Qui 1m txt by Mauricio Fresard

1 ยบ

medio

QUร MICA

TEXTO DEL ESTUDIANTE 2017

Química

TEXTO DEL ESTUDIANTE

1 º

medio

Patricia Calderón Valdés Licenciada en Ciencias de la Educación, Mención Química Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educación

El Texto del estudiante Química 1.° medio es una creación del Departamento de Estudios Pedagógicos de Ediciones SM, Chile. Dirección editorial Arlette Sandoval Espinoza Coordinación área Ciencias Naturales Andrea Tenreiro Bustamante Edición Patricia Calderón Valdés Autoría Patricia Calderón Valdés Asesoría pedagógica Guadalupe Álvarez Pereira Corrección de estilo y pruebas Patricio Varetto Cabré Dirección de arte Carmen Gloria Robles Sepúlveda Coordinación de diseño Gabriela de la Fuente Garfias Diseño de portada Estudio SM Diseño y diagramación Mauricio Fresard Lemmermann Ilustraciones Edgardo Contreras de la Cruz Osvaldo Torres Ruiz Fotografía Archivo fotográfico SM Latinstock Shutterstock Jefatura de producción Andrea Carrasco Zavala

Este texto corresponde al Primer año de Educación Media y ha sido elaborado conforme al Decreto Supremo N° 614/2013, del Ministerio de Educación de Chile. ©2016 – Ediciones SM Chile S.A. – Coyancura 2283 piso 2 – Providencia ISBN: XXXXXX / Depósito legal: XXXXXX Se terminó de imprimir esta edición de XXXX ejemplares en el mes de XXXXX del año XXXXXX. Impreso por XXXXXXXXXXXX Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del “Copyright”, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución en ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo público.

Para qué aprenderás Química La Química es una rama de las Ciencias Naturales que estudia las transformaciones que ocurren en nuestro planeta, por lo tanto, todos los procesos que se producen en el entorno y en los seres vivos. En este texto estudiarás distintos contenidos sobre Química que te llevarán a ser protagonista de tu aprendizaje. Conocerás temas de actualidad relacionados con la ciencia y la tecnología, que están sucediendo en Chile la y el mundo, y las consecuencias que tienen estos avances que relaciona Química con nuestra vida.

Qué apr

enderás

Conocerás algunas de las gra ndes ideas de la ciencia a par tir de las cuales el texto se ha estructurado en unidades, lecciones y temas que te permit irán entender, disfrutar y maravillarte con el mundo nat ural. Veamos cuáles son y dón de las encontrarás: Grandes ideas de la ciencia

GI5. Toda la materia del Univers o

(GI)

está compuesta de partículas.

Unidad 1 Unidad 2 Unidad 3 ✓

GI6. La cantidad de energía en el Universo permanece constante. GI.7 El movimiento de un obj eto depende de las interaccion es en que participa.

✓

GI8. La composición de la Tie rra ha cambiado a través del tiempo y posee las condicion es necesarias para la vida.

✓

Al inicio de cada unidad se pre sentan los principales contenido s que descubrirás en ella. Estos se relacionan con las gra ndes ideas de la ciencia y se trab ajan de manera integrada junto con habilidades de invest igación científica y actitudes com o elementos centrales del proceso de aprendizaje.

Cómo aprenderás

tivarte l texto ha sido creada para mo Cada una de las secciones de je. Irás onista activo de tu aprendiza e involucrarte como un protag nadas con el cio rela e tus propias nociones construyendo progresivament drás la posibilidad as adquiriendo. Además, ten nuevo conocimiento que vay as relacionadas propongas lograr, las estrategi te e qu tas me las ar istr reg drás de cumplir con lo propuesto. Po itan rm pe te e qu o baj tra de y los planes bajar con los ntificar tus logros y también tra ir chequeando tus avances, ide aprendizaje. y importante del proceso de mu te par a un son e qu s, ore err

Química • 1.° Medio

Índice Conoce tu texto.................................................................... 6

Un lenguaje universal: Nomenclatura química

Inicio de unidad.......................................................................... 8 Lección 1: ¿Cómo se llega a una nomenclatura química?........................................................... 14 Tema: Elementos, compuestos y tabla periódica...... 15 ¿Qué son los elementos y compuestos químicos?.....15 ¿Cómo se ordenan los elementos químicos?............. 16 ¿Qué información entrega la tabla periódica?........... 16 ¿Por qué son importantes las propiedades periódicas?......................................................................... 16 Tema: Enlaces químicos y compuestos......................... 18 Estructura de Lewis.......................................................... 18 Enlaces en compuestos iónicos y covalentes............ 18 Clasificación y propiedades de los compuestos químicos.............................................................................. 19 Tema: Clasificación de los compuestos inorgánicos.. 20 Estados de oxidación........................................................21 ¿Cómo se determina el estado de oxidación?.............21 Nomenclatura química.................................................... 22 Integro lo aprendido ..................................................... 24

Lección 2: ¿Cómo se forman los compuestos binarios?...26 Tema: Compuestos oxigenados....................................... 27 Óxidos metálicos o básicos............................................ 28 Óxidos no metálicos o ácidos........................................ 29 A poner en práctica mediante un taller de ciencias: Comportamiento químico de los óxidos.......................30 Tema: Compuestos hidrogenados.................................. 32 Hidruros metálicos........................................................... 32 Hidruros no metálicos...................................................... 33 Hidrácidos........................................................................... 34 Tema: Sales binarias........................................................... 36 A poner en práctica mediante un taller de estrategias: construyendo modelos de moléculas.... 38 Integro lo aprendido......................................................40 Lección 3: ¿Cómo se forman los compuestos ternarios?... 42 Tema: Hidróxidos................................................................. 43 Tema: Oxácidos.................................................................... 44 Oxácidos especiales......................................................... 45 Tema: Sales ternarias.........................................................46 Integro lo aprendido ..........................................................48 4

Iniciales

Ciencia, tecnología y sociedad........................................50 Síntesis activa........................................................................ 52 Integro lo aprendido........................................................... 54 Proyecto...................................................................................56

¡Todo se transforma! Reacciones químicas

Inicio de unidad........................................................................ 58 Lección 1: Conociendo las reacciones químicas............64 Tema: Cambios químicos en la materia........................ 65 Condiciones para que ocurra una reacción química.......................................................66 Tema: ¿Cómo se representan las reacciones químicas?.............................................68 Tema: ¿Cómo se reconocen las reacciones químicas?.............................................70 Tema: ¿Qué factores afectan la velocidad de las reacciones químicas?............................................. 74 Efecto de la concentración de los reactantes............ 75 Efecto de la temperatura del sistema.......................... 75 Efecto de la superficie de contacto de los reactantes............................................................... 76 Efecto de un catalizador.................................................. 77 Tema: Energía y reacciones químicas........................... 78 Reacciones exergónicas.................................................. 78 Reacciones endergónicas................................................ 78 Reacciones exotérmicas y endotérmicas.................... 79 Integro lo aprendido......................................................80

Lección 2: ¿Cómo se clasifican las reacciones químicas?..................................................................................... 82 Tema: ¿Cuáles son los tipos de clasificación de las reacciones químicas?............................................ 83 Reacciones de síntesis o combinación......................83 Reacciones de óxido-reducción................................ 84 Reacciones de sustitución........................................ 85 Tema: ¿Cuáles son los tipos de reacciones químicas.........................................86 Reacciones de combustión.............................................86 Reacciones de ácido-base............................................... 87 Reacciones de neutralización........................................88 Reacciones de descomposición.....................................89 Integro lo aprendido............................................................90

Lección 3: Reacciones en los seres vivos y en el entorno........................................................................... 92 Tema: Reacciones químicas que ocurren en los seres vivos.................................................... 93 Fermentación..................................................................... 93 A poner en práctica mediante un taller de ciencias: Analizando una reacción química de fermentación....94 Respiración celular...........................................................96 Fotosíntesis........................................................................ 97 Tema: Reacciones químicas en el planeta...................98 Reacciones químicas del ozono....................................98 Reacciones químicas de la lluvia ácida.......................99 Reacciones químicas de la hidrosfera...................... 100 Importancia del oxígeno en nuestro planeta........... 101 Reacciones químicas que ocurren en la litosfera...102 Tema: Reacciones químicas en la industria..............104 Extracción del litio..........................................................104 Producción de hierro......................................................105 Producción de cobre.......................................................106 Integro lo aprendido....................................................108 Ciencia, tecnología y sociedad...................................... 110 Síntesis activa.......................................................................112 Integro lo aprendido......................................................... 114 Proyecto................................................................................. 116

Cantidades en las reacciones químicas Estequiometría

Inicio de unidad...................................................................... 118 Lección 1: Leyes ponderales....................................................124 Tema: Leyes fundamentales de la química................ 125 Ley de conservación de la materia............................. 126 Comprobación de la ley de conservación de la materia.................................................................... 127 Balance de ecuaciones químicas................................ 128 A poner en práctica mediante un taller de estrategias: Balance de una reacción química...................................130 Tema: Leyes de proporcionalidad química............... 132 Ley de las proporciones definidas.............................. 132 Ley de las proporciones múltiples.............................. 133 Ley de las proporciones recíprocas............................134 Ley de volúmenes de combinación............................. 135 Integro lo aprendido....................................................136 Lección 2: Relaciones cuantitativas.................................138 Tema: Medida de la cantidad de sustancia.............. 139

Unidad de masa atómica, Masa atómica, Masa molecular................................................................140 El mol, El número de Avogadro.................................... 141 Masa molar....................................................................... 142 Cálculos con cantidad de sustancia...........................143 Tema: Cálculos estequiométricos.................................144 Relaciones entre reactantes y productos..................145 Cálculos con volúmenes................................................ 147 Tema: Reactivo limitante y reactivo en exceso........148 A poner en práctica mediante un taller de estrategias: Determinación del reactivo limitante y en exceso....150 Rendimiento de las reacciones químicas................. 152 Tema: Determinación de las fórmulas empíricas y moleculares..........................................................154 Integro lo aprendido..........................................................156 Lección 3: Aplicaciones estequiométricas.....................158 Tema: Aplicaciones estequiométricas en reacciones del medio ambiente.............................................. 159 Estequiometría en la fotosíntesis............................... 159 A poner en práctica mediante un taller de ciencias: Identificación del almidón en los alimentos.............160 Estequiometría en las reacciones de la lluvia ácida ............................................................ 162 Estequiometría en la reacción del ozono.................. 163 Tema: Aplicaciones estequiométricas en reacciones de importancia industrial...................................164 Estequiometría en la síntesis del ácido sulfúrico...164 Estequiometría en la síntesis del amoníaco............ 165 Estequiometría en la síntesis del hipoclorito de sodio.............................................................................166 Estequiometría en la producción del hierro............. 167 Integro lo aprendido....................................................168 Ciencia, tecnología y sociedad......................................170 Síntesis activa...................................................................... 172 Integro lo aprendido......................................................... 174 Proyecto................................................................................. 176 Anexos Estados de oxidación y asignación de colores CPK....178 Tipos de geometría molecular..........................................179 Precauciones en el trabajo de laboratorio................... 180 Modelamiento de herramientas de síntesis.................182 Glosario..................................................................................186 Tabla periódica................................................................... 190 Bibliografía............................................................................192

Química • 1.° Medio

Conoce tu texto A continuación, te invitamos a revisar el detalle de los tipos de páginas y secciones que encontrarás en cada una de las unidades del texto.

Inicio de la unidad Se presenta una historia con la que se da inicio a la unidad, con personajes que te harán partícipe de su relato y te seguirán acompañando a medida que avances en su estudio. En ellas encontrarás el ¿Qué aprenderás? ¿Para qué lo aprenderás? y ¿Qué conocimientos previos necesitas? Además, una sección que te invita a proponer metas para cumplir en la unidad.

Desarrollo de la unidad Comienzo de lección Cada lección comienza especificándote su propósito, es decir, qué estudiarás y para qué. Además se incluye una noticia sobre avances científicos y tecnológicos. El primer tema de la Lección comienza con una actividad en la que aplicarás tus conocimientos previos.

Taller de estrategias

Taller de ciencias A lo largo del desarrollo de algunas lecciones, se presentan talleres experimentales en los que podrás vivenciar las distintas etapas de una investigación científica.

Integro lo aprendido Es una instancia que te permitirá reconocer cómo te encuentras en tu proceso de aprendizaje, respecto de los contenidos esenciales de la lección. Además, podrás revisar el cumplimiento de las metas y estrategias que te propusiste al inicio de la unidad y de cada Lección.

Iniciales

En las lecciones se presentan talleres en los que se te enseñará, paso a paso, cómo realizar un procedimiento propio de las ciencias, pondrás a prueba tus aprendizajes en la sección Desafío y, finalmente, reflexionarás sobre tus aprendizajes.

Cierre de la unidad

Ciencia, tecnología y sociedad En esta sección se proponen lecturas de nuevas investigaciones científicas y desarrollos tecnológicos relacionados con los contenidos de la unidad. Al finalizar su lectura podrás reflexionar sobre las implicancias sociales de este tipo de avances. Proyecto Síntesis activa Te proponemos diferentes formas de organizar los contenidos trabajados. Además, te presentamos un resumen de la unidad respecto de los propósitos, habilidades y actitudes desarrolladas. Contextualizar tus aprendizajes en el ámbito de trabajar con las Grandes Ideas de las Ciencias.

Cada unidad termina con un proyecto que desarrollarás de forma colaborativa, respecto de diversos temas relacionados con la unidad.

Integro lo aprendido

Anexos Al final del texto se presentan herramientas que te ayudarán en la construcción de distintas estrategias de síntesis. Además, encontrarás un glosario y bibliografía que podrás utilizar para estudiar y profundizar en aquellos temas que sean de tu interés.

Se propone una instancia evaluativa en la que se modela una pregunta donde se aplican los contenidos de la unidad, y otra donde podrás aplicarlo, además de una autoevaluación de tu aprendizaje.

Material digital Para descubrir nuevas actividades y Recurso digital profundizar en los aprendizajes, pídele complementario ayuda a tu profesor(a) para acceder a los recursos digitales complementarios que se sugieren en el texto. A lo largo de tu texto también encontrarás códigos que podrás ingresar en la página http://codigos.auladigital.cl para ver los sitios web sugeridos.

Química • 1.° Medio

Mañana tenemos que llevar los materiales para el laboratorio de ciencias.

Sí, detectaremos la presencia de dióxido de carbono (CO2). Nos ponemos de acuerdo más tarde. Me tengo que ir a casa.

Les escribo, yo anoté lo que hay que llevar.

Inicio

lenguaje universal Nomenclatura química

Propósito

Esa misma tarde...

de la

Explicar cómo se forman y clasifican los compuestos químicos, considerando las fuerzas que los unen y las reglas que se utilizan para nombrarlos, y demostrar interés por conocer la importancia de sus aplicaciones en nuestro entorno, manteniendo un lenguaje universal.

Ta Ca-Fe- Felipe, Tamara ,

Catalina

▸

idróxido itamos h y una s e c e n rio so laborato n matraz, un va m ✓✓ Para el u 7p , .2 a 5 u g ,a de calcio . bombilla

a Catalin

Felipe

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Tamara uff

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unidad

????

de calcio

✓✓ 5.28 pm

5.28 pm

✓✓

▸

... Para poder saber qué compuesto les están pidiendo a los jóvenes, deben recordar lo esencial, la tabla periódica.

Yo conozco 18 elementos de la tabla periódica, por ejemplo, el calcio, el oxígeno y el aluminio. ¿Cuántos conoces tú? Nómbralos.

Yo me acuerdo que los elementos se organizaban en metales, no metales y gases nobles. ¿Recuerdas alguna clasificación?

Algunos de ellos pueden unirse formando compuestos. ¿Saben cómo lo hacen?

Unidad 1 • Nomenclatura química

Inicio

¿Cómo se llamarán los compuestos que puso la profesora en la pizarra? Unos están formados por dos elementos y otros por tres.

Los nombres de los compuestos los tendremos que averiguar. ¿Cómo se forman los compuestos químicos?

▸ ¿Recuerdas algunos de estos compuestos? ¿Con qué los relacionas? Cloruro de sodio (NaCl)

▸ ¿Qué otro compuesto recuerdas tú? ¿Con qué lo relacionas?

Dióxido de carbono (CO2)

▸ ¿Cómo puedo expresar opiniones basadas en evidencias?

Química • 1.° Medio

Profesora, tenemos una consulta.

Ah! Usamos hidróxido de calcio, que era el compuesto con esta fórmula.

¿Cómo se llaman los compuestos de la actividad experimental que hicimos?

Ca(OH)2

También agregaron dióxido de carbono al soplar por la bombilla.

Con lo que se formó carbonato de calcio y agua.

CO2

¿Cómo se mantendrá unido el carbono a los oxígenos?

CaCO3 y H2O Súper, ¡queremos aprender a poner sus nombres!

Cuando comienzas una unidad surgen en ti motivaciones e intereses respecto de los temas que se tratarán y de las diferentes maneras de llegar a comprenderlos. ¿Conoces cuáles son los tuyos? Escribe qué te gustaría aprender en esta unidad.

Unidad 1 • Nomenclatura química

Inicio

Mis propósitos y estrategias Fe2O3 Cloruro de hidrógeno

H2S Hidruro de calcio

NiH2

Tamara ¿Sabes qué aprenderemos en la 5.27 pm ✓✓ unidad? Felipe Sí, la formación y clasificación de los compuestos químicos y las fuerzas que los unen.

CuO

5.27 pm ✓✓

Tamara ¿Para qué lo aprenderemos?

HNO3 Bromuro de potasio

5.27 pm ✓✓

Felipe Para explicar la formación y clasificación de compuestos químicos y de esta forma conocer sus aplicaciones en nuestro entorno. 5.27 pm ✓✓

Tamara ¿Necesitamos recordar conceptos 5.27 pm ✓✓ de años anteriores? Felipe Sí, debemos recordar conceptos como átomos, moléculas y compuestos, y sus interaciones. 5.27 pm ✓✓

Para saber qué metas, estrategias y propósitos utilizarás para desarrollar el aprendizaje de esta unidad, responde las siguientes preguntas: ¿Qué metas te propones para alcanzar el aprendizaje de la unidad?

¿Qué estrategias utilizarás para cumplir tus metas?

Si no las alcanzas, ¿cómo lo solucionarías?

Química • 1.° Medio

Lección

¿Cómo se llega a una nomenclatura química?

Propósito de la lección Analizar las características químicas de los elementos que explican sus posibles combinaciones y denominación, para comprender sus propiedades y valorar la importancia de sus aplicaciones en el entorno.

Ciencia, Tecnología y Sociedad

113

¿Qué significa para la ciencia un descubrimiento como este?

¡Se ha completado la fila de la tabla periódica!

115

Con cuatro nuevos elementos descubiertos, se ha completado la séptima fila de la tabla periódica. Se trata de los elementos superpesados 113, 115, 117 y 118, los cuales fueron encontrados por científicos de Japón, Rusia y Estados Unidos. Para ser incluidos, los elementos fueron verificados por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), organismo que rige la nomenclatura química, su terminología y medición. La organización indicó que los científicos habían entregado las pruebas suficientes para reclamar los descubrimientos de los elementos. Todos ellos hechos por el hombre. Tras esta noticia, el director de la investigación japonesa, Kosuke Morita, anunció que ahora su equipo está trabajando en descubrir el elemento 119 y otros más. Por otro lado, el químico japonés y premio Nobel de Química, Ryoji Noyori, ha señalado sobre el descubrimiento que “Para los científicos este descubrimiento es de mayor valor que una medalla de oro olímpica”. Como es costumbre, los elementos suelen ser nombrados oficialmente por los equipos de descubridores, pudiendo ser nombrados con conceptos mitológicos, minerales, países, propiedades o por el nombre de científicos. Al igual que los otros elementos superpesados incluidos al final de la tabla periódica, estos elementos solo existen por fracciones de segundos antes de desintegrarse en otros elementos.

M o s c ov i u m

Nihonium

Moscú

Japón

¿Por qué es importante el trabajo en equipo en ciencias?

118

117

Oganesso

Fuente: La tabla periódica se completa con cuatro nuevos elementos químicos. Ciencia. (04/01/2016) Recuperado de www. elmundo.es

Te n n e s s i n e Te n n e s s e e

11 3

ness 11 5r i O g a Yu c

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11 7

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Unidad 1 • Nomenclatura química

M os co vi um Mo scú

11 8

Og an es so n

sia n Yu ri Og an es

Desarrollo

Elementos, compuestos y tabla periódica

Propósito del tema

Debido al gran aumento de las sustancias descubiertas, los químicos han creado un sistema de lenguaje común y universal denominado nomenclatura química, el cual estudiaremos en esta unidad. Pero antes recordemos algunos conceptos básicos. Sustancias

Sustancias puras

Elementos químicos

Recordar la tabla periódica como una herramienta que da a conocer los elementos químicos, sus clasificaciones y propiedades.

Recurso digital complementario

Mezclas

Compuestos químicos

Homogéneas

Heterogéneas

¿Qué son los elementos y compuestos químicos? Los elementos químicos: Son sustancias que no pueden separarse en sustancias más simples por medios físicos o químicos. Los compuestos químicos: Son sustancias formadas por átomos de dos o más elementos unidos mediante enlaces químicos. Los elementos que forman los compuestos se unen mediante enlaces químicos, los cuales pueden ser del tipo iónico, covalente o metálico. A poner en práctica

Contexto histórico En los inicios de la química, incluso hoy en día, algunos compuestos químicos eran conocidos por sus nombres comunes debido a alguna de sus propiedades físicas o a su aplicación, por ejemplo, la cal, el ácido muriático y la soda cáustica, entre otros.

los conocimientos previos sobre las sustancias químicas

Clasifica las sustancias químicas como elementos y compuestos. Argumenta tu elección. Sustancia química

Clasificación

Explicación

Agua (H2O) Cobre (Cu) Óxido de hierro (FeO) Aluminio (Al) Oro (Au) Cloruro de sodio (NaCl)

↑ La imagen muestra el precipitado de sulfuro de cadmio (CdS), un compuesto químico usado en celdas solares o fotosensores por sus propiedades semiconductoras. Química • 1.° Medio

Lección 1

¿Cómo se ordenan los elementos químicos? Los elementos se ordenan en la tabla periódica usando como criterio de clasificación principal el número atómico (Z). Debemos recordar que el valor del número atómico es el mismo para todos los átomos de un elemento neutro.

¿Qué información entrega la tabla periódica? ▸ Los elementos tienen un símbolo y se ordenan en períodos y grupos. ▸ De acuerdo a la conductividad eléctrica, se pueden clasificar en metales, no metales y metaloides. También están los gases nobles. ▸ Los elementos se ordenan de modo que en los grupos poseen la misma distribución de electrones en el nivel más externo, conocidos como electrones de valencia. ▸ Las propiedades químicas y una gran parte de las propiedades físicas dependen del último nivel de energía.

¿Por qué son importantes las propiedades periódicas? En los grupos y períodos, se provocan variaciones en las propiedades físicas de los elementos, llamadas propiedades periódicas. Estas propiedades se relacionan directamente con las fuerzas que mantienen unidos a los átomos, es decir, con los enlaces químicos. A continuación, recordaremos algunas propiedades relacionadas con las magnitudes energéticas como son la afinidad electrónica y la energía de ionización. Si bien estas propiedades permiten entender la formación de los enlaces químicos, de acuerdo a la tendencia que tiene un átomo a ceder o no sus electrones, no son las únicas. Para la formación de enlaces también se utiliza la electronegatividad.

Unidad 1 • Nomenclatura química

Tabla periódica de los elementos químicos Grupo 1 1

Hidrógeno 1.007, 1.009

Litio 6.938, 6.997

Magnesio 24.31

Titanio 47.87

Vanadio 50.94

Potasio 39.10

Rubidio 85.47

Cesio 132.9

Sodio 22.99

Berilio 9.012

Francio

Calcio 40.08

Escandio 44.96

Estroncio 87.62

Ytrio 88.91

57-71

Bario 137.3

Lantánidos

89-103

Radio

Actínidos

Ba Ra

Ti 40

Circonio 91.22

Hafnio 178.5

104

Rf Rutherfordio

Período

Lantano 138.9

Actinio

Niobio 92.91

Tántalo 180.9

105

Dubnio

Cerio 140.1

Torio 232.0

Cromo 52.00

Molibdeno 95.94

Tungsteno 183.8

106

Seaborgio

Manganeso 54.94

Tecnecio

Renio 186.2

107

Bohrio

Praseodinio 140.9

Neodimio 144.2

Protactinio 231

Uranio 238.0

Hierro 55.85

Rutenio 101.1

Osmio 190.2

108

Hassio

Prometio

Neptunio

Afinidad electrónica Es la energía liberada cuando un electrón se agrega a un átomo gaseoso en estado neutro. Se expresa según: X+(g) + e– → X(g) + energía

▸ En un período, la afinidad electrónica generalmente aumenta de izquierda a derecha al aumentar Z. ▸ En un grupo, la afinidad electrónica no varía en gran medida. En conclusión, se puede decir que la afinidad electrónica da cuenta de la facilidad que tiene un átomo para aceptar un electrón. ¿Cuál de los siguientes elementos tiene mayor afinidad electrónica: Ba, Fe o Si? Fundamenta.

Desarrollo

¿Podrías identificar qué elementos se comportan como metales, no metales, metaloides y gases nobles?

Helio 4.003

Cobalto 58.93

Rodio 102.9

Níquel 58.69

Paladio 106.4

Iridio 192.2

109

Meitnerio

Samario 150.4

Plutonio

Platino 195.1

110

Darmstadtio

Europio 152.0

Americio

11 29

Cobre 63.55

Ag Plata 107.9

Au Oro 197.0

111

Roentgenio

Gadolinio 157.3

Cm Curio

Aluminio 26.98

12 30

Cinc 65.38(2)

Galio 69.72

Cadmio 112.4

Indio 114.8

Mercurio 200.6

Talio 204.3, 204.4

Oxígeno 15.99, 16.00

Silicio 28.08, 28.09

Fósforo 30.97

Azufre 32.05, 32.08

Si 32

Germanio 72.63

Estaño 118.7

Plomo 207.2

Copernicio

Flerovio

Terbio 158.9

Berkelio

Arsénico 74.92

Antimonio 121.8

Bismuto 209.0

Disprosio 162.5

Californio

Holmio 164.9

Es w

Flúor 19.00

Cloro 35.44, 35.46

Selenio 78.96

Bromo 79.90, 79.91

Teluro 127.6

Yodo 126.9

Polonio

Astato

Neón 20.18

Argón 39.95

Kriptón 83.80

Xenón 131.3

Radón

Livermorio

Erbio 167.3

100

Fermio

Tulio 168.9

101

Mendelevio

Yterbio 173.1

Lutecio 175.0

102

103

Nobelio

Lawrencio

Ciencia en Chile

116

Nitrógeno 14.00, 14.01

114

Carbono 12.00, 12.02

112

Boro 10.80, 10.83

María Cecilia Hidalgo Tapia. La bioquímica fue la primera mujer en recibir el Premio Nacional de Ciencias Naturales en 2006. Trabaja a nivel internacional en el campo de la regulación del calcio intracelular. ¿Qué propiedades químicas y físicas presenta el átomo de calcio? Fuente: www.conicyt.cl

Energía de ionización

Electronegatividad

Es la energía mínima necesaria para liberar el electrón más externo de un átomo gaseoso en estado neutro. Se expresa según: M(g) + energía → M+(g) + e–

Es la medida de la capacidad que tiene un átomo para atraer los electrones en un enlace químico. Este concepto fue descrito por Linus Pauling (1901-1994), quien determinó una escala que va entre 0,8 y 4,0.

▸ En un período, la energía de ionización aumenta de izquierda a derecha al aumentar Z. ▸ En un grupo, la energía de ionización disminuye de arriba hacia abajo al aumentar Z. En conclusión, se puede decir que al aumentar el Z los electrones estarán más fuertemente unidos al núcleo, por lo que necesitarán más energía para lograr vencer la fuerza de atracción y sacar un electrón. ¿Cuál de las siguientes especies puede perder un electrón con mayor facilidad: Ca2+, K+ o Cl–? Explica.

Valores de electronegatividad

Chang, R. (2002). Química. (7.a ed). México: McGraw-Hill Interamericana Editores S.A. (Adaptación).

Química • 1.° Medio

Lección 1

Enlaces químicos y compuestos

Propósito del tema

Ya hemos recordado los elementos químicos, su clasificación y propiedades. También sabemos que estos están formados por átomos, pero ¿cómo se unen los elementos para formar los compuestos? Los átomos se mantienen unidos por fuerzas eléctricas, llamadas enlaces químicos. Los enlaces químicos permiten comprender cómo a partir de unos pocos elementos se forma la gran variedad de compuestos que existen en el universo.

Recordar e identificar las características que tienen los elementos químicos en la formación de enlaces, que explican sus posibles combinaciones y denominación.

Estructura de Lewis Para facilitar la comprensión de la formación de los enlaces, el químico estadounidense Gilbert Lewis (1875-1946) creó un sistema de representación de los enlaces químicos, conocido hoy en día como estructura de Lewis. El sistema consiste en ubicar el símbolo del elemento en el centro y, a su alrededor, con puntos o cruces, los electrones de valencia, es decir, representar los electrones del último nivel de energía. Veamos unos ejemplos de elementos y su estructura de Lewis. El sodio (Na), en su última capa tiene 1 electrón de valencia, por lo que su estructura de Lewis quedará representada por:

El cloro (Cl), en su última capa tiene 7 electrones de valencia, por lo que su estructura de Lewis será:

Importante La valencia corresponde al número de electrones de un átomo que participan en un enlace. Para obtener la valencia de un átomo es importante tener en cuenta los electrones del último nivel, los que se transfieren, se aceptan o se comparten en la formación de un enlace. La valencia es un concepto distinto del número de oxidación.

Enlaces en compuestos iónicos y covalentes Enlace iónico Un ejemplo común es el cloruro de sodio o sal de mesa (NaCl). En este enlace, el sodio transfiere su electrón de valencia al cloro, formando un compuesto iónico.

Na + Cl → Na+ Cl

Enlace covalente Un ejemplo es el hidrógeno (H2), el cual tiene 1 electrón de valencia. En este ejemplo, el enlace se forma al compartir un par de electrones.

H + H→H H

Un segundo ejemplo es el oxígeno (O2), el cual tiene 6 electrones de valencia, que forman el siguiente enlace:

El enlace que mantiene unido al sodio y cloro, corresponde a la fuerza de atracción electrostática que se produce por la transferencia de electrones entre un átomo con O + O → O O mayor afinidad electrónica, el cloro, y uno con menor También el enlace del agua (H2O). Como vimos, el hidróafinidad electrónica, el sodio. geno tiene 1 electrón de valencia y el oxígeno 6 electroTambién se puede determinar por la diferencia de electrones, así: negatividad que hay entre ambos átomos.

2H + O → H O H

Unidad 1 • Nomenclatura química

Desarrollo

Clasificación y propiedades de los compuestos químicos

Los enlaces que unen a los elementos en un compuesto pueden ser iónicos, covalentes o metálicos. A partir de esta clasificación se pueden comprender sus diversas propiedades. Conozcámoslas. ¿Cómo son los compuestos covalentes? ▸ Se forman por la unión de elementos que comparten electrones de valencia y son atraídos por los núcleos. ▸ Los electrones se comparten en pares (1, 2 o 3 pares); así, cada par compartido corresponde a un enlace covalente simple, doble o triple. Por ejemplo, en el dióxido de carbono (CO2), el carbono comparte sus cuatro electrones con cuatro electrones de los oxígenos que lo forman.

↑ Globo inflado por efecto del dióxido de carbono. ¿Qué tipo de enlace covalente presenta el CO2?

¿Cómo son los compuestos iónicos? ▸ Se forman cuando reacciona un elemento metálico con un elemento no metálico. ▸ El elemento metálico cede electrones, transformándose en un catión. ▸ El elemento no metálico capta electrones, transformándose en un anión. ▸ Como estos iones poseen cargas opuestas, se atraen por fuerzas electrostáticas que los mantienen unidos. Por ejemplo, el catión sodio (Na+) y el anión cloruro (Cl–) forman el compuesto cloruro de sodio (NaCl).

↑ Cloruro de sodio. ¿En estado sólido el cloruro puede conducir la corriente eléctrica?

¿Cómo son los compuestos metálicos? ▸ Están formados por átomos metálicos iguales que se superponen con átomos vecinos formando una red cristalina. ▸ Los electrones de la red cristalina se extienden formando una nube electrónica, la que les permite desplazarse a través de toda la red, proporcionándole la fuerza para que se mantenga unida y compacta. Por ejemplo, el cobre metálico posee un conjunto de electrones uniformemente distribuidos alrededor del catión de este elemento.

A poner en práctica

los organizadores de contenidos

Junto con un compañero o compañera creen un esquema que resuma las características y propiedades de los compuestos covalentes, iónicos y metálicos, indicando un ejemplo y su importancia. Luego, evalúen en grupos los esquemas y elaboren uno en común, con cada uno de sus aportes.

↑ Cobre. ¿Por qué el cobre conduce la corriente eléctrica?

Conectando con... Las TIC Te invitamos a investigar cómo se forma el enlace metálico. Para ello, ingresa el código 16TQ1M019A en el sitio web del Texto. Luego, crea una ficha explicando con tus palabras cómo se forma el enlace.

Química • 1.° Medio

Lección 1

Clasificación de los compuestos inorgánicos

Propósito del tema

Otra forma de clasificar los compuestos químicos es según su átomo central, que permiten diferenciar los compuestos orgánicos e inorgánicos. Los compuestos orgánicos son aquellos que presentan carbono en su composición unido con hidrógeno como base y, en algunas ocasiones con oxígeno, nitrógeno y azufre, por ejemplo, la glucosa (C6H12O6). Los compuestos inorgánicos están formados por la unión de otros elementos, y solo en algunos casos se encuentra presente el carbono. Un ejemplo de compuesto inorgánico es el amoníaco (NH3). En esta ocasión conoceremos la nomenclatura de los compuestos inorgánicos, los cuales se dividen considerando el número de elementos que los constituyen. Así, se encuentran los compuestos binarios, formados por dos elementos, y los compuestos ternarios, formados por tres elementos. Veamos, a continuación, la clasificación de los compuestos inorgánicos según su nomenclatura. Oxigenados

Compuestos binarios

Hidrogenados

Sales binarias Compuestos inorgánicos

Definir e identificar el uso de las nomenclaturas inorgánicas (IUPAC y Stock) como modelo de caracterización de moléculas, a partir de las fuerzas eléctricas entre sus partículas.

Óxidos metálicos

Óxidos no metálicos

Hidruros metálicos

Hidruros no metálicos

Hidrácidos Hidróxidos Amplía tus conocimientos

Compuestos ternarios

Para conocer cómo se forman los compuestos binarios y ternarios, estudiaremos a continuación, el estado de oxidación. 20

Unidad 1 • Nomenclatura química

Oxácidos

Sales ternarias

Por definición, los compuestos inorgánicos son aquellos cuyo componente principal no es el carbono. Sin embargo, existen compuestos, como el dióxido de carbono (CO2) y el monóxido de carbono (CO) que, teniendo carbono, se consideran inorgánicos. ¿Qué características tienen los compuestos orgánicos que hace que el CO2 y el CO no sean parte de esta clasificación?

Desarrollo

Estado de oxidación (EDO)

El estado o número de oxidación se define como la cantidad de electrones cedidos o aceptados por un átomo en un determinado compuesto, por lo que es esencial para su formación. El estado de oxidación puede adoptar valores positivos, negativos o cero. Si un átomo posee estados de oxidación negativos, implica que ha ganado electrones; y si posee estados de oxidación positivos, significa que ha perdido electrones. A continuación, revisaremos algunas reglas básicas para determinar el valor del estado de oxidación en un átomo.

¿Por qué los gases nobles no forman enlaces?

Reglas básicas para determinar el EDO ▸ Los metales presentarán valores de estados de oxidación positivos. ▸ Los no metales pueden presentar valores positivos y negativos.

Recurso digital complementario

▸ El hidrógeno posee estado de oxidación –1 cuando se combina con metales y +1 cuando se combina con no metales. ▸ El oxígeno tiene estado de oxidación –2 y en los peróxidos, –1. ▸ Los elementos del grupo 1 (alcalinos) y grupo 2 (alcalinos térreos) poseen estados de oxidación +1 y +2, respectivamente. ▸ La suma algebraica de los estados de oxidación de todos los átomos que forman un compuestos es igual a cero. ▸ La suma algebraica de los estados de oxidación de todos los átomos que forman un ion poliatómico es igual a la carga del ion.

¿Cómo se determina el estado de oxidación? A continuación, te explicamos cómo se determina el EDO para un átomo en un compuesto y para un ion poliatómico. EDO para un átomo Calcula el estado de oxidación para el azufre (S) en el ácido sulfúrico: H2SO4. Por regla se sabe que: ▸ El EDO del hidrógeno es +1 al combinarse con metales. ▸ El EDO del oxígeno es –2. ▸ La suma de los EDO en un compuesto es cero. H2SO4

Calcula el estado de oxidación del fósforo (P) en el ion fosfato: PO43-. Por regla se sabe que: ▸ El EDO del oxígeno es –2. ▸ La suma de los EDO en un ion poliatómico es igual a la carga del ion. PO43– X + 4 (–2) = –3 X – 8 = –3 X = +8 – 3 X = +5

el cálculo de los EDO

1. Calcula los EDO de los elementos subrayados en los siguientes iones: a. HCO3– b. SO42–

Puedes encontrar los datos de EDO de algunos elementos en los anexos del texto. p.178.

EDO para un ion poliatómico

2 (+1) + X + 4 (–2) = 0 +2 + X – 8 = 0 X = +8 – 2 X = +6

A poner en práctica

Importante

c. NO2– d. SiO32–

2. Determina los EDO de los elementos subrayados en los siguientes compuestos: a. Al(OH)3 b. KMnO4

c. Na3PO4 d. HBrO2

Química • 1.° Medio

Lección 1

Nomenclatura química En los inicios de la química los nombres de los compuestos se memorizaban, esto debido a que el número de ellos era pequeño. Sin embargo, con el paso del tiempo el número ha ido en aumento, lo que hace imposible memorizar sus nombres. Tal como se mencionó al inicio de la lección, la nomenclatura permite identificar los compuestos con un nombre y una fórmula química establecidas de acuerdo a un consenso. Así, para denominar los compuestos químicos inorgánicos se siguen las normas indicadas por la IUPAC. A continuación, conocerás tres tipos de nomenclatura usados para referirse a los compuestos inorgánicos: la nomenclatura sistemática, la nomenclatura de Stock y la nomenclatura tradicional.

Hoy en día se conocen aproximadamente 500.000 compuestos químicos inorgánicos. ¿Cuál crees que es la importancia de haber creado un sistema de nomenclatura para nombrar los compuestos químicos?

Nomenclatura sistemática

Nomenclatura de Stock

Este tipo de nomenclatura es la más recomendada por la IUPAC para nombrar los compuestos químicos.

Este tipo de nomenclatura es especialmente útil para elementos con más de un estado de oxidación.

▸ En ella se utilizan prefijos numéricos griegos para especificar la cantidad de átomos presentes en el compuesto.

▸ En este caso, se indica el estado de oxidación del elemento metálico o no metálico, en números romanos y entre paréntesis.

mono (1) di (2) tri (3) tetra (4) penta (5) hexa (6)

▸ Por ejemplo, el nombre del compuesto Al2O3 será “trióxido de dialuminio”, lo cual señala que hay tres átomos de oxígeno y dos átomos de aluminio. A poner en práctica

▸ Por ejemplo, para el compuesto FeO el nombre será “óxido de hierro (II)” y para el Fe2O3 “óxido de hierro (III)”. El hierro presenta estado de oxidación +2 y +3, respectivamente.

la investigación de aplicaciones en el entorno

1. Formen parejas e investiguen sobre el proceso de corrosión en diferentes metales. Luego, elijan un ejemplo cotidiano en el que se pueda observar el proceso de corrosión y respondan: a. b. c. d. e. f. g.

Expliquen cómo se produce el proceso de corrosión. ¿Qué materiales son los más afectados en este proceso? ¿Cómo se puede evitar la corrosión? ¿Qué es la galvanoplastia? ¿Qué efectos causa la corrosión sobre el entorno? ¿Qué beneficios y desventajas tiene para la industria? ¿Qué aportes a su proceso de aprendizaje les entrega una investigación?

Unidad 1 • Nomenclatura química

↑ La forma hidratada del óxido de hierro (III) se conoce como herrumbre.

▸ Como:

¿Qué opinas de esto?

¿Por qué en los barcos el proceso de oxidación es mucho más lento o casi no se produce?

Desarrollo

Nomenclatura tradicional Es importante mencionar que la nomenclatura tradicional es un sistema antiguo de nomenclatura, aunque todavía se utiliza en algunos casos. Es por esta razón que te la mencionamos. En este tipo de nomenclatura se identifican los estados de oxidación con los siguientes prefijos y sufijos. Hipo

oso

Para el menor EO

oso

Para EO intermedios

ico Per

ico

Para el mayor EO

▸ Por ejemplo, algunos de los estados de oxidación del cloro son: +1, +3, +5 y +7, y forma los siguientes compuestos con el oxígeno: Cl2O

Anhídrido hipocloroso

Cl2O3

Anhídrido cloroso

Cl2O5

Anhídrido clórico

Cl2O7

Anhídrido perclórico

A poner en práctica

la aplicación de los tipos de nomenclatura

1. Propone las posibles fórmulas para los siguientes compuestos: a. b. c. d.

Monóxido de carbono. Hidruro de calcio. Óxido de manganeso (II). Pentaóxido de dicloro.

Amplía tus conocimientos ¿Sabías que la producción de cobre deja un subproducto llamado molibdeno? Este elemento, de gran importancia para los chilenos, se utiliza como materia prima para la fabricación de aceros especiales y otras aleaciones. Sin embargo, no existe puro de manera natural sino que se obtiene de minerales sulfurados como la molibdenita (MoS2). ¿En qué otras aplicaciones se utiliza el molibdeno? Averigua.

Contexto histórico El mundo de la minería ha sido siempre un lugar de hombres. Incluso, por mucho tiempo existió el mito de que las mujeres no podían entrar a una mina porque esta se ponía celosa. Sin embargo, hace ya unos años que la mujer ha comenzado a formar parte importante de esta área y es así como, por ejemplo, en Codelco, se está realizando un fuerte aumento en el número de mujeres que trabajan en sus divisiones.

2. Construye un modelo en plasticina de los siguientes compuestos. Para ello, observa los colores de los átomos en el anexo de la p. 178. a. b. c. d. 3.

Mn2O3 Fe2O3 Cl2O5 NaCl Reúnete con un compañero o compañera y realiza una una lluvia de ideas respecto de la importancia de la nomenclatura. Pueden responder preguntas como: ¿Saben algún nombre de un compuesto químico?, ¿qué información pueden entregar el nombre y la fórmula del cloruro de sodio?, ¿qué importancia tiene el saber los nombres de los compuestos químicos y sus aplicaciones?, ¿conocen algún compuesto químico que se produzca en Chile y cuál es su aplicación? Hagan un análisis de las respuestas y luego coméntenlas en clases.

↑ Marlin Tapia, trabajadora de la división Ministro Hales, al norte de Calama. Créditos: Codelco.

Química • 1.° Medio

Integro lo aprendido Responde las siguientes preguntas relacionadas con la Lección 1. 1. A continuación, se muestra una tabla periódica muda. Complétala siguiendo las indicaciones que se muestran más abajo. (A) Tabla periódica muda 1

(A)

1 2 3 4 5 6 7

(B)

a. ¿Cuáles representan a los grupos y cuáles a los períodos? Escríbelo en los recuadros (A). b. Demarca con rojo los elementos metálicos y con azul los elementos no metálicos. c. Pinta con verde los gases nobles. d. Indica con flechas, en los recuadros (B), cómo varía la energía de ionización, la afinidad electrónica y la electronegatividad. 2. Escoge dos de los siguientes elementos y, con la estructura de Lewis, realiza un enlace iónico. Li

ev = 1

Unidad 1 • Nomenclatura química

ev = 4

ev = 7

(B)

Desarrollo

3. ¿Qué características de los compuestos metálicos hacen de ellos buenos conductores de la corriente eléctrica? Explícalo mediante un ejemplo, de acuerdo a las propiedades de los compuestos químicos.

