,Clse Cl Cl Cl un átomo de separa C O formando oxígeno un ClO F Cl Cl OOy una óxido de cloro ClO O CCl deCloxígeno. molécula

Recurso

3.2 imprimible Dependiendo de su magnitud, el impacto ambiental se puede clasificar en: local, regional y global.

O Cl 6. LosCldos átomos de O Cl O oxígeno se unen y O O O OO forman una molécula Cl Cl de oxígeno. O El átomo Cl O de cloro Oqueda libre O para destruir más Cl O de ozono. moléculas O

O O

Luz solar Capa de ozono

Impactos locales: son aquellos cuyas consecuencias se perciben únicamente en la zona afectada. La construcción de una carretera o de un embalse, pro ducen impactos locales en el paisaje, que dejan de percibirse al alejarnos de ellos. Impactos regionales: son aquellos que afectan áreas extensas, a menudo muy alejadas del lugar donde se ha realizado la acción productora del im pacto. La contaminación atmosférica causada por centrales que queman carbón puede ser arrastrada por los vientos y provocar su efecto en zonas alejadas. Impactos globales: son aquellos en los que las consecuencias se extienden al planeta entero. El deterioro de la capa de ozono, la lluvia ácida y el cambio climático son ejemplos de impactos que afectan a todo el planeta. Recurso

3.2.1 Deterioro de la capa de ozono imprimible El gas oxígeno está formado por moléculas diatómicas, es decir, cada mo lécula está formada por dos átomos de oxígeno (O2). En los estratos altos de la atmósfera los rayos ultravioleta (UV) hacen que, a partir de la disociación o separación de moléculas de O2, se formen espontáneamente moléculas con tres átomos de oxígeno. Estas moléculas triatómicas se conocen con el nom bre de ozono (O3). El ozono es un gas incoloro que se encuentra en la estratosfera, es nocivo cerca de la superficie de la Tierra, y altamente corrosivo, es decir, causa alteraciones químicas a los metales y reacciona con facilidad con otras sustancias. Las moléculas de ozono absorben la radiación UV y se transforman nueva mente en oxígeno. Este proceso constante hace que se mantenga el ozono e impide que la mayor parte de la radiación UV llegue a la superficie de la Tierra. Contaminantes como los clorofluorocarbonados (CFC), que son utilizados en aerosoles y como líquidos refrigerantes, liberan por efecto de la radiación ultravioleta cloro puro, el cual destruye las moléculas de ozono mucho más rápido de lo que se forman, causando una reducción considerable en el gro sor de la capa de ozono e interrumpiendo el ciclo.

Atmósfera

La acumulación de estos gases acarrea graves consecuencias para el planeta y los seres vivos que habitamos en él, como mutaciones en el ADN y deterioro en las células, generando quemaduras de la piel, envejecimiento prematuro, cáncer y cataratas, entre otras. Agujero de la capa de ozono

Superficie terrestre

Mis compromisos personales y sociales Si utilizas aerosoles, asegúrate de que no contengan CFC, ya que estos compuestos destruyen la capa de ozono.

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Componente Procesos biológicos Enlace web

3.2.2 Lluvia ácida La lluvia ácida es un tipo de contaminación que se produce cuando algunas in dustrias o plantas de energía, que funcionan con petróleo y carbón, liberan al aire grandes cantidades de nitratos y sulfatos. Estos, al combinarse con el vapor de agua, producen ácido nítrico y ácido sulfúrico. Estas sustancias se acumulan en las nubes y aumentan la acidez del agua que cae en forma de lluvia o de granizo. Cuando la lluvia ácida llega al suelo y a los cuerpos de agua, aumenta su acidez y genera cambios en sus propiedades químicas. Por ejemplo, en el agua de los lagos y las lagunas, hace que el aluminio se disuelva con mayor facilidad, lo que perju dica la supervivencia de diversos animales como los moluscos, los artrópodos y los vertebrados acuáticos. Estos cambios también pueden acarrear la muerte de varias especies de anfibios, principalmente en sus etapas de huevos y juveniles, y de peces, generándoles problemas en el desove. Al caer en el suelo y combinarse con el agua que se encuentra en él, la lluvia ácida afecta la manera como las plantas absorben nutrientes debilitándolas y facilitando el ataque de insectos y hongos. Estas condiciones pueden llevar a la desaparición de ecosistemas que dependen de estos productores, ya que al morir desaparece la cobertura vegetal, y las demás especies no dispondrán de recursos para mantenerse. La acidez también inhibe los procesos microbianos de descomposición de la ma teria orgánica en el suelo de los ecosistemas terrestres, reduciendo la velocidad de los ciclos biogeoquímicos y la productividad. Los líquenes son asociaciones simbióticas formadas por hongos y algas que, debido a su capacidad para tomar los nutrientes del aire, resisten condiciones ambientales extremas, sin embargo, son altamente susceptibles a la contaminación de este. Cada especie de liquen tiene distintos niveles de tolerancia a los contaminantes, y por esta razón son utilizados ampliamente como indicadores biológicos del nivel de contaminación. Ciudad

Vapor de agua

Destrucción de ozono O3

Bosques y otros sistemas

La lluvia ácida puede desgastar las edificaciones y los monumentos causando su deterioro.

Emisiones antropogénicas y naturales en la Tierra (metano CH4, monóxido de carbono CO, dióxido de carbono CO2, compuestos orgánicos volátiles VOC, sulfato, hollín, óxido nítrico N2O, compuestos clorofluorocarbonados CFC, óxido nitroso N2O, ozono O3).

Interpreto Lee la siguiente información. En la Tierra hay, aproximadamente, 1.400 millones de km3 de agua. El 97% del agua es salada. Del 3% restante, que corresponde al agua dulce, el 75% está congelada en los polos, el 22% es subterránea y el 3% es agua superficial (ríos, lagos, lagunas, pantanos, etc.). Responde las preguntas.

¿Cuál es el volumen de agua subterránea que hay en la Tierra?

¿Cuánta agua dulce potable hay en el mundo?

¿Qué acciones concretas

puedes implementar en tu casa para contribuir a disminuir la formación de lluvia ácida?

La lluvia ácida puede ser transportada por kilómetros, desde el lugar donde se origina la contaminación del aire, hasta el lugar en el que se precipita, y causar serios daños a la vegetación local. Producción O3 Algunos suelos pueden actuar como amortiguadores químicos (buffers) y neutralizar en alguna medida la acidez, minimizando su impacto sobre los organismos.

Agricultura

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Recursos imprimibles

Argumento Además de las consecuencias mencionadas en el texto, ¿cuáles podrían ser las consecuencias del calentamiento global? Considera el efecto que tiene la temperatura en el hielo y el agua líquida, en especies adaptadas a temperaturas muy bajas o más moderadas, y en ecosistemas muy cálidos o muy fríos. Respalda tu respuesta con dos argumentos.

Ampliaciones multimedia

3.2.3 Cambio climático Muchos gases atmosféricos permiten que la energía solar atraviese y caliente la superficie de la Tierra. Estos gases, junto con el vapor de agua, atrapan esta energía en forma de calor e impiden así que la temperatura sobre la Tierra disminuya, lo que se denomina efecto invernadero, ya que funcionan de ma nera similar a un invernadero. Este fenómeno, que ocurre de manera normal, mantiene la temperatura adecuada para que la vida prospere en la Tierra. Sin embargo, como resultado de las actividades humanas, principalmente, aque llas que involucran el uso de combustibles fósiles, la concentración de dichos gases ha aumentado y, a su vez, ha llegado a incrementar la temperatura del planeta hasta generar el fenómeno conocido como calentamiento global. Además de la utilización de combustibles fósiles, la deforestación también acelera este proceso, ya que al eliminar las plantas se disminuye la absorción de dióxido de carbono para la fotosíntesis. Otro gas bastante perjudicial es el metano, que se ha incrementado en la atmósfera como resultado del au mento en los sembrados de arroz, la ganadería, la actividad microbiana en los basureros, la liberación durante la transformación de los combustibles fósiles y la quema de bosques.

El cambio climático tiene consecuencias drásticas para diversas poblaciones, algunas de las cuales pueden llevar a las especies a la extinción.

Recurso imprimible

Durante el siglo anterior, la temperatura del planeta aumentó entre 0,3 y 0,6 °C y los pronósticos de los meteorólogos sostienen que aumentará entre 1 y 3,5 °C, durante este siglo, como resultado del creciente aumento de estos gases en el aire. Además, también se han hecho más frecuentes las catástrofes climáticas como los huracanes, las inundaciones y las sequías, por lo cual el fenómeno ambiental que estamos viviendo constituye un cambio climático global. El aumento de la temperatura puede derretir los glaciares y los hielos polares, elevando los niveles del mar entre 0,2 y 1,5 metros. Si esto ocurre, los humedales podrían ser alcanzados e inundados y las comunidades animales que habitan en ellos, al estar rodeadas por poblaciones humanas, no podrán desplazarse y morirán. Además, estas mismas poblaciones humanas serían afectadas por las inundaciones. Energía solar La Tierra irradia calor (radiación infrarroja) hacia la atmósfera.

La Tierra irradia calor (radiación infrarroja) hacia la atmósfera.

Calor atrapado por exceso de CO2

Radiación solar absorbida por la Tierra

Calor atrapado por exceso de CO2

El calentamiento de los océanos genera vapor, que aumenta el calor por exceso de CO2.

Fuentes de exceso de CO2, quema de combustibles fósiles y de leña en fábricas, medios de transporte, deforestación, etc.

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Componente Procesos biológicos

La degradación del hábitat

3.3 La pérdida del hábitat es la principal causa de la desaparición de especies. Además de la contaminación, existen otros procesos de destrucción y frag mentación del hábitat, como la urbanización y los incendios generados por los humanos, que han perjudicado a los ecosistemas naturales. 3.3.1 Urbanización Al igual que la demanda por los recursos, la necesidad de viviendas ha au mentado proporcionalmente con el crecimiento de la población humana, lo cual ha llevado a los seres humanos a acondicionar extensas zonas de terreno para uso urbano, abriendo calles y dotándolas de agua, luz y demás servicios básicos, en un proceso conocido como urbanización. Este fenómeno hace que las ciudades y los pueblos sean más grandes y, en consecuencia, esta expansión degrada cada vez más los ecosistemas naturales. La construcción de estructuras ocasiona la fragmentación de los hábitats naturales haciendo que queden en parches aislados, lo cual afecta seria mente la vida de las especies que lo habitan al quedar en grupos aislados del resto de su población. Por ejemplo, los animales que necesitan de terri torios extensos para garantizar su supervivencia no pueden mantenerse en los parches.

La urbanización transforma los ecosistemas naturales en asentamientos humanos en pocos años.

Recurso

imprimible 3.3.2 Incendios Los incendios son fuegos que se producen en los ecosistemas, ya sea por acción humana o por causas naturales. Hay ecosistemas naturales que han evolucionado para adaptarse a la presencia de fuegos periódicos, como la sabana africana y el chaparral. Los incendios hacen parte de la dinámica de estos ecosistemas.

El fuego elimina los desechos acumulados en el suelo y la capa superficial de la vegetación y estimula la germinación de nuevas semillas. Si se impide que ocurra un incendio en estos ecosistemas, el material se acumularía y el siguiente incendio sería mucho más grande y descontrolado, y con conse cuencias más devastadoras. La degradación de los ecosistemas y el calentamiento global han contri buido al proceso de desertificación, que ocurre cuando un ecosistema se convierte en un desierto artificial en el cual se pierden las especies que ori ginalmente habitaron allí. La zona toma un aspecto similar al de un desierto, que no funciona como un desierto natural porque no presenta la flora y la fauna que caracteriza este ecosistema. Además, las personas que hacían uso de los recursos de este ecosistema ya no lo podrán volver a hacer. Junto con la desertificación, los patrones de precipitación hacen que los ecosistemas sean más vulnerables al fuego. Cuando estos incendios ocurren en ecosistemas que no están adaptados a ellos, se pierden especies, dismi nuye la biodiversidad, se agotan los nutrientes del suelo y el ecosistema di fícilmente se recupera. Adicionalmente, todos los incendios liberan dióxido de carbono a la atmósfera, lo cual contribuye al calentamiento global.

La temperatura en un incendio forestal es tan alta que el agua de la madera rápidamente se vuelve gas, por lo que aun la madera verde arde en llamas. ©

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Competencias científicas

INTERPRETO A F I A N Z O

1 Observa la siguiente imagen y, con base en ella, realiza las actividades 2 y 3.

C O M P E T E N C I A S

2 Describe de qué manera se está perturbando el ambiente que observas en la imagen.

3 Explica cómo se relacionan la contaminación

del aire, el agua y el suelo con lo que observan en la imagen.

4 Observa las imágenes de un suelo natural y

de uno cultivado. Frente a cada característica, escribe SN, si es propia de un suelo natural o SC, si es propia de un suelo cultivado.

6 Completa una tabla como la del modelo, en

tu cuaderno. Para ello, ubica las sustancias contaminantes en las casillas correspondientes y explica sus efectos. Sustancias contaminantes: Ácido sulfúrico (H2SO4) Ácido nítrico (HNO3) Monóxido de carbono (CO) Clorofluorocarbonados (CFC) Dióxido de carbono (CO2) Óxidos de nitrógeno (NO2) Problemática ambiental

Sustancia contaminante

Efectos

Destrucción de la capa de ozono Lluvia ácida Calentamiento global Contaminación primaria del aire

7 Observa la siguiente gráfica que muestra el

porcentaje con el que diversos gases contribuyen al calentamiento global. Con base en ella, realiza las actividades 8 y 9. 15%

55%

CO2 CFC, HFC y HCFC Metano Óxido nitroso

24%

Eutrofización de cuerpos de agua cercanos. Pérdida de agua por evaporación. Mayor riesgo de erosión. Presencia de abundantes insectos que actúan como polinizadores. Reciclaje interno de nutrientes. Incorporación de sustancias ajenas al suelo.

5 Consulta por qué los científicos afirman que

actualmente nos encontramos ante el sexto episodio de extinción.

8 Escribe, dentro de la flecha, el nombre del gas que más influye en el calentamiento global y, en el círculo, el nombre del gas que causa menos impacto.

9 Escribe en tu cuaderno: Dos acciones humanas que aumentan la concentración de cada uno de estos gases en la atmósfera. Tres acciones humanas que pueden reducir la producción de los distintos gases que provocan el aumento de la temperatura del planeta.

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Identificar •

Indagar •

10 Lee la siguiente información y responde las preguntas 11 y 12.

Los detergentes son agentes químicos que alteran las propiedades físicas del agua, como la tensión superficial, que es el fenómeno por el cual la superficie del agua tiende a comportarse como una delgada película que permite que algunos insectos puedan caminar sobre ella.

11 ¿Cuál es el origen de los contaminantes que

provocan la pérdida de la tensión superficial en el agua?

12 ¿Cómo afectan los detergentes que se arro-

Explicar •

Comunicar •

Trabajar en equipo

19 Lee y analiza la siguiente información, los

diagramas y la tabla, y con base en estos resuelve las preguntas 20 y 21.

Al comparar los usos que se da al agua en los diferentes países, se puede apreciar si se trata de países muy industrializados o con gran actividad agrícola y ganadera. Si se compara el consumo en m3 por habitante y año de diferentes países, también se puede ver qué países tienen una mejor calidad de vida. La media mundial de consumo es de unos 660 m3 por habitante y año y, en Colombia, es de aproximadamente 100 m3. Estados Unidos

Brasil

Colombia

Bolivia

jan en el agua, la fauna que habita en estos ambientes?

13 Observa la siguiente tabla que muestra la demanda de distintos combustibles fósiles en todo el mundo. Analízala para realizar las actividades 14 a 18.

Uso doméstico y urbano

Agrícola y ganadero

Uso industrial Uso

País

Doméstico y urbano

Industrial

Agrícola y ganadero

Demanda de combustible (1 3 1024 unidades de energía) Año

1990

1995

2000

2005

Estados Unidos

10%

49%

41%

Petróleo

136.431

142.635

155.449

169.879

Brasil

23%

76%

Gas

75.304

81.175

91.007

107.048

Colombia

22%

71%

Carbono

89.230

88.492

93.623

121.736

Bolivia

43%

57%

14 ¿En qué año ocurrió la máxima demanda de

20 ¿Puede considerarse a Colombia como un

15 ¿Cuál fue la demanda total de combustibles

21 ¿Qué forma de contaminación del agua es

petróleo?, ¿cuánto fue? fósiles en 1990?

16 ¿Ha aumentado significativamente la utiliza-

ción de uno de los combustibles, más que los demás, a lo largo del tiempo? ¿Cuál?

país industrializado? Justifica tu respuesta.

más común en Colombia? Justifica tu respuesta.

Desarrollo compromisos personales y sociales

17 Sugiere alguna explicación acerca del com-

portamiento de la demanda de los distintos combustibles fósiles a lo largo del tiempo.

ARGUMENTO 18 Realiza una predicción acerca del comporta-

miento de la demanda de los distintos combustibles fósiles para los próximos 100 años y justifícala.

22 Realiza una propuesta de un programa ra-

dial para la emisora de tu colegio acerca de la problemática del agua y de las acciones que se pueden implementar en la casa y en el colegio para utilizarla racionalmente. Comparte tu propuesta con tus compañeros y selecciona, con ellos, la propuesta más adecuada de todas.

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SOY CIENTÍFICO NATURAL Reconoce la importancia de los recursos forestales Objetivos 1. Identificar la relación entre el suelo y la destrucción de los bosques lluviosos. 2. Desarrollar habilidades para realizar observaciones. Conceptos clave: Deforestación, erosión, escorrentía. Materiales Bandeja con tierra Bandeja de tierra con césped (hierba) Agua Papel de filtro Bandas de goma (gomitas) Lápices y marcadores Secador de cabello Coladores Hojarasca o hojas secas, o compost Báscula o balanza Un vaso o regadera

Preguntas problematizadoras ¿Cómo pueden las plantas ayudar a conservar los suelos? ¿Cómo intervienen las plantas en la conservación de los recursos hídricos?

Los bosques son recursos naturales que brindan una gran variedad de bienes y servicios a los seres humanos, tales como madera, frutos, fauna, protección del suelo y agua. En este laboratorio, realizarás dos experimentos sencillos para observar algunos de los servicios ambientales proporcionados por los bosques. Procedimiento 1 1. Coloca ambas bandejas con una inclinación de aproximadamente 45 grados. Realiza varias ranuras y coloca, en la parte inferior, un papel de filtro sujetado con las bandas de goma. 2. Aplica aire, con un secador para el cabello a su máxima potencia, sobre la superficie de ambas bandejas. Cuida de hacerlo de forma lateral. Calcula la cantidad de material desplazado en cada caso.

Metodología de trabajo Individual o en grupo

3. Agrega, desde la parte superior, la misma cantidad de agua a cada bandeja, de forma tal que esta recorra la bandeja y pase por el papel de filtro. Compara la cantidad de suelo que se ha evacuado con el agua de cada una de las bandejas.

64 Acción de pensamiento: establezco relaciones causales entre los datos recopilados.

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Me aproximo al conocimiento como científico natural Procedimiento 2 1. Llena dos coladores, uno con tierra y otro con hojarasca o compost en la misma cantidad. Mide la masa de ambos coladores y anota los valores.

Resultados procedimiento 1 Al agregar aire con secador

Bandejas

Al agregar agua

Con tierra

Con tierra y césped Resultados procedimiento 2

2. Agrega un vaso de agua a cada colador, espera cinco minutos y nuevamente vuelve a medir la masa.

Coladores

Al agregar agua

Con tierra

Con hojarasca o compost

Análisis de resultados Analiza y responde 1. ¿Cuál de las bandejas perdió mayor cantidad de suelo? 2. ¿Cuál sustrato retuvo mayor cantidad de agua en el experimento 2? 3. ¿Cuáles agentes erosivos hemos representado en el primer experimento? Conclusiones 1. ¿Cómo puede la cobertura vegetal ayudar a conservar los suelos? 2. ¿Cómo interviene la cobertura vegetal en la conservación de los recursos hídricos? 3. ¿Cuáles consecuencias económicas y sociales se derivan de la pérdida de la cobertura vegetal y los bosques? Profundiza Elabora un escrito de una página en el que expliques: 3. Compara los valores obtenidos en ambos casos.

Cómo las plantas ayudan a prevenir la erosión del suelo. La importancia ecológica y económica de los bosques. ©

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Entorno vivo

Actividades Galería de imágenes

Recurso imprimible

Consecuencias de las acciones antrópicas en la naturaleza

Algunas de nuestras acciones tienen un impacto negativo de grandes dimensiones en los ecosistemas naturales. Los seres humanos exigimos demasiado de nuestro entorno, pero a largo plazo podríamos terminar siendo víctimas de la destrucción que causamos.

Desaparición de hábitats

La deforestación acaba con los bosques, deja el suelo expuesto a la erosión y altera los ciclos del agua y de los nutrientes.

Lexicón Xerofítico: palabra que proviene de las raíces griegas: xero, que significa “seco”, y fitos, que significa “planta”. En los ecosistemas xerofíticos hay especies de plantas adaptadas para vivir en ecosistemas secos.

4.1 Muchos ambientes naturales han sido destruidos por las actividades humanas en forma directa, ganando terreno para la urbanización, la ganadería, los cultivos y la sobreexplotación de los recursos y también en forma indirecta, mediante la conta minación y el calentamiento global. La destrucción de los hábitats conlleva a que las especies que los habitan se vean obligadas a desplazarse hacia otros ambientes para tratar de sobrevivir, por lo que entran a competir con otras especies en ecosis temas ya establecidos. También hay especies que no logran adaptarse ni sobrevivir en otros hábitats, por lo que finalmente se extinguen. La desaparición del hábitat también afecta las condiciones de otros hábitats cerca nos, ya que cada ecosistema ayuda a regular los ciclos del agua y de los nutrientes en forma global. Aunque vemos a los ecosistemas como entidades separadas, para facilitar su estudio, en realidad no hay fronteras ni límites entre ellos, por lo que el intercambio de energía y de materia es constante entre ellos. Por consiguiente, la desaparición de un ambiente afecta a los que le rodean, generalmente, de manera negativa. Ampliación

multimedia 4.1.1 Ecosistemas más afectados En cierta medida, todos los ecosistemas pueden amortiguar una perturbación menor: la caída de un árbol, una estación más seca o más fría de lo normal, o un poco de contaminación, pero si la perturbación es muy fuerte, es muy probable que el ecosistema no se recupere.

La resiliencia es la capacidad de los ecosistemas de recuperarse después de una perturbación. Algunos ecosistemas son más frágiles que otros frente a ciertos disturbios: los eco sistemas muy fríos, como la tundra, se ven seriamente afectados por el calenta miento global. En el caso de la selva húmeda tropical, la deforestación es muy grave, ya que los suelos son pobres en nutrientes y dependen del continuo reciclaje de estos para mantenerse. Por otro lado, los ecosistemas semiáridos o xerofíticos, enfrentados a un aumento en la temperatura o a la escasez de agua, se transforman en desiertos, por lo que cada vez hay más zonas desérticas.

Las ciudades costeras, como Cartagena, se verán afectadas por el calentamiento global en el futuro, cuando el nivel del mar se eleve.

Los ecosistemas acuáticos también se ven afectados. Los arrecifes coralinos son muy sensibles, ya que para sobrevivir necesitan aguas limpias y temperaturas cáli das. La contaminación, o incluso una tormenta que los cubra de arena, los puede matar y tardan demasiado en volver a crecer. Los ecosistemas costeros también están en riesgo, ya que el calentamiento global está causando que los polos se de rritan, el nivel del mar aumente y, en el futuro, podrían inundarse.

6 6 Acción de pensamiento: explico en qué forma las acciones humanas afectan la naturaleza.

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Componente Procesos biológicos

Pérdida de la biodiversidad

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4.2 La destrucción de los hábitats y los cambios severos a los que están expuestos afectan dramáticamente a las especies que habitan en ellos, dejando como conse cuencia la pérdida de la biodiversidad. La biodiversidad, en términos ecológicos, hace referencia a la relación entre la riqueza, que es el número de especies diferentes que hay en un lugar determinado, y la abundancia, que es el número de individuos en cada una de ellas en dicho lugar. Debido a su historia geológica, a su posición geográfica y a su relieve, Colom bia es un país muy rico en biodiversidad de ecosistemas y de especies. Posee el 44,25% del total de todos los páramos del mundo, además de selvas, bosques, llanuras, matorrales, humedales, nevados, sabanas, estuarios, playas, acantilados e islas, entre muchos otros. Esto le permite albergar un enorme número de especies, que solamente es sobrepasado por el de Brasil, un país siete veces más grande que el nuestro.

Posición de Colombia en biodiversidad

El primer lugar en aves con 1.865 especies, 66 endémicas.

El segundo lugar en anfibios con 750 especies, 329 endémicas.

Pero la inminente destrucción de los ambientes naturales está acabando con gran cantidad de poblaciones, especies y ecosistemas, con lo cual se reduce la biodiver sidad en todos los niveles: genes, especies y ecosistemas.

El segundo lugar en plantas con 28.522 especies, 1.500 endémicas.

Las extinciones por sí mismas no son negativas, ya que forman parte de los ciclos de la naturaleza. Algunas especies al desaparecer permiten el surgimientos de otras. Por ejemplo, si aún vivieran los dinosaurios, algunas especies no existirían o no serían como se conocen actualmente. El problema es que la tasa de extinción de especies ha aumentado en forma alarmante debido a los cambios por los que están atravesando los ecosistemas naturales. Incluso se afirma que muchas especies se han extinguido y se extinguirán antes de que sepamos de su existencia.

El segundo lugar en mariposas con 3.272 especies.

Enlace web 4.2.1 Especies endémicas Las especies endémicas son aquellas que solo existen en un lugar restringido del planeta, ya sea un país, una región o una formación geográfica particular. Por ejemplo, el oso de anteojos es endémico de Suramérica, ya que solo existe en la cordillera de los Andes y los osos polares son exclusivos del Polo Norte.

El tercer lugar en reptiles con 524 especies, 115 endémicas.

Las especies endémicas, debido a su distribución restringida, son más propensas a la extinción. Estas especies son más comunes en ecosistemas que llevan mucho tiempo aislados de los demás, tales como los que existen en las islas o los páramos. Se encuentran aislados de ecosistemas con condiciones similares, por lo que en ellos hay un gran número de especies endémicas.

El cuarto lugar en mamíferos con 471 especies, 28 endémicas.

La teoría de los refugios pleistocénicos plantea que al volverse adversas las con diciones ambientales, las especies que pudieron se refugiaron en zonas donde las condiciones ambientales permanecieron relativamente estables, ya sean húmedas o secas según la especie, mientras que las demás se extinguieron. Las especies que quedaron aisladas sufrieron procesos de especiación y dieron ori gen a nuevas especies y a altos grados de endemismos.

El quinto lugar en primates con 30 especies. ©

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Especies amenazadas Recurso imprimible

Especies vulnerables.

Especies en peligro crítico de extinción.

Especies en peligro de extinción.

Colombia es un país megadiverso, que está entre los cinco países con mayor número de especies del planeta. Pero su megadiversidad también implica que las acciones humanas ponen en riesgo la supervivencia de un mayor número de especies, de manera que actualmente muchas están amenazadas, es decir, en riesgo de extinguirse. La UICN, Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza, establece la lista roja, un listado de especies que se encuentran amenazadas. Observemos unos pocos representantes:

El armadillo gigante, Priodontes maximus vive en sabanas y bosques no intervenidos de nuestro país. Se alimenta de hormigas y termitas, al igual que el oso hormiguero pero, a diferencia de él, daña los hormigueros.

El oso hormiguero, Myrmecophaga tridactyla habita en nuestros llanos y selvas y se alimenta de hormigas y termitas. Al parecer es diurno en áreas deshabitadas, pero nocturno en regiones muy pobladas. Es un animal solitario.

El caimán del Orinoco, Crocodylus intermedius habita la cuenca del río Orinoco en Venezuela y Colombia. Puede alcanzar los seis metros de longitud. Es un predador que se alimenta de peces y de mamíferos medianos.

VU El tití cabeza blanca, Saguinus oedipus habita en nuestras selvas al noroccidente del país. Es herbívoro, de hábitos diurnos y vive en grupos familiares de hasta 20 individuos.

El venadito de los páramos o ciervo enano, Pudu mephistophiles habita en los páramos andinos de Colombia, Ecuador y Perú. Son herbívoros, nocturnos y generalmente solitarios, excepto durante el período reproductivo.

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El mono araña, Ateles fusciceps habita en nuestras selvas. Es diurno y forma grupos de hasta 20 integrantes, que conforman sociedades matrilineales. Se alimenta de hojas, frutos y, especialmente, de semillas, por lo cual es un importante dispersor de las mismas.

El loro orejiamarillo, Ognorhynchus icterotis vive en los bosques andinos, específicamente en las palmas de cera, Ceroxylon quindiuense, de las cuales obtiene alimento, refugio y lugares para anidar.

La palma de cera, Ceroxylon quindiuense crece en los valles alto andinos del país. Alcanza los 60 m de altura y su tronco está cubierto de cera, con la que antiguamente se elaboraban velas.

El manatí del Caribe, Trichechus manatus, habita en el mar Caribe, generalmente, en las zonas costeras. Es muy sensible a las bajas temperaturas, por debajo de 20 °C, puede morir. El tapir amazónico o danta, Tapirus terrestris es un animal solitario que habita en nuestras selvas. Es herbívoro y dispersor de semillas. Tiene hábitos diurnos y nocturnos. Frecuenta lugares ricos en minerales, donde consume agua y suelo, denominados salados.

El uacarí calvo, Cacajao calvus habita en las copas de los árboles de la selva amazónica. Son gregarios y en asociaciones con otros primates responde a llamados de alarma entre ellos.

El mono Churuco Lagothrix lagotricha, vive en grupos de hasta 70 individuos en nuestra selva amazónica. Se alimenta de semillas, flores, gomas y animales pequeños.

VU CR

El gallito de las rocas, Rupicola peruviana, habita en los bosques de niebla de nuestro país. Se alimenta de frutos silvestres. Forma bandadas y la hembra se encarga sola del cuidado de las crías. Presenta dimorfismo sexual y las hembras escogen al macho por su habilidad para bailar y cantar.

VU La tortuga carey, Eretmochelys imbricata, habita en las aguas del océano Atlántico, principalmente, en los arrecifes coralinos con comportamiento migratorio. Es omnívora.

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Conservación

Monjita cabeciamarilla: Chrysomus icterocephalus.

Mono ardilla: Saimiri sciureus.

Tigrillo: Leopardus wiedii.

4.3 Las profundas transformaciones que han sufrido los ambientes naturales a causa de la presencia del ser humano en la Tierra han llevado a la pérdida de los recursos naturales, los ecosistemas y las especies. El efecto ha sido tan devastador, que la necesidad de conservar los recursos naturales que aún nos quedan es objeto de atención mundial. 4.3.1 Importancia de conservar Es necesario conservar los recursos naturales por múltiples razones: De la naturaleza obtenemos la materia prima que requerimos para cubrir nuestras necesidades, de lo contrario, nosotros mismos nos estaremos lle vando a la extinción. Además, un uso sostenible de los recursos garantiza el bienestar, la posibilidad de mantener el comercio y la economía. Cada organismo y especie desempeña un papel importante en los ecosiste mas, ya que todos los sistemas naturales y sus componentes están interconec tados, lo que los cambios que ocurren en uno de ellos afectan a todos. Todos los seres vivos tenemos derecho a existir, y además, tenemos una obligación con las generaciones futuras, quienes tendrán que sufrir las con secuencias de lo que ocurre hoy en día en el planeta. Los ambientes naturales son patrimonio cultural de la humanidad. Hay etnias que están ligadas a ellos y son fuente de inspiración para artistas. La riqueza genética disminuye con la desaparición de las especies. Esta riqueza es muy importante ya que puede contribuir a renovar las especies domésticas, que a causa de la selección artificial reducen su variabilidad y resistencia, así como a la búsqueda de medicinas, entre otras. 4.3.2

Hurón: Eira barbara.

Qué se está haciendo para ¿ conservar los recursos naturales?

Recurso imprimible

Los países del mundo han tomado distintas medidas para tratar de proteger la naturaleza. Algunas de ellas son la constitución de zoológicos y jardines bo tánicos donde se mantienen algunos individuos con vida para protegerlos de la extinción y permitir que las personas los conozcan, y el establecimiento de zonas de protección como parques nacionales naturales. También se prohibió la caza y el comercio de especies en peligro, como las ballenas. Sin embargo, estas acciones no han sido suficientes para frenar el deterioro, ya que no se han abordado las causas subyacentes al problema ambiental:

Ocelote: Leopardus pardalis.

Perro venadero: Speothos venaticus.

Muchas sociedades humanas son consumistas, por lo que sobreexplotan los recursos para satisfacer sus necesidades. Hay sobrepoblación, por lo que la exigencia sobre los ecosistemas es cada vez mayor para lograr abastecernos a todos. El uso de combustibles fósiles y la industrialización necesarios para mante ner nuestro ritmo de vida generan altos niveles de contaminación, que aún no hemos logrado evitar. Hasta que no cambiemos nuestra forma de vida, no podremos evitar el daño que le hacemos a la naturaleza.

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Componente Procesos biológicos Recurso imprimible

4.3.2.1 El papel del Gobierno El problema ambiental afecta a todo el mundo, sin distinguir países, razas ni creencias. Por este motivo, debe ser abordado por todos los gobiernos de los países del mundo. Con este fin, se han dado distintos espacios de reunión entre los países para establecer acuerdos de protección al medio ambiente, como el protocolo de Montreal, la cumbre de la Tierra, el Protocolo de Kioto y la XV Conferencia Internacional sobre el Cambio Climático. En ellos, los países participantes se comprometen a disminuir la cantidad de contaminan tes que producen, a proteger los sistemas naturales y a invertir en investiga ciones que eventualmente lleven al desarrollo sostenible. La dificultad que presentan todos estos acuerdos es que el crecimiento económico de los países le genera perjuicio al medio ambiente pero, si se le da prioridad al medio ambiente, el desarrollo económico de los países se vería afectado. Por con siguiente, los países se ven frente una disyuntiva, ya que deben elegir entre comprometerse con el bienestar futuro de las personas, y apoyar el desarrollo actual de sus países. Recurso Actividad 4.3.2.2 Qué puedes hacer para ayudar imprimible Conservar los recursos naturales es una responsabilidad de todos. Nuestros actos, por pequeños que parezcan, pueden hacer la diferencia. En general, debemos: utilizar racionalmente los recursos, evitar la contaminación y pro teger la naturaleza. Utilizar racionalmente los recursos. Para ello, debemos: Reciclar y reutilizar objetos y materiales como el papel y las botellas. Evitar el desperdicio de agua cuando nos bañamos, nos lavamos los dientes o lavamos la loza. Ahorrar energía eléctrica usando bombillas ahorradoras y sin dejar encendidos lámparas y aparatos eléctricos, cuando no los estemos utilizando. Donar o regalar objetos que ya no usas y que aún son útiles para otras personas.

