Ciencias Naturales
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Capítulo
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Transformaciones en los materiales ¿Por qué cambia el color de ciertos materiales, especialmente de los metales, cuando están a la intemperie?
Preparamos el equipaje: observamos, comprendemos y debatimos 1
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Los cambios en los materiales En nuestras actividades cotidianas, usamos y nos relacionamos con una gran diversidad de materiales. Utilizamos la madera de los árboles para fabricar muebles, respiramos el oxígeno que está mezclado con otros gases en el aire, utilizamos la lana de las ovejas para fabricar pulóveres, y cortamos verduras y carne para preparar el almuerzo. Existe una gran diversidad de materiales, pero no todos tienen las mismas características. Hay materiales líquidos, como el agua; gaseosos, como el gas que sale por la hornalla de la cocina, y sólidos, como el mármol. Algunos, como el azúcar, se mezclan con el agua. Otros, como el aceite, no tienen esta propiedad. Al conjunto de todos los materiales se lo conoce con el nombre de materia. Muchos materiales están constituidos por un solo componente o sustancia, mientras que otros, llamados mezclas, por varios. La materia, y por lo tanto los materiales, puede transformarse. Por ejemplo, cuando deja de llover, las veredas se secan. Los objetos de hierro se recubren de un color marrón rojizo debido a la humedad del aire, es decir, se oxidan. Estas transformaciones que ocurren en la naturaleza sin intervención humana se denominan cambios naturales. Por el contrario, cuando se cocina un alimento o se fabrican bicicletas, ocurren cambios producidos por la acción humana o artificiales. Algunas transformaciones ocurren casi instantáneamente, como por ejemplo cuando se enciende un fósforo o se prende la luz. Mientras que otras, como la modificación de la forma de las costas por la acción del mar, precisan miles de años para producirse.
El zapato está fabricado con un material llamado cuero.
Que la ropa se seque al Sol es una transformación natural.
Hacer un panqueque es un cambio producido por las personas.
El líquido de la gaseosa y el gas de las burbujas son ejemplos de materiales.
Transformaciones en los materiales
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Los cambios físicos y los cambios químicos Muchas veces los materiales se cortan y cambian de tamaño o de forma; en otras ocasiones, se los mezcla o se los quema hasta que desaparecen de la vista. ¿Qué tienen en común estos cambios?, ¿y de diferente? Los experimentos suelen ser de mucha utilidad para reconocer distintos tipos de cambios en los materiales. Observen los resultados de una serie de ensayos realizados con papel.
¿Los cambios son todos iguales? Experimentos en papel
Hipótesis: los cambios en los materiales ocurren siempre de la misma forma.
Predicción: un material puede sufrir distintas transformaciones y seguir siendo el mismo. El papel, a pesar de sufrir distintas transformaciones, seguirá siendo el mismo material. Procedimiento: se tomó una hoja de papel y se la rompió en varios trozos. Luego, se acercaron los trozos y se los puso muy juntitos, de manera que recuperaran la forma y el tamaño inicial. Por otra parte, se tomó una nueva hoja de papel y se la acercó a una llama hasta que se quemó por completo. Las observaciones que surgieron en cada parte de la experiencia se registraron en una tabla.
Resultados: Material Transformación
¿El material sigue siendo el mismo?
Papel
Se lo corta
Sí
Papel
Se lo quema
No
Conclusiones: el papel está constituido por una sustancia llamada celulosa. Cuando el papel se rompe, la celulosa sigue siendo la misma, en consecuencia, el papel solo cambia de tamaño y de forma, pero no de naturaleza. En cambio, si el papel se quema, la celulosa que lo constituye se transforma, entre otras cosas, en cenizas. Por ese motivo, el papel deja de ser papel. Los cambios que le ocurrieron a este material en cada caso son bien diferentes. En la primera parte del experimento, ha ocurrido un cambio físico, mientras que en la segunda, un cambio químico.
