Operación mundo: Física y Química 3 ESO (muestra)

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s Cas, A. M.ª Morale , z le á z n o G J. M. Vílchez illalobos Galdeano G. V

O peración ANDALUCÍA

mundo

¿Qué vamos a aprender?

PÁGINA

SITUACIÓN DE APRENDIZAJE • ODS

SABERES BÁSICOS

• La física y la química • Los métodos científico y tecnológico Conocimiento científico

• El informe científico 8

• Modelos científicos • Las power skills • Las magnitudes físicas. Unidades y medida • Suma de vectores ¿Para qué nos sirve conocer la materia a escala atómica?

1

El átomo

18

Salud y bienestar Energía asequible y no contaminante Acción por el clima

2

Aditivos químicos Sustancias químicas

38

Salud y bienestar Producción y consumo responsables

• Naturaleza de la materia • Modelos atómicos • La radiactividad • El núcleo del átomo

• Sistema periódico de los elementos químicos • Sustancias simples y compuestos • Enlace químico

FORMULACIÓN Y NOMENCLATURA • Carga eléctrica

3

Electricidad y magnetismo

74

¿Cuánto consumen mis aparatos eléctricos?

Energía asequible y no contaminante

• Corriente eléctrica • Generación de energía eléctrica • Diferencia de potencial • Circuito eléctrico

4

5

Energía eléctrica y sostenibilidad Centrales eléctricas

Las fuerzas y sus efectos

98

• Centrales eléctricas

Acción por el clima

• Distribución de la energía eléctrica

Vehículos eficientes y seguros 124

Salud y bienestar Producción y consumo responsables

6

Reacciones químicas

148

• Usos de la energía

Energía asequible y no contaminante

Reciclado de plásticos y consumo responsable Producción y consumo responsables

• Las fuerzas • Fuerzas cotidianas • El movimiento • Ley de Hooke

• Reacciones químicas, medioambiente y sociedad • Los cambios químicos • Reacciones químicas

POWER SKILLS!

STEAM POWER

PORFOLIO

• Múltiplos y submúltiplos • Los lenguajes de la ciencia • Normas de seguridad, etiquetado y material de laboratorio • Gestión de residuos • La tabla periódica y el origen del nombre de los elementos químicos • Protagonista: Lisa Meitner • Isótopos y emisiones radiactivas • Un modelo para la corteza del átomo • Formación de iones

• Centro de investigación: Instituto de Física Teórica y Computacional (iC1) • Mi profesión: Técnica superior en imagen para el diagnóstico y medicina nuclear • Protagonista: Tapputi-Belatekallim

• Enlace iónico

• Centro de investigación: Grupo de Química Analítica Supramolecular (SAC)

• Enlace covalente • Enlace metálico

• Mi profesión: Química POWER SKILLS!

APRENDER

• Elaboro una infografía sobre la relación entre la ciencia, la tecnología nuclear y los ODS

• Compongo una infografía con los datos que he obtenido sobre hábitos de consumo responsable y vida saludable

Haciendo

: Creamos un puzle de la tabla periódica

• Ley de Ohm

• Protagonista: Michael Faraday

• Leyes de Kirchhoff • Magnetismo

• Centro de investigación: Grupo de Materia Blanda Magnética

• Electromagnetismo

• Mi profesión: Fisioterapeuta

• Creo una presentación con los resultados del informe final sobre el consumo energético

• Protagonista: Nikola Tesla

• Energía eléctrica en los edificios

• Centro de investigación: Centro de Evaluación y Seguimiento Energético de Andalucía (CESEA)

• La factura eléctrica • Uso seguro y responsable de la energía eléctrica

• Elaboro un informe de eficiencia energética de mi centro educativo

• Mi profesión: Ingeniera eléctrica POWER SKILLS!

APRENDER

Haciendo

: Fabricamos una linterna sostenible

• Protagonista: Hedy Lamarr

• Leyes de Newton

• Centro de investigación: Centro de Ciencia Principia

• Ley de la gravitación universal

• Mi profesión: Comunicación audiovisual

• Ley de Coulomb

• Cantidad de sustancia

• Protagonista: Laura Lechuga

• Leyes ponderales

• Centro de investigación: BIONAT

• Cálculos estequiométrios

• Mi profesión: Biotecnóloga

• Velocidad de reacción

POWER SKILLS!

APRENDER

Haciendo

• Organizo un concurso de prototipos de coches eficientes y seguros

• Diseño un plan de consumo responsable de plásticos

: Construimos una montaña rusa

Reciclado de plásticos y consumo responsable Los materiales conocidos como plásticos están formados por macromoléculas sintéticas llamadas polímeros. Los polímeros se utilizan en ámbitos muy diversos: construcción (tuberías de PVC, ventanas de aluminio), medicina (sondas, dispensadores de medicamentos, material médico), embalajes (de comida, de materiales frágiles), prendas de vestir y calzado, enseres de uso cotidiano, electrodomésticos, pañales, envoltorios y un larguísimo etcétera.

Tienen muchas ventajas, pues son muy versátiles y duraderos, pero presentan un gran inconveniente: ¿cómo se reintegran en la naturaleza una vez que sean desechados? ¿Son igualmente reciclables todos los polímeros sintéticos?

Seguramente habrás escuchado que se está desincentivando la utilización de los «plásticos de un solo uso»; con esta, y otras iniciativas, se pretende tomar medidas para lograr un consumo responsable.

A lo largo de la unidad aplicaremos el conocimiento sobre las reacciones químicas, para analizar el consumo de plásticos que hacemos en nuestro hogar y para conocer las posibilidades de reciclaje, reutilización y alternativas a los distintos tipos de plástico. A partir de esta información podrás tomar decisiones fundamentadas en tu conocimiento en relación con el uso y consumo de este material.

Invernaderos de arándanos y frutos rojos en la provincia de Huelva. >>

Tú qué ¿pie nsas

¿

Situación de aprendizaje

6 Reacciones químicas

¿Cómo se transforman las sustancias? ¿Todas las reacciones químicas son igualmente posibles? ¿Qué tipos de reacciones químicas existen? ¿Cuáles se dan en los plásticos?

¡ACTÚA !

Elabora un plan de consumo responsable de plásticos en tu vida cotidiana elaborando una serie de preguntas que te hagan reflexionar antes de consumir productos embalados, comprar ropa de fibra sintética, desechar utensilios, etc.

Para lograrlo, sigue esta ruta:

12. Producción y consumo responsables

148

Química, medioambiente y sociedad

Cambios químicos

Reacciones químicas

Las cubiertas de plástico de los invernaderos mantienen unas condiciones de temperatura y humedad en los cultivos necesarias para el crecimiento de las plantas en su interior, que se produce mediante reacciones químicas de síntesis de sus nutrientes.

Cantidad de sustancia

Leyes ponderales

Cálculos estequiométricos

Velocidad de reacción

STEAM Power

149

1 Química, medioambiente y sociedad En situación ¿Qué sustancias contaminan la atmósfera? ¿Crees que los plásticos contaminan?

Algunos de los retos que se plantea la sociedad actual para frenar el deterioro del medioambiente y paliar las consecuencias que este tiene sobre los seres vivos y de forma especial sobre la salud humana, pasan por el conocimiento de los cambios químicos que los provocan o los que se podrían utilizar para afrontarlos.

1.1 Problemas medioambientales globales Desde la Revolución Industrial, se ha observado la presencia anómala de ozono en la capa más baja de la atmósfera: la troposfera. Esto surge como resultado de las emisiones de óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles en industrias y automóviles. Este ozono troposférico es un contaminante que daña la salud y el medioambiente.

La lluvia ácida, la niebla fotoquímica y la destrucción de la capa de ozono estratosférico, principal filtro de los rayos UV solares, son otros problemas ambientales preocupantes que se producen porque ocurren en el medioambiente reacciones químicas no deseadas.

Lluvia ácida

Efecto invernadero anómalo

En algunas zonas industriales se emiten gases (óxidos de azufre y nitrógeno) que al reaccionar con el agua dan lugar a ácidos corrosivos (H2SO4 y HNO3), los cuales, al precipitar (lluvia ácida) producen efectos catastróficos.

La quema de carbón y petróleo emite a la atmósfera grandes cantidades de CO2, gas de efecto invernadero. Esto provoca un calentamiento global de la atmósfera y los océanos cuya consecuencia son grandes cambios en el clima mundial.

Contaminación atmosférica

Mala calidad del aire

Capa de ozono

Las emisiones de óxidos de nitrógeno y de compuestos orgánicos volátiles bajo la acción de la radiación solar reaccionan con agua y oxígeno produciendo la contaminación denominada niebla fotoquímica que se observa en muchas ciudades.

En la actualidad, la legislación ambiental ha limitado la producción y el uso de los gases denominados CFC, con lo que se ha conseguido revertir el agujero en la capa de ozono detectado en la estratosfera en las últimas décadas del siglo pasado.