Evitar la contaminación. Para ello, podemos: Separar las basuras y disponer de ellas apropiadamente. Depositar la basura en los lugares destinados para ello. Evitar la contaminación del agua con sustancias tóxicas, aceites y grasas. No arrojemos estas sustancias al lavaplatos o a los sifones. Depositémoslas en frascos y en lugares indicados para ello.

Proteger la naturaleza. Para ello, debemos: Respetar a todos los seres vivos y no lastimarlos. No tener como mascotas a animales silvestres, como osos perezosos, micos y serpientes.

Recuerda que tú haces parte de una comunidad. Entre más personas lu chemos por conservar los ambientes naturales, más posibilidades tenemos de lograr nuestro objetivo. Por esto, asegúrate de ser un vigía activo de la naturaleza: trabaja con las personas que te rodean para que no solo tú, sino tu familia, tus amigos, tus compañeros y maestros también actúen en favor de la conservación ambiental. ©

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Competencias científicas

INTERPRETO A F I A N Z O

1 Lee el siguiente texto y, con base en él, realiza la actividad 2.

Las ciudades pueden ser consideradas como ecosistemas urbanos, que son ecosistemas artificiales, es decir, creados por las personas. En ellos, se dan distintas interacciones entre los seres vivos y su nuevo ambiente, que se caracteriza por ser altamente modificado.

C O M P E T E N C I A S

clave.

Términos clave: jardines botánicos, zoológicos, Parques Nacionales Naturales. Los son regiones naturales protegidas, por tanto, no están afectados por la acción humana. En ellos, están prohibidas las actividades que causan daño a la naturaleza, como la caza, la deforestación y la urbanización. Los son áreas en las que se siembran plantas de distintas especies; se trata de una colección viva. Se pueden encontrar ambientes artificiales de ecosistemas, como los desiertos o los bosques húmedos, con plantas que habitan en ellos. En los se tienen diversos animales en cautiverio para que las personas puedan conocerlos. También se desarrollan proyectos de reproducción para la recuperación de especies amenazadas.

5 Analiza la siguiente tabla que presenta la po2 Menciona tres ejemplos para explicar cómo

el crecimiento de las ciudades afecta los ecosistemas naturales.

3 Escribe en cada recuadro E, si la descripción corresponde a una especie endémica o NE, si no lo es.

La rana dardo dorada es una especie muy venenosa de anfibio, que solo habita en las selvas del Chocó colombiano. Los conejos fueron introducidos en Australia y se convirtieron en una plaga que compite con la fauna local por los recursos. El oso de anteojos es el único oso que habita en Suramérica, en la cordillera de los Andes. Las pirañas son una especie de pez que habita en el río Amazonas. Las acacias que encontramos en Colombia provienen originalmente de México y otros países. Los páramos son ecosistemas que se caracterizan por especies como los frailejones y las puyas.

4 Completa la información con los términos

sición que ocupa Colombia en el mundo, en términos de biodiversidad de especies. Con base en estos datos, responde las preguntas 6 y 7, y realiza la actividad 8.

Plantas

Anfibios

Reptiles

Aves

Mamíferos

Brasil 53.000

Brasil 785

Australia 755

Colombia 1.865

Brasil 523

Colombia 28.522

Colombia 750

México 717

Perú 1.703

Indonesia 515

Indonesia 28.010

Ecuador 407

Colombia 524

Brasil 1.622

México 502

China 28.000

México 284

Indonesia 511

Ecuador 1.559

China 499

México 26.000

China 274

Brasil 468

Indonesia 1.531

Colombia 471

6 ¿En cuántos grupos de organismos, Colom-

bia ocupa el primer o el segundo puesto en biodiversidad?

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Identificar •

Indagar •

7 ¿Qué otro país compite con Colombia en el mayor número de especies?

Comunicar •

Trabajar en equipo

Desarrollo compromisos personales y sociales

ARGUMENTO

8 Escribe una hipótesis que explique el menor

número de mamíferos en Colombia con respecto a otros países.

9 Analiza la siguiente información. Con base en ella, realiza la actividad 10 y responde las preguntas 11 a 14.

En Colombia se ha establecido que hay aproximadamente 1.500 especies amenazadas, pero con seguridad el número es mayor. La siguiente tabla presenta un número aproximado de especies colombianas que se encuentran bajo algún tipo de amenaza en diferentes grupos taxonómicos. Grupo biológico

Explicar •

En peligro En Vulnerables Total especies crítico peligro (VU) amenazadas (CR) (EN)

Aves

112

Mamíferos

Anfibios

Reptiles

Peces dulceacuícolas

Plantas vasculares

243

326

665

10 Elabora, en tu cuaderno, un diagrama de barras que represente los datos de la tabla.

11 ¿Cuál es el grupo con el mayor número de especies amenazadas?

12 ¿Cuál es el grupo con el menor número de especies amenazadas? Relaciona este número con alguna actividad humana que pueda generar una alta amenaza para este grupo.

13 ¿Crees que exista alguna explicación para

que se presenten cifras similares en los mamíferos y en los anfibios? Justifica tu respuesta.

14 ¿Qué razones crees que explican la diferencia en el número de especies amenazadas en los diferentes grupos taxonómicos?

15 Lee el siguiente texto. Los zoológicos tienen como propósito contribuir a la conservación de especies animales. Entre sus estrategias, se encuentra el contacto directo de personas y animales, para crear conciencia de la problemática animal por medio del conocimiento y la sensibilización. También, se protegen individuos de especies amenazadas y se promueve su reproducción ex situ, es decir, fuera de su hábitat natural. Muchas personas no están de acuerdo con la existencia de los zoológicos, por varios motivos. Los animales tienen derecho a la libertad, y a vivir en su ambiente natural. En los zoológicos se ven obligados a habitar espacios muy pequeños donde su movimiento es limitado. Las aves no pueden volar, ni los predadores correr. No pueden mantener sus estructuras sociales de manada o grupo familiar. Están expuestos a condiciones climáticas distintas a las de su lugar de origen.

16 ¿Cuál es tu punto de vista frente a la exis-

tencia de los zoológicos: estás a favor o en contra de ellos? Explica tus argumentos.

17 ¿Crees que existe otra forma de conservar las especies amenazadas? Si así lo crees, ¿cuál?

18 ¿Alguna vez has visitado un zoológico? ¿Re-

cuerdas en qué condiciones se encontraban los animales allí? Diseña una encuesta que te permita recoger información acerca del estado de los zoológicos visitados por 10 personas que conozcas. Reúnete con tres compañeros de clase para compartir la información que obtuviste. Luego, escriban un artículo en el que comuniquen los resultados de su investigación e incluyan una propuesta sobre cómo deben ser manejados los animales para evitar su sufrimiento. Publíquenlo en el periódico de su colegio. ©

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SOY CIENTÍFICO NATURAL

Me aproximo al conocimiento como científico natural

Identifica factores contaminantes de la Tierra Objetivos 1. Mostrar de qué manera el suelo contaminado afecta la germinación y el crecimiento de semillas. 2. Desarrollar habilidades para realizar comprobaciones. Conceptos clave Contaminación, agentes físicos, agentes químicos, deterioro del agua, eutrofización. Materiales 30 semillas de una misma planta, por ejemplo, rábano, tomate u otra (10 por recipiente) 1 cucharada de detergente en polvo 100 mL de aceite de cocina usado 3 cubetas de siembra o recipientes anchos del mismo tamaño Guantes de cirugía 3 kilos de tierra negra Agua Recipiente aforado Marcador Metodología de trabajo Individual

Pregunta problematizadora ¿Cómo la presencia de detergentes o aceites en el suelo, afecta la germinación de semillas y el crecimiento de las plantas? Denominamos contaminantes a aquellas sustancias cuya presencia puede alterar el correcto desarrollo de la vida y de los procesos naturales que ocurren en los ecosistemas. Puede tratarse de elementos químicos, de sustancias orgánicas o inorgánicas y de radiaciones u ondas. Muchas de las sustancias químicas que empleamos diariamente, como detergentes, aceites o combustibles, al ser desechados de forma irresponsable, pueden tornarse en contaminantes. Te proponemos realizar un sencillo experimento para estudiar el efecto producido por detergentes y aceites sobre los suelos de uso agrícola. Procedimiento 1. Colócate los guantes. Deposita, en cada cubeta de siembra, 1 kilo de tierra negra y márcalas con los letreros: detergente, aceite y control, respectivamente. 2. Mezcla el detergente con 100 mL de agua y agita hasta que se diluya completamente. Mezcla la tierra negra de la cubeta llamada “detergente”, con la totalidad de la solución de detergente. Con tus manos, revuelve muy bien el suelo con el detergente. 3. Mezcla la tierra negra de la cubeta llamada “aceite”, con los 100 mL de aceite de cocina. Con tus manos, mezcla muy bien el suelo con el aceite. 4. Siembra 10 semillas en cada recipiente. Asegúrate de dejar cinco centímetros de separación entre semilla y semilla, y entiérralas a una profundidad de 2 cm. 5. Riega las semillas todos los días con 100 mL de agua. Diseña una tabla para registrar tus observaciones a diario. Análisis de resultados 1. ¿En cuál de las bandejas germinaron primero las semillas? 2. ¿En cuál de las bandejas germinaron más semillas? 3. ¿En cuál de las bandejas se registró mayor crecimiento de las plantas? 4. ¿Qué tipo de contaminantes son los detergentes y el aceite de cocina? Conclusiones 1. ¿Cómo afecta la contaminación del suelo a las plantas? 2. ¿Qué otro tipo de contaminantes crees que pueden encontrarse en el suelo de la región donde vives?

7 4 Acción de pensamiento: identifico condiciones que influyen en los resultados de un experimento.

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SOY CIENTÍFICO NATURAL

Me aproximo al conocimiento como científico natural

Identifiquen fauna terrestre del país Objetivos 1. Identificar algunas de las especies más importantes pertenecientes a la fauna de nuestro país. 2. Desarrollar habilidades para realizar observaciones. Conceptos clave Biodiversidad, riqueza, abundancia, especies endémicas, especies amenazadas, conservación. Materiales Cámara Grabadora Libreta Metodología de trabajo: En grupo (con tu familia).

Pregunta problematizadora ¿Qué importancia tienen las reservas ecológicas, los zoológicos y los Parques Nacionales Naturales protegidos? Para proteger las especies en su hábitat natural, el Gobierno ha establecido reservas ecológicas y Parques Nacionales Naturales protegidos de la intervención humana en lugares donde hay especies amenazadas o aquellos muy ricos en biodiversidad. Para la conservación ex situ se cuenta con zoológicos que buscan contribuir a la protección de las especies. Te proponemos realizar una visita a una de estas reservas para que conozcas e identifiques algunas de las especies representativas de nuestro país. Procedimiento 1. Planea, con tus padres, una excursión o visita a un jardín botánico, zoológico, Reserva Natural o Parque Nacional Natural. 2. Consigue un mapa de la zona y ubica, en él, el lugar que visitarás. Indica datos característicos del lugar, como ubicación geográfica, altitud, temperatura y otros. 3. Cuando estés allí, describe el recorrido y, si hay un guía, toma nota de los aspectos más importantes que él o ella mencione. Toma fotografías. 4. Elabora y completa una tabla de datos como la siguiente. Grupos

Características

Cantidad Especies Especies Especies de en introducidas endémicas especies peligro

Reptiles Anfibios Aves Mamíferos

Análisis de resultados 1. ¿Cuál es el grupo menos abundante allí y a qué crees que se deba? 2. ¿Identificaste especies endémicas? Si así fue, escribe cuáles son. 3. ¿Identificaste especies amenazadas? Si así fue, escribe cuáles y a qué crees que se deba. Conclusiones Consulta y discute, con tus compañeros, qué ley del Gobierno protege la biodiversidad.

Acción de pensamiento: registro mis resultados en forma organizada y sin alteración alguna.

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ECOLOGÍA TECNOLOGÍA

Obtención de agua potable: una necesidad El agua es un recurso que todos los seres vivos necesitamos para subsistir. La presencia de agua apta para el consumo determina la localización de las poblaciones humanas y su tamaño. Con el paso de los años, se hace más difícil obtener este preciado líquido, debido a que la poca agua dulce que hay en la Tierra y aun en menor cantidad, aquella que es potable, cada vez está más contaminada, lo cual es un riesgo para la salud y por ello, no puede ser ingerida. Para superar esta dificultad, las personas hemos inventado diferentes maneras de tratar el agua contaminada y de este modo, volverla nuevamente potable. Utilizando métodos físicos como la decantación, la sedimentación y la filtración, métodos químicos como la ozonificación y cloración, y biológicos como la biorremediación, podemos restaurar la calidad del agua. Sin embargo, estos métodos presentan serias dificultades ya que aquellos que son cien por ciento efectivos son muy costosos y los métodos más económicos no eliminan por completo las sustancias tóxicas, como los metales pesados y algunos microorganismos nocivos para la salud.

Componente APROPIACIÓN Y USO DE LA TECNOLOGÍA Proceso de purificación del agua en una planta de tratamiento Para purificar el agua, se realizan distintos procesos que tienen como objetivo obtener agua apta para el consumo humano. En estos procesos se hace una deposición de la materia suspendida, tratamientos fisicoquímicos y tratamiento biológico del agua.

1. Filtrado

Cuando el agua llega a la planta de tratamiento es transportada a través de grandes mallas o rejas, las cuales retiran los materiales gruesos.

2. Sedimentación

Luego, el agua pasa a un depósito de sedimentación, en el cual las partículas de mayor tamaño se depositan en el fondo, mientras que las partículas más pequeñas siguen suspendidas en el agua.

3. Tratamiento de material orgánico

El agua llega a un tanque cerrado en el que bacterias anaerobias digieren restos orgánicos. Después, lo hacen las bacterias aerobias.

Componente NATURALEZA Y EVOLUCIÓN DE LA TECNOLOGÍA

En la Antigüedad Las personas obtenían el agua potable directamente de los ríos o utilizaban pozos para extraerla de los depósitos subterráneos.

5000 años a. C. en Jericó, Israel El agua almacenada en los pozos es transportada mediante canales para facilitar su distribución.

4000 años a. C. Civilizaciones antiguas Para mejorar el sabor del agua, los antiguos griegos y egipcios usaban métodos como la filtración, la ebullición y la exposición a rayos solares. También agregaban sustancias que facilitaban la precipitación de partículas.

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6. Bombeo y distribución

Componente

Finalmente, se añade otra pequeña cantidad de cloro que garantiza su pureza durante la distribución y se hace llegar a los lugares de consumo.

SOLUCIÓN DE PROBLEMAS CON TECNOLOGÍA ¿Qué se hace con los contaminantes del agua? La biorremediación, el ozono y la desalinización son formas de purificar el agua. Hay aparatos que miden las condiciones del agua y rápidamente, establecen si es potable o no.

Biorremediación: es el uso de microorganismos para reducir o eliminar la contaminación, por ejemplo, los derrames de petróleo en el mar.

5. Ozoniﬁcación y cloración Luego, se realiza la desinfección del agua por medio de ozono o de cloro y el paso a través de filtros de arena y de carbón natural.

Filtros caseros: se usan en los hogares y pueden utilizar ozono como agente desinfectante.

4. Decantación y ﬁltrado de material orgánico Posteriormente, el agua pasa por un filtro para retirar los microorganismos y otras formas de material orgánico.

Desalinización: mediante esta técnica, se puede obtener agua dulce, a partir de agua de salada.

Medidores: se utilizan para determinar las características del agua y arrojan la información necesaria en segundos.

1500 a. C. Egipto Los egipcios utilizan alumbre para precipitar las sustancias suspendidas en el agua. Hoy en día, se sigue utilizando esta sustancia con el mismo fin.

1827. Inglaterra James Simpson construye un filtro usando arena con el fin de purificar el agua.

1970. En todo el mundo Conscientes de la necesidad de obtener agua potable, se generaliza el uso de plantas purificadoras de agua en distintas ciudades del mundo.

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ECOLOGÍA TECNOLOGÍA CIENCIA Y TECNOLOGÍA EN TUS MANOS

Componente TECNOLOGÍA Y SOCIEDAD

Construye tu propio ﬁltro de agua

1 1. Elaboración del embudo Lava la botella plástica y desecha la tapa. Con las tijeras, corta la parte superior de la botella a 10 cm de la tapa. Obtendrás una especie de embudo.

2 2. Ensamblaje Pon el embudo que cortaste en el interior del resto de la botella, con la parte correspondiente a la tapa hacia abajo. Ajústalo bien.

Materiales 1 botella plástica grande

3. Incorporación del papel ﬁltro

1 papel filtro para café

Coloca el filtro para café dentro del embudo que construiste, ajústalo contra las paredes. Si es necesario, hazle un doblez para que ajuste bien.

Arena lavada y seca Carbón triturado Agua con barro Tijeras o cortador

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4. Arena y carbón Debido a que el mecanismo básico de filtración es hacer pasar el agua a través de una matriz de algún material fino que atrape parte de los contaminantes que se encuentren en el agua, en este caso, utilizaremos arena y carbón triturado.

Agrega una capa gruesa de arena seca dentro del filtro. Encima, coloca una capa de carbón triturado y termina con otra capa de arena.

5. Filtrado del agua Vierte el agua con lodo sobre la arena de a poco, cuidadosamente. Observa, con atención, el agua que va pasando por el filtro. Debes esperar a que la arena se humedezca totalmente para recoger el agua filtrada.

6. Análisis de resultados Compara el agua con el barro que tenías al inicio y el agua que pasó a través de tu filtro. Notarás que el agua filtrada es más clara y limpia que la que tenías al iniciar la práctica.

Sin embargo, a pesar de que esta agua ha sido filtrada, persisten en ella microorganismos y posiblemente otros contaminantes químicos, que pueden ser combatidos con algunas sustancias como cloro y ozono; así que no vayas a beber el agua que obtuviste, pues aunque fue filtrada aún no es potable.

Analiza y responde ¿Cuál es el objetivo de utilizar arena y carbón pulverizado? ¿Qué función desempeña el papel filtro? ¿Qué diferencias ves entre el agua antes y después de filtrarla?

¿Qué diferencias crees que existen entre el agua antes de ser filtrada y el agua después de ser filtrada que no puedes percibir a simple vista?

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Agua

Rocas y minerales

Animales vertebrados

La estructura de la materia El contexto

Entorno físico

Tu plan de trabajo… Analizar las diferentes teorías atómicas. Describir el átomo según el modelo mecánico cuántico. Explicar los criterios de ordenamiento de los elementos químicos.

Encuentra en tu Evaluaciones: 3 De desempeño 14 Multimedia 2 Galerías

7 Actividades

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3 Prueba Saber 1 Audio 6 Imprimibles

11 Enlaces web

En el universo se encuentra el origen de todas las cosas que nos rodean; eso incluye a los seres vivos, a los materiales con los que fabrican las videoconsolas, las zapatillas para practicar deporte o los espaguetis con tomate. La materia entera del universo está conformada por un gran número de elementos diferentes, de los cuales, solo conocemos 118.

La situación actual El conocimiento de las propiedades de los elementos químicos nos permite conseguir el material adecuado para cada propósito. Miles de años de descubrimientos a lo largo de la historia han hecho posible que podamos tener televisores LCD, vivir fuera del planeta o viajar más rápido que el sonido. La clave de todos estos avances se encuentra en el conocimiento acumulado, que está resumido en la tabla periódica de los elementos químicos.

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Galería de imágenes

Audio

Aire

Plantas y animales invertebrados

Moneras, hongos y protistos

Ubica en el tiempo el estudio de la materia Pregunta problematizadora ¿Cómo podemos contribuir, en un futuro, a manipular o fabricar nuevos materiales que mejoren nuestra calidad de vida y que sean amigables con el ambiente? Aprendiendo cómo se organizan los átomos. Por ello, es importante

que conozcas la estructura de un átomo con su núcleo de protones y neutrones y su nube de electrones girando alrededor.

Ampliando tus conocimientos acerca de los elementos químicos.

Por ello, es fundamental que aprendas a explicar cómo se organizan los elementos en la tabla periódica para comprender cómo se pueden agregar nuevos elementos a ella.

Asumiendo una actitud crítica y propositiva frente al conocimiento

de nuevos materiales. Por ello, es esencial que dimensiones las implicaciones que tienen algunos materiales sobre el ambiente y sobre la salud humana.

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Egipcios Formulan la teoría de la Ógloda o de “las fuerzas primordiales de las que todo se encontraba formado”.

San Alberto Magno Descubre el arsénico y el nitrato de plata.

3000 a. C. 450 a. C. 1260 1661 1776

Henry Cavendish Descubre el hidrógeno.

Henri Moissan Obtiene flúor puro en forma de gas.

1857 1885 1995

Empédocles Afirma que todas las cosas se componen de cuatro elementos primarios. Robert Boyle Publica un tratado de química el cual contiene las primeras nociones científicas sobre los átomos. August Kekulé Propone que el carbono es tetravalente, esto es que forma exactamente cuatro enlaces químicos. Cornell y Wieman Produce el primer condensado de Bose-Einstein, una sustancia que muestra las propiedades mecano-cuánticas.

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Entorno físico

Estructura interna de la materia

Lexicón Átomo: palabra que proviene de los vocablos griegos a que significa “sin” y tomon que significa “corte”. Materia: palabra que se origina del latín mater que significa “madre”.

Ampliaciones

1. multimedia En el origen del universo se encuentra el origen de los átomos y por ende de la materia que constituye las cosas que nos rodean, entre las cuales se pueden mencionar las estrellas, nuestro planeta, los seres vivos, el pan que comiste al desayuno o el agua que bebes cuando tienes sed. Los conocimientos que tenemos hoy día sobre la materia, y particularmente sobre el átomo, obedecen a un proceso de miles de años en los cuales los seres humanos se hicieron preguntas claves acerca de la composición de la materia y la forma como está organizada. A continuación, se mencionará brevemente cómo fue este proceso.

El átomo según los filósofos griegos

Recurso

1.1 imprimible Fueron Tales de Mileto (624-546 a. C.) y Anaxímedes de Mileto (585-524 a. C.) quienes afirmaron que el principio de todas las cosas eran los elementos agua y aire. FRÍO

TIERRA

AGUA

HÚMEDO

SECO

FUEGO AIRE

CALIENTE

Teoría de los cuatro elementos y las cuatro cualidades de la materia.

Para Heráclito de Éfeso (540-475 a. C.) el elemento primordial era el fuego y Empédocles de Agrigento (alrededor de 500-430 a. C.) agregó a los tres elementos anteriores, el elemento tierra. De esta forma se constituyó la teoría de los cuatro elementos, según la cual el agua, el aire, el fuego y la tierra se combinaban para formar la materia confiriéndole sus cualidades fundamentales. A la luz de los conocimientos actuales, estas ideas pueden carecer de sentido pero, en la época en que surgieron fueron razonables ya que en la naturaleza la materia se presenta en cuatro formas: sólida (tierra), gaseosa (aire), líquida (agua) y el fuego como agente de cambio. Estas ideas fueron acogidas años más tarde por Aristóteles de Estagira (384-322 a. C.) quien afirmaba que todas las experiencias del mundo se debían a cuatro cualidades: lo cálido, lo frío, lo seco y lo húmedo y, por tanto, toda la materia que existe resultaría de la combinación de estas cualidades. Por ejemplo, si se combina lo seco con lo frío se obtiene la tierra; lo frío con lo húmedo, el agua; lo húmedo con lo cálido, el aire, y lo cálido con lo seco, el fuego. El prestigio y la influencia de Aristóteles como pensador hicieron que estas ideas perduraran por más de 2.000 años.

El átomo de Demócrito

1.2 En el año 380 a. C., Demócrito de Abdera (460-370 a. C.) se basó en las enseñanzas de su tutor Leucipo e introdujo la idea de que la materia estaba constituida por partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos. A Leucipo se le atribuye la idea de que la materia está conformada por átomos, por esto es considerado como el fundador de la escuela atomista. Demócrito, por su parte, desarrolló la teoría discontinua de la materia, la cual afirma que la materia podía dividirse en partículas cada vez más pequeñas hasta llegar a los átomos, que estos eran sólidos, indivisibles, indestructibles y eternos y que, además, entre ellos existía espacio vacío. De acuerdo con lo anterior, las diferentes formas en las que se presenta la materia se debían a la reorganización de los átomos.

Leucipo.

Existían entonces, en la época, dos tendencias contrapuestas: una, la de Aristóteles, cuyo fundamento era la materia continua y otra, la de Demócrito, que basaba su teoría en la existencia de átomos.

8 2 Acción de pensamiento: describo el desarrollo de modelos que explican la estructura de la materia.

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Componente Procesos físicos

Teoría atómica de Dalton

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1.3 Hacia comienzos del siglo XIX surgió el concepto de átomo sobre una base científica, ya que hasta ese momento era solo un concepto filosófico. Fue el científico inglés John Dalton (1766-1844) quien propuso en 1803 una teoría sobre la estructura de la materia compatible con las leyes ponderales que explican el comportamiento de las reacciones químicas y la idea de que existen dos clases de sustancias químicas (compuestos y elementos). La teoría de Dalton se resume en los siguientes postulados:

A 4 átomos de S B

La diversidad de la materia se explica, por una parte, por la existencia de átomos diferentes y por la otra, por las múltiples combinaciones que pueden establecer varios átomos ya sean similares o diferentes. Los átomos son unidades básicas que se combinan formando moléculas y produciendo cambios químicos. La molécula es la porción más pequeña que conserva las propiedades químicas de un compuesto. El agua, por ejemplo, es un compuesto químico cuyas moléculas están formadas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

4 unidades de PbS

Óxido nitroso (2 átomos de N y 1 de O)

Dióxido de nitrógeno (2 átomos de O y 1 de N)

Los átomos son esferas compactas e indivisibles.

Los átomos de un elemento difieren de otros en masa, tamaño y otras características.

4 átomos de Pb

Óxido nítrico (1 átomo de O y 1 de N)

Las partículas que forman los elementos se denominan átomos. El átomo es la porción más pequeña de un elemento que conserva las mismas propiedades de este. Los átomos de un mismo elemento tienen igual masa y características. Por ejemplo, la plata está constituida únicamente por átomos de plata.

1 átomo 2 átomos 1 molécula de C 1 de O 5 de CO2

Explicación según la teoría de Dalton de la ley de las proporciones constantes (A), la de las proporciones múltiples (B) y la de la conservación de la masa (C).

En un cambio químico, los átomos no se crean ni se destruyen sino que se reordenan formando otras sustancias. Existe un número limitado de sustancias puras formadas por una sola clase de átomos. Estas sustancias se denominan elementos y, a partir de las distintas combinaciones entre ellos, se forman todas las sustancias, denominadas compuestos químicos. La combinación química se efectúa cuando diferentes tipos de átomos se unen en proporciones numéricas simples y constantes para formar compuestos. Por ejemplo H2O. Los átomos de un elemento no pueden transformarse en átomos de otro elemento durante un cambio químico. La teoría de Dalton fue brillante para su época pero en la actualidad algunos de sus postulados, como el de la indivisibilidad, han sido reformulados. A finales del siglo XIX y principios del XX, se produjo una serie de descubrimientos que demostraban la existencia de partículas dentro del átomo. A medida que iban sucediendo nuevos hallazgos, los científicos diseñaron modelos atómicos; es decir, se imaginaron cómo serían los átomos. Para comprobar estos modelos realizaron experiencias, pero los resultados de algunas de ellas demostraron que estos modelos no eran los adecuados y hubo que modificarlos.

Modelo atómico de Dalton, quien afirmó que el átomo es una esfera compacta e indivisible.

Argumento 1. Explica con tus palabras los siguientes términos:

Continuidad y

discontinuidad de la materia.

Átomo indivisible y átomo

divisible. 2. ¿Cuál de los postulados de Dalton te parece más importante? Justifica tu respuesta. ©

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Naturaleza eléctrica de la materia

Tales de Mileto (624-546 a. C.) El filósofo griego frotó resina de ámbar con piel de gato y consiguió atraer con ella unos trozos de pluma. A este fenómeno le denominó electricidad.

Charles F. de Cisternay du Fay (1698-1739) El naturalista francés encontró que existían dos tipos de electricidad (vítrea y resinosa) y también observó que cuando trataba de aproximar cuerpos del mismo tipo de electricidad, se repelían, pero si tenían electricidad de diferente tipo, se atraían.

Benjamin Franklin (1706-1790) El científico estadounidense pensó que la electricidad era un fluido que pasaba de unos cuerpos a otros cuando se frotaban. En el proceso, unos cuerpos ganaban electricidad y otros la perdían.

1.4 Diversos filósofos y científicos se interesaron por comprender las manifestaciones eléctricas de la materia y, gracias a esto, se logró establecer una relación entre la materia y la electricidad, la cual se puede entender de la siguiente forma: si se afirmaba que la materia es de naturaleza eléctrica y que, además, estaba constituida por átomos, entonces un modelo atómico debería fundamentarse en una asociación lógica entre estas dos ideas. 1.4.1

El descubrimiento del electrón

A finales del siglo XIX en los laboratorios de física se realizaban experiencias con el fin de estudiar si era posible el paso de una corriente eléctrica en el vacío. En 1875 el físico inglés William Crookes (1832-1919) diseñó un tubo de vidrio en el que consiguió un vacío casi perfecto. Colocó en su interior dos placas metálicas y las conectó a una diferencia de potencial elevada; en el interior del tubo apareció un haz luminoso, lo que se interpretó como que la corriente eléctrica viajaba en el vacío. La placa metálica conectada al polo negativo del generador eléctrico se llamó cátodo, y la conectada al polo positivo, ánodo. El haz luminoso parecía ir del cátodo al ánodo, por eso se le llamó rayo catódico. Además Crookes observó que, cuando el voltaje se elevaba por encima de los 10.000 voltios y el tubo contenía mínimas cantidades de aire, se podía notar que el haz luminoso variaba en intensidad según la cantidad de aire y, si en lugar de aire se introducían otros gases, el haz luminoso tomaba diferentes colores, según el gas. 1.4.2

Los experimentos de Thomson

Cuando se producía una descarga eléctrica entre las placas, aparecía un rayo luminoso.

Alessandro Volta (1745-1827) El físico italiano mediante un proceso químico logró canalizar la corriente eléctrica y construir la primera pila eléctrica.

Michael Faraday (1791-1867) El físico y químico inglés comprobó que existían iones con carga positiva que se desplazaban hacia el electrodo negativo de la pila. El fenómeno, al que denominó electrólisis, puso de manifiesto la relación que hay entre la materia y la electricidad.

Cátodo (2)

Ánodo (1)

Como el rayo era atraído por la placa positiva (ánodo), se dedujo que estaba formado por partículas eléctricas con carga negativa.

Hélice de zinc

Estas partículas tienen masa, ya que hacen girar la hélice de zinc.

Enlace web

En 1887 el físico inglés Joseph John Thomson (1856-1940) estudió en detalle lo que sucedía en los tubos de rayos catódicos: Al analizar las partículas que formaban el rayo, observó que eran las mismas independientemente de cuál fuera el gas que se encontrara en el interior del tubo, y estudiando la desviación que experimentaban estos rayos, por la acción de los campos eléctricos y magnéticos, pudo medir la relación entre la carga eléctrica y la masa de las partículas. Como consecuencia, Thomson estableció que:

Los átomos de todas las sustancias contienen una o más partículas de carga negativa a las que llamó electrones.

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Componente Procesos físicos 1.4.3 El experimento de Millikan Unos años más tarde, en 1909, el físico estadounidense Robert A. Millikan (1868-1953) diseñó uno de los experimentos más ingeniosos de la historia de la ciencia: al observar pequeñas gotas de aceite en suspensión y medir su carga encontró que estas cargas para distintas gotitas eran siempre múltiplos de una carga elemental (la carga del electrón). Cuando las gotitas quedaban en suspensión se cumplía que la fuerza gravitatoria (peso, Fg) era igual a la fuerza eléctrica (Fe). De esta manera logró determinar la carga del electrón y se pudo establecer la carga y la masa de la partícula:

Gotas de aceite electrizadas

Atomizador

Placa cargada positivamente ��

� � � � �

Gas

F � qE

Aceite Microscopio

F � mg Ajustando el voltaje se consigue dejar la gota en suspensión

mg � qE � � �� Placa cargada negativamente

Electrón Signo

Carga

Masa

0,0000000000000000016 C

0,0000000000000000000000000000911 kg

1.4.4 El descubrimiento del protón Una vez encontrado el electrón, los científicos trataron de localizar en el átomo una partícula similar, pero con carga positiva, ya que la materia era neutra. Fue el físico alemán Eugen Goldstein (1850-1930) quien, al trabajar nuevamente con tubos de descarga, a una presión más baja que la utilizada para estudiar los rayos catódicos, detectó unos rayos que viajaban en el sentido opuesto a ellos. Para observarlos, perforó la placa que hacía de cátodo (negativa) y observó que el haz de luz atravesaba sus orificios: era pues, un haz de rayos que viajaba del ánodo (positiva) al cátodo. A estos rayos los denominó rayos canales y concluyó que estos rayos se encontraban formados por partículas cargadas positivamente, a las que denominó protones. Goldstein encontró además que la masa y la carga de las partículas que constituían los rayos variaban según el gas encerrado en el tubo, contrario a lo que había observado Thomson con los rayos catódicos, los cuales no se veían afectados por el gas encerrado. Protón Signo

Carga

Masa

0,0000000000000000016 C

0,000000000000000000000000163 kg

Protones

Cátodo perforado (2)

Ánodo (1)

Experimento de Goldstein. ©

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Enlace web 1.4.5 El modelo atómico de Thomson Thomson, para plantear su modelo atómico, partió de la base de que la materia era eléctricamente neutra y aparentemente densa, sin oquedades. Supuso que los átomos estaban formados por una masa cargada positivamente en cuyo interior había pequeñas partículas de carga negativa, los electrones. La carga positiva de la masa del átomo coincidía con la carga negativa de sus electrones. Este modelo explicaba la electrización por frotamiento y la existencia de partículas cargadas positiva y negativamente.

