Prácticas Química III by jjefhh flor

U N A M CCH SUR

Enseñanza Experimental en Microescala en el Bachillerato

QUÍMICA III

Francis Navarro L. Pilar Montagut B. Rosamaría González M. Myrna Carrillo Ch. Elizabeth Nieto C. Carmen Sansón O. Susana Lira de G.

2007

Microescala Q III

No. de Registro: 03-2003-022413014800-01

Q U Í M I C A V E R D E ENSEÑANZA EXPERIMENTAL EN MICROESCALA EN EL BACHILLERATO

QUÍMICA III Francis Navarro León Myrna Carrillo Chávez

Susana Lira de Garay

Pilar Montagut Bosque

Elizabeth Nieto Calleja

Rosamaria González Muradás

Carmen Sansón Ortega

QUÍMICA VERDE MICROESCALA

2007

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

Microescala Q III

No. de Registro: 03-2003-022413014800-01

Gracias Al M en C Rito Terán Olguín, Director del Plantel Sur del CCH, por su valioso apoyo para que el Proyecto Interinstitucional “Enseñanza de la Química en Microescala ” sea hoy una realidad a través de esta publicación.

QUÍMICA VERDE MICROESCALA

2007

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

Microescala Q III

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CONTENIDO PRESENTACIÓN LA ENSEÑANZA EXPERIMENTAL EN MICROESCALA

Protocolo - Guía para la Enseñanza Experimental de 11 Química en Microescala. Química Sostenible

Química Verde

Química en Microescala

Enfoque CTS y cuidado del Ambiente

SEGURIDAD EN EL LABORATORIO Y MANEJO DE REACTIVOS

MATERIAL Y EQUIPO DE LABORATORIO

Unidad temática: INDUSTRIA MINERO – METALURGICA

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 1 ¡NO TODO LO QUE BRILLA ES ORO Propiedades físicas de los metales: brillo, conductividad eléctrica y conductividad térmica.

38 densidad,

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 2 ¿LOS MÁS FUERTES? Reactividad de algunos metales en agua y en medio ácido.

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 3 ¡QUÍTATE QUE YA LLEGUE! Algunas reacciones de los metales

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 4 UNA IONICA Y PLATEADA NAVIDAD Reacciones de óxido-reducción

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 5 EN BUSCA DEL TESORO Obtención de plomo

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 6 ¡TANTO TIENES, TANTO VALES! Determinación de hierro (Fe) en una muestra de acero

Unidad temática:

104

FERTILIZANTES: PRODUCTOS QUÍMICOS ESTRATÉGICOS

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 7 LA FUENTE DE LA VIDA Obtención, propiedades y reacciones químicas del amoniaco: una sustancia fundamental para la producción de fertilizantes

106

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 8 EL GAS ESQUIVO Obtención del nitrógeno y determinación de algunas de sus propiedades.

113

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 9 ¿QUÉ TANTO RINDE? Determinación semicuantitativa del ion fosfato contenido en un fertilizante

125

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 9

137

DE IDA Y VUELTA El equilibrio entre el amoniaco acuoso y el amoniaco gaseoso

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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Pb( Cu( Ag( Hg(

LA ENSEÑANZA EXPERIMENTAL EN MICROESCALA

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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PRESENTACIÓN LA ENSEÑANZA EXPERIMENTAL EN MICROESCALA Generalmente los experimentos que se realizan en los cursos de Química son, en muchos casos, una serie de indicaciones con respecto a las actividades a realizar, por lo que el trabajo experimental se convierte en una repetición tediosa de los mismos. Sin embargo, la experimentación es un instrumento no solo para que el aprendizaje sea atractivo, interesante y significativo, también contribuye al desarrollo de habilidades, actitudes y valores propios de la disciplina, por ello presentamos un Manual de Actividades Experimentales con un enfoque de enseñanza experimental diferente del trabajo que cotidianamente se realiza en el aula - laboratorio. Este enfoque pretende despertar el interés en los alumnos e invitarlos a realizar una serie de actividades experimentales diseñadas especialmente para que puedan expresar sus ideas, plantearse sus propias preguntas, buscar las posibles respuestas, confrontarlas con sus compañeros y con la realidad cotidiana, de tal forma que cada estudiante construya sus propios conocimientos. El trabajo cooperativo, basado en equipos, la colaboración y la responsabilidad compartida, son características de una participación activa que favorecen la construcción del aprendizaje actual. Para poder comprender la naturaleza del trabajo científico, el enfoque desde el que se abordará el aprendizaje será el de Ciencia Tecnología Sociedad (CTS) y cuidado del Ambiente, a través del cual se vincula lo aprendido en los cursos de Química – bajo una visión social y ética – con las aplicaciones biotecnológicas. Por todo lo anterior consideramos que el laboratorio es un lugar idóneo para promover y fomentar cambios de actitud y culturales que lleven a los alumnos a sensibilizarse Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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por la búsqueda de alternativas para optimizar recursos, tanto renovables como no renovables, así como al empleo de tecnologías que contribuyan al desarrollo de una "Química Verde". La metodología experimental que pretendemos desarrollar, no podía quedar fuera de este contexto, por lo que las actividades experimentales que se presentan están diseñadas para desarrollarse a nivel microescala, vista ésta como una técnica alternativa de trabajo experimental, que entre otras bondades pretende:

Propiciar el uso racional de los recursos. Hacer onciencia sobre la contaminación y conservación del ambiente. Desarrollar habilidades para trabajar en el laboratorio con mayor precisión. Reducir el nivel de riesgo en el uso de sustancias tóxicas. Minimizar el número de accidentes. Reducir la cantidad de desechos. Fomentar la creatividad e inventiva en el diseño de materiales de laboratorio. Tomar conciencia de la importancia y valor del escalamiento de los experimentos, en macro y microescala.

En el marco de esta propuesta, lejos de ser un esquema rígido, se presenta como estrategia didáctica de trabajo un protocolo – guía para realizar las actividades experimentales, cuyos propósitos son favorecer una filosofía de enseñanza activa, reforzar la participación del alumno y favorecer la construcción del conocimiento.

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Los momentos de aprendizaje que estructuran el protocolo – guía para la enseñanza y el aprendizaje experimental se describen enseguida: 1. TÍTULO Se describe de dos maneras: la primera en forma coloquial y la segunda de manera formal en el que se relaciona el tema del programa o el concepto central a aprender.

2. INTRODUCCIÓN Se pretende motivar y despertar la curiosidad de los estudiantes a través de ejemplos en los que además de contextualizar los conocimientos a construir y a aprender, los acercan y sitúan en su entorno cotidiano de acuerdo al tema o contenido del programa de la asignatura.

3. OBJETIVOS De manera puntual se describen los conocimientos, habilidades, actitudes y valores

que

pretendemos

que

estudiante

aprenda

desarrolle,

respectivamente, durante el trabajo experimental (el qué, el porqué, el para qué, y el cómo).

4. PROBLEMA A RESOLVER Se plantea un reto o desafío a resolver por medio de una pregunta que lo lleva a tomar conciencia de los conocimientos a aprender, es decir, se aplica la estrategia de aprendizaje basado en problemas.

5. ACTIVIDADES PREVIAS Con el propósito de planear y organizar el trabajo experimental, se privilegia el trabajo en equipo y se sugieren una serie de actividades previas al experimento como por ejemplo: dar respuesta a preguntas sobre conocimientos previos, la construcción de un diagrama de flujo, la búsqueda de información sobre la Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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toxicidad de las sustancias que utilizará, la justificación de las formas de trabajo seleccionadas, etc.

6. DISEÑO DEL EXPERIMENTO Se presentan las principales actividades a realizar, constantemente se cuestiona al estudiante para que reflexione a través de las siguientes preguntas: ¿qué hizo?, ¿por qué lo hizo?, ¿para qué lo hizo?, justo en el momento mismo en que lleva a cabo el experimento. Se aplica la estrategia de aprendizaje conocida como preguntas intercaladas. También se intercalan llamadas de atención en cuadros llamados Precaución para que el estudiante tenga cuidado con el manejo de reactivos en los momentos clave de la experimentación. ¡PRECAUCIÓN!

7. REGISTRO DE OBSERVACIONES, EVIDENCIAS EXPERIMENTALES

DATOS,

RESULTADOS

Este espacio se dedica al registro de las observaciones, evidencias experimentales, datos y si es el caso, la construcción de gráficas.

8. GUÍA DE DISCUSIÓN Como una actividad de recapitulación y síntesis se plantean preguntas sobre los conceptos (vinculados con la actividad experimental) que se quieren reforzar o destacar, a fin de que los estudiantes en trabajo grupal y colaborativo, relacionen los conceptos químicos involucrados.

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9. EL MUNDO DE LA QUÍMICA Y TÚ. RELACIÓN CIENCIA – TECNOLOGÍA - SOCIEDAD (CTS) Y CUIDADO DEL AMBIENTE Como una actividad que refuerza la construcción conceptual y el desarrollo de habilidades, actitudes y valores, se presenta un texto o un artículo relacionado con un tema actual, que lleve al alumno a reflexionar y tomar conciencia del impacto de la Química con el entorno cotidiano. De manera especial, las actividades de investigación bibliográfica también forman parte de esta novedosa forma de acercar a los estudiantes al mundo de la Química.

10. CONSTRUCCIÓN DE UN MAPA CONCEPTUAL Con el propósito de evaluar si el alumno puede relacionar y jerarquizar los conceptos más importantes trabajados en la actividad experimental, se le proporciona una lista de términos para que construya un mapa conceptual y lo discuta con sus compañeros.

11. MANEJO Y DISPOSICIÓN DE RESIDUOS GENERADOS Se dan las indicaciones sobre la recolección de productos para su posterior tratamiento. Se refuerza el logro de actitudes responsables ante la contaminación ambiental y el cuidado del medio ambiente.

12. ACORDEÓN En este apartado del protocolo se dan respuesta a las preguntas planteadas y se ofrece al estudiante una información adicional pertinente, con el propósito de apoyarlo en los diferentes momentos del trabajo experimental. 13. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS, HEMEROGRÁFICAS Y ELECTRÓNICAS Se indican las fuentes de información primarias y secundarias consultadas para cada práctica.5 Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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PROTOCOLO – GUÍA PARA LA ENSEÑANZA EXPERIMENTAL DE QUÍMICA A MICROESCALA TITULO INTRODUCCIÓN OBJETIVOS

PROBLEMA A RESOLVER ACTIVIDADES PREVIAS Material Sustancias Procedimiento Experimental

PRECAUCIÓN

DISEÑO EXPERIMENTAL REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS Y EVIDENCIAS EXPERIMENTALES

GUÍA DE DISCUSIÓN EL MUNDO DE LA QUÍMICA Y TÚ CIENCIA –TECNOLOGÍA - SOCIEDAD Y CUIDADO DEL AMBIENTE

PALABRAS CLAVE PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN MAPA CONCEPTUAL

MANEJO Y DESECHO DE RESÍDUOS ACORDEÓN

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS, HEMEROGRÁFICAS Y ELECTRÓNICAS

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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QUÍMICA SOSTENIBLE SOSTENIBILIDAD El concepto de sostenibilidad surge por vía negativa, como resultado de los análisis de la situación del mundo, que puede describirse como una “emergencia planetaria ”, como una situación insostenible que amenaza gravemente el futuro de la humanidad. Es a la Comisión Mundial del Medio Ambiente y del Desarrollo (CMMAD, 1998) a la que debemos uno de los primeros intentos de introducir el concepto de sostenibilidad o sustentabilidad: "El desarrollo sostenible es el desarrollo que satisface las necesidades de la generación presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades". El desarrollo sostenible requiere pues, la satisfacción de las necesidades básicas de todos y extiende a todos la oportunidad de satisfacer sus aspiraciones a una vida mejor. Ello hace necesario que nos impliquemos decididamente en esta batalla para contribuir a la emergencia de una nueva mentalidad, una nueva forma de enfocar nuestra relación con el resto de la naturaleza. Al respecto, Sbarbati Nudelman* señala que “La Química Sustentable es un desarrollo reciente tendiente a prevenir la contaminación debida a los productos, para preservar tanto la salud humana como el ambienten ”, “ …es una forma particular de prevenir la contaminación, diseñando productos químicos y procesos que reducen o eliminan el uso y generación de sustancias peligrosas ”. Sbarbati, también hace énfasis en que “La Química Sustentable se basa en fundamentos científicos y procura no solo evitar los productos peligrosos sin también considerar otros aspectos de magnitud global tales como: cambios climáticos, producción de energía, disponibilidad de productos hídricos, producción de alimentos, presencia de sustancias tóxicas en el ambiente, etc.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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QUÍMICA VERDE La química verde es el diseño de productos y procesos químicos que reducen o eliminan el uso y la generación de sustancias peligrosas. Esta metodología, además de proponer la innovación en la química con beneficios económicos y ambientales, fomenta la interdisciplina, ya que incorpora aspectos de ingeniería, biología, economía y ética. La química verde es un reto para “hacer química ” de una manera responsable con el ambiente, desarrollando estrategias para lograr una química industrial sostenible y, en consecuencia, un mundo sostenible. Los principios de la misma fueron propuestos por Anastas y Warner en 1998. De manera resumida estos principios proponen: la prevención en la generación de residuos; realizar síntesis químicas menos tóxicas; descontinuar el uso de solventes; el diseño de procesos energéticos eficientes; uso de materiales renovables; favorecer el uso de catalizadores selectivos; diseño de productos degradables y seleccionar sustancias que disminuyan el riesgo de accidentes. Un factor muy importante a lograr es la incorporación de la industria en estas acciones, para que implemente técnicas que reduzcan la contaminación y sus costos tan altos para la biodiversidad. El propósito es formular una conducta a seguir para el desarrollo sostenible, donde la prevención de la contaminación establezca un equilibrio entre el desarrollo económico y la protección del ambiente. Actualmente las compañías ven el beneficio de ser “verdes ” en sus anuncios. La industria de la publicidad vigila de cerca la opinión y el comportamiento de los consumidores. Como resultado, la mercadotecnia verde ha empezado a registrar un repunte notable.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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En febrero de este año, General Motors introdujo una campaña que llevaba el eslogan “Live green. Go yellow ” (Vive a lo verde. Decídete por lo amarillo). Los anuncios están centrados en la tecnología Flex Fuel, que permite que los autos utilicen E85, una mezcla de 15% de gasolina y 85% de etanol obtenido principalmente del maíz (de ahí el amarillo). En nuestro ámbito, la química verde apenas ha iniciado su irrupción en el currículo escolar, debido a que es un campo nuevo. Un ejemplo son los experimentos “verdes ” que se están llevando a cabo en los laboratorios al utilizar agua en lugar de solventes orgánicos. La prevención de desechos es un componente central del concepto química verde. Desde la perspectiva de un proceso químico, éste tiene consecuencias no sólo en la selección de la metodología y los reactivos, sino también para el uso de solventes y la recuperación de reactivos.

Análisis del Impacto Ambiental

Procesos

Propósitos

Trabajo Experimental a Microescala

DIAGRAMA Tomado y adaptado de: Análisis impacto ambiental/Propuesta/Trabajo experimental/Proceso (Van Arnum, 2005)

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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QUÍMICA EN MICROESCALA Entre los aspectos que preocupan cada día más a los científicos, educadores y público en general, se encuentra el mantener un ambiente sin polución y el cómo manejar los residuos químicos. La mejor manera de ganar en este empeño es eliminando la fuente de producción de residuos en su origen. Reducir el uso de productos químicos al mínimo nivel, en el cuál, un experimento puede realizarse con éxito, se conoce como Química a Microescala. Con la Química a Microescala se pueden realizar procesos químicos usando pequeñas cantidades de reactivos, sin que ello reste calidad a los métodos habituales usados tanto en educación como en la industria, contribuyendo con esto a un ambiente menos contaminado. La Química a Microescala es una parte fundamental de la “Química Verde ”. Entre los beneficios de utilizar la técnica a microescala destacan los siguientes doce puntos: 1. La reducción en el uso de productos químicos y por tanto reducción de residuos en su origen. 2. La reducción en los costos tanto de compra de productos como de recogida y reciclado. 3. El aumento considerable de la seguridad e higiene en el laboratorio, porque: a) Mejora la calidad del aire del aula – laboratorio c) Hay menor peligro de fuego y explosiones c) Es menor el tiempo de exposición a productos químicos tóxicos, si es el caso. d) Disminuye número de accidentes por derramamientos de productos químicos. 4. La reducción en la duración del experimento. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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5. El aumento en el número de experimentos que se pueden realizar. 6. El menor costo en material de vidrio. 7. Mayor espacio para el almacenamiento. 8. La reducción del gasto de agua y reducción de gas o electricidad. 9. Ahorro de tiempo en la preparación de reactivos. 10. Se favorece la política ambiental que promueve el principio de las 3 R ’s: Reducir, Recuperar y Reciclar. 11. La mayor motivación a los estudiantes ya que están convencidos de que: a) Trabajan del modo más racional posible b) Están haciendo "química verde" c) Tienen menor riesgo de sufrir accidentes serios durante la experimentación. 12. La mejor preparación de los estudiantes: a) Adquieren destrezas en el manejo de materiales y productos b) Les hace ser más cuidadosos en todas las operaciones. c) Desarrollan habilidades que no se adquieren operando a escala normal, por ejemplo la observación. d) Ganan tiempo que dedican al análisis e interpretación de resultados. Los ciudadanos con este tipo de formación se hallan mentalmente preparados para abordar el reto del desarrollo de nuevos procesos químicos, más limpios y a la medida de las necesidades que la sociedad está demandando. Estamos seguras de que alumno formado en esta metodología podrá lograr un impacto significativo en la solución de los problemas relacionados con el cuidado del ambiente.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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QUÍMICA

CON ENFOQUE CTS – A (CIENCIA, TECNOLOGÍA, SOCIEDAD Y CUIDADO DEL AMBIENTE)

Los estudios sociales de la ciencia y la tecnología, o estudios sobre ciencia, tecnología, sociedad y cuidado del ambiente (CTS-A), constituyen un campo de trabajo en los ámbitos de la investigación académica, la educación y la política pública. En el ámbito educativo los enfoques CTS-A suponen la confluencia de propuestas e iniciativas diversas. Por una parte, el éxito de las políticas que promueven la participación pública en las decisiones sobre ciencia y tecnología presupone la existencia de una ciudadanía con actitudes y capacidades para esa participación democrática. Por otro lado, desde la propia práctica de la educación científica y tecnológica se reclaman nuevos modelos de enseñanza en los que la selección de los contenidos tenga más en cuenta la relevancia social de los temas y en los que las estrategias metodológicas estén orientadas hacia el estímulo de vocaciones en ciencia y tecnología y el desarrollo de las capacidades para la participación pública. Por último, los enfoques CTS en educación son solidarios con los proyectos de educación en valores, ya que ambas propuestas suponen una revisión de los contenidos y los métodos de enseñanza, en los ámbitos tecnocientífico y humanístico, desde una apuesta común por reivindicar la importancia de los aspectos axiológicos al lado de los conceptuales en la organización de los currículos educativos. Los objetivos sociales de CTS - A intentan: x

promover la alfabetización científica, mostrando la ciencia como una actividad humana de gran importancia social. Forma parte de la cultura general en las sociedades democráticas modernas.

estimular o consolidar en los jóvenes la vocación por el estudio de las ciencias y la tecnología, a la vez que la independencia de juicio y un sentido de la responsabilidad crítica.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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favorecer el desarrollo y consolidación de actitudes y prácticas democráticas en cuestiones de importancia social relacionadas con la innovación tecnológica o la intervención ambiental.

contribuir a salvar el creciente abismo entre la cultura humanista y la cultura científico-tecnológica que fractura nuestras sociedades.

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SEGURIDAD EN EL LABORATORIO Y MANEJO DE REACTIVOS El laboratorio de Química es un lugar muy importante donde se verifican, en forma experimental, los principios básicos de la Química y como prioritario debe ser un lugar seguro para trabajar. El grado de seguridad que se alcanza en él depende de las precauciones que se tomen para evitar posibles accidentes. Por lo tanto, es indispensable contar con el equipo de protección y seguridad adecuados, y cumplir con el Reglamento de Laboratorios y las Normas para el uso de los laboratorios del Colegio de Ciencias y Humanidades El equipo de seguridad y tus conocimientos, así como la atención a cada detalle, son indispensables para un buen rendimiento en tu trabajo experimental. De esta manera observarás que trabajar con muchas y diferentes sustancias, frecuentemente en pequeñas cantidades, no es tan complicado. Además de estos riesgos, se pueden presentar otros peligros como: incendios, fugas de gas, equipo defectuoso y quemaduras. Es muy importante que te informes acerca de los peligros con los que se trabaja y la manera en la que se puede reducir el riesgo. Es también tu responsabilidad el usar esa información todos los días en el laboratorio. A continuación se describen algunas normas de seguridad que el profesor te explicará para que realices en forma segura tu trabajo experimental.

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EQUIPO DE SEGURIDAD PERSONAL Siempre usa la ropa y equipo de protección que se recomienda. Antes de ponértelos, revisa que se encuentren en buenas condiciones. Se debe usar: Bata de algodón de manga larga, guantes, lentes de protección o googles, zapatos que cubran completamente los pies y mascarilla para gases o vapores tóxicos*. ¡RECUERDA! No utilizar lentes de contacto en el laboratorio, ya que pueden atrapar líquidos o vapores peligrosos para los ojos.

Su uso depende del área donde se trabaje y de la actividad a realizar, para ello consultar el Reglamento del Laboratorio.

MANEJO DE REACTIVOS En los laboratorios de Química el alumno debe de tener a la mano “Tablas de manejo de sustancias peligrosas ”, que como una primera actividad permite al estudiante conocer la reactividad y toxicidad de diversas sustancias químicas, así como sus principales características. Si en tu laboratorio no cuentas con esta información pregunta al profesor en dónde las puedes consultar.

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Lineamientos generales para el uso y manejo adecuado de los reactivos químicos: 1. Los frascos de reactivos y sustancias deben estar correctamente etiquetados, indicando los riesgos en su manejo. Éstos presentan en sus etiquetas una simbología, con la cual los alumnos se deben familiarizar. Algunos símbolos utilizados son los siguientes: inflamable, radioactivo, tóxico.

¡RECOMENDACIÓN! Observar estos símbolos para manejar con precaución las sustancias químicas.

OBSERVA Y LEE CON ATENCIÓN TODA LA INFORMACIÓN QUE NOS PROPORCIONA LA ETIQUETA DEL FRASCO DE REACTIVO

Los gases tóxicos, compuestos volátiles e irritantes, deben trabajarse en la campana.

No oler ninguna sustancia directamente.

No pipetear con la boca, utilizar siempre una propipeta o perilla de hule.

Lavar las pipetas con agua destilada antes de introducirlas en los diferentes reactivos.

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Limpiar inmediatamente el área de trabajo cuando haya salpicaduras o se derrame cualquier reactivo.

No utilizar material que contenga residuos de otros reactivos.

Tomar únicamente la cantidad de reactivo que se requiera para el experimento que se va a realizar en el laboratorio.

Nunca verter agua sobre un ácido concentrado. Siempre agregar lentamente el ácido sobre el agua mientras se mezclan.

10. No tirar ningún reactivo a la tarja o al basurero. 11. Preguntar cómo y dónde depositar los residuos. 12. Guardar los residuos o desechos en recipientes que no puedan romperse. Almacenarlos perfectamente etiquetados y en áreas ventiladas para su posterior tratamiento.

Residuos

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PRIMEROS AUXILIOS Lineamientos generales de primeros auxilios apropiados para una gran cantidad de sustancias químicas:

OJOS

Inmediatamente lavar con abundante agua durante 15 minutos, utilizar el lavaojos. Acudir al médico.

