Muestra del libro Física y Química 2º ESO Andalucía Proyecto 5 etapas by Grupo Anaya, S.A.

ANDALUCÍA

INCLUYE PROYECTO

MUESTRA

DIGITAL

Rafael Jiménez Prieto Pastora M.ª Torres Verdugo

E S O

Índice Y ESTO NO ES TODO...

Averígualo!

1 El trabajo científico. Magnitudes y unidades

¿Qué es la ciencia? 2 ¿Cómo miden los científicos? 3 ¿Qué son las magnitudes? 4 ¿Cómo es un laboratorio de ciencias?

12 15 17 20

2 La materia y sus propiedades. Estados de la materia

¿Qué es la materia? 2 ¿Cuáles son los estados de la materia? 3 ¿Qué son los cambios de estado? 4 ¿Cómo se comportan los gases?

34 38 39 41

3 La constitución de la materia. Elementos y compuestos

¿De qué está formada la materia? 2 ¿Cuáles son las partículas constituyentes de la materia? 3 ¿Cómo se combinan los átomos? 4 ¿Qué elementos químicos existen?

54 58 59 61

Proyecto de investigación. La ciencia en Andalucía

4 Clasificación de la materia. Mezclas y disoluciones

¿Cómo se clasifica la materia? 2 ¿Qué son las disoluciones? 3 ¿Cómo se pueden separar las mezclas? 4 ¿Qué aplicaciones tienen los métodos de separación?

78 81 84 86

5 Los cambios en la materia. Reacciones químicas

¿Cuándo se produce un cambio químico? 2 ¿Qué son las reacciones químicas? 3 ¿Cómo es la velocidad de una reacción química? 4 ¿Por qué son importantes las reacciones químicas?

98 99 104 105

6 El movimiento. Movimiento rectilíneo y uniforme

116

¿Qué es el movimiento? 2 ¿Qué magnitudes describen el movimiento? 3 ¿Cómo se calcula la velocidad de un móvil? 4 ¿Cómo es el movimiento rectilíneo y uniforme? 5 ¿Qué movimientos son no uniformes?

118 120 122 124 126

Proyecto de investigación. La importancia del agua potable

138

7 Las fuerzas y sus efectos. Máquinas simples

140

¿Qué es la fuerza? 2 ¿Cómo se miden las fuerzas? 3 ¿Cómo se representan las fuerzas? 4 ¿Qué son las máquinas simples?

142 144 146 148

8 La energía. Centrales eléctricas

160

¿Qué es la energía? 2 ¿Qué propiedades tiene la energía? 3 ¿Cómo se obtiene la energía? 4 ¿Qué son las fuentes de energía? 5 ¿Qué consecuencias tiene el uso de la energía?

162 165 167 169 171

9 El calor y la temperatura. Transferencias de calor

180

¿Qué son el calor y la temperatura? 2 ¿Cómo se mide la temperatura? 3 ¿Qué efectos produce el calor? 4 ¿Cómo se propaga el calor?

182 186 188 190

Proyecto de investigación. La contaminación del medioambiente

202

Anexo. Introducción a la nomenclatura y formulación de compuestos binarios

204

¿Qué son las reglas de formulación y nomenclatura? 2 ¿Qué son los números de oxidación? 3 ¿Cómo se formulan y nombran los elementos e iones monoatómicos? 4 ¿Cómo se formulan y nombran los compuestos binarios?

206 207 208 209

Tras las huellas de la ciencia

212

Tabla periódica

214

Índice

CÓMO ES TU LIBRO Con Bruño aprendes ciencia investigando, descubriendo y explorando la naturaleza. En solo 5 ETAPAS cíclicas puedes adquirir las competencias y saberes necesarios para tu desarrollo personal, intelectual, social y emocional.

(Prepárate para el aprendizaje)

(Indaga sobre los saberes)

(Valora tu aprendizaje)

(Conoce los saberes)

e (Aplica lo aprendido y crea conocimiento)

LA UNIDAD

Te presentamos la unidad en una doble página. ¿QUÉ SABES DE…? Con estas preguntas descubrirás lo que conoces del tema antes de comenzarlo. ¿TE HAS PREGUNTADO ALGUNA VEZ…? Estos son los saberes que adquirirás al trabajar esta unidad.

RECURSO ENLAZADO A UN QR Sorpréndete viendo este recurso digital (audio, video…) que te motivará hacia el aprendizaje.

ACTIVIDAD DE INDAGACIÓN Realiza esta actividad en el aula o fuera de ella (aula invertida) antes de que tu profesor o profesora dé su explicación. Reflexiona sobre el trabajo realizado y la forma de hacerlo.

Utiliza el QR Saber algo más que encontrarás en algunas páginas de la unidad para ampliar la información sobre el concepto que estás trabajando.

e EXPOSICIÓN DE SABERES Adquiere los saberes que te presentamos en el texto y ayúdate de los esquemas explicativos, textos destacados, información complementaria, etc.

ACTIVIDADES PARA DESARROLLAR LA COMPETENCIA MATEMÁTICA Y EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA Practica y afianza tu aprendizaje realizando estas actividades.

e ACTIVIDADES PARA CONSTRUIR CONOCIMIENTO Desarrolla otras competencias clave, como la competencia digital, competencia personal, social y de aprender a aprender, competencia emprendedora y competencia ciudadana.

Cómo es tu libro

Secciones finales Amplía los contenidos estudiados en la unidad, avanzando en el logro de tu competencia matemática y científica.

Organiza tus ideas, repasa y consolida los saberes básicos aprendidos en la unidad. De cada saber básico se resume lo más importante siguiendo la secuencia que has visto a lo largo de la unidad.

Para afianzar este conocimiento realiza la actividad o actividades que se proponen al final de este apartado.

Practica con esta SITUACIÓN DE APRENDIZAJE, que te proponemos al final de la unidad, para adquirir tus competencias científicas. Lee con atención la situación que se plantea y que te permitirá saber lo que vas a investigar. Sigue el procedimiento de trabajo a través de los diferentes apartados con preguntas que te irán guiando para el desarrollo de la actividad.

Conoce la biografía de científicos y científicas que aportaron su gran esfuerzo investigador y su extraordinario conocimiento para avanzar en el desarrollo de la física y la química.

Para finalizar la unidad contesta a estas 10 preguntas tipo test y valora tu aprendizaje comprobando las soluciones en el QR.

Para fomentar la adquisición de tus competencias científicas, al final de las unidades 3, 6 y 9 te proponemos otra SITUACIÓN DE APRENDIZAJE que se va a desarrollar en el ámbito de tu laboratorio escolar, y cuya estructura y desarrollo siguen los pasos del método científico. Análisis de resultados

Contexto de la situación

Materiales necesarios

Informe científico

Procedimiento

ADEMÁS, EN TU LIBRO Te proponemos tres proyectos de investigación completos –ubicados al final de las unidades 3, 6 y 9–, con los que practicarás y consolidarás tus destrezas científicas.

Cómo es tu libro

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Tu libro digital es... INTUITIVO Fácil de usar y diseñado para conseguir tu mejor aprendizaje.

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UNIDAD

5 Los cambios en la materia.

Reacciones químicas

¿QUÉ SABES DE...? 1 En un número de magia, el mago mezcla el contenido de dos vasos de «agua» en una jarra y el líquido se vuelve morado. ¿Dónde crees que está el truco? 2 ¿Cómo consiguen las plantas producir el oxígeno que respiramos? ¿Tiene algo que ver con la química? 3 La gasolina y el gasóleo son combustibles para vehículos. ¿Por qué arden?

¿TE HAS PREGUNTADO ALGUNA VEZ CÓMO SE OBTIENEN NUEVAS ¿TE HAS PREGUNTADO ALGUNA VEZ SUSTANCIAS? QUÉ ESTÁ FORMADA LA MATERIA? Si aún no lo sabes..., descubriremos juntos: En esta unidad, aprenderás: 1 ¿Cuándo se produce un cambio químico? 1 ¿Por qué las placas litosféricas forman un puzle? 2 ¿Qué son las reacciones químicas? 2 Los volcanes: el fuego interno 3 ¿Cómo es la velocidad de una reacción química? 3 Los seísmos: ¿por qué tiembla la Tierra? 4 ¿Por qué son importantes las reacciones químicas? 4 ¿Cómo se forman las montañas?

5 ¿Cómo se expanden los océanos? 6 ¿Viajan los continentes a la deriva?

1 ¿Cuándo se produce un cambio químico?

e Como ya sabes, los sistemas materiales pueden sufrir transformaciones sin que se modifique su composición; algunos ejemplos son las deformaciones o los cambios de estado. Son los cambios o procesos físicos. Sin embargo, la química estudia aquellos procesos durante los cuales se producen cambios en la composición de la materia. ¿Se te ocurre alguna situación cotidiana en la que suceda un cambio de estas características? Descríbelo.

En oposición a los cambios físicos, durante los cuales se mantiene la composición del sistema material, tenemos los cambios o procesos químicos. Decimos que tiene lugar un cambio o proceso químico cuando algunas sustancias que forman parte de un sistema material se transforman, dando lugar a sustancias nuevas. Por tanto, la aparición de sustancias nuevas, que no formaban parte del sistema material antes del proceso, es la característica fundamental de un cambio químico: el sistema cambia su composición. Veamos un ejemplo. Si calentamos azúcar, llega un momento en el que percibimos un olor dulzón y observamos la aparición de una sustancia marrón pastosa: el caramelo. Ha tenido lugar un cambio químico.

1. Al mezclar un líquido amarillo y otro blanco, se ha obtenido un sólido azul, que se ha depositado en el fondo del vaso de precipitados. ¿Ha tenido lugar un cambio químico? Razona tu respuesta. 2. Javier ha mezclado en el laboratorio un líquido amarillo y otro azul, obteniendo una disolución verdosa. ¿Podríamos deducir que se ha producido un cambio químico? Explícalo.

No siempre es fácil detectar un proceso químico, pues las propiedades de las sustancias que aparecen pueden ser parecidas. Lo cierto es que los procesos químicos suelen ir acompañados de algunos cambios en el sistema como los siguientes: Cambios de color inesperados

Precipitación de sustancias

En ocasiones, un proceso químico produce un cambio inesperado de color en el sistema.

Otras veces se forma una sustancia insoluble, que se deposita en el fondo del recipiente.

PROCESOS QUÍMICOS Desprendimientos de gases Si se desprenden espontáneamente burbujas de gas, es señal de que ha tenido lugar un proceso químico. 98

UNIDAD 5

Cambios bruscos de temperatura A veces, el proceso químico produce un cambio muy brusco de la temperatura del sistema.

2 ¿Qué son las reacciones químicas?

e Antes del nacimiento de la química como ciencia moderna, muchos estudiosos centraron su atención en las reacciones químicas. Estas se encuentran en la naturaleza, son la base de la vida y protagonizan la actividad humana en múltiples ámbitos. Aunque las estudiaremos a continuación, seguro que tienes alguna idea sobre lo que es una reacción química. a ¿Cómo la definirías?

b ¿Se te ocurre algún ejemplo?

Los cambios químicos reciben el nombre general de reacciones químicas. Una reacción química es cualquier proceso en el que se forman nuevas sustancias. Las sustancias que hay antes de la reacción se denominan reactivos; las que se forman después de la reacción son los productos. Consideremos algunos ejemplos. Cuando quemamos gas natural en un calentador o en la cocina, los reactivos son el metano y el oxígeno, y los productos son dióxido de carbono y vapor de agua. Se trata de una reacción química, ya que aparecen nuevas sustancias. De igual forma, cuando el hierro se oxida, los reactivos son el hierro y el oxígeno del aire. El producto es el óxido que se forma. También es una reacción química.

➚ Combustión de gas.

Para representar el proceso que tiene lugar durante una reacción química, se utiliza una ecuación química. Consiste en escribir las fórmulas de los reactivos a la izquierda como si fuesen sumandos, dibujar una flecha que indica el sentido del proceso y colocar a la derecha las fórmulas de los productos, también como sumandos. Además, se añade el estado de agregación de todas las sustancias participantes, entre paréntesis.

➚ Oxidación del hierro. Ancla oxidada en el puerto de Algeciras (Cádiz).

OBSERVA Y APRENDE La reacción química de oxidación del hierro consiste en la combinación del hierro sólido con el oxígeno gaseoso del aire (O2) para dar trióxido de dihierro sólido (Fe2O3). Representa la ecuación química del proceso e interprétala. Para escribir la ecuación química colocamos las sustancias iniciales –los reactivos– a la izquierda, una flecha y las sustancias finales –los productos– a la derecha. Por la información que nos dan, los reactivos son hierro y oxígeno, y el producto, trióxido de dihierro. Por tanto, tendríamos: Reactivos

Producto

Fe (s) + O2 (g) → Fe2O3 (s) La flecha hacia la derecha indica el sentido de la transformación. La ecuación química nos informa de un proceso químico, indicándonos cuáles son sus reactivos y productos.

e 3. La combustión del gas metano (CH4) consiste en su combinación con el oxígeno del aire para dar dióxido de carbono y vapor de agua. Escribe una ecuación química que represente esta reacción, indicando cuáles son los reactivos y cuáles los productos.

Los cambios en la materia. Reacciones químicas

¿Qué ocurre a nivel microscópico? Aunque nosotros observamos los procesos químicos a nivel macroscópico, es decir, a simple vista, la realidad es que estos procesos tienen lugar por la interacción entre las moléculas y los átomos, a nivel microscópico. ¿En qué consiste una reacción química? La respuesta debemos buscarla en la propia naturaleza de la materia. Como sabemos, la materia está formada por átomos, que se agrupan dando lugar a compuestos. Cuando los reactivos participantes en un proceso químico entran en contacto, los átomos que los forman se reordenan: se rompen algunos enlaces

entre ellos y se forman otros. El resultado es la desaparición de los reactivos y la formación de los productos, unas sustancias que no existían antes del proceso. Volvamos al ejemplo de la combustión del metano, CH4. Este gas se combina con el oxígeno del aire (O2), dando como productos dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O). Nosotros solo vemos la llama, pues la reacción desprende gran cantidad de calor. Pero, a nivel microscópico, se rompen los enlaces de las moléculas de CH4 y O2, formándose nuevos enlaces, que dan lugar a las moléculas de CO2 y H2O. Son los mismos átomos, combinados de distinta manera.

3 El metano (CH4) reacciona con el oxígeno (O2) y forman dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O) desprendiendo energía en el proceso.

4 El tubo de gases evacúa los productos de la reacción.

1 El gas natural contiene metano (CH4).

2 El aire contiene oxígeno (O2) y nitrógeno (N2).

En el calentador, se produce la combustión del gas natural: Combustión a nivel microscópico. Los átomos de los reactivos se reordenan, dando lugar a los productos.