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Los cambios físicos Alguna vez les habrá pasado, a ustedes o a alguien de su familia, que se les cayó un vaso y se rompió. El vaso pasó a estar fragmentado en varias partes, es decir, cambió de forma y de aspecto, pero el material siguió siendo vidrio. Si se calienta un poco de manteca en una sartén, al cabo de un minuto, la manteca se derrite; esto significa que cambia su estado y se vuelve líquida, pero sigue siendo manteca. Del mismo modo, si se cortan trozos de verduras para preparar una ensalada, cambiará el tamaño de las verduras, pero no su composición. Tampoco varía la constitución de un material si a este se lo cambia de lugar. Estos cambios en los que el material sigue siendo el mismo, pero se modifica su aspecto, su forma, su tamaño o su posición, se denominan cambios físicos. Otro ejemplo de cambio físico ocurre durante la fabricación del papel de aluminio.
La fabricación de papel de aluminio
Cuando la patineta cambia de posición al deslizarse sobre el piso o al saltar en el aire, ocurre un cambio físico.
Un papel doblado con la técnica de origami modifica su tamaño mediante un cambio físico.
La plastilina pude ser moldeada y variar de forma, pero la composición del material se mantiene.
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Los cambios de estado Cuando sacamos un cubito de hielo del freezer, el cubito comienza a derretirse hasta transformarse en agua líquida. En este caso, ocurrió un cambio físico: el agua pasó de sólida a líquida. Los cambios físicos en los que la materia pasa de un estado a otro son seis, y se denominan cambios de estado.
La fusión es la transformación de un sólido en un líquido. Muchas veces ocurre a temperatura ambiente, como en el caso de un cubito de hielo; otras, como con la manteca, es necesario calentar.
La solidificación es la transformación de un material en estado líquido al estado sólido. Para que este cambio ocurra, el material debe perder calor para así bajar su temperatura. Por ejemplo, cuando se elabora chocolate, se lo vuelca líquido sobre un molde frío y al poco tiempo solidifica.
La ebullición es la transformación de un material líquido en gaseoso. Por ejemplo, si se pone agua a calentar dentro de una olla, a los pocos minutos se observa la formación de vapor y luego, el agua hierve transformándose en gas.
La condensación es el nombre que recibe el cambio de estado gaseoso a líquido. Esto ocurre, por ejemplo, cuando el vapor de agua choca contra una superficie fría, como un vidrio, y pasa al estado líquido, lo que hace que el vidrio se empañe. 42 18323.indb 42
La sublimación y la sublimación inversa ocurre son transformaciones en las cuales sóli el cambio de estado de un material os do a uno gaseoso, y viceversa. En estar por casos el cambio es directo, sin pas o seco el estado líquido. Por ejemplo, el hiel y la naftalina que aleja a las polillas tura son materiales sólidos que, a tempera ambiente, se transforman en gas.
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Las mezclas Cuando se junta y agita arena con piedritas, es posible separar y recuperar perfectamente los materiales que componen la mezcla, ya que estos mantienen su constitución. De la misma forma, si se agrega azúcar al té o al café con leche, el azúcar se mezcla perfectamente y pareciera desaparecer dentro del líquido. Sin embargo, esto no sucede: el azúcar se conserva. Una manera de comprobarlo es calentando la mezcla hasta que toda el agua se haya evaporado. En ese momento, aparecerán pequeños cristales blancos, que son los restos del azúcar que se había agregado. Como en una mezcla no varía la composición de los materiales que la forman, se trata de un cambio físico.
Si se mezclan café y azúcar, y luego, se deja evaporar el café, parte del azúcar se recupera en forma de pequeños cristales.
Si se junta una porción de suelo en un frasco y se le agrega un poco de agua, al cabo de un tiempo, la arena, la tierra y la arcilla que lo componen se separan.
¡A preparar jugos!
Cuando se centrifuga la ropa recién sacada del lavarropas, el agua que permanece en los tejidos se separa de la tela.
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El modelo de partículas Para comprender mejor cómo ocurren los cambios físicos, es necesario conocer cómo es la materia por dentro. Para ello, los científicos elaboraron un conjunto de ideas que se conoce como modelo corpuscular o modelo de partículas. Según este modelo, la materia está formada por millones de partículas invisibles a simple vista. Entre estas partículas actúan fuerzas de atracción, que hacen que las partículas se acerquen entre sí, y fuerzas de repulsión, que hacen que se alejen unas de otras. Este modelo también propone que las partículas se mueven a determinadas velocidades y que entre ellas hay espacios vacíos o huecos. Esto significa que la materia es discontinua. Si las fuerzas de atracción son grandes, las partículas se moverán menos. En cambio, si las fuerzas de repulsión prevalecen, las partículas se moverán más rápido. Esto permite comprender las características de los estados en que se presenta la materia, y también explicar algunas de las transformaciones físicas que les ocurren a los materiales.