150

6 Residuos plásticos en millones de toneladas durante 2019

1.2 Contaminación por plásticos A diferencia de los problemas anteriores, la contaminación por plásticos no está relacionada con reacciones químicas que ocurren en el medioambiente, sino que se trata, fundamentalmente, de un problema de residuo no degradable.

Los plásticos, también llamados polímeros sintéticos se obtienen a partir de petróleo. Para obtener el polímero, se realizan reacciones químicas de polimerización. Los polímeros son materiales muy duraderos que no se degradan con facilidad. Sin embargo, en las últimas décadas se están desarrollando métodos químicos para degradarlos.

El problema de la acumulación de plásticos tiene envergadura planetaria y, por tanto, las soluciones que se plantean son diversas y complementarias.

Construcción 16 Mt (5 %)

Electrónica 14 Mt (4 %)

Textiles 39 Mt (11 %)

Automoción 40 Mt (11 %) Residuos plásticos de vida corta 238 Mt (67 %)

Los plásticos después de su uso Muchos de los plásticos desechados acaban en vertederos.

Algunos de estos vertederos están situados en países en vías de desarrollo, lugares a donde se ha trasladado el problema del residuo producido en países desarrollados.

El procesado de estos vertederos se hace inalcanzable en la actualidad.

La fauna marina ingiere microplásticos incorporándolos a la cadena trófica.

El destino final de los plásticos es, en muchos casos, el océano. Al tratarse de materiales que no se descomponen químicamente, la masa de este tipo de materiales que se halla en los mares permanece en el medio acuático, en ocasiones, en forma de trozos de solo unos milímetros de tamaño, o menores, hasta que son ingeridos por las especies marinas pudiendo llegar, finalmente, hasta el ser humano.

En situación

Estrategias para abordar el problema Reutilizar

Reciclar

Aplicar el material para un uso diferente.

Utilizar el material procesado como materia prima.

Tipos de plásticos y consumo Reorientar y diversificar Desarrollar alternativas sostenibles al plástico.

Observa la imagen y busca información sobre el significado de los símbolos. ¿Están relacionados con la posibilidad de reciclaje?

Recopila durante dos semanas los distintos envases de plástico de cada tipo que hay en tu hogar y cuéntalos.

A partir de los datos anteriores indica cuál es el tipo de plástico que más consumís habitualmente en casa.

151

En situación La obtención de un plástico, ¿es un cambio químico o físico?

2

2.1 Los cambios químicos y la teoría atómica

Cambios químicos En todas las reacciones químicas se produce la formación de los productos a partir de los reactivos porque se rompen unos enlaces y se forman otros. En términos de la teoría atómica de Dalton: los átomos se reordenan para dar lugar a las unidades de las nuevas sustancias.

Antes del cambio

Como ya sabes, hay cambios en la materia, que llamamos cambios físicos, en los que no se alteran las sustancias; es decir, no aparecen sustancias nuevas. A diferencia de ellos, en los llamados cambios químicos, las sustancias se transforman en otras diferentes. Los cambios químicos se llaman también reacciones químicas.

En 1803 J. Dalton demostró que cuando dos sustancias reaccionan sus átomos se recombinan dando lugar a nuevas sustancias. Las sustancias que tenemos antes del cambio químico se denominan reactivos (las que reaccionan) y las que se obtienen como resultado del cambio químico se denominan productos.

Veamos un ejemplo, la formación de óxido de cobre(II) a partir de sus elementos constituyentes, cobre y oxígeno:

1 Tenemos dos sustancias dentro del recipiente, el cobre, en estado solido, formada por átomos de cobre, Cu; y el oxígeno, en estado gaseoso, formada por moléculas de oxígeno, O2.

Reactivo

• Formado por moléculas.

• Dos átomos de oxígeno unidos por enlace covalente.

• Unidad fórmula, O2.

Reactivo

• Formado por cristales.

• Átomos de cobre unidos por enlace metálico.

• Unidad fórmula, Cu.

Durante del cambio 2 Las moléculas de oxígeno se aproximan al cristal de cobre, se rompen los enlaces covalentes de las moléculas de oxígeno y los enlaces metálicos del cobre; y, a continuación, se forman enlaces nuevos, entre el oxígeno y el cobre.

Después del cambio 3 Obtenemos como producto óxido de cobre(II),

formado por la unión del cobre y el oxígeno.

Producto

• Formado por cristales.

• Aproximación entre moléculas y cristal.

• Choque entre entidades elementales.

• Ruptura de enlaces covalente y metálico.

• Formación de enlace iónico.

152

• Cationes Cu2+ unidos por enlace iónico a – aniones O2 .

• Unidad fórmula, CuO.

6

3

3.1 Evidencias macroscópicas

Reacciones químicas

A escala macroscópica no podemos observar los átomos, pero sí podemos comprobar que ha ocurrido un cambio químico analizando las características y propiedades del sistema material. Si han aparecido sustancias como resultado del cambio (reacción química), las propiedades habrán sufrido cambios también. Entre otras evidencias podemos observar: • Cambio de color en la sustancia que se ha formado.

En situación Los plásticos son polímeros, que son macromoléculas obtenidas uniendo moléculas más pequeñas mediante una reacción química llamada polimerización.

• Aparición de un precipitado, si alguno de los productos de la reacción es poco soluble.

• Aparición de un burbujeo, si se produce una sustancia gaseosa.

• Liberación de energía en forma de luz.

• Intercambio de energía en forma de calor.

El óxido de hierro que aparece cuando se combina el hierro con el oxígeno es una sustancia anaranjada.

Evidencias de cambio químico

Las luciérnagas y los peces abisales experimentan reacciones químicas luminiscentes, en las que se intercambia energía en forma de luz.

Al producirse una sustancia gaseosa, producto de una reacción, observamos un burbujeo, que no debemos confundir con un cambio de estado.

En las bolsas de frío instantáneo se produce una reacción endotérmica donde se absorbe energía del entorno, lo que hace que la bolsa se enfríe.

En situación

Reacciones químicas en la cocina En esta actividad fabricarás un polímero a partir de la leche. Para ello necesitas: leche, vinagre, papel de filtro, embudo, varios recipientes, una fuente de calor, espátula y un paño.

Calienta unos 300 mL de leche hasta una temperatura de 60 ºC aproximadamente (sin que llegue a hervir).

A continuación, vierte dos cucharadas soperas de vinagre y remueve, observarás la aparición de grumos. Filtra la mezcla de modo que los grumos queden en el papel de filtro. Separa la masa grumos del papel de filtro con la ayuda de una espátula y transfiérela al paño. Escurre el

contenido del paño para quitar el líquido sobrante. Por último, coloca la masa en un molde y deja que se enfríe y fragüe durante unos días. Desmolda el polímero obtenido. ¿Qué ha ocurrido?: La caseína de la leche (proteína) se encuentra dispersa en la leche porque está unida a los iones calcio presentes en ella. Al añadir el vinagre, el ácido acético se une a los iones calcio que se separan de las moléculas de caseína. Estas se unen entre sí y se obtiene el polímero. ¿Qué cambios has observado antes y después de la reacción química?

153

3

Reacciones químicas

3.2 Tipos de reacciones químicas

En situación

Reacciones de polimerización

En función del criterio que utilicemos podemos clasificar las reacciones químicas de distinta manera. Algunos tipos de reacciones son:

¿Cómo se obtiene un polímero sintético? ¿Cuáles son las materias primas que se utilizan en su fabricación?

• Reacciones de síntesis: varias unidades dan como resultado una unidad mayor.

Esquema. Utilizando un esquema parecido al de esta página, representa la reacción de síntesis de alguno de los polímeros que se utilicen en la fabricación de los envases que recicláis en casa.

• Reacciones de desplazamiento: un átomo o grupo de átomos ocupan el lugar de otros.

• Reacciones de descomposición: separación de unidades en otras más sencillas.

Antes del cambio

Después del cambio

Reacción de síntesis

H2

N2

NH3

Reacción de descomposición

H2O

O2

H2

Reacción de desplazamiento Cu

HCl

CuCl

H2

3.3 Ecuaciones químicas

1 Utilizando el siguiente código de color, describe los ejemplos del cuadro de esta página indicando cuáles son los reactivos, cuáles los productos, qué enlaces se rompen y cuáles se forman; posteriormente, escribe la ecuación química que corresponde a cada reacción.

Nitrógeno

Hidrógeno

154

Cloro

Cobre

Oxígeno

Las reacciones químicas se esquematizan de forma sencilla utilizando ecuaciones químicas. En ellas se escriben las fórmulas de los reactivos y de los productos y se simboliza el cambio químico con una flecha hacia la derecha: O2 � 2 CuO 2 Cu + El símbolo + sirve para separar los distintos reactivos (o los productos).