REACTIVOS Metano

CH4 (g)

PRODUCTOS

Oxígeno

Dióxido de carbono

O2 (g)

→ CO2 (g)

Vapor de agua

H2O (g)

e 4. Teniendo en cuenta lo que ocurre a nivel microscópico durante una reacción química, explica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) Cuando ocurre una reacción química, se forman nuevos átomos que dan los productos. b) Al producirse una reacción química, los átomos no cambian, pero sí los compuestos. c) En un proceso químico tiene lugar una reordenación de los átomos de las sustancias. d) En la combustión del metano, se rompen unos enlaces y se forman otros nuevos.

100

UNIDAD 5

¿Qué es una ecuación química ajustada? Hemos visto que, a nivel microscópico, los átomos de los reactivos en una reacción química son los mismos que los átomos de los productos. Sin embargo, al analizar la ecuación química da la impresión de que no es realmente así. Consideremos como ejemplo la reacción de oxidación del monóxido de nitrógeno, cuya ecuación química es: REACTIVOS Monóxido de nitrógeno

NO (g)

PRODUCTO Oxígeno

O2 (g)

Trióxido de dinitrógeno

→

N2O3 (g)

Si analizamos la información proporcionada por esta ecuación química, tenemos: NO (g)

O2 (g)

→

N2O3 (g)

Sin embargo, cuando contamos a partir de las fórmulas los átomos de nitrógeno (N) puestos en juego en este proceso, parece que no coinciden en reactivos y productos.

⇒

Observamos que las moléculas de NO se combinan con las de oxígeno para dar el trióxido de dinitrógeno.

1 átomo de nitrógeno (N)

2 átomos de nitrógeno (N)

3 átomos de oxígeno (O)

¿Por qué ocurre esto? La respuesta es que falta indicar la proporción correcta en que se combinan los reactivos y se forman los productos de la reacción. Para indicar esta proporción se utilizan unos números enteros, denominados coeficientes estequiométricos. Estos números, colocados delante de las fórmulas, nos dicen en qué proporción se encuentran las sustancias de la reacción. Fíjate ahora: 4 NO (g)

O2 (g)

→

2 N2O3 (g)

⇒ 4 · 1 = 4 átomos de nitrógeno (N)

2 · 2 = 4 átomos de nitrógeno (N)

4 + 2 = 6 átomos de oxígeno (O)

2 · 3 = 6 átomos de oxígeno (O)

En esta nueva ecuación química se cumple que la cantidad de átomos de cada tipo en los reactivos y en los productos es la misma. Decimos, entonces, que es una ecuación química ajustada.

Cuando una ecuación química está ajustada, nos indica: ➜ Los reactivos y los productos de la reacción química correspondiente. En el ejemplo, nos dice que reaccionan el monóxido de nitrógeno y el oxígeno para formar trióxido de dinitrógeno. ➜ La proporción en la que ocurre el proceso. En el caso del ejemplo nos dice que reaccionan 4 moléculas de monóxido de nitrógeno con 1 molécula de oxígeno y se forman 2 moléculas de trióxido de dinitrógeno.

5. Contesta a las siguientes cuestiones: a) ¿Cuándo consideramos que una ecuación química se encuentra ajustada? b) ¿Qué son los coeficientes estequiométricos? c) ¿Qué información podemos obtener a partir de una ecuación química ajustada?

Los cambios en la materia. Reacciones químicas

101

¿Cómo se ajusta una ecuación química? Para que la información que nos da una ecuación química sea completa es necesario que se encuentre ajustada. Sin embargo, no siempre disponemos de la ecuación ajustada. En muchas ocasiones solo conocemos qué reactivos y qué productos intervienen. El procedimiento que se sigue para ajustar una ecuación química se denomina ajuste de reacciones químicas y es de gran importancia. Para ajustar una ecuación química seguimos estos pasos: ➜ Escribimos la ecuación sin ajustar. ➜ Hacemos un primer recuento de átomos. ➜ Colocamos coeficientes para equilibrar el número de átomos, repitiendo el recuento en cada paso. ➜ Cuando el número de cada tipo de átomos coincide en reactivos y productos, damos por terminado el ajuste.

OBSERVA Y APRENDE Cuando reacciona el hidrógeno gaseoso (H2) con oxígeno gaseoso (O2) se obtiene vapor de agua (H2O). Escribe y ajusta la ecuación química que corresponde a esta reacción e interpreta la información que nos proporciona. Comenzamos por escribir, a partir de la información del enunciado, la ecuación sin ajustar, colocando los reactivos y el producto donde corresponde. Además, realizamos un primer recuento de átomos, en este caso, de hidrógeno y oxígeno: Hidrógeno

H2 (g )

Oxígeno

O2 (g )

Agua

→

H2O (g )

⇒ 2 átomos de hidrógeno (H) 2 átomos de oxígeno (O)

2 átomos de hidrógeno (H) 1 átomo de oxígeno (O)

La ecuación no está ajustada, pues hay distinto número de átomos de oxígeno en el producto y en los reactivos. Para tratar de equilibrar dicho número, vamos a colocar 2 moléculas de agua y realizaremos un nuevo recuento: H2 (g )

O2 (g )

→

2 H2O (g )

⇒ 2 átomos de hidrógeno (H) 2 átomos de oxígeno (O)

2 · 2 = 4 átomos de hidrógeno (H) 2 · 1 = 2 átomos de oxígeno (O)

Hemos conseguido igualar el número de átomos de oxígeno, pero no el de átomos de hidrógeno. Debemos añadir otra molécula de hidrógeno, quedando así: 2 H2 (g)

O2 (g)

→

2 H2O (g)

⇒ 2 · 2 = 4 átomos de hidrógeno (H) 2 átomos de oxígeno (O)

2 · 2 = 4 átomos de hidrógeno (H) 2 · 1 = 2 átomos de oxígeno (O)

La ecuación ya está ajustada. Nos indica que dos moléculas de hidrógeno reaccionan con una de oxígeno, dando dos moléculas de agua.

102

UNIDAD 5

6. Ajusta, siguiendo el método del recuento de átomos, la siguiente ecuación química correspondiente a la oxidación del monóxido de carbono para dar dióxido de carbono: CO ( g) + O2 ( g) → CO2 ( g) ¿Qué información nos proporciona la ecuación ajustada obtenida? 7. Realiza el ajuste de las siguientes ecuaciones químicas, buscando los coeficientes estequiométricos que correspondan, e interprétalas microscópicamente: a) H2 ( g) + I2 ( g) → HI ( g) b) N2 ( g) + O2 ( g) → N2O3 ( g)

¿Cómo se clasifican las reacciones químicas? Dado que existen millones de compuestos químicos, tanto de origen natural como sintéticos, la cantidad y variedad de reacciones químicas conocidas es enorme.

Para poder abordar su estudio con mayor facilidad, las reacciones químicas se suelen clasificar de acuerdo con el proceso químico que está teniendo lugar.

Reacciones de formación

Reacciones de descomposición

Se les da este nombre a las reacciones en las cuales se forma un compuesto a partir de sus elementos constituyentes, como puedes observar en los siguientes ejemplos:

Son aquellas en las cuales un compuesto se descompone, dando lugar a varios elementos o compuestos más simples.

2 H2 (g) +

O2 (g) →

2 H2O (g)

C (s) +

O2 (g) →

CO2 (g)

Un ejemplo es la descomposición del carbonato de calcio al calentarlo: Carbonato de calcio

En ambos casos se trata de reacciones de formación, porque se obtiene un compuesto –el agua y el dióxido de carbono– a partir de los elementos hidrógeno y oxígeno, en el caso del agua, y carbono y oxígeno, para el dióxido de carbono. Como puedes ver, en estas reacciones hay varios reactivos y un solo producto.

CaCO3 (s)

Óxido de calcio

→

CaO (s)

Dióxido de carbono

CO2 (g)

En un proceso de descomposición como este, a partir de un solo reactivo –el carbonato de calcio– se forman dos productos: el óxido de calcio (cal viva) y el dióxido de carbono.

Reacciones de combustión Se trata de un grupo de reacciones muy importantes, pues a partir de ellas obtenemos gran parte de la energía que utilizamos. En una reacción de combustión, un combustible reacciona con el oxígeno, obteniéndose como productos dióxido de carbono y vapor de agua, con desprendimiento de gran cantidad de energía calorífica. De hecho, es esta energía lo que nos interesa aprovechar, y no los productos de la reacción. Los combustibles pueden ser de muchos tipos. Los más habituales en el ámbito doméstico son el gas natural (o gas metano) y el gas butano, los cuales utilizamos en nuestros hogares para calentar agua o en las cocinas de gas. Otro combustible muy utilizado en calderas para calefacción es el gas propano. Por otra parte, la gasolina y el gasóleo son imprescindibles para el funcionamiento de los vehículos equipados con motores de combustión. Fíjate en estos ejemplos de reacciones de combustión: Metano

CH4 (g) Butano

Dióxido de carbono

Oxígeno

2 O2 (g) Oxígeno

→

CO2 (g)

Agua

➚ Combustión de la cera.

2 H2O (g)

Dióxido de carbono

Agua

2 C4H10 (g) + 13 O2 (g) → 8 CO2 (g) + 10 H2O (g)

8. La fórmula del propano es C3H8. Escribe su reacción de formación a partir de carbono (C, sólido) e hidrógeno (H2, gas) y ajústala.

9. El acetileno (C2H2) es un gas inflamable utilizado en sopletes de soldadura. ¿Cuál sería su reacción de combustión? Escribe la ecuación química correspondiente y ajústala.

Los cambios en la materia. Reacciones químicas

103

3 ¿Cómo es la velocidad de una reacción química? Además de los reactivos que participan y de los productos que se forman, una característica importante de las reacciones químicas es la velocidad con la que transcurren. Hay reacciones químicas que son muy rápidas, casi instantáneas, incluso, como ocurre en el caso de la explosión de la pólvora. Otras reacciones, en cambio, son muy lentas, como el proceso de corrosión de los metales.

¿De qué factores depende? Muchas reacciones químicas no tienen interés debido a que son excesivamente lentas. La utilidad de un proceso químico, sobre todo si tiene aprovechamiento en la industria, depende de que tenga una velocidad aceptable. La velocidad de una reacción química puede cambiar dependiendo de las condiciones en las que se lleve a cabo el

proceso. Así, un aumento de la temperatura suele producir también un aumento de la velocidad. Otra forma de incrementar la velocidad de una reacción química es aumentar la concentración de uno de los reactivos. Al hacerlo, se reduce significativamente el tiempo necesario para que se complete el proceso y termine la reacción.

➚ Velocidad de reacción. Las explosiones son reacciones químicas muy rápidas, mientras que la corrosión se caracteriza porque es un proceso químico bastante lento.

¿Qué es un catalizador? Además de modificar las condiciones en las que tiene lugar una reacción química para hacerla más rápida, el procedimiento más eficaz para aumentar la velocidad de reacción es el uso de catalizadores. Un catalizador es una sustancia que se añade a los reactivos de una reacción química para aumentar su velocidad y que no se consume en el proceso. El catalizador no es un reactivo; no es necesario para que ocurra la reacción, tan solo se necesita para que su velocidad sea adecuada, y no desaparece en el proceso. Su función es facilitar la ruptura de los enlaces de los reactivos, acelerando así la formación de los nuevos enlaces de los productos. Existen numerosos catalizadores y, por lo general, son específicos de cada reacción química. Su importancia es enorme, tanto en el ámbito industrial como biológico.

➚ Catalizador de un automóvil.

10. Indica si estos procesos químicos son rápidos o lentos: a) Se quema la madera en una chimenea.

c) Se oxida una reja de hierro.

b) Un filete se asa en una barbacoa.

d) Un trozo de goma se endurece.

11. Explica qué diferencia hay entre el catalizador y un reactivo. ¿Por qué aumenta el catalizador la velocidad de la reacción, si en realidad no se consume en ella?

104

UNIDAD 5

4 ¿Por qué son importantes las reacciones químicas?

e Como ya sabrás, nunca debes perforar o romper una pila, y una vez agotada debes desecharla en un contenedor habilitado para tal fin, ya que contienen ciertas sustancias tóxicas en su interior. Esos componentes de la pila son precisamente los que hacen posible que funcione. ¿Qué relación existe entre el funcionamiento de una pila y los procesos químicos? Investigadlo en clase.

Las reacciones químicas no son algo exclusivo del laboratorio de química. En nuestro entorno están muy presentes y tienen una gran importancia en numerosos ámbitos. Fíjate bien: ➜ Los seres vivos basan su actividad vital en las reacciones químicas. Estas constituyen el fundamento del metabolismo de cualquier animal o planta, además de proveer el oxígeno que respiramos. Podemos decir sin duda que somos pura química. ➜ La industria química consiste en llevar a cabo procesos químicos con diversos fines. A veces van encaminados a obtener materias primas como metales, plásticos o combustibles. En otras ocasiones, el objetivo es conseguir la síntesis de sustancias o compuestos de utilidad, como fármacos, aditivos, limpiadores, etc. ➜ También tienen mucha relación las reacciones químicas con el medioambiente. La actividad humana ejerce un tremendo impacto sobre la naturaleza, del que ya tenemos plena conciencia y que es necesario revertir.

La química y la vida Como hemos descrito, los seres vivos deben por completo sus funciones vitales a las reacciones químicas. Por citar un ejemplo fundamental entre los muchos que hay, veremos la fotosíntesis, un proceso químico gracias al cual se regenera el oxígeno atmosférico. La fotosíntesis es en realidad un complejo conjunto de reacciones químicas, que puede resumirse mediante esta ecuación simplificada: Dióxido de carbono

6 CO2

Agua

Glucosa

6 H2O → C6H12O6

Por eso es imprescindible mantener las grandes masas forestales del planeta; estas, junto con las algas marinas, son la garantía de una atmósfera respirable.

Reactivos O2 (Oxígeno)

Oxígeno

6 O2

Para que se pueda llevar a cabo este proceso es necesaria la clorofila, una molécula propia de las plantas y las algas, que actúa como catalizador de la reacción. La importancia que tiene la fotosíntesis radica en que consume dióxido de carbono y produce oxígeno.