En el estado sólido, las fuerzas de atracción son muy grandes. Por esto, las partículas están muy juntas y casi no se mueven, solamente vibran. Además, se agrupan de manera ordenada. Esto explica el hecho de que los sólidos tengan forma y volumen definidos.
En los líquidos, las fuerzas de atracción son menores que en los sólidos, y las partículas ruedan unas sobre otras. Esto explica por qué los líquidos tienen volumen, pero no forma propia. Además, permite comprender por qué fluyen, es decir, se derraman.
En los gases, las fuerzas de atracción son muy pequeñas, por ello las partículas se mueven a mucha velocidad y se alejan entre sí. El movimiento es desorganizado. Por eso, los gases no tienen forma ni volumen definidos.
¿Cómo representar un modelo?
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Los cambios de estado y el modelo de partículas El modelo de partículas permite comprender cómo se producen los cambios de estado de la materia. Cuando un material toma calor del ambiente, sus partículas empiezan a moverse más rápido. Las fuerzas de repulsión se hacen más fuertes y, en consecuencia, las partículas se separan más. Esto ocurre durante la fusión, la vaporización y la volatilización. Por el contrario, si un material pierde calor, las partículas se mueven menos, y las fuerzas de atracción aumentan. Esto hace que las partículas se acerquen más. Ello ocurre durante la solidificación, la condensación y la sublimación.
Las mezclas y el modelo de partículas ¿Cómo explica el modelo de partículas lo que ocurre al mezclar diferentes materiales? Veamos algunos ejemplos. • Cuando se agrega sal al agua y se revuelve, las partículas de sal se meten en los espacios vacíos que existen entre las partículas del agua. Además, las fuerzas que mantienen unidas a las partículas de sal son menores que las fuerzas que ejercen las partículas del agua sobre ellas, y las separan. • Algunos materiales no se mezclan entre sí, por ejemplo, el agua y el aceite. Esto ocurre porque las fuerzas que mantienen unidas a las partículas del aceite son más intensas que las que ejercen las partículas del agua. Por ese motivo, el aceite no se mete en los espacios vacíos que existen entre las partículas del agua, y este no se mezcla con ella. • Nuestro sentido del olfato detecta los olores porque las partículas de algunos materiales que tienen olor se mezclan con otras partículas gaseosas que constituyen el aire.
Mediante el modelo de partículas, se pueden explicar los cambios de estado de la materia.
Antes de secarse, el esmalte de uñas tiene partículas con olor que se mezclan con el aire.
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Las transformaciones químicas Cuando se enciende carbón o leña para preparar un rico asado, luego de arder y al apagarse, estos materiales desaparecen y en su lugar, quedan cenizas. Esto sucede porque los materiales que los constituyen se han transformado en otros nuevos, como la ceniza y los gases de la combustión. Lo mismo ocurre al preparar una torta, los ingredientes iniciales (harina, azúcar, huevos y manteca) se transforman en un material distinto al entrar en contacto con el calor del horno: el bizcochuelo. Estos cambios, en los cuales los materiales se transforman En un cambio químico, los materiales se transforman en otros nuevos. en otros nuevos y diferentes, se denominan cambios químicos. En los cambios químicos, los materiales iniciales se llaman reactivos, y los materiales que se obtienen, productos. En los ejemplos anteriores, el carbón, la leña y los ingredientes de la torta son los reactivos, mientras que las cenizas y los gases o el bizcochuelo son los productos.
La liberación de gas
La presencia de burbujas indica que ocurrió un cambio químico.
Muchos cambios químicos ocurren en presencia del fuego, como cuando se quema una hoja de papel. Sin embargo, existen otros cambios químicos en los que no interviene el fuego, por ejemplo, cuando se agrega una pastilla antiácida al agua, o al disolver algunos medicamentos en agua, como las tabletas efervescentes de vitamina C. En ese caso se observa la aparición de burbujas debido a la formación de un nuevo material: el gas dióxido de carbono. Lo mismo ocurre si se agrega bicarbonato de sodio a un poco de vinagre. También la electricidad produce transformaciones químicas sobre algunos materiales. Por ejemplo, si dentro de un vaso con agua se colocan dos barras de grafito o metal (o electrodos) y se hace circular electricidad, al cabo de un tiempo se observa la formación de burbujas alrededor de cada una de ellas. En este caso las partículas de agua se transformaron en los materiales que las componen, que son los gases hidrógeno y oxígeno.