INGESTIÓN

Si la sustancia ingerida fue un ácido o una base NO provocar el vómito. Seguir las instrucciones de las etiquetas de los frascos de reactivo y proporcionar los primeros auxilios. Recibir atención médica.

CONTACTO

Colocar la zona afectada bajo el chorro de la regadera e inmediatamente quitar la ropa contaminada. Recibir atención médica.

CON LA PIEL

INHALACIÓN

Recibir aire fresco y pronta atención médica.

¡NO LO OLVIDES! EN CUALQUIER EXPOSICIÓN, SOLICITAR ATENCIÓN MÉDICA INMEDIATAMENTE!

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BOTIQUÍN Todo laboratorio debe contar con un botiquín que contenga los medicamentos indispensables según sus características.

MANEJO DE EXTINGUIDORES Comúnmente existen tres tipos de extinguidotes y se distinguen básicamente por la forma de la salida de sus mangueras. Su uso depende del material que originó el fuego. El más común es el extinguidor de bióxido de carbono (CO2)

Extinguidor de bióxido de carbono (CO2)

i Tiene la salida en forma de corneta, se recomienda para apagar fuegos de origen eléctrico o los ocasionados por disolventes inflamables. i Al oprimir la manija se desprende bióxido de carbono (CO2), el cual desplaza al oxígeno eliminándose así el fuego. i El chorro de gas debe de dirigirse hacia la base del fuego.

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LA HIGIENE ES PARTE DE LA SEGURIDAD EN EL LABORATORIO Si no eres cuidadoso, los reactivos químicos y biológicos peligrosos pueden penetrar en tu cuerpo, en el de tus compañeros o en tu familia.

Por lo tanto: No comas, bebas, fumes, mastiques chicle, ni te apliques maquillaje en el laboratorio. No guardes comida o bebidas junto con productos químicos o biológicos en los refrigeradores. No bebas en recipientes de laboratorio. No huelas o pruebes productos químicos. No succiones con la boca.

¡NUNCA DEBES TRABAJAR SOLO (A) EN EL LABORATORIO!

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LO QUE NUNCA DEBES DE HACER: Trabajar solo en el laboratorio. Utilizar material de vidrio roto. Operar equipo eléctrico cerca del agua o con las manos mojadas. Almacenar los reactivos cerca de fuentes caloríficas o de la luz solar o junto a otras sustancias con las que puede reaccionar de manera peligrosa. Verter las sustancias a la tarja. Dejar material, mochilas, libros en el piso u otros lugares en los que interfieran el paso. Guardar reactivos que no se necesiten a corto plazo. Dejar de vigilar el experimento mientras lo estás realizando. Olvidar lavar el material que se utilizó Jugar en el interior del aula - laboratorio.

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LO QUE SIEMPRE DEBES DE HACER: Practicar la higiene personal en el laboratorio. Usar el equipo de protección personal. Informarte y no olvidar lo que debe de hacerse en caso de emergencia. Preparar una cartulina con los números telefónicos más importantes y tenerlos a la mano. Realizar investigación bibliográfica sobre la reactividad y toxicidad de las sustancias a emplear. Manejar el equipo de laboratorio de acuerdo a las instrucciones dadas por el profesor. Llevar a cabo la actividad experimental en el laboratorio, no realizarla en otro lugar. Colocar los residuos y el vidrio roto en los recipientes que se hayan destinado específicamente para este fin.

¡No olvides una regla muy importante!

RESPETAR A TUS COMPAÑEROS DE TRABAJO EN EL LABORATORIO

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SIEMPRE Sigue las técnicas y procedimientos que se indican en el manual de laboratorio.

Usa el equipo de protección personal (bata, lentes de seguridad y guantes)

Separa y clasifica tus residuos

Conoce la localización y uso de todo el equipo de seguridad de tu laboratorio.

Esta alerta, serio y responsable de tu trabajo experimental.

NUNCA Comas o bebas en el laboratorio

Viertas los residuos al drenaje

Cambies de lugar los reactivos químicos

Tengas desorden en tu área de trabajo

Tomes riesgos innecesarios

Entres al área donde se almacenan los reactivos químicos

Modifiques, sin autorización del profesor, los experimentos que se realicen Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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M A T E R I A L Y EQUIPO DE L A B O R A T O R I O

QUÍMICA VERDE MICROESCALA

2007 Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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MATERIAL Y EQUIPO REQUERIDO PARA REALIZAR LAS ACTIVIDADES EXPERIMENTALES Agitador de vidrio Anillo de metal Balanza electrónica digital (sensibilidad de 0.01g) Balanza granataria Baño María Buretas Cajas de Petri Cartón, madera (pedacitos) Cápsulas de porcelana Crisoles Cristalizador o recipiente de plástico Cubre objetos Embudo (micro) Embudo de separación de 250 mL Embudo de tallo corto de vidrio Equipo Quifith en microescala para destilación Escobillones Espátula Gogles o lentes de seguridad Goteros Gradilla Jeringas desechables Lupa Manguera de látex de 40 cm Masking-tape Matraces Erlenmeyer de 25, 50 y 100 mL Mechero Bunsen Matraz de bola de 10 mL con cuello esmerilado Microscopio óptico Microplacas Mortero con pistilo Palo de paleta Parrilla de calentamiento con agitación magnética Vidrios de reloj Vasos de plástico transparente desechables

Pipetas Beral Probetas de 10 y 50 mL Pinza para bureta Pinza de nuéz Pinzas de dos dedos Pinza para crisol Pinza para tubo de ensayo Pipeta graduada de 1, 5 y 10 mL Pisetas Porta objetos Probetas de 10, 50 y 100 mL Pinza de tres dedos Soporte universal Tapones de hule látex mono y bihoradados para los matraces Erlenmeyer Tapones de hule látex al tamaño de los tubos de ensayo Tela con asbesto Termómetro de 0°C a 200 °C Termos Tramos de manguera de látex Triángulo de porcelana Tubo de vidrio Tubos de ensayo 75 x 8 mm (PVC) cloruro de polivinilo (tubos de drenaje) (PET) Tereftalato de polietileno (botellas de refrescos) (PE) Poliestireno (vasos transparentes) (PEBD) Polietileno de baja densidad Polietileno de alta densidad (botes de leche) (LDPE) Bolsas de poliestireno baja densidad (PP) Polipropileno (vasos de Yogurt) Papel pH Papel aluminio Papel filtro Papel encerado o envoltura de plástico

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BALANZAS

Parrilla de calentamiento con agitación magnética

Digital

Granataria

Pisetas Microscopio

Anteojos de seguridad

Desecadores

Extinguidor

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EMBUDOS

d e

De decantación o de separación. Pinza de tres dedos

s e g u r i d a d

De plástico

Doblado de papel filtro

Gradilla

Tubos de ensayo

Escobillón

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Lupa

Espátulas

Jeringa

M AGotero TRACES

Erlenmeyer

Microplacas

Aforados

de fondo plano

Vidrios de reloj

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PIPETAS

Pipetas graduadas Propipeta Probeta

Pipetas beral

Mortero Vasos de precipitados

Bureta

Cápsula de porcelana

Crisoles

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Pinzas de nuez

PINZAS

Para tubo de ensayo Para Bureta

Soporte Universal con anillo metálico. Embudo de vidrio y vaso de precipitados

Pinzas de dos dedos

Tela o rejilla de asbesto

Triángulo de porcelana Mechero bunsen

Manguera

Termómetro

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FRASCOS

Papel pH Con boca esmerilada transparentes y ámbar

Tapones de hule Diferentes tamaños

Con gotero

Baño María

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UNIDAD TEMÁTICA: INDUSTRIA MINERO - METALURGICA

QUÍMICA VERDE MICROESCALA

2007 Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 1 ¡NO TODO LO QUE BRILLA ES ORO! Propiedades físicas de los metales: brillo, densidad, conductividad eléctrica y conductividad térmica.

INTRODUCCIÓN Los metales se encuentran en la naturaleza en estado libre o nativo y en forma de compuestos (minerales). De estos elementos, pocos son los que se encuentran en estado nativo: cobre, mercurio, plata, oro, rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio y platino. Algunos de éstos también se encuentran formando parte de compuestos. En forma de compuestos encontramos a los metales en la corteza terrestre como óxidos, óxidos parcialmente hidratados, sulfuros, carbonatos, sulfatos y silicatos; además en agua de mar o depósitos subterráneos formados por la evaporación de mares o lagos en forma de cloruros, sulfatos y carbonatos. Los metales se caracterizan generalmente por: 1. Presentar una apariencia brillante. 2. A temperatura ambiente (T= 25°C) todos son sólidos, excepto el mercurio que es líquido. 3. Son de color blanco plateado, excepto el oro y el cobre que son amarillo y rojizo respectivamente. 4. En su mayoría son maleables, se pueden hacer láminas. 5. Generalmente son dúctiles, sin romperse pueden adquirir la forma de alambres. 6. En su mayoría funden a elevadas temperaturas (con excepción de los metales alcalinos) 7. Son buenos conductores del calor y la electricidad. En esta actividad experimental, tendrás la oportunidad de experimentar algunas de estas propiedades.

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EXPERIMENTO A. BRILLO METÁLICO MATERIALES.

CONDUCTIVIDAD

ELÉCTRICA

DIVERSOS

OBJETIVOS Diferenciar entre materiales metálicos y no metálicos, con base en sus propiedades físicas. Identificar y observar de acuerdo a sus características a los metales: Fe, Cu, Al, Sn, Pb y alguna aleación. Observar el brillo característico de los metales: Fe, Cu, Al, Sn, Pb y alguna aleación. Determinar y observar la conductividad eléctrica en algunas muestras metálicas.

PROBLEMA A RESOLVER ¿Por su apariencia, podríamos distinguir un metal de un no metal? ¿Cómo es que conducen la corriente eléctrica algunas sustancias? cinc ACTIVIDADES PREVIAS 1. Reúnete con tus compañeros de equipo y hagan una lista de todos los materiales metálicos que estén a su alrededor y reflexiona sobre los usos que tiene cada uno de ellos. 2. Elabora un diagrama de flujo con las operaciones sucesivas que se van a desarrollar durante el transcurso de la actividad experimental. 3. Selecciona muestras pequeñas de los diferentes materiales a utilizar. DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIAL 1 lija de agua 1 circuito eléctrico (probador de corriente) 1 vidrio de reloj 1 hoja de papel blanca

SUSTANCIAS Trozos pequeños de: aluminio, cobre, estaño, plomo, hierro. Una moneda, Un clavo Una llave (de la puerta) Un trozo de vidrio Una puntilla de lápiz Azufre en polvo Un trozo de madera Una goma de borrar

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PROCEDIMIENTO 1. Coloca, de manera separada, todas las sustancias sobre la hoja de papel y el azufre colócalo sobre un vidrio de reloj. 2. Observa con detenimiento las características físicas de cada una de las sustancias y regístralas en la tabla No. 1. 3. Con un pedazo de lija raspa cada uno de los materiales y observa si presentan una apariencia brillante. Anota tus observaciones en la tabla No. 1. 4. Solicita un circuito eléctrico y ¡con precaución! determina si los materiales enlistados conducen la corriente (coloca los cables en los extremos y observa si prende el foco). Anota tus observaciones en la tabla No. 1 ¿Por qué unos materiales conducen la corriente eléctrica y otros no? 5. En el siguiente espacio dibuja el circuito eléctrico y gráficamente representa cómo se realiza la prueba de conductividad eléctrica de cada uno de los metales.

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REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS Y EVIDENCIAS EXPERIMENTALES. Tabla No. 1 PROPIDADES FÍSICA DEL MATERIAL EN ESTUDIO MATERIAL

SÍMBOLO QUÍMICO SOLO DEL METAL

ASPECTO FÍSICO

BRILLO SI

CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA SI

Clavo Madera Aluminio Cobre Puntilla de lápiz Estaño Goma para borrar Vidrio Plomo Llave Azufre Moneda Hierro Tela Plástico

GUÍA DE DISCUSIÓN Reúnete con tus compañeros de equipo, compara tus resultados con el resto del grupo y contesta las siguientes preguntas: 1.

¿De acuerdo a las observaciones realizadas, podrías diferenciar entre materiales metálicos y no metálicos?, ¿Existe un carácter intermedio? Justifica tu respuesta.

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plomo

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¿Qué otras propiedades tendrías que considerar y experimentar para llegar a una conclusión más general? 3. Dentro de los materiales metálicos ¿existen unos que sean más metales que otros? Justifica tu respuesta. 4. Sobre una tabla periódica indica la tendencia general del carácter metálico. 5. Para otros elementos de la tabla periódica, ¿qué otras propiedades conviene considerar para definir el carácter metálico? 6. Investiga qué materiales metálicos se usan en la construcción y por qué. ¿Cuál es el más recomendable? 7. ¿Cuál sería la propiedad más representativa de los materiales metálicos? 8. ¿Qué es una aleación? Realiza una investigación sobre este tema. EXPERIMENTO B. CARACTERÍSTICAS VISTAS AL MICROSCOPIO Y DENSIDAD DE DIVERSOS METALES

DETERMINACIÓN DE LA

OBJETIVOS Observar las características y algunas propiedades físicas de los metales Determinar la densidad de algunos metales PROBLEMA ¿Todos los metales tienen la misma forma vistos al microscopio? ¿Los metales presentan diferente densidad? DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIALES 5 tubos de ensayo 1 gradilla

SUSTANCIAS Agua destilada Metales: cobre, cinc, aluminio, plomo, hierro

5 probetas de 50 mL 1 microscopio estereoscópico

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES FÍSICAS Observa directamente, al menos diez metales, y luego al microscopio. Anota sus características en la tabla No. 1. REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS Y EVIDENCIAS EXPERIMENTALES Tabla No. 1 Propiedades físicas de los metales, antes y después de observarlos al microscopio. Metal

Color Lustre

Forma Maleable Conductividad (dibujada) o frágil eléctrica Densidad observada al microscopio

DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD 1. Mide un volumen preciso de agua, 30 a 35 mL, en la probeta de 50 mL. 2. Pesa, de 30 a 40 g de cada metal, registra exactamente el peso de cada uno en la tabla No. 2 3. Agrega una muestra de metal en la probeta y registra la variación de volumen. 4. Con los datos obtenidos, calcula la densidad de los metales. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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5. Retira el metal del agua, sécalo y repite los pasos 1 a 4, una vez más. 6. Saca un promedio de los valores de la densidad de cada uno de los metales, a fin de hacer más confiables tus determinaciones. Registra los datos y valores de la densidad en la tabla No. 2. 7. Repite todo el procedimiento anterior para las demás muestras de metales. Registra tus resultados en la tabla No. 2. REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS Y EVIDENCIAS EXPERIMENTALES Tabla No. 2 Densidad determinada experimentalmente de cinco metales. Muestra del metal (2 mediciones)

Símbolo Masa Volumen químico (g) del agua (mL)

Volumen del agua + metal

Volumen del metal

DENSIDAD DENSIDAD (g/mL) PROMEDIO 1ª 2ª 3ª (g/mL) mediciones

Cobre 1ª 2ª Cinc

1ª 2ª

Aluminio 1ª 2ª Plomo 1ª 2ª Hierro 1ª 2ª GUÍA DE DISCUSIÓN 1. 2. 3. 4. 5. 6.

¿Qué datos se necesitan para determinar las densidades? ¿La densidad es una propiedad intensiva o extensiva? Justifica tú respuesta. ¿Son iguales las densidades de los metales? Explica tu respuesta. ¿Por qué es importante conocer la densidad de las sustancias? ¿Servirá la densidad para identificar un metal? ¿Por qué? Consulta en el acordeón los valores teóricos de la densidad de los metales y calcula el porciento de error de tus determinaciones.

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EXPERIMENTO C. CAPACIDAD TÉRMICA DE LOS METALES OBJETIVOS Comprender el fenómeno de la conductividad térmica. Conocer y determinar la capacidad de conductividad térmica de varias muestras metálicas y de una aleación. Clasificar las muestras de acuerdo a su capacidad térmica. PROBLEMAS A RESOLVER ¿Qué elemento es mejor conductor y cuál es el menor conductor térmico? ¿De qué depende que sea mejor o menor conductor térmico? ACTIVIDADES PREVIAS 1. Reúnete con tus compañeros de equipo y reflexionen sobre la importancia de conocer y determinar la conductividad térmica de algunos metales. 2. Elabora un diagrama de flujo con las operaciones sucesivas que se van a desarrollar durante el transcurso de la actividad experimental. 3. Selecciona muestras de los materiales a utilizar. DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIALES 1 vaso de precipitado de 50 mL 1 tripie

SUSTANCIAS Una vela o veladora (cera) cortada en trozos pequeños. Un trozo de alambre de: cobre, hierro, aluminio y acero (aproximadamente de 3 a 4 cm)

1 mechero Bunsen 1 tela de alambre con asbesto 1 espátula 1 pinzas para tubo de ensaye 1 cronómetro o reloj con segundero PROCEDIMIENTO EXPRIMENTAL 1. Traer previamente cortada la vela en trozos pequeños, de lo contrario hacerlo en el laboratorio, utilizando la espátula con la debida precaución para no lastimarse. 2. Coloca los trozos de cera en el vaso de precipitados e inicia el calentamiento suave hasta que la muestra esté Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

¡PRECAUCIÓN! La cera en estado líquido puede causar severas quemaduras, evita su contacto con la piel.

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totalmente fundida. (mantener el calentamiento suave durante la toma de las muestras). 3. Introduce el alambre de cobre (1 cm) en la cera fundida; repetir esto tres veces, dejando enfriar cada vez para que solidifique. Se recomienda marcar la distancia de 1 cm en cada extremo de los alambres de metal. 4. Repetir esta operación con las demás muestras metálicas. Calentamiento de muestras: 5. En la pinza para tubo de ensaye se colocan dos muestras diferentes (una en cada extremo), cuidando que aproximadamente 1 cm del alambre quede dentro de las pinzas, el extremo libre debe contener la cera. 6. Enciende el mechero y ajústalo a una flama pequeña y azul para iniciar el calentamiento. 7. Coloca sobre la flama la parte central de la pinza con las muestras (no calentar directamente los alambres metálicos), accionar el cronómetro y tomar el tiempo en el momento que funda la cera y hasta que se derrita por completo. Registra tus observaciones en la tabla No. 2 8. Repetir la operación 2 veces para cada muestra. Se sugiere enfriar con agua las muestras, dejarlas reposar 2 minutos y retomar las mediciones. REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS Y EVIDENCIAS EXPERIMENTALES. Tabla No. 2 Capacidad térmica de los metales Muestra Primera Segunda fundición fundición Tiempo ( s ) Tiempo ( s ) Aluminio ( Al) Hierro

(Fe)

Cobre

(Cu)

Acero

(Fe – C)

Observaciones

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GUÍA DE DISCUSIÓN Realiza una investigación documental sobre: 1. Temperatura de fusión del aluminio, hierro, cobre y acero. 2. ¿Cuál fue el mejor conductor del calor? Justifica tu respuesta. 3. Aplicaciones más comunes de dichos elementos y aleación. 4. En casa, qué metales se ocupan donde hay calor (estufa, horno, calentador de agua, tenazas para el cabello, etc.) ¿Por qué? 5. ¿Por qué la madera y el plástico no conducen el calor? 6. ¿Qué conceptos químicos están involucrados en la actividad experimental? 7. ¿Qué materiales se utilizan como aislantes térmicos? Justifica tu respuesta.

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EL MUNDO DE LA QUÍMICA Y TÚ Relación Ciencia- Tecnología-Sociedad y cuidado del Ambiente

ZINALCO: UNA ALEACIÓN DE ZINC, ALUMINIO Y COBRE1 Hace más de 20 años, el doctor Gabriel Torres Villaseñor, investigador del Instituto de Investigaciones en Materiales (IIM), retomó el proceso a partir del cual los alemanes experimentaron con una aleación de aluminio y zinc para sustituir al latón durante la Segunda Guerra Mundial. Fue así como tiempo después creó, con zinc, aluminio y cobre, un metal superplástico al que llamó zinalco. De ser utilizado a gran escala, permitiría aprovechar mejor la producción nacional de zinc. México dice Torres Villaseñor (gtorres@servidor.unam.mx) produce anualmente 350 mil toneladas de este metal. La mitad se vende en lingotes y 50 mil se usan en la industria. El resto está condenado a malbaratarse." Con el zinalco se podrían fabricar distintas piezas automotrices, como salpicaderas, puertas, incluso el chasis completo. Las carrocerías sin soldadura, semejantes a las de fibra de vidrio, serían más baratas y los automóviles pesarían 35 por ciento menos que los actuales modelos. Este metal superplástico también serviría para sustituir todo lo que se hace con latón, como diversos tipos de llaves para cerraduras. Tendrían la misma resistencia mecánica que las que conocemos todos; pero, en vez de ser doradas, serían blancas y 35 por ciento más ligeras. Así, además de que su fabricación resultaría más barata, con un kilo de zinalco se podrían hacer más llaves que con uno de latón", añade el investigador universitario. Materiales con mucho futuro Con la aparición de nuevos materiales superplásticos se podrían aprovechar más y mejor materias primas nacionales tales como el zinc, el cobre y la plata, que están siendo desplazados del mercado por polímeros, aceros y aluminio (con éstos es posible satisfacer las demandas de la industria metalmecánica). Por ejemplo, el zinc ya ha sido reemplazado por el óxido de titanio en la fabricación de pintura blanca, base de todos los demás colores. En la telefonía, el cobre ya fue sustituido por la fibra óptica; en la conducción eléctrica de alta tensión, por el aluminio; y en materia de tuberías, por el plástico, el cual es más barato. La plata ya casi no se usa en fotografía, tampoco en catálisis (transformación química motivada por sustancias que no se alteran en el curso de la reacción) ni en monedas; sólo en la platería y en la acuñación de monedas conmemorativas. A pesar de esto, el zinc, el cobre y la plata son materias primas con mucho futuro en la industria metalmecánica de México, ya que se pueden usar como aleaciones para diseñar nuevos materiales superplásticos. A diferencia de la mayoría de los metales, que al estirarse se quiebran, los tres son como el chicle: al salir de su estado superplástico, se pueden estirar de 10 a 100 veces su longitud, sin romperse ni perder sus propiedades. Además de su plasticidad o capacidad para ser deformados, tienen una resistencia mecánica tan alta como la del acero y son relativamente ligeros, como el aluminio. Otra ventaja es que se pueden reciclar muy fácilmente, lo que los convierte casi en metales ecológicos. Síntesis del texto tomado del Universal. Jueves 31 de marzo de 2005. Fotos electrónicas de La Jornada “Lunes en la Ciencia ”, 20 de agosto del 2005

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PALABRAS CLAVE PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN MAPA CONCEPTUAL Para relacionar los conocimientos logrados a través de esta actividad, construye un mapa conceptual con los siguientes conceptos: Metal No metal Mineral Compuesto Maleabilidad Densidad

Dúctibilidad Fusión Calor Conductividad térmica Conductividad eléctrica Temperatura de fusión

Zinalco: aleación de Zn, Al y Cu

MANEJO Y DISPOSICIÓN DE LOS RESIDUOS GENERADOS Los desechos que se producen en la actividad experimental deben recolectarse en recipientes previamente etiquetados, para su posterior tratamiento. i Las muestras metálicas deben secarse y guardarse en el frasco correspondiente, para su posterior utilización. i La cera a temperatura ambiente es estable y no representa ningún riesgo, se puede eliminar directamente al bote de residuos sólidos. ACORDEÓN No. 1 Los metales son excelentes conductores eléctricos. Anualmente se utilizan en todo el mundo más de 4 millones de toneladas métricas (4 x 109 Kg) de cobre solamente con fines eléctricos. Esta propiedad se explica de acuerdo al modelo de enlace metálico. Los metales pueden ser ejemplos extremos de enlaces deslocalizados. Un cristal de metal sodio, por ejemplo, se puede considerar como un arreglo de iones Na+ rodeados por un “mar ” de electrones. Los electrones de valencia o de enlace están deslocalizados sobre todo el cristal del metal. La libertad de estos electrones para moverse a través del cristal es la causa de la conductividad eléctrica de un metal. No. 2 La densidad es una propiedad intensiva de la material que nos permite apreciar cuánto volumen ocupará una cierta masa y viceversa. La densidad se determina por la masa de la materia por unidad de volumen U= m/v

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Densidad de algunos metales: Metales Aluminio Cobre Oro Hierro Plomo Niquel Plata Zinc Platino Litio Mercurio

Densidad ( g/cm3 ) 2.7 8.92 19.3 7.86 11.34 8.9 10.49 7.14 21.45 0.535 13.545

No. 3 Los metales también son, por lo general, buenos conductores del calor. Al tocarlos se sienten fríos a causa de que el calor de la mano lo conduce el metal. Esta propiedad se explica de acuerdo al modelo de enlace metálico. No. 4 Un mineral es una sustancia inorgánica sólida o una solución sólida que se forma naturalmente, y tiene una estructura cristalina definida. Así, un mineral puede ser una sustancia química definida o puede ser una mezcla sólida homogénea. No. 5 Un metal no necesariamente es un elemento puro, puede ser un compuesto o una mezcla, en este caso estamos hablando de una aleación que es un material con propiedades metálicas. La mayor parte de los metales comerciales son aleaciones, que consisten usualmente de un metal con cantidades pequeñas de algunos otros metales. Por ejemplo, la joyería de oro se hace de una aleación que es una solución sólida de oro que contiene algo de plata. El oro puro es demasiado blando para ser usado en joyería y la aleación resulta mucho más dura.