H2O (Agua)

C6H12O6 (Glucosa)

CO2 (Dióxido de carbono)

Productos

Los cambios en la materia. Reacciones químicas

105

Las reacciones químicas en la industria La industria química supone un amplísimo porcentaje de la industria mundial. No es de extrañar, ya que tanto la obtención de materias primas como la elaboración de fármacos, abonos, productos cosméticos, aditivos, plaguicidas, etc., se incluyen dentro de este sector industrial. La industria química lleva a cabo procesos químicos cuyo objetivo es la transformación de la materia para obtener finalmente los productos que utilizamos cada día. La diversidad de la industria química, así como su importancia, es muy grande; podemos distinguir dos grandes grupos: la industria de base y la industria transformadora. ➜ La industria de base se ocupa de la obtención directa de las materias primas a partir de los recursos naturales. A este grupo pertenecen los altos hornos, donde se obtienen el hierro y el acero, o las refinerías, en las que se preparan las diferentes fracciones del petróleo. ➜ La industria de transformación es la que convierte las materias primas en productos para su uso o consumo. Por ejemplo, la industria farmacéutica pertenece claramente a este segundo grupo.

Un ejemplo: la síntesis del ácido sulfúrico Como ejemplo de proceso industrial relevante, vamos a estudiar la síntesis del ácido sulfúrico. Este ácido es un reactivo químico de amplio uso, tanto industrial como en el laboratorio, que se utiliza en numerosos procesos químicos. La síntesis comienza con la obtención del dióxido de azufre, SO2. Se lleva a cabo por tostación de un mineral, la pirita, cuya composición es mayoritariamente disulfuro de hierro, FeS2. La reacción química, que ocurre a altas temperaturas, sería la siguiente: Disulfuro de hierro

Oxígeno

Trióxido de dihierro

4 FeS2 (s)

+ 11 O2 (g) →

2 Fe2O3 (s)

Dióxido de azufre

8 SO2 (g)

A partir del dióxido de azufre se obtiene el trióxido de azufre, SO3, haciéndolo reaccionar con más oxígeno: Dióxido de azufre

Oxígeno

Trióxido de azufre

2 SO2 (g) +

O2 (g) →

2 SO3 (g)

➚ Zona industrial en La Rábida (Huelva).

Finalmente, el trióxido de azufre se combina con agua, obteniéndose el ácido sulfúrico, H2SO4: Trióxido de azufre

SO3 (g)

Agua

Ácido sulfúrico

+ H2O (l) → H2SO4 (ac)

e 12. Para las siguientes industrias químicas, razona qué transformación de la materia llevan a cabo, clasificándolas en industria de base o de transformación: a) Fabricación de papel.

c) Fabricación de plásticos.

b) Obtención de esencias.

d) Industria metalúrgica.

106

UNIDAD 5

13. La síntesis de ácido sulfúrico es, como acabamos de ver, un proceso industrial de gran importancia. En Andalucía, el ácido sulfúrico se obtiene en una amplia zona industrial –la mayor de nuestra comunidad– cercana a la ciudad de Huelva. Investiga en libros o en Internet algunos datos relativos a las empresas que lo producen, la cantidad de este ácido que generan y a qué usos se destina.

Las reacciones químicas y el medioambiente Las reacciones químicas y su uso para obtener productos y materiales con amplias aplicaciones han contribuido, sin duda, a mejorar en gran medida nuestra calidad de vida. Sin embargo, la contrapartida ha sido el deterioro del medioambiente. La contaminación provocada por el vertido de compuestos químicos sintéticos al entorno, unida a la sobreexplotación de los recursos, ha puesto en riesgo la preservación de la naturaleza.

¿Qué es el efecto invernadero? La actividad del ser humano y el aumento constante de la población y de la demanda energética en un mundo desarrollado, han conducido a una serie de problemas medioambientales de ámbito global; es decir, que afectan a todo el planeta. Uno de los más conocidos es el aumento del efecto invernadero. Pero ¿a qué llamamos efecto invernadero? Se le da esta denominación al calentamiento de la superficie terres-

tre debido a la acumulación en la atmósfera de dióxido de carbono y otros gases, como el metano y el vapor de agua. Se produce porque el dióxido de carbono y los otros gases mencionados absorben parte de la radiación solar que refleja la superficie de la Tierra. Esta radiación ya no se emite al espacio, y la consecuencia es la elevación de la temperatura de la atmósfera.

Radiación solar

CO2

CO2 CO2 CO2

➚ Efecto invernadero. La radiación solar es absorbida por el dióxido de carbono y otros gases, aumentando así la temperatura. Un efecto invernadero moderado es necesario para mantener la vida en la Tierra, ya que, en caso contrario, la temperatura sería demasiado baja. El problema es que, debido al uso cada vez mayor de la combustión, la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera se está incrementando continuamente y de manera muy rápida.

La consecuencia es el cambio climático, de desastrosas consecuencias medioambientales sobre gran número de ecosistemas. Se estima que un aumento de tan solo 2 ºC en la temperatura media de la atmósfera ocasionaría el deshielo de los polos y un aumento de varios metros en el nivel del mar.

e 14. Lee atentamente el siguiente enunciado: «El efecto invernadero es necesario para que exista vida en la Tierra. Sin embargo, un efecto invernadero demasiado alto puede conducir a la extinción de muchas especies». a) ¿Estás de acuerdo con la afirmación anterior? Explícalo, buscando previamente, si es necesario, más información en libros o en Internet. b) Trabajando por parejas, redactad un texto argumentando las consecuencias de un excesivo efecto invernadero sobre la vida en la Tierra.

Los cambios en la materia. Reacciones químicas

107

PROFUNDIZA Ley de conservación de la masa Los primeros estudios sobre las reacciones químicas se centraban en determinar las proporciones que guardaban entre sí las sustancias participantes del proceso. Esto llevó al descubrimiento de algunas leyes importantes.

Una de las primeras fue la ley de conservación de la masa, también conocida como ley de Lavoisier, en honor al químico francés Antoine Laurent de Lavoisier, que la enunció en siglo xviii.

La ley de conservación de la masa dice que, en cualquier reacción química, la suma de las masas de todas las sustancias que actúan como reactivos coincide con la suma de las masas de los productos de la reacción; es decir, la masa se conserva. Esta ley, que es una de las leyes fundamentales de la química, nos permite determinar la cantidad de una de las sustancias que ha reaccionado o se ha producido a partir del valor de todas las demás. Veamos cómo realizar cálculos con la ley de Lavoisier:

PASO A PASO El zinc (Zn) es un metal que reacciona químicamente con el cloruro de hidrógeno (HCl), produciendo dicloruro de zinc (ZnCl2) e hidrógeno en estado gaseoso (H2). ¿Qué cantidad de hidrógeno se producirá cuando se hacen reaccionar 65,4 g de zinc con 73 g de cloruro de hidrógeno, si sabemos que se han obtenido 136,4 g de dicloruro de zinc? 1

Escribimos la ecuación química representativa del proceso, indicando la masa de cada una de las sustancias: REACTIVOS

PRODUCTOS

Zn (s) + 2 HCl (ac) → 65,4 g 2

73 g

ZnCl2 (ac)

H2 (g)

136,4 g

➚ Conservación de la masa.

Realizando cuidadosas mediciones se puede comprobar la validez de esta ley.

⇒ Ley de Lavoisier

Despejamos la incógnita que resulta de la igualdad, para determinar la masa de la sustancia cuyo valor queremos calcular: Masa de hidrógeno: x = 65,4 g + 73 g – 136,4 g = 2 g

Se obtienen 2 g de hidrógeno gaseoso, de acuerdo con la ley de Lavoisier.

108

15. Al reaccionar 12 g de hidrógeno gaseoso con una cierta cantidad de gas nitrógeno se obtienen 68 g de amoníaco (NH3). Aplica la ley de Lavoisier y determina cuál es la cantidad de nitrógeno que ha reaccionado en este proceso.

a) ¿Qué cantidad de oxígeno se consumirá para quemar 12 g de metano, si al hacerlo se producen 33 g de dióxido de carbono y 27 g de vapor de agua?

16. ¿Qué ocurrirá en una reacción química dada si se duplica la cantidad de cada uno de los reactivos, según la ley de Lavoisier?

b) ¿Cuánto CO2 se formará si se queman 2 kg de CH4 con 8 kg de O2 y se producen 4,5 L de agua? Recuerda que 1 L de agua tiene una masa de 1 000 g.

UNIDAD 5

17. La combustión del metano (CH4) con oxígeno (O2) produce dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

Comenzamos viendo qué se entiende por proceso químico. ➜ Un cambio o proceso químico es aquel en el cual las sustancias cambian su naturaleza y se transforman para dar lugar a otras nuevas. Y cuáles son los indicadores que lo ponen de manifiesto:  Un cambio de color inesperado.

 El desprendimiento espontáneo de gases.

 La precipitación de sustancias.

 Los cambios bruscos de temperatura.

Estudiamos diversos aspectos de las reacciones químicas. ➜ Una reacción química es cualquier proceso químico. Denominamos reactivos a las sustancias presentes antes de que tenga lugar la reacción, mientras que los productos son las sustancias nuevas que se forman. Aprendimos qué ocurre a nivel microscópico: ➜ Se produce una reordenación de los átomos de los reactivos para dar lugar a la formación de los productos, rompiéndose algunos enlaces y formándose otros. La representamos mediante una ecuación química ajustada: ➜ Una ecuación química ajustada es aquella en la cual hay el mismo número de átomos de cada tipo en los reactivos y en los productos.  Se escribe la ecuación sin ajustar y se realiza un primer recuento de átomos en reactivos y productos.  Se modifican los coeficientes estequiométricos hasta que se consigue igualar este número de átomos. También conocimos algunos tipos de reacciones químicas: De formación

De descomposición

De combustión

Analizamos los factores que influyen en la velocidad de una reacción.  La temperatura a la que tiene lugar el proceso.  La concentración de los reactivos.  La presencia de catalizadores.

Finalizamos comprendiendo la importancia de las reacciones químicas en el entorno.  Relacionadas con los seres vivos y las funciones vitales, como la fotosíntesis.  Base de la industria química y los procesos de síntesis.  Con repercusión sobre el medioambiente, como la combustión, que aumenta el efecto invernadero.

Los cambios en la materia. Reacciones químicas

109

18. Recuerda lo que aprendiste en la unidad 4 y explica la diferencia entre un proceso físico y un proceso químico, incluyendo un ejemplo de cada tipo para ilustrar tu explicación.

b) ¿Qué tiene que ocurrir con los enlaces entre los átomos que forman los reactivos?

19. Indica si los siguientes procesos o cambios son físicos o químicos, justificando tu respuesta: a) El agua hierve al calentarse en una cacerola.

25. Los siguientes enunciados no son correctos. Busca el error en cada uno de ellos y cópialos de nuevo en tu cuaderno, ya corregidos:

b) La mantequilla lleva mucho tiempo abierta y se ha puesto rancia.

a) Una reacción química es un proceso en el que se calientan unos reactivos para obtener unos productos.

c) Se calienta la comida en el microondas.

b) Durante una reacción química, se forman nuevos elementos, que reciben el nombre de productos.

d) Se obtiene un nuevo fármaco en el laboratorio. e) Se filtra el aceite usado antes de guardarlo. 20. Los procesos químicos se pueden reconocer a partir de algunos fenómenos que los ponen de manifiesto. a) Enumera cuáles son estos indicadores, en los que nos basamos para identificar un proceso químico.

c) ¿Cómo se forman los productos de la reacción?

c) En todas las reacciones químicas se producen cambios de color y precipitación de sustancias. d) Hay muy pocos cambios químicos, ya que es muy difícil que cambien las sustancias; la mayoría son cambios físicos. 26. Contesta brevemente a las siguientes cuestiones:

b) ¿Cuál de ellos se observa, por ejemplo, al encender un mechero?

a) ¿Cómo podemos saber si una ecuación química está ajustada?

c) Y cuando ponemos una pastilla efervescente en agua, ¿qué fenómeno de los anteriores aparece?

b) ¿Puede ser útil una ecuación química sin ajustar? ¿Qué limitación tiene?

21. Copia y completa este texto en tu cuaderno, sustituyendo los símbolos ◆ por las palabras que correspondan en cada caso:

27. Observa esta ecuación química, que representa la oxidación de dióxido de azufre para dar trióxido de azufre.

Los cambios químicos reciben también el nombre de ◆◆. Las sustancias que tenemos antes del cambio son los ◆ y las que se forman después son los ◆. Se pueden representar mediante ◆ ◆ en las cuales aparecen las ◆ de los reactivos en un lado y las de los ◆ en el otro, separadas por una ◆.

a) Razona si está o no ajustada.

22. Responde a las siguientes cuestiones sobre las reacciones químicas, indicando algún ejemplo:

a) Escribimos la ecuación química, con sus coeficientes estequiométricos y la interpretamos.

a) ¿A qué llamamos reactivos?

b) Comprobamos que la cantidad de átomos en reactivos y productos es la misma.

b) ¿Qué son los productos de una reacción química? c) ¿Qué información nos proporciona una ecuación química? 23. Al poner un trozo de hierro (Fe) en una disolución acuosa de cloruro de hidrógeno (HCl), se observa cómo al cabo de un cierto tiempo comienzan a desprenderse espontáneamente burbujas de gas, y se produce dicloruro de hierro (FeCl2), que queda en disolución acuosa, e hidrógeno gaseoso (H2). a) ¿Podemos afirmar que se ha producido una reacción química? ¿Por qué? b) En caso afirmativo, ¿cuál será la ecuación química que representa este proceso? Escríbela. 24. Como ya sabes, la materia está formada por átomos, que se unen para dar lugar a moléculas y cristales. a) ¿Qué ocurre, desde el punto de vista microscópico, durante una reacción química?

110

UNIDAD 5

SO2 (g) + O2 (g) → SO3 (g) b) ¿Qué información nos proporciona? 28. Para ajustar una ecuación química hay que realizar una serie de pasos. Cópialos en tu cuaderno en el orden correcto:

c) Realizamos un recuento de átomos a partir de las fórmulas. d) Escribimos la ecuación química sin ajustar. e) Vamos modificando los coeficientes estequiométricos y contando los átomos en reactivos y productos. 29. Fíjate en las siguientes ecuaciones químicas que representan dos reacciones: C2H6 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g) 2 Al (s) + 6 HCl (g) → 2 AlCl3 (s) + 3 H2 (g) a) Para cada una de ellas, justifica si la ecuación está o no ajustada. b) ¿Qué información nos proporciona cada ecuación? Consulta el anexo de formulación u otras fuentes de información, si lo necesitas, y explícalo.