Esquema del modelo atómico de Thomson. A pesar de las limitaciones de este modelo, en Europa otros científicos se unieron a las investigaciones acerca de la estructura de la materia y se generó una nueva etapa del conocimiento.

Ampliación multimedia

Un átomo puede perder o ganar electrones; si los gana, adquiere carga negativa, y si los pierde, carga positiva. Los cuerpos de distinto signo se atraen porque la materia tiende a recuperar su neutralidad natural; los cuerpos que tienen electricidad del mismo tipo se repelen.

El descubrimiento de la radiactividad

1.5 En 1886, el físico francés Henri Becquerel (1852-1908) descubrió el fenómeno de la radiactividad. Él y otros investigadores, como la pareja de esposos, el francés Pierre Curie (1859-1906) y la polaca Marie Curie (1867-1934), encontraron que algunos materiales, como el uranio, emitían tres tipos de radiación de forma espontánea; una de ellas, la radiación a, estaba formada por partículas cargadas positivamente. Para comprobar si el modelo atómico de Thomson era correcto, el físico alemán Hans Geiger (1882-1945) y el físico inglés Ernest Marsden (18891970), colaboradores del físico neozelandés Ernest Rutherford (1871-1937) diseñaron una experiencia famosa en el mundo de la ciencia en la que empleaban esas partículas alfa (a). Partícula rebotada

Película fotográfica

Bloque de plomo

Mineral de uranio Lámina de oro muy fina

Partícula desviada

Partícula no desviada

En el interior de un bloque de plomo se hizo una cavidad con una salida al exterior en la que se colocó el material radiactivo que producía partículas a (por ejemplo, mineral de uranio). Todos los rayos que no tuvieran la dirección del orificio de salida serían absorbidos por el plomo. Se lograba así que a la lámina de oro llegaran unos rayos procedentes directamente del material radiactivo.

Para conocer la trayectoria que seguían las partículas a después de chocar contra la lámina de oro, se rodeó esta con una película fotográfica. Realizada la experiencia, se obtuvieron los siguientes datos: La mayoría de las partículas a atravesaban la lámina de oro sin desviarse. Una pequeña proporción de partículas experimentaba una desviación al atravesar la lámina de oro. Si el modelo de Thomson hubiera sido correcto, las partículas a deberían haber atravesado la lámina sin que ninguna rebotara.

Una de cada 10.000 partículas a rebotaba al llegar a la lámina y volvía hacia atrás. De esta experiencia se concluyó que el modelo atómico de Thomson no era correcto.

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Componente Procesos físicos 1.5.1 Teoría atómica de Rutherford Para poder explicar la experiencia de la lámina de oro, Rutherford pensó que el átomo debía tener su carga positiva concentrada en una parte muy pequeña del mismo. Solo así se explica que las partículas a que chocan contra esa parte reboten. En consecuencia, tuvo que idear un nuevo modelo atómico en el que el átomo estaba formado por un núcleo muy pequeño. De acuerdo con lo anterior, Rutherford estableció los siguientes postulados: Enlace web

Los núcleos de los átomos son regiones centrales pequeñas cargadas positivamente donde se concentra la masa. Los electrones se mueven alrededor del núcleo, en forma similar a como se mueven los planetas alrededor del Sol y al moverse, contrarrestan la carga positiva del núcleo. El modelo atómico de Rutherford explica los resultados de la experiencia de la lámina de oro. 1

Una pequeña parte de las partículas a se desvía de su trayectoria rectilínea. Esto se explica porque pasan cerca de un núcleo que las repele y se desvían.

La mayor parte de las partículas a atraviesa la lámina de oro sin desviarse porque no encuentran ningún obstáculo. Si el núcleo positivo del átomo es muy pequeño y los electrones giran alrededor, la mayor parte del átomo está vacía.

Una pequeñísima porción de partículas a rebota. Son partículas que chocan contra el núcleo.

Representación del átomo según Rutherford. Los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas.

2 1

Distintas experiencias han permitido medir el tamaño de los átomos. Considerado como una esfera, el átomo tiene un radio de unos 10210 m, y el núcleo, un radio de 10214 m. El núcleo es, por tanto, unas 10.000 veces más pequeño que el átomo.

Descubrimiento del neutrón

1.6 Si los átomos estuviesen formados solo por protones y electrones, su masa debería coincidir con la masa de los protones, ya que los electrones tienen una masa despreciable. Al medir la masa de los átomos se encontró que era aproximadamente el doble de la que corresponde a la masa de sus protones. Rutherford predijo, hacia el año 1920, que en los átomos debía existir una partícula de masa similar al protón y sin carga eléctrica. Esta partícula, a la que denominó neutrón, debía encontrarse en el núcleo, que es donde se halla la mayor parte de la masa. El neutrón fue descubierto finalmente por el físico inglés James Chadwick (1871-1974) en 1932. Chadwick realizó un experimento donde bombardeó átomos de berilio con partículas alfa provenientes del polonio y como resultado encontró unas partículas carentes de carga eléctrica. Debido a que no tenían carga eléctrica, era difícil detectarlas y por eso recurrió a establecer sus efectos sobre otras partículas. Para ello, interpuso en la trayectoria de los neutrones, provenientes del berilio, una placa de parafina; y así mismo intercaló otras sustancias. También propuso que la masa del neutrón debería ser similar a la del protón, lo cual posteriormente se comprobó.

�

� �

�

Átomo de berilio. ©

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Competencias científicas

5 Según el modelo atómico de Thomson los

INTERPRETO A F I A N Z O

electrones se encuentran

1 Marca con un 3 cuáles de los siguientes des-

cubrimientos fueron la base para la construcción del modelo atómico de Rutherford.

C O M P E T E N C I A S

Descubrimiento del protón Descubrimiento del electrón Descubrimiento del neutrón Descubrimiento de la radiactividad

2 Une con una línea cada uno de los siguientes modelos atómicos con su correspondiente autor.

Rutherford

en el centro del átomo. girando alrededor del átomo. incrustados en una masa uniforme positiva. girando alrededor del núcleo.

6 El aporte del modelo de Rutherford fue determinar el lugar de los protones. enunciar que los electrones giran alrededor del núcleo en forma elíptica. enunciar que los electrones giran alrededor del núcleo. determinar que el átomo tiene un núcleo central, pequeño, de carga positiva y que a su alrededor giran los electrones.

7 Observa el siguiente dibujo de la experiencia

Thomsom

realizada por Rutherford y sus colaboradores. Completa los enunciados 8 a 10, marcando con una 7 la opción correcta.

Dalton

8 En el experimento se utilizó una lámina de 3 Observa y analiza los siguientes gráficos y, con base en ellos, completa los enunciados 4 a 6, marcando con una 7 la opción correcta.

el oro es un metal poco resistente a las radiaciones. el oro era el metal más utilizado. así algunas partículas podían atravesar la lámina. el oro posee una gran resistencia a las radiaciones.

4 La principal diferencia entre el modelo de

9 Algunas partículas rebotaban cuando choca-

Dalton y el de Thomson radica en

oro porque:

los niveles de energía. las partículas subatómicas. superficie externa. la carga eléctrica.

ban contra la lámina porque:

chocaban con los núcleos atómicos. pasaban cerca de los núcleos. la lámina de oro era muy gruesa. el oro es un metal que repele algunas clases de partículas.

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Identificar •

Indagar •

10 Esta experiencia sirvió para desterrar defini-

tivamente el modelo de Thomson porque la mayor parte de las partículas desviaba su trayectoria. atravesaba la lámina de oro sin encontrar ningún obstáculo. chocaba contra un obstáculo y rebotaban. se desintegraba al atravesar la lámina de oro.

Explicar •

Comunicar •

Trabajar en equipo

Desarrollo compromisos personales y sociales

PROPONGO 15 Lee el siguiente texto.

ARGUMENTO 11 Identifica cuál de los siguientes postulados

de Dalton fue refutado a la luz de los nuevos descubrimientos sobre el átomo. Justifica tu respuesta en tu cuaderno. Los átomos son esferas compactas e indivisibles. Los átomos de un elemento no pueden transformarse en átomos de otro elemento durante un cambio químico. Los átomos de un mismo elemento tienen igual masa y otras características.

12 Lee el siguiente texto y, con base en él, realiza las actividades 13 y 14.

Gracias al trabajo dedicado y responsable de muchos científicos, actualmente se cuenta con una gran cantidad de conocimientos sobre la estructura de la materia. Ello ha permitido que la Química se desarrolle de una manera increíble. En sus investigaciones, tanto físicos como químicos descubrieron la enorme cantidad de energía disponible en los núcleos atómicos y empezaron a trabajar en sus aplicaciones. Algunas de ellas, como las armas nucleares, tienen efectos nefastos, pero otras son beneficiosas. Por ejemplo, ayudan a curar enfermedades como el cáncer y son una importante fuente de energía para mover máquinas, vehículos y generar electricidad.

16 Reúnete con un grupo de personas de tu salón y realicen las siguientes actividades:

El modelo atómico de Rutherford no permitía explicar la diferencia entre la masa y la carga eléctrica de los átomos, ya que el número de protones necesarios para justificar la carga no era el mismo que para justificar la masa.

13 Escribe, con tus palabras, una breve explicación sobre lo expuesto en el texto.

14 Responde: ¿Cómo se logró justificar la dife-

rencia entre la masa y la carga con el descubrimiento del neutrón? Justifica tu respuesta.

Consulten sobre el método Phillips 6.6 para discusiones grupales. Con el apoyo del docente planeen una sesión para poner en práctica esta técnica. Las preguntas sugeridas para la actividad son: ¿Por qué el estudio del átomo significó un reto muy importante para los científicos de los siglos XVIII y XIX? ¿Cuál es la importancia de conocer la estructura interna del átomo en el mundo actual? ¿Por qué un descubrimiento científico puede tener aplicaciones beneficiosas y a la vez tan nefastas? ¿Creen que la ciencia debe ser un bien común y no un bien particular? ¿Por qué? ©

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Entorno físico

Teoría moderna sobre la materia

2. El modelo atómico de Rutherford no permitía explicar algunos descubrimientos realizados en la primera mitad del siglo XX. Veamos algunos de estos acontecimientos científicos que posibilitaron el abordaje de las nuevas ideas sobre la estructura atómica como, por ejemplo, la teoría electromagnética de Maxwell, los espectros de radiación, la teoría cuántica de la luz (fotónica) y el efecto fotoeléctrico.

Teoría electromagnética

De acuerdo con las leyes del electromagnetismo, el electrón que gira debería emitir energía de forma continua hasta “caer sobre el núcleo”.

2.1 Según esta teoría, del físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879), si el modelo de Rutherford fuera cierto el electrón que gira debe emitir energía en forma continua hasta caer sobre el núcleo y en consecuencia, el átomo solo tendría un período de “vida” muy corto (fracciones de segundo) pues sus electrones girarían en una espiral hacia el centro, emitiendo energía hasta que protones y electrones se “fusionaran” en una esfera minúscula del tamaño del núcleo atómico y luego, básicamente, dejarían de ser átomos y se convertirían en una miniesfera de electrones y protones.

Los espectros de radiación

El color de la llama depende del material que calentamos. El potasio da una llama azul; el sodio, amarilla; el calcio, naranja.

2.2 El espectro de una radiación es el conjunto de las radiaciones simples que lo forman. Para comprender mejor esta idea pensemos en el arco iris. La luz blanca sufre una refracción al atravesar las gotas de agua y vemos cada una de las radiaciones que la forman. El arco iris es el espectro de la luz solar. Ahora, para el caso concreto de la materia, cuando se calienta un material hasta una temperatura lo suficientemente alta, este emite una radiación. Si se recoge la radiación que expulsan los átomos de un elemento químico y se analiza, se puede comprobar que su espectro está formado por unas radiaciones concretas, características del elemento. Ese es el espectro de emisión de un átomo. Los espectros muestran que los átomos no despiden energía de forma continua ya que las radiaciones que lanzan tienen solo unas energías determinadas. Esto puede comprobarse realizando un análisis del color de la llama (A) producida al calentar un determinado material. También se puede obtener el espectro de absorción de los átomos. Para ello, se hace incidir sobre estos radiación de diferentes energías y se comprueba cuáles absorbe. Esas energías corresponden a rayas negras sobre el fondo de color. Absorción Espectro de absorción y emisión de un elemento.

Emisión

Espectro de absorción del hidrógeno. Espectro de emisión del hidrógeno.

Las líneas del espectro de absorción de un elemento se corresponden con las líneas de emisión del mismo elemento. Para un mismo elemento, el espectro de absorción es complementario del de emisión.

9 0 Acción de pensamiento: explico el modelo atómico actual.

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Componente Procesos físicos

La teoría cuántica de la luz (fotónica)

2.3 En torno al año de 1900, el físico alemán Max Planck (1858-1947) estudió la radiación que emitían los cuerpos cuando se calentaban a una temperatura suficientemente alta y, a partir de sus resultados, enunció la teoría cuántica de la luz. Según ella: Cuando un cuerpo se somete a una temperatura suficientemente alta emite energía discontinua como radiación electromagnética. La radiación electromagnética consiste en una serie de paquetes de energía denominados fotones o cuantos de radiación. Por eso es discontinua.

Lexicón Cuántico: palabra que se deriva del latín quantus que significa “cantidad” y la terminación -icus que significa “relativo a”. La palabra cuántico quiere decir “cantidad de algo” o “cantidad elemental”.

La energía de una radiación es la energía de cada uno de sus fotones. La intensidad de una radiación está determinada por el número de fotones que la integran.

El efecto fotoeléctrico

2.4 La teoría cuántica de la luz de Planck marcó el inicio de la física cuántica, una parte de la física que estudia el comportamiento de la materia a escala muy pequeña (escala atómica). Esta teoría fue utilizada en 1905 por el físico alemán Albert Einstein (1879-1955) para explicar el efecto fotoeléctrico.

Actualidad científica Electrón

Electrón

Luz (fotones)

El efecto fotoeléctrico es un fenómeno que consiste en la producción de una corriente eléctrica por parte de un metal cuando la luz incide sobre él. Existe un valor umbral para la energía de la radiación necesaria para “arrancar” electrones del metal. Es decir, cuando el cátodo se ilumina con luz de energía mayor que un valor mínimo, se arrancan electrones que llegan al ánodo. La intensidad de la corriente que produce es proporcional a la intensidad de la luz, lo que indica que cada fotón de la luz arranca un electrón. La energía con la que sale “despedido” un electrón depende de la energía del fotón incidente.

El miliamperio indica que hay paso de corriente.

Esquema de la célula fotoeléctrica. Entre el ánodo y el cátodo hay una pequeña diferencia de potencial para que los electrones que se arrancan sigan el camino de la corriente.

Estos nuevos descubrimientos acerca de que la materia se comportaba a escala atómica, de forma diferente a como lo hacía a escala macroscópica, llevó a los científicos a imaginar nuevos modelos atómicos. El primero de ellos fue el físico danés Niels Bohr (1885-1962), que se apoyó en la idea de la cuantización de la energía, aunque conservaba algunos planteamientos de la física clásica. Más tarde, nuevos avances en la física cuántica permitieron establecer un modelo atómico que explicaba el comportamiento de la materia de forma más precisa.

Las modernas cámaras digitales utilizan el efecto fotoeléctrico: los fotones que llegan al sensor CCD o CMSO arrancan los electrones y se forma una corriente eléctrica que luego se transforma en imágenes.

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El modelo atómico de Bohr

Actividades Enlace web 2.5 En 1913, Bohr se basó en la teoría cuántica de Planck, en el espectro de emisión del hidrógeno y en el modelo de su maestro Rutherford para establecer un modelo atómico. Los postulados del modelo atómico de Bohr son:

Órbitas

Núcleo

Los electrones giran alrededor del núcleo en un número limitado de órbitas (niveles de energía) estables con un valor determinado de energía; es decir, los electrones pueden situarse en uno y otro nivel, pero no entre dos niveles.

n5 1 n5 2 n5 3 n5 4

n5 5

En el modelo atómico de Bohr los electrones solo pueden ocupar órbitas circulares de cierta energía alrededor del núcleo.

Electrón Fotón absorbido

Cuando los electrones se encuentran en sus órbitas (estado fundamental o estacionario), no emiten energía. Solo pueden ganar o perder energía cuando pasa de una órbita a otra (de un nivel a otro). El electrón pasa a una órbita superior (estado excitado) cuando se le suministra energía (absorbe un cuanto de energía). Cuando un electrón vuelve a su estado fundamental, emite un cuanto de energía (pierde energía) y esta pérdida se percibe en forma de luz o calor. Así pues, en el átomo, los electrones y sus órbitas se organizan en “capas” y en cada capa, tendrían cierta energía. Por esto a las capas se les denomina niveles de energía. En el primer nivel de energía (el más cercano al núcleo atómico) puede haber hasta 2 electrones. En el segundo nivel de energía puede haber hasta 8 electrones. En el tercer nivel de energía puede haber 18 electrones.

Núcleo

En el cuarto nivel de energía puede haber hasta 32 electrones, etc.

Para que un electrón pase de una órbita a otra más exterior tiene que absorber energía que coincida con la diferencia de energía de esas órbitas.

Electrón Fotón emitido

Núcleo

Si el electrón pasa de una órbita exterior a otra más interior, emitirá una energía que será igual a la diferencia de energía entre ambos niveles.

Los electrones se ubican en el átomo ocupando el nivel de menor energía que esté libre. Es decir, si un átomo tiene un electrón, este se situará en el primer nivel de energía; en otras palabras, más cercano al núcleo. Los niveles de energía se van organizando cada vez más alejados del núcleo así, el primer nivel es el que está más próximo al núcleo; después está el segundo nivel; luego el tercero, y así sucesivamente. El átomo de Bohr explicaba además por qué los espectros de los átomos solo mostraban determinadas rayas: las de las radiaciones que el electrón absorbía o emitía cuando pasaba de una órbita a otra. También explicaba por qué el espectro de absorción era complementario del de emisión. Si el electrón pudiese estar en cualquier lugar, podría absorber o emitir cualquier energía y el espectro sería un continuo de energía. Por otro lado, Bohr interpretó las líneas espectrales como la “huella de identificación” de cada átomo, lo que explicó de la siguiente manera: como cada átomo tiene una cantidad de niveles definida, los electrones emiten en cada caída una radiación diferente, lo que genera varios tipos de luz y, además, como la energía de cada órbita depende de una constante que es propia a cada elemento, las radiaciones que absorben o emiten los átomos de un elemento son distintas de las de cualquier otro. Por tanto, el espectro de un átomo sirve para identificar el elemento al que pertenece.

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Componente Procesos físicos

El modelo atómico actual

Ampliación

Actividad

2.6 multimedia El modelo atómico de Bohr explicaba el espectro del átomo de hidrógeno, pero fallaba cuando trataba de explicar el de átomos que tienen más de un electrón. Además la técnica de los espectros se perfeccionó y los investigadores encontraron que algunos átomos tenían más rayas de las que cabía esperar con el modelo de Bohr. La única explicación es, por tanto, que en el átomo realmente hay más niveles de energía. Nuevos descubrimientos agregaron varios elementos a la mecánica cuántica entre los cuales se destacan:

Modelo de nube electrónica e2 e2 e2

Núcleo

La dualidad de la materia. En 1924, el físico francés Louis de Broglie (1892-1987) enunció el principio de que toda partícula en movimiento lleva asociada una onda. Por tanto, el movimiento de un electrón se debe explicar como partícula y como onda. La ecuación de onda. En 1926, el físico austríaco Erwin Schrödinger (1867-1961) consideró que la trayectoria definida por Bohr para el electrón debía sustituirse por “la probabilidad de encontrarlo en una región espacial llamada orbital”. En otras palabras, por medio de esta ecuación se delimitan regiones en el espacio que corresponden más o menos a los orbitales establecidos por Bohr, pero que designan las zonas en las cuales la probabilidad de hallar un electrón, en un momento dado, es muy alta. El principio de incertidumbre. En 1927, el físico alemán Werner Heisenberg (1901-1976) concluyó que, dado que el electrón se define como onda y como partícula, no podemos determinar su posición y velocidad simultáneamente. 2.6.1 El modelo atómico mecánico cuántico Con los nuevos aportes se estableció el modelo atómico actual, llamado también “mecánico cuántico”. En este modelo, el átomo está constituido por dos zonas: el núcleo y la nube electrónica. El núcleo. Ocupa la región central y está formado por protones y neutrones. Concentra prácticamente toda la masa del átomo. La nube electrónica. Es el espacio exterior del núcleo atómico donde se mueven los electrones, que, a su vez, constituyen niveles y subniveles de energía. El modelo actual especifica que los electrones se mueven en regiones denominadas orbitales.

Niveles de energía

K L M N O P Q 1 2 3 4 5 6 7

Recurso imprimible Nivel de energía

Subnivel de energía

2s, 2p

3s, 3p, 3d

4s, 4p, 4d, 4f

5s, 5p, 5d, 5f

6s, 6p, 6d, 6f

7s, 7p, 7d, 7f

Niveles de energía (n)

Subniveles

Orbitales

Es la región de la nube electrónica donde se encuentran electrones con similar valor de energía. En cada nivel de energía solo se puede alojar un número determinado de electrones. Hasta el cuarto nivel, este número responde a la regla de Ryderg, que dice: “El número de electrones en cada nivel es igual a 2n2”. Así, por ejemplo, en el tercer nivel hay como máximo 2(3)2 5 18 electrones.

Cada nivel de energía de un átomo está constituido por uno o más subniveles, debido a que los electrones que se hallan en el mismo nivel se diferencian ligeramente en la energía que poseen. Los subniveles se designan por las letras s, p, d y f, y cada uno tiene una capacidad fija para alojar electrones:

Son regiones de la nube electrónica donde la posibilidad de encontrar un electrón es máxima. Al no conocer con exactitud la posición de los electrones, se establece que giran en una región de espacio energético donde estadísticamente es más probable encontrar un electrón. Un orbital puede albergar como máximo dos electrones, que se diferencian entre sí por el sentido de giro sobre su eje.

s 5 2 e2

p 5 6 e2

d 5 10 e2

f 5 14 e2

Orbital desapareado (con un e2)

Orbital apareado (con dos e2) ©

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2.6.1.1 Tipos de orbitales Los estudios de Schrödinger demostraron que existen distintos tipos de orbitales que, como se mencionó anteriormente, se identifican con las letras: s, p, d y f. La forma y el tamaño de un orbital dependen del nivel y del subnivel de energía en que se encuentra, así: El subnivel s está constituido por un solo orbital s de forma esférica. Se designa como 1s, 2s, 3s, 4s, 5s, 6s, 7s, según el nivel en que se encuentre.

e2 e2 Orbital 1s

Orbital 2s

El subnivel p comprende tres orbitales p de igual energía, pero de diferente orientación espacial. El electrón ocupa una zona similar a dos lóbulos. Según su orientación en el espacio, puede ser de tres clases: px, py y pz. Los orbitales p tienen forma de ocho (8).

Además de girar alrededor del núcleo, los electrones giran en torno a sí mismos. El giro de un electrón sobre sí mismo puede ser en un sentido o en el contrario.

Z Y

Argumento 1. Elabora una línea del tiempo en la que representes los distintos modelos atómicos, desde la Antigüedad hasta nuestros días. Demócrito y Leucipo Thomson Rutherford Bohr Actual 2. Elabora una lista con todos los orbitales que hay en el nivel 3 de un átomo. 3. Determina las semejanzas y diferencias que pueden haber entre las siguientes parejas de orbitales: 2s y 3p 2s y 5s 3d y 4d 2p y 3d

Orbital 2px

Orbital 2py

Orbital 2pz

El orbital px, orientado sobre el eje X, el py sobre el eje Y y, el pz sobre el eje Z. El subnivel d está formado por un conjunto de cinco orbitales d de igual energía. Según su orientación, se clasifican en cinco tipos: dx, dyz, dxz, dx2 2 y2, dz2. Z

dxy

X dx2 2 y2

dyz

Y dxz

X dz2

El subnivel f comprende siete orbitales f de formas complejas.

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Componente Procesos físicos 2.6.2 Distribución de los electrones en un átomo Como se ha visto, los electrones se distribuyen en orbitales situados a ciertas distancias del núcleo. La manera abreviada de representar la distribución de electrones en un átomo se denomina configuración electrónica. Esta representación sigue cuatro reglas: el principio de ordenamiento, el principio de mínima energía, el principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund. Principio de ordenamiento Al ordenar los elementos de manera creciente de números atómicos, cada átomo tendrá un electrón más que el anterior. Por ejemplo, al observar la tabla periódica se puede decir que el berilio (Be) tiene 4 electrones, un electrón más que el elemento anterior que es el litio (Li) con 3 electrones. Principio de mínima energía Este principio establece que los electrones van llenando los orbitales de menor energía; es decir, los que están más cerca del núcleo. El orden de energía es el siguiente: 1s2 < 2s2 < 2p6 < 3s2 < 3p6 < 4s2 < 3d10 < 4p6 < 5s2 < 4d10 < 5p6 < 6s2 < 4f14 < 5d10 < 6p6 < 7s2 < 5f14 < 6d10 < 7p6. Es importante recordar que el orden de energía de los orbitales no coincide con el de los niveles; para recordarlo, se aplica la regla de las diagonales o diagrama de Moeller el cual es muy útil para realizar la configuración electrónica de un átomo. Por ejemplo, los números del 1 a 7 indican el nivel de energía, las letras minúsculas s - p - d - f representan los subniveles y los exponentes el número máximo de electrones en cada subnivel así: 2 para s, 6 para p, 10 para d y 14 para f. El sentido de la flecha se debe seguir puesto que indica el orden de energía creciente para los orbitales atómicos. Principio de exclusión de Pauli En 1925, el físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) enunció el principio de exclusión, según el cual en un átomo no puede haber dos electrones cuyos números cuánticos sean iguales; es decir, cada orbital acepta como máximo dos electrones, que deben tener espines contrarios. Regla de Hund Esta regla establece que los electrones de un determinado subnivel de energía no se aparean en un orbital hasta que todos los orbitales del subnivel tengan por lo menos un electrón cada uno. Los electrones apareados tendrán espín opuesto, pero los no apareados tienen el mismo espín. Ahora, apliquemos estas reglas en la configuración electrónica de algunos átomos: Átomo

Boro (B)

Oxígeno (O)

Número de electrones En la tabla periódica vemos que el boro tiene Z 5 5, lo que indica que un átomo de este elemento tiene 5 electrones. En la tabla periódica vemos que el oxígeno tiene Z 5 8, lo que indica que un átomo de este elemento tiene 8 electrones.

Regla de Hund

2px

2py 2p

Enlace web Diagrama de Moeller 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s

2 2 2

6p 7p

6 6 6

6 6

5d 6d

10 10 10

Orden de “llenado” de los orbitales. Primero se llenan los niveles de menor energía.

Enlace web

Interpreto De forma similar al ejemplo propuesto de la configuración electrónica del boro y el oxígeno, escribe la configuración electrónica del bromo (Z 5 35) y del plomo (Z 5 82). Configuración electrónica

2pz

1s2, 2s2, 2p1 Si se suman los superíndices 2 1 2 1 1 5 5 e2

2pz

1s2, 2s2, 2p4 Si se suman los superíndices 2 1 2 1 4 5 8 e2

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Caracterización de los átomos

Ampliación multimedia

2.7 En el primer tercio del siglo XX se habían identificado tres partículas que formaban los átomos: electrones, protones y neutrones. Esto permitió caracterizar a los átomos estableciendo los conceptos de número atómico y número de masa.

Número atómico (Z)

Número de masa (A)

El número atómico (Z) indica la cantidad de protones presentes en El número de masa (A), también llamado número másico indica la el núcleo. Dado que la carga eléctrica de un átomo neutro es cero, el cantidad de protones (Z) y neutrones (n) presentes en el núcleo de número de protones es igual al de electrones. un átomo. Z 5 número de p1

A5Z1n

Número de p1 5 Número de e2

n 5 número de neutrones

Por ejemplo, el helio tiene número atómico Z 5 2, lo que quiere Por ejemplo, el sodio tiene número atómico Z 5 11 y 12 neutrones decir que este elemento tiene 2 protones y deberá tener también 2 en su núcleo, entonces su número de masa será A 5 23. electrones. Cada elemento tiene un número atómico característico, así que los átomos de un mismo elemento tendrán el mismo Z. Recurso

Los isótopos

Protio (hidrógeno-1) +

Deuterio (hidrógeno-2)

Tritio (hidrógeno-3)

Tres isótopos del elemento hidrógeno.

Interpreto Para cada uno de los átomos indicados, identifica el número de protones, electrones y neutrones. Con ayuda de la tabla periódica, identifica también a qué elemento pertenecen. 56 26 22 10

imprimible 2.8 Los isótopos son átomos del mismo elemento químico que presentan igual número atómico, pero diferente masa porque tienen distinta cantidad de neutrones. La falta de estabilidad nuclear de los isótopos hace que estos sean radiactivos, es decir que sus núcleos sean inestables y que decaigan, espontáneamente, en núcleos atómicos de otros elementos más estables. Por ejemplo, todos los átomos de carbono tienen seis protones pero pueden presentar tres isótopos de número de masa 12, 13 y 14. El porcentaje de átomos de cada isótopo de un elemento presente en la naturaleza es diferente y, por lo general, uno de los isótopos predomina en abundancia sobre los demás. Analicemos el siguiente ejemplo sobre los isótopos del carbono: Isótopo

Símbolo

Número atómico (Z)

Número de masa (A)

Número de neutrones n5A2Z

Abundancia %

Carbono 12

12C

98,89

Carbono 13

13C

1,11

Carbono 14*

14C

10210

* Se puede decir que el carbono solo tiene dos isótopos desestimando la poca cantidad de 14C que hay en la naturaleza.

Para representar los diferentes isotopos de un átomo, se escribe el símbolo del elemento y se coloca al lado izquierdo como un exponente el número de masa del isotopo y como un subíndice el número atómico. 12

Número atómico (Z)

13 6

14 6

Número de masa (A) Símbolo

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Componente Procesos físicos

Masa atómica

2.9 Es necesario aclarar que el número de masa representa el número de partículas que hay en el núcleo, mientras que la masa atómica es la medida de la cantidad de materia que poseen los átomos. 2.9.1 Masa atómica relativa Como el tamaño del átomo es tan pequeño es imposible determinar su masa con una balanza, por lo tanto, la masa atómica de un elemento se calcula comparándola con la masa de otro (unidad patrón). En la actualidad, la unidad patrón es el isótopo más abundante del carbono, el carbono12 (12C). Por acuerdo internacional, a este isótopo se le asignó una masa de 12 unidades de masa atómica (u) o dalton (Da). A partir de esto, se estableció cuántas veces tienen menos masa o más masa los átomos del resto de los elementos. Por ejemplo, en la situación hipotética de que se lograra colocar un átomo de 12C en uno de los platillos de una balanza se requerirían 2 átomos de litio para igualar los platillos, lo que significa que la masa de un átomo de litio corresponde a la mitad de la masa de uno de 12C, es decir: 1 2 3 12 Da 5 6 Da Así mismo, se puede calcular la masa atómica de cualquiera de los átomos de los diferentes elementos, por ejemplo, un átomo de magnesio tiene dos veces más masa que uno de 12C; por lo tanto, su masa es: 2 3 12 Da 5 24 Da 2.9.2 Masa atómica promedio Para muchos elementos existen isótopos con porcentajes de abundancia diferentes, por ello, para calcular las masas atómicas que se indican en la tabla periódica se sigue el siguiente procedimiento. Para calcular la masa atómica relativa del carbono se tiene en cuenta la abundancia relativa de sus isótopos así: 3 98, 89 % 5 11,8668 Da 100 %

12C

13C

5 13,00335 Da 3

12,000 Da

1, 11 % 100 %

0,1433 Da 12,011 Da

Masa atómica relativa del carbono 12,011 Da. 2.9.3 Masa molecular Es la suma de las masas atómicas de cada uno de los átomos que forman una molécula y, para ello, es necesario conocer qué elementos conforman el compuesto, su masa atómica y el número de átomos presentes en la molécula. La masa molecular se expresa en gramos. Por ejemplo, la masa molecular del ácido sulfúrico H2SO4 es: masa H masa S masa O

1,00794 3 2 átomos de H 32,066 3

1 átomo de S

2,01588 32,066

15,9994 3 4 átomos de O 63,9976 masa molecular 98,07948 g

Actualidad científica El método del carbono-14 fue desarrollado en primera instancia por el químico estadounidense Willard Frank Libby y su equipo de la Universidad de Chicago en 1947. El descubrimiento fue que, por medio de la actividad metabólica, el nivel de carbono-14 en un organismo vivo se mantiene en equilibrio con el de la atmósfera o con el del océano. A partir de la muerte del organismo, el isótopo radiactivo empieza a desintegrarse a un ritmo conocido sin ser remplazado por el carbono del dióxido de carbono presente en el medio. Su rápida desintegración limita, en general, el período de datación a unos 50.000 años, aunque a veces se extienda el método hasta 70.000 años.

Interpreto 1. Halla la masa molecular de:

AgNO3 NaCl 2. Completa el siguiente cuadro: A

p1 e2 18

Ag 107 61 Zn S

30 16

3. El isótopo yodo-131 (131I) se utiliza para el tratamiento de enfermedades de la tiroides. Ubícalo en la tabla periódica e indica cuál es su número atómico y determina cuántos protones y electrones tiene. ©

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Competencias científicas

5 Completa la siguiente tabla referida a los

INTERPRETO A F I A N Z O

1 Relaciona cada concepto con la definición correspondiente. Isótopos

Partícula subatómica cargada positivamente.