El metal para soldadura es una aleación de estaño con plomo y su temperatura de fusión es baja. El bronce es una aleación de cobre y estaño. El acero es una aleación de hierro con carbón. El latón es una aleación de cobre con 20% a 50% de zinc y es importante para fabricar moldes para fundición. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Christie L. Borgford and Lee R. Summerlin., Chemical Activities, Teacher Edition., American Chemical Society., Washington, U.S. 2a. Ed. 1990. 2. Darrell D. Ebbing., Química General., 5ª. Edición Mc. Graw-Hill., México 1997. 3. Garritz, A., Chamizo, J.A., “Química”, Ed. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., México 2001. 4. Lange. Manual de Química. Tomo II., Decimotercera edición. Mc. Graw-Hill., México 1996. 5. Smooth, Smith, Price “Chemistry ”. Ed. Glencoe McGraw Hill. 1998.

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 2 ¿LOS MÁS FUERTES? Reactividad de algunos metales en agua y en medio ácido. INTRODUCCIÓN Cuando escuchas hablar del mundo metálico, ¿qué viene a tu mente?, ¿hierro, cobre, plata, cinc o aluminio? Estos son algunos elementos que debido a sus propiedades, comúnmente se utilizan y son empleados, tanto en el hogar como en materiales para la construcción. Por ejemplo, el hierro se utiliza para hacer bloques que se usa en la ingeniería, el aluminio para hacer escaleras y ventanas,

el cobre para tubos y alambres, el titanio para aeroplanos, etc. Si das un vistazo a tu alrededor, ¿cuántos objetos están construidos con metales?, ¿qué metales son?, ¿desde cuándo la humanidad ha utilizado los metales?. Al estudiar los inicios de cualquier civilización observarás que los metales están presentes en utensilios, ornamentos, joyería, ductos, etc. Muchos de los objetos metálicos que usas en casa, sobre todo los que a menudo deben estar en contacto con el agua, tales como la pileta de la cocina, las cubetas y el tambor de la lavadora se hacen de acero inoxidable, que es un tipo de acero que no precisa protección. ¿Podrías explicarte por qué los cuchillos y los cubiertos se fabrican de acero inoxidable?

oro

Aunque los metales son muy comunes algunos no se pueden emplear como materiales en estructuras, ni se encuentran libres Al en la naturaleza debido a su alta reactividad. El uso y las aplicaciones de los metales depende de sus características físicas y químicas. La gran mayoría de los metales no se encuentran libres en la naturaleza, se obtienen a partir de ciertos minerales, los compuestos que constituyen los metales requieren de ser tratados químicamente para obtenerlos en forma elemental. El procesamiento a gran escala de los minerales metálicos, para obtener los metales libres recibe el nombre de metalurgia. EXPERIMENTO “A”. REACTIVIDAD DE LOS METALES CON EL AGUA OBJETIVOS Observar, identificar y manipular en forma adecuada algunos elementos metálicos. Conocer algunas propiedades de los metales. Conocer y observar la reactividad en agua de ciertos metales. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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PROBLEMA A RESOLVER ¿Cuál es la reactividad en agua de los elementos metálicos: sodio, potasio, magnesio, calcio, aluminio, cobre, cinc, estaño y plomo?. Establece el orden de actividad de los metales y escribe las reacciones químicas. ACTIVIDADES PREVIAS 1. Reúnete con tus compañeros de equipo y reflexiona ¿por qué es útil conocer la reactividad en agua de estos elementos metálicos? 2. Elabora un diagrama de flujo con las operaciones sucesivas que se van a desarrollar durante el transcurso de la actividad experimental. 3. Selecciona muestras pequeñas de los diferentes metales a utilizar. 4. Plantea las reacciones involucradas en la actividad experimental (consulta los acordeones). 5. Investiga ¿Cuál es la manera adecuada de almacenar los metales: sodio y potasio? DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIAL 4 vasos de precipitados de 50 mL 4 vidrios de reloj para tapar los vasos 1 microplaca de 12 pozos 2 pipetas Beral 1 espátula

SUSTANCIAS Agua ( H2O ) Trozos pequeños de: sodio (Na), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg), aluminio (Al), cobre (Cu), cinc (Zn), estaño (Sn) y plomo (Pb)

PROCEDIMIENTO

1. Observa las características físicas de cada elemento químico y regístralas en la tabla No. 1 2. Llenar los 4 vasos de precipitado con agua hasta la mitad de su capacidad y cúbrelos con un vidrio de reloj 3. Utilizando una espátula, coloca un pequeño trozo de litio metálico dentro de uno de los vasos de precipitado con agua y vuelve a cubrir con el vidrio de reloj. Registra tus observaciones en la tabla No. 1

¡PRECAUCIÓN! Trabajar en la campana de extracción.

4. Repite la instrucción anterior, empleando un pequeño trozo de sodio, potasio y calcio. Registra tus observaciones en la tabla No. 1 ¿Qué puedes concluir acerca del comportamiento de estos elementos en agua? ¿Podrías establecer un orden de reactividad? Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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5. Utilizando la microplaca, coloca en cada uno de los pozos pequeños trozos de: magnesio, aluminio, cinc, cobre, estaño y plomo. Con una pipeta Beral agrega agua a cada uno de los pozos utilizados. Anota tus observaciones en la tabla No.1

¿Qué puedes concluir acerca del comportamiento de estos elementos en agua? REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS Y EVIDENCIAS EXPERIMENTALES.

Tabla 1: metales.

Propiedades físicas y reactividad de los

Metal (sustancia)

Símbolo químico

Características Físicas

Reactividad en agua si no

Reacción química

Gas desprendido (fórmula)

Sodio Potasio Calcio Magnesio Aluminio Cobre Cinc Estaño Plomo

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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GUÍA DE DISCUSIÓN 1. Escribe las ecuaciones químicas balanceadas para cada una de las reacciones efectuadas en la actividad experimental. 2. ¿Qué predicción podrías hacer en cuanto al comportamiento del metal hierro al hacerlo reaccionar con agua? Realízalo experimentalmente. 3. Reúnete con tus compañeros y consulten en la bibliografía las características físicas y propiedades de los elementos metálicos. 4. Analiza los resultados de la actividad experimental y compara con lo esperado de acuerdo a las propiedades de los elementos metálicos. 5. ¿Cuál de los metales fue el más reactivo? Justifica tu respuesta. 6. Piensa en alguna aleación y reflexiona sobre su posible comportamiento en agua. Coméntalo con tus compañeros de equipo. 7. Investiga de qué material están hechos los tubos que llevan el agua hasta tu casa. ¿Podrían ser de hierro? Justifica tu respuesta, EXPERIMENTO “B”. REACTIVIDAD DE LOS METALES EN MEDIO ÁCIDO OBJETIVOS Observar, identificar y manipular en forma adecuada algunos elementos metálicos. Conocer algunas de sus propiedades. Conocer y observar la reactividad en medio ácido de ciertos metales. PROBLEMA A RESOLVER

¿Cuál es la reactividad, en medio ácido, de los metales: magnesio, aluminio, cobre, cinc, estaño y plomo? ACTIVIDADES PREVIAS

1. Reúnete con tus compañeros de equipo y reflexiona ¿por qué es útil conocer la reactividad en medio ácido de algunos elementos metálicos? 2. Elabora un diagrama de flujo con las operaciones sucesivas que se van a desarrollar durante el transcurso de la actividad experimental. 3. Consigue muestras pequeñas de los diferentes metales a utilizar. 4. Escribe las reacciones involucradas en la actividad experimental (consulta los acordeones). Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIAL 6 tubos de ensayo 1 gradilla 2 vasos de precipitado de 50 mL 2 pipetas Beral

SUSTANCIAS Ácido clorhídrico (HCl) diluido (1:1) Vinagre comercial (de alcohol de caña) Pequeños trozos de metales: cinc, aluminio, magnesio, cobre, estaño y plomo.

PROCEDIMIENTO 1. En un vaso de precipitado coloca el ácido clorhídrico diluido (1:1) y en el otro el vinagre comercial. Etiquétalos correctamente.

¡PRECAUCIÓN!

2. Coloca los 6 tubos de ensayo en la gradilla, en cada uno de ellos introduce un pequeño trozo de cada uno de los metales, a continuación, con la pipeta Beral agrega 1 o 2 mL de ácido clorhídrico diluido al primer tubo, observa con detenimiento lo que sucede y registra tus datos en la tabla No. 2

Trabajar en la campana de extracción y cuidar de no aspirar los gases desprendidos.

¡PRECAUCIÓN! El HCl es corrosivo y causa severas quemaduras.

3. Repite la indicación anterior en los demás tubos. Anota tus observaciones en la tabla No. 2 4. Repite todo el procedimiento sustituyendo el ácido clorhídrico diluido por vinagre comercial (de alcohol de caña). Anota tus observaciones en la tabla No. 2 Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS Y EVIDENCIAS EXPERIMENTALES.

Tabla 2: Reactividad de los metales en medio ácido. Sustancia

Reactividad en HCl (1:1)

Reacción que se efectúa

Reactividad en vinagre

Reacción que se efectúa

Magnesio Cinc Cobre Aluminio Estaño Plomo

GUÍA DE DISCUSIÓN Trabajando en equipo y consultando bibliografía:

1. Escribe las ecuaciones químicas balanceadas para cada una de las reacciones efectuadas en la actividad experimental. 2. ¿Qué predicción podrías hacer en cuanto al comportamiento del metal hierro al hacerlo reaccionar en medio ácido? Escribe la reacción posible. 3. Reúnete con tus compañeros y consulten en la bibliografía las características físicas y propiedades de los elementos metálicos. 4. Analizar los resultados de la actividad experimental y comparar con lo esperado de acuerdo a sus propiedades. 5. ¿Cuál de los metales fue el más reactivo? Justifica tu respuesta. 6. Piensa en alguna aleación y reflexiona sobre su posible comportamiento en medio ácido. Coméntalo con tus compañeros de equipo. 7. ¿Es posible que el vinagre de caña que utilizamos para aderezar las ensaladas reaccione con metales como el cobre y el cinc? Justifica tu respuesta. 8. ¿De qué material esta hecho el recipiente que se utiliza en tu casa como ensaladera? ¿podría ser de cinc? Justifica tu respuesta.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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EL MUNDO DE LA QUÍMICA Y TÚ Relación Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente

METAL A PARTIR DEL MAR1 El magnesio es un valioso metal ligero que se utiliza como material estructural y también en aleaciones, en baterías y en síntesis química. Aunque el magnesio es abundante en la corteza terrestre, es más barato “explotarlo ” del agua de mar. El magnesio constituye el segundo catión más abundante del mar (después del sodio); hay alrededor de 1.3 g de magnesio por kilogramo de agua de mar. El proceso para obtener magnesio del agua de mar utiliza tres tipos de reacciones: de precipitación, ácido – base y redox. En la primera etapa de recuperación de magnesio, la piedra caliza (CaCO3) se calienta a temperaturas elevadas para formar cal viva u óxido de calcio (CaO): CaCO3(s)

CaO(s) + CO2(g)

Cuando el óxido de calcio se trata con agua de mar forma hidróxido de calcio Ca(OH)2 , un compuesto ligeramente soluble que se ioniza para formar iones Ca2+ y OH- : CaO(s) + H2O(l)

Ca2+(ac) + 2OH-(ac)

El exceso de iones hidróxido ocasiona que precipite el hidróxido de magnesio, un compuesto mucho menos soluble: Mg2+(ac) + 2OH-(ac) o Mg(OH)2(s) El hidróxido de magnesio sólido se filtra y se hace reaccionar con ácido clorhídrico para formar cloruro de magnesio (MgCl2): Mg(OH)2(s) + 2HCl(ac) o MgCl2(ac) + 2H2O(l) Después de evaporar el agua, el cloruro de magnesio sólido se funde en una celda de acero. El cloruro de magnesio fundido contiene iones Mg2+ así como iones Cl-. Las semireacciones son: Mg2+ + 2e-

Mg(s)

2Cl- o Cl2(g) + 2eLa reacción global es: MgCl2(ac) o

Mg(s) + Cl2(g)

Esta es la forma en que se produce el magnesio metálico. El cloro gaseoso generado se puede convertir en ácido clorhídrico y reciclarse en el proceso. 1

Tomado de: Chang, R. y Collage, W., Química (7ª ed.), Mc Graw Hill, México, 140, 2003.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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OBTENCIÓN INDUSTRIAL DEL MAGNESIO, A PARTIR DEL AGUA DE MAR, Y SUS PRINCIPALES REACCIONES2

Agua de mar

(0 – 4% MgCl2)

MgCO3 Ca(OH)2

ácidos

MgO

calor

Mg2+ (sales)

Mg(OH)2 O2 o vapor

HCl

MgO C+

MgCl2 (anhidro) Cl2

Cl2

MgCl2

electrólisis

ácidos N2 2+

(sales)

NH3

H2O

Ácidos fuertes

Mg2+ (sales) + H2

Mg3N2

Tomado de: Mosqueira, S., Introducción a la química y el ambiente, Publicaciones Cultural, México, 2004

PALABRAS CLAVE PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN MAPA CONCEPTUAL Para relacionar los conocimientos logrados a través de esta actividad experimental, construye un mapa conceptual con los siguientes conceptos químicos: Reactividad química Aleación Elemento (metal) Agua Ácido clorhídrico Óxido no metálico Ecuación química Reacción de reducción

Hidróxidos Óxidos No metal Reacción química Óxido metálico Reacción química Reacción de oxidación

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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MANEJO Y DISPOSICION DE LOS RESIDUOS GENERADOS Los desechos que se producen en la actividad experimental deben recolectarse en recipientes previamente etiquetados, para su posterior tratamiento. i Los residuos de las diferentes reacciones químicas que se llevan a cabo se pueden diluir con suficiente cantidad de agua y desecharlas por el drenaje. i A todas las disoluciones ácidas, agregar agua hasta neutralizar, desechar por la tarja con suficiente agua.

Residuos

Nota: los residuos metálicos, se lavan con agua, y se secan con papel absorbente para su posterior utilización. NO arrojarlos a la tarja. ACORDEÓN No. 1 Los metales alcalinos reaccionan violentamente con el agua, para formar el hidróxido correspondiente y liberar hidrógeno. Ejemplo: Li(s)

+ H2O(l)

LiOH(ac) + H2n

El metal alcalino térreo calcio (Ca) se comporta de manera semejante. No. 2 El magnesio con agua a temperatura ambiente (20°C) reacciona muy lentamente, a una temperatura de 100°C se acelera la reacción. No. 3 Los metales aluminio, cinc, cobre, estaño y plomo no presentan reacción aparente con el agua. El hierro reacciona lentamente con el agua para formar el óxido férrico (herrumbre) Fe2O3(s) No. 4 Los metales: hierro, aluminio, cinc y magnesio reaccionan fácilmente en ácido clorhídrico diluido formando los cloruros correspondientes y desprendiendo hidrógeno. Ejemplo: Zn(s) + 2HCl(dil) o ZnCl2 + H2n 2Al(s)

+ 6 HCl(dil)

2 ALCl3 + 3H2n

No. 5 El cobre no es atacado por ácido clorhídrico diluido, solamente por ácido clorhídrico concentrado y caliente, también por ácido nítrico y sulfúrico. Cu(s) + 2HCl(conc)

calor

CuCl2(ac) + H2(g)

No.6 El estaño se disuelve lentamente en ácido clorhídrico diluido, formando el cloruro correspondiente y desprendiendo hidrógeno. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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Sn(s)

2HCl(dil)

SnCl2(ac)

H2n

El estaño se disuelve fácilmente en ácidos concentrados y calientes. No.7 El plomo presenta poca acción con al ácido clorhídrico diluido debido a la formación de películas protectoras de cloruro de plomo. Reacciona fácilmente en ácido nítrico concentrado y diluido en caliente. Pb(s) +

2HNO3(dil)

calor

Pb(NO3)2(ac) + H2(g)

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Chang, R. y Collage, W., Química (7ª ed.), Mc Graw Hill, México, 2003. 2. Garritz, A., Chamizo, J.A. Tú y la Química, Pearson Educación de México, S.A. de C. V., México, 2001. 3. Mosqueira, S., Introducción a la química y el ambiente, Publicaciones Cultural, México, 2004. 4. Phillips, Strozak, Wistrom, Química, conceptos y aplicaciones, McGraw Hill, México, 2000.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 3 ¡QUÍTATE QUE YA LLEGUE! Algunas reacciones de los metales INTRODUCCIÓN ¿Recuerdas la última vez que estabas hambriento y tomaste un fresco jugo de manzana? ¡Mmmm que delicia! Pelaste las manzanas y tenían un precioso color blanco, pero las dejaste un tiempo descubiertas y se pusieron oscuras, al verlas así no resultan tan apetitosas. ¿Qué es lo que causa el oscurecimiento en las frutas y en algunos vegetales después de quitar la piel? ¿Por qué el color no cambia mientras no se corta la fruta? Recuerda que el cambio de color es uno de los signos de que se efectúa una reacción química. Las manzanas, así como las plantas y los tejidos animales contienen una gran cantidad de moléculas que pueden sufrir muchas de las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos ¿Qué clase de reacciones suceden en una manzana abierta? ¿Por qué el jugo de naranja debe tomarse recién hecho? ¿Por qué la estatua de la libertad es verde? ¿Por qué los clavos a la intemperie se cubren de un polvo rojizo? El estudio de estas reacciones nos permitirá explicar muchos cambios que se presentan a nuestro alrededor. OBJETIVOS Demostrar que los metales presentan diferente “actividad ” en sus reacciones químicas. Con base en la “Serie de Actividades ” de los metales, predecir cuales de las reacciones, propuestas en el experimento, se pueden efectuar. ACTIVIDADES PREVIAS 1. Escribe tres ejemplos de reacciones de óxido reducción, que se efectúan en la vida diaria. 2. Pega, en tu cuaderno del laboratorio, una tabla con los valores de actividad de los metales ( Serie electromotriz) 3. Ordena los metales Zn, Pb y Cu en orden creciente de su poder reductor. 4. Realiza la predicción de las reacciones, que vas a efectuar en el laboratorio. (Revisa los valores de la serie de actividad de los metales). Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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5. Elabora un mapa conceptual, con los conceptos involucrados en esta práctica. EXPERIMENTO No. 1 PROBLEMA A RESOLVER ¿Puedes limpiar los utensilios de plata que han perdido su brillo sin utilizar un producto comercial? DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIAL 2 vasos de precipitados de 250 mL 1 cazo de aluminio 1 soporte universal 1 tela de asbesto 1 mechero 1 aro de metal 1 agitador 1 objeto plateado sin brillo

SUSTANCIAS 1 Hoja de papel de aluminio (Al) Bicarbonato de sodio (NaHCO3)

PROCEDIMIENTO 1. Coloca una hoja de papel aluminio en el fondo de un recipiente (o utiliza un cazo de aluminio). 2. Agrega agua bien caliente y añade 2 cucharaditas de bicarbonato de sodio y disuélvelo. 3. Coloca dentro de esta solución el objeto plateado sin brillo.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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4. Espera 20 minutos y anota los cambios observados. ¿Por qué la plata se obscurece al contacto con el aire? ¿Cuál es la reacción que corresponde al proceso anterior?

EXPERIMENTO No. 2 PROBLEMA A RESOLVER ¿Por qué algunos metales se oxidan al reaccionar con soluciones de otros metales?

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DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIAL 1 microplaca de 12 celdas 6 pipetas Beral 6 palillos de madera 1 lima de madera

SUSTANCIAS Metales: cinc, cobre y plomo en trozos pequeños Pb(NO3)2 (nitrato de plomo (II)) 0.2 M Cu(NO3)2 (nitrato de cobre (II)) 0.2 M AgNO3 (nitrato de plata) 0.2 M Hg(NO3)2 (nitrato de mercurio (II)) 0.2 M Zn(NO3)2 (nitrato de cinc) 0.2 M

PROCEDIMIENTO 1. En la microplaca de 12 celdas, coloca en diferentes celdas, un pequeño trozo, limpio y sin oxidar, de cada uno de los siguientes metales: cinc, plomo y cobre (figura No. 2) 2. Limpia el cobre por medio de una lima o sumérgelo unos minutos en ácido clorhídrico diluido 1:1 ¿Para qué realizas esta operación? 3.

Pb(NO3)2(ac)

Cu(NO3)2(ac)

Ag(NO3)2(ac)

Hg(NO3)2(ac)

Figura No. 2 Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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4. Agrega, en cada celda que contiene uno de los metales, 20 gotas de solución de nitrato de plomo (II) de concentración 0.2 M, el metal debe quedar cubierto con la solución. Espera unos minutos y anota tus observaciones 5. Repite el mismo procedimiento para cada uno de los metales. Añade a cada metal, en las celdas, las siguientes disoluciones por separado, como se indica en la figura No. 2. i Nitrato de cobre (II) 0.2 M i Nitrato de plata (I) 0.2 M i Nitrato de mercurio (II) 0.2 M

6. Espera unos minutos después de realizar la instrucción anterior y anota tus observaciones y evidencias experimentales en la tabla No. 1.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS Y EVIDENCIAS EXPERIMENTALES. Tabla No.1 Reacciones de óxido - reducción

Metal

Reacción Reacción Reacción Reacción balanceada balanceada balanceada balanceada ¿Agente con con con con oxidante? Pb(NO3)2(ac) Cu(NO3)2(ac) Ag(NO3)2(ac) Hg(NO3)2(ac)

¿Agente reductor?

Cu(s) Zn(s) Pb(s)

GUÍA DE DISCUSIÓN (Consulta el Acordeón) Trabajando en equipo y consultando bibliografía: 1. ¿En cuáles metales observaste cambios? Describe tus observaciones en forma de tabla. 2. ¿A qué crees que se deben estos cambios? 3.

De acuerdo a lo observado ordena los metales cinc (Zn), plomo (Pb) y cobre (Cu) en orden creciente de su poder reductor.