Los coeficientes esquequiométricos informan sobre el número de entidades elementales de cada sustancia que interviene en la reacción.

Si su valor es 1, no se escribe.

Para escribir correctamente una ecuación química hay que conocer las fórmulas de las sustancias (reactivos y productos), escribirlas en el lugar correspondiente y, por último, elegir los valores de los coeficientes estequiométricos, de tal forma que el número de átomos de cada elemento químico no cambie antes y después del cambio. Esto se denomina ajustar la ecuación química. Y para ello, resulta útil representar las entidades elementales de las sustancias, como hemos hecho en el cuadro superior.

6

Ejemplo de ajuste de ecuaciones químicas Vamos a ajustar la ecuación química correspondiente a la reacción de sulfuro de hierro(II) con oxígeno para formar óxido de hierro(III) y dióxido de azufre: Reactivos

Sulfuro de hierro(II) 1

2

3

4

Productos

Oxígeno

Dióxido de azufre

FeS + O2 � Fe2O3 + SO2

Escribimos las fórmulas químicas de reactivos y productos en la ecuación.

(Repasa las normas de formulación inorgánica en el anexo de la unidad 2).

2 FeS + O2 � Fe2O3 + SO2

Cada entidad de óxido de hierro contiene dos átomos de hierro; por tanto, necesitamos dos entidades de sulfuro de hierro en los reactivos, cada una con un átomo de hierro.

2 FeS + O2 � Fe2O3 + 2 SO2

Como reaccionan dos entidades de sulfuro de hierro, obtendremos dos entidades de óxido de azufre, cada una con un átomo de azufre.

2 FeS + 7/2 O2 � Fe2O3 + 2 SO2

Contamos los átomos de oxígeno en los productos y obtenemos 7 y, por tanto, necesitamos 7/2 moléculas de oxígeno en los reactivos.

Para evitar el coeficiente fraccionario, multiplicamos todos los coeficientes de la ecuación química por 2.

4 FeS + 7 O2 � 2 Fe2O3 + 4 SO2 5

Óxido de hierro(III)

Hematites, mineral de óxido de hierro(III).

4 FeS + 7 O2 � 2 Fe2O3 + 4 SO2

Comprobamos que tenemos el mismo número de átomos de cada elemento en reactivos y productos.

Reactivos

Productos

1 × 4 = 4 átomos de Fe

2 × 2 = 4 átomos de Fe

1 × 4 = 4 átomos de S

1 × 4 = 4 átomos de S

2 × 7 = 14 átomos de O

3 × 2 + 2 × 4 = 14 átomos de O

Algunos errores a evitar en el ajuste de una ecuación química son: • Modificar las fórmulas de las sustancias químicas. Si modificamos la fórmula de la sustancia, estamos indicando un cambio químico diferente.

C + O2 � CO2

2 C + O2 � 2 CO

• Confundir la fórmula del elemento con la de la sustancia simple, en sustancias moleculares. La fórmula del oxígeno molecular es O2 y no O. 5 O2 + 4 NH3 � 4 NO + 6 H2O

• Confundir la entidad elemental de metales con la de sustancias moleculares. El aluminio es un metal, y su fórmula no tiene subíndice.

Metal

2 Al + 6 HCl � 2 AlCl3 + 3 H2

Sustancia molecular

2 Dibuja las entidades elementales de los reactivos y de los productos de estas reacciones químicas y, a partir de la representación, ajusta las ecuaciones químicas siguientes: a) C2H4 + O2 � CO2 + H2O

b) Fe + O2 � Fe2O3 c) PBr3 � P4 + Br2

d) HBr + Fe � H2 + FeBr3

e) Na + FeBr3 � NaBr + Fe 155

En situación ¿Cómo relacionamos la masa con el número de moléculas? ¿Cómo afecta la masa molar a las propiedades de los plásticos?

4

4.1 Masa y cantidad de sustancia La teoría atómica-molecular nos indica que las combinaciones en química se hacen entre unidades (átomos o moléculas). Cuando ocurre una reacción química necesitamos relacionar el número de átomos o moléculas que se combinan entre sí con la masa a la que corresponden.

Cantidad de sustancia

La magnitud cantidad de sustancia da cuenta de cuántas unidades hay, no de cuál es el valor de la masa (ver analogía al margen).

Relación entre masa y cantidad de sustancia

Escala atómica

Para relacionar la masa con la cantidad de sustancia a escala macroscópica, tomamos una determinada cantidad, X, de átomos y de moléculas.

Masa atómica

1. Arbitrariamente damos el valor 1 a la masa del átomo más ligero, el hidrógeno, H: m1H = 1 u.

La masa de todos los demás elementos se puede obtener comparando su masa con ella.

Masa atómica

1

1,008

H HIDRÓGENO 1s 1

Misma cantidad

–2

O

2. Como el átomo de oxígeno es 16 veces más pesado que el de H, si tomamos 16 g de oxígeno tendremos la misma cantidad de átomos de oxígeno que de hidrógeno. mO = 16 g X átomos de oxígeno 3. Para tener la misma cantidad X de moléculas de agua, necesitamos una masa de agua de: 2 · mH + 1 · mO = = 2 · 1 g + 1 · 16 g = 18 g

H2O

3

Analogía 15 uvas

8

1. Tomamos 1 g de masa del elemento más ligero, el hidrógeno, H: mH = 1 g que contiene una cantidad X de átomos de hidrógeno.

15,999

OXÍGENO [He]2s 2 p 4

2. El oxígeno es 16 veces más pesado que el hidrógeno, mO = 16 u

3. La masa de una molécula de agua es: 2 · mH + 1 · mO = = 2 · 1 u + 1 · 16 u = 18 u

Escala macroscópica

15 garbanzos

Hasta ahora hemos utilizado una primera aproximación dando el valor de 1 u a la masa del hidrógeno (realmente el valor de la masa del hidrógeno es 1,00784 u). Este valor es el resultado de hacer la media ponderada de las masas de los isótopos del hidrógeno. Busca información para responder a estas preguntas: a) ¿Cuántos isótopos tiene el hidrógeno? b) ¿Qué significa que la media sea ponderada? c) ¿En qué se diferencia una media aritmética de una ponderada? d) ¿Cuál es el isótopo más abundante del hidrógeno?

Distinta masa

Al igual que ocurre con las uvas y los garbanzos, los átomos de los diferentes elementos tienen distinta masa.

156

4

¿Qué te hace decir eso? Fíjate en la masa de los elementos químicos (utiliza para ello una tabla periódica) y extrae conclusiones utilizando el conocimiento que has adquirido en la actividad anterior.

5 ¿Es verdadera la siguiente afirmación?: «Un gramo de mercurio contiene tantos átomos como un gramo de hierro».

6

4.2 Unidad de la cantidad de sustancia Teniendo en cuenta que el tamaño de los átomos y las moléculas es ínfimo, podemos pensar que la cantidad de átomos que hay en unos pocos gramos de masa es enorme. X tiene un valor que se denomina número de Avogadro, NA : NA = 602 214 076 000 000 000 000 ≈ 6,022 · 1023 Cuando se realizan cálculos relacionados con las reacciones químicas se relacionan cantidades proporcionales al número de Avogadro, ya que las masas de las sustancias, expresadas en gramos, corresponden así a valores conocidos, por ejemplo, un conjunto de 6,022 · 1023 átomos de oxígeno tiene una masa de 16 g.

Para poder designar ese conjunto de átomos, el que tiene tantos como el NA , utilizamos una unidad en forma de numeral colectivo: el mol, que es la unidad de la magnitud fundamental cantidad de sustancia.

1 mol corresponde a 6,02214076 · 1023 entidades elementales

Unidades de cantidad Docena 12 Par 2 Trío 3

Numerales colectivos Decena 10

Millar 1 000

Mol 6,022 · 1023

El mol es un numeral colectivo. La diferencia con el resto es que su valor es muy grande, por eso, lo escribimos en notación científica y utilizamos cuatro cifras significativas.

4.3 Cantidad de sustancia y masa molar Para relacionar la masa de las sustancias y la cantidad de cada una de ellas, expresada en mol, utilizamos, a escala macroscópica, la masa molar.

La masa molar de una sustancia es la masa, expresada en gramos, de un mol de entidades elementales de esa sustancia.

Un mol de átomos tiene una masa, en gramos, igual a la masa de 1 átomo en unidades de masa atómica.

Escala atómica

Recuerda Hay sustancias cuya entidad elemental es la molécula y sustancias cuya entidad elemental es el cristal. En este último caso, tomamos como representativa la porción mínima de cristal que contiene la proporción entre los átomos que lo forman, llamada unidad fórmula.