Formen parejas y creen, en su cuaderno, un esquema que resuma los tipos de nomenclatura de compuestos inorgánicos. Indiquen un ejemplo para cada una de ellas. 5. ¿Qué ventajas tiene para tí crear un organizador gráfico para lograr exitosamente el aprendizaje de conceptos y procedimientos?

¿Qué logré? Una vez que hayas terminado la actividad, compárala con la de un compañero o compañera, comenten las respuestas y resuelvan cómo corregir las que tengan distintas. Luego, respondan: ¿En qué nos ayudó comparar las respuestas con un compañero o compañera?

¿Cómo resolvieron las respuestas que tenían distintas?

¿Qué conocimientos de años anteriores utilizaste para resolver las actividades de la lección?

¿Qué importancia tienen los elementos y compuestos en nuestra vida y en nuestro entorno?

Química • 1.° Medio

Lección

¿Cómo se forman los compuestos binarios?

Propósito de la lección Analizar y explicar la formación de compuestos binarios, considerando las fuerzas eléctricas entre partículas y la nomenclatura inorgánica, para valorar la importancia y utilidad de estos compuestos.

Oro blanco Ciencia, Tecnología y Sociedad ¿A qué crees que ha ce referen cia la fra se “la sal valía literalm ente su peso en oro”?

¿Por qué crees que es importante con ocer la r diferen cia entre la sal de ma y la sal de mesa?

¿Qué propiedades posee la sal que la hicieron tan apreciada?

de Pichilemu

Hace algún tiempo, la sal valía literalmente su peso en oro, ya que esta era ocupada para mantener los alimentos y era de vital importancia para la supervivencia en el desierto o en los viajes realizados en barco. Hoy en día, la sal sigue siendo importante no solo para el organismo, sino también en el ámbito patrimonial. Por ejemplo en Chile, en la ciudad de Pichilemu, específicamente en Cáhuil y sus alrededores, se realiza la producción del mineral cloruro de sodio (NaCl), siendo esta zona privilegiada gracias a las entradas de mar de los esteros Nilahue y Cáhuil. En lo que se refiere al cuerpo humano, la nutricionista de la UC del Maule, Ana Tudela, explicó que este compuesto sirve para su adecuado funcionamiento: “La sal es necesaria especialmente para los impulsos nerviosos, a través de ellos se puede llegar a la contracción muscular, y de esta manera se eliminan adecuadamente los fluidos corporales, como la orina o la transpiración; desechando así el sodio”. La nutricionista además agrega que la sal de mar tiene varias ventajas respecto de la sal procesada; por ejemplo, tiene yodo, magnesio, manganeso y calcio de forma natural, todos elementos que el organismo necesita y que son beneficiosos para la salud. También menciona que “un gramo de sal de mar no es lo mismo que un gramo de sal refinada, ya que la sal de mar cuesta más disolverla y su sabor es más concentrado”. Fuente: Morales Carla. Sal de mar: El oro blanco de Pichilemu. Explora. (Adaptación) Recuperado de http://regiones.explora.cl/ohiggins/ noticias-ohiggins/5784-sal

Gentileza foto: Esteban Reyes, PAR Explora CONICYT, Región de O’Higgins. 26

Unidad 1 • Nomenclatura química

Desarrollo

Compuestos oxigenados El oxígeno es el elemento más abundante en la corteza terrestre y en el cuerpo humano. Este se encuentra en la naturaleza como oxígeno molecular (O2). A temperatura ambiente es un gas incoloro e inodoro y ligeramente soluble en agua; sin embargo, su presencia es esencial para la vida marina. Se encuentra en una gran variedad de compuestos, resultantes de la combinación del oxígeno con un metal o no metal. A poner en práctica

los conocimientos previos mediante la experimentación

Consigue una manzana roja, medio limón y dos platos o pocillos. Luego, realiza el experimento.

Propósito del tema Identificar las combinaciones del oxígeno con metales y no metales teniendo en cuenta las fuerzas que interactúan en su interior y aplicar las reglas de nomenclatura correspondientes.

Materiales

1. Toma la manzana y córtala en dos mitades. Coloca cada mitad sobre un plato. Luego, anota las características de la manzana. 2. Aprieta el limón y deja caer su jugo sobre una de las mitades de la manzana, cubriendo toda la superficie. 3. Deja reposar las dos mitades de manzana (una con jugo de limón y la otra sin el) durante dos horas. 4. ¿Qué crees que sucederá en ambas mitades de la manzana? Escribe tus predicciones. 5. Al pasar las dos horas, ¿qué observas? Registra lo que ves.

Precaución Recuerda las normas de seguridad para la utilización de material cortante y sé responsable en su uso.

A continuación, responde: a. Compara las predicciones que registraste de las mitades de la manzana con las observaciones que realizaste luego de pasadas las dos horas. b. ¿Por qué crees que la mitad de manzana sin jugo de limón reaccionó de esa manera? c. Las observaciones anotadas, ¿te permiten validar o rechazar tus predicciones?

En la actividad que acabas de realizar, seguramente observaste que la mitad de manzana no cubierta con jugo de limón se ha oscurecido. Esto se debe a la reacción que ocurre entre el oxígeno del aire y los componentes de la manzana, es decir, se ha producido una oxidación. Ahora te invitamos a conocer los compuestos químicos que forma el oxígeno con otros elementos, conocidos como óxidos metálicos y óxidos no metálicos, además de los que son un derivado de los óxidos.

en secuen cia s ¿Tien e con er an o com el ser hum en? que se oxid s to alimen

Química • 1.° Medio

Lección 2

Óxidos metálicos o básicos ¿Cómo se forman? Son compuestos binarios que se forman por la unión de un metal (catión) y oxígeno oxígeno, dando el óxido del metal.

Importante En las fórmulas generales M2On y X 2On de los óxidos, la O corresponde al oxígeno y el 2, a su estado de oxidación.

Propiedades físicas y químicas ▸ Son sólidos. ▸ Poseen altos puntos de fusión y de ebullición. ▸ En general, son solubles en agua. ▸ La mayoría son básicos. ▸ Reaccionan con ácidos formando sal y agua.

¿Cómo se nombran? Su fórmula general es M2O n , donde M es el metal y n, su estado de oxidación. Tipos de nomenclatura Nomenclatura sistemática Se escribe la palabra “óxido”, seguida del nombre del metal, anteponiendo a cada uno su correspondiente prefijo numérico. PbO: monóxido de plomo Fe2O3: trióxido de dihierro Nomenclatura de Stock Se escribe la palabra “óxido”, seguida del nombre del metal. Si el metal tiene un estado de oxidación, no se indica. Si tiene más de un estado de oxidación, se indica con números romanos y entre paréntesis. PbO: óxido de plomo (II) PbO2: óxido de plomo (IV)

Amplía tus conocimientos Los peróxidos están formados por oxígeno y ciertos metales. Presentan un enlace O-O y el estado de oxidación del oxígeno es (–1). Su fórmula general es M2(O2)n, donde M es un metal y n su estado de oxidación. Por ejemplo: Nomenclatura sistemática: Na2O2: peróxido de disodio. Nomenclatura de Stock: Na2O2: peróxido de sodio. ¿En qué se utilizan los peróxidos? Investiga sus aplicaciones. Dato ¿Sabías que el agua oxigenada es un peróxido? Esta corresponde al peróxido de hidrógeno (H2O2), el cual es usado por ejemplo en tinturas de cabello.

Contexto histórico Los primeros intentos de llegar a consensos sobre materias en química surgieron a partir de reuniones internacionales organizadas por el científico alemán August Kekulé, siendo la primera de ellas en 1860. Luego, en 1919, ante la necesidad de facilitar la labor de la comunidad internacional, los químicos de la industria y del mundo académico crearon la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, más conocida por su sigla IUPAC. Esta organización tiene como propósito normar aspectos de la química, por ejemplo, en los ámbitos de nomenclatura inorgánica y orgánica, normalización de masas atómicas, constantes físicas y tabla periódica, entre otras.

Unidad 1 • Nomenclatura química

Desarrollo

Óxidos no metálicos o ácidos

¿Cómo se forman? Son compuestos binarios que se forman por la unión de un no metal (anión) y oxígeno, dando el óxido del no metal. Propiedades físicas y químicas ▸ En general, se encuentran en estado gaseoso. ▸ Poseen bajos puntos de fusión y de ebullición. ▸ Son malos conductores del calor y la electricidad. ▸ En general son sustancias moleculares. ▸ Reaccionan con agua formando ácidos.

↑ Dióxido de nitrógeno (NO2).

¿Cómo se nombran?

Tipos de nomenclatura Nomenclatura sistemática

N. sistemática

Se escribe la palabra “óxido”, seguida del nombre del metal. Si el metal tiene un estado de oxidación, no se indica. Si tiene más de un estado de oxidación, se indica con números romanos y entre paréntesis. Cl2O: óxido de cloro (I) Cl2O3: óxido de cloro (III)

la aplicación de nomenclatura a óxidos

1. Completa la tabla con la fórmula o la nomenclatura indicada. Fórmula

¿Cómo se relaciona el dióxido de nitrógeno con la contaminación del aire? Averígualo.

Nomenclatura de Stock

Se escribe la palabra “óxido”, seguida del nombre del metal, anteponiendo a cada uno su correspondiente prefijo numérico. Cl2O: monóxido de dicloro Cl2O3: trióxido de dicloro

A poner en práctica

Su fórmula general es X 2On, donde X es un no metal y n, su estado de oxidación.

N. de Stock

SiO2 Óxido de magnesio SO3 Óxido de fósforo (III)

2. Un elemento del grupo 2, ¿podría formar un óxido metálico con el oxígeno?, ¿y un elemento del grupo 15? Fundamenta. 3. En un laboratorio se encontró un compuesto oxigenado que fue sometido a pruebas, resultando lo siguiente: se disolvió en agua y tenía un alto punto de ebullición. ¿A qué tipo de óxido se refería, metálico o no metálico? 4.

Formen parejas e investiguen de qué minerales se extrae el hierro en Chile. Indiquen sus nombres y fórmulas.

Química • 1.° Medio

A poner en práctica

mediante un taller de ciencias

Aprendiendo a desarrollar procesos científicos Comportamiento químico de los óxidos Antecedentes El oxígeno reacciona con la mayoría de los elementos presentes en la tabla periódica formando compuestos binarios o ternarios. Entre estas sustancias se encuentran los óxidos, compuestos binarios que pueden ser metálicos o no metálicos dependiendo del elemento con que se combine el oxígeno.

Planteamiento del problema e hipótesis ¿Cómo se comporta un óxido metálico al ser expuesto a distintos medios, por ejemplo, el agua, la salmuera y el aceite? Formen grupos de trabajo y formulen en su cuaderno una hipótesis para comprobar el comportamiento de un óxido en distintas disoluciones.

Diseño experimental

Materiales

Reúnan los siguientes materiales y reactivos: tres clavos de hierro, tres vasos de precipitado de 100 mL, probeta de 100 mL, agua de la llave, cucharada de sal, 50 mL de aceite, trozo de lija fina, papel para etiquetar y lápiz. Procedimiento 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Tomen los vasos y etiquétenlos como: N.° 1, N.° 2 y N.° 3. Agreguen 70 mL de agua a cada uno de los vasos. Tomen los clavos y lijen suavemente cada una de las puntas. Coloquen uno de los clavos en el vaso 1. Tomen el vaso 2 y agreguen la cucharada de sal. Revuelvan hasta disolver la sal. Tomen el segundo clavo y sumérjanlo en el vaso 2. Busquen el tercer clavo y empápenlo en aceite, cuidando que todo el clavo quede bañado en el aceite. Sumerjan el clavo del paso anterior en el vaso 3. Busquen un lugar adecuado donde puedan dejar su experimento. Déjenlo allí por 6 días. Importante Para botar el aceite deben hacerlo dentro de una botella, juntando todo el aceite del curso. No deben arrojarlo directamente al lavaplatos. Es necesario que escriban sus observaciones del proceso cada dos días. Para ello, utilicen las tablas indicadas en los resultados.

Unidad 1 • Nomenclatura química

Precaución Ten mucho cuidado al trabajar, ya que estarás ocupando material de vidrio y te puedes cortar.

¿Sabías que en la edad de los metales el pueblo hitita, usaba el hierro como regalo por su alto costo?

Objetivo: Investigar, experimentalmente, las propiedades de un óxido metálico.

Habilidades: Formular una hipótesis validándola o rechazándola.

Actitud: Trabajar en forma proactiva y colaborativa, respetando los variados aportes del equipo.

Desarrollo

Tiempo: 6 días

Recolectar y registrar evidencias Completen la siguiente tabla con las observaciones realizadas en el procedimiento. Vaso 1

Vaso 2

Vaso 3

Día 0 Día 2 Día 4 Día 6

Análisis e interpretación de resultados a. Compartan sus conclusiones y establezcan una única respuesta como grupo. b. ¿Cuál fue el clavo más afectado por la oxidación?, ¿por qué creen que fue así? c. ¿Qué función creen que cumple el aceite en la experiencia?

Conclusiones y evaluación a. ¿Qué conclusiones obtuvieron de las experiencias realizadas? b. ¿Cómo influye el medio en que esté un óxido metálico en el proceso de oxidación? Expliquen. c. ¿Validaron o rechazaron la hipótesis formulada? d. ¿Qué solución darían para evitar la corrosión de los metales? e. ¿Cómo se podría mejorar la investigación experimental?

Comunicación de resultados Para comunicar los resultados de la investigación, elaboren un informe escrito en el que describan el problema propuesto, la hipótesis, el diseño experimental, los resultados obtenidos y las conclusiones de la investigación. Además, incluyan las respuestas a las siguientes preguntas: ¿Expresan sus opiniones basados en evidencias que fundamenten sus afirmciones? ¿Escuchan con atención las opiniones y argumentos propuestos por sus compañeros(as)? Desafío Propongan un diseño experimental en el que comprueben el proceso de oxidación que sufre una pera al estar en contacto con el aire y la acción que cumple el jugo de naranja cuando cubre la superficie de la pera trozada. Su experimento debe incluir: ▸ El problema de investigación y la hipótesis. ▸ Los materiales necesarios y el procedimiento que realizarán.

▸ Los resultados obtenidos y su interpretación. ▸ Las conclusiones y la evaluación de su trabajo. Para comunicar los resultados de esta experiencia, elaboren un informe escrito. ¿Por qué creen que es importante conocer los procesos que ocurren en el entorno, por ejemplo, el de la corrosión?

Química • 1.° Medio

Lección 2

Compuestos hidrogenados El hidrógeno es el elemento más liviano de la naturaleza, así como el más abundante en el universo. Presenta muy baja solubilidad en líquidos, pero una alta solubilidad en metales, especialmente en el paladio. En condiciones normales, es un gas incoloro, inodoro e insípido. A temperaturas ordinarias, es una sustancia poco reactiva, a menos que haya sido activado de alguna manera; por ejemplo, por un catalizador adecuado. Sin embargo, a temperaturas elevadas es muy reactivo. Los compuestos hidrogenados se pueden clasificar en hidruros metálicos, hidruros no metálicos e hidrácidos. A continuación, revisaremos cada uno de ellos.

Propósito del tema Identificar las combinaciones del hidrógeno con metales y no metales teniendo en cuenta las fuerzas que interactúan en su interior y aplicar las reglas de nomenclatura correspondientes.

Hidruros metálicos ¿Cómo se forman? Estos compuestos binarios se forman por la unión de hidrógeno y un elemento metálico (catión). Propiedades físicas y químicas ▸ Son sólidos a temperatura ambiente. ▸ Presentan altos puntos de fusión y ebullición. ▸ Son excelentes conductores de la electricidad. ▸ Reaccionan violentamente con el agua.

Importante En las fórmulas generales MHn y XHn de los compuestos hidrogenados, la H corresponde al hidrógeno, el cual tiene un estado de oxidación igual a –1, en los hidruros metálicos; y +1, en los hidruros no metálicos.

¿Cómo se nombran? Su fórmula general es MHn, donde M es el símbolo del metal y n, su estado de oxidación. Tipos de nomenclatura Nomenclatura sistemática

Nomenclatura de Stock

Se escribe la palabra “hidruro” seguida del nombre del metal, anteponiendo a cada uno su correspondiente prefijo numérico. NiH2: dihidruro de níquel AlH3: trihidruro de aluminio

A poner en práctica

Se escribe la palabra “hidruro” seguida del nombre del metal. Si el metal posee más de un estado de oxidación, este se indica con números romanos y entre paréntesis. NiH2: hidruro de níquel (II) AlH3: hidruro de aluminio (III)

↑ Pilas recargables de NiMH formadas por un ánodo de oxihidróxido de níquel y un cátodo de aleación de hidruro metálico.

la investigación de los hidruros metálicos

Formen parejas e investiguen sobre los usos y aplicaciones de los hidruros metálicos. Para ellos creen una ficha incluyendo: compuesto, fórmula, usos y aplicaciones. 32

Unidad 1 • Nomenclatura química

Desarrollo

Hidruros no metálicos

Dato

¿Cómo se forman?

El amoníaco (NH3) es una sustancia inorgánica muy importante en la industria, ya que se emplea, por ejemplo, en fertilizantes y en la producción de plásticos, entre otras áreas.

Estos compuestos binarios están formados por hidrógeno y un no metal (anión), perteneciente a los grupos 13 (III A), 14 (IV A) y 15 (V A) de la tabla periódica. Propiedades físicas y químicas

▸ Son líquidos a temperatura ambiente. ▸ Presentan bajos puntos de fusión y ebullición. ▸ Son malos conductores de la electricidad y el calor. ▸ Son insolubles en agua.

domés ticos ¿Qué usos ? el amoníaco

tien e

¿Cómo se nombran? Su fórmula general es XHn, donde X es el símbolo del no metal y n, su estado de oxidación. Tipos de nomenclatura Nomenclatura sistemática Se escribe la palabra “hidruro” seguido del nombre del no metal, anteponiendo a cada uno su correspondiente prefijo numérico. NH3: trihidruro de nitrógeno SiH4: tetrahidruro de silicio Nomenclatura de Stock Se escribe la palabra “hidruro” seguido del nombre del no metal. Si el no metal posee más de un estado de oxidación, este se indica con números romanos y entre paréntesis. NH3: hidruro de nitrógeno (III) SiH4: hidruro de silicio (IV) A poner en práctica

Amplía tus conocimientos A continuación se presentan algunas excepciones de hidruros. En este caso, se consideran algunos nombres especiales para los hidruros no metálicos, los cuales son aceptados por la IUPAC.

NH3: amoníaco SiH4: silano BH3: borano AsH3: arsina PH3: fosfina ¿Existen otras excepciones de los hidruros? Averígualo.

la representación por modelos y el análisis

1. Escribe el nombre de cada compuesto, represéntalo mediante modelos de plasticina y luego, dibújalo en tu cuaderno. Compuesto

Nombre (N. sistemática o de Stock)

CuH2 FeH3 PH3 NaH

2. ¿Sería recomendable utilizar trihidruro de aluminio (AlH3) para hacer un sistema eléctrico? Fundamenta. Química • 1.° Medio

Lección 2

Hidrácidos ¿Cómo se forman? Los hidrácidos están formados por un no metal de los grupos 16 (VI A) o 17 (VII A), y el hidrógeno con estado de oxidación +1.

▸ Son líquidos a temperatura ambiente. ▸ Presentan bajos puntos de fusión y ebullición. ▸ Son malos conductores de la electricidad y el calor. ▸ Son insolubles en agua.

Propiedades físicas y químicas

an do bajan ¿Qué ocur re cu veles de o suben los ni ico en el dr hí or cl o ácid rígualo con ve es tómago? A profesor de tu profesora o Biología.

La mayoría de los hidrácidos se encuentra en estado gaseoso, sin embargo, disueltos en agua alcanzan un alto carácter ácido, debido a la liberación de un ion hidrógeno (H+), tal como se puede observar en la ecuación: HnX

H 2O

n H+ + Xn-

Por ejemplo, el ácido clorhídrico (HCl) es un hidrácido. Su disociación se puede representar mediante la ecuación: H 2O

HCl

H+ + Cl–

¿Cómo se nombran? Su fórmula general es HnX, donde X corresponde al elemento no metálico y n, a su estado de oxidación. El estado de oxidación de los elementos del grupo 16 (S, Se, Te, Po) es igual a –2, mientras en los elementos del grupo 17 (F, Cl, Br, I) es –1. Tipos de nomenclatura Nomenclatura sistemática Se escribe el nombre del no metal terminado en “uro” más la frase “de hidrógeno” con sus respectivos prefijos numerales. HCl: cloruro de hidrógeno H2S: sulfuro de dihidrógeno Nomenclatura de Stock Se escribe el nombre del no metal terminado en “uro” más la frase “de hidrógeno”. HCl: cloruro de hidrógeno H2S: sulfuro de hidrógeno

A poner en práctica

la investigación de los hidrácidos

Formen parejas e investiguen sobre la importancia del ácido clorhídrico en la industria, refinación de aceites y en la potabilización del agua. 34

Unidad 1 • Nomenclatura química

Amplía tus conocimientos El ácido clorhídrico (HCl), conocido comúnmente como ácido muriático, es una sustancia de amplio uso industrial y altamente corrosiva debido a su elevada acidez. Biológicamente, nuestro estómago produce esta particular sustancia que forma parte de los jugos gástricos. ¿Qué cuidados se deben tener al usar ácido clorhídrico? Investiga.

Desarrollo

A poner en práctica

la aplicación de los compuestos binarios

1. Completa la tabla con la fórmula del compuesto, su nomenclatura y la clasificación del compuesto binario, según corresponda. Fórmula

N. sistemática

N. de Stock

Clasificación del compuesto binario

Óxido de plomo (IV) HBr Hidruro de calcio Yoduro de hidrógeno NaH Hidruro de antimonio (III) Hidrácido Trihidruro de arsénico Óxido de nitrógeno (III) Pentaóxido de dinitrógeno Trióxido de azufre Fe2O3 Sulfuro de dihidrógeno

2. ¿Por qué es correcto decir que muchos de los compuestos iónicos son compuestos binarios? Fundamenta. 3. Teniendo en cuenta la ubicación de los elementos en la tabla periódica, ¿podrías formar un compuesto binario con un elemento del grupo 14 (IV A) y un elemento del grupo 17 (VII A)? Explica. 4. ¿Qué tienen en común los siguientes compuestos: NH3, AsH3 y PH3?, ¿cómo se clasifican y se nombran? 5. ¿En qué se diferencian los siguientes pares de compuestos? a. b. c. d.

AuH y AuH3. SbH3 y SbH4. PbH4 y PbH2. CaH2 y H2S.

6. Escribe la disociación de los siguientes compuestos. a. b. c. d.

Hidruro de aluminio. Cloruro de hidrógeno. Ácido bromhídrico. Hidruro de boro.

7. ¿Cómo definirías con tus palabras un compuesto binario oxigenado y uno hidrogenado? 8. Si tienes ácido fluorhídrico disuelto en agua, ¿podrías esperar que fuera una disolución conductora de la electricidad? Explica. 9. En una industria química se ha encontrado un hidruro de silicio (IV) a temperatura ambiente. ¿En qué estado esperarías encontrarlo?, ¿será capaz de conducir el calor?

Química • 1.° Medio

Lección 2

Sales binarias

Propósito del tema

¿Cómo se forman? Las sales binarias son compuestos formados por un elemento metálico (catión) y uno no metálico (anión). Propiedades físicas y químicas

Explicar e identificar las posibles combinaciones entre metales y no metales para formar sales binarias teniendo en cuenta las fuerzas que interactúan en su interior y aplicar las reglas de nomenclatura correspondientes.

▸ En disoluciones acuosas conducen la corriente eléctrica. ▸ La mayoría no cambia el color del papel tornasol, porque son sales neutras, como el cloruro de sodio (NaCl); no obstante, hay sales ácidas y básicas. ▸ Las sales ácidas forman disoluciones ácidas, por ejemplo, el cloruro de aluminio (AlCl3). ▸ Las sales básicas forman disoluciones básicas, por ejemplo, el fluoruro de sodio (NaF).

¿Cómo se nombran?

Su fórmula general es MbXn, donde M es un metal; X, un no metal; n, el estado de oxidación del metal y b, el estado de oxidación del no metal. El estado de oxidación del no metal será fijo: grupo 15 (V A), –3; grupo 16 (VI A), –2; y grupo 17 (VII), –1.

la ¿Cuál será ímica del u q fórmula de cin c? dibromuro

Tipos de nomenclatura Nomenclatura sistemática Se escribe el nombre del no metal terminado en “uro” más el nombre del metal con sus respectivos prefijos numerales. CrI2: diyoduro de cromo CaF2: difluoruro de calcio FeCl2: dicloruro de hierro Ga2Se3: triselenuro de digalio Nomenclatura de Stock Se escribe el nombre del no metal terminado en “uro”, seguido del nombre del metal. Si el metal posee más de un estado de oxidación, este se indica con números romanos y entre paréntesis. CrI2: yoduro de cromo (II) CaF2: fluoruro de calcio (II) FeCl2: cloruro de hierro (II) Ga2Se3: selenuro de galio (III) A poner en práctica

la investigación de las sales binarias

Formen parejas e investiguen sobre las aplicaciones que tienen las sales binarias en las áreas industriales, farmacéuticas y de alimentos, entre otras. 36

Unidad 1 • Nomenclatura química

Dato ¿Sabías que el fluoruro de sodio (NaF) se utiliza en las pastas dentales como agente de prevención de las caries? Si el flúor es un halógeno corrosivo, ¿por qué se utiliza en las pastas dentales para prevenir las caries?

Desarrollo

Obtención de sales binarias

Las sales binarias se pueden obtener por diferentes métodos. Algunos de ellos son: ▸ Reacción entre un metal con un hidrácido: → FeS Fe + H2S metal hidrácido sal

H2 dihidrógeno

▸ Reacción entre un óxido metálico con un hidrácido: + 2 HF → 2 LiF + Li2O óxido metálico hidrácido sal

H2O agua

Usos de las sales binarias ▸ El cloruro de plata (AgCl) y el bromuro de plata (AgBr) se usan en la fabricación de películas fotográficas. ▸ El yoduro de potasio (KI) se utiliza como agregado en la sal de cocina para prevenir el bocio. ▸ El yoduro de plata (AgI) se emplea para producir precipitaciones en forma artificial o para aumentar la lluvia. También se utiliza como antiséptico en medicina.

↑ El bromuro de plata (AgBr) es una sal binaria utilizada en los laboratorios de fotografía, ya que es sensible a la luz.

▸ El cloruro de sodio (NaCl) es la sal común o de mesa. A poner en práctica

la identificación y el análisis de las sales binarias

1. Completa la tabla con la fórmula o nomenclatura indicada. Fórmula

N. sistemática

2. Determina la disociación de los siguientes compuestos. a. Sulfuro de calcio. b. Selenuro de cromo (III). c. Bromuro de cadmio.

N. de Stock

AgBr Sulfuro de hierro (II)

3. ¿Podrían formar un compuesto un elemento del grupo 2 (II A) un elemento del grupo 18 (VIII A)? Fundamenta.

Cloruro de hierro (III)

FeCl2

Trisulfuro de dicobalto Sulfuro de plomo (II) Disulfuro de plomo BaF2 NiCl2

Formen grupos y averiguen cómo el bromuro de plata y el cloruro de plata se utilizan en fotografía y cuáles son sus funciones, y cómo el yoduro de potasio ayuda en la prevención del bocio. Pueden pedir ayuda a sus profesoras o profesores de Artes Visuales y Biología. También pueden buscar otras áreas donde se utilicen las sales binarias.

5. Si disuelves cloruro de sodio en agua, ¿será un buen conductor de la electricidad?

Química • 1.° Medio

A poner en práctica

mediante un taller de estrategi

Construyendo modelos de moléculas

Modelo molecular

Antecedentes ➔

Los átomos se unen para formar moléculas o como iones en los compuestos. Pero ¿cuál es la diferencia entre molécula e ion? Una molécula es un grupo de átomos unidos de manera ordenada: en cambio, un ion es un átomo o una molécula con carga positiva o negativa. Si aplicamos estos conceptos a los compuestos, podemos decir que un compuesto molecular está formado por moléculas y un compuesto iónico está formado por iones. En general, los compuestos binarios de no metales son moleculares, por ejemplo el agua; y los compuestos binarios formados por un metal y un no metal son iónicos, como el cloruro de sodio. Otro aspecto importante es su disposición espacial, la que le otorga muchas de las propiedades que presentará, como la capacidad para reaccionar, el color y la polaridad, entre otras. A continuación, te invitamos a modelar compuestos moleculares.

Procedimiento

Escriban el nombre y la estructura de Lewis para los siguientes compuestos. Realicen la fórmula en la siguiente tabla. CO2

H2O

SO3

C ev: 4; O ev: 6

H ev: 1; O ev: 6

S ev: 6; O ev: 6

Nombre Estructura de Lewis

Diseñen modelos de esfera A partir de la geometría molecular que te presentamos en los anexos, diseñen los modelos de los compuestos binarios aplicando a los átomos los colores CPK. CO2

Unidad 1 • Nomenclatura química

H2O

SO3

Amplía tus conocimientos El sistema de colores CPK es una convención de colores para distinguir los átomos que forman los modelos moleculares. Su sigla proviene de las iniciales de los apellidos de los químicos Robert Corey, Linus Pauling y Walter Koltun. Conoce la convención de colores y la geometría molecular en el anexo de la p. 178 y 179 en este texto.

Desarrollo

Construyan las moléculas con plasticina Consigan plasticina de los colores necesarios para formar las moléculas, palitos de fósforos o mondadientes y, luego, constrúyanlas.

Ahora tú El cloruro de berilio, el trihidruro de nitrógeno y el fluoruro de boro (III) son compuestos binarios. Para cada uno de los compuestos realiza lo siguiente: ▸ Escribe sus fórmulas y las estructuras de Lewis. Cloruro de berilio

Trihidruro de nitrógeno

Fluoruro de boro (III)

Cl ev: 7; Be ev: 2

H ev: 1; N ev: 5

F ev: 7; B ev: 3

Nombre Estructura de Lewis

▸ Diseña sus moléculas y dibújalas. Cloruro de berilio

Trihidruro de nitrógeno

Fluoruro de boro (III)

▸ Construye las moléculas. ▸ Si es posible, toma fotografías de las moléculas y pégalas en el cuaderno, indicando sus fórmulas y nomenclatura. Reflexiono

• ¿Crees que al construir los modelos moleculares estás realizando un aprendizaje más significativo?, ¿por qué? • ¿Cuál crees que es la importancia de utilizar el sistema CPK?

Química • 1.° Medio

Integro lo aprendido Responde las siguientes preguntas relacionadas con la Lección 2. 1. A partir de los siguientes elementos, realiza la fórmula química de un compuesto binario: oxigenado, hidrogenado y una sal binaria. Mg ev = 2;

Cl ev = 7;

Na ev = 1;

S ev = 6;

Compuesto

O ev = 6;

Al ev = 3

Fórmula

Hev = 1 Nombre

Oxigenado Hidrogenado Sal binaria

2. Completa la siguiente tabla dando un ejemplo de un compuesto que se pueda formar a partir de los elementos que se encuentran en los grupos indicados. Sigue el ejemplo. Elemento

Elemento

Ejemplo fórmula

Nomenclatura de Stock

M+

K 2O

Óxido de potasio

M2+

NM–

M2+

NM–

M+

NM–

3. Indica el error en la fórmula o nombre de cada uno de los siguientes compuestos. Fórmula

Nombre

OFe2

Óxido de hierro (III)

HS2

Sulfuro de hidrógeno

Br2Zn

Dibromuro de cinc

NiH2

Hidruro de diníquel

Error

4. Unos estudiantes agregaron 25 mL de un líquido en un vaso de precipitado. Luego, con un conductímetro, probaron si conducía la corriente eléctrica, medición que dió un resultado negativo. Finalmente, agregaron agua destilada mostrando dos fases. De acuerdo con las observaciones de los estudiantes, ¿con qué tipo de compuestos estaban trabajando? Explica.

Unidad 1 • Nomenclatura química

Desarrollo

Formen parejas y completen el siguiente diagrama. Recuerden que en la región superpuesta de la figura deben ir las características que son compartidas y en la otra zona, las características particulares de cada tema.

Compuestos oxigenados

Compuestos hidrogenados

Sales binarias 6. ¿De qué manera se organizaron y distribuyeron las tareas para lograr completar el diagrama? ¿Tuvieron presente las habilidades de cada uno? ¿Qué logré? Cuando la profesora o profesor hizo la retroalimentación de la actividad: ¿Cómo te sentiste al ver tus logros?, ¿pudiste aplicar los conocimientos aprendidos en la Lección 2? Fundamenta.

¿De qué manera aplicaste tus conocimientos de años anteriores en la actividad de la p. 27? Explica.

Menciona las nuevas estrategias que aprendiste en esta lección.

¿Qué importancia tienen los compuestos binarios para nuestra vida y el entorno? Menciónalos.

Química • 1.° Medio

Lección

¿Cómo se forman los compuestos ternarios?

Propósito de la lección Analizar y explicar la formación de compuestos ternarios, considerando las fuerzas eléctricas y la nomenclatura inorgánica, para valorar la importancia y utilidad de estos compuestos.

ndrá te e il h C , 0 2 0 2 En o excedentes de ácid sulfúrico

Ciencia, Tecnología y Sociedad ¿Qué importancia tiene el ácido sulfúrico en los procesos industriales?

llos. ↓ Potreri

↑ Fundic

ión el Ten

iente.

Observa la fórmula del ácido sulfúrico que aparece en el texto. ¿En qué se diferencia con los compuestos binarios?

A partir de un estudio realizado por Cochilco (Comisión Chilena del Cobre), sobre el análisis de los antecedentes entregados por las compañías productoras y consumidoras de ácido sulfúrico (H2 SO 4), se ha llegado a determinar que existe un cambio significativo respecto de la producción de ácido sulfúrico, ya que de una situación de déficit del compuesto se ha pasado a una situación de excedente, la cual se presentaría desde el año 2020 en adelante. Este cambio se daría debido a los menores consumos proyectados, junto al incremento en la producción. ¿Por qué es importante este compuesto? El organismo estatal indica que el ácido sulfúrico constituye tanto un producto como un insumo estratégico en la minería del cobre. Cochilco además indica que: “Chile mantiene un alto consumo de ácido sulfúrico gracias a que lo utiliza en la lixiviación del cobre, alcanzando un máximo de toneladas en el año 2016 y luego, tenderá a la baja”. Fuente: Minería chilena. Negocios e industria. Recuperado de http://www.mch.cl/ Gentileza fotos: Codelco.

¿Por qué crees que se dice que el ácido sulfúrico es un compuesto estratégico en la industria del cobre?

Unidad 1 • Nomenclatura química

Desarrollo

Hidróxidos

Propósito del tema

¿Cómo se forman? Son compuestos formados por el ion hidroxilo (OH–) y un ion metálico. Propiedades físicas y químicas

Explicar e identificar cuáles son los elementos que forman los hidróxidos teniendo en cuenta las fuerzas que interactúan en su interior y aplicar los tipos de nomenclatura correspondientes.

Los hidróxidos son sustancias que se disocian fácilmente en agua, formando disoluciones conocidas como bases. Las bases poseen propiedades químicas opuestas a los ácidos que provocan su neutralización. Además, son sustancias jabonosas al tacto, por lo que son ampliamente utilizadas en la industria para la fabricación de detergentes y productos de limpieza, como la soda cáustica (hidróxido de sodio) y la potasa cáustica (hidróxido de potasio). Los hidróxidos se producen por la reacción entre un óxido metálico (M2On) y agua, según la siguiente ecuación: M2On + H2O → M(OH)n Na2O + H2O → 2 NaOH

¿Cómo se nombran?

Ciencia, Tecnología y Sociedad

Su fórmula general es M(OH)n, donde M es el elemento metálico y n, su estado de oxidación. Tipos de nomenclatura Nomenclatura sistemática Se escribe el prefijo numeral seguido de la palabra hidróxido, luego el nombre del metal. Ni(OH)2: dihidróxido de níquel NaOH: hidróxido de sodio Nomenclatura de Stock Se escribe la palabra “hidróxido”, seguida del nombre del metal, indicando con números romanos y entre paréntesis su EO. Ni(OH)2: hidróxido de níquel (II) NaOH: hidróxido de sodio A poner en práctica

los conocimientos previos sobre hidróxidos

Forma un grupo de tres integrantes e investiguen las aplicaciones del hidróxido de magnesio y aluminio, a partir de las siguientes preguntas: ¿Por qué estas sustancias se clasifican como compuestos químicos? ¿Qué propiedades presentan estas sustancias que se pueden utilizar como medicamento? Compartan la información en clase.

En el mundo existe un incremento de la demanda de hidróxido de níquel para la producción de las baterías, usadas por ejemplo, en los vehículos híbridos (combinan el uso de motores de combustión interna con motores eléctricos), los cuales reducen casi a la mitad las emanaciones de gases tóxicos al medio ambiente y el consumo de combustible. Este hidróxido, además se emplea en la producción de las baterías de teléfonos inalámbricos y computadoras portátiles. Fuente: Cisneros D., Leyva E., Capote N. Obtención de hidróxido de níquel a escala de laboratorio. (2015). (Extracto) Recuperado de http://scielo.sld.cu

Química • 1.° Medio

Lección 3

Oxácidos

Propósito del tema

¿Cómo se forman? Están formados por oxígeno, hidrógeno y un no metal, o un metal de transición como Cromo (Cr) y manganeso (Mn).

Explicar e identificar cuáles son los elementos que forman los oxácidos teniendo en cuenta las fuerzas que interactúan en su interior y aplicar los tipos de nomenclatura correspondientes.

Propiedades físicas y químicas Los oxácidos se producen por la reacción entre un óxido no metálico (X2On) y agua, según la ecuación: X2On + H2O → HaXbOc SO3 + H2O → H2SO4

¿Cómo se nombran? Su fórmula general es HaXbOc donde H es el hidrógeno; X, el elemento no metálico; O, el oxígeno; y a, b y c son los estados de oxidación simplificados cuando corresponde.

Importante Los tioácidos son derivados de los oxácidos. Se obtienen cuando alguno de los átomos de oxígeno es sustituido por átomos de S, como el ácido tiosulfúrico (H2S2O3); el ácido tiosulfuroso (H2S2O2) o el ácido tiofosfórico (H3PO3S).

Tipos de nomenclatura Nomenclatura sistemática

Se escribe la palabra “oxo” con el prefijo numeral cuando corresponda, más la raíz del elemento no metálico o metal de transición con la terminación “ato”, especificando el estado de oxidación con números romanos y entre paréntesis. Para finalizar, se incorpora la frase “de hidrógeno”. HClO: oxo clorato (I) de hidrógeno H2CO2: dioxo carbonato (II) de hidrógeno

¿Cómo sería la fórmula del trioxo nitrato (V) de hidrógeno?

Nomenclatura de Stock Se escribe la palabra “ácido” seguida del término “oxo” con su respectivo prefijo numérico; luego, el nombre del elemento no metálico o metal de transición terminado en “ico”, indicando su estado de oxidación en números romanos y entre paréntesis. HClO: ácido oxo clórico (I) H2CO2: ácido dioxo carbónico (II) A poner en práctica

la investigación de aplicaciones de oxácidos

Formen grupos de dos o tres personas e investiguen sobre productos fabricados con ácido trióxido nítrico (V) como: joyas, colorantes y pinturas; y sus aplicaciones en imprentas y en explosivos.

Unidad 1 • Nomenclatura química

↓ El ácido trióxido nítrico (V), comúnmente llamado ácido nítrico, tiene diversos usos, tanto en la industria química para la producción de nitratos metálicos, como en la fabricación de pinturas.

Desarrollo

Oxácidos especiales

Según la nomenclatura tradicional, algunos elementos químicos (como el fósforo, el arsénico y el antimonio) pueden actuar como átomo central en dos oxácidos, diferenciándose solo en su hidratación (cantidad de moléculas de agua). A fin de diferenciarlos se utilizan ciertos prefijos para especificar el número de moléculas de agua que reaccionan con el óxido no metálico, tal como se ilustra en la siguiente secuencia. Óxido no metálico + una molécula de agua = ácido meta Fórmula

N. tradicional

P2O3 + H2O → H2P2O4 → HPO2

Ácido metafosforoso

P2O5 + H2O → H2P2O6 → HPO3

Ácido metafosfórico

Óxido no metálico + dos moléculas de agua = ácido piro Fórmula

N. tradicional

P2O3 + 2 H2O → H4P2O5

Ácido pirofosforoso

P2O5 + 2 H2O → H4P2O7

Ácido pirofosfórico

↑ La mayor parte de las bebidas gaseosas, tienen como componente el ácido fosfórico. Este ácido provoca un medio ácido en el líquido, el cual mejora la absorción del dióxido de carbono, lo que permite que pueda ser embotellado.

Óxido no metálico + tres moléculas de agua = ácido orto Fórmula

N. tradicional

P2O3 + 3 H2O → H3PO3

Ácido ortofosforoso (ácido fosforoso)

P2O5 + 3 H2O → H3PO4

Ácido ortofosfórico (ácido fosfórico)

Te recomendamos aprender los nombres tradicionales de los ácidos: nitroso (HNO2), nítrico (HNO3), sulfuroso (H2SO3), sulfúrico (H2SO4) y carbónico (H2CO3).

A poner en práctica

Estos ácidos son de gran importancia y uso en el ámbito de la química. Por ejemplo, las baterías de automóviles utilizan ácido sulfúrico para su funcionamiento y el ácido nítrico se usa en la producción de abonos.

el diseño de moléculas ternarias

Realiza el diseño de los ácidos nítrico y sulfúrico, en tu cuaderno, de acuerdo a los colores CPK y la geometría molecular mostrada en las páginas 178 y 179. Luego, puedes modelarlos con plasticina.

Química • 1.° Medio

Lección 3

Sales ternarias ¿Cómo se forman? Están formadas por un metal, un no metal y oxígeno. Propiedades físicas y químicas Las sales ternarias son consideradas como derivados de los oxácidos, ya que sustituyen los átomos de hidrógeno de un oxácido por un metal: HaXbOc + Mn+ → Ma(NbOc)n Estas sales se pueden formar de diversas maneras: ▸ Al hacer reaccionar un metal activo con un oxácido. Mg + H2SO4 → MgSO4 + H2

▸ Al hacer reaccionar un hidróxido con un óxido no metálico. Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O ▸ Al hacer reaccionar un oxácido con un hidróxido. HNO3 + Ba(OH)2 → Ba(NO3)2 + 2 H2O

Propósito del tema Explicar e identificar cuáles son los elementos que forman las sales ternarias teniendo en cuenta las fuerzas que interactúan en su interior y aplicar los tipos de nomenclatura correspondientes.

Dato ¿Sabías que la tiza es una sal ternaria? Esta se llama carbonato de magnesio (MgCO3) y se utiliza, por ejemplo, para secarse las manos en algunos deportes, entre otras aplicaciones.