4. ¿Qué pasaría si a los metales anteriores les agregamos solución de Zn(NO3)2? Comprueba experimentalmente tu respuesta. Reflexiones finales (Consulta el Acordeón) 1. Consulta la serie de actividad de los metales y predice cuales de las siguientes reacciones pueden ocurrir en condiciones estándar: a) Oxidación del Sn2+(ac) por el Br2(l) b) Reducción del Ni2+(ac) por el Sn2+(ac) Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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c) Oxidación de la Ag(s) por el Pb2+(ac) d) Reducción del I2(s) por el Cu(s) 2. Escribe las reacciones que se efectúan al realizar los siguientes experimentos: a) Una granalla de cinc es colocada dentro de una solución de nitrato de plomo. b) Una solución ácida de sulfato de hierro (II) se deja expuesta al aire. c) Un alambre de plata se sumerge en una solución acuosa de cloruro de níquel. d) Gas hidrógeno es burbujeado a través de nitrato de cadmio. 3. Para cada una de las siguientes reacciones, identifica lo siguiente: a) b) c) d) 1) 2) 3) 4)

la reacción de oxidación la reacción de reducción el agente oxidante el agente reductor Co Zn Al Sn2+

+ + + +

2 Cu2+ Fe2+ 3 Cr3+ 2 Fe3+

Co2+ + 2Cu Zn2+ + Fe Al3+ + 3Cr2+ Sn4+ + 2Fe2+

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VIDRIOS FOTOCROMÁTICOS: UN CASO DE ÓXIDO - REDUCCIÓN Los cristales de los lentes que se obscurecen cuando la luz del sol se hace más intensa contienen una dispersión de cloruro de plata, (AgCl). La energía de la luz solar provoca una reacción redox que origina plata metálica, en un proceso idéntico al que ocurre en una placa fotográfica. La reacción se inicia el perder el ión cloruro un electrón que es captado por un ión plata vecino. Es decir: 2ClAg+ La reacción global es:

Cl2 + 2e-

+ 2e-

Ag+ + Cl-

lente fotocromático

AgO luz

Ag0 + Cl2

Como la plata metálica finamente dividida es de color negro, los cristales se obscurecen. Los átomos de plata y cloro producidos permanecen atrapados en posiciones contiguas en la estructura del vidrio. Entonces en ausencia de luz, se produce espontáneamente la reacción inversa y, de este modo, los cristales recuperan la claridad. Investiga y discute con tus compañeros, otros procesos de oxidoreducción que suceden a tu alrededor.

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PALABRAS CLAVE PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN MAPA CONCEPTUAL Para relacionar los conocimientos logrados a través de esta actividad, construye un mapa conceptual con los siguientes conceptos: Número de oxidación Reacción de oxidación Reacción de reducción Agente oxidante Agente reductor Actividad química Metales Aceptor de electrones

Especie oxidada Especie reducida Potencial de reducción Potencial de electrodo Par oxidante/reductor Serie de actividad de los metales (serie electromotriz) Donador de electrones Transferencia de electrones

MANEJO Y DISPOSICIÓN DE LOS RESIDUOS GENERADOS Los desechos que se producen en la actividad experimental deben recolectarse en recipientes previamente etiquetados, para su posterior tratamiento. i Separa y lava los restos de los metales, pueden volverse a usar en otra actividad. i Las disoluciones sobrantes deséchalas en un frasco etiquetado para su posterior tratamiento

Residuos

ACORDEÓN 1. Además de observar la reactividad de los metales se debe predecir si las reacciones van a efectuarse, para ello consulta en la tabla No. 2 los valores de actividad química de los metales que intervienen en cada reacción. 2. Para ampliar tus conocimientos es conveniente que investigues el proceso de corrosión, el funcionamiento de los acumuladores de coches y los diferentes tipos de pilas. 3. Reacciones de oxidación y de reducción Las reacciones iónicas implican transferencia de electrones. Para que una reacción iónica se produzca, una de las sustancias presentes debe donar electrones mientras que otra sustancia debe aceptar esos electrones, es decir debe ocurrir una reacción redox. Por ejemplo cuando se agrega zinc metálico a una disolución que contiene sulfato de cobre (II) (CuSO4), el cinc reduce al Cu2+ al donarle dos electrones. Zn(s) + CuSO4(ac)

ZnSO4(ac) + Cu(s)

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En el proceso, la disolución pierde el color azul que denota la presencia de iones Cu2+ hidratados: Zn(s) + Cu2+(ac)

o Zn2+(ac) + Cu(s)

Las semirreacciones de oxidación y reducción son Zn(s) o Zn2+(ac) + 2eCu2+(ac) + 2e- o Cu(s)

4. La expresión “número de oxidación ” se utiliza para indicar la carga de ese ión. Si decimos que el número de oxidación del hierro es 3+, significa que el hierro esta como ión Fe3+ 5. Reacción de oxidación Es aquella donde se donan electrones. Puesto que el electrón es una carga negativa, la sustancia que pierde un electrón pierde una carga negativa. El número de oxidación aumenta puesto que se liberó un electrón. Si la sustancia inicial es neutra el ión formado será portador de una carga positiva: Na o Na+ + 1eCu o Cu2+ + 2eCuando la sustancia es un ión con carga eléctrica positiva al sufrir una oxidación aumentara esta carga positiva: Fe2+ Sn2+

Fe3+ + 1eSn4+ + 2e-

o o

6. Reacción de reducción Es aquella donde un electrón es ganado por una sustancia. La sustancia que gana los electrones se dice que se reduce por que su número de oxidación se hace más negativo: Ag+ + 1eo Ag Cu+ Cu2+ + 1e- o 7. Reacción de oxido-reducción Las reacciones de oxidación y de reducción no pueden existir una sin la otra. En efecto los electrones que una sustancia pierde deben ser ganados por otra, por lo que las reacciones de oxidación y de reducción se realizan simultáneamente, esto nos da una reacción global llamada “reacción de oxido-reducción ”: Oxidación: Reducción: Oxido-reducción:

Cu (Ag + 1eCu + 2Ag+ +

o Cu2+ +2eo Ag) x 2 o Cu2+ + 2Ag

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REACCIONES POSIBLES ENTRE ALGUNOS METALES ER Zn° Zn° Zn° Zn° Pb° Pb° Pb2+ Cu° Cu° Ag°

+ + + + + + + + + +

Hg2+ Ag+ Cu2+ Pb2+ Hg2+ Ag+ Cu2+ Hg2+ Ag+ Hg2+

o o o o o o o o o o

Hg° Ag° Cu° Pb° Hg° Ag° Cu° Hg° Ag° Hg°

Zn2+ Zn2+ Zn2+ Zn2+ Pb2+ Pb2+ Pb2+ Cu2+ Cu2+ Ag+

+ + + + + + + + + +

1.614 1.55 1.10 0.634 0.98 0.916 0.466 0.514 0.450 0.064

Tabla No.2 Serie de actividad de los metales en solución acuosa Metal

Reacción de oxidación

Litio

Li+

Potasio

K+

Bario

Ba2+

2e-

Calcio

Ca2+

2e-

Sodio

Na+

Magnesio

Mg2+

2e-

Aluminio

Al3+

3e-

Manganeso

Mn2+

2e-

Cinc

Zn2+

2e-

Cromo

Cr3+

3e-

Hierro

Fe2+

2e-

Cobalto

Co2+

2e-

Níquel

Ni2+

2e-

Estaño

Sn2+

2e-

Plomo

Pb2+

2e-

Hidrógeno

2H+

2e-

Cobre

Cu2+

2e-

Plata

Ag+

Mercurio

Hg2+

2e-

Platino

Pt2+

2e-

Oro

Au3+

3e-

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A u m e n t a f a c i l i d a d d e r e a c c i ó n

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Chem Com; Chemistry in the community; 2a edición, editorial: Kendall/hunt Publishing Company, 1993. 2. Smoot, Price, Smith. Chemistry. Editorial Glencoe/McGraw Hill. USA, 1998. 3. Chang, R. y Collage, W., Química (7ª ed.), Mc Graw Hill, México, 2003. 4. McMurry J., Fay R. Chemistry. Prentice Hall, USA, 1995. 5. Brown. La Ciencia Central. Prentice Hall Flinn Scientific Inc. Chem Fax. 1997. 6. Eva Grenier, Claude Rhéqume. Contact Chimie 534.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 4 UNA IONICA Y PLATEADA NAVIDAD Reacciones de óxido-reducción INTRODUCCIÓN

Autores: Roberto Meza Zamora Francis Navarro León

La vida de todos los seres vivos que habitamos la Tierra es una batalla constante entre dos procesos químicos opuestos: oxidación y reducción. Así como la coloración café que aparece en una manzana sin piel es una de las señales que indican que ha ocurrido una reacción de oxidación, de igual manera, el envejecimiento de las plantas y la descomposición de nuestro cuerpo involucran reacciones de oxidación. Por otro lado, la conversión del di -óxido de carbono en azúcares dentro de las plantas verdes por medio de la fotosíntesis, “es sin duda la reacción de reducción más importante, puesto que nos permite retardar la ventaja que la oxidación lleva sobre nosotros. Los cerillos, la corrosión, la respiración, una pila, los antisépticos, una fotografía y cocinar son solo algunos ejemplos más de esta inmensa y permanente batalla ” conocida como reacciones de óxido reducción o REDOX. Los procesos en los que una sustancia cualquiera reacciona con el oxígeno, y al hacerlo pierden electrones son llamados oxidaciones. Bajo esta analogía es que el término "oxidación se ha generalizado y los químicos modernos lo utilizan para referirse a cualquier reacción química en la que un elemento o compuesto cede electrones a un elemento más electronegativo, no necesariamente oxígeno. En resumen, la oxidación implica la pérdida de electrones de una sustancia y debe estar acompañada por la ganancia de electrones por alguna otra, llamándosele a este último proceso reducción. Es común llamar a la sustancia que causa la reducción de otra como un agente reductor, mientras que la sustancia responsable de la oxidación de la otra se le llama agente oxidante. OBJETIVOS Evidenciar por medio de reacciones químicas que los términos oxidación y reducción se aplican a procesos en los que ocurren transferencia de oxígeno o de electrones. Efectuar algunas reacciones químicas que expliquen la actividad química de los metales en base a la ganancia o pérdida de electrones. Identificar los agentes oxidantes y reductores en las reacciones Redox. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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Comprobar que las reacciones de oxidación y reducción siempre ocurren simultáneamente. PROBLEMAS A RESOLVER ¿Se puede generar calor y luz a través de reacciones químicas? ¿Cuáles? ¿Se puede acelerar la oxidación del magnesio por medio de la combustión? ¿Es posible obtener cobre metálico de una disolución que contenga iones cobre? ¿Cómo? ¿De qué color es el ión cobre? ¿De qué color es el ión aluminio? ¿Pierde su color el ión cobre cuando reacciona con el aluminio metal? ¿Porqué? ¿Puede el ión plata reducirse y oxidar al cobre metálico? ¿Qué color desarrollará una disolución de nitrato de plata tiempo después de que se ha introducido en ella un alambre de cobre? ¿Porqué? ¿Considerarías que el aspecto que presentan los cristales de plata vistos al microscopio semejan un bosque de árboles de navidad? ACTIVIDADES PREVIAS 1. Construye un diagrama de flujo que te guíe en el desarrollo experimental. 2. Lee cuidadosamente el procedimiento experimental y aclara cualquier duda con tu profesor. 3. Investiga la reacción química ente el gas butano y el oxígeno e identifica al agente oxidante y al agente reductor. 4. Investiga la reacción química entre el magnesio metálico y el oxígeno, y determina cual es el agente oxidante y cual el agente reductor. 5. Investiga la electrólisis del cloruro de cobre(II), y determina que se deposita en el cátodo.

sustancia

6. Investiga las reacción química entre el aluminio metálico y el cloruro de cobre(II), y determina que sustancia se oxida y cual se reduce. 7. Investiga la reacción química entre el cobre metálico y el nitrato de plata, e identifica al agente oxidante y al agente reductor. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIAL 1 mechero 1 pinzas de punta fina 1 vidrio de reloj 1 soporte universal 1 pinzas de tres dedos 2 "V" de vidrio 3 pinzas de dos dedos 2 electrodos de grafito 1 fuente de poder 1 vaso de precipitados de 50 mL 1 pipeta Beral 1 cubre objetos 1 microscopio estereoscópico 1 tubo de ensayo 95 X 14 mm.

SUSTANCIAS 1 Cinta de magnesio 10 mL de una solución de cloruro de cobre (II) al 10% en vol. 1 Laminilla de aluminio 1 Laminilla de cobre en forma de árbol de navidad 15 mL de una solución de nitrato de plata al 5% en vol. 1 Alambre delgado de cobre 1 Cinta autoadherible (3cm.)

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Prueba A

Combustión de gas LP

1. Abre la válvula que alimenta gas LP al mechero. 2. Acerca un cerillo a la boca del mechero. 3. Regula la entrada de aire al mechero hasta lograr una flama azul. ¿Qué indica el color de la flama? 4. Observa la generación de calor y luz. ¿Lo percibes? 5. ¿Qué elemento presente en el gas LP se oxida? ¿Qué elemento presente en el aire se reduce? Prueba B

Combustión del Magnesio

1. Toma con las pinzas la cinta de magnesio y ponla en la llama del mechero sin fijar por mucho tiempo la vista en la luz que despide (de preferencia usa gafas especiales) 2. Coloca el residuo formado y observa su color ¿Qué producto se formó? 3. ¿Cuál es el agente oxidante y cuál el reductor? Registra tus observaciones en la tabla de resultados adjunta. Prueba C Cobre electrolítico 1. Vierte la solución de cloruro de cobre en el tubo en "V" dejando 0.5 cm. libre en sus ramas 2. Introduce los electrodos de grafito (uno en cada rama). 3. Conecta la fuente de poder durante 10 minutos. ¿Hay burbujeo en una de las ramas? ¿Porqué? Si no; checa tu fuente de poder. 4. Observa si se cobriza la superficie de uno de los electrodos (en la rama donde no hay burbujeo). ¿Porqué? Registra tus observaciones en la tabla. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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5. ¿Cuál es el agente oxidante y cuál el reductor? Registra tus observaciones en la tabla de resultados adjunta. Prueba D

Reacción de desplazamiento sencillo

1. Vierte la solución de cloruro de cobre en el otro tubo en "V" dejando 0.5 cm. libre en sus ramas 2. Introduce en una de sus ramas una laminilla de aluminio. 3. ¿Hay cambios de coloración en cada rama? ¿En qué tiempo?, ¿Qué ocurre en la superficie de la laminilla de aluminio? 4. Retira la laminilla de aluminio y observa: ¿Se cubrió de cobre? ¿Presenta corrosión? Registra tus observaciones. 5. ¿Cuál es el agente oxidante y cuál el reductor? Registra tus observaciones en la tabla de resultados adjunta. Prueba E Árbol de Navidad 1. Coloca la laminilla de cobre (en forma de árbol) dentro del tubo de ensayo. 2. Agrega la solución de nitrato de plata hasta cubrir parcialmente el árbol (deja la copa libre) 3. Observa que ocurre sobre la superficie del árbol ¿Qué metal lo esta cubriendo? ¿Por qué? 4. ¿Cuál es el agente oxidante y cuál el reductor? Registra tus observaciones en la tabla de resultados adjunta. Prueba F Bosque de árboles de navidad 1. Colóca un pequeño trozo de alambre de cobre en el cubreobjetos y observa en el microscopio su orilla. 2. Adiciona una gota de nitrato de plata sobre el alambre, y observa ¿De qué son los cristales que aparecen? (entre más pequeña la gota, mejor se observan los cristales). 3. Después de un tiempo, vuelve a observar ¿Se formó un bosque? Registra tus observaciones en la tabla. 4. ¿Cuál es el agente oxidante y cuál el reductor? Registra tus observaciones en la tabla de resultados adjunta.

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REGISTRO DE OBSERVACIONES, EVIDENCIAS EXPERIMENTALES

DATOS,

RESULTADOS

Tabla No. 1 Identificación de agentes oxidantes y agentes reductores COMPUESTO PRUEBAS UTILIZADO

AGENTE AGENTE OBSERVACIONES OXIDANTE REDUCTOR ión/elemento color ión/elemento color

PRUEBA A PRUEBA B PRUEBA C PRUEBA D PRUEBA E PRUEBA F

GUIA DE DISCUSIÓN Trabajando en equipo y consultando bibliografía: 1. El profesor conducirá una discusión en torno a las reacciones efectuadas, señalando los casos en donde ocurrió la transferencia de oxígeno o de electrones, para concluir que históricamente esta transferencia de partículas daban pauta a la clasificación de óxido-reducción, mientras que hoy en día se define en base al concepto de número de oxidación. 2. El profesor promoverá la comparación de resultados obtenidos en el grupo para propiciar la participación de todos los alumnos. 3. Se analizarán los resultados y se discutirán las desviaciones y propuestas para mejorar el experimento. 4. Se identificará a los agentes oxidantes y reductores para concluir que las reacciones de oxidación y las de reducción siempre ocurren simultáneamente. 5. Se concluirá que los cambios químicos observados son conocidos como reacciones redox, y tienen que ver con la actividad química de los metales.

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EL MUNDO DE LA QUÍMICA Y TÚ Relación Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente

LOS CAMBIOS QUÍMICOS Y LA TECNOLOGÍA: "CRISOL QUE TRANSFORMÓ LA HISTORIA DE LA HUMANIDAD" La evolución de las civilizaciones dio comienzo cuando descubrieron el poder transformador del fuego, que condujo a calentar ciertas rocas y minerales (llamadas menas) a muy altas temperaturas para extraer metales. La tecnología de la metalurgia movió a la humanidad de la Edad de Piedra a la de Bronce y a la de Hierro: periodos históricos así nombrados por el material usado en la fabricación de sus utensilios. En la Edad de Bronce se disponía fácilmente del cobre y estaño que al fundirse forman la aleación bronce. El bronce es más duro que el cobre y el estaño solos. La Edad de Hierro es posterior porque es más difícil reducir el hierro hasta su forma elemental. Su temperatura de fundición es mayor que la del bronce. Cuando la metalurgia evolucionó los científicos comenzaron a examinarla químicamente. El desarrollo de nuevas tecnologías guió a nuevos descubrimientos, destacándose el de la fabricación del acero que previamente requiere la separación y purificación del hierro del mineral que lo contiene, generalmente hematita, Fe2O3. Este proceso se lleva a cabo en un alto horno por medio de una serie de reacciones redox. En el siglo XIX los científicos descubrieron que al pasar una corriente eléctrica a una disolución que contenía iones metálicos, éstos se reducían a un metal elemental. Así dio inicio el desarrollo de la electrólisis y el de sus aplicaciones útiles tales como purificar metales de sus minerales, cubrir superficies con metales y purificar el agua. Las aplicaciones abarcan desde la industria pesada hasta el mundo del arte. Un ejemplo actual nos lo ofrece la fabricación de un CD, donde el proceso de depositación metálica y electrorecubrimiento empleados, permiten lograr la excepcional claridad y nitidez de sonido que pareciera escuchar a los músicos en vivo. Sabemos que el oxígeno produce muchas reacciones cuando se encuentra frente a otras sustancias. Una de estas reacciones, la combustión, ha permitido llevar al hombre a la Luna.

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Los motores principales de los transbordadores espaciales funcionan con hidrógeno y oxígeno, ambos líquidos, almacenados en un gran tanque desechable de combustible. Además dos propulsores pequeños, reutilizables, están cargados con un combustible sólido (a base de aluminio en polvo y perclorato de amonio) que produce una poderosa reacción de óxido - reducción que ayuda a poner en órbita al cohete. La gran cantidad de energía química que se libera y la expansión de los gases calientes en el motor del propulsor sólido, producen la enorme fuerza que se necesita para lograr acelerar el cohete de 2 millones de Kg. desde 0 hasta 700 m/s ¡en solamente 132 segundos! Como ejemplos de cambios químicos significativos, ahora, en beneficio del suelo están representados por el intemperismo químico donde participan procesos redox que aportan iones al suelo y su disposición para las plantas. Las plantas necesitan del nitrógeno como uno de sus principales nutrientes, requiere encontrarse en forma de ión amonio para ser fijado por las plantas, esto se logra por las reacciones redox entre el nitrógeno y el oxígeno producidas durante las tormentas eléctricas, seguidas por una conversión de iones nitrato a iones amonio efectuado por las bacterias que viven en las raíces de algunas plantas. La síntesis de amoníaco es uno, de un gran número de procesos, que la tecnología ha desarrollado para la obtención de fertilizantes. Después de lo antes citado, estarás de acuerdo en que las reacciones de óxido reducción son muy comunes en el mundo que nos rodea, y su descubrimiento ¡ha transformado literalmente la historia de la humanidad! PALABRAS CLAVE PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN MAPA CONCEPTUAL Para relacionar los conocimientos logrados a través de esta actividad, construye un mapa conceptual con los siguientes conceptos: Reacciones químicas Transferencia electrónica Reacciones redox Combustión Pérdida de electrones Reducción Metal (elemento)

Agente oxidante Agente reductor Proceso químico Ganancia de electrones Reacciones simultáneas Oxidación Ión metálico

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MANEJO Y DISPOSICION DE LOS RESIDUOS GENERADOS Los desechos que se producen en la actividad experimental deben recolectarse en recipientes previamente etiquetados, para su posterior tratamiento. Puesto que las sustancias con las que se trabaja no son tóxicas se pueden arrojar los deshechos sólidos al bote de la basura. Los residuos se pueden Residuos neutralizar con el detergente utilizado para lavar el material, y suficiente agua. ACORDEÓN No.1 El gas LP es una fracción del petróleo, y como tal es una mezcla de hidrocarburos con un número de átomos de carbono entre 3 y 4. La reacción de combustión que se lleva a cabo en el mechero de un laboratorio la podemos representar con la siguiente ecuación: 2 C4H10(l) + 13 O2(g)

8 CO2(g) + 10 H2O(g)

No.2 A principios del siglo pasado, la combustión del magnesio se utilizaba como destello ("flash") para la fotografía. La reacción es la siguiente: 2 Mg(s) + O2(g)

2 MgO(s)

No.3 Cuando en una celda electrolítica que contiene una disolución en la que está presente un ión metálico, se hace pasar una corriente eléctrica, se genera un flujo de los iones metálicos hacia el electrodo que actúa como cátodo, donde al ganar electrones se va depositando sobre la superficie del electrodo el metal elemental, Si se toma como ejemplo una disolución de sulfato de cobre (II) como electrolito, la reacción que se lleva a cabo en el cátodo se muestra con la ecuación siguiente: Cu2+(ac) + 2e-

Cu0(s)

No.4 Vivimos en un mundo eléctricamente neutro, es por ello que en una reacción redox se evidencia que la ganancia de electrones por un átomo o ión va acompañada por una pérdida equivalente de los mismos por otro átomo o ión. Es así que, si introducimos una laminilla de aluminio a una disolución de cloruro de cobre(II), ocurren las siguientes reacciones:

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+ 2 e-

Cu2+

Cu0

se reduce a

Alo

- 3e-

El Cu2+ es el agente oxidante y

Al3+

se oxida a

se reduce a

3 Cu2+ + 2 Al° agente oxidante

3 Cu° + 2 Al3+

agente reductor

se oxida a

No.5 Cuando adicionamos una disolución de nitrato de plata a una laminilla de cobre, observamos como ésta se recubre de una capa plateada. Asimismo los iones de cobre colorean de azul a la disolución. Las reacciones que explican lo anterior son las siguientes:

2Ag1+(ac) + 2eCu0(S) - 2e-

2Ag0(s) Cu2+(AC)

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No.6 Para obtener un metal de una mena se necesita de una gran cantidad de energía térmica, pero también necesita una sustancia que actúe como agente reductor, Un agente efectivo para reducir una mena férrica es el monóxido de carbono. A temperatura elevada, este agente le causa a la mena una pérdida de oxígeno, convirtiéndola a hierro elemental (metal). La reacción se representa como sigue: Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(S) + 3CO2 (g)

Escape de gases

Piedra caliza, Coque y mineral de hierro

No.7 En la naturaleza los carbohidratos actúan como almacén; representan el material que capta la energía del sol y permite que la utilicen los seres vivos. Cuando el cuerpo convierte los carbohidratos en energía, dióxido de carbono y agua, mediante el metabolismo celular, se efectúa la reacción siguiente: C8H18(al) + 25/2 O2(g) 8 CO2(g) + 9 H2O(g)

aire comprimido

Hierro fundido

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Álvarez U., Gama J., González, I., López, L., Manilla,M., Ortega, G., Romero,M., Sánchez, A., Vallejo, E., Vázquez, S., Vega, M. Quimica II -Manual de Actividades Experimentales-para el alumno Colegio de Ciencias y Humanidades de la UNAM 2000. 2. Andrews, Donald H. y Kokes, Richard J. Química Fundamental, Limusa-Wiley, México 1964. 3. Garritz, Andoni y Chamizo, José A. Química, Addison Wesley Iberoamericana, México 1994. 4. Mahan, Bruce H. University Chemistry, Addison Wesley Publishing Company, Inc. 1967 USA. 5. Navarro, F., Carrillo, M., González, R., Lira, S., Montagut, P., Nieto, E., Sansón, C. Enseñanza Experimental en Microescala en el Bachillerato Química II, C.C.H., UNAM 2004. 6. Peña, A., Arroyo, A., Gómez, A., Tapia, R., Gómez C. Bioquímica, Limusa, México 1990. 7. Phillips, John S., Strozak, Victor S., Wistrom, Cheryl. Química Conceptos y Aplicaciones, McGraw Hill, México 2000. REFERENCIA VIDEOGRÁFICA 1. Introducción a la Oxido-Reducción, Alberta Education 1998.