30. El amoníaco es un compuesto químico de gran importancia industrial, que constituye, por ejemplo, la base de muchos productos de limpieza para el hogar. La ecuación química que representa el proceso de síntesis del amoníaco es: Hidrógeno

H2 (g)

Nitrógeno

N2 (g)

Amoníaco

→

NH3 (g)

Ajusta esta ecuación química, escribiendo sus coeficientes estequiométricos, e interpreta la ecuación obtenida. 31. Realiza el ajuste de las siguientes ecuaciones químicas e interpreta el significado de las correspondientes ecuaciones ajustadas. No olvides comprobar que el número de átomos de cada elemento en los reactivos es el mismo que en los productos. a) KClO3 (s) → KCl (s) + O2 (g) b) Al (s) + O2 (g) → Al2O3 (s) c) N2O5 (s) + H2O (l) → HNO3 (ac) e) C2H4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g) 32. Indica qué característica de las siguientes corresponde a una reacción de formación, a una reacción de descomposición o a una de combustión, respectivamente: a) Una única sustancia da lugar a la formación de varios productos. b) Uno de los reactivos es el oxígeno, y se desprende gran cantidad de energía. c) Se obtiene un compuesto a partir de sus elementos.

2 Mg (s) + O2 (g) → 2 MgO (s) 2 PbO2 (s) → 2 PbO (s) + O2 (g) 2 H2O2 (l) → 2 H2O (l) + O2 (g) a) Indica, en cada caso, si representan reacciones de formación, de descomposición o de combustión. Justifica tu respuesta. b) Elige una de las ecuaciones y comprueba si está correctamente ajustada. ¿Cómo has realizado la comprobación? 34. El etano es un gas de fórmula C2H6 que reacciona fácilmente con el oxígeno atmosférico, desprendiendo una gran cantidad de energía en el proceso. La ecuación química de esta reacción es la siguiente:

O2 (g)

Dióxido de carbono

→

CO2 (g)

Según la ◆ a la que transcurren, las reacciones químicas pueden ser ◆ o lentas. Hay determinados factores que permiten aumentar la ◆ de una reacción, como pueden ser la presencia de ◆, que son sustancias que se añaden junto a los ◆, pero que no se consumen en el proceso. 36. Como sabrás, la mayoría de los alimentos, sean crudos o cocinados, deben conservarse refrigerados, pues, en caso contrario, se pueden estropear, poniendo incluso en peligro nuestra salud.

b) Teniendo en cuenta la respuesta a la pregunta anterior, ¿por qué las bajas temperaturas ayudan a conservar los alimentos? Piensa en lo que conoces sobre la velocidad de las reacciones químicas. 37. En muchas ocasiones, es importante aumentar la velocidad de una determinada reacción química. Una de las formas más habituales de conseguirlo es el uso de catalizadores. a) ¿Por qué crees que los catalizadores se usan tanto en la industria química?

c) ¿Cómo actúa un catalizador a nivel microscópico? ¿Por qué supone un aumento en la velocidad de la reacción? Explícalo.

2 C6H6 (l) + 15 O2 (g) → 12 CO2 (g) + 6 H2O (l)

C2 H6 (g)

35. Copia y completa este texto en tu cuaderno, sustituyendo los símbolos ◆ por los términos que correspondan en cada caso:

b) Los catalizadores son específicos para cada proceso. ¿Qué puede significar esto?

33. Observa estas ecuaciones químicas:

Oxígeno

b) Ajusta la ecuación anterior e interpreta el significado de los coeficientes estequiométricos obtenidos.

a) ¿Piensas que los procesos que dan lugar a que un alimento se estropee son de tipo químico? Razónalo, investigando si es necesario en las fuentes de información.

d) Cl2 (g) + KI (ac) → I2 (s) + KCl (ac)

Etano

a) ¿Podemos afirmar que esta ecuación corresponde a una reacción química de combustión? Explícalo.

Agua

H2 O (g)

38. La fotosíntesis es uno de los muchos procesos químicos que ocurren en nuestro entorno. a) ¿Qué interés biológico tiene la fotosíntesis? b) Aunque en realidad se trata de un conjunto complejo de reacciones químicas, puede resumirse en una sola ecuación química. ¿Cuáles son los reactivos y los productos en esta ecuación? 39. La industria química representa un porcentaje significativo dentro del sector industrial en general. a) Explica qué entendemos por industria química y cuál es su relación con los procesos químicos. b) ¿Qué dos tipos de industria química existen? Define cada uno de ellos e ilustra tus definiciones con ejemplos.

Los cambios en la materia. Reacciones químicas

111

REFUERZO MIS COMPETENCIAS

e 40. Muchas calderas de sistemas de calefacción utilizan gas propano para su funcionamiento, en lugar de gas natural o gas butano, que son los combustibles domésticos más habituales. Considerando que el propano es un gas licuado de petróleo (GLP), cuya fórmula química es C3H8:

lizadores en el mismo. Investiga en las fuentes de información y elabora una ficha sobre este proceso. Debes incluir:

a) Escribe y ajusta la ecuación química correspondiente a la combustión del propano.

Las condiciones del proceso y los catalizadores utilizados.

b) Explica qué ocurre desde el punto de vista microscópico durante este proceso químico. Fíjate en la figura ilustrativa de la página 100.

Una breve reseña histórica del proceso Haber-Bosh. La ecuación química correspondiente a la síntesis del amoníaco mediante este proceso. 43. Investiga en revistas o en Internet acerca de las evidencias que prueban que se está produciendo un cambio climático, con un aumento de la temperatura media de la atmósfera terrestre. Luego, trabajando por parejas, poned en común la información que habéis obtenido y redactadla en un texto. Podéis leerlo en clase para debatir sobre esta importante cuestión. 44. En la actualidad, existen varios problemas medioambientales que preocupan mucho en el ámbito mundial, casi siempre causados por diversos procesos químicos, resultado de la intensa actividad humana. Trabajaréis en grupos de cuatro. Debéis elaborar una presentación sobre los principales problemas medioambientales a escala planetaria. Para ello, podéis comenzar investigando los siguientes aspectos:

41. Como ya sabes, en una reacción de formación hay un único producto (un compuesto), y los reactivos son los elementos a partir de los cuales se ha formado. Podría esquematizarse así: Elementos → Compuesto

Cada elemento se representa mediante su símbolo químico, que podemos consultar en cualquier tabla periódica. También hay que tener en cuenta que hay ciertos elementos químicos gaseosos (hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y cloro), que se encuentran formando moléculas, a diferencia de lo que ocurre con el resto de elementos. Considerando lo anterior, escribe y ajusta las ecuaciones químicas que corresponden a las reacciones de formación de las siguientes sustancias. No olvides indicar los estados de agregación de cada reactivo y producto, investigándolo en libros o en Internet si es necesario. a) Cloruro de sodio, NaCl. b) Pentaóxido de dinitrógeno, N2O5. c) Trihidruro de hierro, FeH3. d) Fosfato de aluminio, AlPO4. 42. El amoníaco (NH3) es un compuesto de gran interés industrial. Para obtenerlo, se utiliza el denominado proceso Haber-Bosch, que no sería posible sin la participación de cata-

112

UNIDAD 5

Aumento del efecto invernadero y cambio climático. Recopilad la información que ya conocéis, complementándola, si lo veis oportuno, con algunas cifras. Acidificación de los océanos y deterioro de los ecosistemas marinos. Buscad en qué consiste y cuáles son sus consecuencias a medio y largo plazo. Agujero de la capa de ozono. Podéis consultar el código QR de la página 107. Lluvia ácida. Investigad sobre este fenómeno y sus causas y consecuencias en libros o en Internet. ¿Qué actuaciones podrían proponerse para intentar revertir o al menos frenar estos problemas? Debatidlo en clase.

INVESTIGA ¿Puede ser el vinagre un reactivo químico? El vinagre tiene la peculiaridad de que posee sabor ácido, debido a lo cual lo utilizamos ampliamente como aliño y como conservante. Este sabor se debe a que en su composición contiene ácido acético. Desde el punto de vista químico, los ácidos son sustancias que, además de tener un sabor ácido, dan lugar a reacciones químicas características.

Realizamos un experimento Para llevar a cabo esta experiencia necesitas un huevo de gallina limpio y una botella de vinagre(1). Toma un vaso grande transparente. Pon el huevo en el fondo, con cuidado de que no se rompa, y añade vinagre hasta que quede completamente cubierto(2). Coloca el vaso en un sitio reservado, y déjalo ahí en reposo durante un día. Ve anotando, cada cierto tiempo, lo que ocurre en el interior del vaso(3). Finalmente, transcurrido este plazo, vierte con cuidado el contenido del vaso en un fregadero, coge el huevo y lávalo con cuidado bajo el agua del grifo. ¿Qué le ha ocurrido? 1

Preparamos un informe A partir de la información obtenida en esta experiencia vas a elaborar un informe científico. Utiliza como guía estos apartados:

Recopila infoRmación Comienza recopilando información sobre la experiencia, incluyendo los materiales y sustancias utilizados. Busca datos sobre la composición del vinagre y de la cáscara del huevo. ➜ ¿Qué se observó en el huevo, al cabo de unos minutos de añadir el vinagre? ➜ Una vez trascurrido un día, ¿qué se apreciaba en el huevo?

explica lo ocuRRido Es evidente que lo ocurrido se ha debido a una interacción entre el vinagre y la cáscara del huevo. Como ya sabes, el vinagre contiene ácido acético; teniendo en cuenta la composición química de la cáscara del huevo, ¿qué tipo de proceso ha tenido lugar? Utiliza la respuesta para elaborar una hipótesis que justifique el resultado de esta experiencia.

compRueba tu Hipótesis ¿Cómo puedes comprobar si tu hipótesis es correcta? Diseña una experiencia adicional que permita validar tu explicación, para lo cual puedes considerar algunas otras sustancias que tengan características similares al vinagre o sean parecidas a la cáscara del huevo.

Resume tus conclusiones Para finalizar, completa un informe en el que queden reflejados todos los datos recopilados en esta experiencia y los resultados obtenidos. No olvides incluir la explicación del fenómeno observado y tus conclusiones finales.

Los cambios en la materia. Reacciones químicas

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Después de terminar la unidad sobre las reacciones químicas, los alumnos y alumnas de 2.º D van a visitar una fábrica química cercana a su ciudad. Su profesora quiere mostrarles cómo la química es útil para obtener productos necesarios en el día a día. La fábrica pertenece a una empresa que comercializa fertilizantes agrícolas. Los alumnos, acompañados por su profesora y por el personal de empresa responsable de la producción, visitarán la planta, los almacenes y también el laboratorio. Pero antes deben preparar la visita en clase.

1 Para empezar, la profesora les plantea qué opinión tienen acerca de la industria química. Adela, la delegada de la clase, dice que le parece necesaria, pero a Juan le preocupa la contaminación que puede generar y duda de si tal vez habría que prescindir de tantos productos químicos. ¿Por qué son necesarios los fertilizantes en la agricultura moderna? ¿Qué papel desempeña la química al respecto? Investiga un poco sobre la cuestión.

3 Nerea quiere saber si la urea se encuentra en el medio natural de alguna manera. La profesora le explica que nuestros cuerpos producen urea durante el metabolismo. Busca la información necesaria en libros de biología o en Internet para saber cómo se produce este compuesto en el organismo y de qué forma se excreta.

2 La planta industrial que van a visitar fabrica uno de los fertilizantes más comercializados: perlas de urea para uso agrícola. La profesora les cuenta que la urea es un compuesto químico bastante común. Utilizando la bibliografía o Internet, averigua cuál es la fórmula de la urea. ¿Qué elemento, presente en la urea, es el que las plantas necesitan durante su crecimiento?

4 Evidentemente, la fábrica química debe utilizar algún proceso químico para obtener grandes cantidades de urea con bajo coste económico. Jesús tiene interés en conocerlo, pero la profesora prefiere que los alumnos lo investiguen por su cuenta. ¿Puedes ayudarlos a encontrar el proceso químico implicado en la obtención industrial de la urea? Lo encontrarás en libros de química o en Internet.

Y ahora llega la puesta en común… La industria química es muy variada. En esta actividad habéis conocido algo más acerca de un proceso industrial en concreto, como es la fabricación de urea, utilizada como fertilizante común. Os proponemos que, trabajando en grupos de tres o cuatro, resumáis el proceso en una ficha para la puesta en común. Podéis incluir algunos datos adicionales, si lo veis oportuno.

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UNIDAD 5

PERSONAJES DE CIENCIA Joseph Priestley: gran estudioso y autor polifacético Nació en Gran Bretaña en 1733 y fue clérigo y filósofo a la vez que un hombre de ciencia. Al igual que otros pioneros de la química, como Boyle o Lavoisier, realizó numerosos experimentos y publicó más de 150 obras de carácter científico, teológico o pedagógico, ya que también fue profesor. Inventó el agua carbonatada y se le considera uno de los primeros en aislar el oxígeno, aunque su principal aportación quizás sea el descubrimiento de que las plantas producen este gas en sus hojas, como bien sabemos hoy día. Gozó de un gran prestigio científico, a pesar de que defendió algunas hipótesis erróneas.

➚ Joseph Priestley (1733-1804).

e 1

A diferencia de un proceso físico, en un proceso químico:

Para la industria, la velocidad de las reacciones químicas es importante, ya que:

a La temperatura aumenta mucho.

a No deben ser ni muy lentas ni muy rápidas.

b La composición del sistema cambia.

b Interesa que sean muy rápidas.

c Aparecen vapores.

c Determina si una reacción tiene utilidad o no.

Una reacción química es un proceso químico en el cual:

Si aumenta la concentración de los reactivos, ¿qué ocurre con la velocidad de la reacción?

a Se juntan los reactivos y los productos.

a Disminuye.

b Se forman varios productos.

b Aumenta.

c Los reactivos se transforman en los productos.

c No influye para nada.

Una ecuación química representa el proceso químico que tiene lugar, por tanto:

En nuestro entorno cotidiano, la presencia de las reacciones químicas es:

a Aparecen todas las sustancias implicadas.

a Muy amplia.

b Muestra el estado de agregación de cada una.

b Puntual, hay algunos ejemplos importantes.

c Ambas afirmaciones son correctas.

c Bastante esporádica.

En una ecuación química ajustada, los coeficientes estequiométricos son:

La reacción de combustión es muy importante. Esto se debe a que:

a Números enteros delante de las fórmulas.

a Produce el oxígeno que respiramos.

b Número de cada tipo de átomos.

b Garantiza un efecto invernadero moderado.

c Ninguna es correcta.

c Produce gran cantidad de energía calorífica.

¿Qué caracteriza a una reacción de descomposición?