¿Cómo se nombran? Su fórmula general es Ma(XbOc)n, donde M es el metal, X es el no metal, O es el oxígeno, n es el estado de oxidación del metal y a corresponde al número de hidrógenos que se le quitan al ácido. Tipos de nomenclatura Nomenclatura sistemática Se escribe la palabra “oxo” con el prefijo numeral cuando corresponda, más la raíz del elemento no metálico o metal de transición con la terminación “ato”, especificando el estado de oxidación con números romanos y entre paréntesis. Finalmente, se indica el nombre del elemento metálico. Ca(ClO)2: di[oxoclorato (I)] de calcio CaSO3: trioxosulfato (IV) de calcio Al2(SO4)3: tri[tetraoxosulfato (VI)] de dialuminio Nomenclatura de Stock Se nombra de manera similar a los oxácidos. Se sustituyen los sufijos -oso e -ico, provenientes del ácido, por -ito y -ato, respectivamente. Se termina con el nombre del metal. Al2(SO4)3: sulfato de aluminio Ca(ClO)2: hipoclorito de calcio CaSO3: sulfito de calcio

Unidad 1 • Nomenclatura química

Contexto histórico Entre 1880 y 1930, la industria salitrera fue la de mayor importancia en nuestro país. Luego del triunfo de la Guerra del Pacífico y la incorporación de Antofagasta y Tarapacá a nuestro territorio, el mayor desierto del mundo se encontraba en esta zona, rico en minerales, siendo uno de ellos el salitre, del cual Chile fue el mayor productor mundial de este abono natural.

Desarrollo

A poner en práctica

la nomenclatura de los compuestos ternarios

1. Completa la tabla con la fórmula o la nomenclatura indicada. Fórmula

N. sistemática

N. de Stock

H2SeO3 Ácido trioxosulfúrico (IV) H2CrO4 Oxoyodato (I) de hidrógeno KNO3 Hidróxido de mercurio (II)

Amplía tus conocimientos Existe otro tipo de compuestos, los compuestos cuaternarios, que están formados por cuatro elementos químicos diferentes. Generalmente se les puede encontrar como minerales; por ejemplo, la albita (NaAlSi3O8), perteneciente al grupo de los minerales feldespato, usada en la fabricación de cerámicas y vidrio; y la dolomita [CaMg(CO3)2], utilizada para la fabricación de materiales refractarios.

Dihidróxido de cadmio

2. ¿Qué tienen en común los siguientes compuestos: HNO2, HNO3 y H2CO3? ¿Cómo se clasifican y se nombran?

Recurso digital complementario

3. En el aire existen contaminantes gaseosos como el óxido de carbono, monóxido de carbono, óxidos de azufre y nitrógeno y el ozono. Estos experimentan transformaciones en el aire y forman gases tóxicos. Algunas reacciones son: Dióxido de azufre + oxígeno → trióxido de azufre Trióxido de azufre + agua → ácido sulfúrico

a. Escribe las fórmulas de los compuestos en tu cuaderno. b. Clasifica los compuestos como binarios o ternarios. c. ¿Qué clasificación tiene el oxígeno? 4.

Reúnanse en parejas y realicen la siguiente actividad: a. Investiguen una industria química presente en la zona norte, centro o sur de Chile, relacionada con compuestos ternarios. b. Para cada una creen una ficha que incluya las materias prima que utiliza, los productos fabricados, las medidas de seguridad implementadas y medidas de protección ambiental. c. ¿Qué tipo de productos generan estas industrias? d. ¿Qué importancia tienen los productos que procesan para la región o comuna?

Formen grupos de trabajo de tres o cuatro integrantes y realicen una investigación sobre el salitre en Chile. Incluyan en ella su extracción, sus aplicaciones y la importancia de este mineral en la historia de Chile. Pueden hacer un trabajo en conjunto con su profesora o profesor de Historia.

6. Teniendo en cuenta las actividades 4 y 5, respondan: ¿Cómo ha cambiado la industria de nuestro país desde los años 1800 hasta ahora?

↑ En la imagen se muestra el quiosco de música de Humberstone, una de las principales oficinas salitreras de su época. Actualmente esta oficina junto a Santa Laura y están declaradas Monumento Nacional y Patrimonio Cultural de la Humanidad.

Conectando con... Las TIC Te invitamos a trabajar con cada una de las nomenclaturas. Para ello, ingresa el código 16TQ1M047A en el sitio web del Texto. Realiza un esquema con los contenidos y compártelo explicándolo en un plenario.

Química • 1.° Medio

Integro lo aprendido Responde las siguientes preguntas relacionadas con la Lección 3. 1. La leche de magnesia (Mg(OH)2) es una sustancia conocida por ser un antiácido y un laxante muy eficaz, entre muchos otros usos. La siguiente imagen muestra el proceso de formación de esta sustancia. Papel tornasol

Papel tornasol

Básico

MgO

H2O

Mg(OH)2

Responde a partir de la información entregada. a. ¿Cuáles tipos de reactantes participan en la formación de la leche de magnesia?

b. ¿Qué tipo de producto se forma: binario o ternario? Explica.

c. Indica el nombre de los compuestos que se presentan en la reacción.

2. Completa la tabla con el nombre y la clasificación de los compuestos. Fórmula K2SO3 Al(OH)3 CuSO4 H2SiO3 NaClO H2CrO4

Unidad 1 • Nomenclatura química

Nombre

Clasificación

Desarrollo

3. Realiza la reacción química que permite la formación de los siguientes compuestos ternarios.

MgCO3

Ni(OH)2

Formen grupos de trabajo y elijan uno de los compuestos ternarios que se presentaron durante la lección (o también pueden buscar otro). Luego, investiguen sobre este compuesto. Para ello, apliquen la V de Gowin:

(2) ¿Qué tengo que saber?

(4) ¿Qué obtuve? (3) ¿Qué voy a hacer y como?

(1) ¿Qué quiero conocer?

Para poder trabajar con este organizador, guíense por los pasos que se muestran en el anexo de la p. 182 del texto. 5. Al trabajar en equipo, ¿lograron llegar a acuerdo sobre los procedimientos para realizar las actividades?, ¿escucharon con atención las opiniones, argumentos y propuestas de sus pares? ¿Qué logré? ¿Cuál de las preguntas te costó más responder? ¿Qué hiciste para poder corregirla?

¿Qué conocimientos previos fueron necesarios para realizar las actividades de la lección?

¿Cuál es la importancia de los compuestos ternarios en nuestra vida y en el entorno?

Química • 1.° Medio

Ciencia, Tecnología y Sociedad Desarrollan materiales

CERÁMICOS AVANZADOS

↑ Material sintetizado visto en el miscroscopio electrónico de barrido.

El Instituto Tecnológico de Saltillo, en México, se encuentra desarrollando cerámicos avanzados con el fin de utilizarse como electrolitos sólidos en celdas de combustible cerámicas, con el objetivo de generar energía eléctrica limpia. Estos proyectos surgen por la necesidad de hacer más eficientes tecnologías como las celdas de combustión cerámicas, ante la inminente disminución de las reservas mundiales de combustibles fósiles. El doctor José Alonso Díaz Guillén, profesor investigador, explicó: “Buscamos desarrollar materiales cerámicos avanzados obtenidos por proceso de mecanoquímica, con el fin de aplicarlos en la tecnología de celdas de combustible cerámicas, que son dispositivos que permiten la generación de energía eléctrica de una forma alterna, a partir de una reacción química entre hidrógeno y oxígeno, produciendo únicamente agua pura como subproducto”. Uno de los problemas que se produce en las celdas, es que funcionan a temperaturas entre 700 y 1000 °C, por lo cual requieren disminuir estas temperaturas creando las condiciones necesarias para un buen funcionamiento. Así, el grupo de trabajo propone sustituir el electrolito actualmente utilizado, constituido en gran parte por zirconia (ZrO2), por uno más estable, que no reaccione con otros componentes de la celda. Para ello, los investigadores sugieren circonatos y hafnatos de lantánidos como electrolitos sólidos, ya que estos presentan propiedades de conducción iónica similares a las usadas actualmente y, además, tienen la ventaja de ser químicamente estables a temperaturas mayores de 1500 °C. A esto el Dr. Díaz Guillén comenta: “Son tan buenos conductores pero mucho más estables; permitirían incrementar la eficiencia y vida útil de una celda de este tipo”. Los materiales propuestos no solo tienen buenas propiedades eléctricas y estabilidad térmica, sino que cuentan con una conductividad térmica extremadamente baja. Debido a estas propiedades, el equipo de trabajo ve otras posibilidades de aplicar estos cerámicos avanzados. Al respecto, el Doctor Díaz Guillen explica: “Consiste en desarrollar estos materiales, buscando aplicarlos en una tecnología que se llama de barreras térmicas, que son recubrimientos aislantes térmicos extremadamente delgados, es decir aislantes térmicos, aplicados sobre ciertos componentes metálicos de turbinas de gas, sobre todo en la industria aérea, en turbinas de aviones”. Fuente: Desarrollan materiales cerámicos avanzados. Ciencia de los materiales. (22-05-16) Recuperado de http://noticiasdelaciencia.com

Unidad 1 • Nomenclatura química

Cierre

La impresión 3D llega al vidrio Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) presentan la primera impresora 3D capaz de fabricar objetos de vidrio transparente a partir de diseños digitales. Para ello aplicaron los principios básicos de la forma más popular de impresión 3D llamada modelado por deposición fundida. En esta técnica, un filamento de material, semifundido, generalmente plástico, es expulsado por una boquilla siguiendo un patrón, el cual es controlado por un ordenador. Si bien esta técnica es usada para plásticos, el utilizar vidrio requiere de temperaturas mucho más elevadas.

El proceso de fabricación permite producir una multitud de formas, además de jugar con las propiedades ópticas del vidrio, con lo que se pueden crear estructuras que no era posible realizar con el método tradicional. Frente a esto, el equipo creador a dicho: “A medida que los diseñadores aprendan a aprovechar esta nueva oportunidad en la fabricación de vidrio, se espera que se descubra una gran variedad de nuevas aplicaciones”. Fuente: Barbuzano, Javier. La impresión 3D llega al vidrio. Recuperado de http://elpais.com/elpais/2015/09/07/ciencia/1441636539_194806.html Fotografía: Chikara Inamura

Componentes del vidrio

Reflexiono

• ¿Qué importancia tienen los compuestos en las aplicaciones tecnológicas? • ¿Por qué es importante conocer las propiedades y características de los compuestos químicos? • ¿Qué importancia atribuyes al hecho de que los investigadores busquen dar otras aplicaciones a sus desarrollos? • ¿Los contenidos desarrollados en la unidad, son necesarios para entender estas lecturas? Explica.

Química • 1.° Medio

Síntesis activa Una manera de organizar la información es utilizando un mapa mental. A continuación, revisa cómo se completa a partir del ejemplo de la Lección 1. Construyendo un mapa mental Paso 2 Paso 1 Escribe una idea principal en el centro. Definición

Define distintos temas, en este caso cuatro, que se desprendan de la idea principal. Tabla periódica

Elementos y compuestos Enlaces y compuestos

Nomenclatura

Según el enlace se forman compuestos iónicos, covalentes o metálicos.

Paso 3 Registra información relevante que se relacione con cada tema y con la idea central. Definición Los elementos no se pueden separar en sustancias más simples. Los compuestos se forman al unirse átomos de dos o más elementos.

Tabla periódica Informa sobre las características y propiedades de los elementos. Los elementos se ordenan según su Z.

Elementos y compuestos Enlaces y compuestos Los compuestos se unen mediante enlaces químicos según sus EDO Los enlaces pueden ser iónicos, covalentes o metálicos. Según el enlace se forman compuestos iónicos, covalentes o metálicos.

Nomenclatura Se utiliza para nombrar los compuestos químicos. Se divide en nomenclatura sistemática y de Stock. También está la nomenclatura tradicional, aunque ya no es muy usada.

Creo mi propio mapa mental Te invitamos a crear un mapa mental para las Lecciones 2 y 3. Debes tener en consideración los pasos indicados en el ejemplo.

Unidad 1 • Nomenclatura química

Cierre

A continuación, se presenta un resumen de la unidad a modo de autoevaluación. Léelo y, si necesitas profundizar en algún tema, vuelve a desarrollar las actividades asociadas. Lección 1

Lección 2

Lección 3

Propósito

Analizar las características químicas de los elementos que explican sus posibles combinaciones y denominación.

Analizar y explicar la formación de compuestos binarios, considerando las fuerzas eléctricas entre partículas y la nomenclatura inorgánica.

Habilidad

Aplicar la información que entrega la Analizar la formación de compuestos tabla periódica a la formación de los binarios y aplicar las normas de la enlaces químicos. IUPAC para dar sus nombres e identificar sus fórmulas. Actitud

Habilidad Analizar la formación de compuestos ternarios y aplicar las normas de la IUPAC para dar sus nombres e identificar sus fórmulas.

Actitud

Demostrar interés por conocer la im- Reconocer la importancia de los reportancia de las aplicaciones de los cursos que entrega el entorno natural elementos y compuestos químicos en y sus aplicaciones. nuestro entorno. Actividades asociadas Páginas: 15, 19, 21 a 23.

Analizar y explicar la formación de compuestos ternarios, considerando las fuerzas eléctricas y la nomenclatura inorgánica.

Actitud Reconocer y valorar la importancia de un lenguaje universal en química, por ejemplo, para su aplicación en medicina y el área farmacéutica.

Actividades asociadas Páginas: 27, 29, 32 a 37.

Actividades asociadas Páginas: 43 a 45 y 47.

Grandes ideas de la ciencia Algunas de las grandes ideas de la ciencia indican que: GI.5

GI.7

“Todo material del Universo está compuesto de partículas muy pequeñas”.

“El movimiento de un objeto depende de las interacciones en que participa”.

¿Cómo podrías relacionar estas grandes ideas con lo aprendido en la unidad?

Química • 1.° Medio

Integro lo aprendido Te invitamos a desarrollar las siguientes actividades para que evalúes lo aprendido en esta unidad. En la primera de ellas te indicamos cómo responder. Analiza la siguiente pregunta modelada. 1

En un laboratorio dos estudiantes realizaron el siguiente experimento: ▸ Buscaron dos crisoles y los etiquetaron como N.° 1 y N.° 2. ▸ Agregaron 50 mL de agua destilada en cada vaso. ▸ Al crisol 1 le agregaron una cucharada de cloruro de sodio y al crisol 2 lo dejaron solo con agua destilada. ▸ Luego, construyeron un circuito eléctrico con cables, una batería de 9 V y una ampolleta de linterna. ▸ Finalmente, conectaron el circuito a ambos crisoles , lo que dio los siguientes resultados: Crisol 1: encendió la ampolleta

Crisol 2: no encendió la ampolleta

De acuerdo a la experiencia responde: a. ¿Qué compuesto conduce la corriente eléctrica? Escribe su nombre y fórmula. Cloruro de sodio; NaCl b. ¿Qué tipo de enlace une a los elementos del compuesto que conduce la corriente eléctrica? Existe un enlace iónico, formado por los iones Na+ y Cl-. c. Teniendo en cuenta el tipo de enlace, ¿por qué en el crisol 1 se encendió la ampolleta y en el crisol 2 no se encendió? Fundamenta. ▶ En el crisol 1 se encendió la ampolleta porque tenía cloruro de sodio, un compuesto iónico capaz de conducir electricidad. ▶ En el crisol 2 solo había agua destilada, la cual no conduce electricidad. d. ¿Qué propiedad de los compuestos se está trabajando en esta experiencia? Los compuestos iónicos son conductores de electricidad. e. ¿Qué tipo de compuesto binario es el cloruro de sodio? Es una sal binaria, formada por un elemento metálico y uno no metálico. f. ¿Qué propiedades presentan estos tipos de compuestos? Conducen la corriente eléctrica en disoluciones acuosas; las sales ácidas forman disoluciones básicas, y las disoluciones básicas forman disoluciones ácidas. 54

Unidad 1 • Nomenclatura química

Cierre

Ahora, responde la siguiente pregunta de acuerdo a lo aprendido. 2

El cobre es uno de los metales de mayor importancia en Chile. Este metal se obtiene a partir de la calcopirita, cuprita y otros minerales como la pirita y la azurita, donde se encuentra combinado con otros elementos. Para extraerlo debe pasar por diferentes procesos industriales donde se eliminan las impurezas. La cuprita u óxido de cobre (I) es un mineral formado principalmente por un 88,8% de cobre y algo de hierro, el cual se origina en la zona de oxidación de depósitos cupríferos.

↑ Cuprita

De acuerdo a lo anterior responde: a. ¿Qué compuestos son utilizados en la obtención del cobre? Menciónalos y averigua su fórmula. b. ¿Qué tipo de enlace une a los elementos en la cuprita y en la pirita? c. Considerando la composición de estos compuestos, ¿podrían conducir electricidad? Argumenta.

d. ¿Cómo se clasifican los compuestos binarios mencionados en el texto?, ¿cuáles son sus características? Recurso digital complementario

Autoevaluando mi aprendizaje Cuando la profesora o profesor hizo la retroalimentación de la actividad: ¿Se cumplieron tus expectativas respecto de lo aprendido en la unidad? ¿Por qué? Explica.

¿Qué actividades te ayudaron a construir los conocimientos?

Utiliza los aprendizajes obtenidos, responde y fundamenta las siguientes preguntas:

¿Qué he realizado diferente para lograr los aprendizajes de la unidad?

▸ ¿Cómo se clasifican, forman y nombran los compuestos binarios? ▸ ¿Qué significa que la nomenclatura sea un lenguaje universal?

Química • 1.° Medio

Proyecto Chile Conociendo los minerales de Chile es uno de los países reconocidos por tener uno de los territorios de mayores depósitos y yacimientos del mundo. Estos se ubican principalmente en la zona norte de nuestro país. Los recursos minerales metálicos constituyen el pilar de la gran minería en Chile. Los metales predominantes en las faenas mineras extractivas corresponden a cobre, molibdeno, oro, plata, hierro, plomo, cinc y manganeso, siendo Chile uno de los principales productores de cobre del mundo.

Chile también se destaca por sus recursos en rocas y minerales industriales (RMI), que son relevantes para las actividades de los sectores químico-industrial, construcción, minero-metalúrgico, manufacturero, agroindustrial y en la preservación del medio ambiente. Entre los recursos de RMI del país se destacan nitratos, yodo, sal común, sales de litio y potasio, boratos, áridos, arcillas, calizas, yeso, cuarzo, baritina, caolín, feldespato, talco, diatomita, bentonita, dolomita, guano, apatita, zeolitas y perlita.

mo lo haremos? ¿Qué vamos a crear y có diante

, me undir “la gran minería de Chile” Material informativo para dif s. es digitales, entre otros medio afiches, revistas, presentacion

Dato: No olviden pedir apoyo a sus profesores(as) de Lenguaje e Historia y utilizar los conocimie ntos aprendidos en estas asignatur as.

Planificando nuestro trabajo Para comenzar, formen grupos de trabajo de tres o cuatro estudiantes. Organícense considerando los siguientes aspectos: Primero

Objetivos de nuestro trabajo

▸ ¿Cuál es el objetivo que se desea cumplir? ▸ ¿A quién queremos dirigirnos? ▸ ¿Qué queremos informar? ▸ ¿Cómo queremos informar? ▸ ¿De dónde obtendremos información? ▸ ¿Cómo relacionaremos nuestro objetivo con los compuestos binarios y ternarios? Segundo Presentación ▸ ¿De qué manera queremos que llegue la información a los destinatarios? ▸ ¿Cuál será el formato que usaremos? (Revista, video, presentación PowerPoint o Prezi, otros). ▸ ¿Por qué usaremos ese tipo de formato? 56

Unidad 1 • Nomenclatura química

Tercero

Formato

▸ Secciones. ▸ Diseño y formato. Cuarto

Organización

▸ Asignación de responsabilidades individuales según el trabajo que deban realizar. ▸ Fechas de retroalimentación. ▸ Tiempo empleado en realizarlo. ▸ Forma de presentarlo. ▸ ¿Cómo lo evaluaremos? Creen una encuesta que les permita, al finalizar el proyecto, poder registrar el valor que los destinatarios le dieron a su trabajo.

Cierre

Ejecución del proyecto Es el tiempo de llevar a cabo su proyecto. Es importante en esta etapa ir recogiendo las opiniones de las personas que serán los principales destinatarios del proyecto. Para ello, apliquen la encuesta elaborada en la planificación. Presentación del proyecto Para presentar el proyecto deben recordar a quién está destinado, y cuál es la mejor manera de entregar la información. Por ejemplo, si crearon una revista para la comunidad del colegio, pueden programarse para entregarla en un recreo.

Evaluación del proyecto Cada vez que se realiza un proyecto es muy importante evaluar el trabajo realizado individual y colectivamente. Para ello, te entregamos algunas preguntas: Evaluación individual • ¿Cómo fue mi participación en el proyecto? • ¿Di mis opiniones respecto de cómo realizar el proyecto?

• ¿Cumplí con las tareas y compromisos asignados? Evaluación del equipo • ¿Cómo fue el trabajo realizado por el equipo? • ¿Cada integrante cumplió con sus tareas? • ¿Qué podrían mejorar en cada etapa del proyecto? • ¿Cuáles fueron sus fortalezas como equipo?

Química • 1.° Medio

Propósito

de la

unidad

Describir las transformaciones cotidianas de la materia como reacciones químicas, en las que sustancias iniciales se transforman en nuevas sustancias. Y reconocer mediante la experimentación las características y clasificación de los tipos de reacciones químicas, manifestando una actitud de pensamiento crítico mediante un trabajo riguroso y colaborativo y valorando la importancia de conocer las reacciones químicas en el entorno.

... bol metálico, batidora, moldes, cucharas, tazas; leche, azúcar, mantequilla, harina, vainilla, aceite, polvos de hornear, huevos, nueces.

¡Todo se

transforma! Reacciones químicas

Inicio

Q UEQ UE Ingredie ntes: ▶ 3 huevos ▶ 2 tazas de harina ▶ 1 taza de leche ▶ ½ taza de azúcar ▶ polvos de hornear

▶ mantequilla ▶ aceite ▶ 1 taza de nueces molidas

Prep arac ión

y bate • Coloca en un bol los huevos con el azúcar hasta conseguir una sola consistencia. ves que • Agrega la harina de a poco y revuelve. Si . leche de poco un a está muy seco, agreg

DE NUE CES • Continúa hasta agregar toda la harina. ar y una • Agrega una cucharadita de polvos de horne cucharada de aceite. para • Luego, vainilla a gusto y las nueces. Revuelve homogeneizar. • Pon a calentar el horno. es del • Mientras se calienta el horno, cubre las pared molde con un poquito de mantequilla. dentro • Vierte el contenido del bol en el molde y ponlo del horno. listo, • Luego de 30 minutos, comienza a ver si ya está es decir, si tiene un tono dorado.

¡Qué genial! La chef y su asistente acaban de hacer un queque. De acuerdo a la receta: ¿Existe cambio químico en la preparación del queque? Si es así, ¿este ocurre antes o después de ser horneado?

¿Crees que existen reacciones químicas involucradas en la preparación del queque? Explica.

Ahora, veamos paso a paso lo que sucedió en la cocina:

Cuando la chef, mezcló los ingredientes para preparar el queque, ¿podríamos afirmar que realizó una reacción química?

¿Cómo influye la energía producida por el horno en la preparación del queque?

¿La temperatura podría modificar las sustancias que forman la mezcla del queque? Explica.

Unidad 2 • Reacciones químicas

Inicio

¡Sí, al cocinar

también estás practicando química! Así como al hacer un queque hay una reacción química, también esta se produce cuando se hace pan.

↑ Levadura seca o deshidratada.

Además de la harina para hacer pan, se necesita levadura. Pero ¿por qué es importante la levadura? Las levaduras son microorganismos, específicamente hongos, que se utilizan para descomponer azúcares (hidratos de carbono) mediante el proceso de fermentación. En este proceso los azúcares se transforman en dióxido de carbono y etanol. En el caso del pan, el dióxido de carbono liberado provoca que la masa aumente de tamaño y quede más esponjosa, presentando los típicos agujeros en la masa. ¿Cuál es la reacción química en el ejemplo del pan? Muchos de los fenómenos que ocurren en la naturaleza o en situaciones de la vida diaria son transformaciones de la materia, es decir, procesos que ocurren por la reorganización de átomos. Química • 1.° Medio

Otros ejemplos cotidianos Reúnete con uno o dos compañeros y propongan otro ejemplo en el que puedan observar que la materia se transforma (se produce un cambio químico).

Nombre del ejemplo: ¿Qué había al principio?

la ¿Qué provocó ? ón ci a transform

¿Qué se obtuvo al finalizar?

¿En qué se parece este fenómeno al ejemplo inicial del queque?

¿Qué conocimientos utilicé? ¿Qué habilidades y estrategias?

Unidad 2 • Reacciones químicas

Inicio

Mis propósitos y metas Qué aprenderás

de ido y de actividades A través del conten a ás entales, aprender aplicación y experim acciones ar y explicar las re iz er ct ra ca r, ce no reco s en la vida diaria. químicas presente

Qué debes recordar Es importante que entiendas la diferencia entre cambios químicos y cam bios físicos y en qué consisten las transform aciones de energía.

Para qué lo aprenderás Para reconocer la importancia que tienen las reacciones químicas tanto en los seres vivos como en el entorno y en la industria y sus recursos, en favor de un desarrollo sustentable y la protección del medio ambiente. Y esto lo harás trabajando de una manera proactiva y colaborativa.

Ahora que ya sabes qué aprenderás y para qué, te invitamos a responder las siguientes preguntas relacionadas con tu trabajo en esta unidad.

¿Qué metas te propondrías lograr en esta unidad?

Indica rar los aprendizajes? ¿Cómo te gustaría log . ar ud eas te pueden ay dos estrategias que cr

¿Por qué elegiste estas es

trategias?

Química • 1.° Medio

Lección

Conociendo las reacciones químicas

Propósito de la lección Explicar, en base a evidencias que las reacciones químicas son un proceso de reorganización atómica. Identificando su representación simbólica, la forma de reconocerlas, la energía involucrada y lo que

Ciencia, Tecnología y Sociedad ¿Por qué crees que se ha comenzado a utilizar este nuevo enfoque de la química?

¿Qué aportes crees que haría la química verde al medio ambiente?

provocan distintos factores en ellas, para reconocer y caracterizar las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos, en la industria y en nuestro entorno.

¿Qué es la

química verde?

Para dar una respuesta, la química verde es sinónimo de salud y de sostenibilidad ambiental. Este nuevo enfoque de la química está orientado a buscar nuevas formas de sintetizar sustancias para lograr una química más amigable con la salud y con el entorno. Una de las finalidades u objetivos de la química verde es buscar alternativas que no representen un peligro para la salud y para el medio ambiente, lo que se produce en algunos casos con la química tradicional. Así, desde el diseño y desarrollo de nuevas sustancias, se tienen en consideración las alternativas más sustentables y/o saludables que se puedan obtener. Como explica el investigador de la Universidad de Oregon, Kenneth Doxsee, la química verde ayuda a prevenir la contaminación gracias a soluciones científicas que tienen un sinfín de aplicaciones: “Al ofrecer alternativas de mayor compatibilidad ambiental, comparadas con los productos o procesos disponibles actualmente cuya peligrosidad es mayor y que son usados tanto por el consumidor como en aplicaciones industriales, la química verde promueve la prevención de la contaminación a nivel molecular”. Fuente: Isan, Ana. ¿Qué es la química verde? (20-01-2015) Recuperado de www.ecologiaverde.com ¿Qué importancia le atribuyes a estos nuevos aportes?

Unidad 2 • Reacciones químicas

Desarrollo

Cambios químicos en la materia

Propósito del tema Identificar una reacción química como la forma de plantear y expresar el reordenamiento de átomos para la formación de nuevas sustancias.

Con seguridad, has visto que la materia puede experimentar cambios físicos y químicos. Pero ¿qué tipo de cambio es una reacción química? ¿Cómo se puede reconocer que ha ocurrido una reacción química? ¿Cuáles son sus evidencias? Antes de responder estas preguntas, te invitamos a realizar la siguiente actividad. A poner en práctica

los conocimientos previos sobre los cambios químicos

Precaución

1. Busca dos palos de fósforo y realiza lo siguiente.

Ten mucho cuidado al encender el fósforo porque te puedes quemar.

▸ Toma uno de los palos y pártelo por la mitad. Luego, vuelve a partirlo. Observa y registra tus observaciones.

2. ¿Por qué crees que es importante aplicar los conocimientos para lograr nuevos aprendizajes?

▸ Toma el otro palo de fósforo y enciéndelo. Deja que se queme hasta la mitad y apágalo. Registra tus observaciones. a. Crea un cuadro comparativo de las observaciones para cada procedimiento. b. ¿En qué caso hubo una transformación de la materia? Fundamenta. c. ¿Cómo clasificarías cada procedimiento: cambio químico o físico? Explica. d. ¿Qué evidencia te permitiría clasificarlos como cambio químico o físico?

¿La preparación del queque de la actividad inicial correspondería a un cambio químico? Fundamenta.

Recurso digital complementario

Cambios Físicos Al ocurrir un cambio físico, las sustancias no cambian internamente, solo varía su aspecto o su estado de agregación. Como la sustancia sigue siendo la misma, también lo son sus moléculas; sin embargo, la unión entre ellas es distinta. Algunos ejemplos de cambios físicos son los cambios de estado, como el chocolate fundido, las mezclas de sustancias y la separación de mezclas.

Químicos Los procesos que involucran cambios químicos de la materia se conocen como reacciones químicas; aquí ocurren transformaciones que permiten obtener sustancias diferentes. Por ejemplo, el papel al quemarse o al oxidarse una manzana. En las reacciones químicas, las sustancias en estado inicial se llaman reactantes, y cuando se combinan entre sí originan otra u otras sustancias con distintas propiedades, los que reciben el nombre de productos.

Química • 1.° Medio

Lección 1

Condiciones para que ocurra una reacción química Las reacciones químicas consisten en un proceso en el que ocurre una reorganización de los átomos, presentes en los elementos o compuestos, que forma nuevas sustancias, y que necesariamente implica la ruptura de algunos enlaces y la generación de otros nuevos.

¿Qué debe ocurrir para que se produzca una reacción química? Colisiones efectivas

Energía de activación (EA)

La teoría de las colisiones explica que, para que ocurra una reacción química, las partículas de los reactantes, ya sean átomos, iones o moléculas, deben tener una orientación adecuada. Al tener una orientación adecuada se producirá una colisión efectiva y así se rompen los enlaces de los reactantes para formar los productos.

Es la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química. Entonces, para que ocurra una reacción, los choques entre las moléculas deben ser efectivos, es decir, tener una orientación correcta y poseer una cantidad mínima de energía. Energía potencial contra avance de la reacción

Después de la colisión

⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩

Energía potencial

Antes de la colisión Colisión

Colisión efectiva

Energía de activación

Reactantes

Productos Colisión no efectiva

Avance de la reacción Fuente: Chang, R. (2002). Química. (7.a ed). México: McGraw-Hill Interamericana Editores S.A.

Ciencia en Chile

? 66

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Unidad 2 • Reacciones químicas

Komal Dadlani, bioquímica de la Universidad de Chile, recibió el primer lugar del premio Cartier Initiative Awards a la mujer más emprendedora del mundo. A sus 24 años cofundó junto con un grupo de bioquímicos e ingenieros la empresa Lab4U, que se dedica a generar aplicaciones que transforman smartphones y tablets en instrumentos científicos para la realización de experimentos educativos.

A poner en práctica

mental mediante una actividad experi

Desarrollo

Formen un grupo de trabajo de cinco integrantes y planifiquen una actividad experimental en la que se produzca un cambio químico. Muéstrenla a su profesor(a) para que la revise y permita su realización en clases. Para guiar el trabajo, utilicen las etapas presentadas a continuación: Antecedentes Escojan una situación que dé cuenta de un cambio químico e investiguen trabajos que estén relacionados con el tema escogido y que además guarden relación con el objetivo que abordarán en su investigación. Pregunta de investigación A partir de la situación que escogieron, planteen una pregunta de investigación. Esta debe incluir las variables involucradas. Hipótesis

↑ Los huevos fritos son un ejemplo de cambio químico.

Formulen una hipótesis que dé respuesta a la pregunta de investigación. Recuerden que esta debe poder validarse experimentalmente. Diseño experimental Esta etapa se divide en dos partes. En la primera deben señalar los materiales y reactivos que utilizarán. En la segunda deben desarrollar el procedimiento, indicando las precauciones que es necesario considerar en el desarrollo de la experiencia. Resultados En esta etapa deben registrar todas las observaciones y resultados de la experimentación. Análisis de los resultados y conclusiones En esta etapa deben hacer un análisis de los resultados que obtuvieron y obtener las conclusiones que derivan de este análisis. Luego, respondan estas preguntas: 1. ¿Por qué escogieron esta situación para representar un cambio químico? 2. ¿Las evidencias obtenidas de la experimentación validan su hipótesis? 3. ¿Tuvieron complicaciones al llevar a cabo la experimentación?, ¿cómo las resolvieron? 4. ¿Cómo planificaron su trabajo en equipo? 5. ¿Cumplieron sus responsabilidades al realizar el trabajo? 6. ¿Respetaron las opiniones de todo el grupo? 7. ¿Creen que es importante replicar una actividad experimental para sustentar los conocimientos respecto del cambio químico?

► Recuerden que

hay muchos cambios químicos en los alimentos al ser cocinados, procesados y digeridos.

Química • 1.° Medio

Lección 1

¿Cómo se representan las reacciones químicas?

Propósito del tema Representar la reorganización atómica de una reacción química a través de una ecuación química.

La combinación de sustancias que da origen a una reacción química se puede representar de manera ordenada y simple mediante modelos moleculares, o bien en una ecuación química. En ambos casos, se escriben las fórmulas de las sustancias iniciales, los reactantes, y las fórmulas de las sustancias finales, los productos; ambas separadas por una flecha, la que indica una transformación. Veamos en qué consisten estas representaciones. En el ejemplo, se usarán dos reactantes: hidrógeno molecular, H2 (g), y oxígeno molecular, O2 (g), los que se combinan formando dos moléculas de agua, H2O (l). Modelo molecular de una reacción química

Es una representación de la estructura molecular de las sustancias que participan en una reacción química. Sustancias iniciales Reactante

Sustancias finales Productos

Reactante

2 moléculas de hidrógeno gaseoso, H2 (g)

1 molécula de oxígeno gaseoso, O2 (g)

2 moléculas de agua, H2O (l).

Reaccionan para formar

4 átomos de hidrógeno 2 átomos de oxígeno

En los reactantes hay 4 átomos de hidrógeno, representados en color blanco; y 2 átomos de oxígeno, representados en color rojo.

Luego, estos átomos se reorganizaron para formar un producto, que es el agua, la cual está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, como lo puedes observar en la ilustración

Por lo tanto, podemos decir que en la reacción química de formación de agua hubo una reorganización de átomos para generar un producto.

? 68

¿Qué debió ocur rir tantes para que los reac en an ar rm sfo se tran s? to uc od pr

Unidad 2 • Reacciones químicas

¿Crees que las ecuacion es químicas solo se pueden representar mediante modelos moleculares?

Desarrollo

Ecuación química de una reacción Es una representación simbólica y abreviada de una reacción química. Sentido de la reacción

Coeficientes estequiométricos

2 H2

(g)

2 H2O

(g)

(ℓ)

Coeficientes atómicos Estados de agregación

Coeficiente atómico número entero que indica la cantidad de átomos que forma una sustancia.

A poner en práctica

Coeficiente estequiométrico número generalmente entero y positivo que indica la cantidad involucrada de una sustancia específica en una reacción química.

la representación de reacciones químicas mediante ecuaciones químicas

1. Utilizando el ejemplo de la ecuación química que representa la reacción de formación de agua, representa mediante una ecuación química las reacciones descritas a continuación: a. Cuatro átomos de hierro sólido más tres moléculas de oxígeno reaccionan para producir dos moléculas de hierro (III) en estado sólido. b. Una molécula de hidróxido de sodio en estado acuoso más una molécula de ácido clorhídrico en estado acuoso reaccionan para formar una molécula de cloruro de sodio en estado acuoso más una molécula de agua líquida. c. Dos moléculas de óxido de nitrógeno (II) más una molécula de oxígeno gaseoso reaccionan para formar dos moléculas de óxido de nitrógeno (IV) gaseoso. 2.

Junto con un compañero(a), investiguen una reacción química que ocurra en el entorno y represéntenla mediante el modelo molecular y una ecuación química; además, incorporen una reflexión sobre la importancia que presenta la reacción investigada para la sociedad.

3. ¿Cómo puede aportar a tu aprendizaje el trabajo colaborativo?

Sentido de la reacción Reversible (⇄): los reactantes forman productos que pueden volver a formar reactantes. Irreversible (→): los reactantes forman productos, pero estos no pueden volver a formar reactantes.

Importante La fórmula química es una representación de los elementos que forman un compuesto y la proporción en que deben reaccionar.

¿Crees que en un a ecuación química podría haber un número dis tinto de átomos en los reactantes y en los productos?

corresponden a los estados físicos en los cuales encontramos la materia. Estos estados son: sólido, líquido y gaseoso.

Estados de agregación

do ¿Qué senti acción re la tien e ón de formaci del agua?

Química • 1.° Medio

Lección 1

¿Cómo se reconocen las reacciones químicas?

Propósito del tema

En una reacción química reaccionan una o varias sustancias para formar otra u otras de distintas propiedades o características. Pero ¿cómo sabemos que ha ocurrido una reacción química? Esto se puede comprobar por medio de algunas evidencias, tales como el cambio de color, la formación de precipitados, la liberación o absorción de calor, el desprendimiento de gas o la emisión de luz. A continuación, se describirán algunas de ellas.

Identificar a partir de evidencias observables o medibles.

Cambios de color

Seguramente has observado lo que sucede con el color de una manzana partida si la dejas al aire libre por un período prolongado: se torna café oscura, ¿verdad? Esa es una evidencia de que ocurrió una reacción química. En este caso, es una reacción de oxidación, que resulta del contacto de los compuestos químicos de la manzana con el oxígeno del aire. Otro ejemplo de este tipo es la oxidación de las superficies metálicas. Aunque uno de los identificadores más frecuentes de una reacción química es el cambio de color, este no ocurre siempre, o bien no se observa en la combinación de sustancias.

↑ Oxidación del hierro.

¿Sucedería lo mismo si la manzana no estuviera mordida? Explica.

Formación de precipitados

Pb(NO3)2

Pb I2

↑ Al verter el yoduro de potasio (KI) en la disolución de nitrato de plomo (II) (Pb(NO3)2), se forma un precipitado de color amarillo de yoduro de plomo (II) (PbI2). Esta es una evidencia de la reacción química.

Unidad 2 • Reacciones químicas

Un precipitado es un sólido insoluble en la disolución que lo contiene, y se forma al combinar dos sustancias líquidas. Su composición es diferente a la de los reactantes. Este sólido o precipitado puede caer al fondo del recipiente que contiene la disolución si su densidad es mayor que la de la mezcla; o bien, mantenerse suspendido si su densidad es menor. Un precipitado se representa en una ecuación química con una flecha hacia abajo y se anota al lado del producto sólido, por ejemplo, PbI2 (s) (↓). La precipitación se emplea en actividades industriales, como en el tratamiento previo de aguas residuales, porque permite obtener o separar sustancias que después son recogidas por distintos métodos de separación de mezclas, como la filtración o la decantación.

Desarrollo

Liberación o absorción de calor Por experiencia, sabes que al encender un fósforo o al hacer una fogata se libera calor. Pues bien, existen reacciones en las que las sustancias que se combinan generan un cambio de energía durante el proceso, lo que puede dar origen a una absorción o a una liberación de energía en forma de calor. Por ejemplo, los calentadores de mano tienen en su interior una disolución de acetato de sodio y un dispositivo metálico que, al flexionarlo, produce la cristalización del acetato y libera calor.

¿Cómo se evidencia la reacción química en una fogata? Explica.

↑ La reacción que se produce en un calentador de manos libera calor.

A poner en práctica

la comprobación mediante experimentos

Reúnanse en parejas y consigan los siguientes materiales y sustancias: un tubo de ensayo, leche, vinagre, una pipeta y un gotario. Luego, realicen el siguiente procedimiento: 1. Añadan al tubo de ensayo 5 mL de leche con la pipeta. 2. Observen la leche. Registren sus características. 3. Agreguen 10 gotas de vinagre con el gotario. ¿Qué ocurrió con la leche? Registren sus características.

Respondan: a. ¿Qué observaron al agregar el vinagre a la leche dentro del tubo de ensayo? b. ¿A qué tipo de evidencias, de las estudiadas en estas páginas, se asemeja? ¿En qué se fundamentan? c. ¿Cómo representarían lo ocurrido mediante una ecuación química? d. ¿Cómo planificaron su trabajo? Expliquen. e. ¿Establecieron responsabilidades antes de comenzar? f. ¿Cometieron errores en la experiencia?, ¿cómo las resolvieron?

Química • 1.° Medio

Lección 1

Desprendimiento de gas Según el tipo de reactantes involucrados en la reacción química, es posible observar que las burbujas ascienden hacia la superficie de la disolución; si el gas es insoluble en la mezcla, se observará; si no lo es, será muy difícil identificarlo. Del mismo modo, si el gas tiene olor o es inodoro, también será un factor que permitirá identificar su presencia en caso de que el gas sea insoluble.

Cuando agregas unas gotas de una sustancia ácida sobre una cucharada de bicarbonato podrás ver que se producen burbujas lo que indica que hubo un desprendimiento de gas. Este efecto es la evidencia de que ha ocurrido una reacción química. El gas se puede obtener por la combinación de dos sustancias líquidas o de una sustancia líquida con una sólida. Es importante tener presente que no siempre la aparición de burbujas es evidencia de una reacción química, ya que podría ser un cambio de estado.

¿Cuál será la ecuación química de la reacción?

← El bicarbonato de sodio (NaHCO3) en contacto con ácido acético (CH 3COOH) o vinagre comercial reacciona y genera como producto un gas, el dióxido de carbono (CO2); una sal, acetato de sodio (CH3COONa), y agua (H2O).

A poner en práctica

el registro de evidencias manifestando una actitud de pensamiento crítico

Formen grupos de tres o cuatro personas. Reúnan los materiales y reactivos para crear un extintor: servilleta de papel, un tapón de corcho perforado, vela, plasticina, una bombilla, una botella pequeña (limpia y seca), 15 cm de hilo, una cuchara chica, bicarbonato de sodio y vinagre. Sigan el procedimiento: 1. Coloquen cuatro cucharadas de bicarbonato de sodio en la servilleta; ciérrenla y amárrenla con el hilo en forma de bolsita. 2. Agreguen cinco cucharadas de vinagre en la botella.

Precaución Tengan cuidado al encender la vela para no quemarse.

3. Suspendan la bolsita de bicarbonato dentro de la botella, de forma que cuelgue con una parte del hilo fuera. No debe tocar el vinagre. 4. Introduzcan la bombilla en el corcho y cubran el espacio que quede sin tapar con la plasticina. Coloquen el corcho con la bombilla en la boca de la botella. Debe quedar muy firme y sin espacios abiertos. 5. Tapen la boca de la bombilla con el dedo para mezclar el bicarbonato con el vinagre. Sujeten muy bien la botella y agítenla, sin destapar la bombilla. 6. Una vez agitada la botella, quiten el dedo de la bombilla y diríjanla sobre una vela encendida. a. Lo observado al mezclar bicarbonato con vinagre, ¿correspondería a una reacción química? b. ¿Cómo explicarían lo sucedido al acercar la botella a la vela encendida? c. La experiencia realizada ,¿con qué tipo de evidencia química se relaciona? Expliquen. d. Expliquen por qué se debe ser riguroso al realizar una actividad experimental. 72

Unidad 2 • Reacciones químicas

Desarrollo

Emisión de luz Otra de las evidencias de una reacción química es la emisión de luz. Por lo general, este tipo de manifestaciones se presenta en reacciones que liberan calor, por ejemplo, en la combustión de un trozo de papel o madera, o en las reacciones que dan origen a los fuegos artificiales. Otros ejemplos de emisiones de luz son la quimioluminiscencia y la bioluminiscencia.

↑ Los fuegos artificiales son ejemplos de emisión de luz.