Con electricidad, el agua puede transformarse en gases.
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Cambios de color Algunos cambios químicos se caracterizan por la aparición de cierto color. Por ejemplo, cuando un clavo se deja al aire libre, al cabo de un tiempo, el hierro que lo constituye se transforma en una nueva sustancia, el óxido de hierro. Esto se detecta por la aparición de un color marrón rojizo sobre el clavo. Decimos que el clavo se oxidó. Lo mismo ocurre con el cobre, que toma un color verdoso al oxidarse. Esto puede observarse, por ejemplo, en la cúpula del Congreso de la Nación Argentina, que se ve en la imagen del comienzo del capítulo. La oxidación de la manzana es una Existen también reacciones en las cuales la aparición de un reacción con formación de color. color nos permite identificar la presencia de una sustancia. Por ejemplo, si a un trozo de papa le agregamos unas gotitas de un material que contiene yodo, el lugol, observaremos la aparición de un color azul oscuro. Este color indica que uno de los elementos constituyentes de la papa es una sustancia llamada almidón.
Cambio de temperatura Hay cambios químicos en los que se libera calor, como sucede cuando se quema un poco de leña. Estas transformaciones se denominan reacciones exotérmicas (“exo” significa “afuera”). Por ejemplo, si se mezclan lavandina y detergente, y el recipiente donde se preparó la mezcla se calienta. Esta reacción es exotérmica (y, además, produce gases tóxicos). Otros cambios químicos necesitan recibir calor para producirse. Por ejemplo, para que los materiales que componen un alimento se transformen, muchas veces es necesario cocinarlos, es decir, entregarles calor. Este tipo de transformaciones químicas se llaman reacciones endotérmicas (“endo” significa “dentro”).
La preparación de un huevo frito es endotérmica porque precisa calor.
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Las transformaciones químicas más usuales Combustión incompleta
La posibilidad de que la materia genere sustancias nuevas ha permitido que la tecnología desarrolle técnicas para la creación de nuevos materiales. Esto ha sido muy beneficioso para la industria y para la calidad de vida de las personas. Entre las transformaciones químicas más importantes, están la combustión, la oxidación, la electrólisis y la polimerización.
La combustión
La combustión incompleta se debe al mal funcionamiento de estufas o de autos.
Cuando se quema un trozo de leña, se libera calor y queda un residuo de cenizas. Además, para que la leña se queme, es necesaria la presencia de oxígeno del aire. Por eso, uno de los métodos para apagar incendios es tapar el material que arde, para evitar que siga en contacto con el oxígeno. En el caso de la leña, el principal material que la constituye, llamado celulosa, reacciona con el gas oxígeno y se transforma en gas dióxido de carbono y vapor de agua, además de cenizas. Se dice que la combustión ocurre entre un combustible, como la leña, y un comburente, el oxígeno. La reacción de combustión libera mucho calor, por lo que tiene variadas aplicaciones. Por ejemplo, la energía liberada en la combustión de la nafta se utiliza para mover vehículos, así como la combustión del gas natural se emplea para cocinar. Los fuegos artificiales son otro ejemplo de una reacción de combustión. Al explotar, arden con luces de colores que varían según el material con que estén hechos. combustible + comburente = dióxido de carbono + agua + calor
Los fuegos artificiales tienen materiales combustibles, ya que arden en presencia de oxígeno y generan, entre otras cosas, calor.
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La corrosión, un tipo de oxidación La oxidación es un proceso que también se da, generalmente, en presencia de oxígeno. En estos cambios químicos, los reactivos incorporan oxígeno y se forma un tipo de productos denominados óxidos. Cuando la oxidación ocurre sobre algunos metales, se conoce con el nombre de corrosión. Por ejemplo, cuando el hierro entra en contacto con el oxígeno del aire, se forma una nueva sustancia denominada óxido de hierro, de color marrón rojizo. Una forma de evitar la corrosión de los objetos metálicos es recubrirlos con un tipo de pintura especial. Así, el oxígeno del aire no entra en contacto con el metal.