10 La industria química es importante porque:

a Que da lugar a varios productos.

a Mantiene la economía de los países.

b Que hay varios reactivos y un producto.

b Nos proporciona materiales sintéticos de gran valor.

c Que hay un solo reactivo y varios productos.

c Produce la energía que consumimos. Los cambios en la materia. Reacciones químicas

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UNIDAD

9 El calor y la temperatura.

Transferencias de calor

¿QUÉ SABES DE...? 1 En verano, decimos que hace mucho calor y en invierno, que hace mucho frío. ¿Crees que el calor y el frío son magnitudes físicas? 2 Los países anglosajones miden la temperatura en otra unidad. ¿Sabes cuál es? 3 ¿Por qué notamos algunos objetos fríos o calientes? Piensa en algunos ejemplos.

¿TE HAS PREGUNTADO ALGUNA VEZ CUÁL ES LA RELACIÓN ENTRE EL CALOR Y LA TEMPERATURA? ¿TE HAS PREGUNTADO ALGUNA VEZ Si aún no lo sabes, en esta unidad QUÉ ESTÁ FORMADA LA MATERIA? descubriremos juntos: 1 ¿Qué sonunidad, el caloraprenderás: y la temperatura? En esta 21 ¿Cómo selas mide la temperatura? ¿Por qué placas litosféricas forman un puzle? 3 efectos produce calor? 2 ¿Qué Los volcanes: el fuegoelinterno 4 se propaga el calor? 3 ¿Cómo Los seísmos: ¿por qué tiembla la Tierra? 4 ¿Cómo se forman las montañas? 5 ¿Cómo se expanden los océanos? 6 ¿Viajan los continentes a la deriva?

1 ¿Qué son el calor y la temperatura?

e En verano, es habitual escuchar en la previsión diaria del tiempo alertas sobre las altas temperaturas que se pueden llegar a alcanzar en ciertas zonas. Por tanto, calor y temperatura son dos términos muy frecuentes en nuestra vida cotidiana, pero tal vez no conozcamos su significado como magnitudes físicas. a ¿Qué temperaturas máximas se suelen alcanzar en verano en la zona donde vives? b ¿Es lo mismo calor que temperatura?

Cuando decimos que hace calor o frío, estamos expresando una sensación que experimentamos según sea la temperatura del lugar en el que nos encontramos. Pero desde un punto de vista físico, el calor es solo una de las formas de energía. El calor (Q) es la energía que se transfiere entre dos sistemas materiales que se encuentran a distinta temperatura. La transferencia se produce desde el sistema con mayor temperatura hacia el de menor temperatura. Al ser una forma de energía, el calor se puede medir y expresar en julios (J), la unidad de energía del Sistema Internacional, pero es frecuente también hacerlo en calorías (cal). Recuerda las equivalencias entre ambas unidades: 1 cal = 4,18 J

1 J = 0,24 cal

Por tanto, de acuerdo con la definición de calor anterior, este es una forma de energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a la diferencia de temperaturas. De este modo, no es correcto decir que un cuerpo posee calor si su temperatura es alta; sino que lo correcto es decir que, si ese cuerpo se pone en contacto con otro que se encuentre a una temperatura menor, puede cederle energía en forma de calor.

➚ Transferencia de calor. El calor fluye desde el radiador hasta nuestras manos, debido a la diferencia de temperatura entre ambos.

1. El concepto físico de calor es algo distinto de la idea que solemos tener.

2. Realiza las siguientes conversiones de unidades:

a) ¿Qué es el calor, de acuerdo con la física?

a) Q1 = 470 cal en J.

b) Q2 = 1 358 J en cal.

c) Q3 = 64 kJ en cal.

d) Q4 = 5 kcal en J.

b) ¿Qué unidades se utilizan para la medida del calor? Indica cuál es la equivalencia entre ambas. c) Según la definición de calor, ¿sería correcto decir que una olla que se ha calentado al fuego tiene mucho calor, ya que puede llegar a quemarnos? Razona tu respuesta.

182

UNIDAD 9

3. El calor es una energía que se transfiere. a) ¿Qué condición debe cumplirse para que se produzca la transferencia de calor entre dos cuerpos? b) ¿Qué ocurriría si ponemos en contacto dos cuerpos a la misma temperatura? Explícalo.

¿Qué es la energía interna? ¿De dónde proviene la energía de un sistema material? Para responder a esta pregunta, recordemos la teoría cinético-molecular: la materia, ya sea sólida, líquida o gaseosa, está formada por pequeñas partículas que se mueven. Por tanto, poseen una cierta energía cinética. Para cada partícula podemos sumar su energía cinética y su energía potencial, obteniendo su energía mecánica. La energía interna de un sistema material es la suma de la energía mecánica de todas y cada una de las partículas que forman dicho sistema. De acuerdo con esta definición, podemos deducir que la energía interna de un sistema depende de dos factores: ➜ El número de partículas que lo forman. Así, cuanto mayor sea este número, mayor será la energía interna, que equivale a la suma de las energías de cada partícula. ➜ El grado de agitación o movimiento de las partículas. Si se mueven más, su energía cinética será mayor y, por tanto, también lo será la energía mecánica y, en consecuencia, la energía interna.

El metal del banco está formado por partículas que vibran continuamente. Al calentarse, vibran con más intensidad.

La energía interna es la suma de la energía mecánica de todas las partículas que forman un sistema material.

El valor exacto de la energía interna de un sistema no puede medirse ni calcularse, pues eso significaría determinar exactamente la energía mecánica de cada partícula en un momento dado. Lo que sí puede estimarse es la variación que sufre la energía interna cuando sometemos el sistema a intercambios de energía.

e 4. Recuerda, de las distintas formas de energía que existen, qué se entiende por energía cinética y por energía mecánica. ¿Qué relación existe entre la energía cinética, la energía mecánica y la energía interna de un sistema? Explica claramente tu respuesta. 5. Justifica, utilizando la definición de energía interna y la teoría cinético-molecular, si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. Puedes consultar el código QR de esta misma página. a) Si un cubito de hielo se funde, aumenta su energía interna. b) Un sistema material sólido siempre posee menos energía interna que un sistema material gaseoso.

El calor y la temperatura. Transferencias de calor

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¿En qué se diferencian el calor y la temperatura? En la vida cotidiana, y también en el laboratorio, medimos otra magnitud de los sistemas materiales relacionada con los intercambios de calor: la temperatura. Por eso hablamos de sistemas calientes o fríos. Pero ¿cómo la definimos desde el punto de vista de la física? La temperatura (T) es una magnitud física relacionada con la energía cinética media de las partículas que forman un sistema material. De acuerdo con esto, si las partículas del sistema se mueven con mayor velocidad, es mayor su energía cinética y, por tanto, aumenta la temperatura que medimos para dicho sistema: se calienta. Si, por alguna razón, disminuye la energía cinética promedio de las partículas −se mueven más lentamente−, la temperatura del sistema también disminuye: se enfría. A partir de esta relación entre la energía cinética de las partículas y la temperatura podemos comprender lo que ocurre al producirse intercambios de calor entre sistemas. Cuando un sistema transfiere parte de su energía en forma de calor, sus partículas pierden energía cinética y se mueven más lentamente, disminuyendo así su temperatura. Por el contrario, si el sistema recibe energía en forma de calor, sus partículas se mueven más deprisa, incrementando su energía cinética y aumentando su temperatura. Las partículas del gas se mueven continuamente y al azar, chocando entre ellas y con las paredes del recipiente.

Al recibir energía en forma de calor, las partículas del gas se mueven más rápidamente y, en consecuencia, aumenta la temperatura.

e 6. La temperatura de un sistema material es una magnitud directamente relacionada con su estructura microscópica. De acuerdo con esto:

7. Los siguientes enunciados no son correctos. Corrígelos en tu cuaderno:

a) ¿Qué relación existe entre la temperatura y las partículas del sistema? Explícalo.

a) La temperatura es una magnitud que mide la energía mecánica de las partículas que forman un sistema material.

b) ¿Cómo podemos justificar que, cuando se aplica calor, se produce un incremento de su temperatura? Redacta la respuesta en un breve párrafo.

b) El calor y la temperatura son lo mismo, por lo que podemos decir que al calentar un cuerpo aumenta la cantidad de calor que posee y, por tanto, su temperatura.

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UNIDAD 9

¿Qué es el equilibrio térmico? Durante la transferencia de calor entre dos sistemas que se encuentran a distinta temperatura, se observa cómo el sistema que cede calor va disminuyendo poco a poco su temperatura, mientras que el que recibe calor la incrementa. Es lógico pensar que llegará un momento en que ambos sistemas igualen sus valores de temperatura.

Los alimentos que se conservan en el frigorífico se encuentran a la temperatura programada en el electrodoméstico.

El equilibrio térmico es el estado que se alcanza cuando dos sistemas entre los cuales se está produciendo una transferencia de calor, igualan sus temperaturas. Cuando se alcanza el equilibrio térmico, cesa el intercambio de calor, pues los sistemas ya se encuentran a la misma temperatura.

Se ha alcanzado el equilibrio térmico, y cuando sacamos algún alimento del frigorífico, este recibe calor del exterior, que está más caliente, y aumenta su temperatura.

OBSERVA Y APRENDE Sacamos del microondas un vaso de leche caliente y lo dejamos sobre la mesa. Al cabo de cinco minutos se ha enfriado. Después de otros cinco minutos, continúa a la misma temperatura. Explica lo ocurrido. Cuando sacamos el vaso caliente y lo ponemos sobre la mesa, la temperatura del vaso es superior a la de la mesa y el aire que lo rodea. Por tanto, se produce una cesión de calor desde el vaso hacia la mesa y el aire, y el vaso se enfría.

Después de cinco minutos, se ha alcanzado el equilibrio térmico, pues nos dicen que la temperatura del vaso ya no cambia. Significa que ha cesado el intercambio de calor, y que el vaso se encuentra a la misma temperatura que la mesa y el aire que lo rodea. El vaso se enfría hasta alcanzar el equilibrio térmico. A partir de ese momento, su temperatura ya no varía.

e 8. Redacta un breve párrafo de unas cuatro líneas utilizando los siguientes términos: calor, temperatura, sistema, equilibrio térmico. No olvides leerlo antes de darlo por terminado. 9. Justifica si existe equilibrio térmico o no en las siguientes situaciones: a) Julia está nadando en la piscina. b) Un plato de sopa lleva media hora servido sobre la mesa. c) Un helado está dentro del congelador. d) Sacamos un helado del congelador. e) Echamos un cubito de hielo en una bebida.

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2 ¿Cómo se mide la temperatura?

e En un artículo publicado en 1724, Daniel Gabriel Fahrenheit escribió: «Colocando el termómetro en una mezcla de sal de amonio o agua salada, hielo y agua, encontré un punto sobre la escala al cual llamé cero. Un segundo punto lo obtuve de la misma manera, si la mezcla se usa sin sal. Entonces denoté este punto como 30. Un tercer punto, designado como 96, fue obtenido colocando el termómetro en la boca para adquirir el calor del cuerpo humano». ¿Qué te parece este procedimiento para determinar su escala de temperatura? ¿Son fiables las referencias adoptadas? Expresa tu opinión.

La temperatura es una magnitud que se mide con un instrumento llamado termómetro. La mayoría de los termómetros basan su funcionamiento en la dilatación que experimenta un líquido al recibir energía en forma de calor. El interior del termómetro posee un tubo capilar muy delgado, que contiene el líquido, que se dilata y expande por el tubo, marcando la temperatura alcanzada en una escala graduada. Dicha escala ha sido previamente calibrada con temperaturas conocidas. Para expresar la temperatura, disponemos de varias escalas de medida. Cada una se define a partir de dos valores fijos de temperatura o valores de referencia, a partir de los cuales se puede obtener el resto.

➚ Termómetro ambiental.

Las escalas Celsius y Kelvin En el ámbito cotidiano, la escala utilizada habitualmente para medir la temperatura es la escala Celsius (ºC, grados Celsius o centígrados), que toma como valores de referencia los puntos de fusión y de ebullición del agua.

Escala Celsius

Escala Kelvin

100 °C

373,15 K

0 °C

273,15 K

Para definir esta escala se asigna el valor de 0 ºC para el punto de fusión del agua, mientras que se toma el valor de 100 ºC para el punto de ebullición del agua. La escala se divide en 100 unidades de temperatura, cada una de las cuales es un grado Celsius o centígrado. Sin embargo, en el ámbito científico se utiliza la escala Kelvin o absoluta (K) para expresar los valores de temperatura. En esta escala, el punto de fusión del agua toma el valor de 273,15 K, mientras que el punto de ebullición del agua es de 373,15 K; entre ambos valores se define la escala de 100 unidades o Kelvin. Para convertir valores de temperatura entre ambas escalas, bastará con sumar o restar la cantidad de 273,15.

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UNIDAD 9

Para pasar de grados Celsius a Kelvin:

Para pasar de Kelvin a grados Celsius:

T (K) = T (ºC) + 273,15

T (ºC) = T (K) – 273,15

La escala Fahrenheit Además de la escala Celsius y la escala absoluta también existe una tercera, que se utiliza de forma generalizada en los países de habla inglesa: la escala Fahrenheit (ºF, grados Fahrenheit). En esta escala, se asigna el valor de 32 ºF al punto de fusión del agua, y 212 ºF al punto de ebullición del agua; el intervalo se divide en 180 ºF. De acuerdo con esto, la equivalencia entre un valor de temperatura medido en la escala Celsius y en la escala Fahrenheit se obtiene aplicando las siguientes fórmulas: T (°F) = T (°C) · 1,8 + 32

T (°C) =

T (°F) – 32 1,8

Debido a la existencia de las tres escalas de temperaturas, debemos familiarizarnos con la conversión de valores entre una u otra, ya que una misma temperatura puede expresarse de tres formas diferentes, dependiendo de la escala seleccionada. Recuerda las equivalencias entre las escalas y fíjate cómo se utilizan en el siguiente ejemplo:

OBSERVA Y APRENDE Al medir la temperatura de una persona con un termómetro clínico se ha obtenido un valor de 37 ºC. Realiza las conversiones de escala necesarias para expresar esta temperatura en Kelvin y en grados Fahrenheit. Comenzamos realizando la conversión de grados centígrados o Celsius a Kelvin. Para ello tendremos que sumar la cantidad de 273,15, de acuerdo con la equivalencia correspondiente: T (K) = T (ºC) + 273,15 = 37 + 273,15 = 310,15 K → T = 310,15 K Para realizar la conversión entre la escala Celsius y la escala Fahrenheit utilizaremos esta otra expresión: T (°F) = T (ºC) · 1,8 + 32 = 37 · 1,8 + 32 = 98,6 °F → T = 98,6 °F La temperatura de esta persona es de 37 ºC, expresada en la escala Celsius, o lo que es igual, su temperatura es de 310,15 K en la escala Kelvin y de 98,6 ºF en la escala Fahrenheit.