Quimioluminiscencia

Bioluminiscencia

Es el proceso de emisión de luz como resultado de una reacción química. Un ejemplo es lo que ocurre con el luminol, un compuesto muy utilizado en química forense que, al entrar en contacto con la sangre, emite una luz brillante. También lo puedes ver en las varillas luminosas empleadas como accesorios en las fiestas.

Se habla de bioluminiscencia cuando los organismos producen reacciones en las que se emite luz; como es el caso del krill y de algunas medusas. En la naturaleza también existen reacciones químicas que se evidencian por la emisión de luz. Un ejemplo son las luciérnagas, que son un tipo de escarabajo que emite una luz brillante. ¿Cómo lo hacen? Bajo su abdomen poseen órganos especiales, los que al absorber oxígeno hacen que este se combine con una sustancia llamada luciferina, lo que da origen a una reacción en la que se produce luz con una mínima generación de calor.

↑ Luminol utilizado por la policía en una investigación.

↑ Medusa de la luna (Aurelia aurita) y su emisión de luz.

Química • 1.° Medio

Lección 1

¿Qué factores afectan la velocidad de las reacciones químicas? Como has podido notar, las reacciones químicas son muy diversas, algunas liberan calor y otras cambian de color. Pero también ocurre que hay algunas que se producen rápidamente y otras que demoran más tiempo. Por ejemplo, la formación de diamantes a partir del carbono puede tardar millones de años, pero para que se queme un trozo de papel solo bastan segundos. En este sentido, las distintas reacciones químicas ocurren a diferentes velocidades. Entenderemos por velocidad de reacción la cantidad de producto que se forma o la cantidad de reactantes que se consumen en una unidad de tiempo. Estas cantidades estarán dadas por factores como los que estudiaremos a continuación.

Factores que alteran la velocidad de reacción

Caracterizar las reacciones químicas de acuerdo a cómo influyen distintos factores en su velocidad.

Concentración de los reactantes

Temperatura del sistema

Propósito del tema

Presencia de catalizadores

La velocidad de reacción de la oxidación de los clavos, ¿será lenta o rápida? ¿A qué factor de velocidad de reacción se puede asociar?

Superficie de contacto de los reactantes

A poner en práctica

el análisis de situaciones experimentales cotidianas

1. En parejas consigan dos tabletas efervescentes, dos vasos de precipitado, plato pequeño, cuchara, agua y un cronómetro. Luego, sigan el procedimiento: ▸ Agreguen 50 mL de agua en cada vaso. ▸ En uno de los vasos añadan la tableta entera. Midan y registren el tiempo que demora en disolverse. ▸ Muelan la otra tableta y añádanla en el otro vaso. Midan y registren el tiempo que demora en disolverse. a. ¿En qué procedimiento demoró menos tiempo la reacción? b. ¿A qué atribuyen que se demorara menos tiempo? c. ¿Por qué es importante, en las actividades experimentales, ser rigurosos en el seguimiento de los procedimientos? Expliquen. 74

Unidad 2 • Reacciones químicas

2. El proceso de digestión de un trozo de pan comienza en la boca con el acto de masticar y la acción de una proteína especial que recibe el nombre de enzima. Sin esta última, la digestión del trozo de pan demoraría años. Esta enzima cumple la función de un catalizador. Basándose en esta información, respondan: a. ¿Qué hace un catalizador? b. ¿Por qué es necesaria su presencia en algunas reacciones químicas? c. Investiguen qué otros catalizadores utiliza nuestro cuerpo para realizar estos procesos. Pueden pedir ayuda a su profesora o profesor de Biología.

Desarrollo

Efecto de la concentración de los reactantes

En una reacción química se combinan distintas cantidades de sustancias. La forma de referirse a esas cantidades es: concentraciones. Teniendo esto en cuenta, es lógico pensar que al elevar la concentración de las sustancias que participan en una reacción química también se incrementa la velocidad con que esta ocurre. ¿Por qué? Porque si se aumenta la concentración de uno de los reactantes, el número de choques efectivos entre los átomos, iones o moléculas también se incrementa; por lo tanto, reaccionan con mayor velocidad. En el caso de las sustancias gaseosas, la concentración puede aumentar si se disminuye el volumen del sistema; esto se logra al incrementar la presión.

Efecto de la temperatura del sistema

A poner en práctica

Si se eleva la temperatura de este sistema (reactantes que reaccionan para formar un producto), aumentará el movimiento de las moléculas que lo componen y, por consiguiente, se incrementará el choque entre las partículas aumentando la velocidad de la reacción. Esto permitirá que se alcance la energía necesaria para que las sustancias reaccionen y se formen nuevos productos. La temperatura es un factor incidente en las reacciones químicas que requieren de energía adicional para aumentar el movimiento de sus moléculas y así formar los productos; por lo tanto, al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de reacción. Por ejemplo, si comparamos la reacción que se produce al dejar caer una tableta efervescente en agua fría con otra en la que se utiliza el mismo procedimiento, pero usando agua caliente, ¿qué piensas que sucederá? Efectivamente, reaccionará con mayor velocidad la tableta efervescente en el agua caliente.

¿Cómo influye la concentración en la velocidad de reacción al encender carbón para un asado?

↑ Llama de mechero calentando un tubo de ensayo para provocar una reacción.

la aplicación de tus conocimientos

1. Identifica el factor que altera la velocidad de la reacción química en las siguientes situaciones: a. Refrigerar los alimentos para evitar su descomposición. b. Agregar más carbón a la parrilla para avivar el fuego. c. Añadir más agua para disolver una tableta de antiácido. 2. En un recipiente se tiene una mezcla de gases que reaccionan para formar un producto X. Si se disminuye el volumen del recipiente, tal como se muestra en la imagen al costado derecho, predicce qué sucederá con la velocidad de la reacción.

Química • 1.° Medio

Lección 1

Efecto de la superficie de contacto de los reactantes

Si uno de los reactantes es un sólido, el tamaño de sus partículas afectará directamente la velocidad de reacción: a mayor tamaño, más lenta es la reacción.

A poner en práctica

el análisis de situaciones problema

2. En las imágenes se observa la reacción de cinc, Zn (s), con ácido clorhídrico, HCl (ac), cuyo producto es cloruro de cinc, ZnCl2 (ac), e hidrógeno gaseoso, H2 (g). En el tubo 1 el cinc se encuentra como granalla y en el tubo 2, en un trozo. Según estos datos, responde.

Unidad 2 • Reacciones químicas

¿Cómo explicarías a nivel molecular el factor efecto de contacto si los reactantes se encuentran en estado sólido y en estado gaseoso?

Si los reactantes se encuentran disueltos o son gases, o las especies que participan son iones, tendrán mayor superficie de contacto, debido a que poseen más libertad para desplazarse y, con ello, reaccionar con mayor velocidad.

1. Se necesita hacer reaccionar ácido acetilsalicílico (CH3COOH) con hidróxido de sodio (NaOH) para obtener una sal y agua. Si dispones de ácido acetilsalicílico en tabletas y de hidróxido de sodio en disolución, ¿qué harías para que la velocidad de la reacción aumente? Explica tu razonamiento.

Imagina la siguiente situación: deseas endulzar una bebida y, para ello, dispones de un terrón de azúcar y de azúcar granulada. ¿En cuál de esas presentaciones el azúcar se disolverá más rápido? Esto ocurrirá en la forma granulada, ya que existe una mayor superficie de contacto, por lo que es más fácil el acceso del líquido a los cristales que la componen. En cambio, en el terrón, la superficie de contacto es más reducida. Las reacciones químicas ocurren cuando los reactantes entran en contacto. Entonces, si estos están finamente divididos, la superficie de contacto es mayor, lo que facilita la interacción para romper y formar nuevos enlaces entre sus moléculas y así obtener los productos de la reacción. Así, podemos encontrarnos con distintos casos:

Tubo 1

Tubo 2

a. ¿En cuál de los dos tubos será más rápida la reacción? ¿Por qué? b. Escribe la ecuación que representa esta reacción química.

Desarrollo

Presencia de catalizadores: reacción exotérmica

Efecto de un catalizador

Energía de activación EA

Energía

Un catalizador es una sustancia que afecta la velocidad de una reacción química, pero no participa de ella, es decir, no es parte de los reactantes ni de los productos. Por lo tanto, no se consume ni se produce mientras esta ocurre. Los catalizadores son específicos y bastan pequeñas cantidades para que actúen, ya sea aumentando o disminuyendo la velocidad de una reacción. De este modo, pueden encontrarse catalizadores positivos y catalizadores negativos.

EA Reactantes Productos

EA sin catalizador. EA con catalizador negativo. EA con catalizador positivo.

Transcurso de la reacción Fuente: Velocidad de reacción química y factores que influyen en ella. www.educarchile.cl

La acción de un catalizador es ejercida sobre la energía de activación (EA) de una reacción, que es la energía mínima necesaria para que la reacción se inicie. Normalmente, esta es suministrada por la energía cinética de las moléculas reaccionantes.

A poner en práctica

Los catalizadores positivos disminuyen la energía de activación, por lo que aumentan la velocidad de una reacción. Así, la energía necesaria es mucho menor. Un ejemplo son las enzimas de nuestro organismo que aceleran reacciones y que serían muy lentas a temperatura corporal.

el análisis de las siguientes situaciones cotidianas

1. Compara los casos que se presentan en cada situación e indica en cuál de ellos estimas que la velocidad con que ocurre la reacción es mayor. Explica qué te hace suponerlo. a. ¿Se cocinará más rápido 500 g de carne entera o 500 g de carne molida? b. ¿La descomposición de la leche será más rápida a la sombra o expuesta al sol? c. ¿Se quemará más rápido un tronco de madera o un montón de astillas?

Los catalizadores negativos aumentan la energía de activación, por lo que disminuyen la velocidad de una reacción. La energía necesaria para que ocurra la reacción es mucho mayor. Algunos se emplean en la industria alimentaria para inhibir la reproducción de bacterias o levaduras en la leche o mantequilla. También, se llaman inhibidores.

Recurso digital complementario

Conectando con... Las TIC Ingresa el código 16TQ1M077A en el sitio web del Texto y conoce cómo los convertidores catalíticos ayudan al medio ambiente.

Química • 1.° Medio

Lección 1

Energía y reacciones químicas En una reacción química no solo desaparecen algunas sustancias y se forman otras, sino que también se producen intercambios de energía con el medio ambiente. Cada sustancia química constituye una reserva de energía química, que depende del tipo de átomos que conforman a la sustancia y de las uniones o enlaces existentes entre ellos. Para romper un enlace se necesita energía y al formarse un enlace se libera energía. Mientras más fuerte es el enlace, mayor es la energía que contiene. ¿De dónde proviene la energía de una reacción química? ¿Para qué se utiliza esta energía? Veámoslo en los siguientes textos.

Propósito del tema Caracterizar las reacciones químicas de acuerdo a la relación entre la energía involucrada.

Reacciones exergónicas En las reacciones exergónicas se transfiere energía desde el sistema en estudio hacia los alrededores. La energía desprendida se puede manifestar produciendo calor, energía eléctrica o también luz. Una reacción exergónica es un proceso espontáneo con liberación de energía. Por ejemplo: 2 H2 (g) + O2 (g) Chispa 2 H2O (ℓ) + energía La reacción de formación del agua es exergónica, aunque para su inicio requiere que se aplique una chispa y se inflame el hidrógeno, es decir, necesita una energía de activación.

Reacciones endergónicas En las reacciones endergónicas el entorno suministra energía al sistema en estudio para que ocurra la reacción. La energía absorbida se puede suministrar mediante calor, luz o energía eléctrica. Una reacción endergónica es un proceso no espontáneo y requiere energía para producirse. Por ejemplo: 2 H2O (ℓ) + energía → 2 H2 (g) + O2 (g) La descomposición del agua es un proceso endergónico, ya que se aplica energía eléctrica al sistema para que la reacción ocurra.

A poner en práctica

la investigación sobre reacciones exergónicas y endergónicas

1. Formen parejas y respondan las siguientes preguntas: a. ¿Qué importancia creen que tiene la energía (absorción o liberación) en las reacciones químicas? b. ¿Conocen algunas reacciones del entorno que puedan clasificar como endergónicas y exergónicas? Nómbrenlas. c. Averigüen cómo se relacionan estos tipos de reacciones con el metabolismo celular. Pueden pedir ayuda a su profesora o profesor de Biología.

Unidad 2 • Reacciones químicas

Desarrollo

Reacciones exotérmicas y endotérmicas Las sustancias, al reaccionar, reordenan sus átomos originándose una transformación energética, la cual se evidencia en la liberación o absorción de calor. Lo que nos permite estudiar los cambios de energía a presión constante es la entalpía (H); su variación se expresa como ∆H y se mide en joule.

Importante Por lo general, se utilizan kilojoules (kJ) en vez de joule, que corresponden a 1000 joules.

Reacciones Exotérmicas

Endotérmicas

Son reacciones químicas en las que se desprende energía calórica. La energía que poseen las moléculas de los reactantes es mayor que la que poseen las moléculas del o de los productos. Ejemplos son las reacciones de combustión y la corrosión de los metales.

Son reacciones químicas que absorben energía calórica. En este caso, la energía que tienen las moléculas de los productos es mayor que la que poseen las moléculas de los reactantes. Ejemplos son la fotosíntesis o la fritura de un huevo.

El valor de la variación de entalpía (4H) tiene signo negativo. Por ejemplo, 4H = – 120 kJ.

El valor de la variación de entalpía (4H) tiene signo positivo. Por ejemplo, 4H = 220 kJ.

Proceso endotérmico

Proceso exotérmico

Reactantes

Energía

∆H negativo Ep

Se libera calor Energía

Producto

Productos ∆H positivo

Transcurso de la reacción Fuente: Chang, R. (2002). Química. (7.a ed.). México: MacGraw-Hill. (Adaptación)

A poner en práctica

Se absorbe calor

Reactantes

Transcurso de la reacción Fuente: Chang, R. (2002). Química. (7.a ed.). México: MacGraw-Hill. (Adaptación)

la caracterización de reacciones químicas según su energía

1. ¿Cuál de las siguientes ecuaciones químicas representa una reacción endotérmica y una reacción exotérmica? Explica. 4H = –41,2 kJ 4H = +51,83 kJ

2. La siguiente reacción: 2 Na (s) + 2 H2O (ℓ) → 2 NaOH (ac) + H2 (g) + calor

¿Es exergónica o endergónica? ¿Exotérmica o endotérmica? Fundamenta. 3. Según el esquema energético de la derecha, ¿se desprende o se absorbe energía? ¿Cómo puedes saberlo?

Reactantes

Energía

a. CO (g) + H2O (g) → CO2 (g) + H2 (g) b. I2 (s) + H2 (g) → 2 HI (g)

Esquema energético

Productos Transcurso de la reacción

Química • 1.° Medio

Integro lo aprendido Responde las siguientes preguntas relacionadas con la Lección 1. 1.

En parejas desarrollen un proceso científico a partir de la siguiente situación:

Un joven agregó una pastilla efervescente en trozos dentro de un globo, lo afirmó a la boca de una botella que contenía agua y lo levantó para que la pastilla cayera dentro de la botella. a. ¿Qué hipótesis se pueden plantear frente a esta situación?

b. ¿Qué harían para llevar a cabo la experiencia que realizó el joven? Tengan en cuenta en el diseño experimental los materiales, los reactivos y el procedimiento.

c. ¿Qué evidencias pueden recoger y registrar de la actividad experimental?

Analicen e interpreten la actividad anterior: a. ¿La situación se trata de un cambio químico o un cambio físico?, ¿por qué?

b. ¿Cuáles son los reactantes y los productos de la reacción?

c. Representen la reacción mediante una ecuación química. (Pueden usar palabras o fórmulas).

d. ¿Cómo se puede reconocer esta reacción química?

e. ¿Qué factores podrían alterar la velocidad de esta reacción?

Unidad 2 • Reacciones químicas

Desarrollo

3. Analiza los siguientes requerimientos y crea una actividad experimental para comprobar las condiciones solicitadas. La experiencia debe: ▸ ser una reacción química. ▸ evidenciar un cambio de color o calor. ▸ experimentar un cambio en la velocidad de la reacción. a. Realiza un informe con la actividad creada. Para ello, guíate por las etapas de la experiencia realizada en la p. 67. b. Representa la reacción química mediante una ecuación, indicando cada uno de los componentes. c. Justifica por qué es una reacción química. Ten en cuenta que es un proceso de reorganización atómica. d. ¿Qué evidencia te permitió reconocer que es una reacción química?, ¿qué tipo de reacción realizaste? e. ¿Qué factor utilizaste para ver el cambio de velocidad de la reacción? ¿Este factor aumentó o disminuyó la velocidad de la reacción? f. En el proceso, ¿hubo liberación o absorción de energía? Explica. 4.

Formen parejas y realicen un resumen de la Lección 1 mediante un organizador gráfico. Pueden revisar los propuestos en el anexo de la página 184 del Texto. 5. ¿Cómo evaluarías la metodología de los organizadores gráficos en tu proceso de aprendizaje? ¿Qué otras actividades propondrías para mejorar tu aprendizaje? ¿Qué logré? Mediante un plenario compartan, con sus compañeras y compañeros, los procedimientos y el análisis de las respuestas de las actividades. Luego, respondan: en obtener de una ¿Qué beneficios se pued jo? y organización del traba

¿Crees que comunicar y compartir los resultados entre los compañeros beneficia tu aprendizaje?, ¿por qué?

buena planificación

Ahora que has terminado la lección, vuelve a revisar la actividad de la p. 65 y verifica tus respuestas. ¿Fueron las correctas? ¿Qué harías de otra forma y por qué?

Química • 1.° Medio

Lección

¿Cómo se clasifican las reacciones químicas?

Propósito de la lección Reconocer y clasificar los tipos de reacciones químicas y sus ecuaciones, mediante procesos teóricos y experimentales, para trabajar responsable y proactivamente, desarrollando trabajos colaborativos y respetando los aportes de cada integrante de un equipo.

Ciencia, Tecnología y Sociedad

Disolución de metales por bacterias

Después de muchos años de experimentos y pruebas, se pudo implementar una tecnología industrial para producir cobre a partir de minerales de baja ley, con altos contenidos de calcopirita, utilizando la biotecnología. Se trata del proceso de biolixiviación en que los microorganismos extraen el metal rojo del mineral sulfurado para liberar el cobre y dejarlo en forma soluble. Este proceso disuelve azufre y hierro para extraer cobre desde la calcopirita. Después de una serie de pruebas industriales, el nuevo método recuperó entre un 30 y un 50 por ciento más de cobre fino que los sistemas convencionales y aumentó la rapidez de recuperación del mineral. La biolixiviación o lixiviación bacteriana es un proceso natural de disolución de metales realizado por un grupo de bacterias. Al estar en el medio ambiente, es un proceso que viene con la historia de la vida en la Tierra.

¿Qué importancia demuestra esta noticia respecto del trabajo en equipo y el trabajo entre diversa s áreas?

Unidad 2 • Reacciones químicas

En cuanto a lo que significa este proceso, el profesor Ricardo Badilla indica que “lo que demuestra esto es que en Chile, al juntar conocimientos de distintas áreas, logras hacer un gran aporte, en el marco de un fuerte respaldo empresarial. Sumando la microbiología, biología de sistemas, la química metalúrgica, el medio ambiente y la ingeniería hicimos avances significativos en biolixiviación”. Y agrega: “Puedes cambiar el proceso minero; no solo ayudas al medio ambiente recuperando lo que antes iba a botaderos, sino que ganas en la sustentabilidad del negocio minero; además, logras cambiar la tecnología minera haciéndola tremendamente eficaz”. Fuente: Comunicaciones FCFM – UChile (29-05-20016). Recuperado de http://ingenieria.uchile.cl/noticias/105620/ude-chile-participa-en-la-creacion-de-tecnologia-debiolixiviacion

Gentileza foto: Codelco. ¿Qué opinas de la importancia que tiene el crear nuevas tecnologías para contribuir al cuidado del medio ambiente?

Desarrollo

¿Cuáles son los tipos de clasificación de las reacciones químicas?

Clasificar, mediante la investigación o experimentación, las reacciones químicas que se producen en el entorno.

Las reacciones químicas se pueden clasificar en diversos tipos; algunos de ellos son: de síntesis, de sustitución y de óxido-reducción. Conozcamos cada uno de ellos. También se encuentra la descomposición y combustión, la cual conocerás en el próximo tema.

Son aquellas en los que dos o más sustancias simples, elementos o compuestos, reaccionan para formar un único compuesto. El esquema general de una reacción de síntesis es el siguiente:

Reacción de síntesis o combinación

¿Por qué es importante la producción del amoníaco en Chile y en el mundo? ¿Cómo se relaciona el amoníaco con las reacciones de síntesis?

A + B → AB

Un ejemplo de este tipo de reacción es la síntesis del sulfuro de hierro (II).

Fe (s) + S (s) → Según los reactivos, estas reacciones originan diferentes productos.

A poner en práctica

FeS (s)

los conocimientos previos sobre reacciones químicas

1. En un laboratorio se realizó una experiencia con una cinta de magnesio, un mechero y una pinza metálica. Luego, explicaron el siguiente procedimiento. Encendieron el mechero. Tomaron la cinta de magnesio con la pinza metálica y la acercaron a la llama del mechero. a. ¿Qué reacción ocurrió? Escribe su ecuación. b. ¿Qué información entrega la ecuación? Escribe la ecuación en una hoja e indica la mayor cantidad de información que puedas obtener de ella. Recuerda que primero debes balancear la ecuación. c. ¿Qué tipo de reacción se produjo? d. ¿Qué tipo de reacción se produjo en relación con la energía involucrada: absorción o liberación de energía? 2. Investiga sobre la producción del amoníaco. a. Busca su ecuación química y nombra los reactantes y productos. b. Explica por qué es una reacción de síntesis.

Química • 1.° Medio

Lección 2

Reacciones de óxido-reducción ¿Recuerdas la actividad experimental de la página 27? ¿Qué sucedía al dejar una manzana sin cáscara al aire libre? Sí, se oxida; lo mismo sucede con algunos metales, en los que se forma óxido y se deterioran. Cuando sucede este proceso ocurre una reacción de óxido-reducción. En las reacciones de óxido-reducción lo que ocurre es una transferencia de electrones entre los reactantes de una reacción química; una sustancia acepta electrones y otra los cede. Por lo tanto, la oxidación y la reducción suceden simultáneamente. Veamos algunos ejemplos concretos: La reacción del magnesio (Mg), con el oxígeno (O2), para formar óxido de magnesio (MgO):

Se reduce 0

↑ La galvanización es el proceso en el que se recubren piezas de metal para evitar la corrosión.

¿Por qué es impo rtante para la sociedad el pr oceso de la galvanización?

+1 –1

2 Mg (s) + O2 (g) → 2 MgO (s)

Se oxida

Aquí el magnesio (Mg), cede electrones y se oxida, mientras que el oxígeno molecular (O2), los acepta y se reduce. La reacción del sodio (Na), con el cloro (Cl2), para formar cloruro de sodio: Se reduce 0

+1 –1

2 Na (s) + Cl2 (g) → 2 NaCl (s) Aquí el sodio (Na), pierde electrones y se oxida, mientras que el cloro molecular (Cl2), gana electrones y se reduce. Las reacciones de óxido-reducción son ampliamente utilizadas y poseen importantes aplicaciones. Por ejemplo, con ellas se han podido crear métodos para proteger a los metales de la corrosión y hacer las baterías para generar electricidad a través de procesos de electrólisis, que son fundamentales en la industria metalúrgica y en la obtención de productos químicos. A poner en práctica

a. Escriban la reacción que se produce en la actividad. Investiguen en fuentes confiables. Unidad 2 • Reacciones químicas

so de lgún proce ¿Con oces a a un se e er po qu nues tro cu cción? u d re oóxid proceso de

Precaución Cuidado al utilizar el mechero, ya que te puedes quemar.

el análisis de reacciones de combustión

1. Formen parejas y consigan una lámina de cobre, un mechero y una pinza metálica. Tomen la lámina con la pinza y pónganla directamente a la llama del mechero; esta debe ser calentada al rojo. Luego, déjenla enfriar y registren lo observado.

Se oxida

b. ¿Qué productos se forman en la reacción? c. ¿Qué tipo de reacción se produjo? d. ¿Qué evidencia pudieron observar que indique que se está produciendo la reacción? e. ¿Qué beneficios se obtienen con el trabajo en equipo?

Desarrollo

Reacciones de sustitución

Una reacción de sustitución o de desplazamiento es aquella en que un elemento de un reactante se sustituye o intercambia por un elemento de otro reactante. Una reacción de este tipo siempre tiene el mismo número de reactantes y productos. Estas se clasifican en:

Reacciones de sustitución simple Se producen cuando reaccionan un elemento y un compuesto. El elemento reemplaza en su posición a uno de los elementos del compuesto. La ecuación general de una reacción de sustitución simple es la siguiente: A + BC → AC + B Entre las reacciones de sustitución simple están aquellas en que: ▸ Un elemento metálico reacciona con el agua o un ácido para sustituir al hidrógeno. Por ejemplo: 2 Fe (s) + 3 H2O (g) → Fe2O3 (s) + 3 H2 (g)

▸ Un compuesto reacciona con un elemento para sustituir a un elemento del compuesto. Por ejemplo: C (s) + 2 CuO (s) → CO2 (g) + 2 Cu (s)

▸ Un elemento o molécula biatómica reacciona con el halógeno de un compuesto y lo sustituye. Por ejemplo: Cl2 (g) + 2 HBr (ac) → 2 HCl (ac) + Br2 (ac)

Reacciones de sustitución doble

↑ El nitrato de sodio (NaNO3) es un compuesto que se forma por una doble sustitución. Este compuesto es muy utilizado como fertilizante.

¿Sabías que en la cocina se producen muchas reacciones de combustión, y que son un tipo de reacción de sustitución?

Ocurren cuando reaccionan dos compuestos y se produce el intercambio de un elemento entre los dos compuestos. La ecuación general de una reacción de sustitución doble es la siguiente: AB + CD → AD + CB Estas pueden ser de dos clases: La reacción de dos sales que producen el intercambio de un elemento. AgNO3 (ac) + NaI (ac) → AgI (s) + NaNO3 (ac)

A poner en práctica

La reacción de un ácido con un hidróxido, donde se produce el intercambio de un elemento, que origina una sal y agua. 3 HCl (ac) + Al(OH)3 (ac) → AlCl3 (ac) + 3 H2O (ℓ)

la explicación de acuerdo a las reacciones de sustitución

1. ¿A qué tipo de sustitución corresponden las siguientes reacciones? a. 2 Na (s) + 2 H2O (ℓ) → 2 NaOH (ac) + H2 (g) b. 2 NaOH (ac) + H2SO4 (ac) → Na2SO4 (ac) + 2 H2O (ℓ)

2. ¿Son elementos o compuestos los productos de una reacción de sustitución simple?

Química • 1.° Medio

Lección 2

¿Cuáles son los tipos de reacciones químicas? A continuación conocerás los tipos de reacciones químicas más comunes de tu entorno. Comencemos por las reacciones de combustión.

Propósito del tema Caracterizar, mediante la investigación o experimentación, los tipos de reacciones químicas.

Reacciones de combustión Algunas características de las reacciones de combustión son: ▸ Se producen entre sustancias ricas en energía química, llamadas combustibles, y el oxígeno, denominado comburente. ▸ Son reacciones rápidas. ▸ Se originan a temperaturas elevadas, por lo que necesitan un pequeño aporte de energía que dé comienzo a la reacción. ▸ En muchos casos producen CO2 y H2O, además de liberar luz y calor. Muchos combustibles son compuestos orgánicos denominados hidrocarburos, que tienen carbono e hidrógeno con enlaces C – C y C – H. Durante la reacción, estos enlaces se rompen y se forman otros nuevos, C – O y O – H, dando lugar a los productos de la reacción, CO2 y H2O. La combustión del metano (CH4) es un ejemplo de ellas. CH4 (g) + 2 O2 (g) Combustible Comburente

→ CO2 (g) + Dióxido de carbono

¿Qué opinas de esto? Si encendemos carbón en un cuarto cerrado, el combustible, además de consumir el oxígeno de ese espacio, libera monóxido de carbono (CO) que es una sustancia letal para los seres vivos. Este es el peligro de usar braseros en habitaciones cerradas. ¿Qué consejos podrías dar al respecto?

2 H2O (ℓ) Agua

Combustiones incompletas Son combustiones que se producen con una cantidad limitada de oxígeno. Por ejemplo, cuando el carbono se quema en un ambiente pobre en oxígeno, produce monóxido de carbono (CO), un gas tóxico si se inhala. Una combustión completa se reconoce por su llama azul; en cambio, en una combustión incompleta la llama es amarillenta. A poner en práctica

la investigación experimental

1. Formen grupos y consigan agua de cal (entregada por su profesora o profesor), alcohol, vaso de precipitado, algodón, vidrio reloj, jeringa, bombilla y tubo de ensayo. Sigan el procedimiento: ▸ Tomen la jeringa y coloquen en su extremo inferior la bombilla. Déjenla cerca. ▸ Pongan dentro del vaso de precipitado un trozo de algodón y humedézcanlo con alcohol. ▸ Enciendan el algodón dejando que se queme un instante y tapen rápidamente con el vidrio reloj.

Unidad 2 • Reacciones químicas

↑ Combustión incompleta y completa, respectivamente.

Precaución Cuidado al encender el algodón; evita quemarte.

▸ Introduzcan el sistema de la jeringa por una abertura y aspiren el gas que hay dentro del vaso. Al sacarlo, tapen el extremo con el dedo. ▸ Vacíen el contenido de la jeringa lentamente dentro del tubo que contiene el agua de cal. a. ¿Qué cambios observaron en el agua de cal? b. Escriban la ecuación de la reacción con la mayor cantidad de información que puedan. c. ¿Qué tipo de reacción se produjo? Expliquen. d. ¿Cómo clasificarían esta reacción: de síntesis o de sustitución? Expliquen. e. ¿Qué importancia creen que tiene el realizar un trabajo riguroso en la experimentación?

Desarrollo

Reacciones de los ácidos y las bases Antes de presentar las reacciones de los ácidos y las bases, conocerás características de estos compuestos.

Recurso digital complementario

Características de los ácidos y las bases Ácidos

Bases

▸ Tienen sabor agrio, como a limón o vinagre (los que ▸ Su sabor es amargo (los que se pueden probar). se pueden probar). ▸ Son grasosas y resbaladizas al tacto, como ▸ Reaccionan con algunos metales liberando hidrógeno el jabón. (H2) y con carbonatos formando dióxido de carbono ▸ En una disolución acuosa conducen la (CO2). electricidad. ▸ En disolución acuosa conducen la electricidad.

▸ Reaccionan con las bases neutralizando su acción. ▸ Producen cambios de color en pigmentos vegetales y cambian el color del papel tornasol de azul a rojo.

▸ Reaccionan con ácidos, neutralizando sus propiedades. ▸ Producen cambios de color en pigmentos vegetales y modifican el color del papel tornasol de rojo a azul.

Disociaciones de ácidos y bases

Por ejemplo, una disolución de ácido sulfúrico (H2SO4) contiene iones H+ o H3O+, como se representa en la siguiente ecuación: H2SO4 (ac) Agua SO42– (ac) + 2 H+ (ac)

Los ácidos son sustancias que disolución acuosa producen un protón (H+) y un anión (X-) proveniente del ácido.

¿Conoces algún ácido o algun a base que utilices a diario?

Las bases son sustancias que disolución acuosa producen un hidróxilo (OH-) y un catión (Y+) proveniente de la base. Por ejemplo, una disolución acuosa de hidróxido de sodio se disocia en iones Na+ y en iones OH–: NaOH (s) Agua Na+ (ac) + OH– (ac) A poner en práctica

la aplicación a contextos cotidianos

1. Formen grupos de trabajo e investiguen sobre alguno de los siguientes temas; pueden elegir otros asociados al tema principal: ▸ Importancia del ácido clorhídrico en la digestión. ▸ Uso del ácido cítrico y del hidróxido de sodio.

▸ Ácidos en la lluvia ácida. Indiquen sus ecuaciones y su importancia en la vida cotidiana. Luego, preséntenlos ante el curso. Para ello, pueden usar papelógrafos, PowerPoint, Prezi, Powtoon, entre otros medios. Química • 1.° Medio

Lección 2

Reacciones de neutralización En las reacciones de neutralización, un ácido reacciona con una base produciendo agua y una disolución acuosa de una sal. Además, los productos de la reacción poseen propiedades totalmente diferentes del ácido y de la base reaccionantes. Por ejemplo, la reacción entre el ácido clorhídrico (HCl) y el hidróxido de calcio (Ca(OH)2) produce cloruro de calcio (CaCl2) y agua (H2O). Observa su ecuación química y modelo molecular:

Ácido fuerte

Ca(OH)2 (ac)

Base fuerte

→

CaCl2 (ac)

+ 2 H2O (ℓ)

Sal

Agua

2 HCl (ac) +

utilizan los ¿Por qué se dez para la aci antiácidos es tomacal? entes los compon ¿Cuáles son ácidos? de los anti

En una disolución acuosa, el ácido, la base y la sal están completamente disociados, lo que se puede representar por la ecuación química anterior en su forma iónica: 2 H+ (ac) + Cl– (ac) + Ca2+ (ac) + 2 OH– (ac) → Ca2+ (ac) + 2 Cl– (ac) + 2 H2O (ℓ) Como se observa en la ecuación, los iones Ca2+ y Cl– no intervienen en la reacción; por lo que, la ecuación iónica neta de neutralización es: H+ (ac) + OH– (ac) → H2O (ℓ) En conclusión, la neutralización de un ácido por una base es la reacción entre los iones H+, procedentes del ácido, con los iones OH–, procedentes de la base, para originar agua (H2O). A poner en práctica

la experimentación entre un ácido y una base

Tu profesora o profesor hará una demostración de la siguiente actividad experimental. Hará reaccionar 50 mL de una disolución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH) de concentración 0,1 M con 50 mL de una disolución acuosa de ácido clorhídrico (HCl) de igual concentración.

Bureta con HCl 0,1 M

1. Vierte, en un matraz de Erlenmeyer, los 50 mL de la disolución de hidróxido de sodio. 2. Añade, con un gotario, tres o cuatro gotas del indicador fenolftaleína. Observa lo que ocurre. 3. Agrega, con una bureta y poco a poco, los 50 mL del ácido al matraz. ¿Qué ocurre? Plantea una hipótesis. 4. ¿Cómo clasificarías está reacción? Represéntala mediante una reacción química. 5. ¿Qué aprendizajes anteriores puedes utilizar para dar respuestas a las preguntas planteadas? 88

Unidad 2 • Reacciones químicas

Disolución básica

Disolución neutra

Desarrollo

Reacciones de descomposición

Una reacción de descomposición consiste en la ruptura de un único reactante para formar dos o más productos. Ocurre cuando el reactante absorbe suficiente energía para romper uno o más enlaces en sus moléculas. El esquema general de una reacción de descomposición es el siguiente: AB Energía A + B Las reacciones de descomposición se pueden realizar de dos maneras:

e ¿Qué tipo d s ión elegiría ic os p m co des el mpon er para desco de calcio? to a n carbo Explica. e tan cia tien ¿Qué impor el ra es to pa es te compu o? n a ser hum

Reacciones

Descomposición térmica

Descomposición electrolítica

Ocurre cuando la energía absorbida se suministra mediante calor. Los productos pueden ser elementos u otros compuestos más simples que el inicial. Por ejemplo, la descomposición del óxido de plata. 2 Ag2O (s) Calor 4 Ag (s) + O2 (g)

Ocurre cuando la energía absorbida está en forma de energía eléctrica. El reactivo tiene que estar fundido o disuelto, y, en la mayoría de los casos, se obtienen elementos o moléculas diatómicas. Por ejemplo, la electrólisis del dicloruro de calcio.

La llama se aviva

Ag2O

CaCl2 (ℓ)

Cl2

Ca (s) + Cl2 (g)

CaCl2 fundido Ca

↑ Calentamiento del óxido de plata para obtener plata. Es necesario alcanzar temperaturas por sobre los 300 °C.

A poner en práctica

Energía eléctrica

↑ Electrólisis del dicloruro de calcio para obtener calcio. Se necesita que se encuentre en estado líquido; por ello, hay que calentarlo a 772 °C.

el análisis de reacciones de descomposición.

1. Explica si los reactantes y los productos en una reacción de descomposición son elementos o compuestos. 2. De las siguientes reacciones de descomposición, ¿cuál es una descomposición térmica y cuál una descomposición por electrólisis? ¿Por qué? a. MgCO3 (s) → CO2 (g) + MgO (s) b. MgCl2 (ℓ) → Cl2 (g) + Mg (s)

Conectando con... Las TIC Ingresa el código 16TQ1M089A en el sitio web del Texto. En esta página encontrarás más información sobre las reacciones de descomposición, además de una actividad experimental que puedes realizar con la supervisión de tu profesora o profesor.

Química • 1.° Medio

Integro lo aprendido Responde las siguientes preguntas relacionadas con la Lección 2. 1. Completa la tabla con la clasificación de las siguientes reacciones. Clasifícalas como reacciones de síntesis, descomposición o sustitución (simple o doble). a. Na2O + CO2 → Na2CO3 b. NaOH + HCl → NaCl + H2O c. 2 H2O + energía → 2 H2 + O2 d. 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + calor ∆H = –890,3 kJ e. CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Reacción

Clasificación

2. En una industria química, se ha determinado que al quemar propano (C3H8), por ejemplo de una estufa, ocurre la siguiente reacción: el propano reacciona con oxígeno produciendo dióxido de carbono y vapor de agua. Respecto de este proceso responde: a. Escribe la ecuación de la reacción.

b. ¿Cómo clasificarías esta reacción?, ¿por qué?

c. ¿Qué tipo de reacción química se produjo? Fundamenta.

d. ¿Qué sucedería si en esta reacción el propano estuviera en un ambiente pobre de oxígeno?

e. Respecto de la pregunta anterior, ¿qué efecto provocaría en las personas y en los seres vivos?

Unidad 2 • Reacciones químicas

Desarrollo

3. Observa la imagen de una reacción química y responde. Sulfato de hierro

Sulfato de cobre Clavo de hierro

Clavo disolviéndose Cobre

a. ¿Cómo escribirías la ecuación química de esta reacción? b. ¿Cuáles son los reactantes y cuáles los productos de la reacción? c. ¿Cómo se evidencia que hubo una reacción química? 4.

Formen parejas y creen un esquema que permita sintetizar lo aprendido en la Lección 2. Pueden utilizar uno de los modelos de organizador presentados en los anexos del texto; por ejemplo, un mapa mental o esquema de ideas principales. Una vez creados los organizadores, compártanlos con sus compañeros y explíquenles por qué eligieron ese tipo de organizador.

5. ¿Crees que al aplicar distintas metodologías de aprendizaje los logros podrían ser mayores?, ¿por qué? ¿Qué logré? Una vez realizadas las actividades responde: actividad de la p. 83 ¿Pudiste desarrollar la ? aprendizajes anteriores

¿Consideras que es importante ir retomando y aplicando los aprendizajes anteriores?, ¿por qué?

aplicando los

¿De qué manera se relacion an los aprendizajes de esta lección con las páginas iniciales de la unidad?

Química • 1.° Medio

Lección

Reacciones en los seres vivos y en el entorno

Propósito de la lección Exponer la importancia del oxígeno en las reacciones químicas y su impacto en los seres vivos, el entorno y la industria, para comprender la diversidad de reacciones que ocurren.

Ciencia, Tecnología y Sociedad

Frente al calentamiento global, Chile se adapta

El cambio climático se instaló en el planeta antes de lo previsto, trayendo consigo aumento de temperatura y escasez hídrica. En nuestro país, los pronósticos para los próximos años son poco alentadores, pero dentro de un futuro que se pinta negro hay una buena noticia: estamos reaccionando. Además de los planes de mitigación –como la reducción de 30% en las emisiones de gases causantes del efecto invernadero–, Chile ha puesto en marcha el único recurso que, en última instancia, hará posible que la humanidad supere los problemas representados por el calentamiento global: la adaptación. Respecto de la atmósfera En los años 90 se predijo que para 2025 la presencia de CO2 en la atmósfera alcanzaría las 400 partículas por millón (ppm), pero esa cifra se alcanzó en 2013, 12 años antes de lo previsto. De ahí la importancia de adaptarse a las nuevas condiciones del clima. Así usamos el agua En el caso del agua, uno de los sectores más avanzados es el agrícola, cuya actividad productiva consume el 73% del agua que se extrae en Chile. En vista de que este recurso será cada vez más escaso, las acciones que se tomen para prevenir efectos nocivos en la agricultura son primordiales. Cuidar el suelo Medidas clave también se están analizando para combatir fenómenos como la desertificación, otra de las consecuencias del cambio climático global. Según datos de la Corporación Nacional Forestal (Conaf), se estima que un 62% del territorio nacional está afectado por esta condición. Esto significa ¿Qué reacciones químicas que 48 millones de hectáreas sufren degradación, especialmente en la participan en el calentamiento mitad norte del país (I a VIII Región) y la zona austral (XI y XII Región). y cómo se clasifican? global

Fuente: Frente al calentamiento global, Chile se adapta. Adaptación. (12-2015). Recuperado de www.explora.cl

¿Qué importancia tiene conocer nuestro territorio para dar soluciones a los problemas del calentamiento global?

Unidad 2 • Reacciones químicas

¿Con qué accion es podemos contribuir para el cuidado de la atmósfera, el suelo y el agua?

Desarrollo

Reacciones químicas que ocurren en los seres vivos Los seres vivos desarrollan permanentemente algún tipo de reacción química como parte de sus actividades biológicas. Por ejemplo, en el metabolismo se distinguen dos tipos de reacciones: anabólicas, cuando se sintetizan moléculas orgánicas a partir de sustancias simples que se transforman en otras más complejas, como proteínas, almidón o celulosa; y catabólicas, cuando se degradan sustancias complejas a sustancias simples, como aminoácidos o glucosa. Hay otros tipos de reacciones químicas que ocurren en presencia y ausencia de oxígeno; por ejemplo, la fermentación, la respiración celular y la fotosíntesis. Conozcamos de qué se tratan.

Propósito del tema Explicar la importancia del oxígeno en reacciones químicas que ocurren en los seres vivos, teniendo en cuenta su impacto en el entorno.

Fermentación

Fermentación láctica Se produce en distintas células, como bacterias lácticas, hongos y tejido muscular. El proceso ocurre cuando la lactosa se degrada a galactosa y glucosa, la cual es utilizada para obtener energía y, como producto de desecho, se obtiene el ácido láctico. Cuando este proceso lo realizan lactobacilos, se tienen productos como el yogur y los quesos. 2 C3H6O3 + energía C6H12O6 → glucosa ácido láctico

A poner en práctica

Este tipo de reacciones ocurren sin la presencia de oxígeno o cuando este es muy escaso en el ambiente. En esta reacción la glucosa se transforma en productos distintos de los que se forman con la presencia del oxígeno, como son el CO2 y H2O. Así, se distinguen distintas formas de fermentación, tales como:

¿Qué productos aplican en su elaboración el proceso de fermentación?

Fermentación alcohólica Se produce en ausencia total de oxígeno y es realizada por microorganismos que utilizan distintos tipos de carbohidratos como fuente de energía (glucosa, fructosa o almidón). Si la glucosa es el reactante, entonces los productos de dicho proceso son el etanol y el dióxido de carbono. 2 CO2 C6H12O6 → 2 C2H5OH + glucosa etanol dióxido de carbono

los conocimientos previos sobre reacciones químicas

1. Para las reacciones de los tipos de fermentación, indica toda la información que entregan sus ecuaciones químicas y clasifica los tipos de reacciones. 2. Formen grupos e investiguen la importancia de la fermentación en procesos industriales y domésticos. Luego, respondan: a. b. c. d.

¿Qué diferencia tienen las fermentación láctica y alcohólica con la acética? ¿En qué procesos se utiliza este tipo de reacción? ¿Qué importancia tiene el oxígeno en este tipo de reacciones? ¿Tienen algún tipo de impacto en el entorno o en los seres vivos?