Isótopo 36 18

Número de masa

C O M P E T E N C I A S

isótopos del argón (Ar) y, con base en ella, calcula la masa atómica promedio de este átomo.

Átomos de un mismo elemento con diferente número de masa.

38 18 40 18

Partícula subatómica de menor masa.

Protón

Electrón

p1 e2

Abundancia Masa atómica (%) (Da)

0,336

34,9675

0,063

37,9627

99,6

39,9624

Masa atómica relativa del Ar:

6 El Principio de exclusión de Pauli afirma que

Suma de protones y neutrones.

Número atómico

cada orbital aloja como máximo dos electrones y la regla de Hund afirma que los orbitales se van llenando de uno en uno. Explica cómo se distribuyen los electrones del elemento que tiene Z 5 8.

Número de protones.

2 La siguiente ilustración muestra dos espectros de un átomo:

Responde: ¿Cuál es la diferencia entre los dos espectros? ¿Qué puedes deducir del espectro de este átomo?

3 Con ayuda del diagrama de Moeller, desarrolla las configuraciones electrónicas de los siguientes elementos. Z 5 4

Z 5 10

Z 5 19

Z 5 13

Z 5 22

4 Completa la información que falta en la si-

7 Dibuja el diagrama de espines correspon-

diente a las siguientes configuraciones electrónicas:

1s2

2s2

2p6

3s2

3p1

1s2

2s2

2p6

3s2

3p2

1s2

2s2

2p6

3s2

3p3

guiente tabla:

Átomo

n 6

8 9

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Identificar •

Indagar •

8 El número de electrones en un determinado

nivel se puede calcular según la fórmula 2n2. Aplica la fórmula y calcula el número de electrones que es posible alojar en: n52

Explicar •

Comunicar •

Trabajar en equipo

13 ¿Cuál sería tu respuesta a este interrogante? 14 ¿Crees que los avances en el descubrimiento de la estructura atómica nos benefician o nos perjudican? Justifica tu respuesta.

Desarrollo compromisos personales y sociales

n54 n53

PROPONGO

9 Teniendo en cuenta el diagrama de Moeller,

distribuye los electrones calculados en el ejercicio anterior, en sus correspondientes subniveles.

15 Lee la siguiente información y, con base en ella, realiza las actividades 16 y 17.

n52 n54 n53

10 Calcula la masa molecular de los siguientes compuestos: H2O MgCl2

H3PO4 NaNO3

11 Resuelve el siguiente problema: El protio tiene una masa atómica de 1,000785 y su abundancia en la naturaleza es de 99,985%, el deuterio tiene una masa de 2,01410 y una abundancia de 0,015%. A partir de estos isótopos, calcula la masa atómica promedio del hidrógeno.

ARGUMENTO 12 Lee el siguiente texto y, con base en él, responde las preguntas 13 y 14.

En el mes de enero de 1946, en una entrevista realizada en la Universidad de Princeton, Nueva Jersey, Estados Unidos, se le preguntó a Albert Einstein: “¿Por qué cuando la mente del hombre se ha extendido tan lejos como para descubrir la estructura del átomo no hemos sido capaces de idear los medios políticos para impedir que el átomo nos destruya?”

En el año de 1945, ocurrió una de las tragedias más grandes que ha soportado la humanidad, la bomba atómica cayó sobre las ciudades de Hiroshima y Nagasaki en Japón. Las consecuencias fueron devastadoras: miles de muertos y destrucción que, por varias décadas, han dejado huellas imborrables. Hoy día, la superioridad bélica del armamento nuclear ha cambiado el papel del poder militar debido a que una potencia militar se mide de acuerdo con el arsenal nuclear que posee.

16 Consulta, sobre el poder de destrucción de

una bomba atómica y analiza sus efectos nocivos sobre el ambiente y los seres vivos. Comparte con las personas de tu curso los resultados de tu consulta y análisis.

17 El descubrimiento de la teoría atómica mo-

derna ha traído a la humanidad grandes beneficios. Elabora una lista de ellos y discútela con tus compañeros de curso. ©

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Entorno físico

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Recurso imprimible

La tabla periódica de los elementos La tabla periódica o sistema periódico organiza a todos los elementos químicos en orden creciente de su número atómico.

La tabla periódica es tal vez una de las interpretaciones más importantes y significativas que los químicos y físicos han realizado para el avance de la ciencia. En ella se representan todos los elementos químicos que se conocen hasta hoy. Los elementos químicos se han descubierto poco a poco a lo largo de la historia. Hasta el año 1700, solo se conocían 12 elementos, y en 1830 se habían identificado 55. La mayoría se descubrieron durante el siglo XIX pero la lista se completó a lo largo del siglo XX y lo recorrido del siglo XXI. Ya, en 2012, están identificados 118 de los cuales 92 se encuentran formando compuestos en la naturaleza y el resto han sido sintetizados en el laboratorio.

Antecedentes del sistema periódico de los elementos 3.1

El químico sueco Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) descubrió varios elementos, entre ellos el torio utilizado actualmente en algunos procesos industriales.

Recurso imprimible

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Uno de los retos químicos de finales del siglo XVIII fue el de clasificar los elementos de acuerdo con propiedades en común. Así, los elementos conocidos hasta el momento se agrupaban en metales como el hierro, la plata o el cobre, y no metales, como el fósforo, el oxígeno y el azufre. Sin embargo, algunos otros como el arsénico o el germanio no se ajustaban claramente a una de estas dos categorías, por lo que se podía hablar de elementos semimetálicos. Esta clasificación era demasiado general y por eso continuaron investigando otra forma de organizarlos utilizando criterios más restringidos. Entre estos intentos de clasificación se destacan los trabajos de Döbereiner, Newlands, Mendeleiev y Meyer.

Tríadas de Döbereiner En 1829, el químico alemán Johann W. Döbereiner (1780-1849) ordenó los elementos en grupos de tres y los llamó triadas. Mostró que sus masas atómicas variaban con cierta regularidad y que la masa atómica del elemento central era cercana al promedio de las masas de los otros dos. Finalmente, comprobó que existía una relación entre las masas atómicas y las propiedades químicas de los elementos que componían una tríada. Las propiedades de los elementos Ejemplo: que formaban cada triada variaban 40, 1 1 137, 3 5 87,6 de forma progresiva y la masa del ele- MA(Sr) 5 2 mento intermedio era, aproximadamente, la media aritmética de la de los otros dos. Elemento

Masa atómica

Elemento

Masa atómica

Elemento

Masa atómica

Calcio (Ca)

40,1

Cloro (Cl)

35,5

Azufre (S)

32,0

Estroncio (Sr)

87,6

Bromo (Br)

79,9

Selenio (Se)

77,0

Bario (Ba)

137,3

Yodo (I)

126,9

Telurio (Te)

127,6

Octavas de Newlands En 1863, el químico inglés John A. R. Newlands (1837-1898) ordenó los elementos conocidos en orden creciente según sus masas atómicas y los clasificó por las semejanzas en sus propiedades, pues comprobó que estas se repetían cada ocho elementos; este hecho se conoció como la ley de las octavas. Por ejemplo, las propiedades del litio; primer elemento, se repiten en el sodio, octavo elemento. Li

De acuerdo con la ley de las octavas, quedaron en el mismo grupo por ejemplo, el litio, el sodio y el potasio; el berilio, el magnesio y el calcio; y el oxígeno y el azufre, entre otros; porque presentaban propiedades similares.

1 00 Acción de pensamiento: explico el desarrollo de modelos de organización de los elementos químicos.

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Componente Procesos físicos

Tablas periódicas de Meyer y Mendeleiev En 1869, el químico ruso Ivanovich Dimitri Mendeleiev (1834-1907) y el químico alemán Lothar Meyer (1830-1895), publicaron por separado tablas periódicas muy similares, en las que clasificaron los 63 elementos que se habían descubierto hasta el momento. Sus resultados se basaron en los siguientes aspectos:

Lothar, por su parte, ordenó los elementos de acuerdo con el volumen atómico y algunas propiedades físicas como el punto de ebullición y el punto de fusión. Al realizar sus investigaciones, encontró una analogía distinta a la hallada por Newlands. Buscó establecer los volúmenes atómicos de los elementos y para obtenerlos, calculó la masa en cantidades numéricamente iguales a la masa atómica de cada elemento, por ejemplo, 1 gramo de hidrógeno, 16 gramos de oxígeno, etc. Después estableció el volumen que ocupaban estas masas a la misma temperatura y presión. Dedujo que las diferencias que se apreciaban tenían que mostrar la discrepancia entre el volumen de un elemento a otro. Al graficar los valores que obtuvo, en función de las masas atómicas, observó que se presentaban una serie de ondas con ascenso en la masa atómica que se debían a un aumento en sus propiedades físicas. Meyer publicó su trabajo en 1870, un año más tarde que Mendeleiev.

Columna Fila

III

VII

—

(Cu)

—

Y ¿?

(Ag)

Di ¿?

Ce ¿?

—

Er ¿?

La ¿?

(Au)

VIII

Fe, Co, Ni, Cu

Ru, Rh, Pd, Ag

— Os, Ir, Pt, Au

50 K 40 Volumen atómico (cm3)

Mendeleiev ordenó en forma creciente los 63 elementos según sus masas atómicas y los agrupó en filas y columnas; los que quedaban en la misma columna tenían propiedades similares. A esta organización de los elementos la llamó tabla periódica porque las propiedades de los elementos se repetían cada cierto número de ellos de acuerdo con una ley periódica la cual establece que: Las propiedades físicas y químicas de los elementos varían periódicamente al aumentar la masa atómica. La genialidad de Mendeleiev radica en que dejó espacios vacíos, anunciando que faltaban elementos por descubrir. Llegó incluso a predecir la existencia y propiedades de algunos de ellos a partir del comportamiento de los elementos conocidos. Sin embargo, su propuesta presentaba algunas fallas. Por ejemplo, al descubrirse los gases nobles y ubicarlos en su lugar, el argón (Ar), tenía una masa atómica superior a la del potasio (K), mientras que, los restantes gases nobles, presentaban masas atómicas por debajo de la de los elementos posteriores. Por esta razón, se estableció que el aumento de la masa atómica no era suficiente criterio para ubicar los elementos en la tabla periódica. La primera tabla periódica elaborada por Mendeleiev tenía la siguiente estructura:

30 20

Li 10 0

Be H BCO

F N 20

Al Si

Br Se

S P

Zn Ni V Cr Mn Fe Co Cu 40

Masa atómica (Da)

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1 01

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La tabla periódica moderna

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3.2 En 1913, el físico y químico inglés Henry G. J. Moseley (1887-1915) observó que un elemento se diferenciaba de otro en el número de protones; es decir, en el número atómico. De acuerdo con esto, sugirió que los elementos se agruparan teniendo en cuenta el orden creciente de su número atómico. Al hacer este planteamiento se resolvieron muchos de los problemas que presentaba la tabla de Mendeleiev. A partir de estas evidencias, Mosely propuso una nueva tabla y enunció la ley periódica moderna: Las propiedades físicas y químicas de los elementos varían en forma periódica según el orden creciente de sus números atómicos. 3.2.1 Organización de la tabla periódica actual La tabla periódica moderna presenta un ordenamiento de los 118 elementos que se conocen en la actualidad, teniendo en cuenta su número atómico (Z). Los elementos están organizados en filas horizontales denominadas períodos, y en columnas verticales llamadas grupos.

Recurso imprimible

Períodos: son siete filas de elementos designados con números arábigos del 1 al 7. El número del período indica el número de nivel de energía externo o de máxima energía. Los períodos 1, 2 y 3 son cortos mientras que los períodos 4, 5 6 y 7 son largos. Grupos o familias. Están definidos por las columnas. Los elementos de un mismo grupo tienen propiedades químicas semejantes. Hay dieciocho grupos designados con números romanos. Los elementos de la tabla periódica se organizan en elementos representativos y elementos de transición. Elementos representativos

Elementos de transición

Se les designa con números romanos del IA al VIIIA, así: IA (metales alcalinos), IIA (metales alcalinotérreos), IIIA (térreos), IVA (carbonoides), VA (nitrogenoides), VIA (anfígenos), VIIA (halógenos) y VIIIA (gases nobles).

También llamados metales de transición. Se designan con números romanos del IB al VIIIB. En el período 6, los metales lantánidos o “tierras raras” y en el período 7, los metales actínidos.

Elementos representativos

VIIIA

Elementos de transición

IIA

IIIA IVA

VIA VIIA

Gases nobles Halógenos

Metales alcalinos Metales alcalinotérreos

IIIB IVB VB

VIB VIIB

VIIIB

IIB

Anfígenos Nitrogenoides Carbonoides Térreos

Lantánidos Actínidos

1 02

Elementos representativos

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Componente Procesos físicos 3.2.1.1 Metales, no metales y metaloides Los elementos se clasifican en metales, no metales y metaloides.

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Diferencia entre metales, metaloides y no metales Metales

Metaloides

No metales

Apariencia

Tienen brillo metálico. La mayoría son plateados con excepción del cobre (Cu), que es rojo, y el oro (Au), que es amarillo.

La mayoría tiene brillo metálico.

Carecen de brillo metálico. Poseen variedad de colores. Por ejemplo, el bromo (Br) es rojo y el azufre (S) es amarillo.

Estado físico

Son sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio (Hg) y el francio (Fr), que son líquidos.

Son sólidos a temperatura ambiente.

Algunos son sólidos, como el carbono (C); otros son líquidos como el bromo (Br) y otros gaseosos, como el oxígeno (O).

Propiedades mecánicas

Son dúctiles y maleables.

Intermedias.

No son dúctiles, ni maleables. Muchos son duros pero quebradizos.

Conductividad

Son buenos conductores del calor y la electricidad.

Son semiconductores.

Son malos conductores del calor y la electricidad.

Altos con relación a los no metales.

Relativamente bajos.

Puntos de fusión Relativamente altos. y ebullición Reactividad

Cuando se combinan con otros elementos Su reactividad química es tienen la tendencia a perder electrones, muy variada. convirtiéndose en cationes.

Ejemplos

Litio (Li), magnesio (Mg), hierro (Fe), entre otros.

3.3

Tienen tendencia a ganar electrones y convertirse en aniones.

Boro (B), silicio (Si), Carbono (C), bromo (Br), yodo (I), entre germanio (Ge), entre otros. otros.

Electrones de valencia

Se denominan electrones de valencia a los electrones responsables del comportamiento químico de los átomos. Son los electrones situados en el último nivel. Por ejemplo, la configuración electrónica del átomo de azufre (S) es: 21456

1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

Último nivel

Se observa que la capa de valencia del átomo de azufre (S) es la 3. En ella hay 6 electrones de valencia (3s2 3p4). De los electrones de valencia dependen las propiedades de los elementos y los compuestos químicos que forman, puesto que son electrones que intervienen en los procesos químicos. Los gases nobles, por ejemplo, tienen su último nivel completo; no caben en él más electrones. Por ello decimos que tienen 8 electrones de valencia a excepción del helio, que tiene 2. Así, podemos definir también la valencia: La valencia de un elemento es el número de electrones que necesita o que le sobra a un átomo para tener completo su último nivel. La valencia de los gases nobles, por tanto, será cero, pues tienen completo su último nivel. En el caso del sodio, la valencia es 1, puesto que tiene un solo electrón de valencia (nivel 3s1); si pierde un electrón se queda con el último nivel completo.

Estructura de Lewis

Na C N

La estructura de Lewis permite representar los electrones de valencia. Para ello, se escribe el símbolo del elemento químico y alrededor de él los puntos (•) que representan los electrones de valencia. ©

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1 03

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Entorno físico En la tabla se representan todos los elementos químicos que se conocen hasta hoy. Esta organización se denomina sistema periódico y en ella se recogen todos los elementos químicos en orden creciente de número atómico. Existen 7 períodos (filas horizontales) y 18 grupos (columnas verticales). La colocación de un elemento químico en una casilla concreta depende de su configuración electrónica.

Tabla periódica de los elementos El hidrógeno, aunque esté a la izquierda del sistema periódico, no es un metal.

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Galería de imágenes

Orbitales 1s

2s 2p 3

3s 3p 4

4s 3d 4p 5

5s 4d 5p 6

6s 4f 5d 6p 7

7s 5f 6d 7p

1,00794 -259,34 -252,87 0,0899 2,20 1s1

1 1+

IIA

Hidrógeno 3

6,941 180,5 1.342 0,534 0,98 (He)2s1

Litio

22,989768 97,72 883 0,97 0,93 (Ne)3s1

11 1+

Sodio 19

39,0983 63,38 759 0,86 0,82 (Ar)4s1

85,4678 39,31 688 1,532 0,82 (Kr)5s1

Potasio 37 1+

132,90543 28,44 671 1,879 0,79 (Xe)6s1

(223,0197) 27 677 0,7 (Rn)7s1

Rubidio 55 1+

Cesio 87 1+

Francio

9,012182 1.287 2.471 1,8477 1,57 (He)2s2

24,3050 650 1.090 1,74 1,31 (Ne)3s2

4 2+

Berilio

Los átomos del grupo 1, los alcalinos, tienen 1 electrón en el último nivel.

Los átomos del grupo 2, los alcalinotérreos, tienen 2 electrones en el último nivel.

Configuración: ns1.

Configuración: ns2.

Deben ceder 1 electrón para conseguir una configuración más estable: se convierten en ion con carga 11.

Deben ceder 2 electrones para conseguir una configuración más estable: se convierten en un ion con carga 22.

12 2+

40,078 842 1.484 1,54 1,00 (Ar)4s2

87,62 777 1.382 2,6 0,95 (Kr)5s2

137,327 727 1.897 3,594 0,89 (Xe)6s2

226,0254 700 1.140 5,8 0,9 (Rn)7s2

IIIB

Magnesio 20 2+

Calcio 38 2+

Estroncio 56 2+

Bario 88 2+

Radio

44,955910 1.541 2.830 2,989 1,36 (Ar)3d14s2

88,90585 1.526 3.336 4,469 1,22 (Kr)4d15s2

138,9055 920 3.455 6,146 1,10 (Xe)5d16s2

227,0278 1.051 3.198 10,07 1,1 (Rn)6d17s2

IVB 21 3+

Escandio 39

Itrio 57 3+

Lantano 89 3+

Actinio

47,88 1.668 3.287 4,5 1,54 (Ar)3d24s2

91,224 1.855 4.409 6,49 1,33 (Kr)4d25s2

3+,4+

Titanio 40

Zirconio

178,49 2.233 4.603 13,31 1,3 (Xe)4f145d26s2

72 4+

(261,11) (Rn)5f146d27s2

Hafnio 104 4+

Ruterfordio

92,90638 2.477 4.744 8,57 1,6 (Kr)4d45s1

2+,3+,4+,5+

Vanadio 41 3+,5+

Niobio

180,9479 3.017 5.458 16,6 1,5 (Xe)4f145d36s2

73 5+

(262,114) (Rn)5f146d37s2

Los átomos del grupo IIIA tienen 3 electrones en el último nivel.

Los átomos del grupo IVA tienen 4 electrones en el último nivel.

Configuración: ns2 ns1

Configuración: ns2 np2.

Si ceden estos electrones, adquirirán la configuración más estable del gas noble anterior. Por tanto, tienden a convertirse en iones con carga 31.

Para obtener el mismo número de electrones que un gas noble podrán ganar o ceder 4 electrones: se convertirán en iones con carga 42 o 41.

VIB 23

50,9415 1.910 3.407 5,96 1,63 (Ar)3d34s2

Tántalo 105 -

Hahnio

VIIIB

VIIB 24

51,9961 1.907 2.671 7,20 1,66 (Ar)3d54s1

2+,3+,6+

Cromo

54,93805 25 1.246 2+,3+,4+,6+,7+ 2.061 7,47 1,55 (Ar)3d54s2

Manganeso

95,94 42 2.623 2+,3+,4+,5+,6+ 4.639 10,2 2,16 (Kr)4d55s1

(97,9072) 2.157 4.265 11,5 1,9 (Kr)4d55s2

183,84 74 3.422 2+,3+,4+,5+,6+ 5.555 19,35 2,36 (Xe)4f145d46s2

186,207 75 3.186 1-,2+,4+,6+,7+ 5.596 20,5 1,9 (Xe)4f145d56s2

Molibdeno

Tungsteno

(263,118) (Rn)5f146d47s2

106 -

Seaborgio

43 7+

Tecnecio

Renio

(262,12) (Rn)5f146d57s2

107 -

Borio

Hierro

58,93320 1.495 2.927 8,92 1,88 (Ar)3d74s2

27 2+,3+

Cobalto

101,07 44 2.334 2+,3+,4+,6+,8+ 4.150 12,3 2,2 (Kr)4d75s1

102,90550 1.964 3.695 12,4 2,28 (Kr)4d85s1

190,23 76 3.033 2+,3+,4+,6+,8+ 5.012 22,61 2,2 (Xe)4f145d66s2

192,22 77 2.446 2+,3+,4+,6+ 4.428 22,65 2,20 (Xe)4f145d76s2

Rutenio

Osmio

(265) (Rn)5f146d67s2

108 -

Hasio

45 2+,3+,4+

Rodio

Iridio

266 (Rn)5f146d77s2

109 -

Meitnerio

* Indica valores aproximados

B Los elementos de los grupos B se denominan metales de transición; entre ellos están algunos elementos que reconoce- Lantánidos mos como metales en su estado natural, como el oro, el cobre, el hierro, entre otros.

104

26 2+,3+

A Todos los elementos de los grupos IA y IIA son metales. Forman iones 11 y 21, respectivamente.

C De los grupos IIIA a VIIA, el carácter metálico va aumentando a medida que se desciende en el grupo. Así, en el grupo IIIA, todos son metales excepto el boro (B); en el grupo VIA, todos son no metales menos el polonio (Po), y en el grupo VIIA, de los halógenos, todos son no metales.

55,847 1.538 2.861 7,86 1,83 (Ar)3d64s2

Actínidos

140,115 799 3.424 6.770 1,12 (Xe)4f15d16s2

58 3+,4+

232,0381 1.750 4.788 11,72 1,3 (Rn)6d27s2

Cerio 90 +4

Torio

140,90765 931 3.510 6,773 1,13 (Xe)4f36s2

59 3+,4+

Praseodimio

231,03588 1.572 15,37 1,5 (Rn)5f26d17s2

91 4+,5+

Protactinio

144,24 1.016 3.066 7,00 1,14 (Xe)4f46s2

60 3+

Neodimio

238,0289 92 1.135 3+,4+,5+,6+ 4.131 19,050,02 1,38 (Rn)5f36d17s2

Uranio

(144,9127) 1.042 3.000 7,264 1,13 (Xe)4f56s2

61 3+

Prometio

(237,0482) 93 644 3+,4+,5+,6+ 20,45 1,36 (Rn)5f46d17s2

Neptunio

150,36 1.072 1.790 7,536 1,17 (Xe)4f66s2

62 2+,3+

(244,0642) 640 3.228 19,816 1,28 (Rn)5f67s2

Samario 94 3+,4+,5+,6+

Plutonio

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Componente Procesos físicos

Los átomos del grupo VA tienen 5 electrones en el último nivel.

Los átomos del grupo VIA, los anfígenos, tienen 6 electrones en el último nivel.

Los átomos del grupo VIIA, los halógenos, tienen 7 electrones en el último nivel.

Configuración: ns2 np3.

Configuración: ns2 np4.

Configuración: ns2 np5.

Los átomos del grupo VIIIA, se denominan gases nobles. Tienen 8 electrones en el último nivel (menos el helio).

Deben ganar 3 electrones para conseguir una configuración estable del gas noble siguiente: se convierten en un ion con carga 32.

Deben ganar 2 electrones para conseguir la configuración estable del gas noble siguiente: se convierten en un ión con carga 22.

Deben ganar un electrón para conseguir la configuración estable del gas noble siguiente: se convierten en un ion con carga 12.

Configuración: ns2 np6. No ganan ni pierden electrones, por lo que son los elementos más estables de la tabla periódica. VIIIA 4,002602 -272,226 atm

IIIA

IVA

VIA

VIIA

10,811 2.075 4.000 2,31 2,04 (He)2s2p1

VIIIB

IB 28

58,6934 1.455 2.913 8,90 1,91 (Ar)3d84s2

2+,3+

Níquel 46

106,42 1.554,9 2.963 12,02 2,20 (Kr)4d10

2+,4+

Paladio

195,08 1.768,4 3.825 21,45 2,28 (Xe)4f145d96s1

78 2+,4+

269 1994

Platino 110 -

Ununnilium

63,546 1.084,62 1.562 8,94 1,90 (Ar)3d104s1

107,8682 961,78 2.162 10,5 1,93 (Kr)4d105s1

1+,2+

Cobre 47 1+

Plata

196,96654 1.064,18 2.856 19,31 2,54 (Xe)4f145d106s1

79 1+,3+

272 1994

Oro 111 -

Unununium

65,39 419,53 907 7,1425°C 1,65 (Ar)3d104s2

112,411 321,07 767 8,642 1,69 (Kr)4d105s2

30 2+

Zinc 48 2+

Cadmio

200,59 -38,83 356,73 13,546 2,00 (Xe)4f145d106s2

80 1+,2+

Mercurio

277 1996

Boro 13

26,981539 660,32 2.519 2,702 1,61 (Ne)3s2p1

IIB 29

112 -

Ununbium

Aluminio 31

69,723 29,76 2.204 6,095 1,81 (Ar)3d104s2p1

Galio

114,818 156,60 2.072 7,30 1,78 (Kr)4d105s2p1

49 3+

Indio

204,3833 304 1.473 11,85 2,04 (Xe)4f145d106s2p1

81 1+,3+

Talio

113 No ha sido sintetizado

Ununtrio

12,011 4.492TP y SP 3.825TP y SP 2,25 2,55 (He)2s2p2

2+,4+

Carbono 14

28,0855 1.414 3.265 2,33 1,90 (Ne)3s2p2

Silicio

72,61 938,25 2.833 5,35 2,01 (Ar)3d104s2p2

118,710 231,93 2.602 7,28 1,96 (Kr)4d105s2p2

Germanio 2+,4+

Estaño

207,2 327,46 1.749 11,34 2,33 (Xe)4f145d106s2p2

82 2+,4+

Plomo

289 1999

114 -

Ununquadium

14,00674 -210,00 -195,79 1,25046 3,04 (He)2s2p3

2+,3±,4+,5+

Nitrógeno

30,973762 44,15 277 1,82 2,19 (Ne)3s2p3

15 3±,4+,5+

Fósforo 33

74,92159 817TP y SP 614SP 5,72725°C

3±,5+

2,18 (Ar)3d104s2p3

Arsénico 51

121,757 630,63 1.587 6,68425ºC

3±,5+

2,05 (Kr)4d105s2p3

Antimonio

208,98037 271,40 1.564 9,78 2,02 (Xe)4f145d106s2p3

83 3+,5+

Bismuto

115 No ha sido sintetizado

Ununpentio

151,965 822 1.596 5,244 1,2 (Xe)4f76s2

(243,0614) 1.176 2.607 13,67 1,3 (Rn)5f77s2

63 2+,3+

Europio 95 3+,4+,5+,6+

Americio

15,9994 -218,79 -182,95 1,429 3,44 (He)2s2p4

Oxígeno 16

32,066 115,21 444,60 2,07 2,58 (Ne)3s2p4

2±,4+,6+

Azufre

78,96 221 685 4,81 2,55 (Ar)3d104s2p4

34 2-,4+,6+

127,60 449,51 988 6,25 2,1 (Kr)4d105s2p4

Selenio 52 2-,4+,6+

Telurio

(208,9824) 254 962 9,196 2,0 (Xe)4f145d106s2p4

84 2+,4+

Polonio

289 1999

116 -

Ununhexium

-268,93 0,1785 1s2

18,9984032 -219,62 -188,12 1,69 3,98 (He)2s2p5

Flúor 17

35,4527 -101,5 -34,04 3,214 3,16 (Ne)3s2p5

1±,3+,5+,7+

Cloro

79,904 -7,2 58,8 3,119 2,96 (Ar)3d104s2p5

35 1±,5+

126,90447 113,7 184,4 4,93 2,66 (Kr)4d105s2p5

Bromo 53 1±,5+,7+

Yodo

20,1797 -248,59 -246,08 0,9002 (He)2s2p6

He Helio 10

Ne Neón 18

39,948 -189,35 -185,85 1.784 (Ne)3s2p6

Ar Argón

83,80 -157,36 -153,22 3,74 (Ar)3d104s2p6

131,29 -111,75 -108,04 5,89 (Kr)4d105s2p6

Kriptón 54

Xe Xenón

(209,9871) 85 302 1+,3+,5+,7+ 337 2,2 (Xe)4f145d106s2p5

(222,0176) -71 -61,7 9,73 (Xe)4f145d106s2p6

117 No ha sido sintetizado

293 1999

Astato

Ununseptio

Rn Radón 118 -

Ununoctium

157,25 1.314 3.264 7,901 1,20 (Xe)4f75d16s2

(247,0703) 1.345 13,51 1,3 (Rn)5f76d17s2

Gadolinio 3+

Curio

158,92534 1.359 3.221 8,230 1,2 (Xe)4f96s2

(247,0703) 1.050 14,78 1,3 (Rn)5f97s2

65 3+,4+

Terbio 97 3+,4+

Berkelio

162,50 1.411 2.561 8,551 1,22 (Xe)4f106s2

(251,0796) 900 1,3 (Rn)5f107s2

66 3+

Disprosio 98 3+

Californio

164,93032 1.472 2.694 8,80 1,23 (Xe)4f116s2

(252,083) 860 1,3 (Rn)5f117s2

67 3+

Holmio 99 3+

Einstenio

167,26 1.529 2.862 9,066 1,24 (Xe)4f126s2

(257,0951) 1.527 1,3 (Rn)5f127s2

68 3+

Erbio 100 3+

Fermio

168,93421 1.545 1.946 9,321 1,25 (Xe)4f136s2

69 2+,3+

(258,10) 827 1,3 (Rn)5f137s2

Tulio 101 2+,3+

Mendelevio

173,04 824 1.194 6,966 1,1 (Xe)4f146s2

(259,1009) 827 1,3 (Rn)5f147s2

70 2+,3+

Yterbio 102 2+,3+

Nobelio

174,967 1.663 3.393 9,84 1,27 (Xe)4f145d16s2

71 3+

(262,11) 1.627 (Rn)5f146d17s2

Lutecio 103 3+

Laurencio

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1 05

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Tabla periódica y configuración electrónica 3.4

Las propiedades de los elementos químicos son consecuencia de la estructura electrónica de los átomos, y más específicamente, del ordenamiento de los electrones en los niveles de energía más externos. En el caso de los elementos representativos, se observa que: El número del grupo indica la cantidad de electrones que hay en este nivel. La importancia de los niveles exteriores, o de valencia, es que participan en las reacciones químicas, lo que explica por qué los elementos de un mismo grupo tienen propiedades similares. Para todos los elementos de un mismo período, el número de electrones aumenta de uno en uno, mientras que el número de niveles de energía es el mismo. En el caso de los elementos de transición, la configuración electrónica también nos indica el grupo y período de la siguiente manera: El período se determina por el nivel de mayor energía alcanzado. El grupo resulta de la suma de los electrones del último nivel y el subnivel incompleto. A partir del grupo VIIIB, la suma resulta del número arábigo que le corresponde al grupo. Por ejemplo: Escandio (Sc)

Z 5 21

Cobre (Cu)

Z 5 29

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1 Período: 4

Grupo: 2 1 1 5 3

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9 Período: 4

Grupo: 2 1 9 5 11

IIIB IB

En la siguiente tabla se evidencia la relación entre el número del grupo, el número de electrones de valencia (parte final de la configuración electrónica), es decir, el número del grupo es igual al número de electrones de valencia. Grupo

Elemento

Símbolo

Configuración electrónica

Último nivel

Electrones de valencia

Litio

1s1 2s1

ns1

IIA

Berilio

1s2 2s2

ns2

IIIA

Boro

1s2 2s2 2p1

ns2 np1

IVA

Carbono

1s2 2s2 2p2

ns2 np2

Nitrógeno

1s2 2s2 2p3

ns2 np3

VIA

Oxígeno

1s2 2s2 2p4

ns2 np4

Flúor

1s2 2s2 2p5

Cloro

1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

ns2 np5

Helio

1s2

Neón

1s2 2s2 2p6

ns2 np6

Argón

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

VIIA

VIIIA

1 06

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Componente Procesos físicos

Regiones de la tabla periódica

3.5 La configuración electrónica de los elementos químicos también define las regiones s, p, d y f de la tabla periódica de la siguiente forma: Región d. Comprende los grupos del IB al VIIIB cuyos electrones ocupan subniveles d. Estos grupos son los elementos de transición y se localizan en la región central de la tabla en 10 columnas.

Región p. Comprende los grupos del III A al VIIIA, cuyas configuraciones terminan en el subnivel p.

Desde ns2(n-1)d1 hasta ns2 (n-1)d10

Representativos 1 1s 1 3 4 2s 1 2s 2 11 12 3s 1 3s 2 19 20 4s 1 4s 2 37 38 5s 1 5s 2 55 56 6s 1 6s 2 83 84 7s 1 7s 2

Grupo IIIA ns2np1

Grupo IVA ns2 np2

Grupo VA ns2 np3

Grupo VIA ns2 np4

Grupo VIIA ns2 np5

Grupo VIII A ns2 np6

5 2p 1 13 3p 1 31 4p 1 49 5p 1 81 6p 1

6 2p 2 14 3p 2 32 4p 2 50 5p 2 82 6p 2

7 2p 3 15 3p 3 33 4p 3 51 5p 3 83 6p 2

Representativos 2 1s 2 8 9 10 2p 4 2p 5 2p 6 16 17 18 3p 4 3p 5 3p 6 34 35 36 4p 4 4p 5 4p 6 52 53 54 5p 4 5p 5 5p 6 84 85 86 6p 2 6p 2 6p 2

69 4f 13

21 3d 1 39 4d 1

22 3d 2 40 4d 2 72 5d 2 104 6d 2

23 3d 3 41 4d 3 73 5d 3 105 6d 3

24 3d 4 42 4d 4 74 5d 4 106 6d 4

Transición 25 26 3d 5 3d 6 43 44 4d 5 4d 6 75 76 5d 5 5d 6 107 108 6d 5 6d 6

27 3d 7 45 4d 7 77 5d 7 109 6d 7

28 3d 8 46 4d 8 78 5d 8 110 6d 8

29 3d 9 47 4d 9 79 5d 9 111 6d 9

30 3d 10 48 4d 10 80 5d 10 112 6d 10

57 4f 1

58 4f 2

59 4f 3

60 4f 4

61 4f 5

63 4f 7

64 4f 8

65 4f 9

66 4f 10

67 4f 11

68 4f 12

70 4f 14

71 5d 1

89 5f 1

90 5f 2

91 5f 3

92 5f 4

93 5f 5

94 95 96 5f 6 5f 7 5f 8 Transición interna

97 5f 9

98 5f 10

99 5f 11

100 101 102 5f 12 5f 13 5f 14

103 6d 1

62 4f 6

Región s. Comprende los grupos IA y IIA cuyas configuraciones terminan en el subnivel s. Grupo IA: ns1; Grupo IIA: ns2

Región f. Comprende elementos cuyos electrones ocupan hasta el subnivel f. Desde 4f1 hasta 4f14 para los lantánidos y de 5f1hasta 5f14 para los actínidos.