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 5 EN BUSCA DEL TESORO Obtención de plomo INTRODUCCIÓN Desde los tiempos iniciales, el hombre ha establecido con los metales un camino de búsqueda y de encuentro, de ciencia, arte, trabajo y perseverancia. Así ha inventado procesos y técnicas para conquistar la riqueza Pb del subsuelo. La voluntad y la imaginación han sido vitales para hallar procesos adecuados en el beneficio de cada metal. Obtener metales ha sido un reto y un sueño del hombre, bastaría con recordar a los alquimistas en su búsqueda por encontrar la “piedra filosofal ” que pudiera convertir otros metales en oro. La palabra metal se deriva de un vocablo griego que significa “buscar, procurar ” Es raro encontrar metales libres en la corteza terrestre, generalmente se presentan en los minerales en forma de óxidos, sulfuros, cloruros, fosfatos, carbonatos, etc. Seleccionar el o los procesos metalúrgicos para obtener un metal dependerá del compuesto en que se encuentre el metal. Son pocos los metales que no forman parte de un compuesto y existen en forma de “pepitas ”, como el oro y la plata, metales nativos, llamados siderófilos. Para que los metales se popularizaran fue necesario idear un método para obtenerlos a partir de sus minerales que los contienen, y no depender del hallazgo de pepitas. Este paso en la metalurgia debió ocurrir alrededor del año 400 a. C. en el Medio Oriente cuando se pudo obtener cobre a partir de sus menas. En México, las culturas prehispánicas emplearon el oro, la plata y el cobre nativos, e inclusive conocieron el mercurio, el estaño y el plomo. El plomo es un metal de la familia 14, este grupo de metales está poco extendido en la naturaleza, de ahí que resulte importante no malgastarlos, pues están en peligro de dejar de ser aprovechables. El plomo se encuentra principalmente como sulfuro, en un mineral llamado galena. Su tratamiento preliminar se conoce como flotación, el mineral, finamente molido, se mezcla con ciertos aceites y agua. El mineral de plomo se moja por el aceite, y las impurezas (conocidas con el nombre de ganga) por el agua. La agitación con aire produce un sobrenadante que flota y que contiene en su mayoría, el mineral de plomo mojado en aceite. Parte del mineral concentrado así se somete a tostación con aire, Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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obteniéndose óxido de plomo y sulfato de plomo que se reducen con carbón en un horno para obtener plomo y éste posteriormente se somete a refinación. Generalmente los procesos metalúrgicos para la obtención de metales se llevan a cabo en las grandes industrias, no obstante en esta actividad experimental ejemplificaremos algunos de los procesos metalúrgicos para obtener el plomo por reducción a nivel de laboratorio. OBJETIVOS Aplicar el proceso de flotación para concentrar la mena del mineral Aplicar el proceso de reducción para obtener plomo metálico Valorar la importancia industrial y tecnológica de los procesos de obtención de metales PROBLEMA A RESOLVER ¿Cómo se podría obtener plomo metálico a partir de su mineral? ACTIVIDADES PREVIAS 1. Investiga en la bibliografía cuáles son los procesos más comunes que se utilizan en la industria metalúrgica para obtener metales. 2. Construye un diagrama de flujo con el objeto de tener una guía del trabajo experimental que realizarás. 3. Investiga la toxicidad de los compuestos que se utilizan en la práctica, y en función de eso discute con tu profesor la forma de desecharlos una vez terminado el experimento. DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIAL 1 mortero 1 tubo de ensayo de 20 mL 1 balanza digital 1 mechero 1 crisol de porcelana con su tapa 1 piseta 1 soporte universal con aro metálico 1 tripie con tela de asbesto 1 pinzas para crisol 1 microplaca de 9 pozos 1 embudo 1 papel filtro

SUSTANCIAS Óxido de plomo II (PbO) Sulfuro de plomo II (PbS) Arena fina Carbón activado o grafito ( C ) Bórax (Na2B4O7) Agua destilada Aceite vegetal

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PROCEDIMIENTO 1. En una balanza digital pesar 2 g de arena, 1 gramo de sulfuro de plomo y 1 gramo de óxido de plomo. 2. En un mortero, mezclarlas y molerlas hasta obtener una mezcla fina y homogénea. 3. Coloca esta mezcla en un tubo de ensayo y agrega 10 mL de agua, agita vigorosamente durante cinco minutos y deja reposar otros cinco minutos ¿Cuál es el propósito de agitar vigorosamente la mezcla?

¡PRECAUCIÓN! Las sales de plomo son tóxicas y venenosas, usar guantes para su manejo.

4. Agrega aceite (aproximadamente 3 mL), agitar y dejar reposar nuevamente ¿Por qué se agrega aceite a la mezcla? 5. Anota tus observaciones en la tabla No. 1 y registra los datos y evidencias experimentales. 6. Separa la mezcla anterior utilizando embudo y papel filtro. ¿Qué contiene el residuo sólido separado? 7. Calienta el residuo sólido obtenido en un crisol, utilizando la campana de extracción de gases. ¿Cómo se llama a este proceso? ¿Qué cambios ocurren químicamente? 8. Añade al contenido del crisol 1 g de carbón activado e incorpora una capa de bórax en polvo, tapa el crisol y calienta durante 15 minutos. ¿Por qué se agrega carbón y bórax a la mezcla?

¡PRECAUCIÓN! El calentamiento debe hacerse bajo una campana de extracción, los gases que se forman son sumamente venenosos.

9. Retira con precaución la tapa del crisol utilizando las pinzas, mueve el crisol en forma de giros y agita vigorosamente. ¿Qué observas? Explica lo que se forma 10. Escribe tus observaciones en la tabla No. 1 y registra los datos y evidencias experimentales. 11. Espera a que enfríe el contenido, saca una pequeña muestra y realiza las pruebas físicas y/o químicas en la microplaca que demuestren que lo que has obtenido es plomo.

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REGISTRO DE OBSERVACIONES, EVIDENCIAS EXPERIMENTALES.

DATOS,

RESULTADOS

Tabla No. 1 Procesos Físicos y Químicos durante la obtención del plomo Mezcla de PbO y PbS

Observaciones y evidencias experimentales

Posible Explicación (proceso metalúrgico que se realiza, si es el caso)

Aspecto inicial Al agregar arena Después de la molienda Después de agregar agua y aceite Después de filtrar Después de calentar Después de agregar carbón y calentar

GUÍA DE DISCUSIÓN Trabajando en equipo y consultando bibliografía: Reúnete con tus compañeros de equipo, compara tus resultados con el resto del grupo y contesta las siguientes preguntas. 1. Elabora un diagrama de flujo que ilustre la secuencia de reacciones químicas que se llevaron a cabo en la obtención del plomo. 2. ¿La muestra de plomo obtenida es una sustancia pura? Justifica tu respuesta. 3. ¿Qué otros métodos se utilizan para obtener metales, descríbelo en forma sencilla? 4. Identifica cuáles procesos metalúrgicos llevaste a cabo y descríbelos. 5. ¿Qué diferencia hay entre estos procesos y los que se realizan a nivel industrial? 6. ¿Qué otros metales se pueden obtener por reducción?, menciona al menos un ejemplo con su correspondiente procedimiento? 7. ¿Qué pruebas seleccionaste para identificar que el plomo es un metal. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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EL MUNDO DE LA QUÍMICA Y TÚ Relación Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente EL ACUMULADOR DE PLOMO Lo desarrolló por primera vez el físico francés G. Planté en 1859. es barato y fácil de fabricar. Los coches y los camiones utilizan baterías formadas por seis pilas conectadas en serie. Cada pila proporciona un voltaje de 2.0 volts, de modo que la batería proporciona un voltaje de 12 V. El ánodo es un emparrillado de una aleación de plomo, lleno de plomo esponjoso finamente dividido. El cátodo es un emparrillado de una aleación de plomo llena de óxido de plomo (IV), PbO2 el electrolito es una disolución de ácido sulfúrico (30%). Cuando el plomo se oxida, se forma sulfato de plomo insoluble, que queda adherido al ánodo (Pb). Cuando el PbO2 se reduce, se forma también sulfato de plomo, que queda en el cátodo. Las semirreacciones que se producen en los electrodos durante la descarga son: Ánodo:

Pb(s) + SO42-(ac) o PbSO4(s) + 2e-

Cátodo: PbO2(s) + 4H+(ac) + SO42- (ac) + 2e- o PbSO4 (s) + 2H2O(l) La reacción global es: Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(ac)

descarga carga

2PbSO4(s) + 2H2O(l)

Cuando la pila se descarga, se consume ácido sulfúrico y, por tanto, la concentración de la disolución de ácido sulfúrico disminuye. Este hecho nos proporciona un método fácil para determinar el estado de la carga de la batería, que consiste en medir la densidad del ácido con un densímetro, ya que la densidad de la disolución disminuye al disminuir la concentración.

PALABRAS CLAVE PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN MAPA CONCEPTUAL Para relacionar los conocimientos logrados a través de esta actividad, construye un mapa conceptual con los siguientes conceptos: Mezcla Sustancia pura Metal Compuesto Proceso metalúrgico Molienda Minera

Concentración Reducción Tostación Refinación Lixiviación Propiedades físicas Propiedades químicas

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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MANEJO Y DISPOSICIÓN DE LOS RESIDUOS GENERADOS Los desechos que se producen en la actividad experimental deben recolectarse en recipientes previamente etiquetados, para su posterior tratamiento.

Para desechar el aceite, hay que recolectarlo en un frasco etiquetado. Si el aceite es comestible puede desecharse directamente en el desagüe. i Para desechar los residuos formados de PbO, PbS y PbSO4 , almacenarlos para su confinamiento de acuerdo a las indicaciones del profesor.

Residuos

i Los derrames de plomo metálico deben recogerse y almacenarse en bolsas para su posterior tratamiento o para reutilizarse o reciclarlo.

ACORDEÓN No. 1 Entre las operaciones metalúrgicas que se conocen podemos diferenciar tres: a) Tratamiento preliminar, donde se desea concentrar algún componente de la mena, se excluyen impurezas y se prepara el mineral para su tratamiento posterior. b) Reducción, en el que el compuesto metálico se reduce para obtener el metal libre c) Refinado, donde el metal es purificado. En algunos casos, en esta fase se añaden ciertas sustancias para dar al metal propiedades específicas.

No. 2 Reacciones que ocurren en la obtención de plomo por los diferentes procesos metalúrgicos: a) Tostación del mineral galena (sulfuro de plomo) con aire: 2 PbS(s) + 3 O2(g) o 2 PbO(s) + 2 SO2(g) PbS(s) + 2 O2(g) o PbSO4(s)

b) Reducción: el óxido de plomo y el sulfato se vuelven a mezclar con la galena y se reducen con carbón en un horno en el que se producen las siguientes reacciones: Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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PbO(s) + C(s) o Pb(s) + CO(g) 2 PbO(s) + C(s) o 2 Pb(s) + CO2(g) PbO + CO o Pb + CO2

2 PbO(s) + PbS(s) o 3 Pb(s) + SO2(g) PbSO4(s) + PbS(s) o 2 Pb(s) + 2SO2(g) El Bórax sirve como fundente

No. 3. Otros procesos relacionados con la obtención de metales que el hombre ha inventado son: a) Amalgamación: es el procedimiento según el cual se recuperan el oro y la plata contenidos en un mineral molido, a partir de su aleación con el mercurio, para después separarla por sublimación. b) Electrólisis: es el proceso químico por efecto de una corriente eléctrica. c) Refinación: en metalurgia significa deshacerse de las impurezas de los materiales. d) Fundición: es el procedimiento donde los metales son fundidos. e) Cianuración: se aplica en la extracción del oro y la plata que se encuentran concentrados en diversos minerales, a través de soluciones de cianuro de sodio y/o de potasio, se disuelven la plata y el oro que se depositan sobre tiras de polvo de zinc metálico, que después se lavan y funden produciendo las hermosas barras Doré. f) Sedimentación: ésta hace referencia al material de roca que no se ha consolidado o que se encuentra fragmentado, tal material viene a ser transportado y depositado, de manera muy fina en capas o en las llamadas estratificaciones. g) Molienda: por ella debe entenderse el grado de trituración (tamaño de partícula) del mineral ya molido, se expresa en el porcentaje que pasa por determinadas mallas en términos de pulgadas cuadradas. h) Flotación: se basa en los principios de tensión superficial, coloidal y otros relacionados, para separar minerales de la ganga que los contiene, haciéndolos flotar en burbujas de aire hasta derramarlos como concentrados para su utilización posterior. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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No. 4. A través del siguiente diagrama, enseguida se muestra la obtención del plomo a partir de sus minerales, así como sus reacciones químicas principales1.

Galena PbS

tostación

PbO

en aire

calor

I-

Oxígeno o

Óxidos

aire

HNO3

PbO

PbI2

+ PbS o + CO

O2, ácido acético y CO2

S2Pb(NO3)2

Carbonato básico de Pb

PbS

ClPbCl2

SO42PbSO4

NaOH

Pb(OH)2

NaOH

Na2PbO2

Tomado de: Mosqueira, S., Introducción a la química y el ambiente, Publicaciones Cultural, México, 2004

No. 5. La capacidad de los metales en general para ser moldeados en diferentes formas permitió la elaboración de diversos recipientes de gran utilidad en la alimentación: ollas, platos, cucharas, etc., o la construcción de elementos de protección como las armaduras, escudos, cascos, etc., el descubrimiento de que el hierro podía mejorar muchas de sus propiedades al añadirle una cierta cantidad de carbón vegetal (acero), fue un gran avance en la utilización de los metales. A partir del siglo XVIII, la utilización creciente de la máquina de vapor y de los motores de explosión dio un gran impulso al desarrollo de la industria siderúrgica. No. 6. Los metales en general presentan propiedades muy peculiares que los han diferenciado desde siglos de las restantes sustancias, tales como: ser excelentes conductores del calor y la electricidad en estado sólido, ser fácilmente deformables (lo que permite trabajarlos y fabricar con ellos objetos de distintas formas). Por otra parte suelen presentarse como sólidos de dureza variable con muy diversos puntos de fusión y ebullición (el galio, por ejemplo funde a 29.78°C, mientras que otro metal, el tántalo, lo hace a casi 3,000°C)

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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No. 7. Actualmente hay metales que corren el peligro de agotarse como el platino, la plata, el oro, el estaño, el mercurio, el zinc, el plomo, el cobre y el wolframio (tungsteno). Por lo que hay que estar atento a la naturaleza y sus recursos no renovables. Es necesario refinar los metales inservibles para que vuelvan a ser utilizables. No. 8. Los principales usos del metal plomo y sus compuestos son: en baterías eléctricas, pigmentos, aleaciones, cerámica, plásticos, municiones, soldadura, cubiertas de cables, plomadas. Además su uso para atenuar ondas de sonido, radiación atómica y vibraciones mecánicas va en aumento. En estas últimas aplicaciones, se aprovecha la suavidad y densidad alta del plomo para formar aleaciones que son las que realmente se usan. A partir de él se sintetizan otros productos como el tetraetilo de plomo y otros derivados; en la protección por exposición a radiaciones y rayos X. . No. 9. El plomo en su forma elemental es un sólido blanco azulado que funde a 327.5°C, es un metal muy blando, maleable y dúctil. Reacciona lentamente con ácidos diluidos liberando hidrógeno. Con el oxígeno del aire forma un oxido de plomo que forma una capa en su superficie que lo protege de la corrosión. Es insoluble en agua pura, pero en agua potable que contiene oxígeno disuelto, se disuelve una cantidad apreciable de iones plomo.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Garritz, A., Chamizo, J.A. Química Terrestre, La Ciencia para todos. México, 1995. 2. Carrascosa Alis J., Martínez Torregrosa, J. Física y Química. Grupo Santillana de Ediciones. España, 2000. 3. Caamaño, A., Química. Bachillerato. Editorial Teide, Barcelona, España, 2000 4. Manual de Seguridad para los Laboratorios de la Facultad de Química. 1998. 5. Mosqueira, S., Introducción a la química y el ambiente, Publicaciones Cultural, México, 2004. 6. Navarro León Francis Química III Un enfoque experimental CCH Sur UNAM 1998. REFERENCIAS HEMEROGRÁFICAS 1. González E. Erika. El lenguaje de las rocas. Información científica y Tecnológica, Vol. 7 número 102, marzo de 1985.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 6 ¡TANTO TIENES, TANTO VALES!

Determinación de hierro (Fe) en una muestra de acero INTRODUCCIÓN El hierro después del aluminio, es el metal más abundante en la corteza terrestre, ocupa el cuarto lugar en abundancia, de la totalidad de los elementos y por la gran variedad de compuestos químicos en los que se le encuentra, presenta una gran aplicación en la industria pesada. acero En la naturaleza se le encuentra en forma de hematita en polvo (Fe2O3), magnetita (Fe3O4) o siderita (FeCO3), etc. A partir del año 1300 a.C, en Asia menor se desarrolló un procedimiento para extraer hierro de sus minerales. Sin embargo se requería una alta temperatura, y no todas las culturas disfrutaron de este avance por carecer de la técnica necesaria. Además el hierro obtenido era muy quebradizo y no fue sino hasta 900 a.C., cuando al mezclar carbón de leña con el mineral, se obtuvo el hierro endurecido; a este proceso que se conoce como “alto horno ”. Mineral, piedra Alto horno empleado para la caliza y coque reducción de mineral de hierro. CO, CO2, NO2 Advierta las temperaturas aproximadas en las diversas regiones del horno. 250o Tobera para suministro de aire caliente

600o 1000o

Boquilla de soplado de aire caliente (una de muchas)

1600o

Escoria Hierro fundido

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

Salida de hierro fundido

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Los aztecas utilizaron el hierro para elaborar sus cuchillos, el cual lo obtenían de los meteoritos que caían del cielo, de ahí que le asignaran un valor superior al oro. Durante el siglo XIX se descubrieron nuevos procedimientos para la fabricación de acero. Se emplearon metales desconocidos por los antiguos, como el cobalto, níquel, vanadio, niobio, tungsteno, los cuales proporcionan al acero más resistencia y otras propiedades sorprendentes. Gran parte de la producción de hierro se emplea para la fabricación de los aceros, que es una de sus principales aleaciones. El acero inoxidable que es una aleación de gran importancia está formado de acero al carbón con metales como cromo y níquel. Una aplicación muy útil de las reacciones redox es la valoración o determinación de la cantidad de una sustancia oxidante o reductora, ¡y en esta actividad, por éste método vas a determinar la cantidad de hierro contenida en una muestra de acero! El término redox se utiliza en química como abreviatura de los procesos de reducción y oxidación. Ambos procesos se producen simultáneamente. Las reacciones redox incluyen procesos como la combustión, la oxidación de los metales y la respiración. Inicialmente los químicos sólo consideraban como reacciones de oxidación las que se producían con el oxígeno, y como reacciones de reducción las que tenían lugar con el carbono o con el hidrógeno. Posteriormente, las ideas sobre las reacciones redox se ampliaron hasta incluir todos los procesos de transferencia de electrones. Dada la importancia que tiene el hierro, durante la siguiente actividad experimental determinaremos la cantidad de hierro en porciento contenida en una muestra de acero como ejemplo de una reacción redox.

OBJETIVOS

pirita

Comprender y describir el significado y composición de una aleación de hierro. Aplicar el método de valoración para conocer la cantidad de una sustancia oxidante o reductora Valorar la importancia que tiene la aplicación de reacciones redox en procesos relacionados con la vida diaria.

PROBLEMA A RESOLVER ¿Cuál es el % de hierro contenido en una muestra de acero?

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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ACTIVIDADES PREVIAS 1. Plantea un diagrama de flujo, con objeto de tener una guía del trabajo experimental 2. Lee cuidadosamente toda la práctica, revisa la información que tienen los acordeones y justifica la selección del método de valoración que utilizarás en la actividad experimental 3. Investiga la toxicidad de los compuestos que se utilizan en la práctica, y en función de ellos discute con el profesor la forma de desecharlos una vez terminado el experimento. DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIAL 3 matraces Erlenmeyer de 250 mL 1 vidrio de reloj 1 bureta de 25 mL 1 probeta de 50 mL 1 balanza digital 1 soporte universal 1 pinzas para bureta 1 parrilla eléctrica

SUSTANCIAS Disolución de permanganato de potasio 0.05M (KMnO4) Ácido sulfúrico 1:1 (H2SO4) Ácido fosfórico 1:1 (H3PO4) Agua destilada Muestra de acero en polvo

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PARTE I. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 1. Pesa en una balanza digital una muestra de 250 mg de acero. ¡PRECAUCIÓN! El ácido sulfúrico es muy corrosivo, reacciona vigorosamente con el agua. El contacto con los ojos puede causar conjuntivitis y/o pérdida de la vista. Si se inhala directamente, puede causar irritación de nariz, garganta y bronquitis. El contacto con la piel puede causar quemaduras. Corroe metales y tejidos, carboniza a la madera y a otras materias orgánicas.

acero en polvo

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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2. Coloca esta muestra en un matraz que contenga 25 mL de ácido sulfúrico 1:1 y 50 mL de agua destilada. 3. Calienta el contenido del matraz en una parrilla eléctrica, hasta que se disuelva la muestra sólida. Coloca un vidrio de reloj en la boca del matraz.

¡PRECAUCIÓN! El calentamiento debe hacerse bajo una campana de extracción de gases, los vapores de ácido sulfúrico son sumamente venenosos.

4. Deja enfriar la muestra y agrega lentamente, utilizando una pipeta, 10 mL de H3PO4 1:1 ¿Por qué se agrega ácido fosfórico? 5. Agita con cuidado hasta lograr una solución homogénea. 6. Diluye la disolución a 100 mL con agua destilada. PARTE II. TITULACIÓN DE LA MUESTRA 1. Lava una bureta con agua destilada y enjuágala con un pequeño volumen del reactivo titulante (disolución de permanganato de potasio). 2. Llena la bureta con la disolución de KMnO4, colócala en el soporte universal utilizando las pinzas para bureta, elimina las burbujas de aire y afora abriendo la llave.