Química • 1.° Medio

A poner en práctica

mediante un taller de ciencias

Aprendiendo a desarrollar procesos científicos Analizando una reacción química de fermentación Antecedentes La fermentación es un proceso que llevan a cabo ciertos microorganismos en ausencia de oxígeno. Su finalidad es obtener energía a partir de la degradación de sustancias orgánicas. Un ejemplo de ellas es la fermentación alcohólica.

Planteamiento del problema e hipótesis ¿Cómo influye la concentración de sustrato (reactivo) en el porcentaje de fermentación? Plantea tu hipótesis.

↑ Las ventajas naturales que tiene el territorio chileno lo han convertido en una de las industrias con mayores exportaciones a nivel mundial.

Diseño experimental Para llevar a cabo esta experiencia, se deben reunir en grupos y juntar los siguientes materiales y reactivos: ▸ 3 matraces de Erlenmeyer o frascos de boca angosta, de 250 mL. ▸ 3 globos medianos que se ajusten a los matraces o frascos. ▸ 3 etiquetas autoadhesivas. ▸ 600 mL de jugo de uva o piña. ▸ Disolución de levadura. ▸ 50 g de azúcar ▸ Probeta de 10 mL ▸ Pipeta de 10 mL ▸ Vaso de precipitado de 100 mL con agua destilada ▸ Balanza

Procedimiento Una vez reunidos los materiales, realicen los siguientes pasos: 1. Laven los matraces, etiquétenlos y numérenlos del 1 al 3. 2. Agreguen 80 mL de jugo de fruta al matraz 1. Este será el matraz N.° 1 del grupo control. 3. Agreguen 100 mL de jugo de fruta y 3 gramos de azúcar al matraz N.° 2. Este será nuestro grupo experimental N.° 2. 4. Agreguen 80 mL de jugo de fruta y 20 mL del agua destilada al matraz N.° 3. Este será el grupo experimental N.° 3. 5. Agreguen a cada uno de los matraces 10 mL de disolución de levadura. 6. Coloquen un globo en la boca de cada matraz y cuiden que se encuentren herméticamente sellados. Pueden amarrarlo con un hilo. 7. Dejen estos sistemas cerrados durante tres horas y observen lo que sucede.

Unidad 2 • Reacciones químicas

Objetivo: Investigar, experimentalmente, la fermentación alcohólica.

Habilidades: Analizar e interpretar los resultados de una experimentación.

Actitud: Trabajar responsable y rigurosamente respetando las opiniones del equipo.

Cierre

Tiempo: 4 horas

Recolectar y registrar evidencias Completen la siguiente tabla con los datos obtenidos. Grupo

Variable a investigar (concentración)

% de fermentación (producción de CO2)

Matraz control Matraz experimental N.° 2 Matraz experimental N.° 3

Análisis e interpretación de resultados a. ¿Cómo fue la fermentación en los matraces? Compárenlas. b. ¿Qué factores han influido en los resultados obtenidos? c. ¿Esta es una medición directa o indirecta de la reacción química?, ¿por qué? Conclusiones y evaluación d. ¿Se puede considerar válida la hipótesis planteada? e. ¿Qué características pueden determinar que se trata de una reacción de fermentación? Fundamenten. f. De acuerdo a la experiencia realizada, ¿qué factores podrían afectar el proceso de reacción de la fermentación? Comunicación de resultados Para comunicar los resultados de la investigación, elaboren un informe escrito en el que describan el problema propuesto, la hipótesis, los materiales y procedimientos empleados, los resultados obtenidos y las conclusiones de la investigación. Desafío Escojan uno de los temas para que profundicen sus conocimientos y desarrollen sus habilidades científicas. Para ello, propongan un diseño experimental que permita: ▸ comprobar si el gas que se desprende es CO2. ▸ determinar si se ha producido alcohol (etanol) en los matraces de la experiencia. Para cada caso, detallen el problema de investigación planteado y la hipótesis que postulan, los materiales y procedimientos que decidieron utilizar, los resultados y sus conclusiones.

Luego, realicen la experiencia y escojan un medio para comunicarla a sus compañeros y compañeras. a. ¿Qué importancia tiene el conocer y respetar la forma de trabajo de todos los integrantes del grupo? b. ¿Qué aspectos del trabajo en equipo se podrín mejorar?

Química • 1.° Medio

Lección 3

Respiración celular Otra de las reacciones importantes para la vida y que requiere de oxígeno para que se produzca, es la respiración celular llevada a cabo por los seres vivos. La respiración celular es el conjunto de reacciones bioquímicas que se producen en la mayoría de las células. Este proceso se lleva a cabo en las mitocondrias. La ecuación que representa la reacción es la siguiente: +

6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energía oxígeno dióxido de carbono agua

Esta última reacción nos provee la energía necesaria para realizar otras reacciones, como la síntesis de hormonas o de tejido muscular. A continuación se presenta un esquema del proceso de respiración celular. sangre

C6H12O6 glucosa

s s qué son la ¿Recuerda es l a s? ¿Cuá mitocon dri la s? en la s célu n ó su fun ci

Célula

dióxido de carbono

oxígeno oxidación de nutrientes Nutrientes

Otras sustancias de desecho

energía

A poner en práctica

sangre

la comparación de procesos biológicos

Lee y completa la tabla. Luego, responde las preguntas planteadas. Procesos biológicos

Reactantes o sustratos

Productos

Organismo que lo desarrolla

Respiración celular Fermentación láctica Fermentación alcohólica

a. ¿Qué similitudes y diferencias existen entre los procesos biológicos señalados en la tabla? b. ¿Cómo interviene el oxígeno en cada una de las reacciones?, ¿qué importancia tiene para que cada una de ellas se produzca? 96

Unidad 2 • Reacciones químicas

Condiciones ambientales

Desarrollo

Fotosíntesis

La fotosíntesis es un proceso químico que se produce en las plantas y en algunos organismos que tienen clorofila, como algas y bacterias, y que permite junto con la luz, transformar sustancias inorgánicas en orgánicas. CO2

Energía lumínica H2O O2

e mayoría d ¿Por qué la en ed u p o n s vo los seres vi en s si fotosínte realizar la ar? m el d es idad la s profun d

C6H12O6

Como puedes observar en la imagen, las plantas (al igual que las cianobacterias y algunas algas) obtienen la energía para poder vivir a partir de la fotosíntesis. Estos organismos, en presencia de la luz, fijan dióxido de carbono y producen materia orgánica (glucosa), liberando oxígeno al entorno. La ecuación simplificada que representa esta reacción es la siguiente: 6 H2O agua

A poner en práctica

Luz

C6H12O6 glucosa

6 O2 oxígeno

+ 6 CO2 dióxido de carbono

¿Qué relación tienen los organismos autótrofos con la fotosíntesis?

la aplicación de conocimientos en reacciones del entorno

1. Responde las siguientes preguntas respecto con la imagen de arriba. a. ¿Qué reacción química representa la imagen? Explica. b. ¿Cuáles son las sustancias reactantes y cuáles los productos? c. ¿Cómo podrías clasificar la reacción de fotosíntesis? Fundamenta tu respuesta. d. Investiga en qué etapas de la fotosíntesis ocurren cambios químicos y en cuáles, cambios físicos. e. ¿Qué importancia tiene el oxígeno en el proceso de fotosíntesis? f. ¿Por qué se puede afirmar que el proceso de fotosíntesis es “vital” para los seres vivos y para su entorno? Fundamenta.

2. En grupos de trabajo construyan una tabla comparativa de los tres procesos: fermentación, respiración celular y fotosíntesis. En ella, incluyan: ▸ la explicación de cada proceso. ▸ la importancia del oxígeno en cada proceso. ▸ la importancia de cada proceso para los seres vivos y para su entorno. Finalmente, creen una conclusión como grupo teniendo en cuenta el desarrollo sustentable y la protección del medio ambiente. Expónganla ante sus compañeras y compañeros.

Química • 1.° Medio

Lección 3

Reacciones químicas en el planeta En general, los componentes más abundantes del aire, como el nitrógeno y el oxígeno molecular, entre otros, no reaccionan entre sí. Sin embargo, en ciertas circunstancias, cuando la radiación solar y la temperatura son adecuadas o se presentan sustancias muy reactivas, los componentes reaccionan para formar compuestos químicos que generan distintos tipos de efectos, como un aumento o disminución de los niveles de ozono, la formación de gases de efecto invernadero o la aparición de sustancias corrosivas como ácidos.

Propósito del tema Explican la importancia del oxígeno en reacciones químicas que ocurren en la atmósfera, hidrosfera y litosfera, explicando su impacto.

Reacciones químicas del ozono El ozono (O3) es un gas que se encuentra en la estratosfera y que nos protege de la radiación ultravioleta. Habitualmente se forma de manera natural por la acción de los rayos ultravioleta, según la ecuación: 3 O2 + radiación solar ⇄ 2 O3 Sin embargo, también se forma de manera artificial a nivel de la troposfera, siendo muy distinto al ozono natural. Este se origina a partir de reacciones fotoquímicas entre los óxidos de nitrógeno y los compuestos volátiles producidos por la combustión de combustibles y solventes químicos, según la siguiente ecuación: NO2 + luz → NO + *O

↑ Agujero de ozono, mayo 2016.

*O + O2 → O3

¿Cómo influye la combustión de la gasolina en la formación del ozono troposférico? Una de las reacciones más comunes es la combustión, sobre todo de combustibles fósiles como el petróleo y la gasolina. El ser humano, a partir de esta reacción, contribuye a la formación del ozono troposférico, causando graves daños en la salud humana, en la vegetación y en los materiales. A poner en práctica

la investigación y el análisis sobre el tema de combustión

1. En parejas, investiguen sobre reacciones cotidianas de combustión, como son la combustión provocada por un motor o en un calefactor. Respondan preguntas como: ▸ ¿Cuáles son los productos de una combustión completa y una incompleta? ▸ ¿Por qué existen otras sustancias como producto en la combustión de la gasolina? ▸ ¿Cuál es el origen del nitrógeno molecular que se libera en una combustión incompleta?

Unidad 2 • Reacciones químicas

↑ La gasolina es una mezcla de hidrocarburos.

▸ ¿Qué importancia tiene el oxígeno en las reacciones de combustión? ▸ ¿Por qué es tan perjudicial la combustión incompleta para los seres vivos? ▸ ¿Cómo podrían ustedes contribuir a la protección de la atmósfera? Expongan sus conclusiones frente al curso.

Desarrollo

Reacciones químicas de la lluvia ácida

H2SO4 HNO3 H2CO3

¿Conoces en qué consiste el calentamiento global? Averigua qué lo produce y cuál es su relación con la contaminación atmosférica.

SOx NOx CO2

Este fenómeno se presenta de forma natural o artificial. De forma natural se manifiesta cuando han ocurrido incendios o erupciones volcánicas, ya que en ambos casos se liberan a la atmósfera compuestos químicos que reaccionan con la humedad del ambiente para formar distintos ácidos, que luego llegan a la superficie a través de las precipitaciones. De manera artificial, se produce por la actividad industrial, el transporte y la actividad minera, que liberan al ambiente gases que contienen altos niveles de óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno y dióxido de carbono.

¿Cómo afecta la lluvia ácida en Chile? Investiga.

Conectando con...

Algunas de las reacciones que producen sustancias ácidas que luego precipitan con la lluvia son: O2 (g) → SO3 (g) + H2O (ℓ) → H2SO4 (ac) SO2 (g) + NO (g) + O2 (g) → NO2 (g) + H2O (ℓ) → HNO3 (ac) CO2 (g) + H2O (ℓ) → H2CO3 (ac)

Las TIC Te invitamos a conocer la huella de carbono. Para ello, ingresa el código 16TQ1M099A en el sitio web del Texto. Luego, busca el video Huella de carbono y calcula tu huella. En él también encontrarás las medidas indicadas para bajar las emisiones de carbono.

La lluvia ácida tiene efectos sobre el suelo, el agua y las estructuras. Al cambiar el pH o acidez del suelo, las sustancias como nitratos y sulfatos disminuyen su solubilidad y se depositan en las aguas fomentando la eutrofización. Por otra parte, el cambio de acidez del suelo altera el ambiente de las bacterias fijadoras de nitrógeno, y así se empobrece el suelo y se impide el desarrollo de los vegetales. Deforestación

Fuente de óxidos de nitrógeno y azufre

Eutrofización

Contaminación y muerte

Química • 1.° Medio

Lección 3

Reacciones químicas en la hidrosfera Las propiedades del agua hacen que esta molécula sea considerada el disolvente universal, debido a que en ella se disuelve una gran cantidad de sustancias. En este caso, se forman las disoluciones químicas, que son mezclas homogéneas. El agua: ▸ disuelve sustancias neutras y pequeñas, como el O2 y el CO2.

▸ presenta, en disolución, cationes como el Ca2+, Mg2+ o Na+.

▸ disuelve con mucha facilidad sustancias que presentan cargas eléctricas, como los aniones nitratos (NO3–), sulfatos (SO42–) o carbonatos (CO32–).

▸ disuelve sustancias moleculares y no electrolitos como los azúcares.

Acidificación de los océanos 1 CO2

2 H+

HCO3–

pH 7,8 a 8,1

▸ ¿Cuáles son los mayores usos del agua de mares, ríos y lagos en Chile? ▸ ¿Cuáles son los mayores problemas de contaminación del agua de mares, ríos y lagos de Chile?

Unidad 2 • Reacciones químicas

CO2 (g) + H2O (ℓ) + CO32– (ac) → 2 HCO3– (ac) El CO2 disuelto en el agua incrementa la concentración del ion hidrógeno en el océano, descendiendo así el pH del océano.

la investigación de las reacciones químicas en la hidrosfera

1. Formen cuatro grupos de trabajo e investiguen lo siguiente:

100

Cuando el CO2 reacciona con el agua de mar se disuelve estableciendo un equilibrio químico en dos etapas: CO2 (g) + H2O (ℓ) → H2CO3 (ac) → HCO3– (ac) + H+ (ac)

El aumento de iones hidrógeno (H+) en el océano desciende el pH y disminuye la disponibilidad de carbonatos al generarse los carbonatos ácidos (HCO3–). Esto tiene efectos negativos para los organismos marinos calcáreos, ya que usan el carbonato de calcio para construir sus cubiertas corporales o esqueletos.

A poner en práctica

Las actividades humanas, como los cambios en los usos del suelo y la combustión de hidrocarburos, entre otras, han generado un nuevo aporte de CO2 a la atmósfera. Parte de este gas ha sido absorbido por los océanos.

2. Luego, en un plenario, debatan sobre la importancia de cuidar el agua y del desarrollo sustentable, respecto de cómo podemos satisfacer nuestras necesidades sin comprometer las necesidades de generaciones futuras, y de cómo se deben proteger los diversos recursos que nos entregan las aguas. 3. Para concluir, escriban en papelógrafos sus ideas principales y expónganlas en su colegio.

Desarrollo

Importancia del oxígeno en nuestro planeta

El oxígeno (O) es el elemento químico más abundante en los seres vivos. Se encuentra en la atmósfera como molécula (O2), y forma parte del agua y de las moléculas orgánicas que componen a todos los seres vivos. El ciclo del oxígeno es un conjunto de procesos que describen la circulación del oxígeno en nuestro planeta, elemento vital para todos los seres vivos. A continuación te mostramos el ciclo del carbono para que entiendas cómo este interactúa en nuestro entorno.

a el ciclo ¿Cómo se relacion ciclo el n co no del oxíge alo. ígu er Av o? on rb del ca

O2 Aproximadamente hay un el 21% de oxígeno presente en la atmósfera. En la estratosfera se forma por la acción de la radiación ultravioleta sobre el agua. Otra parte del oxígeno se transforma en ozono.

La mayor parte del oxígeno disponible proviene de la reacción de fotosíntesis. Esta puede realizarse en las plantas terrestres o en los organismos marinos, llamados fitoplancton.

El oxígeno liberado por la fotosíntesis es utilizado por los seres vivos como animales y seres humanos para respirar.

Una gran parte del oxígeno también se encuentra en los minerales de la litosfera, formando óxidos y otros compuestos.

Química • 1.° Medio

101

Lección 3

rtante ¿Por qué es impo elo? su o tr es cuidar nu

La litosfera es la capa sólida de nuestro entorno. Pese a su constante dinamismo, presenta los procesos químicos más lentos, ya que las sustancias sólidas tienden a ser mucho más estables y las superficies de contacto entre ellas son menores. Estos procesos de transformación dependen de las condiciones ambientales, como la humedad, la presión y la temperatura, entre otras. Todos estos factores combinados permiten la formación de distintos compuestos, como carbonatos, sulfatos, silicatos o fosfatos, entre otros, que constituyen parte de los distintos minerales que se presentan en el suelo. A continuación, revisa algunos de estos procesos químicos:

Reacciones químicas que ocurren en la litosfera

¿Qué importancia han tenido y tienen hoy en día los minerales para nuestro país?

El carbonato de calcio (CaCO3) representa aproximadamente el 4 % de la corteza terrestre. Se puede encontrar formando rocas, como el mármol y la piedra caliza. Este compuesto se forma a partir de óxido de calcio (II) (CaO) que reacciona con dióxido de carbono (CO2), según la ecuación: CaO (s) + CO2 (g) → CaCO3 (s)

La oxidación de metales se produce cuando estos reaccionan con el oxígeno de la atmósfera y forman nuevas sustancias que son comunes en la superficie de nuestro planeta. Por ejemplo, el hierro para producir el óxido de hierro (III) (Fe2O3), según la ecuación: 3 2 Fe (s) + __ O2 (g) → Fe2O3 (s) 2

Las sales se han originado aparentemente por la evaporación del agua de lagos o lagunas, proceso en el que las sustancias disueltas precipitan y, al mismo tiempo, comienzan a reaccionar entre sí. Por ejemplo, en el norte de nuestro país se encuentran ciertas formaciones geológicas llamadas salares, en donde se puede encontrar la halita, mineral de cloruro de sodio (NaCl), y la calcita, mineral de carbonato de calcio (CaCO3). La halita es una materia prima industrial muy importante, porque se emplea en distintos procesos, como en el tratamiento de aguas. La calcita es la principal fuente de carbonato de calcio para las industrias fabriles y químicas.

102

Unidad 2 • Reacciones químicas

Desarrollo

A poner en práctica

la investigación de los minerales de Chile

1. Formen grupos de trabajo y realicen el siguiente proyecto de investigación.

▸ ¿Logramos hacer una planificación correcta de la actividad?

Investiguen sobre los principales minerales que son extraídos en su región y seleccionen uno de los minerales sobre el cual crearán una ficha técnica, que incluya:

▸ ¿Cuál fue el aporte de cada integrante en la realización de la actividad?

▸ Nombre del mineral. ▸ Elementos que lo componen. ▸ Lugar de donde se extrae. ▸ Métodos de extracción del mineral. ▸ Usos que se le da al mineral. ▸ Flora y fauna que rodea el entorno de donde se extrae el mineral. ▸ Relación de las personas con este mineral; por ejemplo, si les proporciona trabajo, si les causa problemas de salud, etc. ▸ Historia del mineral en la región.

▸ ¿Cada uno cumplió con sus obligaciones?

Luego, respondan preguntas como: a. ¿Qué beneficios trae la extracción de este mineral? b. ¿Qué impacto causa sobre los seres vivos y sobre el entorno la extracción de este mineral? c. ¿Cómo es la relación beneficio-impacto de este mineral? d. ¿Cuál es la opinión del grupo respecto de la extracción de este mineral y del beneficioimpacto de su extracción? Finalmente, expongan sus investigaciones al curso y evalúen la elaboración de la ficha técnica. Para ello hagan preguntas como:

▸ ¿Escuchamos todas las opiniones de los integrantes del grupo? ▸ ¿La actividad resultó como esperábamos? ▸ ¿Cómo podrías haber mejorado la actividad? Free Wind 2014 / Shutterstock.com

▸ Aspectos económicos, sociales y políticos realcionados con la extracción del mineral.

↑ Extracción de oro en Chile.

2. Luego de realizar el proyecto de los minerales en Chile, investiguen y respondan estas preguntas: a. ¿Qué son los recursos geológicos? b. ¿Cómo se clasifican y de dónde se obtienen estos recursos? Los mayores recursos energéticos utilizados por el ser humano son los que se extraen de la tierra, como el petróleo, el carbón y el gas natural: c. ¿Tendremos siempre estos recursos? d. ¿Cómo afectan sus transformaciones químicas (reacciones) al entorno? e. ¿Qué proponen ustedes o qué soluciones han escuchado para mejorar estos problemas ocasionados en el medio ambiente? f. ¿Por qué es imperativo cuidar el entorno y el medio ambiente? Expliquen.

Desafío Para profundizar en el tema, te invitamos a elegir alguna de estas propuestas: ▸ Propongan y escriban las ecuaciones químicas que expliquen las transformaciones que ocurrieron en la experimentación.

▸ Investiguen en qué zonas de nuestro país es posible encontrar los compuestos de la experimentación, u otros similares. ▸ Elaboren un póster y describan, con los datos obtenidos, lo que han aprendido. Química • 1.° Medio

103

Lección 3

Reacciones químicas en la industria La minería y la metalurgia han permitido obtener una gran cantidad de productos útiles para el avance de las distintas civilizaciones. Hoy en día, se puede reconocer un gran desarrollo industrial gracias a la química y en particular, en nuestro país, de los metales como el litio, el cobre y el hierro.

Propósito del tema Explican la importancia del oxígeno en reacciones químicas que ocurren en la industria y explican su impacto en el medio ambiente.

Extracción del litio El litio puede extraerse desde dos fuentes: a partir de salmueras naturales o a partir de un mineral. Conozcamos cada proceso. Extracción a partir de salmueras En Chile, el Salar de Atacama es una de las fuentes de mayor reserva de litio en el mundo, del cual se obtienen dos productos, carbonato de litio (Li2CO3) e hidróxido de litio (LiOH), originados a partir de disoluciones de cloruro de litio (LiCl). El procesamiento del litio se inicia en las salmueras, donde se concentra el mineral por evapora-

ción de agua. Allí, las sales de litio se concentran y, como consecuencia, precipitan. Las sales de litio se encuentran mezcladas con otras sales, como NaCl, KCl y MgCl2. En el proceso de extracción y procesamiento se obtiene el cloruro de litio, de donde se originan el carbonato de litio y el hidroxido de litio.

Extracción a partir de minerales Se obtienen a partir de sales de litio, principalmente de sulfatos. 1. Se extrae el mineral a partir del silicato doble de aluminio y litio, [LiAl(SiO3)2]. 2. El mineral se calienta (1100 °C aprox.) para que se ablande. 3. Luego, se mezcla con ácido sulfúrico (H2SO4) para formar sulfato de litio (Li2SO4) en disolución: 2 LiAl(SiO3)2 (s) + H2SO4 (ac) → Li2SO4 (ac) + 2 HAl(SiO3)2 (ac) 4. El sulfato de litio (Li2SO4) se hace reaccionar con carbonato de sodio (Na2CO3) para formar carbonato de litio (Li2CO3) como precipitado:

Li2SO4 (ac) + Na2CO3 (s) → Na2SO4 (ac) + Li2CO3 (s) (↓) 5. El carbonato de litio (Li2CO3) obtenido se hace reaccionar con ácido clorhídrico (HCl) para producir cloruro de litio (LiCl): Li2CO3 (s) + 2 HCl (ac) → 2 LiCl (s) + CO2 (g) + H2O (ℓ) 6. Finalmente, se mezcla el 55 % de LiCl obtenido con 45 % de KCl para reducir el punto de fusión del LiCl (de 600 °C a 430 °C), para hacerla líquida. Luego, se hace la electrólisis de la disolución para obtener litio puro. 2 LiCl (ℓ) → 2 Li (s) + Cl2 (g)

Conectando con... A poner en práctica

la investigación sobre el litio

1. ¿Por qué es importante que el agua se evapore en el proceso de obtención del mineral de litio? 2. Averigua sobre la importancia del litio para Chile y sus usos.

104

Unidad 2 • Reacciones químicas

Las TIC Ingresa el código 16TQ1M104A en el sitio web del Texto y revisa la información para profundizar sobre los usos del litio. Haz un resumen en tu cuaderno.

Desarrollo

Producción de hierro

El hierro se emplea en la fabricación del acero, imprescindible en piezas para ferrocarriles, automóviles, barcos y rieles y en la construcción de edificios y de todo tipo de herramientas. Los minerales a partir de los cuales se obtiene hierro son siderita (FeCO3), limolita (Fe2O3–H2O), hematita (Fe2O3) y magnetita (Fe3O4).

Reacción aluminotérmica Este es un tipo de reacción química que se produce entre el aluminio y un óxido metálico, que generalmente es óxido de hierro (III) o magnetita (Fe3O4). Esta reacción produce muchísimo calor (2500 °C), generando como productos óxido de aluminio (Al2O3) y hierro metálico (Fe), según las ecuaciones: 2 Al (s) + Fe2O3 (s) → Al2O3 (s) + 2 Fe (ℓ) + energía

↑ En la reacción termita, el óxido de hierro reacciona con el aluminio para producir hierro fundido.

8 Al (s) + 3 Fe3O4 (s) → 4 Al2O3 (s) + 9 Fe (ℓ) + energía Por su alta liberación de calor, esta reacción es usada en soldaduras aluminotérmicas que sirven para unir grandes trozos de metal, como los rieles ferroviarios o estructuras de acero para edificios u otras construcciones de gran tamaño. Estas reacciones también suelen desarrollarse con otros óxidos metálicos, como el óxido de cromo (III) (Cr2O3), para obtener el metal puro, y las termitas cúpricas u óxido de cobre (II) (CuO), que se usan para soldaduras de cables eléctricos, según las ecuaciones:

¿En qué zona de Chile se extrae minerales de hierro? Investiga.

2 Al (s) + Cr2O3 (s) → Al2O3 (s) + 2 Cr (s) + energía

2 Al (s) + 3 CuO (s) → Al2O3 (s) + 3 Cu (s) + energía

Oxidación del hierro El hierro es un metal relativamente común en la litosfera y en estado puro es bastante reactivo. El oxígeno, por su parte, es un elemento altamente reactivo. Su necesidad de captar electrones lo lleva a reaccionar fuertemente con los metales. El oxígeno reacciona con el hierro para formar una sustancia de color rojizo conocida como herrumbre. En realidad, esto es óxido de hierro, un polvillo que se desprende de las estructuras metálicas que están a la intemperie.

Proceso de formación de la herrumbre Aire Gota de agua

Depósito de herrumbre (Fe2O3 x nH2O) Fe2+(ac)

Ecuación global

e–

4Fe2+ (ac) + O2 (g) + 4 H2O (ℓ) + 2 x H2O (ℓ) → 2 Fe2O3x nH2O (s) + 8 H+ (ac) Fuente: Chang, R. (2002). Química. (7.ª ed). México: McGraw-Hill Interamericana Editores S.A.

Química • 1.° Medio

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Lección 3

Producción de cobre

↑ Mineral de cobre sulfurado: calcopirita.

El proceso de producción comienza con la exploración geológica, es decir, la búsqueda de yacimientos que permitan obtener los minerales. De acuerdo a las condiciones geológicas con que se formaron las rocas, es posible obtener cobre desde minerales oxidados, como la cuprita, y desde minerales sulfurados, como la calcopirita. El proceso de obtención de cobre puede seguir dos caminos: en uno de ellos se producirá cobre por electrorrefinación y en el otro, por electro obtención. A continuación, veremos la producción por electrorrefinación.

Extracción Una vez ubicado el yacimiento, comienza la extracción del mineral de cobre, la cual puede ser subterránea, a rajo abierto o la combinación de ambas.

Transporte Las rocas obtenidas que contienen el mineral son trasladadas en camiones hacia la etapa de chancado.

3 Chanchado y molienda En el chancado, las rocas son reducidas en su tamaño hasta aproximadamente 1,3 cm. Luego, en la molienda, se continúa fraccionando el mineral hasta los 0,18 mm, obteniéndose así la mayor parte de los minerales de cobre.

106

Unidad 2 • Reacciones químicas

Desarrollo

Flotación

Se separan los minerales ricos en sulfuros de cobre de otros minerales, como el molibdeno. Se forma una pulpa con diversos reactivos, la cual es contenida en piscinas llamadas celdas de flotación. En estas celdas, se le insufla aire para mantener la mezcla agitada y, con ello, permiten que el proceso sea continuo. Las burbujas de aire empujan el mineral sulfurado hacia la superficie, cayendo a estanques que llevan el contenido a otra etapa. Finalmente, se obtiene un concentrado de cobre de hasta un 31 %. Este concentrado es secado y llevado al proceso de fundición. Es importante destacar que en esta etapa se recupera el molibdeno, siendo este un concentrado de 49 % de molibdenita (MoS2).

Fundición

El cobre concentrado, que se encuentra en estado sólido, es llevado a hornos de altas temperaturas para fundirlo y transformarlo en cobre metálico. También es separado de otros minerales, como el hierro y el azufre. Luego, mediante el proceso de conversión, se obtiene el cobre blíster, cobre de alta pureza (96 %).

Pirorrefinación

En este proceso, se aumenta la pureza del cobre eliminando el porcentaje de oxígeno, obteniéndose cobre RAF con una pureza de 99,7 %.

Electrorrefinación

Los ánodos producidos en el proceso de fundición se transforman en cátodos electrolíticos de alta pureza. La electrólisis se produce en celdas electrolíticas, donde se aplica corriente eléctrica en una disolución de ácido sulfúrico y agua. Este proceso permite obtener cobre de alta pureza (99,9 %). Finalmente, los cátodos son sacados de las celdas electrolíticas, pesados y embalados para su venta.

A poner en práctica

Usos del cobre

De acuerdo a sus propiedades, el cobre tiene muchas aplicaciones: construcciones, electrónica, utensilios de cocina, paneles solares, monedas, instrumentos musicales, tuberías y calcetines, entre otras.

la aplicación de la industria del cobre

1. ¿Qué importancia tiene la industria del cobre en nuestro país? 2. ¿Qué otros usos tiene el cobre? 3. Investiga las acciones que han adoptado las empresas mineras para proteger el medio ambiente y su entorno. Química • 1.° Medio

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Integro lo aprendido Responde las siguientes preguntas relacionadas con la Lección 3. 1. Completa el cuadro resumen en relación con la importancia del oxígeno para las reacciones que ocurren en: los seres vivos, la atmósfera, la hidrosfera, la litosfera y la industria. Reacciones en:

Importancia del oxígeno en las reacciones

Los seres vivos

En la atmósfera, hidrosfera y litosfera

En la industria

2. A partir de lo aprendido en la lección, explica cómo se ve afectado el entorno y los seres vivos con la reacción de: a. Combustión de la gasolina en un automóvil.

b. Oxidación de metales como el hierro.

108

Unidad 2 • Reacciones químicas

Desarrollo

3. Haz un análisis de los beneficios-costos de las reacciones químicas, vistas en la lección, para los seres vivos y su entorno. Preséntalo en un ensayo de no más de 10 líneas.

Formen parejas y compartan sus ensayos. Saquen las conclusiones más importantes y expónganlas en un papelógrafo. Pueden utilizar organigramas, ilustraciones o infografías. Organicen una exposición de sus trabajos.

5. ¿Qué importancia tiene, al trabajar entre pares, que cada uno cumpla responsablemente con sus tareas y funciones dentro del tiempo estipulado? ¿Qué logré? A partir de lo aprendido en la unidad y de las actividades realizadas, responde: esta lección? os lograste al estudiar ¿Qué aprendizajes nuev

¿Lograste aplicar los conocimientos de lecciones anteriores en la actividad de la p. 93?

¿Qué aprendizajes crees qu e debes volver a revisar para lograr el propó sito de la lección?

Química • 1.° Medio

109

Ciencia, Tecnología y Sociedad

¿FOTOSÍNTESIS INVERSA? Un grupo de investigadores ha descubierto un proceso natural descrito como fotosíntesis inversa. En este proceso, la energía de los rayos solares descompone el material vegetal en vez de producirlo, como sucede en la fotosíntesis convencional. ¿Qué ocurre internamente? La luz solar es recogida por la clorofila, la misma molécula que se emplea en la fotosíntesis convencional. Luego, la luz solar, combinada con una enzima específica, descompone la biomasa vegetal, lo cual tiene como posibles usos la producción de sustancias químicas, biocombustibles u otros productos, que de otro modo podrían necesitar mucho más tiempo para su elaboración. ¿Cuáles son sus beneficios? Este nuevo descubrimiento podría revolucionar diversos sectores industriales, por ejemplo, en la industria petroquímica, esto al incrementar la velocidad de producción y además reducir la contaminación. El descubrimiento implica que mediante la utilización del Sol será posible producir biocombustibles, así como biosustancias químicas para elaborar materiales como los plásticos, de una forma más rápida, a menores temperaturas y con una eficiencia energética mejorada. Algunas de las reacciones, que actualmente necesitan 24 horas, pueden conseguirse en apenas 10 minutos utilizando el Sol. La “fotosíntesis inversa” tiene el potencial de romper los enlaces químicos entre el carbono y el hidrógeno, una cualidad que podría ser desarrollada para convertir el biogás de metano procedente de instalaciones, en metanol, un combustible líquido, bajo condiciones ambientales. Como materia prima, el metano es muy atractivo porque puede ser empleado por la industria petroquímica y procesado para elaborar combustibles, así como otras sustancias químicas útiles. Se necesitarán investigaciones adicionales antes de que el descubrimiento pueda beneficiar directamente a la sociedad, pero su potencial es muy bueno. Fuente: Fotosíntesis inversa (12-06-2016) Recuperado de http://noticiasdelaciencia.com/not/19068/fotosintesis-inversa/

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Unidad 2 • Reacciones químicas

Cierre

Una solución al cambio climático: convertir CO2 en roca bajo tierra El cambio climático supone uno de los mayores retos a los que se ha enfrentado la humanidad. Prueba de ello es el Acuerdo de París para limitar el aumento de la temperatura global por debajo de los 2 °C, firmado por 195 países. Sin embargo, para alcanzar ese objetivo no solo es necesario reducir la cantidad de CO2 que la actividad humana emite a la atmósfera, también es preciso capturarlo antes de que llegue a agravar el problema. La captura de carbono se debe convertir en uno de los principales aliados de la mitigación del cambio climático en las próximas décadas. Por ello se ha pensado en el almacenamiento geológico de CO2. Hasta ahora, la mejor opción eran los almacenes geológicos en pozos de combustibles fósiles abandonados, que tuvieran una capa salina por encima, así se impediría la fuga del gas; pero minimizar la fuga del CO2 por debajo del 0,1% que se considera aceptable por los expertos aún supone un reto tecnológico. Un grupo de científicos e ingenieros ha demostrado, por primera vez, que el dióxido de carbono emitido en la generación de electricidad puede inyectarse bajo tierra y reaccionar con los minerales volcánicos del subsuelo hasta convertirse en roca en pocos meses. Los científicos comenzaron a mezclar los gases con el agua que manaba de las fuentes termales y a volver a inyectarlo bajo tierra. En la naturaleza, cuando el basalto entra en contacto con el dióxido de carbono y el agua, se produce una serie de reacciones químicas que hacen que el carbono precipite en forma de mineral blanquecino. El caso es que nadie sabía cómo de rápido se producía ese proceso,

aunque los expertos calculaban que podría llevar cientos e incluso miles de años. La investigación ha demostrado la viabilidad de una vieja idea, pero los resultados obtenidos demuestran que es posible hacerlo en un tiempo radicalmente inferior a lo que se estimaba. Las conclusiones del estudio indican que más del 95% del CO2 inyectado en el subsuelo junto a la planta geotérmica de generación eléctrica se mineralizó convirtiéndose en carbonatos en menos de dos años. Sin embargo, el proceso no es del todo limpio. Junto con el agua a altas temperaturas utilizada procedente del subsuelo profundo ascienden también gases volcánicos como el dióxido de carbono o el ácido sulfhídrico que le da el característico olor a los géiseres.

Fuente: Corral, Miguel G. Una solución al cambio climático: convertir CO2 en roca bajo tierra. (09-06-2016) Recuperado de www.elmundo.es (Adaptación). Gentileza foto: Dr Juerg Michael Matter

Reflexiono

• ¿Qué importancia tiene el conocimiento de las reacciones químicas que se producen en el entorno para dar diversas soluciones a los problemas ambientales? • ¿Por qué crees que es importante realizar estudios teniendo el Sol y el suelo como recursos naturales? • ¿Cómo nos puede ayudar la misma naturaleza a resolver el problema de la contaminación?

Química • 1.° Medio

111

Síntesis activa Una manera de organizar la información es utilizando esquemas de ideas principales. A continuación, te invitamos a crear un esquema con la información de las lecciones 1 y 2. Construyendo un mapa mental Paso 2

Paso 1 En el centro se escribe una idea central o concepto clave. Energía involucrada

C6H12O6 Glucosa

A su alrededor se añaden cajas con información relacionada con la idea central. Clasificación de la reacción

6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energía Oxígeno Dióxido Agua de carbono ▸ El oxígeno actúa como comburente. En este proceso las células degradan las moléculas de alimento obteniendo energía para sintetizar ATP.

Información que entrega la ecuación

Importancia del oxígeno en la reacción

Paso 3 Se completan las cajas. Energía involucrada

Clasificación de la reacción

Reacción exergónica, libera energía.

▸ Reacción de combustión ▸ Respiración celular

C6H12O6 Glucosa

6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energía Oxígeno Dióxido Agua de carbono

▸ Reactantes: glucosa y oxígeno. ▸ Productos: dióxido de carbono y agua. ▸ Índices estequiométricos: 1 glucosa; 6 oxígeno; 6 dióxido de carbono, 6 agua. ▸ La flecha indica un proceso irreversible.

Información que entrega la ecuación

▸ El oxígeno actúa como comburente. En este proceso las células degradan las moléculas de alimento obteniendo energía para sintetizar ATP.

Importancia del oxígeno en la reacción

Creo mi propio mapa mental Te invitamos a crear un mapa mental para las Lecciones 2 y 3. Con este fin debes tener en consideración los pasos indicados en el ejemplo.

112

Unidad 2 • Reacciones químicas

Cierre

A continuación, se presenta un resumen de la unidad a modo de autoevaluación. Léelo y, si necesitas profundizar en algún tema, vuelve a desarrollar las actividades asociadas. Lección 1

Lección 2

Lección 3

Propósito

Explicar, en base a evidencias, que las reacciones químicas son un proceso de reorganización atómica. Identificar su representación simbólica, la forma de reconocerlas, la energía involucrada y lo que provocan distintos factores sobre ellas.

Reconocer y clasificar los tipos de reacciones químicas y sus ecuaciones, mediante procesos teóricos y experimentales.

Habilidad Identificar y representar una ecuación química y caracterizarla de acuerdo a sus cambios.

Exponer la importancia del oxígeno en las reacciones químicas y su impacto en los seres vivos, el entorno y la industria.

Habilidad Reconocer y clasificar distintos tipos de reacciones químicas.

Habilidad Explicar la importancia del oxígeno en diversas reacciones químicas: seres vivos, entorno e industria.

Actitud

Manifestar una actitud de pensamiento crítico, buscando rigurosidad y replicabilidad de las evidencias para sustentar las respuestas a aprendizajes relacionados con las reacciones químicas.

Trabajar responsablemente en forma proactiva y colaborativa, respetando los aportes del equipo en actividades experimentales.

Reconocer la importancia de las reacciones químicas del entorno y sus recursos, en favor del desarrollo sustentable y la protección del ambiente.

Actividades asociadas

Páginas: 65, 67, 69, 71, 72, 74 a 79.

Páginas: 83 a 89.

Páginas: 93, 96 a 98, 100, 103, 104 y 107.

Grandes ideas de la ciencia Algunas de las grandes ideas de la ciencia indican que: GI.5

GI.6

GI.7

Todo material del universo está compuesto de partículas muy pequeñas.

La cantidad de energía en el universo permanece constante.

El movimiento de un objeto depende de las interacciones en que participa.

Elige una de estas grandes ideas y explica cómo la relacionarías con los temas de esta unidad.

Química • 1.° Medio

113

Integro lo aprendido Te invitamos a resolver las siguientes actividades para que evalúes lo aprendido en esta unidad. Analiza la siguiente pregunta modelada.

En un laboratorio se tiene azufre (S8(s)) amarillo y limaduras de hierro (Fe(s)) de color gris oscuro. Estos dos elementos se colocan dentro de un crisol y este se pone sobre un sistema de calentamiento formado por: mechero Bunsen, trípode y rejilla. Luego, se enciende el mechero y se deja calentar la mezcla. Lo primero que se observa es una luz azul, la que indica que el azufre está ardiendo. Al pasar un tiempo se forma una sustancia negra y sólida, la cual indica la formación de sulfuro de hierro (II).

De acuerdo a la experiencia responde: 1. ¿Cuáles son los reactantes y productos de la reacción? Reactantes: azufre (S8(s)) y limaduras de hierro (Fe(s)) Producto: sulfuro de hierro (II)

2. Escribe una posible ecuación de la reacción. Recuerda cómo se forman los compuestos de acuerdo al nombre. S8(s) + Fe(s) → FeS(s) 3. ¿Cómo clasificarías esta reacción? Es una reacción de síntesis. 4. ¿Qué tipo de reacción es de acuerdo a la energía involucrada? Es una reacción endotérmica, ya que necesita calor para producirse. 5. ¿Qué evidencia se puede ver en esta reacción? La llama azul cuando arde el azufre. 6. ¿Qué sucedería con la velocidad de la reacción si en vez de usar limaduras de hierro se usara una lámina de este elemento? La velocidad sería más lenta, ya que mientras menos dividida esté la sustancia, la superficie de contacto será menor, por lo que pueden producirse menos choques efectivos.

114

Unidad 2 • Reacciones químicas

Cierre

Ahora, responde la siguiente pregunta de acuerdo a lo aprendido. 2

En una probeta se midieron 10 mL de nitrato de plomo (II) y se vaciaron a un vaso de precipitado. Luego, se midieron 10 mL de yoduro de potasio y se añadió a otro vaso de precipitado. Finalmente, el yoduro de potasio se agregó al nitrato de plomo (II), formándose yoduro de plomo (II), un precipitado de color amarillo, quedando nitrato de potasio en disolución.

A partir de esta experiencia responde: a. ¿Cómo podrías asegurar que en esta experiencia se produjo un cambio químico?

↑ Precipitado de yoduro de plomo. Recurso digital complementario

b. ¿Cuáles son los reactantes y productos de esta reacción? Reactantes: Productos: c. Escribe una posible ecuación de la reacción. Recuerda cómo se forman los compuestos de acuerdo al nombre.

d. ¿Qué evidencia se puede ver en esta reacción?

Autoevaluando mi aprendizaje De acuerdo a las motivaciones y metas que planteaste en las páginas iniciales responde: ¿Lograste cumplir con las metas que planteaste al comenzar la unidad?

s mejores ¿Cuáles fueron la ajo? estrategias de trab e estas ¿Por qué crees qu ? fueron las mejores

De acuerdo a lo aprendido en la unidad, ¿podrías explicar la importancia de las reacciones químicas en el entorno, en los seres vivos y en la industria?

Química • 1.° Medio

115

Proyecto Cuidando nuestro planeta Una de las grandes metas que se han planteado hoy en día todos los países es la búsqueda de soluciones a los problemas de contaminación medioambientales, dentro de las cuales nuestro país no ha quedado fuera.

El calentamiento global y los distintos problemas de contaminación causados por el ser humano al entorno han producido una gran revolución. Es por ello que como comunidad no podemos desentendernos de esta crítica situación del planeta.

¿Qué vamos a crear?

Los invitamos a desarrollar una forma de difundir una estrategia comunicacional para abordar los distintos problemas de contaminación. Pueden realizarlo mediante trípticos, obras de teatro, presentaciones o talleres, entre otros medios.

¿Como lo haremos?