Las propiedades periódicas de los elementos 3.6

Como se ha visto, en la tabla periódica los elementos están organizados por orden creciente de número atómico (Z). El período coincide con la capa de valencia y el grupo coincide con los últimos electrones de dicha capa. De acuerdo con lo anterior, se pueden establecer relaciones entre las propiedades químicas y la posición de los elementos en la tabla. Se llaman propiedades periódicas de los elementos químicos a las propiedades que se pueden estudiar en relación con la posición de dichos elementos en el sistema periódico. Las propiedades periódicas son: el tamaño atómico (radio atómico), la energía de ionización, la afinidad electrónica, la electronegatividad y el carácter metálico.

Aumento de electronegatividad

Disminución de electronegatividad

Aumento de electroafinidad

Disminución de electroafinidad

Aumento de potencial

Disminución de potencial de ionización

de ionización Disminución de radio atómico

Aumento de radio atómico

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1 07

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Carbono (0,91 Å)

Berilio (1,40 Å)

Neón (0,51 Å)

Oxígeno (0,65 Å)

Litio (2,05 Å) Nitrógeno (0,75 Å)

Boro (1,17 Å)

Sodio (2,23 Å)

Flúor (0,57 Å)

Potasio (2,77 Å)

Rubidio (2,98 Å)

Cesio (3,34 Å)

Variación del radio atómico a través de la tabla periódica.

Litio

Flúor

Fluoruro de litio

10 5 0

83 65 Número atómico

Representación de la energía de ionización de los elementos en función de los números atómicos.

Interpreto Observa cada par de elementos y determina cuál de los elementos tiene mayor radio atómico y cuál tiene mayor energía de ionización.

1 08

P y Ar B y Al

En un período, el radio atómico aumenta de derecha a izquierda al disminuir el número atómico. A medida que avanzamos, hay menos protones en el núcleo. Por lo tanto, la fuerza de atracción del núcleo sobre los electrones también es menor. Por ejemplo, en el segundo período, el berilio tiene mayor radio atómico que el flúor.

3.6.2 Energía o potencial de ionización (Ei) Cuando se transfiere energía a un átomo, este la absorbe y los electrones de su configuración electrónica externa pueden promocionarse desde su estado fundamental hasta niveles de energía mayores, más alejados del núcleo. Si la energía es suficiente, será posible “arrancar” un electrón del átomo y transformarlo en un ión positivo o catión. Luego, la energía o potencial de ionización es la mínima energía que se requiere para liberar el electrón más externo de un átomo gaseoso en estado neutro. Por ejemplo, para ionizar un átomo de sodio (con 11 p1 y 11 e2) y convertirlo en un catión (11 p1 y 10 e2) se precisan 5,1 electronvoltios (eV).

En un grupo, la energía de ionización aumenta de abajo hacia arriba, a medida que el número atómico disminuye. Para el caso de los gases nobles, es muy difícil “quitarles” un electrón porque son muy estables; por lo tanto, su energía de ionización es muy alta.

Na y K Ga y Br

En un grupo, el radio atómico aumenta a medida que descendemos por él y, así mismo, el número atómico aumenta. Por ejemplo, el radio atómico aumenta del litio al cesio.

En un período, la energía de ionización aumenta a medida que crece el número atómico (de izquierda a derecha).

5∫ período

4∫ período

2∫ período

Energía de ionización (eV)

25 He

3∫ período

El tamaño de un átomo no es igual que el de su ion. Cuando un átomo cede electrones, se convierte en un catión y su tamaño disminuye. En cambio, cuando recibe electrones se convierte en un anión y su tamaño aumenta.

3.6.1 Radio atómico Es la distancia que existe entre el núcleo del átomo y el electrón más alejado del mismo.

Ar y Xe Ca y Rn

3.6.3 Afinidad electrónica (AE) Es la energía liberada cuando un átomo gaseoso y en su estado fundamental capta un electrón y se convierte en un ión con carga negativa o anión. Por ejemplo, en la formación de un anión cloruro a partir de un átomo de cloro (g) se desprenden 3,61 eV. Cl 1 1 e2

→ Cl2 AE 5 3,61 eV

En la tabla periódica, la afinidad electrónica aumenta a medida que el número atómico disminuye, lo que ocurre de abajo hacia arriba en el caso de un grupo. En un período la afinidad electrónica aumenta a medida que el número atómico aumenta, es decir, de izquierda a derecha.

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Componente Procesos físicos 3.6.4 Electronegatividad Es la tendencia que tiene un átomo de atraer los electrones de otro cuando se forma un enlace químico. En la tabla, la electronegatividad varía así: en un período aumenta de izquierda a derecha y en un grupo disminuye de arriba hacia abajo. El químico estadounidense Linus Pauling (1901-1994) estableció una escala de electronegatividades estudiando cómo se distribuyen los electrones de enlace en muchas parejas de elementos. Encontró que el elemento más electronegativo era el flúor, y le asignó una electronegatividad de 4; y al hidrógeno le dio una electronegatividad intermedia de 2,1. El concepto de diferencia de electronegatividad entre dos elementos es importante para comprender cómo se establece el enlace atómico y los tipos de enlace que hay. 3.6.5 El carácter metálico Los metales son elementos que tienen una electronegatividad baja y, en consecuencia, tiende a ceder electrones y a formar iones positivos y los no metales son elementos que tienen una electronegatividad alta y, en consecuencia, tienen tendencia a aceptar electrones y a formar iones negativos. El carácter metálico de los elementos de la tabla periódica varía de forma opuesta a como varía la electronegatividad.

Argumento Responde: 1. ¿Por qué el hidrógeno tiene menor radio atómico que el rubidio? 2. ¿Cuál es el elemento más electronegativo del período 2? Explica tu respuesta. 3. ¿Qué elemento del grupo IA presenta la menor afinidad electrónica? Explica tu respuesta. 4. ¿Cuáles son los elementos de mayor potencial de ionización? Explica tu respuesta.

Fundamentos del enlace químico

3.7 La mayoría de los elementos tienden a unirse con otros átomos para lograr su estabilidad electrónica, por esta razón, las sustancias que existen en la naturaleza están formadas por átomos enlazados a otros átomos, que pueden ser del mismo elemento (como la molécula de oxígeno: O2) o de otros elementos químicos diferentes (como la molécula de agua: H2O) y muy pocas veces estarán formadas por átomos aislados. Las únicas sustancias que se encuentran como átomos aislados de forma natural son los gases nobles. De acuerdo con lo anterior:

Un enlace químico es el conjunto de fuerzas que mantienen unidos a los átomos, los iones y las moléculas. Se forman porque de esta manera, son más estables. Por ejemplo, el sodio (Na) y el cloro (Cl) reaccionan entre sí, formando cloruro de sodio (NaCl), que es más estable de lo que serían el sodio y el cloro por separado. Es importante recordar que los elementos y los compuestos son sustancias puras: los elementos están formados por átomos de la misma clase y los compuestos están formados por moléculas, es decir, átomos de diferentes elementos. Por otro lado, como los átomos están formados por núcleos con carga positiva y electrones con carga negativa, es lógico suponer que los enlaces químicos resultan del equilibrio de las fuerzas de atracción y repulsión entre las cargas eléctricas, llamadas fuerzas electrostáticas. Entre los factores que determinan que los elementos formen un enlace químico están: los electrones de valencia, la estabilidad electrónica, el estado de oxidación y la electronegatividad.

La pirita (A) es un mineral de hierro. Es un compuesto; no son átomos de hierro aislados. El oxígeno y el hidrógeno forman un compuesto, el agua (B). El helio (C) sí se presenta en la naturaleza como átomo aislado. ©

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1 09

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3.7.1 Estabilidad electrónica: regla del octeto En 1916, el físico-químico estadounidense Gilbert N. Lewis (1875-1946) dio una explicación para el enlace químico que establece que los átomos se enlazan entre sí para alcanzar ocho electrones en su último nivel de energía. Esta regla se conoce como regla del octeto. En otras palabras, esta regla quiere decir que cuando se forma un enlace químico, los átomos reciben, ceden o comparten electrones con otros átomos, buscando todos tener ocho electrones en su último nivel de energía para adquirir la configuración del gas noble más próximo de la tabla periódica. Existen tres elementos que no cumplen la ley del octeto: el hidrógeno (H), el litio (Li) y berilio (Be) que solo tratarán de alcanzar dos electrones en el último nivel para ser como el gas noble más cercano, el helio (He). Por ejemplo, el hidrógeno posee un electrón de valencia y solo le falta uno, para completar dos, y adquirir la configuración del helio. Habitualmente la naturaleza evoluciona hacia estados de menor energía. Esto significa que los átomos de los gases nobles son muy estables, mientras que los átomos de los demás elementos no son tan estables, y por eso se unen a otros átomos: para ser tan estables como los gases nobles.

Na1

Cl2

3.7.2 Estado de oxidación El estado de oxidación es la carga aparente con la que un elemento está actuando al formar un compuesto. El estado de oxidación puede ser positivo, negativo o cero y este valor es el resultado que se obtiene cuando el átomo, al obedecer la regla del octeto, adquiere la configuración electrónica similar a la del gas noble que le precede. Por ejemplo, cuando un átomo “X” necesita, sea el caso, 3 electrones para adquirir la configuración electrónica estable, tiene un número de oxidación 32 o, cuando un átomo “Y” tiene los 3 electrones que deben ser cedidos para que el átomo X adquiera la configuración electrónica estable, entonces este átomo tiene un número de oxidación de 31. En este ejemplo, podemos deducir que los átomos “X” y “Y” pueden unirse para formar un compuesto y que esto depende de las interacciones entre ellos al ceder o adquirir electrones para cumplir con la regla del octeto. 3.7.3 Tipos de enlaces químicos Ampliaciones Enlace web Actividades multimedia Dependiendo del modo en que los átomos alcancen la configuración electrónica del gas noble tendremos tres tipos de enlaces: el enlace iónico, el enlace covalente y el enlace metálico. 3.7.3.1 El enlace iónico El enlace iónico se forma cuando se combinan átomos que alcanzan la configuración de gas noble cediendo electrones y átomos que alcanzan la configuración de gas noble ganando electrones. El enlace iónico se establece cuando se combinan átomos de elementos con electronegatividad muy distinta así: El átomo muy electronegativo tendrá tendencia a ganar electrones y formará un ión negativo o anión, y se representa con el signo 2. El átomo muy electropositivo tendrá tendencia a perder electrones y formará un ion positivo o catión, y se representa con el signo 1.

Formación de un compuesto iónico: NaCl. El átomo de sodio (Na) cede un electrón que gana el átomo de cloro (Cl).

110

De acuerdo con lo anterior, el enlace iónico puede definirse como la fuerza de atracción que mantiene unidos a iones positivos y negativos para formar una molécula.

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Componente Procesos físicos Enlace web

La red cristalina Como en el cloruro de sodio (NaCl), lo característico de los compuestos iónicos es la formación de una red cristalina. Una red cristalina es una estructura muy estable, en la que los iones positivos se rodean del mayor número posible de iones negativos, y viceversa. Propiedades de los compuestos iónicos Entre las propiedades más representativas de los compuestos iónicos tenemos las siguientes: Propiedad

Explicación Los iones positivos y negativos forman redes bien estructuradas; permanecen fijos en la red cristalina unidos por fuertes atracciones y cada ion mantiene consigo sus electrones.

Son sólidos a temperatura ambiente. Tienen altos puntos de fusión y ebullición. No conducen la electricidad mientras permanezcan en fase sólida. Son solubles en agua.

Las moléculas de agua se orientan convenientemente para poder rodear a los iones, penetrando y destruyendo la red.

Son buenos conductores de electricidad, en solución o fundidos.

En ausencia de red cristalina, los iones quedan libres y muy móviles; así transportan carga eléctrica.

Son duros pero frágiles.

Si el cristal se golpea en determinadas direcciones, sus planos se deslizan. Los iones de igual carga quedan enfrentados, produciendo planos de fractura.

A temperatura ambiente no existen compuestos iónicos en estado gaseoso ni líquido: permanecen en estado sólido. Esto se debe a que forman redes cristalinas de millones de aniones y cationes.

Enlace web 3.7.3.2 El enlace covalente Se forma un enlace covalente cuando se combinan entre sí átomos que tienen tendencia a alcanzar la configuración de gas noble ganando electrones; en ese caso, el único modo de que la consigan los dos átomos que se enlazan es compartiendo electrones de su nivel de valencia. De acuerdo con lo anterior, el enlace covalente es la fuerza que mantiene unidos a los átomos que comparten uno o varios pares de electrones de valencia.

Los enlaces covalentes pueden ser polares o no polares y comunes o dativos, según la diferencia de electronegatividad y la procedencia de los electrones compartidos: Enlace covalente no polar y polar El enlace covalente no polar se forma entre átomos iguales o diferentes siempre y cuando la diferencia de electronegatividades sea cero o muy baja. En este enlace, los electrones son atraídos por ambos núcleos con la misma intensidad y generan moléculas no polares cuya nube electrónica es uniforme. 1

Ejemplo: Cl2 ••

•

Cl •• ••





Cl 

 

• •

••



Cl • Cl 

••

 

El enlace covalente polar se da entre átomos diferentes cuya diferencia de electronegatividad es de hasta 1,7. En este enlace, el átomo más electronegativo atrae con mayor intensidad a los electrones compartidos. Esto crea una densidad electrónica ligeramente mayor cerca del átomo más electronegativo d2 en relación con el resto de la nube d1. H

Ejemplo: HCl 

H • Cl 



 

H • Cl 

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 



111

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Propiedades de las sustancias covalentes Los elementos y compuestos con enlaces covalentes pueden formar moléculas individuales o redes de átomos (sustancias reticulares). Cada una de estas formas tiene propiedades características. Sustancias covalentes moleculares Propiedad Los electrones que se comparten en un enlace covalente son atraídos por los núcleos de los dos átomos enlazados.

Explicación

Tienen bajos puntos de fusión y ebullición.

Los enlaces covalentes que forman las moléculas son muy fuertes, pero las atracciones entre estas son débiles. Vencerlas Son blandas y resistentes a los golpes. no requiere de mucha temperatura o fuerza.

Sustancias covalentes reticulares Propiedad

Explicación

Todas son sólidas, con puntos de fusión muy altos.

Los átomos están unidos por fuertes enlaces covalentes en toda la red. Estos enlaces son difíciles de romper.

Son insolubles en cualquier tipo de disolvente (polar o no polar). Son malas conductoras Los electrones de valencia En su mayoría, son El diamante de calor y electricidad. permanecen vinculados a malas conductoras del tiene sus los átomos que participan calor y la electricidad. electrones de enlace en los enlaces. localizados, La solubilidad depende Son solubles en es decir, no se sustancias que tengan de que la polaridad de la desplazan a molécula sea afín con similares fuerzas través de la red. la del disolvente. intermoleculares.

En nuestro entorno encontramos diversos compuestos covalentes como el agua, los carbohidratos, las proteínas y los alcoholes, entre otros. Actividad 3.7.3.3 El enlace metálico Se forma un enlace metálico cuando se combinan entre sí átomos que tienen tendencia a alcanzar la configuración de gas noble perdiendo electrones. Por lo anterior un enlace metálico es la atracción que existe entre los iones positivos de un metal y sus electrones circundantes que se mueven libremente. Los átomos metálicos tienden a desprenderse de sus electrones externos debido a su baja electronegatividad, por eso se convierten en iones positivos o cationes. Nube de electrones

Propiedades de los metales Propiedad

Explicación

Son sólidos a temperatura ambiente, con excepción del mercurio. La mayoría son densos y generalmente duros.

Están conformados por estructuras cristalinas compactas. Los electrones de valencia, dispersos por toda la red, aumentan su cohesión.

La mayoría tienen altos puntos de fusión y ebullición.

Representación del enlace metálico: los cationes están ordenados en una estructura cristalina rodeados por una nube de electrones.

112

Tienen brillo metálico.

Los electrones libres de la superficie absorben y emiten luz con facilidad.

Son buenos conductores de la electricidad y del calor.

La corriente de electrones fluye libremente a través de la red. Al calentar una zona del metal, aumenta la energía, la vibración de los cationes y la velocidad de los electrones de la zona, que al moverse por toda la red distribuyen uniformemente el calor por conducción.

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SOY CIENTÍFICO NATURAL

Me aproximo al conocimiento como científico natural

Observa el espectro de algunos átomos Objetivos 1. Construir un espectroscopio sencillo. 2. Observar algunos espectros de emisión de algunos átomos. Conceptos clave Espectroscopio, espectro, metales, no metales. Materiales Un CD Una caja de cartón, pequeña donde quepa el CD Un tubo de cartón. Puede ser un tubo del papel higiénico Papel de aluminio Pegante o silicona Espátula Cloruro de sodio Sulfato de litio o cualquier sal de litio Sulfato de cobre Sulfato de cobalto Cloruro de potasio 5 tubos de ensayo Agitador Cuchara de combustión Aza de platino Mechero 5 vasos de precipitados de 200 mL Vela, láser de punto, bombillo, linterna Metodología de trabajo En grupo

Pregunta problematizadora ¿Cómo podemos observar los espectros de los átomos?

En este laboratorio podrán observar los espectros producidos por algunos elementos. Procedimiento Construcción del espectroscopio 1. Tomen la caja de cartón y peguen sobre su base interna el CD de manera que la parte brillante quede hacia arriba. Si no encuentran una caja del tamaño adecuado, ármenla con cartulina. 2. En la parte superior de la caja, hacia uno de los extremos, hagan una ranura de medio centímetro de ancho y dos centímetros de largo. Luego inserten el tubo de cartón en el orificio formando un ángulo de 45° y fíjenlo a la caja utilizando el pegante o silicona. 3. Abran una rendija horizontal en la cara opuesta de la caja que permita que penetre la luz que deseen analizar. 4. Luego, forren la caja con papel de aluminio para evitar que penetre otro tipo de luz diferente a la que se quiere analizar. Solo las ranuras deben permanecer descubiertas. 5. Acerquen a la rendija la luz de una linterna, la luz de una vela, la luz de un láser de punto y la luz de un bombillo. Observen, a través del tubo de cartón, el espectro producido por cada una de estas luces y dibújenlo. Observación de espectros de emisión 6. En cinco tubos de ensayo coloquen 2 mL de agua y disuelvan 0,5 g de cada una de las siguientes sales en su orden: cloruro de sodio, sulfato de litio, sulfato de cobre, sulfato de cobalto y cloruro de potasio. 7. Tomen el asa de platino y humedézcanla con la primera solución de sal y acérquenla a la llama del mechero. Observen y dibujen el espectro producido. Repitan el procedimiento con cada una de las sales, cuidando de lavar el asa cada vez que cambien de solución. 8. Repitan el procedimiento utilizando el espectroscopio que construyeron. Conclusiones

ATENCIÓN Jamás observes el reflejo de la luz del Sol con el espectroscopio, podrías dañar irremediablemente tu retina.

1. ¿Para qué son útiles los espectros de emisión? 2. ¿Qué es lo que tiene cada elemento que lo hace emitir luz con sus propios colores característicos?

Acción de pensamiento: realizo prácticas experimentales con instrumentos y equipos adecuados a las características de los objetos.

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113

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Competencias científicas

3 Establece algunas semejanzas y diferencias

INTERPRETO A F I A N Z O

1 Completa las siguientes afirmaciones: Para mantenerse , los átomos deben formar entre sí. Los únicos átomos que no necesitan formar enlaces son los que pertenecen a los . La alta conductividad de los metales se debe se encuentran a que sus . libres, formando una Los elementos químicos se pueden ordenar en función de su en la . Los son elementos con un brillo característico, buenos conductores de y . no son buenos conLos ductores de electricidad y no brillan.

C O M P E T E N C I A S

11 4

entre:

Potencial de ionización y afinidad electrónica. Enlace covalente y enlace iónico. Metales y no metales.

4 Escribe la estructura de Lewis para los siguientes átomos:

5 Observa los dibujos de los átomos de bromo y sodio, y determina el tipo de enlace que pueden formar estos dos elementos.

2 Relaciona la información de las dos columnas, escribiendo dentro de cada recuadro la letra correspondiente. A. Elementos del grupo VIIA. B. Filas horizontales de la tabla periódica. C. Torio, uranio y neptunio. D. Energía liberada cuando un átomo gaseoso adquiere un electrón. E. Columnas de la tabla periódica. F. Todos los átomos tienden a tener ocho electrones en su nivel de valencia. G. Las propiedades de los elementos químicos varían con el peso atómico de una manera periódica. H. Aumenta en un grupo de arriba hacia abajo.

Afinidad electrónica Radio atómico

6 Analiza la siguiente información y, con base en ella, responde las preguntas 7 a 11.

Ley de Mendeleiev

El siguiente dibujo representa el átomo de nitrógeno; este átomo en estado neutro posee siete protones y siete electrones.

Regla del octeto Actínidos Halógenos Grupos

7 ¿Cuántos electrones de valencia presenta?

Períodos

8 ¿Con cuántos átomos de hidrógeno se uniría para cumplir la ley del octeto?

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Identificar •

Indagar •

9 ¿Cuántos niveles de energía posee? 10 ¿Qué tipos de enlace covalente puede presentar este átomo?

11 ¿A qué grupo de la tabla periódica pertenece este elemento?

12 En la tabla periódica se han escrito los símbolos de algunos elementos. Responde las preguntas 13 a 15 para cada uno de ellos. H B

Explicar •

Comunicar •

Trabajar en equipo

¿Por qué la escasez de calcio produce algunas enfermedades? ¿Por qué una dieta pobre en alimentos que contengan hierro causa la anemia ferrofénica? ¿Cuáles son las consecuencias de este trastorno? ¿En qué procesos biológicos intervienen el sodio y el potasio? Explica.

18 ¿Cuál es la relación que existe entre el nú-

mero de valencia de un átomo y su tendencia a ganar o perder electrones durante la formación de un compuesto? Justifica tu respuesta.

19 Explica por qué los metales tienen tendencia

Na Zn I Ra

a ceder electrones, mientras que los no metales tienen tendencia a captarlos.

Desarrollo compromisos personales y sociales

PROPONGO 13 ¿Cuál es su período y su grupo? 14 ¿Es un metal, un metaloide o un no metal? 15 ¿Es sólido, líquido o gaseoso a temperatura ambiente?

16 Indica el período, el grupo, el nombre y el

número atómico de los elementos que se representan con las siguientes configuraciones electrónicas: 1s2 1s2 2s2 2p6 3s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p3

ARGUMENTO 17 Algunos elementos químicos son indispen-

sables en la dieta diaria. Consulta cuáles son y en qué alimentos están presentes. Luego, responde las preguntas de la columna siguiente.

20 Lee la siguiente información y, con base en ella, realiza las actividades 21 y 22.

El agua puede contaminarse con sustancias químicas y microorganismos. Entre los elementos que contaminan el agua, se encuentran el fósforo, el calcio, el hierro, el magnesio, el plomo, el mercurio y el zinc.

21 Realiza una consulta sobre: Las consecuencias que tienen estas sustancias sobre el ambiente y, específicamente, sobre los seres vivos. Las actividades humanas que producen estos tipos de contaminantes. Las estrategias que pueden adelantar distintas instancias de la sociedad (industria, comercio, hogares) para minimizar el impacto de estas sustancias en el ambiente.

22 Reúnete con un grupo de personas de tu

curso y, junto con el docente, planeen una campaña para crear conciencia en la comunidad estudiantil sobre los peligros que acarrean estas sustancias para los seres vivos.

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Electricidad y magnetismo El contexto

Entorno físico

Tu plan de trabajo… Comprobar la acción de fuerzas eléctricas y magnéticas. Explicar el comportamiento eléctrico y magnético de la materia en relación con la estructura atómica. Relacionar la corriente eléctrica con el magnetismo.

Encuentra en tu

La situación actual

Evaluaciones: ✓ De desempeño ✓ TIMSS 9 Multimedia 1 Galería

9 Actividades

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La energía, ya sea química, mecánica, térmica, lumínica, entre otras, se transforma en energía eléctrica. Así, existen diversas tecnologías y alternativas de combustible para generar energía eléctrica. Para optar por una de ellas, es necesario conocer y cuantificar el impacto ambiental que tiene su uso y el de las otras opciones.

✓ Por competencias 1 Audio 5 Imprimibles

La selección del combustible para la generación de energía eléctrica depende de muchos factores, tales como la disponibilidad, el costo y el impacto ambiental. Cada combustible tiene sus limitaciones. Por ejemplo, el carbón (el más abundante) y el petróleo afectan el ambiente por las altas emisiones de CO2 que generan.

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Ubica en el tiempo el estudio de los fenómenos electromagnéticos Pregunta problematizadora ¿Cómo podemos contribuir a minimizar el impacto que genera la producción de energía eléctrica? Comprendiendo los conceptos propios de la electricidad y el

magnetismo. Para ello, estudiarás los conceptos de carga eléctrica, corriente, voltaje, potencia, campo magnético e inducción electromagnética y las relaciones entre ellos.

Analizando los procesos que permiten transformar otros tipos de

energía en energía eléctrica. Por eso, es importante que conozcas cuáles son los procesos que permiten generar energía eléctrica.

Desarrollando hábitos encaminados a disminuir el consumo de la

energía eléctrica. Para ello, aprenderás a establecer relaciones entre la potencia eléctrica y la energía.

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Tales de Mileto Observó que una barra de ámbar frotada atraía pequeños objetos. Charles du Fay Estableció que hay dos tipos de electricidad: vítrea y resinosa. Alessandro Volta Inventó la batería eléctrica. Hans Oersted Descubrió la relación entre la electricidad y el magnetismo. Michael Faraday Describió cómo, a partir de un campo magnético, se puede generar corriente eléctrica.

Siglo VI a. C. 1600

William Gilbert Le dio denominación a los materiales eléctricos y produjo imanes artificiales.

1733 1747

Benjamin Franklin Se refirió a la carga positiva y a la carga negativa.

1775 1785 1813 1827 1831

Charles Coulomb Describió la fuerza eléctrica entre cargas. George Simon Ohm Propuso la ley que lleva su nombre.

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Entorno físico

Electricidad

Lexicón Electricidad: palabra que proviene del griego elektron que significa “ámbar”.

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1. La electricidad es un fenómeno físico que se origina en algunas partículas (protones) que forman los átomos. Es una forma de energía que puede manifestarse como electricidad estática o electrostática a partir de corriente eléctrica. Son muchos los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor que están relacionados con la electricidad: los relámpagos que se producen en el cielo, el encendido de una bombilla eléctrica, el funcionamiento de cualquier aparato eléctrico, la transmisión del impulso nervioso, la fuerza que mantiene unidos a los átomos, las chispas que se producen cuando nos quitamos una prenda; entre muchos ejemplos. La electricidad está en todas partes.

Un poco de historia

Enlace web

1.1 Los fenómenos eléctricos ya eran conocidos por los griegos y por otras civilizaciones hace 2.600 años. Platón menciona los “fenómenos sorprendentes de atracción producidos por el ámbar (resina fósil) al ser frotado” y Tales de Mileto citó también algunas de sus propiedades cuando observó que una barra de este material adquiría la propiedad de atraer pequeños objetos, como semillas cuando era frotada con piel de animal. En la Edad Media, se sabía que esta propiedad la compartían otras sustancias. Sin embargo, las primeras investigaciones sistemáticas sobre la electricidad se desarrollaron a partir del siglo XVII. El estudio de la electricidad en la Edad Moderna William Gilbert (1544-1603), médico y físico inglés, que dio el nombre de eléctricos a los materiales que, al ser frotados, adquirían la propiedad de atraer objetos y llamó electricidad a este fenómeno.

Charles-François de Cisternay Du Fay (1618-1793), físico francés que observó cómo pequeños trozos de metal que habían sido tocados por una varilla de vidrio frotada con seda se repelían entre sí y que lo mismo ocurría con los trocitos que habían sido tocados con una varilla de resina frotada con piel. Asimismo, los trocitos de estos dos tipos se atraían al acercarlos. La explicación que De Cisternay dio a estos fenómenos es que existen dos tipos de electricidad: una vítrea, producida por frotamiento de sustancias como vidrio, cristal, gemas, entre otros cuerpos cristalinos, con seda; y otra resinosa, que se produce cuando se frotan con lana o piel resinas como el ámbar, lacre (cera para sellar documentos), vulcanita, ebonita, entre otras sustancias.

Benjamin Franklin (1706-1790), científico estadounidense que supuso que la electricidad se debía a la presencia de un único fluido formado por partículas muy pequeñas. Argumentó que, cuando la materia ordinaría se frota, el fluido (la electricidad) se transfiere de un cuerpo a otro, y un cuerpo queda con exceso de fluido y el otro queda con defecto. Para Franklin, el frotamiento no crea la electricidad, sino que modifica su distribución. Al exceso de electricidad le llamó electricidad positiva y al defecto de electricidad le llamó electricidad negativa. Joseph John Thompson (18561940), físico inglés que descubrió la partícula portadora que, en adelante, explicaría en gran parte los fenómenos eléctricos: el electrón. De esta manera, logró interpretar el proceso que ocurre cuando ciertas sustancias se frotan. Por sus descubrimientos, Thompson recibió el Premio Nobel de Física en 1906.

1 1 8 Acción de pensamiento: verifico la acción de fuerzas electrostáticas y explico su relación con la carga eléctrica.

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Componente Procesos físicos

1.2

La carga eléctrica

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La carga eléctrica se define como una propiedad fundamental de la materia y la podemos identificar por los efectos que produce: atracciones o repulsiones mutuas. Para interpretar el comportamiento eléctrico de los cuerpos es necesario tener en cuenta la estructura atómica de la materia. Como sabemos, toda la materia en el universo está compuesta por átomos. Cada átomo tiene un núcleo dentro del cual hay protones, cuya carga es positiva, y neutrones, los cuales son eléctricamente neutros, es decir, que no tienen ni carga positiva, ni carga negativa. En el exterior del núcleo, dentro del átomo, están los electrones, cuya carga eléctrica es negativa. El electrón es considerado una partícula elemental. No se divide en otras más sencillas, ni tampoco se le puede despojar de su carga negativa lo que indica que esta es una propiedad intrínseca de la partícula. Después del descubrimiento del electrón, se descubrió otra partícula con masa bastante mayor (aproximadamente 2.000 veces) y con la misma carga, pero con diferente signo. Ernest Rutherford (1871-1937), en 1920, la llamó protón. El neutrón es una partícula neutra y de masa prácticamente igual que la del protón. El neutrón fue descubierto en 1932 por el físico inglés James Chadwick (1891-1974) a partir de la cual explicó el “exceso” de masa de los núcleos de los átomos. Hoy día se sabe que esta partícula no es elemental; está formada por tres partículas denominadas quarks. El protón, el electrón y el neutrón son las más importantes para entender la estructura y las propiedades de la materia. Todas forman parte de los átomos. Todos los protones son iguales entre sí, por tanto, sus cargas eléctricas son iguales. También, los electrones son iguales entre sí y, en consecuencia, también lo son sus cargas eléctricas. Aunque de diferente signo, el valor de la carga eléctrica del protón es igual al valor de la carga eléctrica del electrón. Cada átomo es eléctricamente neutro, lo cual sucede en virtud de que en su interior hay el mismo número de protones que de electrones. La carga eléctrica de los protones contrarresta la carga eléctrica de los electrones contenidos en él. Puesto que la carga eléctrica de los protones es positiva, entre ellos se ejerce fuerza eléctrica de repulsión; sin embargo, el núcleo no se desintegra porque los neutrones y los protones ejercen, entre sí, fuerza nuclear fuerte, la cual, a pequeñas distancias, es más intensa que la fuerza eléctrica. En determinadas condiciones, un átomo puede adquirir carga eléctrica, lo cual sucede cuando cede o gana electrones y, en consecuencia, pierde la condición de ser eléctricamente neutro. En este caso, se convierte en una partícula cargada eléctricamente, llamadas ion. Los iones son positivos si tienen más protones que electrones, o negativos, si tienen más electrones que protones. Los iones se forman porque los átomos ganan o pierden electrones, sin embargo, los núcleos de los átomos de un material no pierden ni ganan protones, a menos que se conviertan en núcleos de un elemento diferente. Los átomos forman moléculas y las moléculas se unen entre sí para formar compuestos. La manera como se unen estas partículas es propia de cada material. A las formas como los átomos y las moléculas se unen se les llama enlace y, de acuerdo con el tipo de enlace que establezcan, adquieren propiedades diferentes. Por ejemplo, el comportamiento eléctrico de los metales es diferente al comportamiento de los plásticos debido a que sus estructuras internas son diferentes.

A. Cargas de diferente signo se atraen. B y C. Cargas de igual signo se repelen.

Actualidad científica

¿Podemos ver los átomos? En la actualidad, se pueden obtener imágenes de la superficie externa de los átomos con un microscopio de túnel. Así se observan los átomos de oro. ©

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1.2.1 Fuerzas entre cargas eléctricas A comienzos del siglo XVIII ya se conocía experimentalmente que existían fuerzas de atracción y repulsión entre las cargas eléctricas. El primer científico que midió la intensidad de dichas fuerzas fue el físico francés Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) hacia finales del siglo XVIII. En sus experimentos estableció la variación de la fuerza entre dos cargas según la distancia y medida. F

2q1

3q1

2q2

3q2

Si el valor de una carga se duplica, la fuerza se duplica; si la carga se hace tres veces mayor, le sucede lo mismo a la fuerza; si el valor de ambas cargas se duplica, la fuerza se hace cuatro veces mayor. Lo anterior significa que la fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas q1 y q2.