10. ¿Qué instrumento se utiliza para medir la temperatura de un sistema? Explica en qué se basa su funcionamiento. 11. Contesta a las siguientes cuestiones, razonando tus respuestas: a) ¿Con qué otro nombre se conoce la escala Kelvin de temperatura? b) ¿En qué ámbito se utiliza esta escala de temperatura, principalmente? c) ¿Qué valores toman los puntos de fusión y ebullición del agua en esta escala?

➚ Escalas de temperatura. En la escala Celsius, la temperatura normal de una persona es 36,5 ºC. En la escala Fahrenheit es de 97,7 ºF.

d) Si queremos expresar en Kelvin un valor de temperatura que viene dado en grados Celsius, ¿qué debemos hacer? 12. Realiza los cálculos necesarios para expresar los siguientes valores de temperatura en la escala que se indica en cada caso: a) T1 = 420,15 K en ºC.

d) T4 = 190 ºF en ºC.

b) T2 = 18 ºC en K.

e) T5 = 250 K en ºC.

c) T3 = 125 ºC en ºF.

f) T6 = 580,15 K en ºF.

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3 ¿Qué efectos produce el calor?

e Seguro que alguna vez, al preparar una tostada con mantequilla, te ha costado mucho más untarla si está recién sacada del frigorífico que si ya lleva un rato fuera de la nevera. a ¿Piensas que este fenómeno cotidiano puede estar relacionado con el calor? b ¿Qué otros efectos crees que puede ocasionar el calor? c Enumerad algunos ejemplos en clase.

Como ya vimos, el calor es una forma de energía que se transfiere entre sistemas a distintas temperaturas. Cuando un sistema absorbe energía en forma de

calor, sufre cambios en sus propiedades físicas; estos cambios reciben el nombre de efectos del calor.

Aumento de la temperatura El efecto más inmediato del calor es el aumento de la temperatura del sistema. Como sabes, cuando un sistema recibe calor, su temperatura se incrementa. Si el sistema, a su vez, se pone en contacto con otro a menor temperatura, le cede calor y disminuye su temperatura. Consideremos el ejemplo del dibujo. Imagínate que calientas un tornillo de acero con la llama de un mechero.

Como consecuencia, su temperatura aumenta mucho. Y si ahora quieres enfriarlo, puedes introducirlo en un vaso que contenga agua fría. Al hacerlo, el tornillo cederá parte de su energía en forma de calor al agua, y disminuirá su temperatura, enfriándose. En cambio, el agua, al recibir este calor aumentará su temperatura con respecto a la que tenía antes de introducir el tornillo.

T = 30 °C

T = 75 °C

➚ Calentamiento y enfriamiento. El aumento de la temperatura es uno de los efectos del calor.

Esta disminuye si el sistema cede calor a otro a menor temperatura.

Cambios de estado Es otro de los efectos del calor. Una sustancia, al absorber calor, puede alcanzar un valor de temperatura (su punto de fusión o de ebullición) en el cual se produzca un cambio en su estado de agregación. Una vez alcanzado el punto de fusión o el punto de ebullición, la temperatura se mantiene invariable, por lo que la energía transferida se invierte en completar el cambio de estado. Cada sustancia necesita una cantidad de energía diferente para cambiar de estado; considerando la masa de 1 kg: ➜ La energía necesaria para fundir completamente una sustancia es el calor latente de fusión. ➜ La energía que hace falta para vaporizarla es el calor latente de vaporización.

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UNIDAD 9

La dilatación Este efecto consiste en un ligero aumento de tamaño del sistema como consecuencia de la absorción de calor. Al enfriarse un cuerpo tiene lugar el proceso inverso −la contracción−, es decir, se produce una leve disminución del tamaño del sistema al ceder energía en forma de calor.

que son unas ranuras de expansión estratégicamente colocadas que permiten la dilatación sin afectar a la estabilidad de la estructura.

La dilatación es prácticamente imperceptible a simple vista. Sin embargo, nos sirve para medir la temperatura en los termómetros, y cobra especial importancia en estructuras sólidas, ya que pequeñas variaciones de tamaño de piezas o componentes pueden producir importantes alteraciones en la estabilidad. Por tanto, es un fenómeno que hay que tener en cuenta en el diseño y construcción de edificios y estructuras, en general. En verano, materiales como ladrillos, piezas metálicas u hormigón sufren dilatación, lo que puede provocar grietas. Para evitarlo existen las denominadas juntas de dilatación,

➚ Grieta por dilatación.

¿Cómo podemos explicar los efectos del calor? Los efectos producidos por el calor que acabamos de describir son fenómenos que se observan a nivel macroscópico; sin embargo, su explicación debe buscarse a nivel microscópico, teniendo en cuenta la teoría cinético-molecular. Estudiemos el caso de un cuerpo sólido. La teoría cinético-molecular puede explicar el aumento de temperatura y la dilatación que se observa al suministrarle calor. Fíjate cómo ocurre este fenómeno en el siguiente ejemplo:

Al calentar la sustancia, las partículas vibran con más intensidad y aumenta su temperatura.

13. ¿Cuáles son los tres efectos que puede ocasionar el calor sobre los cuerpos? Enuméralos, indicando brevemente en qué consiste cada uno de ellos junto con algún ejemplo.

1 Un sólido está formado por partículas microscópicas que vibran.

14. ¿Verdadero o falso? Justifica tu respuesta: a) Durante la fusión, el sistema absorbe calor, pero mantiene su temperatura constante. b) La contracción de los sólidos está provocada por las altas temperaturas.

3 También aumenta la separación entre las partículas y el sólido se dilata.

c) La teoría cinético-molecular explica los efectos del calor, excepto los cambios de estado.

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4 ¿Cómo se propaga el calor?

e En invierno, para evitar pasar frío nos cubrimos con abrigos y anoraks para salir a la calle, o con mantas y edredones nórdicos para dormir. ¿Qué crees que se pretende conseguir, desde el punto de vista de la física, cuando nos abrigamos de esta manera?

La transferencia de calor tiene lugar, como sabes, entre dos cuerpos o sistemas que se encuentran a distinta temperatura. Pero ¿cómo tiene lugar esa transferencia? La propagación del calor es la transferencia de energía calorífica entre sistemas que se encuentran a distintas temperaturas. Se produce de tres formas distintas: conducción, convección y radiación.

¿Qué es la conducción? La conducción es el proceso mediante el cual el calor se transfiere por contacto directo. Puede ser entre sistemas distintos o entre zonas de un mismo sistema que se encuentren a diferentes temperaturas. La conducción se da en los sólidos; en estos, las pequeñas partículas microscópicas transfieren su energía de unas a otras a través de vibraciones, dando lugar de este modo a la propagación del calor. Como ejemplo, considera una barra de hierro cuyo extremo se aproxima a una llama. ¿Qué ocurre si mantenemos mucho tiempo el extremo de la barra en contacto con el fuego? Al cabo de unos instantes notare-

mos que el otro extremo se ha calentado también, ya que el calor se está propagando a través de la barra. Hay materiales que conducen muy bien el calor, como los metales. Otros, en cambio, como los plásticos o la madera, son malos conductores. De acuerdo con esto, podemos distinguir entre conductores y aislantes térmicos, según se trate de materiales que permitan o no la propagación del calor mediante conducción a través de ellos.

➚ Conductores y aislantes térmicos. El metal es un buen conductor del calor, mientras que el plástico que recubre el mango de la sartén es un aislante térmico.

e 15. Contesta a las siguientes preguntas: a) ¿En qué consiste la conducción como forma de transferencia de calor?

➚ Conducción. El calor se propaga de un extremo al otro de la

pieza metálica debido a la vibración de las partículas del metal. 190

UNIDAD 9

b) ¿En qué tipo de sistemas ocurre este fenómeno? Redacta las respuestas en un breve párrafo.

¿Cómo se produce la convección? Esta forma de propagación del calor tiene lugar por transporte de materia de unas zonas a otras a distinta temperatura. Es lo que sucede, por ejemplo, cuando ponemos agua a calentar en una olla. Al principio, no se observa nada especial, pero al poco tiempo se aprecian ligeros movimientos del agua en el fondo del recipiente. En realidad, lo que está ocurriendo es que el agua en contacto con el fondo de la olla, al calentarse, disminuye su densidad y tiende a subir, mientras que la de la parte superior, más fría, tiende a bajar, creándose un trasvase de líquido de una zona a otra, conocido como corriente de convección. La convección se da en los fluidos, es decir, en los líquidos y en los gases, ya que en los sólidos no puede haber transporte de materia de un punto a otro. Es un fenómeno muy importante en el medio natural; por ejemplo, se produce en la atmósfera terrestre, originando el viento y el movimiento de las grandes masas nubosas.

¿En qué consiste la radiación?

Corrientes de convección

➚ Convección. Al calentar el recipiente, el agua que está en contacto con la base crea una corriente de convección. La cámara térmica

La radiación es la propagación del calor mediante ondas electromagnéticas. A diferencia de la conducción o la convección, la radiación no requiere de un medio material para que se produzca, es decir, puede ocurrir a través del vacío. Gracias a esta forma de propagación del calor, las estrellas como el Sol, que emiten todo tipo de radiaciones electromagnéticas al espacio, constituyen una poderosa fuente de energía calorífica para los planetas y astros que orbitan a su alrededor.

También conocida como cámara termográfica, este dispositivo capta las emisiones de radiación infrarroja de un cuerpo, mostrando las diferentes temperaturas a las que se encuentra cada zona del mismo, dando como resultado un «mapa de calor» de las diferentes zonas que se han medido.

De este modo, la radiación solar atraviesa el espacio vacío que separa la Tierra del Sol, llegando hasta nuestro planeta, y calienta la superficie terrestre.

➚ Imagen de una cámara térmica. Radiación. La radiación térmica emitida por el sol se propaga a través del espacio por todo el sistema solar.

e 16. Contesta a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué diferencia fundamental presenta la radiación frente a las otras dos formas de propagación del calor?

b) ¿Por qué la convección solo se da en los fluidos? c) ¿Qué relación existe entre la convección y la densidad?

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PROFUNDIZA Calor específico de una sustancia Aunque todas las sustancias aumentan su temperatura cuando reciben energía en forma de calor, no lo hacen de la misma manera. Hay sustancias que requieren menos energía calorífica para elevar su temperatura que otras. Para cuantificar este fenómeno se ha definido una nueva magnitud: el calor específico (ce), que nos indica la cantidad de calor que hay que aportar por cada gramo de una sustancia para que su temperatura aumente en un grado Celsius. Fíjate en los siguientes valores de calor específico de algunas sustancias, expresados en julios por cada gramo y grado Celsius:  Granito → ce = 0,790 J/g 0C.  Hierro → ce = 0,450 J/g 0C.  Oro → ce = 0,129 J/g 0C. Sabiendo el calor específico de una sustancia, podemos calcular la cantidad de calor que habrá que suministrarle para incrementar su temperatura en un valor determinado. La fórmula correspondiente es: donde:

Q = m · ce · ΔT

Q es el calor (en J), m es la masa de la sustancia (en g), ΔT es el incremento de la temperatura (en ºC) y ce es el calor específico de la sustancia (en J/g ºC). Fíjate en el siguiente ejemplo:

PASO A PASO Tenemos una pieza de hierro de 250 g de masa, que se encuentra a una temperatura de 30 ºC. Si queremos calentarla de modo que su temperatura suba hasta los 70 ºC, ¿qué cantidad de calor habrá que suministrarle? 1

Para realizar el cálculo necesitamos la masa de esta sustancia en gramos (m = 250 g), su calor específico (ce = 0,450 J/g ºC) y la variación de temperatura que queremos producir, que en este caso es de: ΔT = 70 ºC – 30 ºC = 40 ºC

Sustituyendo los datos en la fórmula anterior, calculamos el calor necesario para calentar el hierro hasta la temperatura deseada: Q = m · ce · ΔT = 250 g · 0,450 J/g ºC · 40 ºC = 450 000 J

Se necesita una energía calorífica de 450 000 julios para elevar la temperatura de 250 g de hierro de 30 °C a 70 °C.

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17. Queremos calentar un tornillo de acero de 200 g de masa, para que se eleve su temperatura desde un valor inicial de 20 ºC hasta una temperatura final de 120 ºC. ¿Qué cantidad de calor habrá que suministrar? El calor específico del acero es de 0,502 J/g ºC.

19. El calor específico del aluminio es de 0,897 J/ g ºC. Contesta a las siguientes cuestiones:

18. Si una sustancia A tiene un calor específico que es el doble del de otra sustancia B, ¿cuál aumentará más su temperatura al suministrarle el mismo calor?

c) Realiza la conversión de unidades necesaria para expresar el calor calculado en el apartado anterior en calorías.

UNIDAD 9

a) ¿Qué significa este dato? Interprétalo. b) ¿Qué cantidad de calor se necesita para que un trozo de aluminio de 320 g, que está inicialmente a 45 ºC, eleve su temperatura hasta alcanzar un valor final de 170 ºC?

Comenzamos estudiando los conceptos de calor y temperatura. El calor (Q) es la energía que se transfiere entre dos sistemas materiales que se encuentran a distinta temperatura. La transferencia se produce desde el sistema con mayor temperatura hacia el de menor temperatura.

La temperatura (T) es una magnitud física relacionada con la energía cinética media de las partículas que forman un sistema material.

Ambas magnitudes están relacionadas con la energía de las partículas que forman un sistema: ➜ La energía interna de un sistema material es la suma de la energía mecánica de todas las partículas que forman dicho sistema. Si un sistema absorbe calor, incrementa su temperatura y también su energía interna.

Vimos cómo se mide la temperatura. La temperatura es una magnitud básica del SI, que se mide con un termómetro. Existen tres posibles escalas:  La escala Celsius.

T (K) = T (ºC) + 273,15

 La escala Kelvin.  La escala Fahrenheit.

T (ºF) = T (ºC) · 1,8 + 32

Analizamos los efectos que provoca el calor sobre los cuerpos:  Aumento de la temperatura. Al poner en contacto dos sistemas físicos, el que está a mayor temperatura cede calor a aquel cuya temperatura es menor, hasta que se alcanza el equilibrio térmico.  Dilatación. Se produce un ligero aumento del tamaño del sistema como consecuencia de la absorción de energía en forma de calor.  Cambios de estado. La materia cambia de estado al alcanzar los valores de temperatura correspondientes a sus puntos de fusión o de ebullición.