Nos haremos partícipes organi zando “El día del medio ambie nte para nuestro colegio”.

Planificando nuestro trabajo Para comenzar, formen grupos de trabajo de cuatro o cinco integrantes. Luego, organícense de acuerdo a las siguientes etapas: Primero

Objetivos de nuestro trabajo

▸ ¿Cuál es el problema al cuál queremos dar una solución en este día? ▸ ¿A quién estará dirigida nuestra propuesta? ▸ ¿Qué conocemos de este problema? ▸ ¿Cómo sabremos qué conoce la comunidad acerca de este problema? ▸ ¿Qué herramientas usaremos para abordar el trabajo? ▸ ¿Cómo relacionaremos las reacciones químicas del entorno con nuestra propuesta? Segundo Obtención de información ▸ ¿De qué manera queremos que llegue la información a los destinatarios? ▸ ¿Cuál será el formato que usaremos? (Revista, video, presentación PowerPoint, presentación Prezi, otros) ▸ ¿Por qué usaremos ese tipo de formato?

116

Unidad 2 • Reacciones químicas

Cierre

Tercero

Organización y planificación

▸ Tiempo estimado para la presentación. ▸ Persona a cargo de cada actividad. ▸ Participación de otros agentes del colegio. ▸ Desglose de itinerario. ▸ Materiales necesarios. (¿Cómo los conseguiremos?) ▸ Fechas de retroalimentación. (Proceso) ▸ ¿Cómo lo evaluaremos? Elaboren una encuesta que les permita, al finalizar el proyecto, evaluar el grado de percepción del mensaje por parte de la comunidad. Ejecución del proyecto Es el tiempo de llevar a cabo el proyecto. Es importante en esta etapa ir recogiendo las opiniones de las personas a quienes fue destinado el proyecto. No olviden pedir orientaciones a sus profesor(a) de Historia, Geografía y Ciencias Sociales; además de los de Biología y Física, para complementar la información. Presentación del proyecto Para presentar el proyecto deben recordar a quiénes está destinado el mensaje, y según este destinatario, ver la mejor manera de entregarle la información. ▸ ¿Cómo queremos informar de nuestro trabajo a la comunidad? ▸ ¿Qué haremos para presentarlo? (batucadas, presentaciones, obras de teatro, intervenciones de impacto, papelógrafos, talleres, etc.) ▸ ¿Por qué usaremos ese tipo de formato? Evaluación del proyecto Cada vez que se realiza un proyecto es muy importante evaluar el trabajo realizado individual y colectivamente. Para ello te entregamos algunas preguntas: Evaluación individual • ¿Cómo evaluarías tu participación en los aportes y decisiones que se adoptarían para llevar a cabo la actividad? • ¿Qué crees que deberías mejorar para un próximo trabajo colaborativo? • ¿Escuchaste y respetaste las opiniones, argumentos y propuestas de tus pares?

• ¿Cumpliste con tus obligaciones en los tiempos asignados? Evaluación del equipo • ¿Cómo nos organizamos como equipo? • ¿Los participantes respetaron las opiniones de todos? • ¿Cada integrante cumplió con las responsabilidades que se le asignaron? • ¿Cuáles fueron sus fortalezas como equipo? ¿Cuáles fueron sus debilidades? • ¿Qué mejorarían para una próxima oportunidad?

Química • 1.° Medio

117

Cantidades en las

reacciones químicas Estequiometría

Observa la ilustración. ¿Qué ves en ella?

118

Inicio

¿Es importante conocer el Desarrollar un modelo que describa cómo el número total de átomos rendimiento de una reacción en no varía en una reacción química y cómo la masa se conserva, estable- la fabricación de un producto?

Propósito

de la

unidad

ciendo relaciones cuantitativas entre los reactantes y los productos. Y manifestar conductas de uso eficiente de los recursos naturales en favor del desarrollo sustentable y la protección del medio ambiente.

prar un litro d

¿C o m

v as p or u ías u ni

d e s?

¿P o r q u é ?

ar pr

a s?

¿P u e

om sc

¿P o r q u é ?

¿P o r q u é?

119

Me da tres docenas de huevos, por favor.

¿Qué son tres docenas?

Mamá, necesito hojas blancas para el colegio. Compra una resma. ¿Qué es una resma?

representan ► ¿Cuántos huevos ? na un a doce

120

Unidad 3 • Estequiometría

► ¿Cuántas hojas vienen en una resma?

► ¿Con oces algún otro producto que se ve nda por grupos de unidades y no por unidad? Nómbralo.

Inicio

Me da 500 gramos de maní.

Necesito 1 kilogramo de manzanas. Acá están sus manzanas. También quiero 3 kilogramos de uvas.

e el maní ► ¿Por qué crees qu os y las am gr lo compra en mos? ra og kil en as manz an

► El abuelito neces ita comprar plátano s de postre para su grupo de adultos mayores . ¿Ten drá qu e pedirlos en kilogramos o gr amos?, ¿por qué?

► Si quisieras hacer leche con frutillas, ¿en qué unidades de medida comprarías las frutillas?, ¿y la leche?, ¿por qué?

Química • 1.° Medio

121

Papi, ¿dónde fabrican el cloro? Lo hacen en las industrias.

¿Y cómo se obtiene?

lleva a las ¡Ah! La materia prima se sa, mediante industrias y allí se proce ra obtener el reacciones químicas, pa , como el cloro o producto que necesitan ramos. el detergente que comp

tien en las ► ¿Qué importancia crees que cesos pro los en icas reacciones quím s? iale industr

122

Unidad 3 • Estequiometría

► ¿Crees que es im portante conocer las cantidades de los compuestos que se utiliz an en la fab ricación de un producto?, ¿por qu é?

Inicio

Mis propósitos y metas Qué aprenderás

Mediante la interpretación de modelos y la aplicación de cálculos, aprenderás a establecer relaciones cuantitativas entre reactantes y productos en las reacciones químicas, aplicando la ley de conservación de la materia.

Para qué lo aprenderás n las cantidades Para saber cómo se relaciona reacciones de reactivos y productos en las ciente de efi químicas, reconociendo el uso del desarrollo los recursos naturales en favor medio ambiente. sustentable y la protección del

Qué necesitas para lograrlo Necesitas recordar algunos conceptos como las reacciones ,y químicas, sus componentes y representación en ecuaciones la aplicación de la nomenclatura química.

¿Qué meta te propondrías para cumplir en esta unidad?

¿Qué te interesaría aprender en esta unidad?

► ¿Será posible qu e en todas las reac ciones química s se conser ve la materia?, ¿qué crees tú?

¿Qué estrategias seguirías para cumplirla?

tener ¿Qué dificultades crees que puedes en el transcurso de esta unidad?

te saber a nivel ► ¿Será importan to ntaje de rendimien indus trial, el porce é? qu or ¿p de un a reacción?,

Química • 1.° Medio

123

Lección

Leyes ponderales

Propósito de la lección Representar reacciones químicas de acuerdo a la ley de conservación de la materia e identificar las leyes de proporcionalidad que rigen la formación de

Ciencia, Tecnología y Sociedad

Niños científicos persiguen sus sueños en los frondosos bosques chilenos

¿Qué es la ciencia? Esto es lo que se han preguntado cuarenta jóvenes chilenos y argentinos que participan de el campamento Bayer-Kimlu. Estos jóvenes durante diez días se han aventurado por los verdosos y profundos bosques del sur de Chile en busca de “experiencias para toda la vida”. Tienen entre 14 y 18 años, y son apasionados por las ciencias, la ingeniería, las matemáticas y la tecnología. Aquí, los campistas se mueven con pie firme e ideas claras; algunos cursan sus últimos años de colegio, otros ya han empezado la universidad, pero estos días todos coinciden en los hermosos paisajes en el extremo sur de Chiloé. El objetivo de este programa es aprender a trabajar en equipo e investigar tal como lo haría un científico de profesión. Su metodología incluye kilométricas rutas de trekking, un intenso kayaking

¿Qué avances o beneficios puede traer para nuestra sociedad la formación de científicos?

124

Unidad 3 • Estequiometría

compuestos simples, para reconocer la importancia de los aportes de diversos científicos en el conocimiento de las reacciones químicas.

por las aguas del lago Chaiguata, talleres y un ambiente de alta exigencia, “que dista mucho de las aulas tradicionales”. “El modelo escolar convencional hace que alguien ávido de conocimientos quede fuera. Los compañeros aminoran esas ganas, en vez de dar apoyo”, explica Pedro Pablo Copaja, productor de la Fundación Ciencia Joven. Si bien el abultado currículum de los “campers” haría pensar que son genios que se pasan la vida entre olimpiadas científicas, becas en el extranjero y cursos en Harvard, estos 35 jóvenes aún son niños y lo demuestran cada día. “Estos chicos viven el sueño de ser grandes científicos y la realidad es dura, pero esa motivación los va a mantener en la lucha, no se van a rendir a la primera”, asegura Copaja. Fuente: Peréz, R. Niños científicos persiguen sus sueños en los frondosos bosques chilenos. (19-06-2016) Recuperado de www.lanacion.cl (Adaptación).

¿Crees que es importante despertar el interés de los jóvenes por la ciencia, para que aporten con sus conocimientos? ¿Por qué?

¿Qué importancia tiene el trabajar colaborativamente para la formación de nuevos conocimientos?

Desarrollo

Leyes fundamentales de la química Hasta el siglo XVIII el estudio de la química solo se preocupaba por comprender las reacciones desde un punto de vista cualitativo; sin embargo, desde mediados de ese siglo, hubo un cambio significativo a partir de los aportes de diferentes científicos, quienes comenzaron a estudiar los cambios químicos desde una mirada cuantitativa. Es así como hoy se conocen las leyes fundamentales de la química o leyes ponderales. Para comenzar, realicen la siguiente actividad para conocer una de las leyes fundamentales de la química: la ley de conservación de la materia. A poner en práctica

los conocimientos previos mediante la experimentación

Formen parejas y consigan dos tabletas de antiácido, dos botellas de plástico de 500 mL, un globo, una balanza, un vaso de precipitado de 100 mL y agua. Luego, sigan el procedimiento. Experiencia 1: Sistema abierto 1. Midan 100 mL de agua en el vaso de precipitado y agréguenla a una de las botellas. 2. Midan la masa de la botella con agua y la masa de una de las tabletas en la balanza. Registren los valores. 3. Agreguen la tableta de antiácido a la botella con agua sin retirarla de la balanza. Luego, registren su masa.

Propósito del tema Comprobar cuantitativamente que la masa se conserva, tanto en los reactantes como en los productos, en las reacciones químicas. Recurso digital complementario

Amplía tus conocimientos Sistema es la parte del universo que se aísla para su estudio. Abierto: intercambia energía y materia. Cerrado: intercambia energía, pero no materia. Aislado: no intercambia energía ni materia. ¿Por qué el sistema de la experiencia 2 no es un sistema aislado?

Experiencia 2: Sistema cerrado 4. Midan 100 mL de agua y agréguenla a la otra botella. 5. Midan y registren la masa de la botella con agua, de la tableta que queda y del globo. 6. Coloquen la tableta dentro del globo y cubran la boca de la botella. Dejen caer la tableta. ¿Qué sucede? Registren la masa. A continuación, desarrollen las actividades: a. Comparen las masas de los materiales de la experiencia 1, sistema abierto, antes y después de disolver la tableta. ¿Qué pueden concluir? b. Comparen las masas de los materiales de la experiencia 2, sistema cerrado, antes y después de disolver la tableta. ¿Qué pueden concluir? c. Comparen los resultados de las masas de ambos sistemas, luego de haber agregado la tableta. ¿Cuál es su conclusión? d. ¿En cuál de los sistemas la masa permaneció constante? ¿Por qué creen que fue así?

↑ ¿Se conserva la materia en este tipo de sistema?

Química • 1.° Medio

125

Lección 1

Ley de conservación de la materia o ley de Lavoisier A mediados del siglo XVIII, el químico francés Antoine Lavoisier realizó diversos experimentos con el fin de estudiar algunos cambios químicos en forma cuantitativa. Para ello, calentó muestras de metales y aire, en recipientes de vidrio cerrados, y observó que la masa antes y después del calentamiento era la misma. Este resultado fue similar al que obtuviste en la experiencia 2, de la p. 125, donde la masa, antes de ser disuelta la tableta y después de mezclada con agua, fue la misma. Esto lo llevó a formular la ley de conservación de la materia, conocida también como ley de Lavoisier o ley de conservación de la masa. ↑ Antoine Lavoisier (1743-1794). Se licenció de abogado en 1764, pero dirigió su atención a la investigación científica. Se considera el padre de la química.

En toda reacción química la suma de las masas de los reactantes es igual a la suma de las masas de los productos; es decir, la masa se conserva. Observa las imágenes de la derecha, que representan lo que ocurre en una reacción química con la masa antes y después de combinar las sustancias. En 1800, el químico John Dalton formuló una teoría que podía explicar la ley de conservación de la materia: “En una reacción, el número de átomos de cada elemento es el mismo en los reactantes y en los productos, pero su organización es diferente”. El modelo molecular de la formación del amoníaco representa este postulado. Reactantes

3 H2

6 átomos de hidrógeno 2 átomos de nitrógeno

A poner en práctica

Disolución de CaCl2 Disolución de Na2SO4

CaCl2 (ac) + Na2SO4 (ac)

Después de la reacción CaSO4 (s)(↓) + 2 NaCl (ac)

300,23 g

Antes de la reacción

Producto

2 NH3

6 átomos de hidrógeno 2 átomos de nitrógeno

← El número de átomos de cada elemento en los reactantes es igual al número de átomos de cada elemento en los productos.

la comprobación de la ley de Lavosier

a. ¿Cuál es la ecuación química de esta reacción?

Unidad 3 • Estequiometría

Transformación

¿Se cumple la ley de conservación de la materia? ¿Por qué?

1. Se calienta una muestra de 10 g de cobre (Cu) en presencia de oxígeno molecular (O2) y se forman 12,52 g de óxido de cobre (II) (CuO).

126

Precipitado blanco de CaSO4 disuelto en una disolución de NaCl

b. ¿Cuántos átomos hay de cada elemento en los reactantes?, ¿y en los productos? c. ¿Qué cantidad de oxígeno (masa) reacciona con el cobre? d. ¿Se comprueba la ley de Lavoisier?

Desarrollo

Comprobación de la ley de conservación de la materia

Recurso digital complementario

La ley de Lavoisier se puede comprobar mediante cálculos sencillos de medición de masa, o bien mediante un modelo de partículas. Veamos lo que ocurre a nivel molecular con el siguiente ejemplo. Se obtienen 88 g de dióxido de carbono (CO2) a partir de una reacción de 56 g de monóxido de carbono (CO) con 32 g de oxígeno gaseoso (O2). Reactantes Reacción química

Productos

2 CO (g) + O2 (g)

Modelo molecular

→

2 CO2 (g)

→ ⎧ 1 átomo de C + 2 átomos de O

Número de átomos

Masa (g)

⎧ 1 átomo de C

2 •⎨

⎩ 1 átomo de O

⎩ 2 átomos de O

2 carbonos 2 oxígenos

2 oxígenos

2 carbonos 4 oxígenos

88 g

Comprobación de la ley de Lavoisier

88 g

De acuerdo al ejemplo, 56 g de monóxido de carbono (CO) reaccionan con 32 g de oxígeno (O2) para formar 88 g de dióxido de carbono (CO2). Así, la masa de los reactantes es 88 g, igual a la masa del producto, cumpliéndose la ley de conservación de la materia. Si se expresa la ley de conservación de la materia en palabras, se tiene: ▸ Los átomos de los reactantes están en igual número que los átomos de los productos. ▸ La masa de los reactantes es igual a la masa de los productos. A poner en práctica

la aplicación de la ley de conservación de la materia

1. Respondan en parejas: En una reacción química se combinan 56 g de hierro (Fe) y 32 g de azufre (S) para obtener una sal binaria. a. Predigan el producto que se formará por reordenamiento de los átomos. b. Escriban la ecuación de la reacción. c. ¿Cuál es la masa de los reactantes? Anótenla bajo cada fórmula. d. ¿Qué harían para obtener la masa del producto? Expliquen.

2. En las mismas parejas comprueben si se cumple la ley de conservación de la materia para las reacciones químicas dadas a continuación. ¿Cómo lo pueden saber? a. N2 (g) + O2 (g) → 2 NO (g) b. 2 H2O (ℓ) → 2 H2 (g)+ O2 (g)

3. La azida de sodio (NaN3) se descompone para formar sodio (Na) y nitrógeno (N2). Si 500 g de NaN3 se descomponen y forman 323,2 g de N2, ¿cuántos gramos de sodio se producen? Química • 1.° Medio

127

Lección 1

Balance de ecuaciones químicas Como sabes, las ecuaciones químicas son representaciones que muestran simbólicamente lo que sucede en las reacciones químicas. Según la ley de conservación de la materia, el número de átomos y la masa total de las sustancias iniciales y de las sustancias finales de una reacción son los mismos; por lo tanto, esto se debe observar en la ecuación química. Para saber si una ecuación está balanceada, debes recordar la información que entrega una ecuación química. Por ejemplo, veamos la reacción entre el hidróxido de sodio (NaOH) y el ácido clorhídrico (HCl), a partir de la cual se produce cloruro de sodio (NaCl) y agua (H2O). Reactantes Productos NaOH (ac) + 2 HCl (ac) → 2 NaCl (ac) + H2O (ℓ) Estado de agregación. Es una abreviación del estado físico en que se encuentran las sustancias.

Coeficiente estequiométrico. Es un número entero o fraccionario simple que se antepone a las fórmulas y se utiliza para igualar el número de átomos de cada especie química. Indica el número de moléculas de las sustancias que participan en la reacción.

Coeficiente atómico. Se escribe como subíndice e indica el número de átomos de los elementos. Este número no se puede cambiar, ya que una modificación de él implica un cambio de la sustancia que reacciona, por lo que se trataría de una reacción distinta.

H2 + O2 → H2O ↑ Como se puede observar, en los reactantes hay dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno; y en los productos, dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, por lo que se puede concluir que la ecuación no está balanceada.

A continuación debes:

Reactantes

Productos

En este caso, el número de átomos de cada elemento es el mismo en los reactantes y en los productos, por lo que la ecuación está balanceada. Sí no fuera así, para igualar el número de átomos en los reactantes y en los productos se debe utilizar uno de los dos métodos: el método de tanteo o el método algebraico. Veamos en qué consisten.

128

Unidad 3 • Estequiometría

s ¿Han cambiado tu ales ici in conocimientos de ley la respecto de la materia? conser vación de

▸ Para balancear la ecuación se usan los coeficientes estequiométricos, los cuales se deben ir multiplicando por el coeficiente atómico. Veamos si la ecuación entre el hidróxido de sodio y el ácido clorhídrico está balanceada. NaOH (ac) + HCl (ac) → NaCl (ac) + H2O (ℓ)

▸ Verificar si el número de átomos de cada elemento que hay en los reactantes es el mismo que hay en los productos. Si es así, la ecuación está balanceada; si no lo está, es necesario igualarlos.

¿Qué sucedería si en la fórmula se agregara un 2 delante de HCl?

Desarrollo

Método de tanteo

Consiste en anteponer números enteros y sencillos que permitan igualar los átomos de los reactantes y de los productos. Veamos un ejemplo. Se hace reaccionar hierro metálico (Fe), y ácido clorhídrico (HCl), para formar hidrógeno gaseoso (H2), y cloruro de hierro (III), (FeCl3). La ecuación que representa esta reacción es la siguiente: Fe (s) + HCl (ac) → H2 (g) + FeCl3 (ac) → Primero

En los reactantes hay 1 átomo de Cl y en los productos hay 3 átomos. Para balancear el Cl se multiplica el HCl por 3. Fe (s) + 3 HCl (ac) → H2 (g) + FeCl3 (ac)

→ Segundo

→ Tercero

Observa que en el HCl hay 3 átomos de hidrógeno y en el H2 hay 2. Debes multiplicar por 3 el H2, lo que dará 6 átomos de H, por lo que debes volver a modificar el coeficiente del HCl multiplicándolo por 2, lo que dará como resultado 6. Fe (s) + 6 HCl (ac) → 3 H2 (g) + FeCl3 (ac) Ahora que tienes balanceado el hidrógeno, debes volver a balancear el cloro. En los reactantes hay 6 Cl y en los productos solo 3. Entonces, debes multiplicar por 2 el FeCl3.

En el método de tanteo se deben ir probando los números que permitirán el balanceo de la ecuación.

Fe (s) + 6 HCl (ac) → 3 H2 (g) + 2 FeCl3 (ac) → Cuarto

Ya tienes balanceado el hidrógeno y el cloro, falta el hierro. En los reactantes tienes 1 átomo de Fe y en los productos 2 átomos, por lo que debes multiplicar por 2 el Fe. 2 Fe (s) + 6 HCl (ac) → 3 H2 (g) + 2 FeCl3 (ac)

→ Quinto

Finalmente, comprueba que la ecuación esté balanceada. 2 Fe (s) + 6 HCl (ac) → 3 H2 (g) + 2 FeCl3 (ac)

Este método se emplea, principalmente, cuando las ecuaciones son complejas y es difícil abordarlas con el método de tanteo, porque requieren procedimientos matemáticos de ajuste para cumplir con la ley de conservación. Para poder aprender este método, revisa el Taller de estrategias que se presenta en las siguientes páginas.

portante ¿Crees qué es im ra s ot n co ajo el trab qué? or ¿p ?, as lin ip sc di

Método algebraico

Puedes comprobar que existen 2 átomos de hierro, 6 átomos de hidrógeno y 6 átomos de cloro tanto en los reactantes como en los productos.

¿Qué coeficientes es tequiométricos debes utiliz ar para balan cear la ecuación de com bustión del etan o?

Química • 1.° Medio

129

A poner en práctica

mediante un taller de estrategi

Aprendiendo a aplicar métodos Balance de una reacción química Antecedentes ➔

¿Alguna vez has cocido carne en una parrilla a gas? Se deja la carne sobre la parrilla y se encienden los quemadores, a través de los cuales, y como resultado de la combustión del gas propano, se libera energía calórica que cuece la carne. En la reacción química, el propano es el reactante que se combina con el oxígeno y libera energía en forma de calor y otros productos, como agua y dióxido de carbono. Esta reacción química se representa en la siguiente ecuación: C3H8 (g) + O2 (g) → H2O (ℓ) + CO2 (g) + energía

➔

¿Cuáles son los coeficientes estequiométricos de la ecuación química que permiten que esta quede balanceada?

Procedimiento

1 2 3

130

Identifica las incógnitas Escribe letras distintas delante de cada sustancia química. a C3H8 (g) + b O2 (g) → c H2O (ℓ) + d CO2 (g) Registra los datos Contabiliza el número de átomos por elemento. Anota los elementos en el mismo orden, tanto en los reactantes como en los productos, según las letras asignadas. Elemento

Reactantes

Productos

c+2d

Establece igualdades entre el número de átomos de cada elemento Anota las igualdades de los elementos entre los reactantes y los productos. Elementos

Reactantes

Productos

c+2d

Unidad 3 • Estequiometría

Igualdades 3a=d 8a=2c 2b=c+2d

Cierre

Asigna un valor igual a 1 a la incógnita a. Se reemplaza el valor 1 en las ecuaciones en que está presente la letra “a” y se determinan los valores para las demás incógnitas. Igualdades

Reemplazar

Valores

3a=d

3•1=d

d=3

8a=2c

8•1=2c

8 c = ___ 2

c=4

2b=c+2d

2 b = (4) + 2 (3) 10 b = ____ 2

b=5

Reemplaza los valores de las incógnitas en la ecuación. a C3H8 (g) + b O2 (g) → c H2O (ℓ) + d CO2 (g)

C3H8 (g) + 5 O2 (g) → 4 H2O (ℓ) + 3 CO2 (g)

Comprueba Comprueba los coeficientes asignados. Contabiliza que la cantidad de átomos sea la misma en los reactantes y en los productos. C3H8 (g) + 5 O2 (g) → 4 H2O (ℓ) + 3 CO2 (g)

Ahora tú 1. El carbonato de amonio [(NH4)2CO3] se utiliza a menudo como una sal que inhalan los boxeadores para despertarlos cuando quedan inconscientes. Su ecuación es: (NH4)2CO3 (s) → NH3 (ac) + CO2 (g) + H2O (ℓ) a. ¿Qué letras anotarías en la ecuación química? (NH4)2CO3 (s) → NH3 (ac) + CO2 (g) + H2O (ℓ) b. ¿Qué cantidad de átomos de cada elemento hay en los reactantes?, ¿y en los productos? c. ¿Qué igualdades puedes establecer entre el número de átomos de cada elemento? d. Si a = 1, ¿qué valores corresponden a las demás letras? e. ¿Cuáles son los coeficientes de la ecuación química? ¿Hay la misma cantidad de átomos en los reactantes y en los productos?

2. El gas natural usado para combustible tiene como componente principal el gas metano (CH4), que se quema en presencia de oxígeno gaseoso (O2) y, en una combustión completa, produce dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Plantea la ecuación de la reacción balanceada. 3.

En parejas realicen la siguiente actividad: el hidróxido de calcio acuoso, sustancia básica, reacciona con el ácido fosfórico acuoso, sustancia ácida, formando una sal de fosfato de calcio sólido y agua líquida. a. Escriban la ecuación química de la reacción. Apliquen lo aprendido en la unidad 1. b. Realicen el balance de esta ecuación, mediante el método algebraico. c. ¿Por qué se podría afirmar que en esta reacción se está cumpliendo la ley de conservación de la materia?

Reflexiono

• ¿Cómo crees que ayuda a tu aprendizaje el aplicar el modelamiento de un ejercicio a nuevos problemas?

Química • 1.° Medio

131

Lección 1

Leyes de proporcionalidad química

Propósito del tema

En las páginas anteriores aprendiste sobre la ley de conservación de la materia. A continuación, te presentamos otras de las leyes ponderales: la ley de proporciones definidas, ley de proporciones múltiples, ley de las proporciones recíprocas y la ley de volúmenes de combinación.

Identificar las leyes de combinación química para la formación de compuestos químicos simples.

Ley de las proporciones definidas o ley de Proust A principios del siglo XIX, el francés Joseph Louis Proust fue conocido por demostrar la siguiente hipótesis: En un compuesto químico, la proporción de las masas de los elementos que lo forman es fija e independiente del origen del compuesto o de su modo de preparación. Esta hipótesis se conoce como ley de las proporciones definidas. Un ejemplo que permite verificar esta ley es el siguiente: Para obtener 88 g de sulfuro de hierro II (FeS) se necesitan 56 g de hierro (Fe) y 32 g de azufre (S), por lo que la proporción en masa de los elementos que lo forman es: Masa de hierro que reacciona: 56 g _______ Masa de azufre que reacciona: 32 g = 1,75 Ahora, si reaccionan 112 g de hierro con 64 g de azufre, la proporción sigue siendo la misma. Productos

Relación

Masa Fe (g)

Masa S (g)

Masa FeS (g)

1,75

112

176

1,75

Las cantidades de masas de hierro y azufre que reaccionan para formar sulfuro de hierro (II) son diferentes; sin embargo, la proporción es la misma. Asimismo, cuando se hace la reacción inversa, se obtiene la misma relación en masa entre los componentes. En el ejemplo, al descomponer cualquier Fe= 1,75. cantidad de sulfuro de hierro (II), la relación es ___ S A poner en práctica

Unidad 3 • Estequiometría

¿Qué sucedería si cambiara la proporción de los compuestos?

la aplicación de la ley de Proust

Respondan en parejas: Si se tiene una muestra de agua de 51,48 g, ¿qué masa de hidrógeno y de oxígeno contendrá siempre, sabiendo que la relación en masa H:O es de 1:8? Justifiquen su respuesta.

132

Reactantes

↑ Joseph Louis Proust (1754-1826) fue un farmacéutico y químico francés. Realizó estudios con compuestos metálicos, incluyendo los óxidos metálicos, carbonatos y sulfuros.

a. b. c. d. e.

6,72 g de hidrógeno y 45,76 g de oxígeno. 21,44 g de hidrógeno y 30,04 g de oxígeno. 11,44 g de hidrógeno y 91,52 g de oxígeno. 10 g de hidrógeno y 40 g de oxígeno. 25,74 g de hidrógeno y 25,74 g de oxígeno.

Desarrollo

Ley de las proporciones múltiples o ley de Dalton

Poco después de la ley enunciada por Proust, John Dalton hizo otro aporte al formular una ley basada en el estudio de compuestos gaseosos en diferentes condiciones externas de temperatura y presión. Esta ley dice que: Cuando dos elementos forman una serie de compuestos distintos, la masa de uno que se combina con una masa fija del otro están en una relación de números enteros y sencillos. Por ejemplo, la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno forma dos compuestos: agua (H2O) y peróxido de hidrógeno, o agua oxigenada (H2O2). Número de átomos

Compuesto

Relación en masa

Proporción

2H 1O

1:8

↑ John Dalton (1766-1844), químico y físico británico. Sus primeros estudios fueron sobre los gases dado su interés en la meteorología; luego estudió química y teoría atómica.

2 g de H : 16 g de O

2H 2O

1 : 16 2 g de H : 32 g de O

H2O2

En ambos compuestos, la relación de la masa de oxígeno que se combina con una masa fija de hidrógeno es 8 : 16 o 1 : 2, lo cual confirma la ley de las proporciones múltiples. Veamos otro ejemplo. El estaño forma dos compuestos cuando reacciona con el cloro: cloruro de estaño (II) (SnCl2) y cloruro de estaño (IV) (SnCl4). Según la ley de proporciones múltiples, cuando combinamos la misma cantidad de estaño en ambos compuestos, la cantidad de cloro varía, pero ¿cuál es la proporción de la masa de cloro en ambos compuestos? Analicemos la masa atómica de cada elemento. Compuesto

Relación en masa

Proporción

SnCl2

119 g de Sn : 70 g de Cl

17 : 10

SnCl4

119 g de Sn : 140 g de Cl

17 : 20

La proporción de la masa de cloro es 20 : 10 o 2 : 1. Esta proporción sirve como referencia cuando se tiene una cantidad distinta a la conocida. A poner en práctica

H2O

rtante ¿Por qué es impo s co ífi nt cie los que retomen es tudios cons truir anteriores para tos? ien cim no co os nuev

Contexto histórico A la edad de 26 años, Dalton descubrió que ni él ni su hermano distinguían algunos colores. En su primer artículo importante proporcionó una descripción científica sobre este fenómeno que posteriormente se conoció con el nombre de daltonismo.

la aplicación de la ley de Dalton

1. Si se tienen 0,597 g de cloro que se combinan con 1 g de estaño en el compuesto de cloruro de estaño (II) (SnCl2), ¿cuántos gramos de cloro se combinarán con 1 g de estaño en el cloruro de estaño (IV), SnCl4? Química • 1.° Medio

133

Lección 1

Ley de las proporciones recíprocas o ley de Richter A fines del siglo XVIII, Jeremias Richter realizó un experimento en el qu observó que las disoluciones de acetato de calcio y tartrato de potasio eran químicamente neutras, incluso cuando se mezclaban. A partir de este experimento concluyó lo que hoy se conoce como la ley de las proporciones recíprocas, que dice: Las masas de dos elementos diferentes que se combinan con una misma cantidad de un tercer elemento, guardan la misma relación que las masas de aquellos elementos cuando se combinan entre sí. Por ejemplo, el cobre (Cu) reacciona con el azufre (S) y también con el oxígeno (O) para formar sulfuro de cobre (II) (CuS) y óxido de cobre (II) (CuO), respectivamente. Pero, también el azufre reacciona con el oxígeno y forma el dióxido de azufre (SO2).

Cu 64 g

S 32 g

O 16 g

CuS 64 : 32 2:1

CuO 64 : 16 4:1

Se cumple que la masa del cobre se mantiene fija o constante en la formación de ambos compuestos (CuS y CuO), pero su proporción es un múltiplo de 2.

SO2 32 : 32 1:1

Se cumple que la masa del azufre es la misma en ambos compuestos (CuS y SO2) y están en la misma proporción; en cambio, la masa del oxígeno en los compuestos (CuO y SO2) es un múltiplo de 16, y mantienen la misma proporción.

Cuando dos elementos diferentes, como el cobre y el azufre, se combinan por separado con la misma masa de un tercer elemento, en este caso el oxígeno, la relación de las masas en la que lo hacen será la misma o un múltiplo simple. En el caso del ejemplo se tiene que: ▸ El azufre, cuando forma el sulfuro de cobre (II) y el dióxido de azufre, lo hace manteniendo la misma cantidad de masa, 32 gramos. A poner en práctica

Cu 64 g

↑ Jeremias Richter (1762–1807), químico alemán. Se convirtió en un funcionario de la minería en Breslau y fue nombrado asesor del departamento de minas y químico de la Fábrica Real de Porcelana de Berlín, ciudad donde murió.

¿Por qué se pu ede señalar que la cons tr ucción del pensamiento cuantitativo es dinámico?

▸ El cobre, cuando forma el óxido de cobre (II) y el sulfuro de cobre (II), lo hace manteniendo la misma cantidad de masa, 64 gramos. ▸ El oxígeno, cuando forma el dióxido de azufre y el óxido de cobre, es un múltiplo de 16. Estas relaciones dan cuenta de que se cumplen las proporciones recíprocas al establecer las comparaciones de las masas de los compuestos.

la aplicación de la ley de Richter

1. Si 40 g de calcio reaccionan con 32 g de azufre para formar el sulfuro de calcio (CaS) y con 16 g de oxígeno para formar el óxido de calcio (CaO), entonces, ¿qué masa de azufre reacciona con el oxígeno para formar el monóxido de azufre (SO)? 134

Unidad 3 • Estequiometría

Desarrollo

Ley de volúmenes de combinación o ley de Gay-Lussac

A principios del siglo XIX, Gay-Lussac comprobó la validez de la ley de Charles para diferentes gases. Su mayor contribución fueron los experimentos que realizó referidos a los volúmenes de los gases que intervienen en una reacción química. Así logro enunciar una ley válida solo para gases. la creación de una definición para la ley de Gay-Lussac

Respondan en parejas: Joseph Gay-Lussac estableció su ley basándose en los experimentos de compuestos gaseosos y encontró las siguientes evidencias: H2 (g)

2 volúmenes NO (g) 2 volúmenes

O2 (g) 1 volumen

→

H2O (g) 2 volúmenes NO2 (g) 2 volúmenes

a. Realicen el balance para las ecuaciones químicas anteriores. b. ¿Qué relación existe entre los coeficientes estequiométricos y los volúmenes de combinación de cada gas? c. Deduzcan los volúmenes de cada compuesto gaseoso: 2 NH3 (g) → N2 (g) + 3 H2 (g) d. A partir de los resultados, ¿cómo enunciarían la ley de los volúmenes de combinación? La ley de los volúmenes de combinación dice que: Cuando dos gases reaccionan entre sí, a la misma temperatura y presión, los volúmenes de cada gas están en relación de números enteros y sencillos. Veamos un ejemplo. El monóxido de nitrógeno (NO) se obtiene en los procesos de combustión a altas temperaturas, tales como los producidos en los motores de los automóviles y en las plantas de energía eléctrica. Observa el siguiente modelo molecular y su ecuación química.

N2 (g) 1 volumen

O2 (g) 1 volumen

2 NO (g) 2 volúmenes

De la reacción se puede decir que 1 volumen de nitrógeno gaseoso reacciona con 1 volumen de oxígeno gaseoso para formar 2 volúmenes de monóxido de nitrógeno gaseoso.

↑ Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850), químico y físico francés. Se le conoce por las dos leyes relacionadas con los gases, y por trabajar con mezclas de alcohol-agua, mediante las cuales determinó los grados que se utilizan para medir las bebidas alcohólicas en muchos países.

Contexto histórico Como la ley de Gay-Lussac era difícil de entender desde el punto de vista de la estructura de las partículas según la teoría de Dalton, Amadeo Avogadro dio una explicación admitiendo que las partículas que formaban los gases no eran átomos aislados, sino que podían ser moléculas. Así, la ley de volúmenes de combinación y la hipótesis de Avogadro complementaron la teoría atómica de Dalton.

A poner en práctica

e en ¿Por qué crees qu icipan rt pa lo es ta ley so as? os se ga s cia sustan

Química • 1.° Medio

135

Integro lo aprendido Responde las siguientes preguntas relacionadas con la Lección 1. 1. A partir de la siguiente ilustración explica el cumplimiento de la ley de conservación de la materia.

En parejas creen una experiencia para comprobar la ley de conservación de la materia. Antes de realizarla, evalúen teóricamente los resultados que deberían esperar de la experiencia. Luego, respondan: ¿La experiencia correspondió con los resultados teóricos que esperaban? Fundamenten.

3. Se tiene una reacción entre nitrato de plata (AgNO3) y cloruro de calcio (CaCl2), que genera un precipitado de cloruro de plata (AgCl) y nitrato de calcio [Ca(NO3)2]. A partir de ella responde: a. ¿Cuál es la ecuación química?

b. Representa mediante dibujos el reordenamiento de los átomos en la reacción.

c. Determina los coeficientes estequiométricos utilizando el método algebraico. Utiliza una hoja para ello y coloca el resultado en este espacio.

d. ¿Podrías asegurar que los átomos no varían en una reacción química?, ¿por qué?

136

Unidad 3 • Estequiometría

Desarrollo

4. Comprueba la ley de las proporciones definidas a partir de la siguiente situación: “Se tienen 10 g de cloro que reaccionan con 6,48 gramos de sodio, para formar 16,48 gramos de la sal. Luego, se hacen reaccionar 40 g de cloro con 25,92 gramos de sodio, dando como producto 65,92 gramos de la sal”.

Formen parejas y realicen, en su cuaderno, un esquema que resuma las leyes ponderales. Deben incluir sus precursores y los principales planteamientos.

6. ¿Qué beneficios pueden obtener de un trabajo entre pares? ¿Cómo se deben organizar para llegar a acuerdos? ¿Qué logré? Una vez terminada la actividad, elige un ejercicio y explícaselo a un compañero o compañera. Luego, respondan:

►

explicar ¿Crees que el enseñar o r una a un compañero pueda se de tu técnica que forme parte aprendizaje?

►

¿Qué conocimientos previos te ayudaron a resolver la actividad de la p. 125?

¿Crees que lo aprendido refleja los objetivos que escribiste al inicio de la unidad?

Química • 1.° Medio

137

Lección

Relaciones cuantitativas

Propósito de la lección Desarrollar cálculos sencillos sobre las relaciones cuantitativas entre los reactantes y productos durante una reacción química, para comprender

Ciencia, Tecnología y Sociedad

Agua de mar y desalinización: una solución más amigable, pero a mayores costos

Diversas son las causas del desarrollo de la desalinización y el uso en general del agua de mar en Chile. Los principales factores han sido la creciente escasez y sequía en las zonas centro y norte del país, que han llevado al agotamiento de los recursos hídricos para el sector industrial, priorizando la disponibilidad de agua para el consumo de la población. A esto se suma otro aspecto clave, que es la mayor conciencia social y por el cuidado ambiental, lo que se ha traducido en una férrea defensa de los recursos naturales por parte de las comunidades afectadas. Ante este escenario, diversos sectores económicos han optado por buscar soluciones y fórmulas para desarrollar sus negocios sin afectar las actuales fuentes disponibles indagando en nuevas opciones hídricas y renovables.

de la cantidad e el conocer ra uy pa fl a in ci o an óm ¿C a sust e hay en un stro ue n e d as partículas qu em ones a probl buscar soluci entorno?

138

Unidad 3 • Estequiometría

las cantidades de sustancias que participan en una reacción química.

El sector con mayor aprovechamiento de agua de mar es el minero, el cual ha sido pionero en el uso de este recurso, impulsando una creciente mejora en las tecnologías de impulsión del vital elemento. En cuanto al desarrollo a futuro, se calcula al menos 19 proyectos con uso directo de agua de mar y/o desalinización, los que también se ubican principalmente en la zona norte del país. El proceso de desalinización genera un producto de descarte denominado salmuera que posee cerca de 1,5 a 2,5 veces la salinidad normal del agua de mar. Es por esto que para la aprobación ambiental se deben tener en cuenta la forma de su emisión al mar y las condiciones que minimicen los posibles efectos adversos. Fuente: Agua de mar y desalinización: una solución más amigable, pero a mayores costos. (19-06-2016) Recuperado de http://www. mch.cl (Adaptación)

¿Qué importan cia tienen los avan ces tecnológicos en el cu idado del entorn o y del medio ambiente?

Desarrollo

Medida de la cantidad de sustancia

Propósito del tema Explicar conceptos como unidad de masa atómica, masa atómica, masa molecular, mol, número de Avogadro, masa molar y cantidad de materia.

Como vimos en la lección anterior, a mediados del siglo XVIII comenzó una nueva etapa de la química, en la cual se estudiaron las reacciones de manera cuantitativa. A partir de ello nace la necesidad de contar partículas tan pequeñas, como los átomos y las moléculas, por lo que se crea una unidad para el cálculo de la cantidad de sustancia, el mol. Sin embargo, para llegar a entender este concepto, primero se deben conocer otras unidades que se emplean para medir la masa de los átomos y que estudiaremos en esta lección. Antes de comenzar, realiza la siguiente actividad que, mediante tus conocimientos previos, te ayudará a entender de mejor manera este concepto. A poner en práctica

tus conocimientos previos a partir de la experiencia cotidiana

1. Observa las siguientes imágenes y completa las oraciones con la información que estas entregan.

? Docena Resma

¿Qué aplicaciones tienen las unidades de medida en la vida diaria? Para ayudarte puedes revisar las páginas iniciales de esta unidad.

Par

a. b. c. d. e.

Una de huevos son huevos. de zapatos son zapatos. Un de hojas son hojas. Una ¿Para qué se utilizan los conceptos docena, par y resma? ¿Cómo crees que se pueden contar los átomos de un elemento: en unidades o en agrupaciones?, ¿por qué?

2. Responde de acuerdo a lo que puedes observar diariamente:

a. ¿Qué unidades de medida conoces? Nombra tres unidades. b. ¿Con qué magnitudes se relacionan estas unidades de medida? c. Si por ejemplo en una etiqueta se indicara que hay 100 mL de galletas, ¿te entregaría una información correcta? d. ¿Cuál crees que es la importancia de utilizar unidades de medida y de saber utilizarlas en la vida cotidiana?

¿Por qué crees que es importante conocer las unidades de medida?

Al igual que en la vida diaria se utilizan agrupaciones para contar objetos, como los que viste en la actividad, en química se utiliza el mol para contar los átomos, moléculas, iones o partículas. Ahora, te invitamos a conocer esta unidad, el mol, y otras unidades estequiométricas. Química • 1.° Medio

139

Lección 2

Unidad de masa atómica Como los científicos del siglo XIX no podían obtener el valor absoluto de la masa de un átomo, comparaban la masa de un determinado número de átomos de un elemento con la masa del mismo número de átomos de otro elemento que tomaban como referencia. Así fue como, a mediados del siglo XX, la IUPAC, Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, acordó determinar la masa atómica de los elementos tomando como referencia la masa del isótopo de carbono-12. A esta le llamó unidad de masa atómica (uma), la cual corresponde a la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12. Según esta definición, la masa de 1 uma será igual a: 1,66054 x 10–27 kg de 1 átomo de C-12 = __________________________________ 1 uma = masa 12

1,66054 x 10–24 g

Masa atómica De acuerdo a la estimación del valor de una uma, la masa atómica de todos los elementos se estima a partir del valor de la masa atómica del carbono. A estas masas atómicas se les denomina masas atómicas relativas. Por ejemplo la masa atómica relativa del oxígeno es 15,9994. Es importante tener en cuenta que Número atómico Masa atómica la masa atómica que aparece en la tabla periódica corresponde al 8 15,999 promedio de las masas atómicas de los isótopos de cada elemento Símbolo y no a la masa atomica relativa. Número de oxidación –1, –2 Nombre Oxígeno

Importante La masa atómica relativa de un elemento indica cuánto mayor es la masa de un átomo que la unidad de masa atómica (uma).