Escala macroscópica Moléculas

2 átomos de hidrógeno y 1 de oxígeno

2 átomos de nitrógeno

2 · mH + 1 · mO =

= 28 u

2 · mH = 2 · 14 u =

= 2 · 1 u + 1 · 16 u = 18 u

Cristales

1 átomo de cobre 1 · mCu = 1 · 63,5u = = 63,5 u

M (H2O) = 18 g/mol

M (N2) = 28 g/mol

M (Cu) = 63,5 g/mol

M (BaF2) = 175,3 g/mol

2 átomos de flúor y 1 de bario 2 · mF + 1 · mBa = = 2 · 19 u + 1 · 137,3 u = = 175,3 u

157

4

Cantidad de sustancia

4.4 Cálculo de la cantidad de sustancia Expresión matemática m M La relación entre la masa (m), la masa molar (M) y la cantidad de sustancia (n) se puede expresar mediante un cociente. n=

Para poder calcular la masa de las sustancias que intervienen en una reacción química, debemos saber la cantidad de sustancia de cada una de ellas que está presente. Observa el esquema de cálculo y el ejemplo que mostramos a continuación para hallar la cantidad de sustancia que hay en 540 g de carbonato de calcio, CaCO3.

Cálculos de la cantidad de sustancia 1 Recopilamos las masas atómicas de los elementos.

En situación

40,0840,0840,08 202020 6 6 12,011 6 12,01112,011 8 8 15,999 8 15,99915,999

Masas molares de polímeros

2

CaCaCa

2

2

CALCIO CALCIO CALCIO

mCa = 40 u

El grado de polimerización de un polímero es el número de veces que se repite el monómero en la cadena. Su valor se obtiene dividiendo la masa molar del polímero entre la masa molar del monómero.

Calcula la masa molar de los polímeros que se muestran en las fotografías inferiores. Para ello, calcula la masa molar de cada monómero (cuya fórmula tienes escrita) y multiplícala por el grado de polimerización (número de monómeros que contiene el polímero, n ). ¿Qué cantidad de sustancia de polietileno hay en 1 kg de ese material?

H

H

C

C

C

H H

H

–2

CARBONO CARBONO CARBONO

OXÍGENO OXÍGENO OXÍGENO

mC = 12 u

mO = 16 u

3

3 Expresamos el valor anterior como masa molar:

100 u en la escala atómica corresponden a 100 g; por tanto, la masa molar del CaCO3 es M = 100 g/mol.

4 Calculamos la cantidad de sustancia utilizando la expresión matemática

o un factor de conversión.

Expresión matemática n=

Datos

540 g m = = 5,4 mol M 100 g/mol

m = 540 g M = 100 g/mol

Masa molar como factor de conversión n

n = 5 000

H

–2

mCaCO = mCa + mC + 3 · mO = 40 u + 12 u + 3 · 16 u = 100 u

C CH

Masa

Poliacronitrilo

–2

OO O

2 Calculamos la masa de la unidad fórmula del compuesto.

H H C N

+ 4,2 + 4,2 + 4,2 – – –

CCC

540 g ·

1 mol 100 g

= 5,4 mol

Cantidad de sustancia

6 En 1 mol de agua hay 2 mol de átomos de hidrógeno. ¿Qué cantidad de sustancia de átomos de carbono hay en 2 mol de glucosa? Busca la fórmula de la glucosa para responder.

n

n = 5 000 Polipropileno

7 Calcula la cantidad de sustancia que hay en: a) 2 gramos de hidrógeno.

H

H

C

C

H

H

b) 12 gramos de carbono. c) 23 gramos de sodio. d) 18 gramos de agua. n

n = 7 500 Polietileno

158

e) 44 gramos de dióxido de carbono.

8 Genera un esquema de cálculo como el del recuadro del ejemplo anterior mostrado en esta página, para indicar el cálculo de la masa que contendrían 10 mol de CaO (tomar datos de las masas atómicas del ejemplo).

6

4.5 Masa molar y propiedades Si consideramos sustancias químicas similares, por ejemplo, sustancias formadas cor cadenas de átomos, se puede hacer una correlación entre la masa molar y algunas propiedades, como las temperaturas de cambio de estado.

Variación de propiedades según la masa molar Nombre de la sustancia

Fórmula molecular

Masa molar (g/mol)

Punto de fusión (ºC)

Punto de ebullición (ºC)

metano

CH4

16

–183

–162

etano

C2H6

30

–183

–89

propano

C3H8

44

–188

–42

butano

C4H10

58

–139

–1

pentano

C5H12

72

–130

36

hexano

C6H14

86

–95

69

heptano

C7H16

100

–91

98

octano

C8H18

114

–57

126

nonano

C9H20

128

–54

151

decano

C10H22

142

–30

174

tetradecano

C14H30

198

6

254

octadecano

C18H38

254

28

316

T / °C 400

Temperaturas de cambio de estado según masa molar

300 200 100 0 –100 –200

M /(g/mol) 0

50

100

Punto de fusión (ºC)

150

200

250

300

Punto de ebullición (ºC)

Las propiedades de muchas sustancias dependen de su masa molar. Podemos observar que a medida que aumenta la masa molar, lo hace también la temperatura de cambio de estado.

Ejercicio resuelto 1 Si tenemos 1 kg de cada una de las sustancias de la tabla superior (hidrocarburos), ¿qué cantidad de sustancia tendremos de cada una de ellas?

Una vez que tengas los valores de la masa molar, solo tendrás que introducir la fórmula de la división de la masa entre la masa molar.

Para responder a esta pregunta, tienes que comenzar por calcular la masa molar de cada sustancia. Puedes agilizar los cálculos utilizando una hoja de cálculo, en la que introduzcas una fórmula que relacione el número de átomos de carbono e hidrógeno con la sustancia y te permita determinar, de forma rápida, la masa molar.

Observa que el número de átomos de carbono e hidrógeno están relacionados de esta forma: CnH2 · n + 2

En situación

Masa molar y propiedades de los polímeros El espejo. ¿A qué polímero corresponde el código 2? ¿Y el 4? ¿En qué se parecen y en qué se diferencian? ¿Qué relación existe entre la masa molar de un polímero y sus propiedades?

159

En situación ¿Se puede deshacer un polímero sintético?

5

5.1 Ley de conservación de la masa

Leyes ponderales

En 1789, A. Lavoisier publicó la ley de la conservación de la masa, indicando que en una reacción química la materia se transforma, pero no se crea ni se destruye masa. Esta ley se puede expresar cuantitativamente de esta forma: En una reacción química, la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos.

1

Ponemos un reactivo en el globo y el otro en el matraz.

4

El valor de la masa no ha variado. Las sustancias son diferentes, pero no se ha creado ni destruido masa.

3

2

Se forma una sustancia gaseosa.

Ponemos las sustancias en contacto.

Anotamos el valor de la masa.

En situación

Reciclado de PET En el caso de algunos polímeros, es posible descomponerlos en otras sustancias de utilidad mediante una reacción química. Se trata del llamado reciclado químico de plásticos.

En el caso de PET, se obtienen ácido ftálico (C8H6O4) y etilenglicol (C2H6O2). Por cada molécula de ácido ftálico se obtiene una de etilenglicol. ¿Cuál será la proporción en masa entre estos dos productos de la reacción?

10,00 g Cu

5.2 Ley de las proporciones definidas Entre 1794 y 1804, J. L. Proust estableció que al descomponer un compuesto en sustancias simples siempre se obtiene la misma proporción de dichas sustancias. Para comprobarlo, realizó una gran cantidad de experimentos en los que medía la masa de las sustancias simples que conseguía obtener descomponiendo sustancias compuestas.

Esta observación se generalizaba a todas las reacciones químicas, no solo a las descomposiciones: En una reacción química, la proporción de masas de reactivos y productos que intervienen en la reacción es constante.

Observación

Predicción

+

+

5,04 g S

�

15,04 g CuS

Al hacer reaccionar 10,00 g de cobre con 5,04 g de azufre, obtenemos 15,04 g de sulfuro de cobre(II).

10,00 g Cu

10,00 g S

�

+ 20,00 g CuS

10,00 g Cu

No obtendremos 20 g de sulfuro de cobre(II) a partir de 10 g de cada reactivo, porque la proporción no es la observada (10,00:5,04).

9 En cada fila de esta tabla se recogen los resultados de la reacción entre el cloro y el sodio para formar cloruro de sodio: a) Comprueba, a partir de estos resultados, que se cumple la ley de la conservación de la masa. b) A partir de las tres primeras filas de la tabla, establece la proporción en la que se combinan el cloro y el sodio para formar el cloruro de sodio. ¿Qué ley empírica estás comprobando? Comprueba que se cumple también en las dos últimas filas.

160

Comprobación

10,00 g S

�

+ 15,04 g CuS

4,96 g S

Reaccionan masas según la proporción observada y sobra (no reacciona) parte del azufre.