F 4

Si la distancia que separa las cargas se duplica, la fuerza que las separa se hace cuatro veces menor; al triplicarla la distancia, la fuerza se hace nueve veces menor. Lo anterior obedece a la ley del inverso cuadrado que se refiere a algunos fenómenos físicos cuya intensidad disminuye al aumentar la distancia.

Ley de Coulomb De acuerdo con sus observaciones, Coulomb logró establecer la relación entre la fuerza eléctrica y la distancia entre las cargas que interactúan. Esta relación se conoce con el nombre de Ley de Coulomb y establece que: La fuerza eléctrica es proporcional al producto de las cargas dividido entre el cuadrado de la distancia que las separa. La ley de Coulomb se puede expresar matemáticamente mediante la fórmula: q1 q2 F 5k d2 Donde d es la distancia entre las partículas cargadas, q1 representa la cantidad de carga de una partícula, q2 representa la cantidad de carga de la otra partícula y k es la constante de proporcionalidad la cual tiene en cuenta que tan “fácil” es para las cargas transmitir su fuerza en un determinado medio. q1

q2 F

La fuerza eléctrica disminuye al aumentar la distancia entre las cargas.

1 20

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Componente Procesos físicos 1.2.2 Cuantificación de la carga Corrientemente, no se trabaja con protones y electrones, sino con cuerpos compuestos por millones y millones de átomos. Luego, cuando un cuerpo se carga eléctricamente, esta carga es proporcional al número de electrones ganados o perdidos. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de carga es el culombio, y su símbolo es C y, sucede que un culombio corresponde a la carga que tienen en conjunto 6,25 millones de billones de electrones. 1.2.3 Conservación de la carga La carga se conserva, es decir, no puede ser destruida. Cuando un vidrio se frota con una seda, pierde electrones, lo que quiere decir que la seda los ha ganado; entonces el vidrio queda cargado positivamente (porque “cedió” electrones) y la seda queda cargada negativamente (porque quedó con más electrones). De esta manera podemos afirmar que cuando frotamos dos objetos, estos se cargan eléctricamente con cargas de distinto signo. En toda transferencia de cargas eléctricas se cumple el principio de conservación de la carga, que se enuncia así:

El culombio representa una gran cantidad de electrones, pero solo corresponde a la carga que pasa por una bombilla eléctrica común de 100 vatios durante un poco más de un segundo.

La cantidad de carga de un sistema aislado es constante.

Las fuerzas eléctricas

1.3 Las leyes de la mecánica clásica se aplican a las fuerzas eléctricas. Analicemos el siguiente caso: una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos en reposo que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. Esto quiere decir que si una carga q1 ejerce una fuerza sobre una carga q2, esta segunda ejercerá una fuerza sobre q1 de la misma magnitud y de sentido opuesto. 1.3.1

Las fuerzas de contacto son fuerzas de naturaleza eléctrica

Las fuerzas que se denominan comúnmente “de contacto”, como la que ejerce una raqueta de tenis contra una pelota, son realmente fuerzas eléctricas. Por tanto, son interacciones entre cuerpos que se encuentran separados cierta distancia. En efecto, desde el punto de vista microscópico, la raqueta y la pelota no llegan a estar realmente en contacto, aunque sí es cierto que las partículas de ambos cuerpos se aproximan mucho. La interacción eléctrica es responsable de que la pelota salga despedida cuando la golpeamos con la raqueta.

Argumento 1. ¿Mediante qué ley de la física podemos demostrar que las fuerzas que ejercen entre sí dos cargas eléctricas son de igual valor? 2. El protón que hace parte del núcleo de un átomo de hidrógeno atrae al electrón que gira alrededor de él. En relación con esta fuerza, ¿el electrón atrae al protón con menor, mayor o igual fuerza?

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Constantes y unidades

1.4 Como se explicó anteriormente, los cuerpos están cargados cuando tienen un exceso o un defecto de electrones con respecto al número de cargas positivas (protones). Un exceso de electrones da lugar a una carga negativa; y un defecto, a una carga positiva. La medida de la carga que tiene un cuerpo será, por tanto, proporcional a ese exceso o defecto, ya que todos los electrones son iguales, es decir, tienen la misma masa y carga. La constante de proporcionalidad k en la expresión de la ley de Coulomb es una constante cuyo valor depende del medio en el que se encuentran las cargas. No es igual la fuerza que ejerce una carga sobre otra si ambas están en el aire, en el agua o en otro medio. La materia que hay entre las cargas está formada, a su vez, por otras cargas, y esto afecta a la fuerza que una carga ejerce sobre la otra. La constante de proporcionalidad k de la ley de Coulomb corresponde a un número muy grande, aproximadamente igual a 9.000.000.000 N 3 m2/C2. La unidad N 3 m2/C2 no tiene importancia especial en este caso; tan solo convierte el lado derecho de la ecuación a la unidad de fuerza, el newton (N). Lo importante es reconocer que corresponde a una medida muy grande. Por ejemplo, en el caso hipotético de que hubiera un par de partículas cargadas con 1 culombio cada una y estuvieran a una distancia de 1 metro entre sí, la fuerza de atracción o repulsión entre ellas sería de 9.000 millones de newtons (109 N), un valor tan elevado que sería suficiente para que un automóvil de unos 1.000 kg dé una vuelta al mundo (40.000 km) en unos tres segundos.

La fuerza eléctrica es una fuerza bastante intensa en comparación con otras fuerzas. Basta con frotar un cuerpo para electrizarlo y lograr que la fuerza eléctrica separe las aspas de un electroscopio, por ejemplo.

Se pueden establecer semejanzas y diferencias entre la ley de Coulomb para cuerpos cargados y la ley de Newton para cuerpos de gran masa. Esto es, mientras que la fuerza de gravedad de atracción entre partículas como un electrón y un protón es muy pequeña, la fuerza eléctrica entre ellos es muy grande y, además, mientras que la fuerzas eléctricas pueden ser de atracción o repulsión, la fuerza de gravedad es solo de atracción. El electroscopio Un electroscopio es un instrumento que se utiliza para detectar la presencia de carga eléctrica. Consiste en una varilla metálica en uno de cuyos extremos hay una esfera y, en el otro extremo, dos láminas livianas de oro o aluminio que se encuentran juntas cuando no actúan fuerzas eléctricas entre ellas. Al poner en contacto la esfera metálica con un cuerpo electrizado, las cargas eléctricas dentro de la varilla se redistribuyen y se observa que las láminas se separan. El efecto es el mismo cuando se le acerca un cuerpo cargado positivamente que cuando se le acerca un cuerpo cargado negativamente.

Interpreto La gráfica representa el valor de las fuerzas con la que se atraen dos cargas iguales pero de signos contrarios en función de la distancia que las separa. Responde:

Fuerza (n)

30 25 20

1. ¿A qué distancia la fuerza de atracción es igual a 10 N?

15 10

2. ¿Con qué fuerza se atraen cuando están separadas 3 cm?

5 0 0

Distancia (cm)

1 22

3. ¿A qué distancia la fuerza de atracción es mayor?

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Componente Procesos físicos

Conductores, aislantes y semiconductores 1.5

Ampliación multimedia

Actividad

Todos los cuerpos tienen la propiedad de ser electrizados, pero no todos permiten el paso de electricidad con la misma facilidad. De acuerdo con la forma como se comportan los materiales en relación con el movimiento de las cargas en su interior, los materiales se clasifican en conductores, aislantes, semiconductores y superconductores. Para comprender mejor este aspecto, analicemos los siguientes experimentos: Experimento A: considera una pequeña esfera metálica colgando de un hilo y una varilla metálica con sus extremos redondeados. La varilla se coloca sobre un trozo de caucho o de corcho de tal manera que quede en contacto con la esfera. Si en el otro extremo de la varilla se hace contacto con un objeto cargado positivamente, por ejemplo, una barra de vidrio que se ha frotado con seda, se observa que en el extremo opuesto se producen fuerzas de repulsión entre la varilla y la esfera. Este comportamiento ilustra que las cargas eléctricas se mueven a través de los metales; pero son en realidad los electrones los que se mueven.

Barra metálica Barra de vidrio

Barra de plástico Barra de vidrio

Experimento B: considera que en lugar de la varilla metálica, se utiliza una varilla de plástico y se establece contacto entre esta y un objeto cargado positivamente. En este caso, no se observa efecto alguno sobre la esfera. Este hecho sugiere que en materiales como el plástico no hay movimiento significativo de las cargas eléctricas como en el caso de los metales. Teniendo en cuenta la información anterior, se puede entender cómo se clasifican los materiales de acuerdo con su capacidad para permitir el paso de la electricidad. Un conductor es un material que permite que las cargas eléctricas se desplacen, con gran facilidad, de una región a otra y esto se debe a que los electrones exteriores de los átomos no están “ligados” a ningún núcleo y se mueven libremente (están sueltos). Son ejemplos de materiales conductores casi todos los metales como: el cobre, el aluminio o el hierro, aunque existen otros materiales no metálicos que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como el grafito o las disoluciones y las soluciones salinas, por ejemplo, el agua de mar, o cualquier material en estado de plasma. Un aislante es un material en el que los electrones están fuertemente enlazados con determinados átomos y no se encuentran “libres” para desplazarse entre otros átomos del material, lo que impide que la carga eléctrica se desplace con facilidad o que no se desplace. Son ejemplos de materiales aislantes los gases como el aire, los plásticos, la madera y las cerámicas, entre otras sustancias. Estos materiales también reciben el nombre de dieléctricos. Un semiconductor es un material que se comporta como un conductor o como un aislante de acuerdo con diversos factores que lo afecten tales como: el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Son ejemplos de materiales semiconductores el silicio, el germanio y el azufre. Los materiales semiconductores tienen muchas aplicaciones en el campo de la electrónica, ya que con ellos se pueden construir transistores que son dispositivos que sirven para controlar el flujo de las corrientes en los circuitos, para detectar y amplificar señales de radio y para producir oscilaciones en los transmisores. Un superconductor es un material que ofrece poca o ninguna resistencia al flujo de corriente. Por lo general, para que un material se comporte como un superconductor debe estar bajo condiciones especiales de temperatura (alta o baja). La principal ventaja de los superconductores es que al no ofrecer resistencia alguna al flujo de corriente no hay pérdida de energía en forma de calor. Actualmente, se sigue investigando sobre este tipo de materiales y sus aplicaciones pueden ser muy importantes en los campos de las redes eléctricas de grandes distancias o en los vehículos de levitación magnética a gran velocidad. ©

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Formas de cargar un cuerpo

Barra de vidrio

Seda

El vidrio pierde electrones y queda cargado positivamente. Lana

Barra de ámbar

El ámbar gana electrones y queda cargado negativamente.

1.6 Actividad Enlace web En el átomo, los electrones son más ligeros que los protones que conforman el núcleo, los cuales permanecen “fijos” en el núcleo por acción de la fuerza nuclear fuerte que establecen con los neutrones. De acuerdo con lo anterior, los electrones pueden saltar de un cuerpo a otro ya que la fuerza que los mantiene unidos al átomo es más débil. Se dice entonces que un cuerpo se carga eléctricamente cuando se transfieren electrones de un cuerpo a otro. Existen formas para cargar un cuerpo: por frotamiento, por contacto y por inducción. 1.6.1 Carga por frotamiento Cuando la materia se frota, ocurre transferencia de electrones de un cuerpo a otro y, algunas sustancias, debido a su estructura molecular o atómica pueden ganar o perder electrones frente a otros cuerpos. Así, por ejemplo, el vidrio, al ser frotado con seda (A), pierde gran cantidad de electrones y queda cargado positivamente, mientras que el ámbar al ser frotado con piel (B), gana electrones y queda cargado negativamente. 1.6.2 Carga por contacto Este método consiste en poner en contacto un cuerpo previamente cargado con otro cuerpo inicialmente neutro; después del contacto, ambos cuerpos quedan cargados con el mismo signo. Observa el siguiente esquema que muestra el proceso de carga de un cuerpo por contacto.

a. Se tiene una esfera con carga positiva y una barra rectangular neutra.

b. Se acerca una barra rectangular neutra a la esfera cargada.

c. Cuando ambos cuerpos están en contacto, las cargas tienden a neutralizarse; es decir, algunas cargas negativas del cuerpo rectangular se transfieren hacia la esfera.

d. Cuando se separan los cuerpos, ambos tienen carga positiva.

1.6.3 Carga por inducción La inducción es un proceso de carga de un objeto sin que ocurra un contacto directo. Observa el esquema:

124

a. Las esferas A y B son neutras y están en contacto, de modo que ambas forman un conductor no cargado. Luego, se aproxima una barra cargada negativamente a la esfera A.

c. Las esferas A y B son separadas en presencia de la barra.

b. Los electrones del metal son rechazados por la barra y se desplazan a la esfera B, dejando la esfera A cargada positivamente. Las cargas de las esferas se han redistribuido; es decir, que se ha inducido esta nueva distribución. d. La barra se retira y quedan las esferas cargadas con cargas iguales, pero opuestas.

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Componente Procesos físicos

Campo eléctrico

1.7 Así como la Tierra origina un campo gravitacional en el espacio que la rodea ejerciendo una fuerza sobre cualquier objeto, del mismo modo podemos describir la interacción entre dos partículas que tengan cargas eléctricas. Como se explicó en el tema anterior, una carga eléctrica experimenta una fuerza cuando se coloca cerca de otra carga. Esto sugiere que, en presencia de un cuerpo cargado eléctricamente, el espacio que lo rodea adquiera unas propiedades especiales que hacen que otra carga situada en sus inmediaciones sea atraída o repelida. De acuerdo con esto, se puede afirmar que la carga genera un campo eléctrico. La región del espacio que rodea un objeto cargado eléctricamente y que se ve afectada por la presencia de este, se denomina campo eléctrico.

Representación de campos eléctricos

Si una carga eléctrica experimenta fuerza eléctrica, se dice que dicha región es un campo eléctrico. A

1.8 Para representar el campo eléctrico generado por una carga en un punto del espacio se utilizan unas líneas llamadas líneas de fuerza, la cuales indican la dirección en la cual se dirigen las cargas. En general, estas líneas de fuerza tienen las siguientes características:

Las líneas de campo de una carga positiva son líneas salientes y las líneas de campo de una carga negativa son líneas entrantes. Las líneas de fuerza se originan en las cargas positivas y terminan en las cargas negativas. El sentido de las líneas de fuerza en todos los puntos es el mismo que el del campo eléctrico. El número de líneas de fuerza, que emergen o llegan a las cargas, es proporcional al valor de las cargas.

Las líneas de fuerza parten de las cargas positivas. B

Las líneas de fuerza nunca se cruzan. En el esquema, se representan las líneas de fuerza para el caso de una carga positiva (A) y para el caso de una carga negativa (B). Representación del campo eléctrico de un dipolo Un dipolo es un sistema de dos cargas de signo opuesto e igual magnitud cercanas entre sí. En el esquema se puede ver que las líneas parten de las cargas positivas y terminan en las negativas, pero están curvadas, ya que ambas cargas contribuyen al campo en cada punto.

Las líneas de fuerza llegan a las cargas negativas.

En las representaciones del campo mediante líneas de fuerza la intensidad del campo está relacionada con el número de líneas por unidad de superficie. De acuerdo con esto, la intensidad del campo es mayor cerca de las cargas, pues es donde los campos son más intensos. ©

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Energía potencial eléctrica

1.9 Dos cargas eléctricas interactúan con fuerzas de atracción o repulsión, de forma que, cuando se dejan libres, tienden a acercarse o separarse dependiendo del signo. Algo similar ocurre cuando un cuerpo se encuentra cerca de la Tierra. Para comprender mejor lo anterior, analiza las siguientes situaciones: 1

q0 2 y Fext

mg d x

q0 2 x mg

Fext

Tierra

1. Para llevar una partícula desde la posición x hacia y, se realiza un trabajo para vencer la fuerza gravitacional (peso) y este trabajo se transforma en energía potencial gravitacional. 2. Análogamente, si se quiere desplazar una carga q02 desde el punto x hacia y, se debe realizar un trabajo para vencer la fuerza eléctrica que le ejerce la carga Q. Este trabajo que se realiza se transforma en energía potencial eléctrica. Si se soltara la partícula, se aceleraría acercándose y su energía potencial se transformaría en energía cinética. 3. Por otro lado, para acercar una carga q01 desde el punto y hacia x se tiene que vencer la fuerza de repulsión. El trabajo que se realiza se transforma en energía potencial. Si se suelta la partícula, se alejará y la energía potencial se transformará en energía cinética. Se denomina energía potencial eléctrica a la energía que posee una carga en virtud de su ubicación.

1.9.1 Potencial eléctrico A una carga situada en un punto del campo eléctrico se le asocia energía potencial. Por lo tanto, el potencial eléctrico en un punto P es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para desplazar una carga q hasta dicho punto. De lo anterior, se concluye que la energía potencial eléctrica que posee una carga en un punto es igual al trabajo que se debe realizar para llevar la carga hasta ese punto. Al concepto de energía potencial por unidad de carga se le llama potencial eléctrico, es decir, energía potencial eléctrica Potencial eléctrico 5 carga

q Fext

La unidad de potencial eléctrico en el Sistema Internacional es el julio/culombio o voltio (V) en honor a Alessandro Volta, por lo que al potencial eléctrico, por lo general, se le denomina también voltaje. Un potencial eléctrico de un voltio (1 V) equivale a un julio (1 J) de energía por un culombio (1 C) de carga. Así, una pila de 1,5 voltios cede 1,5 julios de energía por cada culombio de carga que pasa por ella.

1 26

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Componente Procesos físicos

Almacenamiento de la energía eléctrica

1.10 En 1746, el físico holandés Pieter van Musschenbroek (1692-1791) logró almacenar carga eléctrica en una botella. Para ello, llenó una vasija con trozos de cobre, la tapó con un corcho perforado por una aguja que ponía en contacto con dichos trozos y tocó una y otra vez la aguja con un trozo de vidrio que electrizaba tras cada toque. Así, se logró construir el primer condensador de carga eléctrica, al que se llamó la botella de Leyden. Desde hace algunos años, la energía eléctrica se puede almacenar en un dispositivo común, que se llama condensador o capacitador que se utiliza en diferentes áreas de la electricidad y la electrónica. Por ejemplo, al observar el interior de un sencillo receptor de radio, se encuentran varios de ellos. 1.10.1 Condensadores eléctricos Un condensador eléctrico está formado por dos conductores o armaduras generalmente en forma de placas, cilindros o láminas, separados por un material dieléctrico o por el vacío, y que, sometidos a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica. Capacidad eléctrica La capacidad eléctrica es la cantidad de carga que puede almacenar un condensador en su superficie para que esta adquiera un potencial eléctrico de 1 voltio. La cantidad de carga que puede almacenar un condensador depende de los materiales, el tamaño y de su forma. Un tipo de condensador es el de placas paralelas y, aunque muchos de los condensadores utilizados actualmente difieren de este en su forma, no difieren en su principio de funcionamiento. Cómo se carga un condensador La energía que se almacena en un condensador proviene del trabajo necesario para cargarlo y la energía se almacena en el campo eléctrico que se forma entre sus placas. Por ejemplo, al conectar las dos placas metálicas de un condensador a los polos de una fuente, por ejemplo una pila, se observa que dicho condensador adquiere carga eléctrica: la placa conectada al polo positivo de la fuente adquiere carga positiva mientras que la placa conectada al polo negativo de la fuente adquiere negativa.

Botella de Leyden utilizada para almacenar carga eléctrica. �Q

�Q

_ +

+ +

_ +

Esquema de un condensador de placas paralelas.

Por lo general, el tamaño de los condensadores es pequeño.

La Tierra como un condensador La Tierra almacena una carga negativa de unos 400.000 C que escapa a la atmósfera a través del aire a un ritmo de unos 1.500 C por segundo y es devuelta a ella en forma de rayos durante las tormentas, los cuales transportan una carga de 20 C cada uno. Esta gran capacidad de la Tierra para actuar como “almacén de carga” es la que da sentido a la expresión “polo a tierra”. Todos sabemos que los pararrayos están conectados a tierra y que las instalaciones eléctricas de un edificio o de viviendas tienen polo a tierra. En todos los casos, el objetivo es deshacerse del exceso de carga, ya sea por causa de un rayo, por un problema eléctrico en un edificio o por la carga almacenada en un vehículo debido al rozamiento con el aire y el asfalto, mediante el contacto de conductores a tierra.

La carga negativa en la parte inferior de la nube induce una carga positiva en la superficie del suelo que se encuentra debajo de ella. ©

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Competencias científicas

5 La fuerza con la que se atraen las cargas

INTERPRETO A F I A N Z O

1 Subraya la afirmación verdadera. Al electrizar un cuerpo, se producen cargas eléctricas positivas y negativas. Las cargas positivas y negativas se atraen. Si un cuerpo gana electrones, queda cargado positivamente.

2 Completa las siguientes afirmaciones.

C O M P E T E N C I A S

Los conductores, a diferencia de los permiten el paso de la corriente eléctrica. Un cuerpo sin carga eléctrica se considera . que es eléctricamente Un cuerpo se carga positivamente cuando electrones y se carga negativamente cuando electrones. Entre dos cargas eléctricas surgen fuerzas de o de . Los cuerpos pueden electrizarse por frotao . miento,

3 Lee el siguiente gráfico que representa la variación de la fuerza con la que se atraen dos cargas de igual medida, pero de signos contrarios, en función de la distancia que las separa. Analízalo y, con base en él, completa los enunciados 4 a 7, marcando la opción correcta en cada caso. 25

F(N)

cuando se encuentran a 5,6 cm de distancia es de: 5N. 7N.

6N. 8N.

6 La distancia a la que se deben encontrar las cargas una de otra para que se atraigan con una fuerza de 10 N debe ser de: 2 cm. 4 cm.

3 cm. 5 cm.

7 De acuerdo con los datos presentados en la

gráfica, se puede concluir que la relación entre la fuerza y la distancia es que, cuanto: mayor sea la distancia entre las cargas eléctricas, menor será la fuerza entre ellas. menor sea la distancia entre las cargas eléctricas, menor será la fuerza entre ellas. mayor sea la distancia entre las cargas eléctricas, mayor será la fuerza entre ellas. menor sea la distancia entre las cargas eléctricas, la fuerza entre ellas tiende a disminuir.

8 Analiza la siguiente información y, con base en ella, realiza las actividades 9 y 10.

Los siguientes gráficos muestran dos péndulos. A uno se le acerca un cuerpo cargado positivamente y al otro, uno cargado negativamente. A

20 15 10 5

4 El gráfico que representa la fuerza entre las

cargas eléctricas de la situación propuesta es: F F F

1 28

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 d(cm)

F F F F F F

F F F F F F F F F

B 9A Encierra, en un círculo, la forma de electriza-

ción que ocurre en los gráficos. Por contacto Por inducción

Por frotamiento

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Identificar •

Indagar •

Explicar •

Comunicar •

Trabajar en equipo

10 Por medio de un gráfico, explica qué les sucede a los péndulos del punto anterior al acercarles los cuerpos cargados. A

¿Por qué al inicio los globos están separados? ¿Por qué después de un tiempo se unen? ¿Qué harías para que los globos se volvieran a separar?

13 Si observas, con detenimiento, la pantalla del

televisor de tu casa, te darás cuenta de que a ella se adhiere bastante polvo. Responde:

11 Analiza la siguiente imagen. La foto muestra a una persona que está en contacto con un aparato llamado generador de Van de Graaf.

¿A qué se debe esta situación? Aunque este efecto no es dañino para los televisores, ¿qué puedes hacer para reducirlo empleando tus conocimientos de electrostática? Desarrollo compromisos personales y sociales

PROPONGO 14 Lee y analiza la siguiente información y con base en ella, realiza las actividades 15 a 18.

Responde: Considerando que el generador está cargado positivamente, ¿qué le sucedió a la niña al tocar el generador? ¿Con qué carga habrá quedado su pelo? ¿Qué tipo de electrización ha sucedido en este caso?

ARGUMENTO Analiza las siguientes situaciones:

12 Al llegar a una feria de ciencias, observas dos

globos colgados y separados entre sí cierta distancia, luego de un tiempo se unen solos. Responde:

El tejido corporal es un buen conductor debido a que contiene iones en disolución. La piel seca posee una mayor resistencia y puede proteger el resto del cuerpo en caso de electrocutamiento; pero cuando la piel se humedece, esta protección desaparece. Los principales efectos causados por la corriente eléctrica en un tejido son la estimulación de los nervios y los músculos y la producción de calor.

15 Consulta cuáles son los efectos que causa electrocutamiento en una persona.

16 Explica por qué la piel húmeda favorece una situación de electrocutamiento.

17 Es común que los niños pequeños introduzcan sus dedos o algún objeto en los enchufes. ¿Qué peligros genera esta acción?

18 Reúnete con dos personas de tu salón y pre-

para con ellas una exposición acerca de los peligros que se derivan del uso y la manipulación irresponsable de la energía eléctrica o de las instalaciones eléctricas. ©

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1 29

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Entorno físico

Corriente eléctrica

Enlace web

La corriente eléctrica se produce cuando hay flujo de electrones a lo largo de un material conductor.

Hacia 1800, el italiano Alessandro Volta (1745-1827) elaboró una pila, precursora de las pilas actuales. Su aparato, elaborado con discos apilados, fue el primero que almacenó la carga eléctrica de una forma fácilmente aprovechable.

Recurso imprimible

Durante todo el siglo XVIII, la corriente eléctrica era producida en forma de chispas cuando un cuerpo que había sido cargado por frotamiento se ponía en contacto con la tierra a través de conductores. Pero la corriente que fluye del cuerpo con exceso de carga a tierra dura tan poco tiempo (una millonésima de segundo), que nadie pensó en una posible aplicación práctica. El comienzo del siglo XIX marcó un hito en el desarrollo de la electricidad, gracias a la invención de la pila por parte de Alessandro Volta (1745-1827). Una pila es un dispositivo capaz de mantener una corriente eléctrica durante cierto tiempo, lo que permite utilizarla en cualquier mecanismo eléctrico, formando parte del circuito eléctrico. La pila que construyó Volta consistía en una serie de pequeños discos de cinc, cobre o plata separados por unos trozos de cartón o fieltro impregnados de una solución salina. La solución salina se denomina electrolito; que es una sustancia que tiene iones libres y, a través de ella, se produce movimiento de carga entre un metal y el otro. En la actualidad, cuando se enciende una bombilla, un televisor, un horno microondas, o cualquier aparato eléctrico, se está poniendo en movimiento a las cargas eléctricas, es decir, se establece una corriente eléctrica a través de los conductores del aparato eléctrico.

La intensidad de corriente eléctrica

2.1 Para que las cargas se muevan a lo largo de un material conductor es necesario contar con una pila o un generador de corriente que transforme energía de diversos tipos (química, mecánica, nuclear) en energía eléctrica.

Mis compromisos personales y sociales La seguridad de los circuitos eléctricos: La corriente eléctrica puede resultar peligrosa. Por ello, debes seguir ciertas normas a la hora de manipular circuitos eléctricos:

Desconectar cualquier aparato, antes de manipularlo.

La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga por unidad de tiempo que atraviesa la sección transversal de un conductor.

Q I5 t

I 5 intensidad de corriente, en amperios (A). Q 5 cantidad de carga eléctrica, en culombios (C). t 5 tiempo, en segundos (s).

La unidad de intensidad en el Sistema Internacional se denomina amperio (A), en honor al físico francés André M. Ampère (1775-1836).

Desconectar el interruptor

general de corriente, si se va a manipular una instalación eléctrica.

Pila

No manipular enchufes,

interruptores, entre otros, con las manos húmedas.

No conectar muchos aparatos en una misma toma corriente.

Se dice que por un conductor circula una corriente de un amperio cuando la carga que atraviesa la sección transversal del mismo en un segundo es de un culombio.

C 1A 5 1 s

Una corriente de un amperio es bastante grande, sobre todo si se tiene en cuenta que corrientes mayores de 0,1 A que actúen sobre nuestro cuerpo pueden derivar en consecuencias fatales.

1 3 0 Acción de pensamiento: explico las características de la corriente eléctrica.

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Componente Procesos físicos

Tipos de corriente

2.2 Los tipos de corriente pueden ser corriente continua y corriente alterna. Corriente continua (CC) o (DC). Se produce cuando el flujo de cargas se dirige en una sola dirección. Este tipo de corriente se obtiene de las pilas y las baterías llamadas fuentes continuas.

I(A)

t(s)

El circuito eléctrico

Corriente alterna (CA) o (AC). Se produce cuando el flujo de cargas cambia de dirección con cierta frecuencia. Esta corriente se obtiene de los generadores eléctricos y las centrales hidroe léctricas llamados, fuentes alternas.

I(A)

t(s)

Ampliación

2.3 multimedia El circuito eléctrico está formado por un conjunto de elementos conectados entre sí, de tal manera que constituyen un “ruta” que permite la circulación de la corriente eléctrica. Cuando se enciende una linterna, un televisor, un equipo de sonido se hace circular una corriente eléctrica por un circuito. Un circuito se compone básicamente de los siguientes dispositivos: un generador de corriente, una resistencia o un receptor, un interruptor y unos conductores.

Interruptor

Los conductores pueden ser cables que transportan corriente por un circuito, uniendo el generador con los aparatos eléctricos. Pila o

generador de corriente

El generador de corriente puede ser, por ejemplo, una pila o una batería.

El interruptor es un dispositivo que abre o cierra el paso de la corriente por el circuito.

La resistencia o el receptor es un

aparato Cable o que transforma la energía eléctrica en otros tipos de conductor

energía. Puede ser una bombilla, la resistencia de una plancha o de un motor.

Lámpara

Cuando todos los elementos que forman el circuito están conectados, se dice que el circuito está cerrado y, por consiguiente, la corriente circula. Si uno de los elementos no está conectado, el circuito está abierto; en este caso, la corriente no circula. 2.3.1

El movimiento de los electrones en un circuito Electrones

Movimiento neto

Electrones

Cuando no existe un campo eléctrico en el interior de un con- Cuando hay corriente eléctrica existe un desplazamiento neto de los ductor en equilibrio, los electrones se mueven aleatoriamente. electrones en una dirección, aunque el movimiento térmico aleatorio Si la temperatura aumenta, se moverán más rápido. sigue existiendo, de manera que el recorrido de cada electrón por el hilo conductor es errático, pero tiene dirección. ©

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131

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Actividad

Símbolos utilizados para representar los circuitos eléctricos Elemento

Símbolo

Enlace web

2.3.2 Diagrama de circuitos Cuando un técnico diseña un circuito eléctrico, no dibuja cada componente tal como se observa, sino que recurre a distintos símbolos que simplifican el dibujo y lo hacen comprensible. Para el diseño del siguiente circuito, se utilizan algunos de los símbolos de la izquierda.

Conductor Pila Conductor

Resistencia

Generador (pilas) Amperímetro

Interruptor abierto Interruptor cerrado

Interruptor l

Motor

l l l l l l l

Generador Foco

Amperímetro (instrumento para medir la intensidad de la corriente) Voltímetro (instrumento para medir la diferencia de potencial)

2.3.3 Clases de circuitos Dependiendo de la forma de asociar las resistencias en un circuito, se pueden establecer dos clases: circuito en serie y circuito en paralelo. Circuito en serie

Circuito en paralelo

1 3

Diagrama R1 R2 R3

¿Dónde se usa?

Ya se usa poco en el hogar; posiblemente su único uso sea Tiene varios usos, como en las conexiones eléctricas de las en las instalaciones de los árboles de Navidad. casas y las fábricas.

¿Cómo se unen Se colocan uno a continuación del otro, de manera que Están conectados como puentes entre las dos ramas del los receptores? cada uno de ellos forma parte del circuito. circuito principal.

132

¿Cómo es la intensidad de la corriente?

Es la misma en todos los puntos del circuito e igual para No es la misma en todos los puntos, pero la diferencia de cada uno de los receptores. Por ejemplo, si el receptor es potencial sí lo es, es decir, que la intensidad en cada recepuna bombilla y se colocan más, todos brillan menos. tor es independiente para cada uno de ellos.

Observaciones

Si un receptor falla, todo el circuito deja de funcionar, por- Si un receptor falla, los demás no se ven afectados, por que se interrumpe el paso de corriente. consiguiente, el paso de corriente no se interrumpe.

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Componente Procesos físicos

2.4

Resistencia eléctrica

La resistencia eléctrica es la oposición al paso de la corriente eléctrica que ofrecen los materiales. Podemos explicar cualitativamente esta propiedad de la siguiente forma: en los conductores, los electrones de la última capa se encuentran débilmente ligados (electrones libres) y en continuo movimiento desordenado. Por el contrario, los núcleos, y los electrones más interiores, se encuentran fijos en una red tridimensional. Cuando ejerce una fuerza como consecuencia de una diferencia de potencial eléctrico, los electrones libres se mueven en la dirección de dicha fuerza (de puntos de menor potencial a puntos de mayor potencial, en sentido opuesto al campo eléctrico) y, en su movimiento, chocan con cargas positivas fijas, que los desvían.

Movimiento neto

Estos continuos choques aleatorios retardan el movimiento de las cargas y dan sentido al concepto de resistencia. A continuación, se explican brevemente algunos factores que afectan la resistencia de un conductor: El material del cual está constituido el conductor. Por ejemplo, los metales son buenos conductores porque en su estructura atómica y molecular presentan muchos electrones que establecen uniones débiles y esto permite su movimiento. Sucede lo contrario con materiales como la madera y el plástico, entre otros. Entre los metales también se presentan diferencias en la conductividad eléctrica, que es la capacidad que poseen algunos materiales de transmitir la corriente eléctrica. Así, la plata presenta gran conductividad eléctrica y el hierro muy baja. La temperatura a la cual se encuentre el conductor. Cuanto mayor sea la agitación de los átomos dentro del conductor, mayor será la resistencia. Pasa lo contrario a temperaturas muy bajas, en las cuales la resistencia de algunos materiales puede ser cero. En esta situación se habla de superconductores.