¡PRECAUCIÓN! El permanganato de potasio es una sustancia muy corrosiva, puede causar irritación de nariz, tos, laringitis, dolor de cabeza náusea y vómito.

¿Para qué se deben eliminar las burbujas de aire de la bureta? 3. Mide 25 mL de la muestra problema y colócalo en un matraz Erlenmeyer. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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4. Titula la muestra agregando gota a gota la disolución de permanganato de potasio, tratando de mantener el matraz en agitación constante, hasta la aparición de un color rosa estable.

5. Repite la titulación dos veces más para tener una mayor certeza en los resultados.

6. Completa la información que se solicita en la Tabla No. 1 Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS EVIDENCIAS EXPERIMENTALES

Tabla No.1 TITULACIÓN (O VALORACIÓN) REDOX DEUNA DISOLUCIÓN DE ACERO EN MEDIO ÁCIDO m mineral de hierro = _______ g

masa del mineral de hierro (acero)

2. 3.

Peso molecular M del Hierro (Fe) Volumen total de disolución que contiene iones hierro (Fe2+) en medio ácido Volumen de la muestra problema (acero) a titular, que contiene 2+ iones hierro (Fe ), sustancia oxidante o reductora o solución a titular Concentración de la sustancia reductora u oxidante o solución titulante (KMnO4) Volumen de la sustancia reductora u oxidante (KMnO4) o reactivo titulante consumido al llegar al punto de equivalencia

P M Fe = 55.8 g VFe2+(ac) = 100mL

Número de moles de MnO4- consumidos al llegar al punto de equivalencia (o punto final de la titulación)

n(MnO4- = VKMnO4 X c = ________ mol MnO4-

Número de moles de Fe2+ al llegar al punto de equivalencia (o punto nFe2+ = n(MnO4- x 5mol Fe2+) final) de la titulación

4. 5. 6.

Vmuestra problema = 25 mL c = 0.02 M (mol/L) VKMnO4

= ____ mL

= ______ L

consumido

1 mol MnO4-

_____ = mol Fe2+ masa de iones hierro (Fe2+) disuelta en 100 mL de la disolucióin del mineral de hierro (acero) 10. % Fe contenido en la muestra de acero 9.

mFe2+(ac) = nFe2+ x P M Fe =____ g %Fe = mFe2+(ac) / m mineral de hierro x 100 = ______%

Tabla No. 2 PROPIEDADES, REACCIONES QUÍMICAS Y CANTIDAD DE Fe CONTENIDA EN LA MUESTRA DE ACERO. Propiedades físicas del acero: color, apariencia, brillo, dureza, etc.

Datos, observaciones y resultados después de cada titulación.

Cantidad de Fe contenida en la muestra de acero,

Reacciones químicas que se llevan a cabo:

consulta el acordeón

a) acero + H2SO4 + H2O o b) acero + H3PO4 o c) acero + KMnO4 o

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GUÍA DE DISCUSIÓN Trabajando en equipo y consultando bibliografía: Reúnete con tus compañeros de equipo, compara tus resultados con el resto del grupo y contesta las siguientes preguntas: 1. ¿Qué dificultades tuviste al hacer la disolución de la muestra de acero? 2. ¿Cómo se determinó el punto final de la titulación redox? 3. ¿Por qué no titulamos toda la muestra, en vez de tomar partes de ella? 4. ¿Los porcentajes de Fe obtenidos serían diferentes en las muestras de acero ? 5. Si quisiéramos determinar el % de Fe en un mineral de hierro, ¿qué cambios habría que realizar?

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EL MUNDO DE LA QUÍMICA Y TÚ Relación Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente

COMPOSICION, APLICACIONES Y USOS DEL ACERO El acero es una aleación de hierro y carbono que contiene otros elementos, los cuales le confieren propiedades mecánicas especificas para su utilización en la industria metalmecánica. En su composición la cantidad de carbono varía entre el 0,03 al 2,00%, mientras que el contenido de hierro varía entre el 1,5 y el 4%.

Barras de hormigón

Aunque el Carbono es el elemento básico a añadir al Hierro, los otros elementos, según su porcentaje, ofrecen características específicas para determinadas aplicaciones, como herramientas, cuchillas, soportes, etc. La diferencia fundamental entre ambos es que los aceros son, por su ductilidad, fácilmente deformables en caliente bien por forja, laminación y extrusión, mientras que las fundiciones se fabrican generalmente por moldeo. Además de los componentes principales indicados, los aceros incorporan otros elementos químicos, algunos perjudiciales, provenientes de la chatarra, el mineral o el combustible empleado en el proceso de fabricación, como el azufre y el fósforo, mientras que otros se añaden intencionalmente para la mejora de alguna de las características del acero, bien para incrementar la resistencia, ductilidad, dureza, etc. o para facilitar algún proceso de fabricación como puede ser el mecanizado; tal es el caso de los elementos de aleación como el níquel, el cromo, el molibdeno, etc.

Alambrón

El acero es actualmente la más importante aleación mecánica empleándose de forma intensiva en numerosas aplicaciones como bienes de equipo (máquina-herramienta), construcción, etc., sin embargo, su utilización se ve condicionada en determinadas aplicaciones por las ventajas técnicas que ofrecen otros materiales como el aluminio en el transporte por su mayor ligereza y en la construcción por su mayor resistencia a la corrosión, el hormigón (aunque combinado con el acero) por su mayor resistencia al fuego, los materiales cerámicos en aplicaciones a altas temperaturas, etc. Aún así sigue hoy día empleándose por su neta superioridad frente al resto de las aleaciones si se considera el factor precio, ya que: Existen numerosos yacimientos de minerales de hierro suficientemente ricos, puros y fáciles de explotar, además de la posibilidad de reciclar la chatarra. Los procedimientos de fabricación son relativamente simples y económicos. Presentan una interesante combinación de propiedades mecánicas que pueden modificarse dentro de un amplio rango variando los componentes de la aleación y sus cantidades, o mediante la aplicación de tratamientos. Su plasticidad permite obtener piezas de formas con relativa facilidad. La experiencia acumulada en su utilización permite realizar predicciones de su comportamiento, reduciendo costes de diseño y plazos de puesta en el mercado

ZincAlum en planchas o rollos

Tal es la importancia industrial de este material que su metalurgia recibe la denominación especial de siderurgia, y su influencia en el devenir histórico de la humanidad queda reflejada en el hecho de que una de las edades de hombre recibiera la denominación de edad de hierro, aquélla que comenzó hacia el año 3500 a C, y que aún perdura.

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MANEJO Y DISPOSICION DE LOS RESIDUOS GENERADOS Los desechos que se producen en la actividad experimental deben recolectarse en recipientes previamente etiquetados, para su posterior tratamiento. i Recomendaciones para el desecho de ácido sulfúrico: para pequeñas cantidades, agregarlo lentamente con agitación a agua helada y ajustar Residuos el pH a neutro con CaO, CaCO3 o NaHCO3. Durante su neutralización se desprende calor y vapores, por lo que debe hacerse lentamente y en un lugar adecuadamente ventilado. La disolución acuosa, ya neutralizada puede tirarse al drenaje diluyéndola con agua. i Desecho de permanganato de potasio (KMnO4): agregar disoluciones diluidas de bisulfito de sodio, tiocianato de sodio, sales ferrosas. Transferir la mezcla a un contenedor y neutralizar con carbonato de sodio, el sólido resultante (MnO2), debe filtrarse y confinarse adecuadamente, para su uso posterior. ACORDEÓN No.1 En toda reacción redox se produce una variación de los números de oxidación de algunos de los átomos de los elementos que intervienen. No. 2 Una titulación o valoración redox es una técnica para determinar la cantidad de una sustancia oxidante (o reductora), utilizando una solución de una sustancia reductora (u oxidante) de una concentración determinada (reactivo titulante). No.3 Una aplicación de las reacciones redox es la valoración o determinación de la cantidad de una sustancia oxidante o reductora. Por ejemplo al hacer la valoración de una muestra de disolución que contiene iones hierro, Fe2*, en medio ácido, con una disolución que contiene iones permanganato, MnO4-, la reacción iónica que se produce es la siguiente: MnO4- + 8H+ + 5Fe2+ o

5 Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

La disolución de permanganato de color púrpura y concentración conocida, se coloca en la bureta. La muestra de la sal de hierro (II), a la que se ha añadido ácido sulfúrico, se coloca en el matraz Erlenmeyer. Cuando se dejan caer los primeros mL de MnO42+ (ac), hay un gran exceso de Fe (ac), el ion permanganato se consume totalmente y su color púrpura desaparece. Al final se consume todo el ion Fe2+(ac) La adición de una gota más del agente oxidante produce un color rosado que persiste a causa de que el KMnO4 añadido ya no puede reaccionar. Así, en esta reacción, la misma solución valorativa actúa como indicador del punto final de la titulación. Sin embargo en la mayoría de los casos hay que añadir un indicador (sustancia que se combina con el exceso de sustancia valorada) para producir una sustancia de color visible o para formar una sustancia insoluble que precipita independientemente de cómo se detecte el punto final, el objetivo de la valoración o titulación redox, igual que en las titulaciones ácido-base, es añadir la cantidad necesaria de reactivo titulante para consumir exactamente la cantidad de sustancia que se valora. No. 4 El ácido fosfórico que se agrega a la disolución de acero-acido sulfúrico-agua es para eliminar la coloración amarilla que se produce al formarse el ion Fe3+, que impediría observar el punto final de la reacción. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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No. 5 Un ejemplo: Si disolvemos en รกcido sulfรบrico 0.382 g de un mineral de hierro y obtenemos una disoluciรณn de Fe2+ que se diluye hasta 100 mL. Tomamos 25 mL de esta disoluciรณn y los titulamos con una disoluciรณn de permanganato de potasio 0.02 M (mol/L), se llega al punto final cuando se han consumido 6.90 mL de esta disoluciรณn. Calcula el porcentaje de hierro de este mineral: Sustituyendo los valores correspondientes, los cรกlculos son los siguientes: n MnO4-(ac) = VMnO4-(ac) x c = (6.9 x 10-3 L) x (0.02 mol/L) = 1.38 x 10-4 mol MnO4En el punto de equivalencia o punto final de la titulaciรณn:

n MnO4-(ac)

= n Fe2+(ac)

Pero de acuerdo a la reacciรณn iรณnica en la estequiometrรญa (Ver Acordeรณn 3)

nFe2

5 mol Fe 2 = (1.38 x 10 mol MnO4 ) x = 6.9 x 10-4 mol Fe2+ 1 mol MnO 4 -4

Esta cantidad de Fe2+ se encuentra disuelta en los 25 mL de la disoluciรณn que hemos tomado para valorarla. En los 100 mL de la disoluciรณn en que se ha disuelto toda la muestra del mineral habrรก: nFe2+ = (6.9 x 10-4 mol Fe2+) x (100 mL / 25 mL) = 27.6 x 10-4 mol mFe2+ = n x PM = (27.6 x 10-4 mol Fe2+ ) x (55.8 g / mol Fe2+) = 0.154 g % (Fe) = mFe2+ / masa mineral de hierro (acero) x 100

% (Fe) = (0.154 g / 0.382 g) x 100 = 40.3%

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa Marรญa Gonzรกlez M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansรณn O., Susana Lira de G.

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No. 6. El hierro que sale del alto horno contiene un 4% de carbón, producto del proceso de reducción con carbón a altas temperaturas en un alto horno. Los mejores aceros son aquellos que poseen entre 0.15 y 0.85% de carbón, por lo que el hierro obtenido en un alto horno debe recibir un tratamiento posterior (refinado) por medio del cual se reduce el contenido de carbón al quemarlo en presencia de oxígeno. Adicionando al hierro otros metales como níquel, cromo o cobalto, se obtiene una aleación muy resistente a la corrosión, llamada acero inoxidable.

Composición del acero inoxidable Cr 18% Ni 8% Fe 74% REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Garritz, A., Chamizo, J.A. Química, Addison-Wesley Iberoamericana, México, 1994. 2. A. Caamaño, D. Obach .Ciencias de la Naturaleza y la Salud.,Teide Barcelona, 2000. 3. Manual de Seguridad, para los laboratorios de la Facultad de Química. Facultad de Química, 1998. 4. Navarro León Francis Química III Un enfoque experimental CCH Sur UNAM 1998.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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UNIDAD TEMÁTICA: FERTILIZANTES: PRODUCTOS QUÍMICOS ESTRATÉGICOS

QUÍMICA VERDE MICROESCALA

2007 Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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AYUDANDO A LA NATURALEZA INTRODUCCIÓN “En la actualidad la clave está en poner a la gente primero y al medio ambiente después, pero también en recordar que cuando se agotan los recursos se están destruyendo personas”. (Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo, 2002). Cultivar vegetales para alimentarse ha sido, durante mucho tiempo, una de las principales actividades humanas. Por otra parte, el rápido aumento de la población mundial (se espera que a mediados de siglo la población se estabilice en los 11 mil millones) conlleva la necesidad de proporcionar suficientes alimentos sin destruir nuestro medio ambiente. A medida que la población crece, se intensifica la lucha por ganar espacio a costa de las áreas agrícolas destinadas a la producción. La degradación de las tierras cultivables expulsa a la gente hacia las ciudades, donde el hacinamiento y la contaminación son caldos de cultivo ideales para las enfermedades. Resolver este problema es difícil, en gran medida por el áspero debate sobre la manera en que debe hacerse. Los defensores de la biotecnología dicen que la solución es modificar genéticamente los granos para mejorar su crecimiento y contenido vitamínico. A los ambientalistas les preocupa que estos genes puedan causar engendros del tipo Frankenstein. Sin embargo, ambos bandos podrían hacer contribuciones muy útiles. ¿Cómo se puede aumentar la producción de alimentos respetando lo que queda de bosques y tierras vírgenes en el mundo? De momento, mediante el uso más eficiente de los campos cultivables actuales, mejorando las variedades y técnicas agrícolas, aplicando la rotación de cultivos y racionalizando el uso de fertilizantes y pesticidas. Con respecto a los fertilizantes inorgánicos, nuestro tema de interés en este caso, se diseñan para que contengan diferentes proporciones de nutrientes, lo que permite a los campesinos aplicar las cantidades necesarias que requieren para cada cultivo. Al utilizarlos en forma adecuada, suplen las carencias de nutrientes del suelo, de manera que pueden elevar el rendimiento de las cosechas sin dañar el medio ambiente. A continuación, y con el fin de familiarizarte con la obtención, propiedades y usos de los fertilizantes, llevarás a cabo las siguientes actividades experimentales: La fuente de la vida Obtención, propiedades y reacciones químicas del amoniaco: una sustancia fundamental para la producción de fertilizantes. El gas esquivo Obtención del nitrógeno y determinación de algunas de sus propiedades ¿Qué tanto rinde? Determinación semicuantitativa de fosfatos en un fertilizante. De ida y vuelta El equilibrio entre el amoniaco acuoso y el amoniaco gaseoso Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 7 LA FUENTE DE LA VIDA Obtención, propiedades y reacciones químicas del amoniaco: una sustancia fundamental para la producción de fertilizantes. INTRODUCCIÓN El amoniaco es un gas incoloro, de olor penetrante y muy soluble en agua, su fórmula es NH3. Es muy probable que hayas percibido el olor del amoniaco en los líquidos limpiadores que venden en el comercio. En el siglo XIX se utilizaron las sales de amonio, por su poder penetrante, para “volver en sí ” a la persona que sufría un desmayo (lo habrás visto en las películas viejas), ya que el amoniaco, en forma pura, es peligroso. Hoy día, la producción de amoniaco ocupa el primer lugar en la industria mundial, y su principal uso es en la fabricación de fertilizantes. También se utiliza como materia prima en la fabricación de plásticos, tintes para el cabello y ácido nítrico, preferentemente.

OBJETIVOS Obtener el amoniaco en el laboratorio. Identificar al amoníaco por medio de sus propiedades y algunas reacciones características. Observar la solubilidad del amoniaco en el agua. Valorar al amoniaco (NH3 (g)) como compuesto básico para la producción de los fertilizantes nitrogenados.

PROBLEMAS A RESOLVER Mediante un dispositivo “generador de gases ” obtener el amoníaco. Basándose en sus propiedades, llevar a cabo reacciones que permitan comprobar que se obtuvo este gas.

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ACTIVIDADES PREVIAS 1. Plantea un diagrama de flujo que incluya los pasos a seguir, en forma condensada, con objeto de tener una guía del trabajo que vas a realizar. 2. Lee cuidadosamente toda la práctica y anota las ecuaciones que corresponden a los cambios que ocurran durante los experimentos. 3. Investiga la toxicidad de los compuestos que se utilizan en esta práctica y, en función de ello, discute con el profesor la forma de desecharlos una vez terminado el experimento. DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIALES 2 matraces de bola de 25 mL 2 tapones de hule 1 tubo de ensayo pequeño 2 tubos de vidrio (longitud 10 cm aprox.) 1 vaso de precipitados de 50 mL 1 agitador de vidrio 1 soporte pequeño 1 parrilla de calentamiento 1 aro de metal de 5 cm de diámetro 1 pinza de tres dedos 1 triángulo de porcelana 1 balanza digital

SUSTANCIAS Cloruro de amonio [NH4Cl] sólido Hidróxido de calcio [Ca(OH)2] sólido Agua destilada Fenolftaleina disolución al 0.1% en mezcla al 50% alcohol-agua Ácido clorhídrico (HCl) concentrado Papel tornasol Reactivo de Nessler *

* Reactivo de Nessler: 3.5g de yoduro de potasio (KI), 1.3g de cloruro mercúrico (HgCl2), 30 mL sosa (NaOH) 10 M y 70 mL de agua destilada.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Pesa 0.5 g de cloruro de amonio (NH4Cl) y 0.6 g de hidróxido de calcio Ca(OH)2 2. En un matraz Erlenmeyer de 25 mL mezcla perfectamente las dos sustancias con ayuda de un agitador. 3. Monta el aparato que se muestra en la Figura No. 1 4. Calienta lentamente el matraz que contiene la mezcla y recibe el gas amoníaco en un segundo matraz invertido y conectado al tubo de desprendimiento. 5. Observa el gas obtenido y registra la información en la Tabla No. 1.

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Figura No. 1 Equipo para la obtención de amoníaco

IDENTIFICACIÓN, PROPIEDADES Y REACCIONES DEL AMONIACO Nota: Es necesario tomar nota que las instrucciones 1 y 6 explicadas a continuación, se deben realizar simultáneamente por varios integrantes del equipo de trabajo. 1. Cuando el matraz esté lleno de gas amoniaco, quita el tapón con el tubo de desprendimiento y rápidamente tápalo con un tapón de hule que tiene insertado un tubo de vidrio de 10 cm. 2. Introduce este matraz boca abajo, dentro del vaso de precipitados que contiene 40 mL de agua y 5 gotas de fenolftaleína, como se muestra en la Figura 2. Coloca un trozo de franela mojada con agua fría o unos dos pequeños trozos de hielo con el fin de favorecer el cambio de presión y temperatura y, se logre un buen “sifoneo ”

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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3. Presiona lentamente el matraz hacia abajo varias veces hasta que el agua brote por sí sola dentro del matraz a través del tubo de vidrio, ¡a esto se le conoce como sifoneo!. Este experimento se conoce como la “fuente del amoníaco”. 4. Observa y registra la información en el cuadro de evidencias experimentales ¿Cuál es la reacción que se lleva a cabo? Escríbela correctamente balanceada. 5. Coloca en un tubo de ensayo pequeño, 1 mL de reactivo de Nessler. Introduce el tubo por el que se desprende el amoníaco, permite su burbujeo un momento y registra las observaciones. 6. Acerca un agitador de vidrio impregnado con HCl concentrado al tubo por donde se desprende el amoníaco y registra las observaciones en el cuadro correspondiente. ¿Qué compuesto se formó? Escribe la reacción correctamente balanceada. 7. Aproxima una tira de papel tornasol rojo al tubo de desprendimiento, por donde sale el amoníaco, registra la observación en el cuadro correspondiente. ¿Qué compuesto se formó? Escribe la reacción correctamente balanceada.

Figura No. 2

Equipo para lograr una “fuente de amoníaco” Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS Y EVIDENCIAS EXPERIMENTALES. Tabla 1. Propiedades y reacciones del amoniaco. Amoníaco

Propiedades y reacciones

Estado físico Color y olor Cambio observado con la fenolftaleína Carácter ácido o básico Reacción entre el amoniaco y el ácido clorhídrico Reacción con reactivo de Nessler Cambio en el papel tornasol

GUÍA DE DISCUSIÓN. Consulta el Acordeón. 1.

¿Cuáles son las principales propiedades del gas amoniaco y qué grado de acidez presenta?

¿Cuál es la ecuación química que representa la reacción de obtención del cloruro de amonio?

¿Cuáles son los principales fertilizantes y productos químicos industrialmente valiosos que, para su producción, utilizan como materia básica al nitrógeno (N2)?

Investiga la reacción entre el amoniaco y el dióxido de carbono para producir urea.

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¿Cuáles son las propiedades físicas y químicas del amoniaco y cuáles son sus principales aplicaciones?

Escribe la ecuación química de la reacción que se efectúa entre el cloruro de amonio (NH4Cl(ac)) con el hidróxido de sodio (NaOH(ac)) para formar amoniaco más agua y cloruro de sodio (NaCl).

Describe cuáles fueron los retos que enfrentaron Haber y Bosch para lograr la obtención del amoniaco.

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EL AMONIACO, GANADOR DE DOS PREMIOS NOBEL El amoniaco se sintetiza directamente a partir del hidrógeno y el amoniaco: N2

(g)

+ 3 H 2(g) ļ 2 NH3 (g)

Desafortunadamente la reacción es extremadamente lenta a la temperatura ambiente, por lo que el proceso se debe llevar acabo a alta presión (250 atm) y a una temperatura de 500 °C, en presencia de un catalizador. Esto se conoce como Proceso Haber – Bosch. Para los químicos e ingenieros químicos es importante obtener el máximo rendimiento con el mínimo aporte de reactivos y el mínimo consumo de energía libre, es decir, deben considerar la eficiencia termodinámica y la velocidad de reacción. El químico alemán Fritz Haber obtuvo el Premio Nobel en 1918, porque sus estudios de esta reacción mostraron la forma de determinar las condiciones óptimas para su realización. No obstante, la decisión de entregarle tan importante distinción fue muy criticada debido al papel que Haber desempeñó en la Primera Guerra Mundial, al supervisar el uso, por primera vez, del cloro en el campo de batalla. Su esposa le suplicó que abandonara sus investigaciones en esa área, y como se negó, ella se suicidó. El ingeniero alemán Carl Bosch recibió el Premio Nobel en 1931, por diseñar el equipo que soportara las altas presiones y temperaturas necesarias para obtener el amoniaco a escala industrial. La literatura registra que Bosch realizó 6500 experimentos para encontrar el mejor catalizador para esta reacción.