Masa de cloro/g

Masa de sodio/g

Masa de cloruro de sodio/g

Masa sobrante de cloro/g

Masa sobrante de sodio/g

71

46

117

0

0

142

92

234

0

0

142

100

234

0

8

202

100

254

48

0

6

5.3 Leyes ponderales y teoría atómica Las leyes ponderales son las evidencias experimentales de que la teoría atómica se cumple. Veamos cómo se explican las evidencias de estas leyes utilizando la teoría.

Explicación de la ley de conservación de la masa La teoría atómica explica esta ley empírica, puesto que una reacción química es solo una reordenación de átomos, no se crean átomos nuevos, sino que los átomos de los reactivos se ordenan de manera diferente para formar otras sustancias, los productos de la reacción química. Por ello, la masa total de los reactivos será igual a la masa total de los productos.

Explicación de la ley de las proporciones definidas Esta ley se puede explicar a partir de: • La composición de cada sustancia química es constante y se expresa en su fórmula química.

• La masa molar de cada sustancia es constante.

• El número de entidades elementales de cada sustancia que interviene en la reacción química es constante.

Ecuación química y ley de las proporciones definidas 1 La ecuación química ajustada que describe esta reacción es:

4 NH3

+

5 O2

�

4 NO

+

6 H2O

Ecuación química ajustada

2 Según la teoría atómica, el número de entidades elementales que se combina es:

4 moléculas

5 moléculas

4 moléculas

Interpretación según el número de entidades elementales

6 moléculas

3 Si utilizamos la escala macroscópica, las cantidades de cada sustancia son:

4 mol

5 mol

4 mol

Proporción estequiométrica en cantidad de sustancia

6 mol

4 A partir de las masas atómicas y las fórmulas de las sustancias calculamos las masas

molares: M (NH3) = 14 + 3 · 1

M (O2) = 2 · 16

M (NO) = 14 + 16

M (H2O) = 2 · 1 + 16

M (NH3) = 17 g/mol

M (O2) = 32 g/mol

M (NO) = 30 g/mol

M (H2O) = 18 g/mol

Masas molares

5 Calculamos la masa que corresponde a cada cantidad de sustancia según la propor-

ción estequiométrica. mNH3 = 17 g/mol · 4

mO2 = 32 g/mol · 5

mNO = 30 g/mol · 4

mH2O = 18 g/mol · 6

mNH3 = 68 g

mO2 = 160 g

mNO = 120 g

mH2O = 108 g

Proporción estequiométrica en masa

6 La proporción entre las masas de las sustancias de la reacción química se mantiene

constante. mNH3 68 17 mNO = 120 = 30

mNH3 68 17 mH2O = 108 = 27

mO2 160 4 mNO = 120 = 3

mO2 160 40 mH2O = 108 = 27

Ley de las proporciones definidas

161

6 Cálculos estequiométricos En situación ¿Qué beneficios se obtienen del reciclaje? A partir del dato de la actividad competencial del apartado anterior y del enunciado del ejercicio resuelto de esta página, indica qué sustancia se recicla.

Vamos a aplicar lo aprendido ahasta ahora en el cálculo de las masas de las sustancias implicadas en una reacción química. Este tipo de cálculos se denominan cálculos estequiométricos.

Ejercicio resuelto 2 Los ftalatos son compuestos químicos de ácido ftálico que se utilizan, como plastificantes, para suavizar y dotar de más flexibilidad plásticos como el cloruro de polivinilo (PVC).

Una forma de analizar el contenido de ácido ftálico (C8H6O4) es hacerlo reaccionar con oxígeno. Los productos de esta reacción son dióxido de carbono y agua. a) Escribe la ecuación química ajustada de la reacción entre el ácido ftálico y el oxígeno. b) Si hemos hecho reaccionar completamente una muestra que contiene ácido ftálico con oxígeno y hemos obtenido una masa de dióxido de carbono de 1 056 g, ¿qué masa de ácido ftálico contenía la muestra? c) Si la masa de la muestra analizada era de 2 kg, ¿cuál era el % en masa de ácido ftálico en la muestra? a) Para ajustar la ecuación química, comenzamos por contar los átomos de carbono, seguimos por el hidrógeno y nos dejamos para el final el oxígeno, que es el elemento que aparece en la única sustancia simple de la reacción.

1

Cada molécula de ftalato tiene 8 átomos de carbono; por tanto, obtendremos 8 moléculas de dióxido de carbono.

Por otro lado, cada molécula de ftalato tiene 6 átomos de hidrógeno; obtendremos 3 moléculas de agua.

2

Ácido ftálico

C8H6O4

3

C8H6O4 + O2 � 8 CO2 + 3 H2O

En los productos tenemos en total 19 átomos de oxígeno. En los reactivos tenemos 4; por tanto, faltan 15 átomos de oxígeno que luego obtendremos de la sustancia oxígeno (de dos átomos cada molécula, el coeficiente será 7,5).

C8H6O4 + 7,5 O2 � 8 CO2 + 3 H2O

Para obtener coeficientes enteros, multiplicamos por 2.

2 C8H6O4 + 15 O2 � 16 CO2 + 6 H2O

En situación

Técnicas de reciclaje En el reciclaje químico de los plásticos, el objetivo principal es obtener los monómeros de los que está formada cada cadena de polímero o bien otras sustancias que se puedan utilizar como materia prima.

Investiga sobre la pirólisis y la solvólisis. ¿Qué tienen en común estos procesos? ¿Qué significa el morfema -lisis? b) Investiga sobre las instalaciones de reciclado de plásticos en Andalucía. ¿Qué técnicas se utilizan? c) ¿A cuál de las estrategias para abordar el problema de los plásticos corresponde?

a)

162

6

b) Necesitamos conocer qué cantidad de sustancia dióxido de carbono hay en los 1 056 g obtenidos, qué cantidad de ácido ftálico reaccionó y a qué masa de ácido corresponde.

1

Con las masas atómicas promedio y la fórmula, CO2, calculamos la masa molar de este compuesto: mC = 12 u; mO = 16 u; M (CO2) = 12 + 2 · 16 = 44 g/mol.

2

A partir de la masa molar y la masa calculamos la cantidad de sustancia (en mol) de dióxido de carbono.

Expresión matemática

Datos m = 1 056 g M = 44 g/mol

n= n=

3

m M

1 056 g ·

1 mol = 24 mol de CO2 44 g

1 056 g = 24 mol de CO2 44 g/mol

Utilizamos la información de la ecuación química ajustada para calcular la cantidad de ácido ftálico que ha reaccionado, a partir de la cantidad de dióxido de carbono obtenida utilizando la expresión matemática o un factor de conversión.

24 mol de CO2 ·

4

Factor de conversión

2 mol de C8H6O4 = 3 mol de C8H6O4 16 mol de CO2

Con las masas atómicas promedio y la fórmula, C8H6O4, calculamos la masa molar del ácido ftálico: mC = 12 u; mO = 16 u; mH = 1 u.

M (C8H6O4) = 8 · 12 + 6 · 1 + 4 · 16 = 166 g/mol

5

A partir de la masa molar y la cantidad de sustancia calculamos la masa de ácido ftálico.

Datos

Expresión matemática

n = 3 mol M = 166 g/mol

m=n·M m (g) = 3 mol · 166 g/mol = 498 g de C8H6O4

c) Para calcular el % de ácido ftálico en la muestra utilizamos la masa de ácido que hemos calculado y la masa total de la muestra, expresándolas ambas en las mismas unidades.

Datos ms = 498 g mtotal = 2 000 g

Expresión matemática ms

% en masa = m · 100 = T

Factor de conversión 3 mol ·

166 g = 498 g de C8H6O4 1 mol

% en masa o riqueza de ácido en la muestra.

498 g · 100 = 24,9 % 2 000 g

Análisis de resultados Círculo de puntos de vista. Se lleva una muestra al laboratorio para analizar la masa de aluminio que contiene. En el procedimiento del laboratorio se hace reaccionar la muestra con ácido clorhídrico, que solo reaccionará con el aluminio.

Nos explican que los productos de esa reacción son hidrógeno (H2) y cloruro de aluminio (AlCl3).

La masa de nuestra muestra es 120,50 g. El resultado del laboratorio indica que se han obtenido 467,25 g de cloruro de aluminio. ¿Es posible este resultado?

Elabora un informe sobre el resultado del laboratorio e incluye, si fuera posible, el cálculo de la riqueza de la muestra. En la elaboración de tu informe utiliza estas preguntas guía: 1. ¿Es posible que se obtenga mayor masa de un producto de la reacción que de uno de los reactivos?

2. ¿Qué reacción química se ha utilizado en el análisis?

3. ¿Puedo calcular la cantidad de cada una de las sustancias que intervienen en la reacción?

4. ¿Qué significado tiene la magnitud «riqueza de la muestra»?

163

7

7.1 Factores que afectan a la velocidad de reacción El curso pasado vimos que los factores que influyen sobre la velocidad de una reacción química son la temperatura y la concentración de los reactivos. Esta influencia se puede explicar a nivel atómico-molecular.