Y finalizamos estudiando las formas mediante las que se propaga el calor. Conducción. El calor se propaga por la vibración de las partículas del sistema. Ocurre en los sólidos.

Convección. En los fluidos, el calor se transfiere desde las zonas de más temperatura a otras más frías, por corrientes de convección.

Radiación. No requiere de un medio material, pues el calor se transmite mediante ondas electromagnéticas. Es la forma de propagación por la cual el calor del Sol alcanza la Tierra.

El calor y la temperatura. Transferencias de calor

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20. Copia y completa este texto en tu cuaderno, sustituyendo los símbolos ◆ por la palabra que corresponda: El ◆ es una forma de ◆ que se transfiere desde un cuerpo que se encuentra a una determinada ◆, hacia otro cuya temperatura es ◆. 21. Realiza las siguientes conversiones de unidades de calor: a) 35,2 cal en J.

b) 1 567,5 J en cal.

c) 1 440 kcal en J.

d) 97,5 kJ en cal.

22. Ana ha quedado para comer con sus amigos en su restaurante favorito. Ha pedido un menú, cuyo valor energético, según la información nutricional del restaurante, es de 2 550 kJ. a) ¿Cuál es el valor energético del menú expresado en calorías? b) Si, por su complexión, el consumo diario recomendado para Ana es de 2 000 kcal, ¿qué porcentaje respecto a este valor aporta la comida realizada? 23. Los enunciados que aparecen a continuación son incorrectos. Léelos con atención, localiza el error y escríbelos de nuevo de forma correcta: a) Un sistema físico cuya temperatura es alta posee una gran cantidad de calor. b) El calor se transfiere desde los cuerpos que se encuentran a una cierta temperatura hacia otros cuya temperatura es mayor. c) La caloría es la unidad que se utiliza para medir la energía calorífica en el Sistema Internacional. d) Un julio equivale a 4,18 calorías.

c) ¿Podría haber algún sistema material, ya sea sólido, líquido o gaseoso, al cual no le corresponda ningún valor de temperatura? 27. Indica si los siguientes enunciados son verdaderos o falsos. Justifica de forma razonada tu respuesta en cada caso: a) Cuanto mayor sea el valor de la temperatura de un sistema físico, más energía interna posee. b) La energía interna viene dada por la energía mecánica de cada partícula del sistema. c) Si aumenta el número de partículas de un sistema físico, aumentará, como consecuencia, su energía interna y también su temperatura. 28. ¿Qué entendemos por equilibrio térmico? Explícalo con un ejemplo. 29. Completa cada enunciado con el término o términos que faltan: a) Cuando se alcanza el equilibrio térmico, la ◆ es la misma en ambos sistemas. b) El intercambio de ◆ cesa cuando se llega a la situación de ◆. 30. La escala Celsius toma como valores de referencia para la medida de la temperatura los puntos de fusión y de ebullición del agua: a) ¿Qué valores de temperatura les asigna? b) ¿Puede haber en esta escala valores de temperatura superiores a 100 ºC? c) ¿Qué significado tiene en esta escala un valor de temperatura negativo?

24. Cuando ponemos la mano encima de un radiador encendido, notamos cómo se calienta. Justifica, desde el punto de vista de la física, lo que está ocurriendo en esta situación cotidiana.

31. Realiza las siguientes conversiones de temperatura de grados Celsius a Kelvin, o viceversa:

25. Indica, en cada uno de los siguientes casos, qué sistema cede calor y cuál es el que recibe la energía calorífica:

c) T3 = –23 ºC en K.

a) Al acostarnos, la cama se nota fría, pero al cabo de un rato ya nos resulta cálida. b) En verano, los bancos del parque se calientan bastante. c) Preparamos verduras a la plancha. d) Planchamos la ropa. 26. La temperatura es una de las siete magnitudes básicas del Sistema Internacional. a) ¿Qué mide exactamente esta magnitud? b) ¿Por qué es más alta la temperatura de un gas que la de la misma sustancia líquida?

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UNIDAD 9

a) T1 = 296,15 K en ºC. b) T2 = 56,85 ºC en K. 32. Tanto en la escala Celsius como en la escala Fahrenheit, es posible medir valores negativos de temperatura en aquellos casos en los que la temperatura del sistema es muy baja. Investiga en libros o en Internet y contesta: a) ¿Son posibles los valores negativos de temperatura en la escala Kelvin? b) ¿Por qué se denomina a esta escala también absoluta? 33. Realiza estas conversiones de temperatura entre las escalas Celsius y Fahrenheit: a) T1 = 45 ºC en ºF.

c) T3 = 10 ºC en ºF.

b) T2 = 64,5 ºF en ºC.

d) T4 = 108 ºF en °C.

34. En un vuelo de una compañía aérea británica, el comandante de la aeronave informa al pasaje de que la temperatura prevista en el destino es de 53,6 ºF. ¿Les espera un día frío o caluroso? Justifica tu respuesta. 35. Contesta brevemente a estas cuestiones: a) ¿Por qué, cuando una sustancia recibe aporte de calor, aumenta su temperatura? b) ¿Qué ocurre si cede calor? 36. Pon dos ejemplos de situaciones en las cuales se ponga de manifiesto el aumento de temperatura como efecto del calor. Explica en cada caso cuáles son los sistemas implicados y cómo tiene lugar el proceso. Utiliza para ello la teoría cinético-molecular.

a) ¿En qué consiste exactamente? b) ¿Qué es un conductor térmico? Pon un ejemplo. c) ¿Cómo denominamos a los materiales que no conducen bien el calor? ¿Qué utilidad pueden tener? 43. Indica a qué forma o formas de propagación del calor – conducción, convección o radiación– corresponde cada una de las siguientes afirmaciones: a) Requiere de un medio material, sólido, líquido o gas, para que pueda producirse. b) Se produce mediante ondas electromagnéticas. c) Sucede en los fluidos, mediante corrientes que trasvasan materia de unas zonas a otras.

37. Responde a estas cuestiones:

d) Puede producirse en el vacío, sin necesidad de un medio material.

a) ¿Por qué decimos que los cambios de estado son efectos del calor?

e) Tiene lugar en los sólidos, debido a las vibraciones de las partículas que los forman.

b) ¿Qué le ocurre a la temperatura del sistema mientras se está produciendo un cambio de estado? c) ¿Cesa la absorción de calor durante un cambio de estado? ¿Por qué? 38. El calor latente de vaporización del agua es de 2 260 kJ/kg. Consulta el código QR de la página 188 y contesta: a) ¿Qué significado tiene este dato? b) ¿Cuál es el calor necesario para vaporizar 525 g de agua? Exprésalo en julios y en calorías. 39. La dilatación es uno de los efectos del calor. a) ¿Cómo podemos explicar la dilatación de los cuerpos desde un punto de vista microscópico? b) ¿Cuál es la función de las juntas de dilatación? 40. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, justificando en cada caso tu respuesta: a) En una transferencia de calor, el sistema que cede energía es el que tiene una temperatura más alta.

44. Busca el error cometido en cada uno de los siguientes enunciados, y cópialos en tu cuaderno ya corregidos. a) La radiación es una forma de propagación del calor que suele darse especialmente en los fluidos, como los líquidos y los gases. b) En la convección, la parte del líquido que se calienta desciende al volverse menos densa, ascendiendo la parte más fría. c) El calor del Sol llega hasta la Tierra y el resto de planetas porque se transmite mediante conducción a través del espacio. 45. ¿Qué forma de propagación del calor tiene lugar preferentemente en cada una de las siguientes situaciones? a) Calentamos una olla de agua al fuego. b) Una lámpara de rayos infrarrojos mantiene calientes los alimentos en una vitrina. c) Calentamos una habitación con un radiador.

b) La dilatación provoca un ligero aumento en el tamaño del sistema que cede energía en forma de calor.

d) Una persona toma el sol en un solárium.

c) Durante un cambio de estado la temperatura del sistema aumenta siempre que sigamos calentando.

46. Cuando la temperatura exterior es elevada, y queremos evitar que nuestra vivienda se caliente demasiado, cerramos las ventanas y bajamos los toldos y las persianas. Contesta razonadamente:

d) Al calentar un sólido, se dilata porque sus partículas vibran con más intensidad.

e) Nos calentamos con una manta eléctrica.

41. ¿Qué fenómeno conocemos con el nombre de propagación del calor? Enumera cuáles son las tres formas de propagación del calor que existen.

a) ¿Qué conseguimos al cerrar las ventanas? ¿Qué ocurre cuando no lo hacemos?

42. La conducción es una de las formas de propagación del calor. Contesta a las siguientes cuestiones:

c) ¿Por qué la estancia se calentará si dejamos los toldos o persianas levantados, aunque hayamos cerrado la ventana?

b) ¿Y cuándo bajamos las persianas o toldos?

El calor y la temperatura. Transferencias de calor

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e 47. Teresa ha cumplido 14 años hace un mes. Desde hace tiempo, está preocupada por su dieta y sus padres la han puesto en manos de un nutricionista. Este le ha propuesto analizar su dieta actual y llevar un diario de su alimentación para mejorar sus hábitos.

50. Patricia quería preparar una infusión y ha vertido agua caliente sobre un vaso. Al hacerlo, el vaso se ha roto.

Imagina que, como Teresa, vas a analizar tu propia dieta.

b) ¿Por qué no se ha fundido el vidrio, en lugar de romperse? Redacta brevemente tu explicación.

a) Durante un día, pesa y anota los alimentos que vas a ingerir. b) Busca en Internet el contenido energético de dichos alimentos. Ten en cuenta que el dato suele darse por cada 100 g de producto. Organiza los datos en una tabla. c) Calcula el total de tu ingesta calórica. Puedes usar una hoja de cálculo para ello, a partir de la tabla del apartado anterior. d) Por último, busca información acerca de la ingesta calórica recomendada en tu caso. Recuerda que esto depende de la edad y la actividad física. ¿Qué conclusión sacas? 48. Los trabajadores que se dedican a la forja del hierro saben muy bien que, para enfriar un hierro incandescente rápidamente, basta con sumergirlo en un baño de agua fría, del cual se desprende gran cantidad de vapor.

a) ¿Cómo podrías explicar lo sucedido desde el punto de vista de la física? Piensa que el agua puede alcanzar temperaturas próximas a los 100 °C.

51. En la atmósfera, los frentes nubosos responsables de las lluvias y las tormentas se desplazan desde unas zonas a otras arrastrados por los vientos. Gracias a los satélites, los meteorólogos obtienen imágenes que los ayudan a realizar sus predicciones. Trabajando por parejas, vais a elaborar una presentación de unas cuatro o cinco diapositivas sobre la dinámica de la atmósfera. Para ello, recopilad la información necesaria investigando en libros o en Internet, tomando como punto de partida estas cuestiones: a) ¿Qué forma de propagación del calor se da mayoritariamente en la atmósfera?

Elabora un esquema en el cual aparezcan los fenómenos macroscópicos descritos y también la explicación que la física nos proporciona, desde el punto de vista microscópico.

b) ¿Cómo se produce el viento en la superficie terrestre?

49. La fusión de grandes masas de hielo continentales debido al cambio climático es, hoy día, uno de los grandes problemas medioambientales a los que nos enfrentamos.

d) ¿Qué es una DANA? ¿Cómo se forma?

c) ¿Qué papel desempeñan las grandes masas de agua, como mares y océanos?

a) ¿Qué consecuencias puede tener este fenómeno en todo el planeta? Debatidlo en clase. b) ¿Qué cantidad de calor haría falta para fundir completamente una masa de hielo de 10 millones de toneladas, equivalente a la masa de un iceberg? Necesitarás el dato del calor latente de fusión del agua, que puedes encontrar en el código QR de la página 188.

52. Como seguramente sabrás, muchas prendas de abrigo que utilizamos, como los anoraks y edredones, están rellenos de plumón o plumas de aves. Debido a esto, son aptos para soportar las temperaturas más bajas. a) ¿Sabes cómo mantienen su temperatura corporal las aves en los días fríos? Investígalo en libros de biología, revistas o en Internet. b) ¿Qué explicación tiene desde el punto de vista de la física? Te ayudará saber si el aire es o no un buen conductor térmico. c) ¿Por qué abrigan tanto los edredones y anoraks de plumas? Explícalo, teniendo en cuenta lo anterior.

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UNIDAD 9

INVESTIGA ¿Cómo podemos construir un termómetro casero? Fabricar un termómetro utilizando materiales cotidianos no es difícil. En esta experiencia, vas a construir un termómetro casero que puede servir para medir la temperatura ambiental.

Realizamos un experimento Toma una botella de plástico y una pajita. Perfora el tapón de la botella y pasa la pajita a través del orificio, de modo que sobresalga unos 5 cm por la parte inferior. Fíjala, sellando el orificio con un poco de silicona o de plastilina. A continuación, prepara una mezcla al 50 % de alcohol desinfectante y agua, en cantidad algo superior a la necesaria para llenar la botella; añade a la mezcla un poco de colorante (1). Llena la botella con la mezcla hasta el borde y ciérrala con el tapón que lleva la pajita (2). Con cuidado, llena un poco más la pajita con la mezcla, de modo que el líquido alcance una altura de unos 3 cm por encima del tapón. Para terminar, prueba tu termómetro dejándolo el tiempo suficiente en varias zonas a distinta temperatura y anota lo que observes en cada caso (3). 1

Preparamos un informe A partir de la información obtenida en esta experiencia vas a elaborar un informe científico. Utiliza como guía estos apartados:

Recopila infoRmación El primer paso consiste en recopilar toda la información posible sobre la experiencia que estás realizando. ➜ ¿Por qué hemos llenado la botella de plástico completamente con la mezcla líquida, procurando no dejar una cámara de aire en su interior? ➜ ¿Cómo responde tu termómetro ante los cambios de temperatura, según el lugar en el que lo hayas ubicado?

explica lo ocuRRido Trata de elaborar una explicación que justifique el funcionamiento de tu termómetro. Investiga sobre el fenómeno en el que se basan los termómetros comerciales, y sobre cómo se construye una escala para medir la temperatura con este tipo de termómetros.

compRueba tu Hipótesis Diseña una experiencia que permita comprobar la validez de tu explicación sobre el fenómeno estudiado en este caso. Demuestra tus conclusiones poniendo en práctica esta experiencia y contrastando los resultados obtenidos con lo previsto inicialmente.

Resume tus conclusiones Para finalizar, elabora un informe sobre la experiencia. No olvides reflejar el procedimiento seguido, junto con los materiales utilizados y los resultados obtenidos. Incluye en tu informe la explicación elaborada sobre el fenómeno y las conclusiones a las que hayas podido llegar.