El cobre, al aire libre y en presencia de oxígeno, se oxida, y aparece una sustancia de color turquesa.
La electrólisis Como vimos, se pueden generar transformaciones químicas con electricidad, como sucede con la transformación del agua en gases. Este proceso se llama electrólisis, y es muy utilizado en las industrias. El aluminio, por ejemplo, se obtiene a partir de este método. Para elaborarlo, se derrite bauxita (el mineral que contiene al aluminio) y se la deposita en grandes recipientes denominados cubas electrolíticas. Al circular la electricidad, el aluminio se separa del mineral y queda en estado puro.
La electrólisis es una transformación utilizada para fabricar aluminio.
La polimerización La polimerización es una transformación química muy utilizada en la industria de los plásticos. Se denomina así debido a que los plásticos son polímeros (“poli” significa “muchos”, y “meros”, “partes”). Es decir, resultan de la unión de muchas partes iguales, formando cadenas. Por ejemplo, el polietileno de las bolsas de supermercado se obtiene a partir de la unión de varias unidades de etileno.
Los plásticos se obtienen a partir de materiales extraídos del petróleo.
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Técnicas de estudio Registro de datos experimentales Cuando se realiza una experiencia de laboratorio, es importante anotar todo lo que se observa, es decir, registrar los datos que se obtienen al realizar cada paso del experimento.Estos datos pueden ser numéricos, como valores de temperatura o la altura de un objeto, o datos que resultan de la obser-
vación de la experiencia. Por ejemplo, si se produjo un cambio de color, si aparecieron burbujas, si el material se transformó en otro nuevo o no. Todo lo que ocurre durante un trabajo de laboratorio es importante y hay que registrarlo.
¿Cómo se realiza el registro de datos? La mejor manera de registrar datos es mediante una tabla de doble entrada. Para construirla, se eligen las categorías que hay que tener en cuenta. Por ejemplo, en una columna Material
Transformación
Papel
Se lo corta
Papel
Se lo quema
se anota el material investigado; en otra, el tipo de acción que se hizo sobre el material, y en una tercera, los resultados. A medida que se lleva a cabo la experiencia, se la completa. ¿El material sigue siendo el mismo?
¿Por qué es importante registrar los datos en un experimento? Registrar correctamente los datos de una experiencia permite comprobar la hipótesis planteada y elaborar conclusiones al
finalizar el trabajo. De lo contrario, es muy probable que ciertas observaciones se olviden o no sean tenidas en cuenta.
1 • • a. b.
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Actividades finales 1 Lean las siguientes oraciones y luego, complétenlas. . a. Las transformaciones físicas son aquellas en las que la materia no , y es un cambio . b. El cambio del estado sólido al líquido se llama porque las sustancias c. Cuando se mezcla sal con agua, ocurre un cambio . En cambio, si se mezcla vinagre con bicarbonato, ocurre un cambio . , y las que se En las transformaciones químicas, las sustancias iniciales se denominan . obtienen, , ya que se producen sustancias nuevas d. La oxidación es una transformación . como el 2 Observen las siguientes imágenes e indiquen si ocurren cambios físicos, químicos o ambos. Expliquen por qué llegaron a esa conclusión.
A
B
C
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3 Unan las transformaciones listadas en la columna de la izquierda con el tipo de cambio al que pertenecen, en la columna derecha.
4 En la clase de Ciencias Naturales, un grupo de chicos realizó el siguiente experimento: cortaron rodajas de papa, tomate, lechuga, pan, cebolla y batata, y le agregaron a cada una dos gotas de lugol. Al finalizar, anotaron lo siguiente: “En la papa, en el pan y en la batata, se formó un color azul oscuro. En los otros materiales, no”. a. ¿Qué estaban tratando de averiguar los chicos? Ayuda: vuelvan a leer la página 47. b. ¿Les parece la mejor forma de registrar los datos? ¿De qué otra manera se podría hacer? 5 Indiquen si las siguientes oraciones son correctas o corríjanlas en sus carpetas.
¿Qué aprendimos en este viaje?
a. Las transformaciones en los materiales son todas similares. b. Los metales son los únicos materiales que se oxidan. Transformaciones en los materiales
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