Velocidad de reacción

Concentración En situación ¿Se puede acelerar una reacción de reciclado de plásticos?

Al variar la concentración de los reactivos varía la frecuencia con la que ocurren los choques necesarios para que se rompan los enlaces que unen sus átomos y se formen los enlaces que forman las moléculas o cristales de los productos.

Menor concentración

Mayor concentración

aSi aumenta la concentr brá ha os ción de reactiv idad más moléculas por un to, tan r po y, en lum de vo e será más frecuente qu sí. tre en estas choquen

En situación

Catalizadores y reciclaje de plásticos Conseguir reducir la cadena de un polímero a los monómeros que la componen mediante una reacción química es un proceso lento que requiere de mucha energía. Por eso, se utilizan catalizadores. Estos son sustancias que aparecen en una reacción química solo para hacer que esta sea más rápida (o, a veces, más lenta, según interese), pero no son ni reactivos, ni productos de la reacción. Las enzimas son un tipo de catalizadores.

La degradación enzimática es una técnica de reciclaje químico de plásticos. Busca información sobre: • ¿Qué tipos de plásticos se pueden someter a degradación enzimática?

• ¿Podemos considerar que las bolsas de plástico compostables se degradan mediante enzimas?

Temperatura Al variar la temperatura hacemos que la velocidad de los átomos y las moléculas varíe y con ello la frecuencia y la energía con la que chocan entre sí.

Aumento de temperatura

Grado de división y estado de agregación El estado de agregación de los reactivos afecta a la velocidad de la reacción, pues el grado de contacto entre las moléculas es mucho mayor en gases, que en líquidos o sólidos. Este efecto se observa también si comparamos la velocidad de reacción utilizando un sólido en grandes trozos, dividido en finas virutas, o incluso pulverizado.

Grado de división menor

164

Si aumenta la temperatura también lo hace la frecuencia de choques y su energía; por tanto, mayor proporción de choques efectivos y una mayor velocidad de reacción.

La superficie de conta cto entre los dos reactivos es mayor en la imagen derecha. Los átomos de l centro del cristal de la imagen izquierda no son accesibles al otro reactiv o.

Grado de división mayor

6

Laboratorio Velocidad de reacción: concentración y temperatura

Planteamiento del problema El objetivo de este laboratorio es comprobar mediante una evidencia apreciable a simple vista la existencia de un cambio químico.

Además, observaremos cómo afectan a la velocidad de reacción la temperatura y la concentración de los reactivos.

Propuesta Te proponemos llevar a cabo dos experiencias:

Materiales • Barras lumin iscentes • Vaso de prec ipitados • Hielo, agua y sal • Virutas met álicas • Ácido clorhí drico (aq., co ncentrado) • Ácido clorhí drico (aq., dilu ido)

Experiencia A Comprobar la reacción química que tiene lugar entre el ácido clorhídrico y los metales.

Experiencia B Observar cómo afecta la temperatura a la velocidad de reacción utilizando una barra luminiscente.

¡Precaución!

El ácido clorhídrico es un líquido muy corrosivo.

Sigue las normas de seguridad para no sufrir ningún percance.

1 ¿Cómo explicas las diferencias observadas en el primer paso y el tercer paso de la experiencia A?

Procedimiento Experiencia A • Vierte agua en un vaso de precipitados y añade las virutas metálicas.

• Repite la experiencia anterior, utilizando ahora la disolución diluida de ácido clorhídrico.

• Vuelve a llevar a cabo la experiencia, pero utilizando la disolución más concentrada de ácido clorhídrico.

• Observa y anota lo que ocurre en los tres casos.

Experiencia B • Prepara un vaso de precipitados con agua caliente y otro con una mezcla de agua, hielo y sal.

• Flexiona dos barras luminiscentes para hacer que comience la reacción química en su interior.

• Introduce cada una de ellas en uno de los vasos anteriores.

• Anota las diferencias que observes en cada caso.

2 ¿Qué reacción química se produce al mezclar un metal con ácido clorhídrico? ¿Por qué se produce un burbujeo?

3 ¿Cómo explicas las diferencias observadas entre los dos últimos pasos de la experiencia A? ¿Qué factor está influyendo sobre la velocidad de reacción?

4 Busca información sobre el funcionamiento de las barras luminiscentes y sus aplicaciones.

5 Explica las diferencias observadas entre la barra introducida en agua caliente y la introducida en el vaso con hielo. ¿Qué factor influye en la velocidad de reacción?

6 Infórmate de por qué se añade sal al agua con hielo. ¿Qué aplicaciones tiene este hecho en la vida cotidiana?

165

Power

STEAM PROTAGONISTA

LAURA LECHUGA Laura Lechuga Gómez nació en Sevilla en 1962 y es una destacada química y profesora de investigación del consejo superior de investigaciones científicas (CSIC). Su carrera se ha centrado en el desarrollo y el liderazgo del grupo de nanobiosensores y aplicaciones bioanalíticas del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) en Barcelona.

Laura se interesó por la química y la física desde sus años en la escuela secundaria, lo que la llevó a estudiar Química en la Universidad de Cádiz. Posteriormente, completó su investigación doctoral en el Centro Nacional de Microelectrónica-CSIC, con una tesis sobre diodos Schottky de semiconductores III-V para la detección de gases y biosensores. Pasó parte de su carrera científica en Países Bajos y regresó a España en 1995.

Durante la pandemia de la COVID-19 desarrolló un biosensor óptico rápido y de bajo coste para detectar el virus. Y en 2020, recibió el premio nacional de investigación en transferencia de tecnología Juan de la Cierva. Laura compagina su actividad investigadora con la promoción de vocaciones científicas en su Andalucía natal y fuera de ella. Es todo un ejemplo de talento, compromiso y vocación.

POWER SKILLS!

O G Z A I DE R

L

NZA

NFIA O C O T U A

TRABUIAPOJO EN EQ

166

BIONAT

CENTRO DE INVESTIGACIÓN

En 2002, fue nombrada jefa del Departamento de Sensores y Biosensores del CSIC. Posteriormente, en 2008, se unió al ICN2 y también lideró un grupo en el Networking Biomedical Research Center (CIBER). Fue profesora adjunta en la Universidad de Tromsø, Noruega, y profesora visitante distinguida en la Universidad Estatal de Campinas, Brasil.

GRANADA

El grupo de investigación Biotecnología y Química de Productos Naturales (BIONAT) se encuentra dentro del Instituto de Biotecnología de la Universidad de Granada y tiene una amplia experiencia en el campo de la química orgánica de productos naturales.

Su trabajo teórico y experimental se ha llevado a cabo en varias líneas de investigación, entre las que sobresalen los estudios diseñados para imitar o replicar reacciones que ocurren en sistemas biológicos, la síntesis microbiológica de terpenos naturales o la síntesis orgánica de compuestos bioactivos.

A lo largo de los años, se han desarrollado en él, ¡más de 20 patentes! Entre ellas se encuentran el método de extracción y purificación de Stevia usando bicarbonato de calcio; o el proceso para la recuperación industrial de los ácidos oleanólico y maslínico contenidos en los subproductos del procesamiento de las aceitunas.

6

MI PROFESIÓN

BIOTECNÓLOGA Hola, soy Isabel, y como biotecnóloga me sumerjo en un mundo donde la ciencia y la tecnología más puntera se unen. ¿Sabéis lo emocionante que es usar organismos vivos para crear productos que mejoran nuestras vidas? Eso es lo que hago a diario.

La biotecnología es mucho más que una disciplina que desarrolla experimentos en laboratorios: es toda una aventura donde se aborda desde la genética hasta la agricultura y la medicina. Imagina poder modificar genéticamente plantas para que sean más resistentes, o desarrollar medicamentos que salvan vidas. En mi trabajo, tengo el poder de luchar contra enfermedades, proteger el medioambiente y contribuir al desarrollo de alimentos más nutritivos.

La biotecnología no es solo un campo de estudio, es una forma de cambiar la vida de las personas y el planeta.

CONOCE UN POCO MÁS Busca información sobre cómo la biotecnología puede usarse para desarrollar prácticas agrícolas más sostenibles y eficientes.

A los estudiantes que están pensando en su futuro, les diría que la biotecnología es un campo lleno de posibilidades y retos apasionantes. Aquí podéis combinar vuestra curiosidad por la biología con la tecnología para crear soluciones reales a problemas globales. Cada día trae algo nuevo y emocionante, y lo mejor de todo es que estás trabajando para hacer del mundo un lugar mejor.

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D A D I TIV CIA A E CR N NTE A R E NSTA V E S E CO R E AJ P

POWER SKILLS!

¿SABÍAS QUE...?

CRISPR-Cas es una técnica revolucionaria de edición genética. Imagina tener unas «tijeras moleculares» que puedan cortar y modificar el ADN en puntos específicos.