140

Unidad 3 • Estequiometría

¿Sabes qué son los isótopos? Averigua qué son y cuántos isótopos tienen el oxígeno y el carbono.

Hasta ahora hemos estudiado las masas relacionadas con los átomos. Ahora veremos la masa que se relaciona con la combinación de átomos. Recuerda que una molécula se forma por la combinación de átomos iguales, como la molécula de oxígeno (O2), o por la combinación de átomos diferentes, por ejemplo el agua (H2O). La masa molecular es la suma de las masas atómicas de los elementos que forman una molécula, expresada en unidades de masa atómicas. Por ejemplo, veamos cómo se calcula la masa molecular del dióxido de carbono (CO2). Datos: C = 12 uma; O = 16 uma Masa molecular = C + 2O Masa molecular = (1 • 12 uma) + (2 • 16 uma) Masa molecular = 44 uma

Masa molecular

¿Podrías calcular la masa molecular del CO?

Desarrollo

El mol

¿Te has preguntado lo pequeño que debe ser un átomo? Casi es imposible poder imaginarlo. Por lo mismo, no se puede obtener la masa de un solo átomo. Para ello, se ha creado una magnitud que indica el número de partículas que se encuentran en una porción de materia. Esta magnitud es la cantidad de sustancia y su unidad es el mol. Un mol de cualquier elemento contiene el mismo número de partículas, pero su masa depende del elemento de que se trate.

Un mol es la cantidad de sustancia que hay en 6,022 x 1023 entidades elementales (átomos, iones, moléculas, electrones, entre otras).

¿Cuántas moléculas de óxido de azufre (IV) (SO2) hay contenidas en 15 mol de la sustancia?

2 Masa de un mol de co-

bre (Cu) igual a 63,5 g.

3 Masa de un mol de cinc (Zn) igual a 65,4 g.

1 Masa de un mol de mercurio (Hg) igual a 200,6 g.

4 Masa de un mol de hierro (Fe) igual a 55,8 g.

5 Masa de un mol de azufre (S) igual a 32 g.

Así como en la actividad de inicio relacionaste que una docena de huevos son 12 unidades, un par de zapatos son dos zapatos y una resma son 500 hojas; así mismo, al decir un mol te estarás refiriendo a 6,022 x 1023 átomos, iones o moléculas.

↑ Altura del monte Everest, montaña más alta de la Tierra: 8848 metros sobre el nivel del mar.

El número de Avogadro Este número 6,022 x 1023 se conoce como número de Avogadro (NA) en honor al físico y químico italiano Amadeo Avogadro (1776-1856). La constante de Avogadro representa la cantidad de átomos, moléculas u otras partículas que hay en un mol de las mismas. Así: NA = 6,022 x 1023 EE mol–1 La siguiente expresión relaciona el número de moles con el número de entidades elementales (EE) de una sustancia.

↑ Distancia de la Tierra al Sol: 149 600 000 km.

N n = ____ NA N = número de EE (átomos, iones, moléculas, electrones, entre otros). ¿Con qué puedes comparar el número de Avogadro? Al costado te mostramos algunas relaciones para que tengas una idea de su dimensión. NA = 602 200 000 000 000 000 000 000

↑ Población mundial en el año 2016: 7 432 663 000 personas. aprox. Química • 1.° Medio

141

Lección 2

Masa molar La masa molar (M) es una magnitud que relaciona la cantidad de sustancia de los elementos con su masa. Así, la masa molar corresponde a la masa, en gramos, contenida en un mol de un determinado elemento o sustancia y se expresa en g/mol. Para calcular la masa molar, se suman las masas atómicas, en gramos, de cada elemento, que están presentes en la fórmula química. Veamos cómo calcular la masa molar del ácido nítrico (HNO3). → Primero

Se obtiene de la tabla periódica la masa molar de cada uno de los elementos presentes en la fórmula. H = 1,00 g/mol; N = 14,00 g/mol; O = 15,99 g/mol

→ Segundo

→ Tercero

Se cuenta el número de átomos que hay de cada elemento. H

Se suma la masa de cada elemento multiplicándola por la cantidad de átomos presentes: M = HNO3 M = (1 • H) + (1 • N) + (3 • O)

↑ El ácido nítrico se utiliza para el reconocimiento de proteínas. En la imagen se muestra clara de huevo dentro de un tubo de ensayo con gotas de ácido nítrico. Al ser calentado se vuelve amarillo, lo que indica la presencia de proteínas.

M = (1 • 1,00 g/mol) + (1 • 14,00 g/mol) + (3 • 15,99 g/mol) La masa molar del ácido nítrico (HNO3) es de 63 g/mol.

A poner en práctica

el cálculo de la masa molar y la explicación de conceptos

1. Calcula la masa molar de las siguientes sustancias. Recuerda que debes buscar las masas atómicas en la tabla periódica (p. 191). a. b. c. d. e. f. g.

→ Cuarto

M = 62,97 g/mol ≅ 63 g/mol

a ¿Es lo mismo mas molar? a as m y lar cu mole

Oxígeno molecular (O2). Cloruro de sodio (NaCl). Ácido fosfórico (H3PO4). Urea (CO(NH2)2). Glucosa (C6H12O6). Lactosa (C12H22O11). Cloruro de hexamín níquel ([Ni(NH3)6]Cl2).

2. Haz un cuadro comparativo con los conceptos de masa molecular, mol y masa molar.

142

Unidad 3 • Estequiometría

3. ¿Cuál es la masa molar de los reactantes y productos de las siguientes reacciónes químicas? a. CuS + 5 O2 → Cu2O + 4 SO2 b. 2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O c. B2O3 + 3 Mg → 2 B + 3 MgO

¿Podrías asegurar que en las reacciones de la pregunta 3 se comprueba la ley de conservación de la materia?, ¿por qué?

Desarrollo

Cálculos con cantidad de sustancia

Existe una expresión que permite calcular la cantidad de sustancia (n). Esta se relaciona con la masa y la masa molar, siendo la expresión: m n = ___ M

Masa Masa molar

¿Qué cantidad de sustancia (mol) hay en 270 g de ácido sulfúrico (H2SO4)? → Primero Se anotan los datos que entrega el ejercicio. Masa de ácido sulfúrico: 270 g Fórmula química del ácido sulfúrico: H2SO4 → Segundo Se determina la masa molar de la sustancia. M = (2 • H) + (1 • S) + (4 • O) M = (2 • 1 g/mol) + (1 • 32 g/mol) + (4 • 15,99 g/mol) M = 97,96 g/mol ≅ 98 g/mol → Tercero Se reemplazan los valores en la fórmula de cálculo de cantidad de sustancia. 270 g m = ______________ = 2,75 mol n = ____ M 98 g/mol → Cuarto 270 g de ácido sulfúrico (H2SO4) equivalen a 2,75 mol. A partir de la expresión utilizada para calcular la cantidad de sustancia, también se pueden obtener la masa y la masa molar, despejando la incógnita que se desea obtener. Cálculo de la masa (m) A partir de: Se obtiene:

m n = ___ M

Teniendo en cuenta las magnitudes trabajadas en esta página, ¿por qué crees que es importante conocer las unidades en que se trabajan?

Cálculo de la masa molar (M) A partir de: Se obtiene:

m n = ___ M m M = ___ n

m=n•M

A poner en práctica

↑ Reacción entre el ácido sulfúrico y trozos de mármol.

Cantidad de sustancia

la aplicación del cálculo de cantidad de sustancia

1. Calcula la cantidad de sustancia (n) del: a. cloruro de sodio (NaCl) contenido en 230 g de la sal. b. amoníaco (NH3) contenido en 147 g del compuesto. c. dióxido de carbono contenido en 800 g del compuesto. d. agua en 450 g de la sustancia. 2. ¿Cuál es la masa de 2,3 mol de dióxido de nitrógeno (N2O)?

3. ¿Qué cantidad de masa está contenida en 1,5 mol de sacarosa (C12H22O11)? 4. En una reacción química 50 g de yodo molecular reaccionan exactamente con hidrógeno molecular, formando 80 g de yoduro de hidrógeno. a. ¿Cuál es la ecuación de la reacción balanceada? b. ¿Cuánta masa de hidrógeno molecular se forma? c. ¿Cuál es la masa molar de los reactantes y productos de la reacción? Química • 1.° Medio

143

Lección 2

Cálculos estequiométricos

Propósito del tema Establecer relaciones cuantitativas, como cálculos estequiométricos, en diversas reacciones químicas.

La estequiometría es la rama de la química que estudia las relaciones cuantitativas entre los reactantes y los productos de una reacción química. Para establecer estas relaciones, la reacción química debe estar balanceada y cumplir con la ley de conservación de la materia. La palabra “estequiometría” proviene del griego y se compone de dos raíces: ▸ estequio, que significa partes o elementos de los compuestos, y ▸ metría, que se refiere a la medida de las masas. Para entender el significado y aplicación de la estequiometría en una reacción química, iniciaremos su estudio con la siguiente actividad. A poner en práctica

la interpretación de una reacción

Respondan en parejas: CH4 (g)

2 O2 (g)

CO2 (g)

2 H2O (g)

Metano

Oxígeno

Dióxido de carbono

Agua

1. La reacción, ¿cumple con la ley de conservación de la materia? 2. ¿Cuántas moléculas de agua se pueden obtener por cada molécula de metano? 3. ¿Cuántas moléculas de dióxido de carbono se pueden obtener por cada molécula de metano (CH4)? 4. ¿Podrían formar seis moléculas de agua con dos moléculas de metano? ¿Por qué? 5. ¿Cuántas moléculas de metano y oxígeno necesitan para obtener 4 moléculas de dióxido de carbono?

6. Si se dispone de 1,5 mol de metano y suficiente oxígeno, ¿cuántos mol de dióxido de carbono se pueden obtener? 7. Si se dispone de 100 moléculas de metano y suficiente oxígeno, ¿cuántas moléculas de agua se pueden obtener? 8. Si se dispone de 3 moléculas de metano y dos de oxígeno, ¿cuántas moléculas de agua se pueden obtener?, ¿reaccionan completamente los reactantes iniciales (metano y oxígeno)? 9. ¿Se cumple la ley de conservación de la materia en esta reacción química? Expliquen.

En la actividad anterior estableciste relaciones entre las cantidades de reactantes y de productos de la combustión del metano (CH4). Así mismo, en todas las reacciones químicas se pueden establecer relaciones entre las cantidades de los reactantes y productos.

¿Por qué es importante verificar si una ecuación química está balanceada antes de establecer relaciones estequiométricas?

144

Unidad 3 • Estequiometría

e se pueden ¿En qué crees qu es ion lac re las aplicar ? as ric ét iom qu es te

Desarrollo

Relaciones entre reactantes y productos Veamos qué relaciones estequiométricas se pueden establecer para la reacción de formación del óxido de hierro (III), siendo su ecuación química: Fe (s) + O2 (g) → Fe2O3 (s) Para poder determinar las relaciones se debe: 1. Balancear la ecuación química. 2. Determinar la cantidad de sustancia (mol) que se puede obtener de los indices estequiométricos. 3. Señalar la cantidad de masa (gramos).

↑ El óxido de hierro presenta una coloración rojiza. Este puede formarse en distintas superficies de hierro que no han sido tratadas o recubiertas.

Coloquemos estos datos en una tabla. Reactantes

Productos

Fe (s) + O2 (g)

→

Fe2O3 (s)

Balance de la ecuación química

4 Fe (s) + 3 O2 (g)

→

2 Fe2O3 (s)

Cantidad de sustancia (mol)

224

320

Ecuación química

Comprobación de la ley de Lavoisier

trucciones, ¿Por qué las cons ro se er hi a us en que se si se s da ta ec af ás ven m l mar? de a en cuentran cerc

⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩

Masa (g)

4. Comprobar la ley de conservación de la materia.

320 g

¿Qué relaciones podemos deducir de la tabla? ▸ 4 mol de hierro (Fe) reaccionan con 3 mol de oxígeno (O2) para generar 2 mol de óxido de hierro (III) (Fe2O3). ▸ 4 moléculas de hierro (Fe) reaccionan con 3 moléculas de oxígeno molecular para formar 2 moléculas de óxido de hierro (III) (Fe2O3). ▸ 224 g de hierro (Fe) reaccionan con 96 g de oxígeno (O2) para generar 320 g de óxido de hierro (III) (Fe2O3). ▸ La masa de los reactantes es 320 g, al igual que en los productos, entonces la reacción cumple con la ley de conservación de la materia. Luego de conocer las relaciones cuantitativas de la reacción, se pueden hacer cálculos entre estas. Ahora, teniendo en cuenta las relaciones para la reacción de formación del óxido de hierro (III) analizada en la página, desarrollaremos los ejercicios que se presentan en la página 146. A poner en práctica

Importante Independiente de la unidad utilizada en los reactivos y productos de una reacción, la cantidad de producto formado se calcula en moles.

la aplicación de las relaciones en las reacciones químicas

¿Qué relaciones estequiométricas se pueden establecer en la siguiente reacción? N2 + O2 → NO2

Química • 1.° Medio

145

Lección 2 Recurso digital complementario

Ejemplo 1. ¿Cuántos mol de óxido de hierro (III) (Fe2O3) se formarán a partir de 7,80 mol de hierro (Fe)? → Primero → Segundo

Como los datos del reactante están en moles no se debe hacer ninguna conversión. De la ecuación balanceada de la tabla sabemos que 4 mol de hierro producen 2 mol de óxido de hierro Los mol que se forman se calculan según: 7,80 mol Fe 4 mol Fe = _________________ _________________ 2 mol Fe2O3 X mol Fe2O3 X = 3,9 mol de Fe2O3 Entonces, se necesitan 7,80 mol de hierro para producir 3,9 mol de óxido de hierro.

Ejemplo 2. ¿Cuántos gramos de oxígeno (O2) se necesitan para producir 400 gramos de óxido de hierro (III) (Fe2O3)? → Primero

Como los datos del reactante están en gramos se debe convertir los 400 gramos de óxido de hierro en moles. Para ello, se aplica la expresión de cantidad de sustancias. Pero antes debes calcular la masa molar del óxido de hierro. Masa atómica Fe = 55,85 g/mol; Masa atómica O = 16 g/mol Masa molar Fe2O3 = (2 • 55,85 g/mol) + (3 • 16 g/mol) = 111,7 g/mol + 48 g/mol = 159,7 g/mol m n = ___ M

→ Segundo

400 g n = _______________ 59,7 g/mol

→ Cuarto

146

De la ecuación balanceada de la tabla sabemos que 3 mol de oxígeno producen 2 mol de óxido de hierro. Los mol que se forman se calculan según: X mol O2 3 mol O2 ________________ = _____________________ 2 mol Fe2O3 2,50 mol Fe2O3 Como tenemos los moles de oxígeno, los debemos transformar en gramos para poder responder la pregunta. mO = n • M = 3,75 mol • 32 g/mol = 120 g Entonces, se necesitas 120 g de oxígeno para producir 400 g de óxido de hierro.

Unidad 3 • Estequiometría

¿Podrías realizar cálculos estequiométricos sin tener la ecuación balanceada?, ¿por qué?

Ciencia en Chile

n = 2,50 mol de Fe2O3

X = 3,75 mol de O → Tercero

→ Tercero

Ligia Gargallo González Química farmacéutica de la Universidad de Concepción. En el año 2014 recibió el máximo galardón entregado a profesionales de distintas áreas en Chile: el Premio Nacional de Ciencias Naturales, con el que se destacaron sus aportes a la Ciencia y por los años que ha dedicado al estudio de las macromoléculas y a la química.

Desarrollo

Cálculos con volúmenes De la información que se obtiene a partir de una ecuación balanceada, también se puede saber las proporciones en volumen, siempre y cuando todas las sustancias se encuentren en estado gaseoso. En condiciones estándares (CN) de presión y temperatura (1 atm y 273 K, respectivamente), un mol de cualquier gas ocupa un volumen de 22,4 L. Veamos mediante un ejemplo: ¿Qué relaciones cuantitativas se obtienen de la reacción entre monóxido de nitrógeno (NO) y oxígeno molecular (O2), para formar dióxido de nitrógeno (NO2)? Reactantes Ecuación química Balance de la ecuación química

Productos

NO (g) + O2 (g)

→

NO2 (g)

2 NO (g) + O2 (g)

→

2 NO2 (g)

Cantidad de sustancia (mol)

Masa (g)

Comprobación de la ley de Lavoisier Volumen molar (L)

92 g 2 • 22,4

↑ El dióxido de nitrógeno, liberado por vehículos motorizados y por las industrias, es uno de los mayores contaminantes de la atmósfera.

92 g 22,4

2 • 22,4

Según la relación de volumen, en esta reacción, 44,8 L de NO reaccionan con 22,4 L de O2 para formar 44,8 L de NO2.

Como los datos del reactante (NO) están en gramos se deben convertir en moles usando la expresión de cantidad de sustancias. Pero antes debes calcular su masa molar. 100 g m n = ___ n = ______________ n = 3,33 mol de NO M 30 g/mol

→ Segundo

De la ecuación balanceada de la tabla sabemos que 2 mol de monóxido de nitrógeno producen 2 mol de dióxido de nitrógeno. Los mol que se forman se calculan según: 3,33 mol NO 2 mol NO = __________________ ______________ X = 3,33 mol NO2 2 mol NO2 X mol NO2 Como tenemos los moles de NO2, los debemos transformar en gramos. (m = n • M) m = 3,33 mol • 46 g/mol m = 153,18 g de NO2 Ahora se sabe que 100 g de NO permiten formar 153,18 g de NO2. Entonces, se establece la relación entre la masa de los compuestos y el volumen.

→ Tercero

→ Cuarto

100 g NO 44,8 L NO ___________________ = ______________ 153,18 L NO2 X L NO2 → Quinto

calcular ¿Recuerdas cómo un a la masa molar de para alo sustan cia? Aplíc l NO. de lar cu ole la masa m

→ Primero

Ejemplo. ¿Qué volumen de dióxido de nitrógeno (NO2) se forma cuando reaccionan 100 g de monóxido de nitrógeno (NO) en CN?

¿Qué importancia crees que tiene el conocer estos reactivos para el proceso de elaboración de un producto?

X = 68,62 L NO2

Entonces, a partir de 100 gramos de monóxido de nitrógeno se pueden obtener 68,62 litros de dióxido de nitrógeno. Química • 1.° Medio

147

Lección 2

Reactivo limitante y reactivo en exceso Se sabe que una reacción química balanceada entrega información de los reactantes que originan los productos y de los distintos datos cuantitativos que se pueden conocer a través de los cálculos estequiométricos. No siempre se tienen las cantidades exactas de los reactivos o los productos que se necesitan en una reacción. Entonces, ¿qué sucede cuando no hay suficiente cantidad de un reactivo en una reacción química?, ¿cómo se puede conocer la cantidad de producto que se forma? Para responder estas interrogantes, se debe identificar el reactivo que se encuentra en menor cantidad y el reactivo en exceso. Para aprender a identificar estos reactivos, realiza la siguiente actividad. A poner en práctica

la interpretación de una reacción

Respondan en parejas a partir de la siguiente reacción. 2 NO (g)

O2 (g) →

Propósito del tema Establecer relaciones cuantitativas, como reactivo limitante y en exceso y porcentaje de rendimiento, en diversas reacciones químicas.

Conectando con... Las TIC Ingresa el código 16TQ1M148A en el sitio web del Texto. Luego, te invitamos a desarrollar los ejercicios que se presentan sobre reactivos limitante y en exceso.

2 NO2 (g)

? a. b. c. d.

¿Cuántas moléculas de NO2 se producen? ¿Cuál es el reactivo que desaparece completamente? ¿Cuál reactivo se encuentra en exceso? Verifiquen que en la ilustración se cumple con la estequiometría de la reacción.

¿Qué importancia crees que tiene el conocer el reactivo limitante y el reactivo en exceso para la industria química?

Como pudiste observar en la actividad, hay un reactivo que limitó la formación de dióxido de nitrógeno (NO2); este fue el monóxido de nitrógeno (NO); y otro que quedó en exceso, el oxígeno (O2). Es decir, existe un reactivo limitante y otro en exceso. Definamos ambos términos. Reactivos

148

Limitante

En exceso

Es aquel que determina o limita la cantidad de producto que se puede obtener en la reacción química. Cuando el reactivo limitante se consume, la reacción se detiene.

Es el reactivo que queda sin reaccionar, es decir, no se consume cuando la reacción termina. Este permanece sin reaccionar, ya que no tiene con qué hacerlo.

Unidad 3 • Estequiometría

Desarrollo

Veamos cómo identificar el reactivo limitante y el reactivo en exceso con el siguiente ejemplo. El metanol (CH3OH), que se utiliza como combustible en los automóviles de carreras se puede obtener a partir de la reacción entre el monóxido de carbono y el hidrógeno. CO (g) + H2 (g) → CH3OH (ℓ) ¿Cuál es el reactivo limitante si 356 gramos de monóxido de carbono (CO) se hacen reaccionar con 65 gramos de hidrógeno molecular (H2)? ¿Qué reactivo queda en exceso? ¿En qué cantidad? ¿Cuánto producto se forma? Para responder estas interrogantes e identificar el reactivo limitante existen dos posibles métodos: uno es determinar y comparar la relación molar de la cantidad de reactivos utilizados en la reacción, y el otro es determinar la masa de productos que se forma por cada reactante. A continuación, te mostraremos cómo obtener el reactivo limitante y en exceso.

↑ El metanol también se utiliza como solvente industrial, anticongelante, en la síntesis química, y en la industria del plástico y de las pinturas.

Obtención del reactivo limitante y en exceso 1. Balancear la ecuación química. 1 CO (g) + 2 H2 (g) → 1 CH3OH (ℓ ) 2. Registrar los datos que entrega el problema. CO + 2 H2 → CH3OH 356 g 65 g 3. Obtener la cantidad de sustancia (mol) a partir de la información entregada. Para el CO: m n = ___ M

356 g n = _____________ = 12,71 mol 28 g/mol

Para el H2:

65 g n = ___________ = 32,5 mol 2 g/mol

4. Comparar la relación molar calculada con la relación real. Para el CO: 12,71 mol CO 1 mol CO = ___________________ _____________ 2 mol H2 X mol H2

X = 25,42 mol de H2

Si los 12,7 mol de CO fueran consumidos en la reacción, se necesitarían 25,4 mol de H2. Pero en la reacción hay 32,5 mol de H2, lo que implica que el hidrógeno es el reactivo en exceso. Para el H2: X mol CO 1 mol CO = _________________ _____________ X = 16,25 mol de CO 2 mol H2 32,5 mol H2 Si los 32,5 mol de H2 fueran consumidos en la reacción, se necesitarían 16,3 mol de CO. Pero en la reacción hay 12,7 mol de CO, lo que hace que el CO sea el reactivo limitante. 5. Utilizar la cantidad de reactivo limitante para determinar la cantidad de producto formado. Según la ecuación química balanceada: 12,71 mol CO 1 mol CO = ___________________ __________________ 1 mol CH3OH X mol CH3OH

X = 12,17 mol de CH3OH

6. Calcular la cantidad del reactivo en exceso. 32,5 mol H2 – 25,4 mol H2 = 7,1 mol de H2 en exceso.

Química • 1.° Medio

149

A poner en práctica

mediante un taller de estrategi

Determinación del reactivo limitante y en exceso Antecedentes ➔

El amoníaco (NH3), cuando reacciona con el oxígeno del aire (O2), en condiciones adecuadas y en presencia de catalizadores origina monóxido de nitrógeno y agua. La ecuación química no balanceada que representa esta reacción es: NH3 (g) + O2 (g) → NO (g) + H2O (g) ¿Cuál es el reactivo limitante si 2 gramos de amoníaco reaccionan con 4 gramos de oxígeno? ¿Cuál es el reactivo en exceso y qué cantidad queda de este cuando la reacción se detiene?

↑ La mayor parte del amoníaco producido en la industria se utiliza como abono.

Procedimiento

1 2 3

Identifica las incógnitas • El reactivo limitante. • El reactivo en exceso. • La cantidad de reactivo en exceso que queda al finalizar la reacción. Registra los datos • Ecuación no balanceada: NH3 (g) + O2 (g) → NO (g) + H2O (g) • Masa de amoníaco: 2 gramos y masa de oxígeno: 4 gramos. Utiliza modelos → Primero: Se debe balancear la reacción química. Usa el método de tanteo o el algebraico. 4 NH3 (g) + 5 O2 (g) → 4 NO (g) + 6 H2O (g) → Segundo: Completamos una tabla de cálculos estequiométricos. Reactantes Ecuación química

Productos →

NH3 + O2

→

NO + H2O 4 NO + 6 H2O

4 NH3 + 5 O2

Cantidad de sustancia (mol)

Masa (g)

Masa del problema (g)

Comprobación de la ley de Lavoisier

⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩

Balance de la ecuación química

228 g

→ Tercero: Se determina la cantidad de sustancia real en mol de los reactantes del problema. Para el NH3: 2g n = ____________ = 0,12 mol 17 g/mol

150

Unidad 3 • Estequiometría

Para el O2: 4g n = ____________ = 0,13 mol 32 g/mol

Desarrollo

→ Cuarto: Se determina la cantidad de sustancia (mol) de los reactantes: amoníaco (NH3) y oxígeno (O2). Para el NH3: n______________________ de la ecuación n reales Para el O2: n______________________ de la ecuación n reales

4 mol NH3 5 mol O ___________________ = _____________2 0,12 mol NH3 X mol O2

X = 0,15 mol O2

4 mol NH3 5 mol O2 _________________ = _______________ 0,13 mol O2 X mol NH3

X = 0,104 mol NH3

→ Quinto: Si los 0,12 mol de amoníaco fueran consumidos, se necesitarían 0,15 mol de oxígeno para que se produjera la reacción. Sin embargo, solo hay 0,13 mol de oxígeno, lo cual implica que el oxígeno es el reactivo limitante. Si los 0,13 mol de oxígeno fueran consumidos, se necesitarían 0,104 de amoníaco para que ocurriera la reacción. Sin embargo, hay 0,12 mol de amoníaco, por lo que el amoníaco es el reactivo en exceso. → Sexto:

La cantidad de reactivo que queda en exceso es: mNH3 = n • M mNH3 = 0,104 mol •17 g/mol = 1,77 g

Masa en exceso NH3 = masa inicial – 2g – Masa en exceso NH3 = 0,23 g Masa en exceso NH3 =

masa real 1,77 g

Comunica los resultados El reactivo limitante es el oxígeno. El reactivo en exceso es el amoníaco. La cantidad de masa en exceso son 0,23 gramos.

Ahora tú Una cinta de magnesio (Mg) arde al aire cuando se le acerca a una llama o cuando existe suficiente temperatura para iniciar la reacción. Esto provoca que el óxido de magnesio (MgO) se caliente a un punto de brillo blanco. La flama es tan brillante, que objetos bañados en luz de magnesio arrojan profundas sombras, inclusive cuando están en la luz solar.

La reacción de formación del óxido del magnesio se representa con la siguiente ecuación: Mg (s) + O2 (g) → MgO (s) ¿Cuál es la masa del óxido de magnesio cuando reaccionan 2,4 gramos de magnesio con 10 g de oxígeno? ¿Cuál es el reactivo limitante? ¿Qué masa queda en exceso cuando la reacción se detiene? Recuerda balancear la ecuación.

Reflexiono

• ¿Crees que es beneficioso seguir un orden al desarrollar ejercicios?, ¿por qué? • ¿Qué podría ocurrir si no sigues un orden en el procedimiento de resolver un ejercicio? • ¿Crees que esta metodología te ayude en otras áreas?, ¿en cuáles?

Química • 1.° Medio

151

Lección 2

Rendimiento de las reacciones químicas

(rendimiento real) % de rendimiento = _________________ ∙ 100 (rendimiento teórico) El rendimiento de la reacción determina qué tan eficiente es una reacción específica: cuanto mayor sea el porcentaje de rendimiento, más eficiente será la reacción. Veamos un ejemplo. Para ello, usaremos la reacción de la formación del metanol (CH3OH) de la p. 149. a. ¿Cuál es el rendimiento teórico del metanol en gramos? b. ¿Cuál es el porcentaje de rendimiento si en la realidad se obtienen 312 g de metanol? Respuesta de a. Para calcular el rendimiento teórico, se necesita saber cuál es el reactivo limitante. En este caso, sabemos que el monóxido de carbono (CO) tiene 12,7 mol y es el reactivo limitante. La ecuación muestra que 1 mol de CO = 1 mol de CH3OH; entonces, la masa teórica del CH3OH que se forma es: 28 g CO 356 g CO ________________ _______________ = X g CH3OH 32 g CH3OH

X = 406,86 g CH3OH

Respuesta de b. Se aplica la expresión de % de rendimiento. 312 g CH3OH x 100% % de rendimiento = _______________________ 406,86 g CH3OH % de rendimiento = 76,68 %

152

Unidad 3 • Estequiometría

↑ Las industrias químicas se preocupan de aumentar el porcentaje de rendimiento de una reacción con el fin de disminuir las cantidades de materias primas utilizadas y, con ello, reducir los costos de producción.

¿Qué opinas de esto? El rendimiento de las reacciones químicas permite optimizar recursos y procesos involucrados en la generación de los productos químicos. Además, este concepto es aplicable en distintos ámbitos. Conversa con tus pares sobre cómo podrías optimizar tu rendimiento académico. Haz un listado de acciones que llevarías a cabo para mejorar tu proceso de aprendizaje.

Las reacciones químicas, en la práctica, presentan diferencias entre las cantidades de productos calculadas mediante las ecuaciones químicas y lo obtenido experimentalmente. Esto puede deberse a varios factores, entre los cuales estarán la manipulación del experimentador, el método de purificación, la obtención de productos secundarios y las reacciones paralelas, entre otros. A la cantidad de producto que se obtiene al terminar una reacción química se le conoce como rendimiento de una reacción. Este puede ser porcentual, teórico o real. Rendimiento teórico → Es la máxima cantidad de producto que se esperaría obtener idealmente si todo el reactivo limitante formara producto y no se perdiera en ninguna etapa del proceso. Rendimiento real → Es la cantidad de producto real que se obtiene una vez finaliza la reacción. Este será siempre menor que el rendimiento teórico. Rendimiento porcentual → La expresión para calcular el porcentaje de rendimiento se expresa de la siguiente manera:

¿Qué importancia tiene para las industrias conocer el porcentaje de rendimiento de una reacción?

Desarrollo

A poner en práctica

aplicar lo aprendido sobre reactivo limitante, reactivo en exceso y rendimiento de una reacción

1. Se hacen reaccionar 3 g de hidrógeno (H2) y 32 g de oxígeno (O2), según la ecuación: H2 + 1__ O2 → H2O 2 a. ¿Qué cantidad de sustancia (mol) reacciona? b. ¿Cuál es el reactivo limitante? c. ¿Cuánta agua deberíamos obtener? d. Si se obtuvieron 26,3 gramos de agua (H2O), ¿cuál es el porcentaje de rendimiento? 2. Se calientan 60 gramos de carbonato de calcio (CaCO3), que forman 15 gramos de óxido de calcio (CaO), según la ecuación: a. b. c. d.

↑ El agua dura está formada por sales de magnesio y de calcio, y se expresa comúnmente en carbonato de calcio (CaCO3). Esta agua provoca el sarro que se acumula en los hervidores eléctricos.

CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) ¿Qué cantidad de sustancia (mol) reacciona? ¿Cuál es el reactivo limitante? ¿Cuánto óxido de calcio se debería obtener? ¿Cuál es el porcentaje de rendimiento de la reacción?

3. En la siguiente ecuación: HgO (s) + Cl2 (g) → HgCl2 (s) + Cl2O (g) ¿Cuál es el rendimiento de la reacción si los reactivos producen idealmente 0,86 gramos de Cl2O, pero solo se obtienen 0,71 gramos? 4. La siguiente ecuación representa la síntesis del ácido nítrico: NH3 + O2 → HNO3 + H2O Responde las siguientes preguntas sabiendo que se hacen reaccionar 340 g de amoníaco con 850 g de oxígeno. a. b. c. d.

Realiza el balance de la ecuación. ¿Cuál es el reactivo limitante y cuál está en exceso? ¿Qué cantidad de reactivo en exceso queda sin reaccionar? ¿Qué cantidad de ácido nítrico se forma?

5. ¿Por qué crees que es importante saber cuál es el reactivo limitante, el reactivo en exceso y el porcentaje de rendimiento de una reacción en la industria química? Fundamenta. 6. Una reacción química tiene la siguiente ecuación: CH4 + Cl2 → CCl4 + HCl Si se combinan 2 mol de metano (CH4) con un exceso de cloro gaseoso, y se obtienen 102,3 g de tetracloruro de carbono (CCl4), ¿cuáles son los rendimientos real, teórico y porcentual del producto CCl4?

Conectando con... Las TIC Te invitamos a ver otros ejercicios resueltos sobre los reactivos limitantes, en exceso y rendimiento de una reacción. Para ello, ingresa el código 16TQ1M153A en el sitio web del Texto. Luego, desarrolla los ejercicios planteados.

Química • 1.° Medio

153

Lección 2

Determinación de las fórmulas empíricas y moleculares

Propósito del tema

Las fórmulas químicas son utilizadas para expresar la composición de los compuestos por medio de los símbolos químicos. La composición no solo se refiere a los elementos que forman el compuesto, sino también a la proporción en que sus átomos se combinan. A continuación, definamos dos tipos de fórmulas: las fórmulas moleculares y las empíricas. Fórmula molecular

Indica el número exacto de átomos de cada elemento que están presentes en la unidad más pequeña de una sustancia.

Fórmula empírica

Representa la proporción más simple en la que están presentes los átomos que forman un compuesto químico.

Glucosa C6H12O6 Butano

C4H10

Glucosa CH2O Butano

Determinar fórmulas empíricas y moleculares, a través de métodos porcentuales y de combustión.

Amplía tus conocimientos Otro tipo de fórmula utilizada en química es la fórmula estructural, la cual muestra el tipo y número de átomos que componen una molécula, la orientación espacial y la forma en que los átomos están unidos. Por ejemplo, la fórmula estructural de la glucosa es:

C2H5

Determinación de la fórmula empírica y molecular a partir de la composición porcentual

Glucosa

Veamos como determinar la fórmula empírica y molecular a partir de este HO H ejemplo: ¿Cuál es la fórmula empírica y molecular de un compuesto cuya masa HO H molar es 180 g/mol y su composición centesimal es: 40% de C, 6,67% de H y 53,33% de O? CH2OH Supongamos que: CxHyOz ¿Cuál es la fórmula estructural Tenemos que calcular: x, y, z, que son proporcionales al número de moles del butano? de los diferentes átomos. Para resolver este tipo de problemas vamos a suponer que se empezó con 100 g del compuesto, así el porcentaje de cada elemento se convierte directamente a gramos. Entonces, en el compuesto habrá: 40 g de C; 6,67 g de H y 53,33 g de O. A partir de ello se calcula el número de moles en cada elemento. 40 g 6,67 g 53,33 g nh = ___________ = 6,67 mol no = _____________ = 3,33 mol nc = _____________ = 3,33 mol 12 g/mol 1 g/mol 16 g/mol

3,33 x = _______ = 1 3,33

6,67 y = _______ = 2 3,33

Entonces, x = 1; y = 2; z = 1. Por lo tanto, la fórmula empírica es: CH2O.

154

Unidad 3 • Estequiometría

3,33 y = _______ = 2 3,33

En el caso de que los números no sean enteros, se deberán multiplicar por un factor que dé como resultado números enteros y sencillos. Para ello, se divide por el valor más pequeño.

¿Podrías determinar la composición porcentual del etano (C2H4)?

Desarrollo

Para obtener la fórmula molecular debemos sacar previamente la fórmula empírica. De ella se obtiene su masa molar. Reemplazamos los valores en la Fórmula empírica: CH2O expresión: M = (1 • 12) + (2 • 1) + (1 • 16) M molecular ______ M = 12 +2 +16 = 180 = 6 n = ____________ M = 30 M empírica 30 Entonces, la fórmula molecular será: C6H12O6

Determinación de la fórmula empírica y molecular a partir de métodos de combustión Conectando con...

Apliquémoslo a un ejemplo: En una reacción al quemar 6 g de vitamina A se obtuvieron 12,5 g de dióxido de carbono y 6 g de agua, siendo su masa molecular 90. A partir de estos datos, ¿cuál es la fórmula empírica de la vitamina A? Se calculan los gramos de cada elemento en 6 g de vitamina A. Masa de C en el CO2

Las TIC Te invitamos a ingresar el código 16TQ1M155A en el sitio web del Texto. En él encontrarás ejercicios de aplicación de las fórmulas empíricas y moleculares.

Masa de H en el H2O

18 g H2O ___________ 44 g CO2 _______________ 12,5 g CO2 6 g H2O ____________ X = 0,66 g H = X = 3,4 g C _____________ = XgH 12 g C XgC 2gH Por diferencia se obtienen los gramos de oxígeno: mO = 6 g – 3,4 g – 0,66 g = 1,94 g O

Entonces, 0,66 3,4 H = _______ = 0,66 C = _____ = 0,28 1 12 Se divide por el menor valor:

1,94 O = _______ = 0,12 16

Explica cuál es la diferencia entre la determinación de la fórmula empírica y la fórmula molecular. ¿Cuál será la fórmula más efectiva para utilizar en química?

0,66 0,12 0,28 H = _______ = 5,5 O = _______ = 1 C = _______ = 2,33 0,12 0,12 0,12 La fórmula empírica es: C2H5O Ahora, para obtener la fórmula molecular calculamos la masa de la fórmula empírica: (12 • 2) + (1 • 5) + (1 • 16) = 45

m molecular ____________ 90 g/mol Por lo tanto, n = ____________ m empírica = 45 g/mol = 2 La fórmula molecular será: C4H10O2 A poner en práctica

la aplicación de fórmulas empíricas y moleculares

1. Si la fórmula empírica del formaldehído o metanal es CH2O y su masa molar es de 30 g/mol: a. Escribe su fórmula molecular. b. ¿Cuál es la composición porcentual de cada elemento? 2. ¿Cuál es la composición porcentual del clorato de calcio [Ca(ClO3)2]? Representa sus porcentajes en un gráfico de torta.

3. Determina la composición porcentual de: a. cloruro de sodio (NaCl) b. lactosa (C12H22O11). 4. Se tiene una muestra de un compuesto de masas molar igual a 208 g/mol. Si se sabe que contiene 46,73% de hierro y 53,28% de azufre, ¿cuál es la fórmula empírica y molecular del compuesto?

Química • 1.° Medio

155

Integro lo aprendido Responde las siguientes preguntas relacionadas con la Lección 2. 1. Para la combustión de 280 g de metano (CH4) se necesitan 860 g de oxígeno. Durante la reacción se han condensado y recogido 570 g de agua. De acuerdo a estos datos: a. ¿Cuál es la ecuación de la reacción?

b. Calcula la masa molar de los compuestos que participan en la reacción.

c. ¿Cuál es la masa en gramos de dióxido de carbono formado?

2. En tu cuaderno, haz un cuadro comparativo de los conceptos de masa molecular, mol y masa molar. ¿Cómo se relacionan los conceptos? Masa molecular

mol

Masa molar

3. El dodecano (C12H26), un tipo de queroseno, es un líquido que produce una llama en la mecha de una estufa a parafina cuando reacciona con el oxígeno (O2) y forma dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). a. ¿Cuál es su ecuación química?

b. Determina los coeficientes estequiométricos utilizando el método algebraico. Escribe en el recuadro la ecuación balanceada.

156

Unidad 3 • Estequiometría

Desarrollo

4. El aluminio sólido (Al) reacciona con una disolución de ácido sulfúrico (H2SO4) para formar sulfato de aluminio (Al2(SO4)3) e hidrógeno gaseoso (H2), según la ecuación: Al (s) + H2SO4 (ac) → Al2(SO4)3 (ac) + H2 (g) a. Realiza el balance de la ecuación. b. Completa la siguiente tabla: Reactantes

Productos

Ecuación química

→

Balance de la ecuación química

→

⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩

Masa (g) Comprobación de la ley de Lavoisier

⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩

Cantidad de sustancia (mol) g

c. ¿Cuántos mol de ácido sulfúrico (H2SO4) se necesitan para formar 6 g de hidrógeno gaseoso (H2)? d. ¿Cuánta masa de aluminio (Al) reaccionará con 200 g de ácido sulfúrico (H2SO4)? 5. Si 0,502 gramos de gas metano (CH4) reaccionan con 0,27 gramos de oxígeno (O2) para producir dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), según la ecuación: CH4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (ℓ) a. b. c. d. 6.

¿Cuáles son los coeficientes estequiométricos? ¿Cuál es el reactivo limitante? ¿Por qué? ¿Cuál es el reactivo en exceso? ¿Por qué? ¿Cuál es la cantidad en gramos que se encuentra en exceso? Formen parejas y realicen un organizador que resuma los contenidos aprendidos en la Lección 2. Pueden ayudarse con los organizadores presentados en los anexos del Texto.

7. ¿De qué otra forma podrías hacer un resumen de la lección, teniendo en cuenta tus habilidades? ¿Por qué es importante conocer tus fortalezas al planificar el tiempo de estudio? ¿Qué logré? Revisen los ejercicios junto con su profesora o profesor. Luego, respondan.

►

cimientos ¿Pudiste aplicar los cono iores para de años o lecciones anter la p. 139? desarrollar la actividad de

►

En el inicio de la unidad escribiste algunas estrategias para cumplir las metas de aprendizaje. ¿Crees que resultaron beneficiosas para tu apren dizaje?

Química • 1.° Medio

157

Lección

Aplicaciones estequiométricas

Propósito de la lección Analizar reacciones químicas conocidas en el medio ambiente y en la industria, desde las leyes ponderales y cálculos estequiométricos, para

Ciencia, Tecnología y Sociedad

Microalgas: nuestras pequeñas salvadoras

Las microalgas son vegetales microscópicos sin los cuales sería imposible nuestra sobrevivencia en la Tierra. Estos organismos unicelulares son muy abundantes en los océanos, lagos, lagunas, ríos, salares, glaciares, etc. Dentro de sus múltiples cualidades, las microalgas sirven como fuente de alimento, son responsables del 40% de la producción primaria y la base de la cadena trófica en todos los océanos del mundo. También son producidas y cultivadas para alimentar a moluscos, peces y otros organismos de cultivo, ya que son ricas en proteínas, carbohidratos, ácidos grasos, antioxidantes y pigmentos, entre otros. Las microalgas, además, son responsables de la producción del 50% de carbono total generado en la Tierra, aunque no es su única importancia biológica.

¿Por qué crees que es necesario conocer nuestro entorno y a los seres vivos que lo forman?

158

Unidad 3 • Estequiometría

comprender los procesos de nuestro entorno y los procesos productivos.

También y gracias a la fotosíntesis, ayudan a regular el contenido de oxígeno y CO2 presente en la atmósfera, colaborando en el control del efecto invernadero, las lluvias ácidas y el mantenimiento de la capa de ozono. La fotosíntesis oxigénica, que es la que realizan plantas, algas y microalgas, es la responsable de la aparición del oxígeno en nuestra atmósfera hace miles de años y, por tanto, todas las formas de vida dependen directa o indirectamente de la luz y de la fotosíntesis como fuente de energía para su crecimiento y desarrollo. En síntesis, podemos decir con toda certeza que le debemos la vida a las microalgas. Fuente: Rivas, M. Microalgas: nuestras pequeñas salvadoras. Chile tiene su ciencia. (19-06-2016) Recuperado de http://www. explora.cl/ (Adaptación) ¿Cuál es la importancia de los procesos que se llevan a cabo naturalmente para poder proteger nuestro entorn o?

Desarrollo

Aplicaciones estequiométricas en reacciones del medio ambiente

Propósito del tema Analizar, desde las relaciones estequiométricas y las leyes ponderales, las reacciones químicas del medio ambiente.