Durante su recorrido por el conductor, los electrones chocan contra los cationes de la red. En estos choques se disipa energía.

La longitud y el grosor del conductor. Los conductores gruesos presentan menor resistencia que los conductores delgados y los conductores más largos presentan mayor resistencia que los conductores más cortos del mismo material. La unidad empleada para medir la resistencia eléctrica en el Sistema Internacional se denomina ohmio en honor al físico y profesor de enseñanza secundaria alemán Georg Simon Ohm (1789-1854), quien fue el descubridor de la relación entre el voltaje, la corriente y la resistencia para algunos conductores. El ohmio se representa por medio de la letra griega omega mayúscula V. Un ohmio es la unidad de resistencia eléctrica del Sistema Internacional y mide la resistencia eléctrica de un circuito por el que pasa una corriente de un amperio cuando se somete a un voltio de potencial.

Hilo conductor

Para cada material, la medida de la resistencia de un conductor de largo 1 m y de área 1 m2 se conoce como resistividad (r) y se mide en V 3 m. Los valores de la resistividad son muy diversos, por ejemplo, para los conductores su valor es pequeño, mientras que para los aislantes su valor es grande.

La resistividad y, por tanto, la resistencia son propiedades características del material y, generalmente, la resistencia de los conductores aumenta cuando se incrementa la temperatura.

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133

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2.4.1 Ley de Ohm A principios del siglo XIX, Ohm se propuso establecer experimentalmente la relación entre la diferencia de potencial aplicada a los extremos de un conductor y la intensidad de corriente que circula por él. Para investigarlo, construyó un circuito al que añadía pilas iguales conectadas en serie. Al medir la intensidad, comprobó que esta era proporcional al número de pilas intercaladas o, lo que es lo mismo, proporcional a la diferencia de potencial. El siguiente esquema explica su experiencia:

1,5 V

4,5 V

Amperímetro

Por ejemplo, si conectamos una pila de 1,5 V a una resistencia de 150 V, se puede medir la intensidad de corriente con un amperímetro y la diferencia de potencial con un voltímetro. Si se aumenta la cantidad de pilas, se puede construir la siguiente tabla y su respectivo gráfico. Voltaje (V)

Intensidad (A)

V/I

1,5

0,01

150

3,0

0,02

150

4,5

0,03

150

6,0

0,04

150

0,01 0,02 0,03 0,04 I(A)

Interpreto Responde las siguientes preguntas:

Si se aumenta la resistencia

en un circuito, ¿la intensidad de la corriente aumenta o disminuye?

La conclusión de esta experiencia se conoce como la ley de Ohm: La relación entre la diferencia de potencial aplicada a los extremos de un conductor óhmico y la intensidad de corriente que circula por él es siempre la misma. A esa constante se le denomina resistencia del conductor.

Hay dos alambres del mismo material, pero de diferente longitud. ¿Cuál ofrece más resistencia eléctrica?

V (V) 6 5 4 3 2 1 0

V 5 IR

Donde:

I 5 intensidad de corriente en amperios (A). V 5 diferencia de potencial en voltios (V). R 5 resistencia eléctrica en ohmios (V m).

Una resistencia de 4 V se

conecta a una batería de 12 V. ¿Cuál es la intensidad de la corriente que circula por la resistencia?

13 4

La ley de Ohm indica que una diferencia de potencial de 1 voltio que hay en un conductor óhmico cuya resistencia es de 1 ohmio, producirá una corriente de 1 amperio. Si en el mismo conductor se somete a 12 voltios, la corriente será de 12 amperios.

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Componente Procesos físicos

Energía eléctrica

Recurso imprimible

Actividad

2.5 La energía eléctrica está relacionada con la energía cinética de las cargas en movimiento. Se puede obtener energía eléctrica a partir de la energía química (pilas), de la energía mecánica (generadores), de la energía luminosa (celdas solares), incluso de dos materiales a diferentes temperaturas (termocupla), pero también convertir la energía eléctrica en otras energías de utilidad: por ejemplo, se puede convertir la energía eléctrica en energía mecánica al poner en funcionamiento una licuadora o una lavadora y transformar la energía eléctrica en energía calorífica en una cocina eléctrica. 2.5.1

Transformaciones energéticas en un circuito: efecto Joule

Cuando una corriente circula por un circuito, la energía suministrada por el generador se transforma en distintos tipos de energía. En el caso de las resistencias, se transforma en energía térmica. La ley de Joule se explica de la siguiente manera: a los electrones acelerados en un conductor se les asocia cierta cantidad de energía cinética, pero los constantes choques con los átomos o iones causan que una parte de la energía rápidamente se transforme en energía interna, produciendo un aumento de la temperatura en el material, lo cual se manifiesta en forma de calor. 2.5.2 Fuerza electromotriz Se denomina fuerza electromotriz o fem a aquella proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Se necesita aplicar una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.

El efecto Joule se debe al choque de los electrones con los núcleos de los átomos del conductor, que aumentan su vibración y, consecuentemente, su temperatura.

Para entender mejor lo que es la fuerza electromotriz, se puede comparar con el funcionamiento de una bomba de agua: la bomba produce la fuerza que impulsa el agua (la corriente) a través de la tubería (los conductores). La fuerza electromotriz se define como el trabajo por unidad de carga positiva que debe realizarse para llevarla de un lugar de menor potencial (2) a otro de mayor potencial (1).

Tubería

La unidad con la que se mide la fuerza electromotriz es el julio/culombio (J/C), que equivale a un voltio.

W e5 q

e 5 fuerza electromotriz. Donde: W 5 trabajo realizado, en julios (J). q 5 carga eléctrica, en culombios (C).

Bomba

Corriente

Las pilas o las baterías son algunas de las fuentes fem más conocidas. Generan energía eléctrica por medios químicos. En otro grupo, están los generadores, que transforman la energía mecánica en eléctrica. ©

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135

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Electrodoméstico

Vatios

kWh

Aire acondicionado grande

5.000

5,00

Bombilla 100 W

100

0,10

Bombilla 60 W

0,06

Calentador de agua

2200

2,20

Equipo de sonido

150

0,15

Si el voltaje se expresa en voltios y la corriente eléctrica en amperios, la potencia se expresa en vatios. Entonces:

Extractor jugo eléctrico

180

0,18

Vatios 5 amperios 3 voltios o W 5 A 3 V

Grabadora

100

0,10

4.500

4,50

Impresora

300

0,30

Nevera

300

0,30

Olla eléctrica

1.200

1,20

Sandwichera

1.200

1,20

Aire acondicionado pequeño

2.000

2,00

Bombilla 150 W

150

0,15

Cafetera

800

0,80

Computador

800

0,80

Extractor

300

0,30

Horno microondas

1.800

1,80

Lavadora/secadora

1.100

1,10

Plancha

1.000

1,00

Cuando la potencia se expresa en kilovatios y el tiempo se expresa en horas, la energía se expresa en kWh. En las ciudades, las empresas distribuidoras de energía eléctrica miden la energía consumida en kWh y asigna un precio a cada kWh. Por ejemplo: si una lavadora de 1.100 W funciona a 110 V y se quiere calcular el valor de la intensidad de corriente que circula por la lavadora, la energía que consume la lavadora durante media hora de funcionamiento y el costo de tener la lavadora en funcionamiento durante este tiempo, si el kWh vale $364.

Secador de pelo

400

0,40

Entonces:

Televisor

150

0,15

1. Para calcular la intensidad de corriente que circula por la lavadora tenemos: P 5 corriente 3 voltaje Potencia De lo cual se puede obtener la fórmula: Corriente eléctrica 5 Voltaje 1100 W Por tanto: Corriente eléctrica 5 110 V 5 10 A

Horno eléctrico

Mis compromisos personales y sociales El problema: Diariamente el consumo de energía eléctrica es muy alto y, a veces, injustificado. La solución: Observa en los electrodomésticos de tu casa, la potencia que consumen y estima cuántos kWh se consumen al mes. Luego, comenta con tu familia cómo se puede disminuir el tiempo de uso de cada electrodoméstico.

136

2.5.3 Potencia eléctrica Un aparato eléctrico transforma la energía eléctrica en otras formas de energía. En la medida en que un aparato funciona consume energía eléctrica y la rapidez con la que la consume se conoce como potencia eléctrica, la cual es igual al producto de la corriente por el voltaje: Potencia 5 corriente 3 voltaje

El cálculo de la potencia permite determinar si un aparato consume más energía que otro en el mismo intervalo de tiempo. Por ejemplo, una bombilla cuya potencia es 100 W proporciona mayor iluminación que una bombilla de 60 W, y la rapidez con la cual la bombilla de 100 W consume energía es mayor que la rapidez con la cual la bombilla de 60 W consume energía. La potencia también se puede expresar en kilovatios (kW) y un kilovatio equivale a 1.000 vatios. Ahora, como la potencia es la rapidez con la cual se transforma la energía eléctrica, tenemos que: Energía Potencia 5 Tiempo

Por tanto, Energía 5 Potencia 3 Tiempo

2. Para calcular la energía que consume en media hora, tenemos que la potencia es de 1.100 W, es decir 1,1 kW. Energía 5 Potencia ? Tiempo Energía 5 1,1 kW ? 0,5 h 5 0,55 kWh 3. Para calcular el costo de los 0,55 kWh consumidos por la lavadora: Costo 5 0,55 kWh ? $364 5 $200 El costo del funcionamiento de la lavadora durante media hora es de $200.

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Componente Procesos físicos Actividad

2.5.4 Generadores Un generador es cualquier dispositivo que establece y mantiene una diferencia de potencial entre dos puntos denominados bornes que transforman la energía química, mecánica, calórica o lumínica en energía eléctrica. Todo generador tiene dos terminales o bornes, uno positivo (1) y uno negativo (2) los cuales se conectan a los extremos del conductor. Por el polo negativo, entran los electrones en el conductor, y por el positivo salen.

Energía química

Energía mecánica

Energía lumínica

Generador

Los generadores pueden ser de varios tipos según la clase de energía que transformen: De energía química a eléctrica: las pilas y las baterías. Se usan en multitud de aparatos portátiles. De energía mecánica a eléctrica: dinamos y alternadores. Los alternadores se emplean en centrales eléctricas: hidroeléctricas, nucleares, entre otras.

Pila

De energía lumínica a eléctrica: células fotovoltaicas. Estos generadores se emplean en centrales solares y en los paneles que se instalan en satélites artificiales o azoteas. 2.5.4.1 La pila voltaica La diferencia de potencial entre los bornes de una pila depende de los metales usados, y es aproximadamente constante durante el tiempo de funcionamiento. Dentro de la pila se producen reacciones químicas de tipo electroquímico que suministran la energía necesaria para recorrer el circuito. Cuando se agotan los materiales que producen las reacciones, la pila se agota. Cuando los bornes de la pila se unen mediante conductores metálicos, la diferencia de potencial hace que los electrones, que son las cargas móviles en los conductores, circulen desde el polo negativo hasta el polo positivo, dando lugar a una corriente continua. Aparte de la pila mencionada, existen otras, como la pila seca, la pila de mercurio que se usa en relojes, la pila de níquel-cadmio de las calculadoras electrónicas, la batería de plomo recargable de un automóvil o las baterías de litio, tan comunes en aparatos de telefonía celular y ordenadores portátiles; sin embargo, en cada pila, las reacciones electroquímicas que producen la energía eléctrica son diferentes y el voltaje puede variar. En la actualidad, se investiga con un nuevo tipo de nanomaterial que se conoce con el nombre de nanoscoop y promete ofrecer muchas ventajas sobre las baterías convencionales entre las cuales se pueden citar menor tamaño, más capacidad de almacenamiento y menor tiempo de carga. 2.5.4.2 Células fotovoltaicas Otra manera de generar electricidad es mediante un panel fotovoltaico, que consiste en muchas células fotovoltaicas conectadas entre sí. Una célula fotovoltaica, también llamada célula fotoeléctrica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (flujo de electrones libres) mediante el efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico consiste básicamente en que un material absorbe fotones de luz y emite electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

Dinamo

Célula fotovoltaica

Energía eléctrica De esta forma, se genera industrialmente la energía eléctrica usada en la mayoría de hogares del mundo.

Polo electrodo de carbón

Mezcla química

Cápsula de cinc

Polo-(fondo)

Pila convencional.

Fotones Electrones

Corriente eléctrica

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137

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Competencias científicas

4 ¿Qué relación se puede establecer entre el

INTERPRETO A F I A N Z O

1 Relaciona, por medio de una línea, las palabras de la izquierda con las definiciones de la derecha. Conductor

C O M P E T E N C I A S

voltaje y la intensidad de la corriente eléctrica?

5 ¿Cuál es el valor de la intensidad de la corriente cuando el voltaje es de 3 voltios?

Transforma la electricidad en otra forma de energía.

6 ¿Cuál es el valor del voltaje cuando la intensi-

Resistencia

Permite la circulación de los electrones.

7 ¿Cuál crees que debe ser el valor de la intensi-

Generador

Proporciona la energía para el movimiento de los electrones.

8 ¿Qué sucede con el valor de la intensidad de

Interruptor

Abre o cierra el circuito.

2 Representa cada uno de los siguientes circuitos en un diagrama.

dad de la corriente es de 0,3 amperios?

dad de la corriente si el voltaje es de 9 voltios? la corriente cuando el voltaje se reduce a la mitad?

9 Explica el significado de los siguientes términos:

Ohmio Potencial eléctrico Potencia eléctrica Vatio

Amperio Culombio Voltaje Campo eléctrico

10 Analiza el siguiente diagrama y, con base en

él, responde la pregunta 11.

3 Analiza la siguiente gráfica del voltaje apli-

cado a una resistencia y la intensidad de la corriente que circula por una resistencia y, con base en ella, responde las preguntas 4 a 8.

Voltaje (V) 7

11 ¿Cuáles de los montajes están en serie y cuá-

les en paralelo?

5 4

12 Resuelve la siguiente situación.

3 2 1 0

138

0,1 0,2 0,3 0,4 Corriente (A)

Se dispone de dos pilas iguales y se les quiere utilizar en un circuito. Como se ha visto, se pueden asociar de dos formas distintas. ¿Podrías explicar la diferencia que existe entre ambas conexiones?

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Identificar •

Indagar •

13 Identifica y marca con una ✗, en cada caso, la

alternativa que ofrece más resistencia eléctrica. Alambre de cobre de 10 m de largo y 2 mm de diámetro. Alambre de aluminio de 10 m de largo y 2 mm de diámetro. Alambre de cobre de 10 m de largo y 2 mm de diámetro. Alambre de cobre de 100 m de largo y 2 mm de diámetro. Alambre de cobre de 100 m de largo y 2 mm de diámetro. Alambre de cobre de 100 m de largo y 4 mm de diámetro.

ARGUMENTO

Explicar •

Comunicar •

Trabajar en equipo

16 En algunas regiones del país, las personas no cuentan con energía eléctrica y, en cambio, en otras, se desperdicia mucha energía. ¿Qué piensas al respecto?

Desarrollo compromisos personales y sociales

PROPONGO 17 Examina el contenido de un recibo de luz

y revisa la siguiente página de Internet www.codensa.com.co. Con base en esta información, resuelve las preguntas 18 a 21 y realiza las actividades 22 a 24.

18 ¿Cuál es el consumo mensual de kilovatios hora (kWh)?, ¿cómo se determina?

19 ¿Cuál es el monto por consumo mensual?

14 Analiza la siguiente información y, con base

20 ¿Cómo se obtiene el precio que la compañía

La energía eléctrica que llega a nuestra casa proviene de distintas fuentes, pero es costoso producirla. Por ello, debemos aprender a usarla racionalmente.

21 ¿Qué utilidad tiene el gráfico de barras con

en ella, realiza la actividad y responde las preguntas 15 y 16.

Observa el cuadro que se presenta a continuación y menciona cuáles son los electrodomésticos que consumen más energía y cuáles consumen menos energía. Artefacto eléctrico

Potencia (vatios)

cobra por un kWh?

que se identifica cada factura?

22 Calcula costos. Como has observado, el consumo eléctrico se expresa en kWh. A cada kWh se le asigna un precio.

23 Completa un cuadro como el del modelo

acerca del consumo de los electrodomésticos de tu casa.

Cantidad de bombillas equivalentes

Calentador 1.500 W

Horno microondas 1.200 W

Plancha 1.000 W

Nevera 350 W

3½

Aparato Lavadora

Tiempo Consumo Potencia Consumo (horas al mensual (W) (kWh) día) (kWh) 1.500

1,5

Costo mensual (pesos) 6.750

Nevera Televisor Microondas Otro

Televisor 21” 200 W

15 ¿Se practican en tu casa hábitos responsables

frente al uso de la energía eléctrica? Justifica tu respuesta.

24 Reúnete con tu familia y muéstrale las con-

clusiones de tu consulta. Planea, junto con ellos, estrategias para ahorrar energía eléctrica en tu casa.

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Entorno físico

Magnetismo

Lexicón Imán: palabra derivada del francés aimant, que a su vez proviene del latín adamas o adamantis, que quiere decir “metal duro” o “diamante”.

Ampliación

Recurso

Enlace web

3. multimedia imprimible En el siglo IV a. C., en la región de Magnesia (que actualmente forma parte de Turquía), se descubrió un mineral que tenía la propiedad de atraer los objetos que contenían hierro. Debido al nombre de la región, este mineral fue bautizado con el nombre de magnetita (Fe3O4) y la mencionada propiedad se denominó magnetismo. El fenómeno del magnetismo y, especialmente, lo que tiene que ver con los imanes, despierta un gran interés en las personas, debido a que con ellos se pueden desplazar objetos de metal a distancia, aunque haya, por ejemplo, un trozo de madera entre ellos. En la Antigüedad, la fascinación por este fenómeno permitió que los seres humanos experimentaran con imanes y lograran avances como los siguientes: En el siglo XII, los chinos construyeron las primeras brújulas mediante el uso de la magnetita, que les permitió guiarse en la navegación. En el siglo XVI, el médico inglés William Gilbert (1544-1603) fabricó imanes artificiales frotando trozos de hierro y de magnetita y publicó sus estudios sobre el fenómeno en los cuales afirmaba que los imanes ejercen fuerzas a distancia y que la brújula siempre apunta hacia una determinada dirección porque la Tierra tiene propiedades magnéticas, es decir, actúa como un gran imán.

El invento de la brújula permitió, en su momento, la exploración de nuevos lugares en altamar.

Actualidad científica

En el año de 1750, el naturalista inglés John Michell (1724-1793) estableció que los polos magnéticos obedecen a la ley del inverso cuadrado, que se refiere a algunos fenómenos físicos cuya intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia del lugar donde se originaron. Durante muchos años, los temas del magnetismo y la electricidad se explicaron por separado. En 1820, el científico danés Hans Christian Oersted (1777-1851) demostró que la corriente eléctrica afecta el funcionamiento de una brújula y observó otros fenómenos que le hicieron pensar que el magnetismo estaba relacionado con la electricidad. Finalmente, fue André-Marie Ampere quien estableció que el origen de todos los fenómenos magnéticos y eléctricos son las corrientes eléctricas.

Las fuerzas eléctricas y magnéticas

Nuevas técnicas, que se encuentran en etapas de desarrollo, buscan maniobrar magnéticamente instrumentos quirúrgicos. El reto está, sin embargo, en diseñar dichos instrumentos con un nivel de precisión necesario para moverlos de forma exacta una vez que estén dentro del cuerpo humano.

3.1 La electricidad y el magnetismo son dos términos generales que se utilizan para referirse a dos clases de fuerzas: las eléctricas y las magnéticas. Como se explicó en el tema anterior, la fuerza eléctrica hace referencia a la interacción que ocurre entre partículas con cargas positivas y negativas y la distancia que las separa. La fuerza magnética se relaciona con el movimiento de las partículas cargadas, es decir, que la fuente de la fuerza magnética es el flujo o el movimiento de los electrones. En física, el magnetismo es un fenómeno por el que algunos materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que presentan propiedades magnéticas fácilmente detectables como el níquel, el hierro, el cobalto y sus aleaciones. Sin embargo, todos los materiales son influenciados, en mayor o menor proporción, por la presencia de un campo magnético. Por otro lado, la electricidad y el magnetismo se relacionan con otros fenómenos físicos; particularmente en lo que tiene que ver con las ondas electromagnéticas, como por ejemplo, la luz.

14 0 Acción de pensamiento: verifico la acción de las fuerzas magnéticas y explico su relación con la carga eléctrica.

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Componente Procesos físicos

Los imanes

Ampliación

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3.2 multimedia Los imanes son cuerpos o dispositivos que tienen propiedades magnéticas, es decir, la capacidad de interactuar con otros imanes o de atraer en forma permanente o temporal a algunos metales como el hierro (Fe), el níquel (Ni), y al cobalto (Co). De acuerdo con su origen, los imanes pueden ser naturales o artificiales.

Ecuador geográfico

Los imanes naturales son minerales formados por óxido de hierro como la magnetita, que por su naturaleza presentan propiedades magnéticas. Los imanes artificiales pueden ser aleaciones de hierro, níquel o cobalto, que han pasado por un proceso de imantación el cual consiste en magnetizar una aleación que carece de dicha propiedad. La imantación o magnetización puede ser temporal o permanente y puede lograrse por frotamiento, por contacto o por inducción a partir de una corriente eléctrica.

Polo sur magnético

Polo norte geográfico

Ecuador magnético Polo sur geográfico

La Tierra es un gran imán que tiene los polos magnéticos próximos a los polos geográficos; el polo norte magnético está cerca del polo sur geográfico y el polo sur magnético está cerca del polo norte geográfico.

3.2.1 Propiedades de los imanes Los imanes presentan las siguientes propiedades: Orientación magnética. Todo imán en forma de barra, suspendido o sujeto a su centro de gravedad y libre para girar, se orienta de tal manera que uno de sus extremos —siempre el mismo— apunta hacia el norte geográfico y su extremo opuesto apunta hacia el sur geográfico. Esta propiedad es el fundamento de la brújula. Polos magnéticos. La propiedad anterior permite asignarle a un imán dos zonas en las que se manifiesta con mayor intensidad la atracción: el polo norte magnético y el polo sur magnético. El polo del imán que señale al norte geográfico corresponderá al polo norte magnético; y el polo que señale al sur geográfico, corresponderá al polo sur magnético. Fuerzas de atracción y repulsión entre imanes. Cuando el polo norte de un imán entra en contacto con el polo sur de otro, ambos se atraen. En cambio, si se enfrentan los polos norte de dos imanes, se repelen separándose y lo mismo sucede cuando se enfrentan los polos sur. Esto significa que los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen. Comportamiento de los polos. El comportamiento de los polos es muy parecido al de las cargas eléctricas, pero difieren en que las cargas eléctricas existen en forma individual, ya sea como carga positiva o carga negativa; en cambio los polos de un imán son inseparables. Si se divide un imán, se obtendrán dos imanes, cada uno de ellos con polo norte y polo sur propios. Desmagnetización. Todos los imanes pierden sus propiedades magnéticas a determinada temperatura, llamada temperatura de Curie. Es más fácil separar dos imanes fuertemente atraídos, si se calientan.

Polo norte magnético

Fuerzas de atracción y repulsión entre imanes Repulsión

Atracción

No existe el monopolio magnético. Al romper un imán, aparecen otros dos.

S ©

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Magnetismo artificial

3.3 El origen del magnetismo está en el movimiento de los electrones pues estos, se comportan como “imanes atómicos”. Materiales ferromagnéticos.

Cuerpos magnéticos.

En los materiales ferromagnéticos (sustancias que son atraídas por un imán), los “imanes atómicos” tienen diferentes direcciones y no muestran su propiedad magnética. En cambio, en los cuerpos con propiedades magnéticas, todos los “imanes atómicos” se orientan en una misma dirección. La imantación o magnetización se consigue al poner en contacto un cuerpo ferromagnético con un imán durante cierto tiempo. Otra forma de lograrlo es frotar un material ferromagnético varias veces y en una misma dirección, utilizando un imán.

Campo magnético

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3.4 La fuerza con la que se atraen o se repelen dos imanes disminuye al aumentar la distancia entre ellos. Lo mismo sucede con la fuerza que un imán ejerce sobre un objeto de material ferromagnético. Por otro lado, si el imán y el objeto se encuentran a una distancia relativamente grande, el objeto no experimenta ningún tipo de atracción. En este caso, se dice que el objeto está por fuera del campo magnético generado por el imán.

Líneas de campo producidas por un imán en U, en este caso, el campo magnético es uniforme.

Se denomina campo magnético de un imán a la zona del espacio en la que se manifiestan las fuerzas magnéticas. Se representa gráficamente por medio de líneas de fuerzas imaginarias. Las líneas se dirigen del polo norte al polo sur del imán. Si sobre un imán, en forma de barra, se esparce limadura de hierro, se observa que esta se orienta formando determinadas trayectorias. A estas trayectorias, se les denomina líneas de campo magnético y sirven para representar el mencionado campo.

S N Identifico 1. ¿Coincide el polo norte geográfico con el polo norte magnético de la Tierra? Justifica tu respuesta. 2. Tienes cuatro imanes iguales en forma de barra. ¿Cómo los ordenarías para formar un cuadrado estable?

14 2

Las líneas de fuerza representan el campo y se dirigen del polo norte al polo sur.

Campo magnético de dos imanes enfrentados con polos iguales.

Campo magnético de dos imanes enfrentados con polos diferentes.

Las líneas de fuerza deben tener una orientación para indicar el sentido en el que actúa el campo magnético. Se asume, por convención, que las líneas de fuerza tienen la dirección en la que apunta el polo norte de la aguja de una brújula. Si se colocan varias brújulas en una línea de fuerza, se observará que el norte de esta indica que la línea de campo se orienta del polo norte al polo sur del imán.

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Componente Procesos físicos 3.4.1 Dominios magnéticos Las interacciones de los átomos de hierro con otros átomos de hierro adyacentes logran que un gran número de estos átomos se orienten en la misma dirección. A esos grupos de átomos, se les denomina dominios magnéticos, es decir, que cada dominio está conformado por millones de átomos que se orientan en una misma dirección. Si bien, un fragmento de hierro puede ser un poderoso imán si se induce a que sus dominios se ordenen, no cualquier trozo de hierro puede ser un imán porque en el hierro ordinario sus dominios están orientados aleatoriamente. Los imanes permanentes se fabrican cuando se colocan fragmentos de metales como el hierro o algunas de sus aleaciones bajo la influencia de un fuerte campo magnético. Observa el siguiente esquema que ejemplifica el proceso de magnetización de un fragmento de hierro: 1. Sin magnetizar

2. Levemente magnetizado

3. Fuertemente magnetizado

4. Formación de un imán

Fracciones de hierro en proceso de imantación. Las flechas simbolizan los dominios. La punta de las flechas corresponde al polo norte magnético y la cola corresponde al polo sur magnético. Los polos de los dominios cercanos se neutralizan entre sí, excepto en los dos extremos de una pieza de hierro.

3.4.2 Campo magnético terrestre Se desconoce aún por qué la Tierra es un imán. Una de las hipótesis explica que el origen del campo magnético se encuentra a unos 2.000 kilómetros bajo el manto rocoso donde el hierro líquido de la parte externa del núcleo genera magnetismo debido a su movimiento. Otros estudios geofísicos plantean que el campo magnético terrestre se origina por fenómenos de convección, por causa de las corrientes de calor que suben desde el interior de la Tierra y que, al combinarse con los efectos del movimiento de rotación, producen el campo magnético terrestre. Sea cual sea la causa del origen del campo magnético de la Tierra, lo que sí se sabe es que este cumple con una función de escudo protector frente a los rayos cósmicos, que están constituidos por partículas cargadas que pueden ser protones, partículas alfa y otros núcleos atómicos, y electrones de alta energía debido a que viajan a velocidades sorprendentes. Esta radiación cósmica es muy peligrosa para los seres vivos, pues afecta directamente la molécula de ADN, causando mutaciones que en algunos casos pueden ser perjudiciales. Por otro lado, se ha comprobado que los rayos cósmicos afectan los instrumentos electrónicos de satélites y naves espaciales. Un fenómeno sorprendente que ocurre con el campo magnético de la Tierra es que sus polos magnéticos se han invertido varias veces durante el transcurso de la existencia del planeta. Este fenómeno de inversión de los polos se ha producido en intervalos de miles de años.

El campo magnético de la Tierra (también conocido como el campo geomagnético) se extiende desde el núcleo interno de la Tierra hasta su confluencia con el viento solar, una corriente de partículas de alta energía que emana del Sol. ©

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Electromagnetismo

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3.5 Durante muchos años, los científicos se preguntaron si los fenómenos eléctricos tenían alguna relación con el magnetismo, pues en ambos aparecen fuerzas de atracción y repulsión. La respuesta a esta pregunta la ofreció el físico y químico danés Hans Christian Oersted (1777-1851). Ampliación multimedia

3.5.1 La experiencia de Oersted En 1820, Oersted descubrió experimentalmente la relación entre la electricidad y el magnetismo. Observó que al acercar una brújula a un conductor por donde circulaba corriente eléctrica, la aguja se desviaba cuando inicialmente era paralela al conductor. Él concluyó que toda corriente eléctrica produce un campo magnético. Si esto no fuera así, la brújula no se hubiese movido. N

B 1

Interruptor cerrado

Interruptor abierto

Con este experimento, Oersted demostró que las corrientes eléctricas generan un campo magnético a su alrededor. Por ejemplo, si se rocían limaduras de hierro alrededor del conductor con corriente, se observará que las líneas de fuerza son circulares y con centro en el conductor: Limaduras de hierro

Hilo conductor

La orientación de las limaduras de hierro esparcidas sobre una superficie muestra la disposición del campo magnético en torno a un conductor de corriente (A), un arco (espira) con corriente (B) y una bobina de espiras con corriente (C).

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Para determinar la dirección de estas líneas se puede utilizar una brújula. Si el sentido de la corriente se invierte, la brújula también invierte su sentido. De lo anterior, se puede concluir que la corriente eléctrica que circula en un conductor genera un campo magnético cuyas líneas de fuerza son circulares con centro en el hilo conductor, la dirección de las líneas de fuerza depende de la dirección de la corriente y las líneas de campo forman circunferencias concéntricas alrededor de un alambre conductor, tal como se revela en el patrón de orientación que asume la limadura de hierro. Para el caso de conductores que se curvan y forman una espira, las líneas de campo magnético se ubican en el interior de la espira y, si nuevamente se forma otra espira a continuación de esta, se intensifica la concentración de líneas de campo magnético. De lo anterior, se concluye que la intensidad del campo magnético es directamente proporcional al incremento del número de espiras.

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Componente Procesos físicos 3.5.2 Bobinas y electroimanes La corriente eléctrica hace que algunos objetos se comporten como imanes. Estos objetos son las bobinas y los electroimanes.

Ejemplos de bobinas. Una bobina es un conductor enrollado que genera un campo magnético cuando circula electricidad a través de él. Las bobinas utilizadas en los aparatos eléctricos suelen tener centenares o miles de vueltas o espiras.

Un electroimán es una bobina con un núcleo de hierro. Al circular la corriente eléctrica, el cuerpo de hierro se convierte en un poderoso imán. La imantación es temporal y desaparece cuando el paso de corriente se interrumpe.

Algunas de las aplicaciones prácticas del electroimán son:

Martillo

El timbre eléctrico, que consiste en un electroimán conectado a una fuente de corriente. Su funcionamiento se explica así: Cuando la corriente pasa, el núcleo de hierro se transforma en un imán y atrae el martillo, que golpea la campanilla. En este momento, el circuito se abre, con lo que el electroimán se desactiva y el martillo vuelve a su posición inicial. El proceso se repite, mientras el interruptor esté cerrado. Ciertas grúas, en las que se utiliza el principio del electroimán para levantar objetos de hierro o acero o, para separar magnéticamente metales en chatarrerías o plantas de clasificación de materiales. En algunos casos, se puede producir un flujo de corriente con la potencia suficiente para levantar automóviles.

Campanilla Electroimán

Timbre

Batería

Funcionamiento de un timbre.

Algunos medios de transporte, como los tranvías, utilizan frenos electromagnéticos que se adhieren directamente a los rieles. Los trenes de levitación magnética usan poderosos electroimanes para flotar sin tocar la pista. 3.5.3 Inducción electromagnética En 1819, luego del experimento de Oersted, quien demostró que las corrientes eléctricas generan un campo magnético, se realizaron numerosos experimentos encaminados a demostrar el proceso contrario; es decir, la generación de corriente a partir de un campo magnético. Aunque desde hacía largo tiempo se sospechaba que existía una relación proporcional entre la electricidad y el magnetismo, tuvieron que pasar 12 años desde el descubrimiento de Oersted para que esta hipótesis fuera comprobada.

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Experimento de Faraday Fueron Michael Faraday y el físico estadounidense Joseph Henry (1797-1878), independientemente uno del otro, quienes observaron que se producía corriente eléctrica en un conductor cuando un imán se movía muy cerca de una espira. Faraday notó que la generación de corriente aparecía cada vez que el imán se movía y desaparecía cuando permanecía en reposo. Observó también que la intensidad de la corriente que aparecía era mayor, si el imán se movía muy rápidamente y sobre todo en el interior de la espira.

El imán se acerca y el amperímetro mide una corriente. Michael Faraday.

El imán se detiene y no circula corriente; el amperímetro marca 0.

El imán se aleja y el amperímetro mide una corriente contraria a la que apareció cuando se acercaba el imán.