CRISPR permite a los científicos hacer exactamente eso, alterando genes para estudiar su función o corregir mutaciones genéticas. Francis Mojica, un científico español, fue clave en este descubrimiento. Él identificó lo que ahora conocemos como secuencias CRISPR en bacterias y fue el primero en proponer que podrían ser parte de un sistema de defensa bacteriano, sentando así las bases para el desarrollo de esta revolucionaria tecnología.

167

PORFOLIO ¿Qué has aprendido?

Organiza tus ideas

Repasa

1

2

Mapa conceptual. Copia y completa el mapa en tu cuaderno. Aprende a hacer un mapa conceptual consultando el recurso que encontrarás en anayaeducacion.es.

Después, responde a las cuestiones propuestas.

son

Ecuaciones ?

Cambios

1

en los que las

en las que encontramos

Coeficientes ?

Fórmulas químicas

Moléculas o ? de

que informan del número de

Reactivos

Moléculas o ?

Chocan y reordenan sus átomos

que se expresan en la unidad de cantidad de sustancia

Mol

dan lugar a…

?

de

3 Pon en contacto en un vaso un trozo de tiza y vinagre. a) ¿Observas alguna reacción química? Explica tu respuesta.

Las reacciones químicas se representan mediante

Mapa conceptual. Dibuja un mapa conceptual para explicar qué es una reacción química según la teoría atómica de la materia.

Moléculas o ?

b) Indica cuáles son los reactivos y cuáles los productos de la reacción anterior (si existe).

4 Busca un ejemplo diferente a los vistos en la unidad de una reacción de síntesis, una de descomposición y una de desplazamiento.

5 Escribe la ecuación química que corresponde a la siguiente descripción: «Dos entidades de cloruro de sodio se descomponen dando dos entidades de sodio y una molécula de cloro».

6 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y corrige las falsas: a) La masa y la cantidad de sustancia son magnitudes iguales, pero una se expresa en gramos y la otra en moles. b) No es posible tener valores fraccionarios para la expresar la cantidad de sustancia. c) Si tienes masas iguales de dos sustancias diferentes tienes la misma cantidad de sustancia de ambas.

7 ¿Está ajustada esta ecuación química?:

a) Completa en tu cuaderno las palabras que faltan.

NO + O2 � NO2

b) ¿Cuál es el término que acompaña a la palabra «moléculas»? ¿Qué tipo de sustancias se tienen en cuenta utilizando ese término?

¿Sería correcto ajustarla de esta forma?

c) Explica a partir del lugar marcado con 1, en qué se diferencia un cambio químico de uno físico.

Si crees que se ha cometido un error, explica cuál es.

d) Incluye en el mapa en cómo se puede detectar un cambio químico desde el punto de vista macroscópico.

NO + O2 � NO3

8 A partir de la representación siguiente, escribe la ecuación química correspondiente, sabiendo que los productos de la reacción son dióxido de carbono y agua.

e) Incluye dos ramas en el esquema donde se muestren las leyes que cumplen las reacciones químicas y los factores de los que depende su velocidad de reacción. f) A partir de la unidad de cantidad de sustancia, indica qué magnitud relaciona la masa con dicha cantidad. g) ¿Cuál es el valor de la constante que indica el número de unidades que tiene un mol? h) Ilustra con un dibujo, e inclúyelo en el mapa en tu cuaderno, una colisión efectiva y otra que no lo sea en función de la orientación.

168

¿Cuál ha sido el código de colores que se ha utilizado en la representación de los átomos?

6

9 En las reacciones de combustión de madera en una chimenea, al finalizar, se obtienen cenizas.

Aplica 12 Clasifica estas reacciones químicas en función de la reordenación de sus átomos: a) 2 Mg + O2 � 2 MgO

b) Na2O + H2O � 2 NaOH

13 La fermentación de la glucosa da como productos etanol y dióxido de carbono. a) Indica qué tipo de reacción es. b) Busca la fórmula de los tres compuestos. c) Escribe y ajusta la reacción química. d) ¿En qué proceso de fabricación se utiliza esta reacción química?

La masa de cenizas es inferior a la masa de madera quemada. ¿Por qué ocurre esto? ¿Se cumple la ley de conservación de la masa? Razona tu respuesta.

e) ¿Se descompone la glucosa de forma espontánea o es necesario que medie un organismo vivo? Busca información para responder a esta pregunta.

14 Escribe la ecuación química que corresponda:

10 Comprueba si las ecuaciones químicas siguientes están o no ajustadas. Utiliza para cada ecuación una tabla como la indicada en el primer ejemplo. a) 4 NH3 + 6 O2 � 4 NO2 Átomos en reactivos

Elemento

Átomos en productos

?

N

?

?

H

?

?

O

?

b) 2 K + 3 H2O � KOH + 3 H2

a) El cloruro de hidrógeno se combina con zinc y se obtiene hidrógeno y cloruro de zinc. b) El fósforo se combina con oxígeno y se obtiene óxido de fósforo(V).

15 Calcula la cantidad de sustancia que hay en 20 g de: c) CaS

e) NH3

b) Cl2

d) CO

f ) Cu

16 Indica si las afirmaciones siguientes son verdaderas o falsas: a) En 1 mol de H2 hay 2 mol de átomos de hidrógeno.

c) 4 KMnO4 � 2 K2O + 4 MnO + 5 O2

b) En 2 mol de Cl2 hay 1 mol de átomos de cloro.

d) Na2O + 2 H2O � 2 NaOH

c) Cada molécula de NH3 tiene tres átomos de hidrógeno; por eso, cada mol de amoníaco contiene 3 mol de átomos de hidrógeno.

11 Se dispone de la siguiente información sobre la reacción: 3 H2 + N2 � 2 NH3

a) H2

17

H2

N2

NH3

¿Qué es un numeral colectivo? Indica a qué cantidad de sustancia corresponden las siguientes entidades elementales:

6

28

34

a) 6,022 · 1024

Masa de reactivos/g

Masa de productos/g

a) Calcula la cantidad de sustancia a la que corresponde cada valor de masa. b) Compara tus resultados con los valores de los coeficientes estequiométricos y extrae conclusiones. c) Calcula la masa de amoníaco que se obtiene si reaccionan 24 g de hidrógeno. d) Utiliza la ley de conservación de la masa para calcular la masa de nitrógeno que ha reaccionado con los 24 g de hidrógeno.

b) 1,2044 ·1024 c) 3,011· 1024 d) 6,022 · 1018 18 Ordena de menor a mayor masa las siguientes cantidades: a) 0,25 mol de tetracloruro de plomo. b) 5 mol de agua. c) 1 mol de H2SO4 169

PORFOLIO 19 En la fabricación del pan también se utiliza una fermentación, que realizan las levaduras.

22 Ajusta estas ecuaciones químicas. La segunda de ellas es una reacción de combustión. Busca la reacción de combustión del metano, la del propano y la del carbono y extrae cuáles son las características comunes de las reacciones de combustión de los compuestos de carbono.

N2O5 C5H12

+

�

O2

Profundiza

N2 �

+

O2

CO2

+

H2O

23 Ajusta las reacciones químicas siguientes: a) NH3 + O2 � NO + H2O

a) ¿En qué se parece esta fermentación a la fermentación de la glucosa? ¿En qué se diferencia? b) ¿Podemos concluir que todas las fermentaciones dan como resultado etanol? ¿Qué tipo de sustancia es el etanol?

20 Calcula la masa de cloro que reacciona completamente con 300 g de hierro en la reacción de síntesis de cloruro de hierro. Para ello: a) Escribe las fórmulas de las sustancias (reactivos y productos). b) Escribe la reacción química ajustada. c) Calcula la cantidad de sustancia hierro contenida en 300 g. d) Calcula la cantidad de sustancia de cloro necesaria para que reaccione todo el hierro. e) Calcula la masa de cloro que corresponde a la cantidad de sustancia anterior.

Datos: Masas atómicas: mFe= 56 u, mCl = 35,5 u 21

Mapa de flujo. A partir de la actividad anterior, elabora un esquema con los pasos a seguir para resolver un problema de cálculos estequiométricos, completando este: Escribir las fórmulas de reactivos y productos

Calcular la masa molar de la sustancia incógnita

Escribir y ajustar la reacción química

?

?

Calcular la cantidad de sustancia de la sustancia dato

Calcular la masa de la sustancia incógnita

170

b) K + H2O � KOH + H2 c) Al + Cl2 � AlCl3

24 Indica qué enlaces y de qué clase son los que se rompen y los que se forman en las reacciones químicas de la actividad anterior, para ello copia la reacción ajustada en la primera columna de la tabla: Reacción

Enlaces rotos

Enlaces formados

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25 La combustión de los hidrocarburos se utiliza para obtener energía. Para cuantificar la energía que se obtiene en cada reacción, se utiliza el parámetro poder de combustión (PC), que se expresa en kilojulios (unidad de energía) por mol de combustible (kJ · mol–1).