El calor y la temperatura. Transferencias de calor

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En el IES Fuente Redonda están, desde hace unos meses, trabajando para mejorar su eficiencia climática. Dado que el edificio era bastante antiguo, el gasto para climatizar los espacios de aulas y otras dependencias mediante radiadores y consolas de aire acondicionado era cuantioso. Se decidió que había que acometer la instalación de un sistema moderno de climatización, que además utilizase energía solar. Pero todo ello debía venir acompañado por la mejora de los aislamientos térmicos originales, con el fin de aumentar al máximo el rendimiento con el mínimo coste.

1 Ahora que el curso se acaba y las temperaturas suben por la proximidad del verano, los alumnos de 2.º C están contentos, ya que su tutora los informa que la semana próxima entrará en funcionamiento el nuevo sistema de climatización. En ese momento, las ventanas recién instaladas deberán mantenerse cerradas durante la jornada escolar. ¿Por qué debe hacerse así? Razónalo.

3 El sistema de climatización que han instalado en el instituto es un sistema «adiabático». Los alumnos jamás habían oído este término, aunque algunos lo habían leído en el cartel informativo que hay a la entrada del centro, donde se detallan el presupuesto y las características de la obra. ¿Qué significa «adiabático»? Búscalo en las fuentes de información.

2 Ramiro se ha dado cuenta de que las nuevas ventanas son más gruesas y pesadas que las que había antes. La profesora le dice que son ventanas con mejor aislamiento y le pide que se fije bien. ¿Qué tipo de ventanas se usan para el aislamiento térmico, que también sirven para el aislamiento acústico? Investiga en Internet y explica cómo son.

4 Elena pregunta si este sistema enfriará bien el aire. Ramón quiere saber por qué se ha cambiado la instalación, que ha tenido un coste elevado, si ya tenían las consolas de aire acondicionado. La profesora les pide que investiguen el fundamento de la climatización adiabática y las ventajas e inconvenientes que tiene, y luego lo debatirán. ¿Puedes ayudarlos?

Y ahora llega la puesta en común… La climatización de nuestras casas y lugares de trabajo es uno de los aspectos que más energía consume, especialmente cuando las condiciones climáticas son adversas. Trabajando en grupos reducidos, debatid, a partir de la información que habéis obtenido, la importancia de implementar sistemas eficientes, que optimicen los recursos. Podéis añadir algunos datos más, referentes a coste y consumo.

198

UNIDAD 9

PERSONAJES DE CIENCIA Lord Kelvin, un físico muy relevante William Thomson nació en Irlanda del Norte en el siglo xix. En su época, Inglaterra era una gran potencia económica, militar y científica y produjo grandes talentos, procedentes de sus universidades. Thomson estudio en Cambridge y Glasgow y pronto destacó por sus aportaciones en el estudio del calor y la electricidad. Recibió, entre otros honores, el nombramiento de barón de Kelvin y así pasó a la posteridad. Uno de sus contribuciones más notables es la determinación del cero absoluto de temperatura, establecido en –273,15 °C, que es la referencia para la construcción de la escala absoluta que lleva su nombre.

➚ William Thomson, lord Kelvin (1824-1907).

e a Igual a la energía interna.

Para explicar la dilatación de los sólidos, la teoría cinético-molecular:

b La propiedad de un cuerpo caliente.

a No tiene nada que ver.

Desde el punto de vista de la física, el calor se considera:

c Una forma de energía.

Si se ponen en contacto dos cuerpos a la misma temperatura: 2

a Ambos se enfrían a la vez. b No se transfiere calor de uno a otro. c Ninguna es correcta.

La temperatura de un sistema material es mayor cuanto mayor sea: 3

a Su energía interna. b La velocidad de sus partículas. c Su calor.

Un bizcocho se ha sacado del horno a la temperatura de 180 ºC, es decir, a: 4

b Considera la mayor vibración de las partículas. c Se basa en la temperatura. 7 La conducción del calor es un mecanismo de propagación:

a Que se da en todos los sólidos. b Que ocurre en los metales. c Que se produce de un sólido a otro distinto.

La única forma de propagación del calor que no requiere de un medio material es: 8

a La conducción. b La convección. c La radiación.

Si necesitamos impedir la propagación del calor, debemos recurrir a: 9

a 356 º F.

a Un líquido frío.

b 433,15 K.

b Un aislante térmico.

c Ninguna es correcta.

c Un metal.

El aporte de calor a un sistema tiene efectos sobre el mismo, como, por ejemplo:

10 ¿Qué caracteriza a la convección, frente a las otras for-

mas de propagación del calor?

a Un aumento de la temperatura.

a Ser propia de los fluidos.

b Un cambio de estado.

b Basarse en el movimiento de materia.

c Ambos pueden suceder.

c Ambas son correctas.

El calor y la temperatura. Transferencias de calor

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Medir y calcular el peso ¿Qué pretendemos? Las fuerzas son magnitudes muy presentes en la mayoría de las acciones que realizamos habitualmente y se encuentran implicadas en los fenómenos que suceden a nuestro alrededor. Entre todas estas fuerzas de ámbito cotidiano, destaca por su relevancia el peso, que es la fuerza de atracción gravitatoria que la Tierra ejerce sobre cualquier cuerpo que se encuentre en sus inmediaciones. En esta experiencia, vamos a desarrollar los pasos necesarios para determinar experimentalmente el valor del peso de varios objetos, tanto a partir de la medida de sus masas y el posterior cálculo utilizando la fórmula correspondiente, como realizando la medida directamente con un dinamómetro. Finalmente, compararemos los valores obtenidos de ambas formas.

P=m·g

Para realizar esta experiencia, ¿qué vamos a necesitar? Comenzaremos preparando el material que se requiere para poder realizar la experiencia, es decir, los objetos (pesas) cuyo peso vamos a determinar y los aparatos e instrumentos con los que llevaremos a cabo las medidas necesarias: ➜ Juego de pesas de distintas masas. ➜ Balanza o granatario. ➜ Dinamómetro. ➜ Soporte.

➚ Pesas, balanza digital y dinamómetro.

¿Cómo lo llevamos a cabo? Para cada una de las pesas seleccionadas, vas a realizar la determinación del peso de dos formas diferentes. Sigue, para ello, el siguiente procedimiento, y no olvides ir anotando en cada paso los datos recopilados: 1. Asigna a cada pesa un número. Colócalas una por una en la balanza y mide sus masas. Si manejas un granatario digital, recuerda ponerlo a cero antes de realizar cada pesada.

Soporte vertical

10 9 8 7 6 5 4

2. Utiliza un soporte vertical para colocar el dinamómetro suspendido, a una altura suficiente para que se pueda utilizar correctamente, es decir, debe quedar vertical y bien sujeto, a una altura suficiente para permitir el alargamiento del muelle. 3. A continuación, ve colgando cada pesa del dinamómetro, y anota el valor de fuerza que indique el instrumento de medida. Recuerda que este valor se corresponde con el peso, ya que el dinamómetro es un instrumento que mide directamente el valor de una fuerza ejercida sobre él.

200

Situación de aprendizaje. Laboratorio

3 2 1 0

➚ Montaje de la experiencia.

Analizamos los resultados Con todos los datos que has recopilado en el procedimiento experimental, vas a consΔl = 20 cm truir una tabla: en la primera columna recogerás el dato de la masa de cada una de las pesas, y en una segunda columna el valor del peso medido con el dinamómetro. En esta tabla vas a incluir, además, una tercera columna para escribir el peso calculado para cada pesa a partir de su masa. Lo harás a partir de la fórmula:

m = 100 g

Δl = 40 cm

P=m·g

donde m es la masa (expresada en kilogramos), y g = 9,8 m/s2 es la aceleración de la gravedad. Utiliza la siguiente tabla como modelo: N.º Pesa

Masa (kg)

Peso medido (N)

m = 200 g

Peso calculado (N) P=m·g

1 2 3 4

Una vez que hayas completado la tabla, debes comparar el resultado obtenido en el cálculo del peso con el peso medido con el dinamómetro. ¿Existe coincidencia? Considera también que, en todo proceso experimental, siempre hay que asumir un pequeño margen de error en las medidas.

Elaboramos un informe Como es habitual en todo trabajo científico, vas a finalizar elaborando una memoria o informe final que recopile el objetivo de la experiencia, los pasos seguidos, los resultados obtenidos y, especialmente importante, las conclusiones alcanzadas. De acuerdo con esto, redactarás tu informe científico, incluyendo, de forma orientativa, los siguientes apartados:

➜ Breve introducción y objetivo. ➜ Procedimiento seguido y material empleado. ➜ Resultados obtenidos y cálculos realizados. ➜ Conclusiones finales y bibliografía consultada.

Siguiendo las instrucciones de tu profesor o profesora, puedes utilizar este informe para una puesta en común del trabajo realizado, compartiendo la información con el resto de tus compañeros y compañeras de clase.

Y tenlo muy en cuenta ➜ Pon mucha atención cuando

lleves a cabo las medidas. El momento de la medida tiene, como ya sabes, gran importancia en el trabajo experimental. ➜ Sigue siempre las indicaciones

de tu profesor o profesora.

Situación de aprendizaje. Laboratorio

201

STEAM

LA CIENCIA EN ANDALUCÍA Nos introducimos en la temática Es indiscutible, en el siglo xxi, que ciencia es sinónimo de desarrollo. No podríamos concebir nuestra calidad de vida sin los avances que la ciencia nos ha proporcionado: energía eléctrica a demanda, agua potable en abundancia, fármacos para combatir enfermedades, materiales para fabricar nuestras ropas y utensilios, sistemas de comunicación en tiempo real, etcétera. Ante esta realidad, cualquier país o territorio que quiera disfrutar del bienestar y el progreso debe participar de la actividad científica, integrándose en la comunidad científica global y contribuyendo a este creciente avance para la humanidad. Tradicionalmente, en España –y también en Andalucía– la actividad científica estaba relegada a un segundo plano. Esto ha cambiado en las últimas décadas, ya que la ciencia española en general, y la andaluza en particular, se han equiparado a la del resto de países desarrollados.

➚ Aula de química en un centro de enseñanza.

Realizamos una investigación Este proyecto trata sobre las características de la actividad científica actual en Andalucía, especialmente en relación con la física y la química. Trabajaréis en grupos reducidos –de tres o cuatro personas–, utilizando el método científico. Vuestro trabajo será más eficaz si seguís estrategias de trabajo colaborativas, lo que implica tomar las decisiones mediante acuerdos y distribuir las tareas, aportando cada uno de vosotros al equipo lo que mejor sepa hacer. En esta primera fase, vais a llevar a cabo una investigación en las fuentes de información sobre la ciencia en Andalucía. Para ello, os sugerimos unas cuestiones que pueden serviros de guía, a las que podéis añadir otras que consideréis interesantes u os proponga vuestro profesor o profesora.

➚ En las universidades

andaluzas existen distintas titulaciones en ciencias.

¿Cuándo y cómo se creó la primera universidad en Andalucía? ¿Qué estudios de ciencias se podían recibir allí? De las actuales universidades andaluzas, ¿cuál es la más antigua? Investigad sobre la formación científica que ofrece. En la actual universidad de Córdoba hay una titulación de ciencias con más de 175 años de historia. ¿Cuál es? ¿Cuántos Grados de Física y Química existen hoy día en Andalucía? Elegid alguno de ellos y recopilad información. Además de las universidades, en Andalucía encontramos diversos centros de investigación. Por ejemplo, hay varios dependientes del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). ¿Cuáles tienen que ver con la física o la química? Seleccionad uno e investigad sobre alguno de los trabajos científicos que lleva a cabo.

Es hora de experimentar El futuro de la ciencia en Andalucía está supeditado a que los jóvenes se interesen por la formación científica y quieran dedicarse a ella. Como estudiantes de física y química, seréis quizás los científicos andaluces de las próximas décadas. ¿Os atrevéis a actuar como verdaderos científicos? ➜ Una de las líneas de investigación más punteras en Andalucía es la obtención de energía a partir de

fuentes renovables, como verás en la unidad 8. Esto es lógico en una región con la climatología y el relieve de la nuestra. ➜ La energía que nos interesa obtener es energía eléctrica, transformando otras formas de la energía. ¿Cómo podríais conseguir, en la práctica, una corriente eléctrica a partir de otras formas de energía a vuestro alcance? Podéis documentaros y diseñar algún experimento para comprobarlo.

No os ser á encontrar difícil ju guetes o pequeñ os dispo sitivos que incor poran pla cas solares. ¿Sería p osible obtener electr a partir de icidad ellas?

ontar aréis m ga Necesit que pon . o it u c ir riente algún c to la cor es ifi bien de man e venir Os pued ueño motor un peq ete– utilizar mo jugu is m l . –de de color o un led

No olvidéis tomar nota de todos los procedimientos que pongáis en práctica y de los resultados observados.

Obtenemos y comunicamos las conclusiones Después de recopilar la información y trabajar experimentalmente para estudiar cómo obtenemos corriente eléctrica a partir de energías renovables, llega el momento de la puesta en común y la elaboración y comunicación de las conclusiones. Podéis utilizar las respuestas a las siguientes cuestiones como guía: ➜ ¿Cómo puede formarse un joven andaluz en física o química sin salir de la comunidad? Explicadlo. ➜ Si una alumna andaluza obtiene un Grado en Química y desea dedicarse a la investigación, PPT

¿dónde podría llevar a cabo su trabajo? ➜ Andalucía disfruta de un clima soleado durante gran parte del año. ¿Qué ventaja nos supone

esto a la hora de generar energía eléctrica? ¿Dónde se investigan estas tecnologías en nuestra comunidad? ➜ ¿Pensáis que en Andalucía se conoce y valora suficientemente la actividad científica que se

desarrolla en nuestra comunidad? Argumentad vuestra opinión. Una vez hayáis obtenido las conclusiones, podéis resumirlas en una presentación, incluyendo los datos más relevantes de la investigación, la descripción y resultados de los experimentos y vuestra valoración personal, junto con las referencias de las fuentes de información que habéis consultado.

Proyecto de investigación

© GRUPO EDITORIAL BRUÑO, S. L., 2024 - C/ Valentín Beato, 21 - 28037 Madrid. Reservados todos los derechos. El contenido de esta obra está protegido por la Ley, que establece penas de prisión y/o multas, además de las correspondientes indemnizaciones por daños y perjuicios, para quienes reprodujeren, plagiaren, distribuyeren o comunicaren públicamente, en todo o en parte, una obra literaria, artística o científica, o su transformación, interpretación o ejecución artística fijada en cualquier tipo de soporte o comunicada a través de cualquier medio, sin la preceptiva autorización.