Este resultado sugiere que es posible generar corriente, a partir de un campo magnético variable. En otras palabras, esto quiere decir que el movimiento del imán origina corriente eléctrica. Alternador de corriente eléctrica Eje de la bobina

Movimiento de la bobina Corriente eléctrica

Imán Bobina

Alternadores de corriente eléctrica El alternador es un tipo de generador de corriente eléctrica (inducida) que se encuentra, por ejemplo, en todas las centrales eléctricas. El alternador más sencillo consta de un imán y de una bobina que gira en el campo magnético creado por el imán. A medida que la bobina gira, el campo magnético sufre variaciones, lo que se traduce en la producción de la corriente eléctrica. Para que un generador funcione, hace falta una fuente externa de energía ya sea de tipo hidráulica, térmica, eólica o nuclear que haga que la bobina gire. Así, un alternador transforma energía mecánica en energía eléctrica. Una de las principales aplicaciones de los alternadores se encuentra en las centrales hidroeléctricas, las cuales son plantas de producción de energía responsables del suministro de la energía eléctrica que se consume en el país. El siguiente esquema muestra, de forma sencilla, el funcionamiento de una planta eléctrica que trabaja con energía térmica:

Turbinas. Ruedas con paletas y un eje unido al generador

Generador o alternador

Caldera

Combustible

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Componente Procesos físicos Funcionamiento de la central hidroeléctrica Una central hidroeléctrica es aquella que genera electricidad, a partir del uso del agua como fuerza motriz. Para ello, utiliza cuatro elementos fundamentales: agua, caída, turbina y generador.

Ampliación multimedia

Actividad

Enlace web

Central hidroeléctrica del Guavio. Embalse

Presa Transformadores Líneas de transporte de energía eléctrica

Rejas filtradoras

Turbina El agua llega a alta velocidad y presión, haciendo girar su eje.

Tubería forzada Turbina-alternador Generador eléctrico Turbina hidráulica

Central hidroeléctrica Torre de alta tensión

Generador Se conecta con el eje de la turbina y produce la energía eléctrica.

Ciudad

Descarga El agua sale por los canales de descarga después de pasar por la turbina.

Magnetorrecepción

3.6 La magnetorrecepción hace referencia a la facultad que tienen algunos seres vivos de percibir la dirección y el sentido del campo magnético en el que se encuentran. Por ejemplo, se ha descubierto que algunas bacterias producen granos de magnetita que actúan como brújulas biológicas y les permiten orientarse de acuerdo con la inclinación del campo magnético terrestre. Los primeros animales en los que se detectó este sentido de orientación fueron las palomas mensajeras, las cuales tienen imanes de magnetita dentro del cráneo, asociados a un gran número de nervios. Estos imanes les permiten orientarse de forma muy precisa ya que perciben su posición de manera longitudinal (este-oeste) y latitudinal (norte y sur). Estudios recientes han encontrado material magnético en otros animales como las tortugas marinas, en insectos como las abejas y algunas avispas y mariposas; en peces y, hasta incluso, en seres humanos, en los cuales se han detectado diminutos cristales de magnetita en el hueso etmoides de la nariz, lo cual es un indicio de cierta capacidad de magnetorrecepción.

Las palomas mensajeras han servido a la humanidad en épocas de desastres naturales cuando los medios de comunicación tradicionales han quedado inutilizados. ©

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Competencias científicas

INTERPRETO A F I A N Z O

4 Analiza el siguiente montaje y responde la pregunta 5 y realiza la actividad 6.

1 Escribe V, si la afirmación es verdadera o F, si es falsa.

La temperatura a la cual los imanes pierden sus propiedades magnéticas se llama temperatura de Curie. El polo norte de un imán apunta al sur magnético de la Tierra. Al cortar un imán, se obtienen dos partes con un solo polo magnético. Las líneas de campo de un imán se dirigen de sur a norte en el interior del imán. Las líneas de campo que se forman alrededor de un conductor rectilíneo son paralelas a este.

C O M P E T E N C I A S

2 Respecto a la espira y al imán que se muestran en la figura, subraya el enunciado incorrecto.

5 ¿Qué efectos tendrá la acción de acercar el sistema a un montón de clips? Justifica tu respuesta.

6 Explica, con tus propias palabras, cómo funciona el sistema que se presenta en el dibujo. Electroimán

Campana

Armadura de hierro

Percutor

Si la espira rota respecto a cualquier eje que pase por su diámetro, se induce una corriente en la espira. Si la espira se acerca al imán, no se induce corriente.

Clema Lámina de metal elástica

Pulsador del timbre

Tornillo de contacto

7 Analiza la siguiente figura. Luego, realiza las actividades 8 y 9.

3 Interpreta los esquemas y responde. D

8 Identifica el polo norte y el polo sur del imán. ¿Qué puedes concluir sobre lo que ocurre cuando se enfrentan los polos de los imanes?

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9 Dibuja la dirección de una brújula en los puntos A, B, C y D.

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Identificar •

Indagar •

ARGUMENTO 10 Analiza la siguiente situación. Se tiene una caja cuyo interior no se puede ver. Sin embargo, alrededor de la caja existe un campo magnético. Responde: ¿Cómo indagarías cuál es el polo norte y el polo sur del imán dentro de la caja usando una brújula?

11 Lee y analiza la siguiente información y, con base en ella, responde las preguntas 12 y 13.

La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es una técnica que nace a principios de la década de 1980 y permite obtener imágenes del organismo sin ocasionar dolor ni daños, pues no produce radiación ionizante. Sin embargo, no se debe aplicar en mujeres en estado de embarazo ni en personas que tengan un marcapasos implantado. Posee la capacidad de diferenciar mejor que cualquier otra prueba las distintas estructuras anatómicas. La obtención de las imágenes se consigue mediante la estimulación del organismo a la acción de un campo electromagnético con un imán de 1,5 tesla (equivalente a 15 mil veces el campo magnético de la Tierra). Este imán actúa sobre los átomos de las células que conforman los tejidos, que se orienten con el campo magnético. Cuando se interrumpe el pulso, los átomos vuelven a su posición original de relajación, liberando energía y emitiendo señales de radio que son captadas por un receptor y analizadas por una computadora que las transformará en imágenes (cada tejido produce una señal diferente). Las resonancias magnéticas permiten ver muy bien los tejidos blandos.

Explicar •

Comunicar •

Trabajar en equipo

12 ¿Por qué esta técnica no se puede aplicar en una persona con marcapasos?

13 ¿Por qué crees que esta técnica solo se descubrió hasta principios de la década de 1980?

Desarrollo compromisos personales y sociales

PROPONGO 14 Lee el siguiente texto y, con base en él, realiza las actividades 15 a 17.

A pesar de los grandes avances tecnológicos que se han logrado en materia de electricidad y magnetismo, también, se corren graves riesgos para la salud por la manipulación y el contacto constante que tenemos con la energía y los aparatos que funcionan con electricidad. Por ejemplo, las normas internacionales señalan que no se pueden construir viviendas en un perímetro de 50 metros alrededor de líneas de distribución eléctrica de 110.000 voltios. Los cables de fluido eléctrico que llegan hasta nuestra casa no implican riesgo de radiación electromagnética porque el voltaje al que están sometidos es bajo (generalmente 110 voltios). Por otro lado, aunque el voltaje es alto en los transformadores de los postes de electricidad (11.000 voltios), estos no representan mayor peligro si están ubicados a una distancia mayor de 6 metros de las viviendas.

15 Reúnete con tres compañeros de tu curso y consulta, con ellos, si los campos magnéticos generados por celulares, electrodomésticos, líneas de distribución de corriente eléctrica, entre otros, son perjudiciales para la salud.

16 Respondan. ¿Qué medidas de tipo práctico

podrían implementar en casa y en el colegio para reducir los efectos nocivos de las radiaciones producidas por los electrodomésticos?

17 Con la asesoría de su docente, preparen una exposición acerca de la consulta que realizaron y preséntenla ante compañeros de otros salones. ©

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SOY CIENTÍFICO NATURAL

Me aproximo al conocimiento como científico natural

Observa el comportamiento de las cargas eléctricas Objetivo Comprobar la existencia de cargas eléctricas diferentes y mostrar su comportamiento. Conceptos clave Electrostática, carga eléctrica, electrización, electroscopio. Materiales Papel de aluminio Carrete de hilo Soporte universal Madeja de lana Trozo de seda Electroscopio Una barra de plástico Un globo de caucho (inflado) Una barra de vidrio Metodología de trabajo Individual o en grupo. A

Pregunta problematizadora ¿Habrá alguna diferencia en el comportamiento de las cargas eléctricas? En este laboratorio, analizarás el comportamiento de las cargas eléctricas. Procedimiento 1. Cuelga del hilo una pequeña esfera de aluminio (A). Frota la barra de vidrio con seda y toca, con ella, la esfera. Aleja la barra de la esfera e inmediatamente vuelve a acercarla. Describe lo que observas. 2. Frota la barra de plástico contra la madeja de lana y acércala a la esfera, después de haber tocado esta última con la barra de vidrio frotada con seda. Registra tus observaciones. 3. Toma la barra de plástico y toca, con ella, la esfera del electroscopio (B). Describe lo que observas. 4. Frota repetidas veces la barra de plástico con la lana. Acércala a la esfera del electroscopio sin hacer contacto. Anota tus observaciones. 5. Frota repetidas veces la barra de plástico contra la madeja de lana. Acércala a la esfera del electroscopio hasta hacer contacto. Anota tus observaciones. 6. Toca la esfera del electroscopio con el dedo. Describe lo que observas. 7. Haz contacto entre la barra de plástico frotada con la lana y la esfera del electroscopio. Inmediatamente, acerca a la esfera del electroscopio, la barra de vidrio frotada con seda. Escribe tus observaciones. 8. Toca la esfera del electroscopio con el dedo. 9. Frota el globo de caucho contra tu cabello y aproxímalo a la esfera del electroscopio por el costado que frotaste. Describe lo que observas. Análisis de resultados Analiza y responde

¿La carga que obtienes en el globo será igual a la carga que obtienes en la barra de plástico o la barra de vidrio? Justifica tu respuesta. Conclusiones 1. Describe lo sucedido cuando las laminillas del electroscopio están separadas y tocas la esfera del electroscopio con el dedo. 2. Explica por qué basta con acercar la barra, aun sin hacer contacto, a la esfera del electroscopio para que las laminillas se separen. 3. Explica el comportamiento de las laminillas del electroscopio cuando le acercas la barra de vidrio frotada con seda, inmediatamente después de haber hecho contacto con la barra de plástico frotada con lana.

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SOY CIENTÍFICO NATURAL

Me aproximo al conocimiento como científico natural

Observa el comportamiento de un electroimán Objetivo Estudiar el comportamiento del campo magnético generado por un electroimán. Conceptos clave Electroimán, campo magnético, líneas de campo. Materiales Cuatro metros de cable aislado Una pila de 9 V Diez clips Una brújula Una barra de hierro de 0,5 cm de diámetro y 20 cm de longitud Metodología de trabajo Individual o en grupo.

Pregunta problematizadora ¿Cómo se afecta el comportamiento de un electroimán al aumentar el número de espiras? En este laboratorio, analizarás el comportamiento de un electroimán y describirás las líneas de campo. Procedimiento 1. Enrolla 1,5 metros de alambre de cobre alrededor de la barra de hierro. Conecta cada extremo del alambre a un terminal de la pila. Para evitar el calentamiento del cable conductor y el desgaste inútil de la pila, mantén la conexión únicamente mientras haces tus observaciones. 2. Acerca la barra a los clips y observa la forma como los atrae el electroimán. 3. Acerca la brújula al electroimán y observa la dirección del campo magnético en diferentes puntos. 4. Intercambia los extremos del alambre en los terminales de la pila. Acerca la brújula al electroimán y compara la forma como se orienta la aguja con respecto al paso anterior. 5. Con la barra de hierro, construye un nuevo electroimán. Para ello, enrolla 2,5 metros de alambre de cobre alrededor de la barra. Conecta los extremos del alambre a los terminales de la pila. 6. Acerca el nuevo electroimán a los clips y compara la atracción producida sobre ellos con respecto a la del electroimán construido con menos espiras de alambre. Análisis de resultados 1. Elabora una tabla en la que muestres el número de clips en relación con el número de espiras del electroimán. 2. Responde: ¿qué sucede con la fuerza ejercida por el electroimán cuando se aumenta el número de espiras? Conclusiones 1. Realiza una descripción del comportamiento de la aguja de la brújula cuando se invierten los extremos del alambre en la conexión con la pila. 2. Describe la relación entre el número de espiras y el campo magnético generado por las espiras.

Acción de pensamiento: formulo explicaciones, con base en teorías y modelos científicos, para contestar preguntas.

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CIENCIA TECNOLOGÍA

La energía se transforma

Componente APROPIACIÓN Y USO DE LA TECNOLOGÍA

Centrales térmicas de combustión 1. Química

1. La energía obtenida en la combustión se emplea en calentar el agua.

Salida de residuos gaseosos

Vapor de agua Agua

2. Térmica

3. Cinética Entrada de combustible Eléctrica

2. El vapor hace mover la turbina. 3. El movimiento de la turbina se transmite a un generador, que produce la corriente eléctrica.

Energía eólica 1. El generador es el dispositivo que transforma el movimiento de giro del multiplicador (a alta velocidad) en electricidad.

Los seres vivos requerimos energía para crecer, movernos, incluso los seres humanos la empleamos para leer esta página, calentar el agua, comunicarnos, transportarnos y para que funcionen los electrodomésticos y la maquinaria de las grandes industrias. Pero ¿de dónde procede tanta energía? La mayor parte de energía que llega a la Tierra, directa o indirectamente, procede del Sol. Ya en la Tierra, las diferentes fuentes de energía (potencial, cinética, térmica, radiante, eléctrica o nuclear) se pueden transformar mediante procesos naturales o procesos artificiales diseñados por los seres humanos. La mayor parte de las fuentes de energía no se utilizan directamente, sino que se transforman en energía eléctrica, más fácil de transportar y de utilizar en los diferentes dispositivos domésticos o industriales. Observa la transformación de energía en las distintas instalaciones.

Componente NATURALEZA Y EVOLUCIÓN DE LA TECNOLOGÍA

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1. Cinética

Eléctrica

El rotor es el elemento que convierte la energía del viento en energía cinética.

Para aprovechar esta energía, se crean parques eólicos con muchos aeronavegadores en zonas donde el viento sople con regularidad.

Energía nuclear 1. Química

2. Térmica

Moderador: es un material cuya función es mantener la reacción en cadena.

3. Cinética

Eléctrica

1. Núcleo del reactor. Es la zona donde se encuentra el combustible.

1878 Ettal, Baviera, Alemania

1882 Río Fox, Appleton, Wisconsin, Estados Unidos

Primera central termoeléctrica construida por el ingeniero Sigmund Shuckert.

Primera central hidroeléctrica construida por la compañía de luz Appleton Edison.

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Componente SOLUCIÓN DE PROBLEMAS CON TECNOLOGÍA Energía solar térmica 1. Química

1. L os heliostatos concentran la radiación solar sobre una tubería.

2. El vapor mueve la turbina.

El término biomasa incluye toda materia viva, o cuyo origen sea la materia viva. La biomasa es una de las fuentes de energía más antiguas. Actualmente, puede considerarse un combustible alternativo al carbón, petróleo o gas, debido a su bajo impacto ambiental (solo desprende en su combustión gas CO2) y a su renovación a corto plazo.

2. Térmica

3. Cinética

Eléctrica

La energía térmica que se genera en la tubería se transforma en energía eléctrica.

La turbina está conectada a un generador que transforma la energía mecánica en electricidad.

Energía solar fotovoltaica 1. Química

Otra fuente de energía alternativa: energía de la biomasa

1. Los rayos solares inciden perpendicularmente sobre los electrones del panel y los pone en movimiento: así se genera corriente eléctrica.

2. Térmica

3. Cinética

Eléctrica El silicio es el principal componente de los paneles solares fotovoltaicos.

Se genera corriente continua.

2. Turbinas. El agua se evapora y el vapor mueve las turbinas. 3. Generador. El movimiento de las turbinas se transmite a un generador, produciendo energía eléctrica. Combustible. Suelen ser “pastillas” de óxido de uranio que se introducen en el interior de las vainas metálicas.

Podemos utilizar como biomasa: Residuos forestales agrícolas. Por ejemplo, ramas procedentes de la poda de árboles o de restos de bosques que han sido talados o quemados.

Cultivos energéticos. Plantaciones de cultivos de rápido crecimiento y destinadas entre otros usos a la producción de energía, por ejemplo, la soya. En este caso, durante la fase completa (desarrollo del cultivo, cosecha, transporte del mismo, etc.) Se consigue incluso una reducción global de CO2. Residuos urbanos orgánicos (RUO). Las basuras que generamos pueden usarse para producir biogás y, a partir de él, energía.

1887 Marykirk, Escocia

1954 Obnisk, Rusia (antigua URSS)

Primer artefacto que produce energía eléctrica, a partir de energía eólica. Fue construido por el ingeniero James Blyth para iluminar su casa de campo.

Primera central nuclear con fines civiles capaz de generar 5.000 kw.

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CIENCIA TECNOLOGÍA Componente

CIENCIA Y TECNOLOGÍA EN TUS MANOS

Construye una “multicentral” eléctrica Todo el mundo habla de turbinas pero, ¿qué son las turbinas y para qué sirven? Con este sencillo montaje, construirás una turbina capaz de producir electricidad, a partir de distintas fuentes de energía.

Materiales Restos de madera Tornillos para madera Alicate

TECNOLOGÍA Y SOCIEDAD

Construye, de forma aproximada, la estructura que ves en la fotografía; la puedes ajustar con los laterales a las asas de la olla.

Para construir la turbina, dibuja dos círculos con el compás en la lámina de latón o aluminio. Debes obtener en total dieciséis radios.

Perfora el centro con un chinche y recorta los álabes, solo hasta el círculo interior. Retuércelos como se observa en la ilustración, con ayuda de un alicate.

Coloca un eje por el orificio de la turbina, pégalo bien y pon un par de separadores de tubito de plástico (sirve el palo de una colombina). Monta las clemas, que serán el soporte de la turbina, alinea el eje del motor, que no es más que un trozo de madera con la forma de este.

Una lámina de latón o aluminio Un motor generador Un eje 4 clemas Bandas elásticas Un diodo led Un tubo pequeño de silicona Una olla de presión

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Sujeta la maqueta sobre una olla de presión, con unas mordazas de plástico. Instala un tubo de silicona, o de un material similar, en el tejado de la turbina y fíjalo con pegamento. Sopla fuertemente y observa si gira la turbina con velocidad suficiente para encender el diodo.

Construye una pequeña caseta y un poste de luz con sus hilos conductores. Utiliza una clema para la unión y el diodo led.

Prueba otra opción:

Utiliza una banda de caucho (1) para sujetar del motorgenerador y un tubito elástico de silicona (2) para acoplar el generador a la turbina.

Si has puesto agua en la olla y la calientas lo suficiente, saldrá vapor por la válvula. Este vapor moverá el motorgenerador y encenderá el diodo.

Puedes acoplar el tubo en un grifo y el agua moverá la turbina (sería un modelo de central hidroeléctrica). También funcionará si haces incidir sobre la turbina una corriente intensa de aire, como por ejemplo, la producida por un secador de pelo.

PRECAUCIÓN Cuidado con el vapor de agua. Sale de la olla a una temperatura de 120 °C y puede producir grandes quemaduras.

Analiza y responde ¿Consideras que el desarrollo tecnológico

propuesto involucra los temas trabajados en el entorno físico?

Debido a que la energía eléctrica puede 1

transformarse en cualquier otra fuente de energía y transportarse fácilmente, es la energía más utilizada. Averigua cuáles son sus inconvenientes. ©

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Cultivos ilícitos:

un grave problema social y ambiental La expansión de cultivos ilícitos en Colombia se incrementó principalmente entre los años 1990 y 2000. Esta problemática desencadenó, para la población colombiana, problemas de tipo social, como el desplazamiento y la consecuente concentración de la misma en centros urbanos. Esto incrementó los niveles de pobreza en el país y generó una grave problemática ambiental, provocada por la destrucción masiva de hábitat para convertirlo en áreas de mo nocultivo. Aún hoy, esto continúa ocasionando una inmensa pérdida de la biodiversidad, e incluso la destrucción total de suelos por malas prácticas agrícolas. Entre 1987 y 2002 se talaron y quemaron 1.700.000 hectáreas de bosque húmedo tropical para sembrar plantas ilícitas. Si se compara la masa de la producción de un cultivo le gal con la masa del producto de uno ilícito, la producción de tres hectáreas del cultivo legal es equivalente a una sola del cultivo ilícito.

Actualmente, en nuestro país, se realizan esfuerzos para disminuir la práctica de los cultivos ilícitos, y promocionar proyectos con el fin de transformar las condiciones socioeconómicas de las familias de campesinos, colonos e indígenas. Esto contribuye a crear las condiciones económicas y de bienestar sostenibles que les permita desvincularse de la actividad ilícita y para realizar la fumigación aérea de las áreas sembradas con cultivos ilícitos. Una vez establecido el cultivo, se le aplican plaguicidas y herbicidas a gran escala. Se aplican aproximadamente 10 veces más plaguicidas y herbicidas que las cantidades que se aplicarían en un cultivo legal. Estas sustan cias, como endosulfán, paraquat y glifosato, son altamente tóxicas.

Además de los plaguicidas, también se utilizan altas cantidades de fertilizantes. Se aplican aproximadamente 1,7 veces más fertilizantes que en un cultivo lícito. Para el procesamiento de la hoja y la obtención de la pasta de coca de una hectárea de cultivo se necesitan 50 kg de insumos sólidos y 57 galones de insumos líquidos. Estas altas proporciones, contaminan el agua y el suelo. Entre estas sustancias se encuentran: cemento, permanganato de potasio, gasolina, acetona, ácido sulfúrico y amoniaco.

Efectos Destrucción de hábitats y cadenas tróficas. Destrucción de potencial genético desconocido. Disminución de nutrientes del suelo y erosión. Destrucción de la cobertura vegetal nativa. Alteraciones en los regímenes de lluvias y clima local. Aumento considerable de emisiones de CO2.

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Desaparición de bellezas escénicas y paisajísticas. Extinción de especies endémicas. Deterioro de nacimientos de agua. Contaminación del agua, del suelo y del aire. Pérdida de flora y fauna acuática. Pérdida de agua y alimento. Intoxicación humana y animal.

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Bosques vírgenes y áreas de reserva natural Muchos cultivos se desarrollan en zonas de alta montaña, entre los 1.800 y 3.000 msnm, lo cual corresponde a varias áreas de re servas naturales con alta biodiversidad y nacimientos de cuerpos de agua, lo cual afecta las fuentes de agua potable para las pobla ciones humanas aledañas. En el país existen, en total, 49 áreas protegidas con 107.317 km2, es decir, más de nueve millones de hectáreas, de las cuales se han detectado 4.616 hectáreas afectadas por cultivos ilícitos.

La erradicación: ¿la solución o la magnificación del problema? La política del Gobierno para combatir los cultivos ilícitos consiste, en parte, en la erradicación mediante fumigaciones a gran escala. Alternativamente, se desarrollan programas que tienen como objetivo ofrecer a los campesi nos otras vías de desarrollo, sin embargo, no se han obtenido los resultados que se esperaban de esta estrategia. Algunos de estos programas también causan problemas de tipo ambiental, ya que estimulan prácticas de monocultivo y ganaderas en suelos frágiles como los del Amazonas, lo cual contribuye igualmente a la pérdida de bio diversidad. En cuanto a la fumigación, esta se realiza con glifosato y otros herbicidas que, no solo afectan a los cultivos ilícitos, sino también a todo tipo de siem bras agrícolas y bosques tropicales que se encuentren relativamente cerca de la zona que se desea fumigar. Además, la acción de los vientos y las lluvias aumenta el área de influencia y el problema se magnifica porque la intoxica ción de los organismos se extiende a todos los niveles de la cadena trófica. ©

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GLOSARIO

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Adrenalina: sustancia que eleva los niveles de glucosa en la sangre y estimula su producción en el hígado y el músculo. Agallas: extensiones de la superficie del cuerpo de los peces plegadas, que están conectadas con los vasos sanguíneos para realizar el intercambio gaseoso. Agricultura: uso del suelo como cultivo de plantas para la producción de productos para beneficio humano. Alvéolos: pequeñas cámaras de los pulmones donde ocurre el intercambio gaseoso.

Anabolismo: proceso mediante el cual se sintetizan sustancias que requieren las células. Articulaciones: puntos de unión entre dos o más huesos. Átomo: unidad básica más pequeña de la materia que se combina formando moléculas. Autótrofo: organismos que fabrican su propia materia orgánica a partir de dióxido de carbono, agua y sales minerales, o por otros procesos químicos.

Carroñeros: organismos que se alimentan de restos de animales muertos. Catabolismo: proceso mediante el cual se degradan las sustancias para obtener la energía requerida por las células. Cefalotórax: unión de la cabeza con el tórax en arácnidos. Celoma: cavidad interna del cuerpo de algunos animales. Clorofila: pigmento presente en los cloroplastos de las plantas que permite llevar a cabo el proceso de fotosíntesis. Colágeno: proteína que confiere a los huesos la capacidad de resistir la tensión.

Comensalismo: relación en la que una especie obtiene beneficios de otra que no se ve perjudicada o beneficiada. Compuesto: combinación de distintos elementos. Consumidores: organismos que se alimentan de otros seres vivos. Cooperación: tipo de relación en la que todos los organismos involucrados se ven beneficiados. Corriente eléctrica: estado de movimiento de las cargas eléctricas.

Desertización: conversión de un ecosistema en un desierto artificial, perdiendo las especies que originalmente habitaron allí y el suelo. Detritívoros: organismos que se alimentan de detritos.

Detritos: pequeños fragmentos de material orgánico en descomposición. Diálisis: proceso con el que se suplen las funciones del riñón.

Endoesqueleto: esqueleto interno de los vertebrados. Enzimas: moléculas proteicas que el organismo utiliza para catalizar reacciones químicas en el metabolismo. Erosión: desgaste del suelo por acción del viento y el agua dejando expuesta la roca madre. Especie endémica: aquella que solo existe en un lugar restringido del mundo.

Esqueleto: sistema biológico que proporciona soporte y apoyo a los tejidos blandos y músculos de los animales. Eutrofización: aporte de nutrientes inorgánicos que producen una gran proliferación de algas y plantas acuáticas. Exoesqueleto: esqueleto externo de los artrópodos que los protege de otros organismos o de las condiciones climáticas.

Fermentación: proceso en el que se libera la energía de la glucosa en ausencia de oxígeno y se producen compuestos energéticos. Flagelos: prolongaciones helicoidales de mayor longitud que el cuerpo del organismo que los posee.

Fotosíntesis: proceso mediante el cual se fabrica alimento y se libera oxígeno. Fuerza eléctrica: fuerza que ejercen dos cargas eléctricas separadas entre sí por determinada distancia.

Ganadería: uso del suelo para alimentar animales que se utilizan en la producción de productos para el beneficio humano. Glicogénesis: ruta metabólica que se activa para obtener glucosa a partir de glucógeno.

Glomérulo: nudo denso y permeable formado por capilares de la nefrona. Glucagón: sustancia que eleva los niveles de glucosa en la sangre y estimula la degradación de glucógeno.

Heces: conjunto de desperdicios y demás sustancias que no son absorbidas por el intestino delgado. Hemolinfa: sangre de los artrópodos.

Herbivoría: consumo de partes de un organismo vegetal. Huesos: estructuras duras conformadas por tejido conectivo que proporcionan sostén al cuerpo de los animales vertebrados.

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Insulina: sustancia que estimula el transporte de glucosa al interior de las células y la síntesis de glucógeno.

Isotopos: átomos de un mismo elemento que presentan igual número atómico, pero diferente masa atómica.

Lágrimas: líquido constituido por agua, cloruro de sodio (NaCl) y proteína albumina. Ligamentos: estructuras compuestas por fibras de tejido conectivo que mantienen unidos a los huesos.

Lipolisis: ruta metabólica que convierte los lípidos en ácidos grasos. Locomoción: movimiento que realiza un ser vivo para desplazarse o trasladar una parte de su cuerpo de un lugar a otro.

Metabolismo: conjunto de reacciones químicas que ocurren al interior de las células para degradar o sintetizar moléculas. Metámeros: segmentos que se repiten en el cuerpo de algunos animales como los anélidos. Micción: proceso en el que la vejiga vacía su contenido. Mioblastos: células precursoras de las fibras musculares.

Molécula: porción más pequeña que conserva las propiedades químicas de un compuesto. Músculo: tejido que pueden contraerse y relajarse produciendo el movimiento. Mutualismo: relación entre dos o más organismos de diferentes especies que se asocian para obtener beneficios comunes.

Opérculos: ranuras por las que sale el agua del cuerpo de los peces. Ósculo: orificio superior y de mayor tamaño de los poríferos. Osificación: proceso de formación de los huesos.

Oxidación: proceso químico en el que reaccionan dos compuestos para liberar la energía de los enlaces. Ozono: gas incoloro que se encuentra en la estratosfera formado por tres átomos de oxígeno.

Parasitismo: interacción que se establece entre un parásito, que se alimenta de un hospedero, y le causa daño. Pesticida: sustancia química que ataca a los organismos que constituyen plagas. Períodos: filas de la tabla periódica. Pie: estructura que permite el movimiento en los moluscos.

Predación: fenómeno en el que los predadores dan muerte y se alimentan de las presas. Presión osmótica: presión que se ejerce para evitar que las moléculas se difundan a través de una membrana. Producción: cantidad de energía que se almacena en forma de biomasa en cada nivel trófico por unidad de tiempo.

Radiactividad: propiedad de emitir altas cantidades de energía. Reacción endotérmica: reacción química en la que se absorbe energía. Reacción exotérmica: reacción química en la que se libera energía.

Reptación: movimiento serpenteante realizado por contracción y relajación de los músculos de algunos animales. Resiliencia: capacidad de los ecosistemas de recuperarse después de una perturbación. Resistencia eléctrica: resistencia que ofrecen los materiales conductores al paso de la corriente eléctrica.

Sarcolema: membrana plasmática de las fibras musculares. Seudópodos: prolongaciones citoplasmáticas para la locomoción que se presentan en organismos como los protozoos.

Sudor: un líquido formado por agua y sustancias de desecho de los capilares sanguíneos. Sustratos: sustancias que reacciona con una enzima.

Tendones: fibras de tejido conectivo que insertan el músculo en el hueso y transmiten la contracción para producir el movimiento.

Tráqueas: conductos que permiten el intercambio gaseoso en los insectos.

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BIBLIOGRAFÍA Audesirk, T.; Audesirk, G.; Byers, B. Biología, La vida en la Tierra, 8.ª Ed., México, Editorial Pearson Prentice Hall, 2008.

Babor, J.; Ibarz, J. Química general moderna, Barcelona, Editorial Marín, S. A., 1992. Begon, M.; Colin, R. T.; Harper, J. L. Ecology, 4.ª Ed., United Kingdom, Blackwell Publishing Ltda., 2006.

Bohinski, R. Bioquímica, 5.ª Ed., México, Editorial Pearson Educación, 1998. Campbell, N.; Reece, J. Biology, 6.ª Ed., San Francisco, Pearson Education Inc., 2002 Dobson, K.; Holman, J.; Roberts, M. Science, Texas, Holt, Rinehart and Winston, 2000. Ebbing, D. D. Química general, México D. F., Ediciones Mcgraw-Hill, 1997. Evers, C.; Starr, L.; Betancourt, G.; Contreras, N. Biología, La unidad y la diversidad de la vida, 11.ª Ed., México, Editorial Cengage Learning, 2008. Geoffrey, M.; Cooper, E. La célula, 2.ª Ed., Editorial Marbán, 2002. Giancoli, D. Física con aplicaciones, México, Prentice Hall Hispanoamericana, S. A., 1998. Hetch, E. Física en perspectiva, México, Addison Wesley Iberoamericana, 1987. Hewitt, P. Física conceptual, 10.ª Ed., México, Editorial Pearson Educación, 2007. Margalef, R. Planeta azul, planeta verde, Barcelona, Biblioteca Scientific American, 1992. Morales, E. Historia de la exploración submarina, Chile, Ediciones universitarias de Valparaíso, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Chile, 2007.

Muñoz, P.; Valencia, H.; Aguirre, L. E.; Becerra, N.; Vargas, R.; Rozo, G.; Mejía, M. A. Prácticas de biología general, Bogotá, Universidad Nacional de Colombia, 1987.

Randall, D.; Burggren, W.; French, K. Animal physiology, 4.ª Ed., Nueva York, W. H. Freeman and Company, 1997.

Rodríguez, N.; Armenteros, D.; Morales, M.; Romero, M. Ecosistemas de los andes colombianos,

2.ª Ed., Bogotá, Colombia, Instituto de investigación de recursos biológicos Alexander von Humboldt, Bogotá, Colombia, 2006. Rueda-Almonacid, J. V.; Lynch, J. D.; Amézquita, A. (eds.). Libro Rojo de los Anfibios de Colombia. Serie Libros Rojos de Especies Amenazadas de Colombia. Conservación Internacional Colombia, Instituto de Ciencias Naturales, Universidad Nacional de Colombia, Ministerio del Medio Ambiente, Bogotá, Colombia, 2004.

Sagan, C. Cosmos, 11.ª Ed., Barcelona, Editorial Planeta, 1987. Serway, R.; Faughn, J. Physics, Texas, Holt, Rinehart and Winston, 2000. Stainer, R.; Ingraham, J.; Wheelis, M.; Painter, P. Microbiología, 2.ª Ed., España, Editorial Reverté

S. A., 1988. Tortora, Gerard J.; Reynolds, Sandra. Principios de anatomía y fisiología, México, Oxford University press, 2003. FUENTES DE INTERNET

1 60

www.virtual.unal.edu.co/cursos/idea/2010615/lecciones/eco_col/eco_col3.html www.admycien.mex.tl/imagesnew/5/3/8/5/2/ecosistemas%20colombianos.pdf www.iucnredlist.org/apps/redlist/details/55264/0 www.jmarcano.com/nociones/ciudad/urbs1.html www.saber.ula.ve/bitstream/123456789/24099/2/articulo1.pdf www.nationalgeographic.es/animales/anfibios/rana-dardo-dorada www.euv.cl/archivos_pdf/exploracion.pdf biografias-mariel.blogspot.com/2010/12/historia-de-la-oceanografia.html

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volumen 1 Desarrolla los temas: Metabolismo, osmorregulación y excreción, procesos que se relacionan con el concepto de nutrición.

volumen 2 Ciencias 7

Ciencias 7

Incluye:

Proyecto de investigación

Incluye:

Razonamiento matemático

volumen 2

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A medida que se desarrollan los temas, también se invita al estudiante a asumir compromisos personales y a utilizar los métodos experimentales que le permiten ser un científico natural.

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