Separar en el esquema e H2

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PALABRAS CLAVE PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN MAPA CONCEPTUAL Para relacionar los conocimientos logrados a través de esta actividad, identifica e investiga el significado de todos los conceptos químicos involucrados durante la actividad experimental y construye el mapa conceptual correspondiente. MANEJO Y DISPOSICIÓN DE LOS RESIDUOS GENERADOS Los desechos generados en la práctica se pueden enviar al drenaje con la seguridad de que servirán de nutrientes al suelo. ACORDEÓN No. 1 En cantidades pequeñas, se obtiene amoníaco en el laboratorio por calentamiento de la solución de una sal de amonio con una base fuerte, por ejemplo NaOH o Ca(OH)2 . calor 2NH4Cl(ac) + Ca(OH)2(ac) 2 NH3(g) + 2 H2O(l) + CaCl2(ac) No. 2 Cuando se calienta una muestra que contiene al ion amonio (NH4+) en medio alcalino, se provoca el desprendimiento de amoníaco que, en contacto con el reactivo de Nessler, da color o precipitado anaranjado. La formación del compuesto naranja se debe a la acción del amoníaco sobre el HgI42-. REFERENCIAS BILBLIOGRÁFICAS 1. Carrillo Ch. Myrna y col., Microescala Química General Manual de

Laboratorio, Fac. Química, México, 1998, Págs. 75-82. 2. Charlot G. Análisis cualitativo rápido de cationes y aniones. Ed. Alambra 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

S.A. 3a Ed. Madrid, 1982 pág 44 De la Granja, Alonso Manuel. Temas de Química, Ed. Alhambra S.A., Madrid, 1969 pág 267. Ebbing D. Química General , Ed. Mc Graw Hill, México 1997 pág 240, 947948 Garritz A., Chamizo J.A. Química. Ed. Addison-Wesley Iberoamericana, USA, 1994 Navarro León Francis Química III Un Enfoque Experimental CCH Sur UNAM año 2000 Sienko M.J. & Plane R.A., Química, Ed. Aguilar, España, 7ª Ed. 1967. pág. 512, 936 Szafran Z., Pike M.R., Foster C.F., Microscale General Chemistry Laboratory, Ed. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1993 págs. 67-75 Whitten K., Davis R., Peck L. Química General, 5a Ed. Mc Graw Hill, España, 1999.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 8 EL GAS ESQUIVO Obtención del nitrógeno y determinación de algunas de sus propiedades.

INTRODUCCIÓN El nitrógeno se encuentra en la naturaleza como un gas incoloro e inodoro, que forma el 78% del aire atmosférico. También se halla en el suelo formando parte de minerales como, por ejemplo, el nitrato de sodio (NaNO3). El nitrógeno (N2) es vital para la vida, ya que forma parte de las proteínas de todas las células vivas: las plantas obtienen el nitrógeno del suelo, los animales de las plantas con que se alimentan o de otros animales; cuando los animales mueren, sus cuerpos se descomponen y regresan el nitrógeno al suelo. Como ves, un ciclo constante rodea nuestras vidas. El nitrógeno difícilmente reacciona, por lo que se utiliza para aislar los efectos indeseados del oxígeno. Las bolsas de papas fritas se llenan con nitrógeno para “excluir ” el oxígeno de las mismas y evitar que éste reaccione con el aceite de las papas y eche a perder su sabor. Sin embargo, también el nitrógeno forma varios compuestos con el oxígeno, entre ellos los gases que desprenden los escapes de los coches (óxidos de nitrógeno) y contaminan el ambiente. Por ello se usan los convertidores catalíticos en los automóviles, ya que reducen las emisiones de óxidos de nitrógeno. OBJETIVOS Obtener el gas nitrógeno en el laboratorio. Comprender el papel que juega el nitrógeno gaseoso en el suelo. Valorar la importancia de la solubilidad del nitrógeno en el suelo, para el desarrollo y crecimiento de las plantas. PROBLEMAS A RESOLVER Obtener el gas nitrógeno mediante un dispositivo “generador de gases ”. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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Con base en sus propiedades, llevar a cabo las reacciones que permitan comprobar que se obtuvo este gas. ACTIVIDADES PREVIAS 1. Plantea un diagrama de flujo que incluya los pasos a seguir, en forma condensada, con objeto de tener una guía del trabajo que vas a realizar. 2. Lee cuidadosamente toda la práctica y anota las ecuaciones que corresponden a los cambios que ocurran durante los experimentos. 3. Investiga la toxicidad de los compuestos que se utilizan en esta práctica y, en función de ello, discute con el profesor la forma de desecharlos una vez terminado el experimento. DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIALES 6 tubos de ensayo de 13 x 100 mm 1 jeringa de 2 mL* 6 tapones de hule del No. 00 1 cristalizador de 20 cm x 20 cm x 10 cm de altura* o un recipiente de plástico con esas medidas aproximadamente 1 soporte universal 1 anillo de hierro 1 manguera de hule del No. 00 1 manguera de Tygon o de hule de 6 mm de diámetro* 1 tubo de vidrio de 6 mm* 1 pinza de tres dedos 1 pinza para tubo de ensayo 1 mechero 1 vaso de precipitados de 100 mL

SUSTANCIAS Solución saturada de cloruro de amonio (NH4Cl) Solución saturada de nitrito de sodio (NaNO2)

* Ver Figuras 1 y 2

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Arma el dispositivo “generador de gases ” que se muestra en la Figura No. 1. Coloca 1 mL de solución saturada de NH4Cl (cloruro de amonio) en el tubo generador de gases.

Jeringa Tubo de vidrio Tapón de hule

Tubo de ensayo de 13 x 100 mm

Figura No. 1 Generador de gases 2. Con la ayuda de la jeringa, toma 1 mL de solución de nitrito de sodio (NaNO2)

saturada. Inserta la aguja firmemente en el tapón de hule y completa el montaje del equipo que se muestra en la Figura No. 2 Tubo de ensayo invertido Pinza de bureta H2O

Generador de gas

Soporte universal Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Figura No. 2. Equipo completo para la generación de gases Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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3. Llena con agua un tubo de ensayo, tápalo con el dedo pulgar, inviértelo y

colócalo en el vaso de precipitados con agua, como se observa en la Figura No. 2. (Ten cuidado de que no queden burbujas adentro del tubo). 4. Añade lentamente la cantidad de NaNO2 saturado, presionando el émbolo de

la jeringa.

5. Coloca el tubo generador de gases en un vaso de precipitados de 100

mL que contenga aproximadamente 65 mL de agua. Calienta el agua hasta cerca de la ebullición.(Consulta el Acordeón) 6. Deja que el gas que se genera fluya desde el tubo de ensayo hacia la

manguera de Tygon o de hule para que finalmente se deposite en el tubo de ensayo invertido. (Figura No. 2) Antes de recolectar el gas se aconseja permitir que el gas fluya a través del equipo por algunos segundos. ¿Por qué se da esta instrucción? 7. Cuando el tubo “recolector ” esté lleno de gas nitrógeno, déjalo sumergido

dentro del recipiente de plástico o vidrio con agua. (Llena varios tubos con el gas nitrógeno obtenido). 8. Mantén los tubos sumergidos en el agua, tápalos con tapones de hule y

sácalos del recipiente. No importa que entre un poco de agua a los tubos. 9. La reacción de generación del nitrógeno puedes detenerla en cualquier

momento, simplemente retirando el baño de agua caliente. 10. ¡ATENCIÓN! Conserva los tubos llenos de nitrógeno para los experimentos

de identificación. 11. Desmonta el equipo. 12. Lava perfectamente el tubo “generador de gases ”.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL NITRÓGENO (N2)

COLOR Y OLOR

Observa el gas nitrógeno contenido en uno de los tubos de ensayo y registra en el cuadro de evidencias experimentales su color y olor.

SOLUBILIDAD EN AGUA 1. Toma un segundo tubo que contiene nitrógeno, el cual se encuentra tapado con un tapón de hule, y sumérgelo horizontalmente en un recipiente que contenga agua. Una vez dentro del agua, destapa el tubo de ensayo. 2. Observa y registra en el cuadro de evidencias experimentales si el gas es soluble en agua. (Tabla 1)

REACCIÓN DE COMBUSTIÓN DEL NITRÓGENO 1.

Quita el tapón de un tercer tubo de ensayo que contiene nitrógeno e introduce rápidamente una pajilla encendida.

Introduce, utilizando las pinzas para tubo de ensayo, una cinta de magnesio encendida, dentro del cuarto tubo de ensayo que contiene nitrógeno.

Observa y registra la información en la Tabla No. 1

REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS Y EVIDENCIAS EXPERIMENTALES Tabla No. 1 PROPIEDADES DEL NITRÓGENO (N2) Color

Elemento obtenido Nitrógeno (N2)

Olor

¿Es soluble en agua?

¿Facilita la combustión del cerillo?

¿Facilita la combustión del magnesio?

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GUÍA DE DISCUSIÓN. Para dar respuesta a las siguientes preguntas, consulta el Acordeón y observa la siguiente Tabla Periódica.

En la versión en blanco y negro no se distinquen los diferentes tipos de elementos todos se ven en gris

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1. ¿Qué es el nitrógeno? ¿Cuáles son sus propiedades físicas, químicas y periódicas? 2. ¿Cuáles son las tres principales formas en las que se encuentra el nitrógeno (N2)? 3. ¿Por qué el nitrógeno es altamente soluble en las sales acuosas contenidas en el suelo? 4. ¿Cuál es la cantidad de nitrógeno gaseoso que se encuentra en la atmósfera? 5. ¿A qué se le llama proceso de fijación biológica del nitrógeno? 6. ¿Cuál es el papel del nitrógeno en la síntesis de aminoácidos? 7. ¿Cuáles son las principales proteínas que se forman en las plantas gracias a los nitratos que contiene el suelo? 8. Algunos compuestos que son imprescindibles para la vida, y en los que se encuentra el nitrógeno, son: las proteínas, las enzimas, los ácidos nucleicos, las vitaminas y las hormonas. Investiga las propiedades físicas y químicas y la función de estos grupos en el organismo humano. 9. El nitrógeno y el oxígeno se combinan en diferentes proporciones para formar los siguientes compuestos: NO2, N2O3, N2O4, N2O5, N2O6 Considerando la masa del nitrógeno como 14 uma y la del oxígeno como 16 uma, realiza los cálculos necesarios y escribe la respuesta correcta a las siguientes preguntas: a. la relación numérica que expresa la proporción en peso del N:O b. el porciento (%) en peso de cada elemento en cada uno de los compuestos c. el elemento que mantiene constante su proporción en peso d. el elemento que varía su proporción en peso 10. En un esquema de la Tabla Periódica localiza al nitrógeno y anota su símbolo, número atómico, masa atómica, configuración electrónica, número de electrones, número de protones, número de neutrones, valencia, estados de oxidación, electronegatividad y tipo de enlace que presenta al unirse a otros elementos.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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EL CICLO DEL NITRÓGENO Aunque en la atmósfera existen grandes cantidades de nitrógeno elemental, éste no es asimilable. Para lograr que este nitrógeno sea biológica y químicamente útil, se necesita combinarlo con otros elementos. Este proceso de combinación se conoce como fijación del nitrógeno. Cierta parte se fija mediante procesos naturales, pero para que se obtengan volúmenes suficientes de fertilizantes con el contenido de nitrógeno adecuado es necesario fijar industrialmente grandes cantidades de nitrógeno. Esto se logra mediante el proceso de fabricación de amoniaco de Haber-Bosch. Con respecto a los microorganismos responsables de la fijación del nitrógeno son las bacterias y algas que poseen una enzima llamada nitrogenasa, que contiene hierro y molibdeno, y que puede llevar a cabo la ruptura del triple enlace del nitrógeno (NŁN). Algunas de estas bacterias se asocian, por simbiosis, a plantas como las leguminosas (habas, alfalfa, chícharo, frijol, cacahuate) y crecen en los nódulos de sus raíces, logrando que el nitrógeno quede fijado en el suelo en forma de iones y compuestos (NH3, NO3-, NO2- ). Ésta es la razón por la que se recomienda la rotación de los cultivos: un año se siembra maíz y, al siguiente, se cambia a frijol, para que las bacterias del frijol repongan el nitrógeno utilizado por el maíz. La capacidad de la nitrogenasa para catalizar esta conversión, llamada fijación del nitrógeno, a temperaturas y presiones habituales con muy alta eficacia es, para los científicos, maravilla. Para producir amoniaco a partir de nitrógeno e hidrógeno (Proceso Haber-Bosch) hay que rec a condiciones muy extremas y costosas como leíste en la actividad anterior. El ciclo del nitrógeno involucra a un gran número de organismos y una variedad de rutas. No se trata de un solo ciclo; es un grupo de ciclos interactuando todos, el uno con el otro. Comenta con tu profesor de biología este interesante tema. 1. Los rayos hacen que el nitrógeno y el oxígeno se combinen y formen la lluvia ácida. 2. Las bacterias nitrificantes convierten el nitrógeno a nitratos 3. Nitratos en el suelo 4. Las raíces de las plantas toman los nitratos del suelo 5. Las bacterias nitrificantes del suelo convierten los nitritos a nitratos 6. Las bacterias nitrificantes del suelo convierten los compuestos de nitrógeno en nitritos 7. Los desechos animales y plantas muertas se descomponen liberando los compuestos de nitrógen 8. Los animales comen plantas que contienen nitratos 9. Las bacterias desnitrificantes “toman ” los nitratos y regresan el nitrógeno a la atmósfera 10. Nitrógeno gaseoso en la atmósfera.

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EL CICLO DEL NITRÓGENO

asimilación

bacterias amonificación fijadoras de nitrógeno

bacterias desnitrificadoras

Residuos

ACORDEÓN No. 1 Se obtiene nitrógeno puro descomponiendo térmicamente algunos compuestos nitrogenados, como el nitrito de amonio: NH4NO2(s)

N2(g) + 2H2O(g)

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La mayor parte del nitrógeno disponible en la Tierra se encuentra como gas nitrógeno, el cual se ha concentrado en la atmósfera a causa de su relativa no reactividad química. El nitrógeno es un gas incoloro e inodoro. El nitrógeno elemental se obtiene generalmente por destilación fraccionada del aire líquido. Generalmente son tres las formas en las que se presenta el nitrógeno (N2(g)): Forma libre, como componente del aire (80% de la atmósfera). Forma orgánica, como parte de los tejidos y órganos vegetales y animales. Este nitrógeno orgánico constituye más del 85% del nitrógeno total existente en el suelo. Forma mineral, constituida por compuestos simples que se caracterizan por su solubilidad, dependiendo de los medios en que se encuentren. Por ejemplo: el uso directo de las plantas que lo extraen del medio acuoso del suelo; el consumo de los microorganismos que lo utilizan para sus funciones vitales; los procesos de desnitrificación causados por un pH bajo o por una mala aereación del suelo, perdiéndose el nitrógeno en forma de gas; por las pérdidas del elemento, principalmente en forma de nitratos(NO3-), por el drenaje; por el nitrógeno fijado a las partículas del suelo, lo que ocasiona su no disponibilidad para las plantas. Quizá la forma más importante de este elemento es el nitrógeno fijado, que se presenta bajo la forma del ion amonio (NH4+) y que forma parte de diferentes sales amoniacales, como el nitrato de amonio (NH4NO3), el sulfato de amonio (NH4)2SO4, el fosfato diácido de amonio NH4H2PO4 y el fosfato diamónico (NH4)2HPO4. No. 2 El nitrógeno (N2) es una materia prima básica para la fabricación de algunos productos industrialmente valiosos como los siguientes: a. amoníaco, materia prima para la obtención del ácido nítrico (HNO3) b. fertilizantes como el sulfato de amonio (NH4)2SO4 c. urea CO(NH2)2 d. nitratos como el de sodio y el de potasio NaNO3 , KNO3 e. sustancia endurecedora del acero Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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f. gas para lámparas de incandescencia g. gas refrigerante h. componente de la pólvora negra y de explosivos como la nitroglicerina y el trinitrotolueno. El nitrógeno líquido se utiliza como refrigerante para congelar alimentos y materiales blandos o elásticos antes de someterlos a molienda, y para congelar materiales biológicos. También se emplean grandes cantidades de nitrógeno como gas de recubrimiento, cuyo propósito es proteger del oxígeno un material durante su procesamiento o en su almacenamiento. De esta manera, los componentes electrónicos se fabrican con frecuencia bajo una atmósfera de nitrógeno.

EL CICLO DEL NITRÓGENO MATERIA ORGÁNICA PLANTAS

SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

NITRATOS

ANIMALES

NH3

BACTERIAS FIJADORAS

AVES, PECES PLANCTON

BACTERIAS DESCOMPONEDORAS

N2 ATMOSFÉRICO

SEDIMENTOS

BACTERIAS

NH3

DESNITRIFICANTES

NO2

NO3

NO2

VULCANISMO

NO2

NITRITOS

ROCAS

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Carrillo

Ch. Myrna y col., Microescala Química General Manual de Laboratorio, Fac. Química, México, 1998, págs 75-82.

2. Charlot G. Análisis cualitativo rápido de cationes y aniones. Ed. Alambra S.A.

3a Ed., Madrid, 1982 pág 44

3. De la Granja, Alonso Manuel. Temas de Química, Ed. Alhambra S.A., Madrid,

1969 pág 267. 4. Ebbing D. Química General, Ed. Mc Graw Hill, México 1997 pág 240, 947-

948. 5. Garritz A., Chamizo J.A. Química. Ed. Addison-Wesley Iberoamericana, USA,

1994. 6. Sienko M.J. & Plane R.A., Química, Ed. Aguilar , España, 7ª Ed. 1967. pág.

512, 936. 7. Szafran Z., Pike M.R., Foster C.F., Microscale General Chemistry Laboratory,

Ed. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1993 págs. 67-75. a

8. Whitten K., Davis R., Peck L. Química General, 5 Ed. Mc Graw Hill, España,

1999.

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 9 ¿QUÉ TANTO RINDE? Determinación semicuantitativa del ion fosfato contenido en un fertilizante. INTRODUCCIÓN El fósforo es el primer elemento del cual conocemos el nombre de su descubridor, el químico alemán Henning Brand, (1669). Brand, al estar investigando una pócima para transformar los metales comunes en oro, descubrió un sólido blanco, céreo, que daba un brillo azul-verde cuando se exponía al aire. Este brillo era misterioso, y aunque Brand mantuvo su receta en secreto, pronto fue del dominio público la preparación de esta enigmática sustancia. Más tarde se demostró que la sustancia era un elemento y se le llamó fósforo blanco, la palabra phosphorus deriva del griego y significa “portador de luz”. El brillo resulta de la quimiluminiscencia, la cual es la emisión de luz de los productos moleculares excitados de una reacción química, en este caso entre el fósforo blanco y el oxígeno. Lo anterior explica el por qué en algunos cementerios de pueblos de nuestro país, se observan por la noche destellos extraños, fenómeno que ha permitido desarrollar leyendas y mitos sobre los muertos. El fósforo es un elemento químico que pertenece a la familia VA y al contacto con el aire se oxida rápidamente; generalmente se le encuentra en la roca fosfórica que contiene ortofosfato tricálcico (Ca3(PO4)2) y en el suelo se le encuentra formando compuestos fosfatados. La mayoría de los fertilizantes contienen tres elementos básicos: nitrógeno (N2), fósforo (P) y potasio (K). Es común que en los paquetes que los contienen se reporte el porciento en masa de los nutrientes esenciales que lo forman. Para determinar la cantidad de masa y el porciento de ion fosfato en una disolución de fertilizantes, se utilizará la técnica conocida como colorimetría, cuyo fundamento básico es que “la intensidad del color de las disoluciones indica la concentración de la sustancia coloreada ”. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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OBJETIVOS Determinar por comparación visual y mediante una técnica colorimétrica, el contenido de fosfato en un fertilizante. Comprender que la colorimetría es un método adecuado para determinar la concentración de un compuesto que forma una disolución colorida. Entender cómo afectan los iones fosfato, contenidos en el suelo, al desarrollo de las plantas. Conocer los conceptos de reacción química, concentración y disolución.

ACTIVIDADES PREVIAS 1. Plantea un diagrama de flujo de los pasos a seguir en forma condensada, con objeto de tener una guía del trabajo experimental. 2. Lee cuidadosamente toda la práctica y anota las ecuaciones correspondientes a los cambios que ocurren durante los experimentos. 3. Investiga la toxicidad de los compuestos que se utilizan en esta práctica, y en función de ello, discute con el profesor la forma de desecharlos una vez terminado el experimento. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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PROBLEMAS A RESOLVER ¿Cuál será la cantidad de fosfato expresada en porciento en masa, en un determinado fertilizante? ¿Coincidirá este valor con el manifestado por el fabricante?

DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIALES 1 matraz volumétrico 50 mL 2 matraces volumétrico100 mL 1 pipeta graduada de 10 mL 1 pipeta graduada de 2 mL 1 vaso de precipitados de 50 mL 1 agitador de vidrio 8 tubos de ensayo de 15 mL de diámetro idéntico 1 parrilla de calentamiento 1 balanza digital 1 gradilla 1 mortero 1recipiente para baño María

SUSTANCIAS Ácido sulfúrico (H2SO4) 10 M Molibdato de amonio (NH4)6Mo7O24.4H2O) * Agua destilada Ácido ascórbico (C6H8O6) Fosfato de potasio monobásico (KH2PO4) * Ácido perclórico (HClO4) dil 1 : 25 Fertilizante comercial (Triple 17)

* Estas sustancias serán preparadas por el profesor, como se describe enseguida.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL A REALIZAR POR EL PROFESOR: I. Preparación de la disolución de molibdato de amonio. La disolución de molibdato de amonio empleada en la práctica se prepara de la siguiente manera: Pesar 10 g de molibdato de amonio (NH4)6Mo7O24.4H2O, disolverlos en 100 mL de agua destilada y adicionar 150 mL de ácido sulfúrico (H2SO4) 10 M. ¡PRECAUCIÓN!

El ácido sulfúrico es un líquido muy corrosivo, reacciona vigorosamente con el agua. Al contacto con los ojos puede causar conjuntivitis y/o pérdida de la vista. Al contacto con la piel puede causar quemaduras. Si se inhala directamente puede causar problemas respiratorios como irritación de nariz, garganta y bronquitis.

II. Preparación de las soluciones patrón de comparación visual. Un principio importante: El ion fosfato (PO43-) reacciona con el molibdato de amonio [(NH4)6Mo7O24] en medio ácido, formando un compuesto de color amarillo de fosfomolibdato de amonio. La reducción del complejo fosfomolíbdico por el ácido ascórbico, produce un compuesto de color azul, la coloración de este compuesto es estable por 12 horas. III. Preparación de 100 mL de una disolución patrón de fosfatos (PO43-) de 25 mg/L a) Pesar 0.143 g de fosfato de potasio monobásico (KH2PO4), disolver con 25 mL de agua, transferir a un matraz volumétrico de 100 mL, enjuagar varias veces el recipiente donde se pesó la sal de fosfato y reunir las aguas de lavado en el matraz volumétrico de 100 mL. Completar el volumen con agua destilada, es decir afora a 100 mL. b) Tomar una alícuota de 2.5 mL de esta disolución patrón (es decir, la que se preparo en el inciso anterior) y llevarla a 100 mL con agua destilada, empleando para ello un matraz aforado de 100 mL. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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ACTIVIDADES A REALIZAR POR EL ALUMNO: A. Calibración de los tubos de ensayo 1. Toma 8 tubos de ensayo de diámetro idéntico y en cada uno de ellos coloca 10 mL de agua destilada, medida con pipeta de 10 mL. Marca el nivel de los 10 mL de agua en el tubo de ensayo con un masking tape. 2. En 5 tubos de ensayo, a los que previamente se ha marcado el nivel de 10 mL, prepara la serie de disoluciones patrón de fosfatos (PO43) para la colorimetría visual, de acuerdo con la siguiente tabla: Tubo de ensayo No.

Disoluciones 3-

Vol. en mL de la disolución patrón de PO4 preparada, con una concentración de 25 mg/L Vol. de la solución de HClO4 dil 1:25 Vol. de la solución molibdato (mL) Masa del ácido ascórbico en (g) Concentración de PO43- en mg/L Porcentaje de PO43- encontrados

0.5

1.0

2.0

3.0

4.0

1 1 0.1 1.25 12.5

1 1 0.1 2.5 25

1 1 0.1 5.0 50

1 1 0.1 7.5 75

1 1 0.1 10.0 100

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3. Completa el volumen a 10 mL con agua destilada y calienta en baño María por 15 minutos, enfría y procede a la comparación de color. ¿Qué sucede al agregar la disolución de molibdato de amonio a la que contiene fosfatos? ¿Qué cambios se presentan cuando agregas el ácido ascórbico a las diferentes disoluciones y calientas?