En la tabla te mostramos la fórmula de algunos hidrocarburos (metano, etano, propano y butano) y su PC. Combustible

PC (kJ . mol–1)

CH4

890

C2H6

1 560

C3H8

2 220

C4H10

2 900

a) Calcula la masa de dióxido de carbono que se genera en la combustión de 1 kg de cada hidrocarburo.

Para ello, escribe la ecuación química de cada combustión y haz el cálculo estequiométrico. Utiliza las masas atómicas que te damos a continuación para calcular las masas molares que necesites: mC = 12 u, mH = 1 u y mO = 16 u. b) Calcula la energía que se desprende al quemar 1 kg de cada hidrocarburo. c) ¿Qué combustible elegirías para producir energía? d) ¿Crees que los hidrocarburos son buenas materias primas para la fabricación de polímeros sintéticos?

6

26 Si se hace reaccionar potasio con agua, se forma hidróxido de potasio (KOH) y se desprende gas hidrógeno. a) Escribe la ecuación química ajustada. b) Calcula qué masa de gas hidrógeno se desprende cuando reaccionan 78 g de potasio.

28 Se deja a la intemperie un clavo de hierro de 5 g. Al cabo de cierto tiempo, se observa que una parte se ha oxidado, formándose 5 g de trióxido de dihierro: a) ¿Ha reaccionado toda la masa de hierro? ¿Qué masa de hierro ha reaccionado?

c) Si reaccionan 20 g de potasio con 9,21 g de agua, ¿qué cantidad de sustancia, en mol, de productos se obtiene?

b) ¿Qué masa de hierro ha quedado sin reaccionar? ¿Qué porcentaje de la masa del clavo representa la parte que ha quedado sin reaccionar?

Datos: mK = 39 u; mH = 1 u.

c)

27 Calcula la cantidad de sustancia que hay en 20 g de: a) Nitrógeno.

d) Óxido de hierro(II).

b) Oxígeno.

e) Borano.

c) Sulfuro de sodio.

f) Hierro.

Plan de consumo responsable

Al estudiar esta unidad habrési obtenido información sobre: 1. Tipos de plástico en función de su reciclabilidad.

2. Consumo quincenal de plásticos en casa.

3. Reacciones de polimerización o síntesis de plásticos.

4. Fabricación de un polímero casero.

5. Relación entre masa molar y grado de polimerización.

6. Reciclado químico de plásticos 7. Reciclaje utilizando catálisis y compostabilidad.

Con todo ello, puedes elaborar tu plan de acción y comunicar tus conclusiones sobre las posibilidades de reciclaje, reutilización, recuperación y reducción del uso de plásticos mediante una presentación, una infografía o un vídeo.

Situación de aprendizaje

¡ACTÚA !

La predicción. ¿Qué habría pasado si en lugar de un clavo se hubiera dispuesto de virutas de hierro? ¿Crees que habría reaccionado la misma masa de hierro? Explica tu respuesta.

Reflexiona cómo has aprendido En esta unidad has aprendido algunas relaciones entre las reacciones químicas y el medioambiente, cómo se explica una reacción química a partir de la teoría atómica, cómo se expresan las cantidades en el contexto de una reacción química, cómo se llevan a cabo cálculos estequiométricos y cuáles son los factores que afectan a la velocidad de los cambios químicos. También habrás podido reflexionar sobre el uso, propiedades y reciclaje de plásticos, que es uno de los problemas englobados en los objetivos de desarrollo sostenible.

Revisa tu aprendizaje rellenando el cuestionario o la rúbrica que encontrarás en anayaeducacion.es.

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APRENDER Para ampliar la información, puedes consultar el recurso «Dosier digital», disponible en anayaeducacion.es.

Construimos una

Haciendo POWER SKILLS!

CON METODOLOGÍA MAKER

montaña rusa ¿Te has montado alguna vez en una montaña rusa? En esta icónica atracción, el carrito recorre subidas, bajadas y curvas inverosímiles gracias a las leyes planteadas por Newton, que definen el movimiento de los objetos y las fuerzas que actúan sobre ellos.

AUTONOMÍA

Investiga Dividid la clase en grupos de 4 o 5 personas. Buscad ejemplos de montañas rusas y elegid su diseño: ¿será una montaña rusa de velocidad extrema?, ¿tendrá giros vertiginosos?, ¿habrá grandes subidas y bajadas? Anotad todas las ideas para poder definir su recorrido y su construcción.

Investigad las características y los fenómenos asociados a las montañas rusas. ¿Qué tipo de elementos estructurales son necesarios? ¿Cómo afectan la gravedad y la velocidad al movimiento del carrito? Estudiad diseños de montañas rusas y buscad qué otros aspectos emocionantes y seguros podéis incorporar a vuestro proyecto.

Por último, discutid la mejor forma de llevar a cabo la maqueta. Cada miembro del equipo debe compartir sus ideas y contribuir a la toma de decisiones sobre el diseño, la construcción y los roles específicos de cada participante.

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2

h

PENSAR DE FORMA CRÍTICA

h

1

CURIOSIDAD

h

Las leyes de Newton serán nuestra brújula en este proyecto. Con la primera ley explicaremos por qué el carrito permanece en reposo hasta que una fuerza actúa sobre él y por qué continúa en movimiento una vez que está en marcha.

La segunda ley será nuestra aliada en el diseño; nos permitirá calcular las fuerzas que mantienen la aceleración del carrito a lo largo de la pista. La tercera ley nos recordará que cada acción tiene una reacción; por ejemplo, cuando el carrito ejerce una fuerza hacia abajo (debido a la fuerza de la gravedad), la pista ejerce una fuerza igual y opuesta hacia arriba. Esto es esencial para que el carrito pueda seguir la trayectoria de la pista.

1. Haced los cálculos y diseñad la montaña rusa para que el objeto haga todo el recorrido con el impulso inicial.

CREATIVIDAD

CAPACIDAD DE RESOLVER PROB

LEMAS

Planifica, diseña, construye Los materiales sugeridos para la construcción de la montaña rusa son orientativos, ya que podéis elaborarla de muchas maneras diferentes. Desarrollad una lista detallada de los materiales que hayáis elegido, considerando tanto elementos estructurales (madera, tubos de plástico, cartón, etc.) como elementos decorativos. Seguro que, durante vuestra investigación, os surgen ideas divertidas, como implementar efectos visuales con luces LED o decorar la atracción con un motivo especial. En este punto, podéis poner a prueba vuestra creatividad.

Una vez que tengáis claro el diseño y los materiales, es el momento de poneros manos a la obra y construir vuestra montaña rusa.

3. Para las curvas, debéis quitarle la parte exterior al cartón, así será más maleable.

Materiales • Cartón o mangueras de plástico.

• Hilo de plástico o bridas.

• Tubos de PVC o listones de madera.

• Canica.

2. Empezad el montaje de la estructura ensamblando el cartón para hacer las rampas y las curvas.

• Base de MDF o cartón.

• Pegamento y cinta adhesiva.

• Herramientas: cúter, tijeras, regla y compás.

4. Una vez está la estructura, se monta sobre la base de MDF o cartón. Los tubos se colocarán como columnas que sostendrán las rampas.

5. Por último, se decora la montaña rusa.

3

APRENDIZAJE DE LOS ERRORES

ORGANIZAR

4

MENTALIDAD ABIERTA

VALORES Y ÉTICA

Comprueba y comunica

Evalúa

Una vez terminada vuestra montaña rusa debéis hacer una prueba para comprobar que funciona correctamente. Si la canica que dejáis caer por la montaña no consigue hacer el recorrido completo, estudiad qué es lo que ha podido salir mal y ajustad aquello que sea necesario

Evaluad los siguientes aspectos: • El funcionamiento de la montaña rusa; si la canica consigue hacer el recorrido completo o se para en algún punto.

• La estética del diseño y los recursos técnicos utilizados para su construcción.

Una vez que la canica es capaz de hacer todo el recorrido, podéis organizar una exposición en el centro para mostrar todas las montañas rusas y que otras personas puedan verlas en acción y probarlas.

Podéis acompañar vuestra exposición con un pequeño cartel en el que se resuma cómo afectan las leyes de Newton al funcionamiento de la montaña rusa. Además, puede resultar interesante que expliquéis a vuestros compañeros y compañeras lo que habéis aprendido.

• La calidad y la creatividad de las montañas rusas que habéis construido.

• El proceso de diseño y construcción, sugiriendo propuestas para mejorar la ejecución del proyecto.

R POWE !

SKILLS

Por último, reflexionad sobre cómo habéis desarrollado vuestros conocimientos y puesto en práctica vuestras dotes científicas, completando la rúbrica «Evalúo mis habilidades», disponible en anayaeducacion.es.

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