B. Preparación de la muestra (se sugiere trabajar por triplicado). 1. Toma, con una espátula, una porción grande de fertilizante y pulverízala con un mortero.

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2. Pesa 0.2 g de fertilizante pulverizado, colócalo en un matráz volumétrico de 100 mL y agrega 10 mL de ácido sulfúrico (H2SO4) 10 M, agita para disolver, agrega agua destilada hasta llegar a un volumen de 100 mL. (Identifícala como disolución A). 3. Toma 10 mL de la disolución A, viértela en el matraz volumétrico y completa a 100 mL con agua destilada. (Identifícala como disolución B). 4. En un tubo de ensayo al que previamente se le ha marcado el volumen de 10 mL, agrega 1 mL de la disolución B, adiciona 1 mL de ácido perclórico (HClO4) diluido 1:25, 1 mL de disolución de molibdato de amonio y 0.1 g de ácido ascórbico.

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5. Completa el volumen de 10 mL con agua destilada y calienta en baño María por 15 min., enfría y procede a la comparación de color empleando para ello las disoluciones patrón de comparación visual. Estima la concentración de las disoluciones problema.

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REGISTRO DE OBSERVACIONES, EVIDENCIAS EXPERIMENTALES.

DATOS,

RESULTADOS

Anota en tu bitácora el dato obtenido de la concentración estimada mediante la comparación visual, calcula el promedio de las tres estimaciones, y con este dato realiza el siguiente cálculo: Contenido de fosfato en el fertilizante: % en masa (PO43-) = A / B A = concentración estimada de PO43- en mg / L en el fertilizante B = peso de la muestra de fertilizante empleado para el análisis . ¿Cómo se compara tu resultado con el reportado por el fabricante?

GUÍA DE DISCUSIÓN 1. 2. 3. 4. 5. 6.

¿Cuáles son las propiedades físicas y químicas del fósforo? ¿Cuál de las formas alotrópicas del fósforo se utiliza con fines bélicos? ¿Cuáles son las sustancias con las que se elabora la pólvora negra? ¿De qué está compuesta la dinamita? ¿Cuáles son las principales aplicaciones del fósforo blanco, negro y rojo? ¿Cómo afectan los iones fosfato, contenidos en el suelo, al desarrollo de las plantas? 7. ¿Qué es una reacción química y cuantos tipos de reacciones químicas conoces? 8. ¿En la práctica que realizaste, qué tipo de reacción se llevó a cabo? 9. ¿Qué es concentración? 10. ¿Qué es una disolución? 11. ¿Cuáles son las unidades físicas y químicas que permiten expresar las concentraciones de las disoluciones? 12. Investiga sobre la unidad conocida como partes por millón (ppm), utilizada para expresar la concentración de disoluciones. 13. Investiga sobre el método colorimétrico, comúnmente empleado para la determinación de concentraciones de especies coloridas en disolución.

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UN FERTILIZANTE CASERO: LA COMPOSTA Una definición muy sencilla considera materia orgánica a todos los elementos que forman o han formado parte de algún ser vivo. Desde este punto de vista, gran parte de los desechos que producimos son materia orgánica: los restos de comida, los desechos del jardín, los huesos y el excremento, entre otras cosas. La materia orgánica tiene un tiempo de descomposición muy distinto al de los demás materiales que arrojamos al basurero. Es por ello que se maneja de forma diferente, puesto que, cuando estos residuos se descomponen, generalmente producen mal olor. Además, atraen moscas y todo tipo de insectos. En su descomposición también se producen gases (como el metano) que son capaces de dañar tanto al medio ambiente como a la salud. La materia orgánica debe separarse del resto de los desechos para utilizarse como composta, nombre que se usa para designar al proceso biológico mediante el cual los desechos vegetales y animales se transforman en un abono o fertilizante natural, denominado humus. El humus provee al suelo del nitrógeno, el fósforo y el potasio, entre otros elementos a través de la acción de hongos, lombrices, bacterias y otros microorganismos presentes en condiciones aeróbicas. Para hacer una composta casera es conveniente colocar los botes composteros (ver dibujo) en un espacio abierto, sombreado y cerca de una llave de agua para poder regarlos. De preferencia la composta debe situarse lejos de la casa (en el jardín o en la azotea) para evitar el olor que desprende y lejos de corrientes de aire, para evitar que se reseque. Dentro del contenedor se va colocando la materia orgánica en capas. La primera se forma con residuos de plantas, como pastos, hojarasca, pedazos de plantas frescas y secas, hojas y ramas pequeñas. En la segunda capa se colocan los desechos de la basura (cáscaras de frutas y verduras, residuos de café, té, cascarones de huevos, etc.). No se deben utilizar desechos de alimentos que contengan aceite, vinagre ni tampoco carnes, ya que se descomponen más rápido y propician que se desarrollen bacterias nocivas que alteran la composta. La última capa se compone de tierra. El orden de capas se repite hasta llenar el contenedor. El bote debe tener un lado en contacto con el suelo o abierto para poder voltear o sacar el material. El bote compostero debe voltearse periódicamente para permitir la oxigenación. En un plazo de dos a cuatro meses, dependiendo de los desechos que se utilicen tendremos la composta para utilizarla como fertilizante, ya que agrega pequeñas cantidades de nutrientes al suelo. También se puede utilizar como una capa de protección que, al ponerla alrededor de árboles y plantas reduce la erosión causada por la lluvia y evita la evaporación del agua.

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PALABRAS CLAVE PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN MAPA CONCEPTUAL Con el propósito de reafirmar, relacionar y aplicar los aprendizajes logrados, identifica e investiga el significado de todos los conceptos químicos involucrados durante la actividad experimental y construye el mapa conceptual correspondiente. MANEJO Y DISPOSICIÓN DE LOS RESIDUOS GENERADOS Los restos de las disoluciones del fertilizante preparadas pueden arrojarse directamente al drenaje ya que sólo contienen nutrientes que benefician al suelo.

Residuos

ACORDEÓN No. 1 El fósforo (phosphoros portador de luz) existe en tres formas físicas conocidas como alótropos: fósforo blanco, fósforo rojo y fósforo negro. El fósforo blanco (P4), conocido también como fósforo octaédrico o amarillo, es un sólido translúcido, casi incoloro, que al exponerse al medio ambiente se le forma una capa blanca opaca; esta es la forma menos estable y sus moléculas son tetratómicas. A temperatura ambiente es blando, pero a 0°C es duro y quebradizo. Aunque a 60°C el fósforo blanco se incendia espontáneamente, cuando éste se expone a una temperatura de 30°C y un ambiente húmedo se incendia fácilmente, de aquí que baste con el calor del cuerpo humano para provocar que se incendie. Cuando el fósforo blanco se expone al aire seco, se oxida lentamente produciendo un gas blanco de olor desagradable. La reacción de oxidación es la siguiente: P4

+ 5 O2

Fósforo + Oxígeno

o o

2 P2O5 Pentóxido de difósforo

Excelente deshidratante

Algunas propiedades de esta forma alotrópica son las siguientes: presenta fosforescencia al emitir una luz verde pálida cuando se expone a la oscuridad, es muy reactivo y se combina con casi todos los elementos químicos, es insoluble en agua pero soluble en disolventes orgánicos como el tetracloruro de carbono (CCl4) o el disulfuro de carbono (CS2), funde a 44.1 °C y a 280°C pasa a estado de vapor, su densidad es de 1.82 g/cm3. El fósforo blanco se utiliza para fabricar P4S3 que se emplea en la industria de los cerillos. Con relación al fósforo rojo, a temperatura ambiente es muy estable, se obtiene como un polvo rojo-violeta cuando el fósforo blanco se calienta a 400°C; no es fosforescente, es poco soluble en disolventes orgánicos, se evapora a 290°C, y es poco reactivo. Cuando esta forma alotrópica se mezcla con oxidantes fuertes, como los cloratos y los nitratos, sus reacciones son muy explosivas. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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El fósforo negro, que es bastante estable a temperatura ambiente y poco reactivo, se obtiene en forma de cristales cuando el fósforo blanco se calienta a una temperatura de 220 a 370°C durante 7 u 8 días, a presiones altas y en presencia del mercurio como catalizador. Compuestos de fósforo: a) fosfina PH3, b) óxido de fósforo III (P2O3), c) óxido de fósforo V (P2O5), d) ácido ortofosfórico (H3PO4). Sales de fósforo: fosfato disódico (Na2HPO4), fosfato trisódico (Na3PO4) se utiliza en la elaboración de detergentes, superfosfato Ca(H2PO4)2 se utiliza como fertilizante. No. 2 Las materias primas para fabricar los abonos fosfatados son los minerales de fósforo, los huesos y algunos de los residuos procedentes de distintas fases de la elaboración del hierro fundido. El superfosfato de cal, obtenido tratando el fosfato tricálcico (Ca3(PO4)2) con ácido sulfúrico (H2SO4), es adecuado para todos los cultivos. Los residuos de la fabricación del hierro fundido (escorias Thomas) son muy ricos en fósforo y muy útiles como abonos fosfatados. No. 3 En el mercado se vende el fertilizante TRIPLE 17, cuyo “análisis garantizado”, según indica el fabricante es: Elemento N total Fósforo Potasio

como N P2O5 K2O

% 17 17 17

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Charlot G. Dosages Absortiométriques des elements mineraux. Ed. Masson 3a Ed. Pág 326-327, París,1978. 2. Ebbing D. Química General, Ed. Mc Graw Hill, México 1997 pág 337. 3. Leal M., Chávez V., Sarralde L. Temas Ambientales. Programa Universitario del Medio Ambiente (UNAM), México, 1996. 4. Navarro León Francis Química III Un Enfoque Experimental CCH Sur UNAM año 2000

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 10 DE IDA Y VUELTA El equilibrio entre el amoniaco acuoso y el amoniaco gaseoso INTRUDUCCIÓN Hasta ahora, se han estudiado reacciones bajo un punto de vista unidireccional, es decir, los reactivos se transforman en productos (reacción irreversible). Sin embargo, hay reacciones en las que los productos se descomponen o reaccionan entre sí, para dar origen nuevamente a los reactivos, es decir la reacción se da en ambas direcciones (reacción reversible). Esto nos obliga a estudiar las reacciones químicas bajo una nueva perspectiva. De entrada, hablar de reactivos y productos en estos casos ya no tiene mucho sentido, pues en realidad se trata de dos reacciones que se producen simultáneamente y en sentidos opuestos. Cuando esto ocurre se dice que la reacción ha alcanzado el equilibrio, de tal manera que las concentraciones de todas las especies se mantienen constantes, y aún más, una determinada relación numérica entre tales concentraciones será también constante: es la constante de equilibrio. La teoría cinética, la aplicación de las leyes termodinámicas, la experimentación nos conducen a ella. La forma de medir puede engañarnos nuevamente. Parecería que ninguna de las reacciones se da, que todo está quieto, y sin embargo lo que ocurre es que ambas se dan a igual velocidad, estamos hablando de un equilibrio dinámico. Una vez establecido el equilibrio se puede desplazar en un sentido u otro de acuerdo con nuestras necesidades, por tanto será conveniente estudiar los factores que pueden modificar los equilibrios químicos, como por ejemplo: la presión, el volumen, la temperatura, la concentración, etc. La química moderna busca en estos conceptos –el equilibrio, de qué depende y cómo se modifica- la explicación de los fenómenos que ocurren en la naturaleza, como la formación de estalactitas y estalacmitas y el transporte de oxígeno por la hemoglobina sanguínea, por ejemplo, el comportamiento de diferentes reacciones y sus aplicaciones en la industria con el máximo rendimiento. OBJETIVOS Demostrar el equilibrio que se presenta entre el amoniaco acuoso y el amoniaco gaseoso. Estudiar el efecto de la temperatura sobre el equilibrio del amoniaco. Analizar el efecto de la temperatura sobre la solubilidad del amoniaco en agua. Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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PROBLEMA A RESOLVER ¿Qué efecto tiene la temperatura sobre el equilibrio entre el amoniaco acuoso y el amoniaco gaseoso? ACTIVIDADES PREVIAS 1. Plantea un diagrama de flujo de los pasos a seguir en forma condensada, con objeto de tener una guía del trabajo experimental. 2. Lee cuidadosamente toda la práctica y anota las ecuaciones correspondientes a los cambios que ocurren durante los experimentos. 3. Investiga la toxicidad de los compuestos que se utilizan en esta práctica, y en función de ello, discute con el profesor la forma de desecharlos una vez terminado el experimento. DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIALES SUSTANCIAS 2 matraces Erlenmeyer de 25 mL con tapón de 10 mL de disolución de amoniaco concentrado hule con una horadación. 1 Tubo de vidrio de 20 cm doblado en forma de Fenolftaleína al 0.1% en mezcla al 50% U. Ver figura 1 alcohol – agua 2 tapones de hule No. 2 2 vasos de precipitados de 250 mL Aprox. 150 cm3 de hielo picado 1 mechero 1 soporte universal con pinzas de nuez

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. En un matraz Erlenmeyer de 25 mL coloca 1.0 mL de amoniaco concentrado (NH3), 9.0 mL de agua destilada, adiciona dos gotas de fenolftaleína y tapa con un tapón de hule No. 2. Identifícalo como matraz No. 1 2. En otro matraz Erlenmeyer de 25 mL añade 10 mL de agua destilada y dos gotas de fenolftaleína. Identifícalo como matraz No. 2. 3. Monta el aparato que se muestra en la figura No. 1

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matraz No.2

matraz No.1

Figura No. 1 4. Calienta lentamente el matraz que contiene la disolución de amoniaco, (matraz No. 1) y recibe el gas amoniaco en el segundo matraz que se encuentra sumergido en un vaso de precipitados que contiene hielo picado (matraz No. 2). 5. Observa el fenómeno que se presenta y registra la información en la Tabla No. 1. 6. Saca el matraz que se encuentra sumergido en el baño de hielo, (matraz No. 2) seca su pared externa y permite que se alcance el equilibrio de temperatura con la ambiente. 7. Repite los pasos 3 a 5 calentando ahora el matraz que estaba sumergido en el baño de hielo, (matraz No. 2).

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REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS Y EVIDENCIAS EXPERIMENTALES. Tabla No. 1 Equilibrio entre el amoniaco acuoso y el amoniaco gaseoso Fórmula química del amoniaco Color de la disolución del matraz No. 1 antes del calentamiento Color de la disolución del matraz No. 2 antes del experimento Color de la disolución del matraz No. 1 después del experimento Color de la disolución del matraz No. 2 después del experimento Carácter ácido o básico del amoniaco Equilibrio que se presenta entre el amoniaco acuoso y amoniaco gaseoso.

GUÍA DE DISCUSIÓN 1. Escribe el equilibrio que se presenta entre el amoniaco acuoso y el amoniaco gaseoso. 2. ¿Qué efecto tiene la temperatura sobre el equilibrio entre el amoniaco líquido y el amoniaco gaseoso? ¿cómo se pone en evidencia lo anterior, durante el experimento? 3. ¿Qué efecto tiene la temperatura sobre la solubilidad del amoniaco en agua?

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CATALIZADORES PARA EL CONTROL DE EMISIONES CONTAMINANTES. El automóvil ha sido identificado como una importante fuente de contaminación basada principalmente en emisiones de hidrocarburos, CO y óxidos de nitrógeno hacia la atmósfera. Se ha demostrado que estas sustancias son altamente tóxicas y representan un peligro para la salud de la población de las grandes ciudades. En muchos países y centros de investigación se han desarrollado procesos para tratar de frenar este problema. En Estados Unidos, Japón y Europa se han podido abatir los niveles de esmog, ozono, monóxido de carbono y, últimamente, de deposiciones ácidas gracias al uso de convertidores de gases. Los dispositivos que se han diseñado hasta la fecha para realizar estos controles pueden ser de cuatro tipos: 1. 2. 3. 4.

Sustrato cerámico Chaqueta de lavado de alta superficie Estabilizadores y promotores de metal Sistemas de metales de transición activados (Pt, Rh, Ru)

En todos los países del mundo en donde se ha encontrado solución a problemas de este tipo, se ha logrado gracias a convertidores catalíticos basados en metales del grupo del platino. En cuanto a la investigación en sí, esta se basó en un parámetro importante para los motores de encendido por chispa, la relación aire:combustible (A/C). Existen tres estrategias a optimar: a. La remoción de hidrocarburos y CO con el uso de un catalizador de oxidación, generalmente basado en Pt/Pd. Esta estrategia no puede eliminar los gases NOx. Para subsanar este problema, estos gases se recirculan. b. Una combinación secuencial de reducción de NOx en un catalizador de tres caminos (TWC) seguida por la oxidación de CO e hidrocarburos residuales. c. Remoción de contaminantes por el uso del TWC con una modificación de un convertidor reductivo de rodio, esta última estrategia es la que opera actualmente en los Estados Unidos y Europa. El desarrollo de los catalizadores ha obedecido a la naturaleza y cantidad de las sustancias contaminantes. En general, las reacciones que se pretende llevar a cabo son las siguientes: 2CO + O2

2CO2

nCHx

pCO2

qH2O

2CO2

+ mO2

2CO + 2NO

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Analizando las ecuaciones anteriores, observamos que las dos primeras reacciones son de oxidación y la tercera de reducción. Como ya se mencionó, inicialmente los convertidores catalíticos realizaban las primeras dos oxidaciones y recirculaban los óxidos de nitrógeno. (Catalizadores Pt/Pd). El convertidor de tres vías tiene un catalizador adicional Pt/Rh. Los precios de los convertidores catalíticos de tres vías son determinados principalmente por el costo de los metales preciosos que contienen (Platino/rodio). Debido a esto se ha realizado investigación importante respecto a otros metales que puedan ser útiles en el proceso de oxidación En México, los convertidores catalíticos automotrices fueron introducidos en el año de 1990. Éstos pertenecen al modelo TWC con fase oxidativa (Pt) y fase reductora (Rh). Para operar adecuadamente, el catalizador requiere la utilización de un carburador de recirculación de gases, desgraciadamente la legislación solamente ha contemplado automóviles nuevos, todos los automóviles anteriores a 1990 continúan siendo focos de contaminación importantes. En los últimos años se ha observado un fenómeno curioso en la Ciudad de México. La lluvia ha dejado de ser ácida y de hecho se ha detectado lluvia básica, a partir del año 2000. Este curioso fenómeno se debe a que los catalizadores de reducción del convertidor catalítico han rebasado su eficiencia y en vez de dar lugar a nitrógeno molecular llevan la reducción hasta amoniaco. Lo anterior, no es tan dañino como la contaminación de ozono a la que dan lugar los compuestos NOx, sin embargo la presencia de NH3 en la atmósfera no deja de ser una forma de contaminación. La solución a este problema puede ser más sencilla y menos costosa que la de los otros contaminantes ya que el amoniaco y sus derivados son productos más manejables y apreciados que los hidrocarburos sin consumir o el CO. Reúnete con tus compañeros de equipo y después de reflexionar sobre el problema planteado, hagan una propuesta de cómo se podría captar el amoniaco que emiten los automóviles, para evitar que se vayan a la atmósfera.

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MANEJO Y DISPOSICIÓN DE LOS RESIDUOS GENERADOS Los desechos generados en el experimento se pueden enviar drenaje con la seguridad de que servirán de nutrientes al suelo.

al Residuos

ACORDEÓN No. 1 La fenolftaleina es un indicador ácido –base cuyo intervalo de pH de vire es de8.2 < pH <10. Es incoloro en medio ácido y rosa mexicano en medio básico.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Gimeno Guillén Miguel Ángel, Tapias Rico Isabel, Canales Tejedor Pedro y Lalinde Fernández Cristina. Química, Proyecto Teseo. Ediciones Laberinto. España 1999. 2. Comunicación personal con el Dr. Roberto Salcedo Pintos. Instituto de Investigaciones en Materiales. UNAM.

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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Microescala Q III

UNA REFLEXIÓN ADICIONAL LA QUÍMICA Y TÚ Ciencia, Tecnología, Sociedad y Medio Ambiente

LOS PLAGUICIDAS, ¿HASTA CUÁNTO? La experiencia mostró al hombre que era necesario controlar ciertas plagas que causaban enfermedades a las plantas, con la consecuente pérdida de la producción agrícola. El control se ha logrado mediante el uso de los llamados plaguicidas químicos. Según a quien esté dirigido su efecto se les denomina de forma diferente. Los insecticidas se emplean para controlar los insectos; los fungicidas combaten los hongos, los herbicidas eliminan las plantas nocivas y los rodenticidas se emplean para eliminar a los roedores. Existen, por lo menos, un millón de especies de insectos en nuestro planeta. Constituyen una de las grandes plagas desde la antigüedad. El DDT (Dicloro-Difenil-Tricloroetano), descubierto en 1939, fue el primero de los insecticidas sintetizados que se utilizó en enormes cantidades por ser extremadamente tóxico para los insectos. Además, se obtiene a partir de materias primas baratas lo que hace que su precio sea accesible. Pero tiene sus desventajas, es muy estable químicamente y se acumula en el medio ambiente donde permanece por años, Al principio se empleó en forma poco regulada para el control agrícola, la salud pública y las plagas domésticas. Después de años de uso, se observó que además de matar a los insectos de un modo indiscriminado, era tóxico para los peces, animales domésticos, aves y personas Cuando los plaguicidas se emplean en cultivos, se pueden dispersar en el aire y ser arrastrados por los vientos a zonas alejadas del lugar donde se aplican. Los residuos pueden llegar a ríos y lagos, donde parte de los plaguicidas los absorben las algas o el plancton, y en esta forma se introducen en la cadena alimenticia para concentrarse, finalmente, en los peces. Cuando las personas o los animales consumen estos peces, parte del insecticida se puede depositar en los tejidos adiposos. En la actualidad se están desarrollando métodos más naturales para el control de los insectos, denominados métodos de control biológico. Tal es el caso de las feromonas, que secretan las hembras y sirven para estimular y atraer a los insectos machos. Estos compuestos químicos se usan para atraer a los insectos a trampas que contienen sustancias tóxicas, o bien se pueden rociar para confundir a los machos y evitar que copulen. El método se considera prometedor. Otro método que ha resultado efectivo es el uso de la esterilización. Se usan grandes cantidades de insectos de cierta especie, que se crían y exponen a una radiación que induce su esterilización. A continuación se liberan con el fin de que se apareen con otros insectos sin producir descendencia. ¿Sabías que en el estado de Chiapas tenemos una enorme fábrica de moscas estériles? La investigación sigue, pero requiere de tiempo y dinero. Y el DDT se sigue utilizando, a pesar de la prohibición de su uso y que algunos insectos han desarrollado resistencia a

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DI R E C T O R I O

UNAM Rector Dr. Juan Ramón de la Fuente

Secretario General Lic. Enrique del Val Blanco

CCH Director General M en C Rito Terán Olguín

Secretario General Lic. Rafael Familiar González

PLANTEL SUR Director Lic. Jaime Flores Suaste

Secretario General Lic. Valentín Martínez Cruz

Secretario Administrativo Lic. José Javier Arias Ayala

Secretaria Académica Mtra. Ma. de Lourdes Romero Miranda

Secretaria de Asuntos Estudiantiles Act. Patricia Puente Huitrón

Secretario de Apoyo al Aprendizaje Mtro. Luis Almazán Aguilar

Secretario Técnico - SILADIN René Reyes Gómez

Autoras: Francis Navarro L., Pilar Montagut B., Rosa María González M., Myrna Carrillo Ch., Elizabeth Nieto C., Carmen Sansón O., Susana Lira de G.

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