Estequiometría en la fotosíntesis Como ya hemos visto, entre los productos de la fotosíntesis se encuentra la glucosa, el carbohidrato más abundante, que al unirse a otras moléculas idénticas forma polisacáridos con funciones energéticas, como el almidón y el glucógeno, o con funciones estructurales, como la celulosa de las plantas. ¿Qué relaciones cuantitativas se obtienen de la reacción de fotosíntesis? A poner en práctica

los conocimientos previos

Completa la tabla: Reactantes Ecuación química

Productos →

CO2 (g) + H2O (ℓ)

C6H12O6 (s) + O2 (g)

→

Balance de la ecuación química Cantidad de sustancia (mol) • 18

180

Comprobación de la ley de Lavoisier

• 32

⎧ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎩

• 44

⎧ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎩

Masa molar (g/mol)

372 g

Ahora responde las preguntas tomando en cuenta los datos de la tabla. ▸ ¿Cuál es la fórmula empírica de la glucosa? Se debe dividir por el subíndice mayor, en este caso 6. C6H12O6 / 6 = CH2O ▸ ¿Cuál es la masa molar de la glucosa (C6H12O6)? M C6H12O6 = (6 • 12 g/mol) + (12 • 1 g/mol) + (6 • 16 g/mol) M C6H12O6 = 180 g/mol ▸ ¿Cuáles son los porcentajes de cada elemento en la glucosa? Lo primero es determinar la masa de cada elemento en el compuesto. Carbono m=n•M m = 6 mol • 12 g/mol m = 72 g

Hidrógeno m=n•M m = 12 mol • 1 g/mol m = 12 g

Oxígeno m=n•M m = 6 mol • 16 g/mol m = 96 g

Amplía tus conocimientos La fotosíntesis artificial tiene como objetivo imitar el proceso que realizan los organismos autótrofos, aprovechando la energía proveniente del sol. Este proceso artificial tiene como finalidad generar distintos tipos de energía limpia y eficiente. Este es un ejemplo de una aplicación estequiométrica de una reacción química. ¿Qué aplicaciones tiene la fotosíntesis artificial? Investiga.

Luego, se determina el porcentaje. Para ello, se divide la masa de cada elemento por la masa del compuesto y se multiplica por 100. Carbono 72 gC ____________________ • 100 180 g C6H12O6

Hidrógeno 12 gH ___________________ • 100 180 g C6H12O6

Oxígeno 96 gO ___________________ • 100 180 g C6H12O6

C = 40 %

H=7%

O = 53 % Química • 1.° Medio

159

A poner en práctica

mediante un taller de ciencias

Aprendiendo a desarrollar procesos científicos Identificación de almidón en los alimentos Antecedentes Como se mencionó en la página anterior, el almidón es el glúcido de reserva energética de la mayor parte de las plantas y la mayor fuente de energía del ser humano, ya que es su base de alimentación. Para reconocer experimentalmente la presencia de almidón en diferentes alimentos se puede utilizar lugol, una disolución de yodo molecular y yoduro de potasio. La reacción será positiva si al agregar lugol a la muestra cambia su color de naranja a azul/morado.

Planteamiento del problema e hipótesis

↑ El maíz, los cereales y las pastas son alimentos que contienen almidón.

Considerando los antecedentes anteriores, ¿cómo es posible demostrar la presencia de almidón en diferentes alimentos utilizando el lugol? Escriban en su cuaderno una hipótesis para cada caso con sus respectivas predicciones.

Diseño experimental Formen grupos de tres o cuatro integrantes y reúnan los siguientes materiales y reactivos: papa, harina, manzana, pera, vienesa, maicena, agua destilada, lugol, 6 tubos de ensayo en gradilla, gotario, rallador, toalla absorbente, cuchara de té, probeta de 10 mL. Procedimiento 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

160

Numeren los tubos de ensayo. Rallen un trocito de papa y agréguenla al tubo N.° 1. Agreguen una cuchara rasa de harina al tubo N.° 2. Rallen un trozo de manzana y añádanlo al tubo N.° 3. Rallen un trozo de pera y pónganlo en el tubo N.° 4. Agreguen trocitos muy pequeños de vienesa al tubo N.° 5. Añadan una cucharada rasa de maicena al tubo N.° 6. Observen cada sustancia y registren sus observaciones. Ahora, agreguen 2 mL de agua destilada a cada tubo de ensayo. Tomen el lugol y añadan dos o tres gotas de lugol en cada tubo. Importante: Al ir añadiendo las gotas, registren si ocurren cambios de color en el lugol, para cada uno de los tubos de ensayo.

Unidad 3 • Estequiometría

Precaución Recuerda usar el lugol con precaución, no lo debes ingerir, ni oler, ni tocar tus ojos al manipularlo.

Objetivo: Reconocer la presencia de almidón en alimentos.

Habilidades: Comprobar resultados en base a evidencias.

Actitudes: Trabajar rigurosa y responsablemente en forma colaborativa.

Cierre

Tiempo: 2 horas

Recolectar y registrar resultados Registren en la tabla los resultados obtenidos. Tubo

Color adquirido al agregar lugol

Resultado

Tubo N.° 1: papa

Tubo N.° 2: harina

Tubo N.° 3: manzana

Tubo N.° 4: pera

Tubo N° 5: vienesa

Tubo N° 6: maicena

Análisis e interpretación de resultados a. ¿Qué sustancias dieron positivo al agregar lugol? b. ¿Qué sustancias dieron negativo al agregar lugol? c. ¿Qué semejanzas tienen las sustancias que dieron positivo al lugol, y las que dieron negativo?

Conclusiones y evaluación a. b. c. d. e.

¿Es posible concluir que en la harina hay almidón? ¿Por qué? ¿Es posible concluir que en la manzana hay almidón? ¿Por qué? ¿Qué alimentos recomendarían para obtener energía? ¿Se valida o rechaza la hipótesis que propusieron? Fundamenten su respuesta. ¿Se podría repetir esta investigación con otros alimentos? Justifiquen.

Comunicación de resultados Elaboren un informe escrito en el que den respuesta a las siguientes preguntas: ¿Qué hicimos? ¿Cómo lo hicimos? ¿Qué encontramos? Desafío Seleccionen otros alimentos y planifiquen una investigación que les permita llevar a cabo lo que quieran poner a prueba. Recuerden aplicar los pasos del Taller de ciencias.

Química • 1.° Medio

161

Lección 3

Estequiometría en las reacciones de la lluvia ácida Como vimos en la unidad 2, la lluvia ácida es un fenómeno que se presenta en la atmósfera de manera natural o artificial. Así, cuando los contaminantes emanados por industrias o el parque automotor llegan a la atmósfera, reaccionan con la humedad del aire generando sustancias ácidas, que precipitan sobre nuestro planeta. Realiza la siguiente actividad para establecer las relaciones cuantitativas de una de las reacciones que se producen por la lluvia ácida.

1. Reúnanse en parejas y completen la tabla con la información que entrega la siguiente ecuación: SO3(g) + H2O(ℓ) → H2SO4(ac) 150 g 240 g Reactantes

↑ La lluvia ácida afecta tanto a construcciones hechas por el ser humano como a la deforestación, entre otros.

la aplicación de relaciones estequiométricas a reacciones del entorno

A poner en práctica

te fenómen o ¿Cómo afecta es a nues tro país?

Productos

Ecuación química

→

Balance de la ecuación química

→

Cantidad de sustancia (mol)

Comprobación de la ley de Lavoisier

2. ¿Qué relaciones estequiométricas pueden establecer entre los reactantes y el producto de la reacción?

Masa molar (g/mol)

¿Cómo afecta la lluvia ácida a las cons trucciones? Inves tiga su efecto en el Coliseo romano y en el Partenón en Aten as.

a. En relación con los moles.

b. En relación con las moléculas. c. En relación con la masa.

3. ¿Cuántos gramos de ácido sulfúrico (H2SO4) se formarán a partir de 86 g de óxido de azufre (SO3)?

162

Unidad 3 • Estequiometría

d. En relación con la ley de conservación de la materia.

os ¿De qué manera podem la ir nu mi dis ayudar a contaminación y así la lluvia ácida?

Desarrollo

Estequiometría en la reacción del ozono

Como ya sabes cómo se forma el ozono en el medio ambiente, ahora podemos establecer ciertas relaciones cuantitativas. Se dispone de un matraz cerrado de 250 mL que contiene oxígeno molecular (O2) a 1,0 atm de presión y a 25 °C de temperatura. Bajo ciertas condiciones, se libera el contenido del matraz y se hace reaccionar con suficiente oxígeno atómico según las siguientes ecuaciones: Ecuación 1: NO2 (g) + hν → NO (g) + O (g)

Ecuación 2: O2 (g) + O (g) → O3 (g)

¿Cuántas moléculas de ozono se forman?

las ¿Sabes cuáles son striales du in es ion ac lic ap iga. del oz on o? Invest

1. Como el oxígeno se comporta idealmente, podemos ocupar la fórmula: P • V = n • R • T. P•V n = _______ R•T (1,0 atm) (0,250 L) n = ________________________ = 0,010 mol de O2 atm L (298 K) 0,082________ mol K 2. Ahora se debe calcular la cantidad máxima de ozono posible de obtener, y para eso necesitamos utilizar la ecuación 2. 1 mol O3 1 mol de O2 __________ ________________ = X 0,010 mol O2 X = 0,010 mol de O3 3. Finalmente, utilizando la constante de Avogadro se calculan las moléculas de ozono. 1 mol de O3 6,022 x 1023 ___________________ = ______________ X 0,010 mol de O3

Importante Para determinar el volumen de oxígeno final, utiliza la ley de Gay-Lussac en la reacción. Se puede afirmar que 3 volúmenes de oxígeno forman 2 volúmenes de ozono. Estas proporciones úsalas en términos de volúmenes.

X = 6,022 x 1021 moléculas de O3 A poner en práctica

Aplicando relaciones estequiométricas

1. El 20 % de una muestra de 100 mL de oxígeno molecular se transforma en ozono. Teniendo en cuenta la ecuación de la reacción: 2 O3 (g) ⇄ 3 O2 (g)

a. ¿Cuál sería el volumen de oxígeno que se transformó en ozono en condiciones estándares? b. ¿Cuál es el volumen final de la muestra de oxígeno en condiciones estándares? Utiliza la información entregada en el cuadro Importante.

c. Si se tiene una muestra de 96 mL de ozono encerrado en un recipiente a una atmósfera de presión, ¿cuál será el volumen de este gas si aumenta al doble el valor de su presión? d. Si el 30 % de la muestra de ozono del punto anterior se transforma en oxígeno molecular, ¿cuál sería su volumen final en condiciones estándares?

Química • 1.° Medio

163

Lección 3

Aplicaciones estequiométricas en reacciones de importancia industrial

Propósito del tema Analizar, desde las relaciones estequiométricas y las leyes ponderales, las reacciones químicas en la industria.

Estequiometría en la síntesis del ácido sulfúrico El ácido sulfúrico (H2SO4) es un compuesto químico utilizado a nivel industrial para la producción de fertilizantes, en la síntesis de otros ácidos y en derivados químicos del petróleo, entre otros usos. Son dos los procesos que se utilizan para sintetizar el ácido sulfúrico: el método de cámara de plomo y el método de contacto. Con el método de cámara de plomo se obtiene un ácido sulfúrico más diluido y con el método de contacto se obtiene un ácido sulfúrico más concentrado, aunque más costoso, pues se utilizan catalizadores. A continuación, se presenta el proceso de contacto.

2 Luego, se produce la oxidación catalítica del dióxido de azufre (SO2) a trióxido de azufre (SO3). El catalizador puede ser pentóxido de vanadio o platino. La reacción que representa esta etapa es:

1 El proceso comienza con

2 SO2 + O2 → 2 SO3

la obtención del dióxido de azufre (SO2) a partir de materias primas como pirita o sulfuro de hierro (II).

SO2

SO3

SO2

SO2 Quemador de azufre

Torre de secado

Tanques de almacenamiento

reacciona con el agua para formar ácido sulfúrico:

H2O

la aplicación de relaciones estequiométricas

▸ A partir de 100 kg de pirita, ¿qué cantidad (en kg) se obtiene de SO2?

Unidad 3 • Estequiometría

H2SO4 (98 %)

Torre de absorción

hay ácido sulfúrico concentrado (H2SO4). Ambos compuestos reaccionan formando ácido pirosulfúrico, según la ecuación:

La pirita o sulfuro de hierro (II) (FeS2) es una fuente de azufre para obtener ácido sulfúrico por el método de contacto. La reacción inicial es: 4 FeS2 + 11 O2 → 2 Fe2O3 + 8 SO2

164

SO3

3 El trióxido de azufre (SO3) se lleva a una torre de absorción donde

H2S2O7 + H2O → 2 H2SO4

A poner en práctica

Intercambiador de calor

H2S2O7

H2SO4

4 Finalmente, el ácido pirosulfúrico

Convertidor catalítico

Intercambiador de calor

SO3 + H2SO4 → H2S2O7

Amplía tus conocimientos El ácido sulfúrico es un compuesto incoloro a temperatura ambiente, corrosivo, tóxico e irritante. Al igual que otros ácidos, reacciona violentamente con el agua provocando una reacción endotérmica, por lo que siempre hay que agregar agua al ácido y nunca ácido al agua.

Desarrollo

Estequiometría en la síntesis del amoníaco

El proceso para la obtención del amoníaco lo desarrolló Fritz Haber junto con su ayudante de investigación, el químico inglés Robert Le Rossignol. Este proceso, conocido como proceso Haber, se basa en una reacción de síntesis y necesita una gran cantidad de nitrógeno e hidrógeno gaseosos. Además, produce un alto rendimiento de amoníaco al manipularse tres factores que influyen en la reacción: presión, temperatura y acción catalítica. La reacción química que representa el proceso es: N2 (g) + 3 H2 (g) → 2 NH3 (g) + calor Como las reacciones químicas forman productos cuyo rendimiento no es siempre el ideal, Haber incorporó varias operaciones que aumentaron el rendimiento del amoníaco, como:

¿Cuánto aumenta el rendimiento de la obtención de amoníaco el proceso Haber-Bosch? Investiga.

▸ Calentar los gases reactantes que ingresan a la cámara. ▸ Dejar enfriar lentamente la mezcla de los reactantes y los productos después de reaccionar en presencia del catalizador. ▸ Retirar el amoníaco del sistema por licuefacción, es decir, aumentando la presión, de tal forma que pase a estado líquido. Mientras, el nitrógeno y el hidrógeno sin reaccionar se reciclan en el proceso. Observa el diagrama del proceso Haber-Bosch para la síntesis del amoníaco. 1 Los gases hidrógeno y nitrógeno

utilizados en este proceso se obtienen a partir de gas natural o metano y agua.

2 Luego de la preparación de los reactantes, los

Ocurrida la reacción química, reactantes y productos ingresan a un condensador Generación de amoníaco para separar el NH3 Vapor por licuefacción y almacenarlo.

gases N2 y H2, entran a un reactor que contiene un catalizador (por ejemplo, óxido de níquel).

Preparación de reactantes Precalentador

Metano

H 2O

Agua

N2, H2, NH3

Compresor

Aire

H 2O

N2, H2, CO

Reactor » Catalizador » 450 °C » 300 bar

H20

Refrigerador

N2, H2

H20, CO2 N2, H2

Amoníaco (líquido)

Compresor Compresor

4 El N2 y el H2 sin reaccionar pasan a un compresor, que los regresa al reactor para reciclarlos.

la aplicación de relaciones estequiométricas

Responde en parejas a partir de la síntesis del amoníaco. ▸ En la síntesis se produce la reacción reversible: N2 (g) + 3 H2 (g) ⇄ 2 NH3 (g) Si a partir de 6 gramos de hidrógeno se han obtenido 32 gramos de amoníaco, ¿cuál es el rendimiento de la reacción?

A poner en práctica

¿Cómo afectan la temperatura y la presión en la síntesis del amoníaco?

Química • 1.° Medio

165

Lección 3

Estequiometría en la síntesis del hipoclorito de sodio El hipoclorito de sodio (NaClO) es otro compuesto de uso industrial y doméstico. Esta disolución se utiliza como desinfectante y blanqueador. En el proceso de formación del compuesto, reacciona cloro molecular (Cl2) con hidróxido de sodio (NaOH) diluido y frío para formar hipoclorito de sodio (NaClO), cloruro de sodio (NaCl) y agua (H2O) según la ecuación: Cl2 (g) + 2 NaOH (ac) → NaClO (ac)+ NaCl (ac) + H2O (ℓ) la aplicación de relaciones estequiométricas

A poner en práctica

1. Reúnanse en parejas y completen la tabla con la información que entrega la ecuación del hipoclorito de sodio: Reactantes

Productos

Ecuación química

→

Balance de la ecuación química

→

Cantidad de sustancia (mol) Masa molar (g/mol) Comprobación de la ley de Lavoisier

↑ Las piscinas, al igual que los desinfectantes domésticos, contienen hipoclorito de sodio.

Amplía tus conocimientos El hipoclorito de sodio fue producido por primera vez en 1789, por Claude Louis Berthollet en su laboratorio en París, Francia. Lo logró haciendo pasar cloro gaseoso a través de una disolución de carbonato de sodio.

2. ¿Qué relaciones estequiométricas pueden establecer entre los reactantes y el productos de la reacción? a. En relación con los moles.

b. En relación con las moléculas. c. En relación con la masa

3. ¿Cuál es la masa de hipoclorito de sodio (NaClO) que se forma cuando reaccionan 80 gramos de cloro (Cl2) con 35 gramos de hidróxido de sodio (NaOH)?

166

Unidad 3 • Estequiometría

d. En relación con la ley de conservación de la materia.

¿En qué procesos productivos se utiliza el hipoclorito de sodio? Averigua.

¿Crees que se podrían realizar estas aplicaciones estequiométrica s a procesos productivos de alimentos y fármacos?

Desarrollo

Estequiometría en la producción de hierro

El hierro, componente principal del acero, es el más económico e importante de los metales que se utilizan en la industria. Se extrae de sus menas minerales (hematita, Fe2O3 y magnetita Fe3O4) y, en su mayor parte, se transforma en acero. La transformación de los minerales de hierro en hierro metálico se realiza en un alto horno, mediante un proceso de reducción con monóxido de carbono. Proceso de obtención del hierro Mineral de hierro, carbón y piedra caliza.

1 Se ingresan las materias primas en la parte superior del alto horno.

Escape de gases.

2 Se insufla aire seco, caliente (entre los 550 °C y los 900 °C) y a alta presión por debajo del horno, que hace arder el carbón para que ocurra la combustión del carbono. 3 Los gases que se forman experimentan una serie de reacciones. El carbono reacciona con el oxígeno para formar monóxido de carbono: CO2 (g) + C (s) → 2 CO (g)

2 C (s) + O2 (g) → 2 CO2 (g) 4 El proceso de oxidación del carbono con oxígeno libera energía que se utiliza para calentar el horno (la temperatura llega hasta unos 1900 °C en la parte inferior).

Así, los óxidos de hierro reaccionan con el monóxido de carbono (CO):

Fe2O3 (s) + 3 CO (g) → Fe (s) + CO2 (g)

5 Salida de escoria, subproducto de la fundición.

Salida de hierro metálico para elaborar el acero.

5 Finalmente, se mezcla el hierro con los metales deseados para obtener el acero.

El acero es una aleación compuesta principalmente de hierro, carbono y otros elementos químicos extraídos de la naturaleza, que mejora las características de resistencia y maleabilidad de los metales utilizados en la construcción. Se ha usado en la obtención de materiales para la fabricación de automóviles y en la construcción de viviendas y edificios. la aplicación de relaciones estequiométricas

1. ¿Qué relaciones cuantitativas se pueden obtener a partir de la reacción final de la producción del hierro? Completa una tabla como la de la página 166. 2. ¿Qué cantidad de masa de hierro se puede obtener a partir de 158 g de óxido de hierro (III) (Fe2O3)?

A poner en práctica

ion es ¿Qué otra s aplicac stiga. ve In o? er ac el tiene

Química • 1.° Medio

167

Integro lo aprendido Responde las siguientes preguntas relacionadas con la Lección 3. 1. En la reacción de fotosíntesis: CO2 + H2O → C6H12O6 + O2 una planta incorpora 58 g de dióxido de carbono (CO2) que reaccionan con 35 g de agua (H2O): a. ¿Qué cantidad de oxígeno (O2) será capaz de producir?

b. ¿Cuál es el reactivo limitante?, ¿por qué?

c. ¿Cuál es el reactivo en exceso?

2. En la reacción Zn + HBr → ZnBr2 + H2, en la cual una determinada cantidad de cinc reacciona con 40 g de ácido bromhídrico (HBr), ¿cuál es la máxima cantidad de bromuro de cinc (ZnBr2) en gramos que se puede obtener?

168

Unidad 3 • Estequiometría

Desarrollo

3. La fermentación es un proceso químico complejo utilizado en la elaboración del vino, consistente en la descomposición de la glucosa en etanol y dióxido de carbono, según la siguiente ecuación: C6H12O6 (s) → C2H5OH (ℓ) + CO2 (g) a. ¿Cuáles son los coeficientes estequiométricos de esta ecuación?

Recurso digital complementario

b. ¿Cuál es la masa del etanol obtenido si 500 gramos de glucosa reaccionan completamente? c. ¿Cuál es el volumen del gas dióxido de carbono obtenido, en condición estándar de temperatura y presión, si se tienen 100 gramos de glucosa? d. Si se formaron 17,5 mol de etanol, ¿cuántos mol de glucosa se tienen inicialmente? e. Si 11 gramos de dióxido de carbono (CO2) reaccionan con 5 gramos de agua (H2O) durante la fotosíntesis, ¿cuánta glucosa producen? 4.

REn parejas, elaboren en su cuaderno un ordenador gráfico que resuma la Lección 3. Pueden usar alguno de los que se explican en los anexos del Texto o buscar en internet. También pueden crear uno.

5. ¿Por qué el organizador gráfico que realizaron, podría ser útil para que estudiarán otros compañeros y compañeras? ¿Cómo podrían aportar los organizadores de otros grupos a la mejora del que realizaron ustedes? ¿Qué logré? Revisen los ejercicios junto con su profesora o profesor. Luego, respondan.

►

dido en ¿Lograste aplicar lo apren tividades ac las las lecciones 1 y 2 a 3? planteadas en la unidad

►

¿Qué tipo de aprendiza jes alcanzaste con las ac tividades colaborativas?

¿Cuáles fueron los temas que más te costó entender?, ¿qué estrategias podrías aplicar para volver a repasarlos?

Química • 1.° Medio

169

Ciencia, Tecnología y Sociedad

10 con el

cosas

que hacer

CO 2 en vez de

tirarlo a la atmósfera Un libro coordinado por la física española Lourdes Vega muestra las aplicaciones industriales del CO2, uno de los gases responsables del cambio climático, para intentar borrar su imagen negativa. Algunos de los usos son: ▶ Síntesis de aspirina. El ácido salicílico, uno de los productos fundamentales para sintetizar aspirinas, se obtiene haciendo reaccionar fenóxido sódico con CO2 a una temperatura de 125 grados y muy altas presiones. ▶ Fabricación de combustible. Uno de los proyectos para producir combustible a partir de CO2, consiste en modificar los genes de una bacteria del suelo, la Ralstonia eutropha, para que fabrique isobutanol que puede sustituir a la gasolina. El equipo intenta perfeccionar el proceso para que el microbio genere este combustible a partir de CO2. ▶ Conservación de la leche. Inyectar CO2 en leche cruda refrigerada, y mantenerla así cinco días antes de quitarle el gas, ayuda a que dure más tiempo, conservando sus propiedades sensoriales. Además, “la leche refrigerada y conservada por acidificación con CO2 puede ser usada para la fabricación de quesos”, indica Lourdes Vega. ▶ Cultivar algas como fuente de energía renovable. Para crecer, las algas solo requieren agua, nutrientes, la luz del sol y CO2. Y, una vez secas,

170

Unidad 3 • Reacciones químicas

pueden ser una fuente de combustión para generar energía renovable. Varios proyectos sugieren emplear para ello microalgas, capaces de llevar a cabo la fotosíntesis con un rendimiento mucho mayor que el de las plantas superiores. ▶ Fabricar cemento más sostenible. Algunos proyectos buscan crear cementos a partir de CO2. Uno de ellos es el eco-cemento, el cual pretende desarrollar nuevos cementos que incorporen CO2 en forma de carbonato precipitado por la acción de bacterias. El carbonato es una materia prima clásica del cemento. ▶ Conservar las ensaladas. “Es un hecho demostrable: se come más sano gracias al CO2, porque posibilita que las ensaladas vengan ya limpias y preparadas para poner en el plato”, afirma Lourdes Vega, refiriéndose al envasado en atmósfera protectora, procedimiento por el cual los alimentos se envasan con una atmósfera modificada respecto a la terrestre, retrasando su degradación. “El CO2 es bueno. Lo comes, lo bebes, lo sintetizas. No es malo, lo que ocurre es que hay un exceso en la atmósfera”, sostiene convencida la física Lourdes Vega. Fuente: 10 cosas que hacer con el CO2 en vez de tirarlo a la atmósfera. El País. (23-06-2016) Recuperado de esmateria.com

Cierre

Hacia la obtención del máximo rendimiento del gas natural El uso óptimo de gas natural como materia prima para la producción de sustancias es un objetivo perseguido en investigación química. Frente a esto, unos científicos han conseguido optimizar un proceso que permite que los componentes del gas natural sean transformados en sustancias de mayor valor. El equipo de Javier Pérez-Ramírez y Vladimir Paunovic, del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich, toma una molécula de metano (CH4), componente principal del gas natural, y sustituye uno de sus átomos de hidrógeno por un átomo de bromo para formar bromuro de metilo (CH3Br). Este último puede ser empleado como material base en la industria química para la producción de combustibles y una serie de productos químicos, como polímeros y fármacos. Cuando el bromuro de metilo es transformado en combustibles y sustancias químicas, se libera el bromo en forma de bromuro de hidrógeno (HBr). La ventaja de la nueva reacción es que permite que el bromo del bromuro de hidrógeno pueda volver a integrarse en bromuro de metilo, usando oxígeno. De esta forma, el ciclo del bromo queda cerrado, y este no se pierde.

La reacción se puede llevar a cabo hoy en día usando catalizadores. Sin embargo, generan habitualmente grandes cantidades de productos no deseados. El equipo de Pérez-Ramírez y Paunovic buscó una forma de volver más selectiva la reacción. En un proceso de selección de varios pasos, estos científicos investigaron una gran cantidad de diferentes materiales catalizadores, siendo el más adecuado, el fosfato de vanadio. El nuevo método hace posible bromar el metano en un único paso a presión atmosférica normal y a temperaturas por debajo de los 500 grados centígrados. Esto supone una vía atractiva de elaboración para la industria. Actualmente, el metano es convertido industrialmente en sustancias de grado superior usando gas sintético como intermediario. Sin embargo, este método requiere mucha energía, porque necesita altas presiones (hasta 30 veces la atmosférica normal) y altas temperaturas (hasta 1000 grados). El nuevo catalizador es excepcionalmente estable. Resiste el corrosivo entorno de reacción, lo cual es esencial para su potencial aplicación industrial. Fuente: Hacia la obtención del máximo rendimiento del gas natural. (27-05-2016) Recuperado de http://noticiasdelaciencia.com/

Reflexiono

• ¿Crees que es importante conocer las aplicaciones de los diversos compuestos químicos, para ver su utilidad y no catalogarlos necesariamente como dañinos o tóxicos, así como lo vimos con las aplicaciones del CO2? • ¿Qué importancia tiene el conocer las características de una reacción química, para mejorar su rendimiento y así, realizar nuevas investigaciones y aplicaciones?

Química • 1.° Medio

171

Síntesis activa Una manera de organizar la información es usando organizadores gráficos. Te invitamos a crear uno con la información de la Lección 1 de la unidad 3. Paso 1 En el centro se escribe el tema central. Tema secundario

Tema secundario

En toda reacción la suma de las masas de los reactantes es igual a la de los productos. Tema secundario

Tema central

Tema secundario

Se relacionan con las masas de las sustancias en una reacción química.

Paso 2 Alrededor del tema central se ubican los temas que se relacionan directamente con este. Dentro de estos se escribe o dibuja una idea clave. Ley de Lavoisier

Ley de Proust

Ley de Dalton

En toda reacción la suma de las masas de los reactantes es igual a la de los productos.

En un compuesto, la proporción de las masas de los elementos que lo forman es fija e independiente del origen del compuesto.

Si dos elementos forman una serie de compuestos distintos, la masa de uno que se combina con una masa fija de otro está en relación de números enteros y sencillos.

Ley de Richter

Leyes ponderales

Ley de Gay-Lussac

Se relacionan con las masas de las sustancias en una reacción química.

Cuando dos gases reaccionan entre sí, a la misma temperatura y presión, los volúmenes de cada gas están en relación de números enteros y sencillos.

La masa de dos elementos diferentes que se combinan con una misma cantidad de un tercer elemento, tienen la misma relación que la masa de aquellos elementos cuando se combinan entre sí.

Creo mi propio organizador gráfico Formen grupos de dos o tres personas y creen su propio organizador gráfico con los temas de las lecciones 2 y 3. 172

Unidad 3 • Reacciones químicas

Cierre

A continuación, se presenta un resumen de la unidad a modo de autoevaluación. Léelo y, si necesitas profundiza en algún tema, vuelve a desarrollar las actividades asociadas. Lección 1

Lección 2

Lección 3

Propósito

Representar reacciones químicas de acuerdo a la ley de conservación de la materia e identificar las leyes de proporcionalidad para la formación de compuestos simples.

Desarrollar cálculos sencillos sobre las relaciones cuantitativas entre los reactantes y productos durante una reacción química.

Analizar reacciones químicas conocidas en el medio ambiente y en la industria, desde las leyes ponderales y cálculos estequiométricos.

Habilidad

Comprobar cuantitativamente la ley de conservación de la materia en reactantes y productos e identificar las leyes de proporcionalidad en compuestos simples.

Explicar los conceptos de masa molecular, mol y masa molar y establecer relaciones cuantitativas entre reactantes y productos en una reacción química.

Analizar las relaciones estequiométricas que se producen en reacciones químicas del medio ambiente y en las industrias.

Actitud

Demostrar valoración e interés por los aportes de hombres y mujeres al conocimiento científico, en relación con las leyes de combinación en las reacciones químicas.

Mostrar interés por conocer y comprender el entorno natural, por ejemplo, las industrias; valorando su importancia para el desarrollo de la sociedad.

Reconocer la importancia de las reacciones químicas en el entorno manifestando conductas de uso eficiente de los recursos naturales en favor del desarrollo sustentable y la protección del ambiente.

Actividades asociadas

Páginas: 125 a 127 y 132 a 135.

Páginas: 139, 142 a 145, 148, 153 y 155.

Páginas: 159, 162 a 167.

Grandes ideas de la ciencia Las grandes ideas de la ciencia asociadas a esta unidad indican que: GI.5 Todo material del universo está compuesto de partículas muy pequeñas.

GI.8 GI.6 La cantidad de energía en el universo permanece constante.

Tanto la composición de la Tierra como su atmósfera cambian a través del tiempo y tienen las condiciones necesarias para la vida.

Elige dos de las grandes ideas de las ciencias y relaciónalas con los contenidos de la unidad.

Química • 1.° Medio

173

Integro lo aprendido Te invitamos a resolver las siguientes actividades para que evalúes lo aprendido en esta unidad. Analiza la siguiente pregunta modelada. 1

Para formar el compuesto monóxido de carbono (CO), se hacen reaccionar 1,23 g de oxígeno con 45 g de carbono. ¿Qué masa de oxígeno se debe hacer reaccionar con 45 g carbono para formar el compuesto dióxido de carbono (CO2)? De acuerdo a la información que entrega el ejercicio, al hacer reaccionar carbono con oxígeno, se pueden formar dos compuestos, estos son: el monóxido de carbono (CO) y el dióxido de carbono (CO2). Para poder saber la masa de oxígeno que reaccionará con carbono para formar el dióxido de carbono, debemos realizar una relación entre la masa de carbono que es 12 g en un mol y la de oxígeno, que es 16 g en 1 mol. Entonces: Compuesto

Número de átomos

Relación en masa

Proporción

1C 1O

12 g de C : 16 g de O

3:4

CO2

1C 2O

12 g de C : 32 g de O

3:8

Con esta información podemos obtener la masa de oxígeno que reaccionará con carbono para formar dióxido de carbono. En este caso, como la masa de carbono es la misma: 45 g, la proporción que se toma es 4:8 o 2:4, que indica la proporción en que varía el oxígeno. Por lo que se debe multiplicar la masa indicada de oxígeno por 4: 1,23 g • 4 = 4,92 g Por lo tanto, la masa de oxígeno que reacciona con carbono para formar dióxido de carbono es: 4,92 g.

→ El CO2 es un aditivo aprobado para uso alimentario. El agua carbonatada, también denominada soda o agua con gas, no es más que agua con CO2. 174

Unidad 3 • Reacciones químicas

Cierre

Ahora, responde la siguiente pregunta de acuerdo a lo aprendido. 2

¿Qué masa de cobre (Cu) se debe hacer reaccionar con 87 g de oxígeno (O2) para formar el compuesto óxido de cobre (II) (Cu2O)? Se sabe que 154 g de cobre reaccionan con 87 g de oxígeno para formar óxido de cobre (CuO). a. Se obtienen los datos de masa de cobre y oxígeno. Para ello, busca la información en la tabla periódica de la p. 191.

b. Completa la tabla con la información requerida. Compuesto

Número de átomos

Relación en masa

Proporción

c. Explica cómo obtener la masa:

d. Realiza el cálculo:

e. Concluye.

Autoevaluando mi aprendizaje De acuerdo a los objetivos, motivaciones y metas que indicaste al inicio de la unidad, responde: ►

¿Cuáles fueron las mejores estrategias de trabajo? ¿Por qué crees que estas fueron las mejores?

►

De acuerdo a lo aprendido en la unidad, ¿podrías explicar la importancia de las reacciones químicas en el entorno, en los seres vivos y en la industria?

Química • 1.° Medio

175

Proyecto ntíficos de Chile Conociendo a científicas y cie Como pudiste ver en la unidad, el aporte de los científicos es fundamental para ir construyendo nuevos conocimientos. Así como Lavoisier, Proust, Dalton, Richter y Gay-Lussac aportaron a las leyes de las combinaciones químicas, muchos otros han aportado en distintos ámbitos de las ciencias, como fue el aporte de científicos en las leyes de los gases que estudiaste en séptimo básico o la construcción de los distintos modelos atómicos que conociste en octavo.

¿Qué vamos a crear?

Mediante este proyecto, los invitamos a conocer científicas y científicos chilenos que están haciendo historia en la actualidad.

¿Como lo haremos?

Lo harán investigando el trabajo de distintas científicas y científicos.

Planificando nuestro trabajo Lo primero que deben hacer es formar grupos de trabajo de dos o tres integrantes. Luego, organícense de acuerdo a los siguientes pasos: Primero

Obtención de información

▸ ¿Qué es lo que queremos lograr mediante la investigación? (Hacer una revista o una entrevista). ▸ En el caso de la entrevista, ¿a quién o quiénes vamos a entrevistar? ▸ Si es una revista, ¿qué preguntas vamos a responder? ¿Qué información sobre nuestro entrevistado vamos a comunicar mediante la revista? (Nombre, dónde estudio, logros, a qué se dedica, etc.) ▸ ¿Cuáles son nuestras fortalezas y debilidades como grupo? ▸ ¿De qué manera podemos solucionar estas debilidades para que se transformen en fortalezas del equipo? Segundo Obtención de información A continuación, les indicamos algunas páginas en las cuales puedes buscar científicas y científicos chilenos destacados en diversas áreas. - www.explora.cl - ww2.educarchile.cl - www.academiasdeciencias.cl También pueden ingresar a las distintas universidades del país. 176

Unidad 3 • Reacciones químicas

Cierre

Tercero

Organización y planificación del trabajo

▸ ¿Qué conocemos sobre las científicas o científicos que elegimos? ▸ ¿Qué información necesitamos obtener de ellos? ▸ ¿Cuál es el tiempo estimado que necesitamos para realizar la investigación? ▸ ¿Cómo recopilaremos la información? Mediante una entrevista abierta, mediante una encuesta, mediante una carta, en sitios web de universidades. ▸ ¿Cómo crearemos nuestro instrumento para la investigación? ▸ ¿Qué información queremos recabar con este instrumento? ▸ ¿Qué otra área de estudio podemos involucrar en nuestra investigación?, ¿qué nos aportaría? Ejecución del proyecto Es el tiempo de llevar a cabo su proyecto de investigación. Es importante en esta etapa ir recogiendo las opiniones de las personas a quienes fue destinado el proyecto. Presentación del proyecto ▸ ¿Qué queremos compartir de nuestra investigación? ▸ ¿Cómo queremos presentar nuestra investigación? ▸ ¿Por qué creemos que este formato sería una buena elección para presentar nuestra investigación? Evaluación del proyecto Cada vez que se realiza un proyecto es muy importante evaluar el trabajo realizado individual y colectivamente. Para ello te entregamos algunas preguntas: Evaluación individual. • ¿Cuál fue mi aporte en la planificación del trabajo? • ¿Si hubo un problema propuse alguna manera de resolverlo? • ¿Trabaje de manera de no perjudicar mi trabajo ni el de mi equipo? • ¿Cuál fue mi mejor aporte para el equipo?

Evaluación del equipo.

• ¿Qué fue lo que mejor logramos del trabajo en

equipo? • Si tuvimos errores, ¿cómo los solucionamos? • ¿Qué aportes resaltas en tus compañeras y compañeros de equipo?

Química • 1.° Medio

177

ANEXOS Estados de oxidación de algunos elementos

1 H Li

2 Be

13 B

14 C

±3

+2, ±4

+4, +5

–1, –2

+2, ±4

±3, +5

±2, +4, +6

±1, +3, +5, +7

±1

15 N

16 O

17 F

±1, ±2, ±3,

Al 3

4 Ti

5 V

6 Cr

Cs +1

+2, +3, +4

+4, +5

+2, +3, +6

+6, +7

9 Co

10 Ni

11 Cu

12 Zn

+2, +3

+1, +2

±3, +5

±1, +3, +5, +7

±3, +5

±1, +3, +5, +7

+1, +3

+1, +2

–1

8 Fe

+2, +3, +4,

+2, +3, +1

7 Mn

Br I

±1, +5

Fuente: Chang, R. (2002). Química. (7.a ed). México: McGraw-Hill Interamericana Editores S.A. (Adaptación).

Asignación de colores CPK Carbono

Calcio-Manganeso-Cromo-Aluminio-TitanioPlata

Hidrógeno

Cinc-Cobre-Niquel-Bromo

Oxígeno

Cloro-Boro

Nitrógeno

Flúor -Silicio

Azufre

Yodo

Fósforo-Hierro-Bario

Litio

Sodio

Helio

Magnesio

Todos los demás

Fuente: Esquema de colores CPK usado en Rasmol y Chime. (Adaptación) Recuperado de www.umass.edu/microbio/rasmol/distrib/rasman.htm. 178

Anexos

Molécula lineal Molécula trigonal plana Molécula tetraédrica Se forma un ángulo de 180° por los Se forma un ángulo de 120° por los Se forma un ángulo de 109,5° por dos pares de electrones opuestos que tres pares de electrones que se enlos cuatro pares de electrones que se encuentran alrededor del átomo cuentran alrededor del átomo central. rodean al átomo central. central. Ejemplo Cloruro de berilio

Ejemplo Trifluoruro de boro

Ejemplo Metano

Estructura de Lewis

Cl Be Cl

F B

H H CH H

Molécula trigonal piramidal Se forma un ángulo de 107° por los tres pares de electrones que rodean al átomo central. Con un par de electrones no compartidos.

Molécula angular Se forma un ángulo de 104,5° por los dos pares de electrones que rodean al átomo central, con dos pares de electrones libres.

Ejemplo Amoníaco

Ejemplo Agua

Estructura de Lewis

H NH H

O H H

Química • 1.° Medio

ANEXOS

Tipos de geometría molecular

179

ANEXOS Precauciones en el trabajo de laboratorio El éxito del trabajo en el laboratorio depende de la planeación y el cuidado de quienes participan en esta actividad. Siempre debes conocer con claridad los procedimientos involucrados en la práctica, así como también los materiales y reactivos que vas a utilizar para evitar el manejo indebido de los mismos. Durante el trabajo en el laboratorio debes seguir con cuidado los pasos acordados previamente, anotando las observaciones, las medidas realizadas, los datos obtenidos, las dudas, los cálculos y, en caso necesario, los imprevistos. Este registro que haces del trabajo práctico te permitirá solucionar las dudas que puedan presentarse y realizar posteriormente el informe.

Los riesgos a los que está expuesta una persona cuando efectúa un trabajo en el laboratorio pueden ser: ▸ Heridas y salpicaduras: para evitarlas utiliza una protección, como delantal, gafas, mascarilla y guantes. ▸ Intoxicaciones: no debes probar ni oler las sustancias químicas, no pipetear con la boca y utilizar una propipeta. ▸ Quemaduras: debes tener mucho cuidado al manipular el material de vidrio caliente y evita el contacto directo de las sustancias químicas con la piel. Usa pinzas para sujetar. Por ejemplo, cuando se calienta un tubo de ensayo a la llama, este debe estar inclinado, moviéndolo y realizando un calentamiento intermitente. Nunca debe apuntar su extremo superior a una persona ya que la sustancia puede salir expulsada en forma violenta. ▸ Incendios o explosiones: evita mover los productos químicos del lugar asignado. No empujes ni juegues durante la práctica de laboratorio. ▸ Descargas eléctricas: para evitarlas no debes tocar ni mojar las conexiones eléctricas. 180

Anexos

ANEXOS

Antes de realizar un trabajo experimental en el laboratorio, debes tener presente algunas normas de las medidas de seguridad y la simbología del etiquetado de productos. A continuación, te presentamos algunas de estas; sin embargo, ten presente siempre seguir las instrucciones de tu profesora o profesor.

Normas básicas 1.

Lo principal antes de comenzar cualquier actividad experimental es el orden y la limpieza del laboratorio, especialmente, del lugar de trabajo. Así se evitarán accidentes y podrás tener lo necesario en todo momento. 2. Usar delantal en todo momento. Los lentes y guantes en caso necesario. 3. Revisar que el material de vidrio esté en buen estado. 4. No correr ni jugar dentro del laboratorio. 5. Si tienen el pelo largo, llevarlo amarrado. 6. No comer ni beber ninguna sustancia. 7. No tomar las sustancias directamente con las manos. 8. No jugar con las llaves de agua y de gas. 9. Las sustancias no deben ser devueltas a sus recipientes, solo si se lo indica. 10. Los residuos de las sustancias utilizadas deberás pasárselos a tu profesor o profesora, los cuales te indicarán qué se debe hacer con ellos. 11. Lavarse las manos al terminar las actividades y dejar el material y el mesón de trabajo limpio y ordenado.

Etiquetas de los productos químicos Sustancias tóxicas

Sustancias explosivas

Sustancias corrosivas

Sustancias inflamables

Sustancias peligrosas para el medio ambiente

Sustancias comburentes

Precaución Los residuos sólidos y líquidos de los productos químicos no deben ser tirados a la basura o al desagüe; es preferible que los almacenes en un recipiente y se lo entregues a tu profesora o profesor.

Química • 1.° Medio

181

ANEXOS

Modelamiento de herramientas de síntesis

¿Qué es la V de Gowin y cómo utilizarla? La V de Gowin recibe ese nombre porque es un diagrama en forma de V que fue creado por Bob Gowin en 1977. Este esquema permite representar, de manera visual, las acciones necesarias para planificar una investigación y dar respuesta a una pregunta formulada inicialmente. 1. Dibuja una V que ocupe todo el espacio de una hoja de cuaderno:

2. En cada extremo escribe las preguntas que se presentan a continuación: (2) ¿Q�� ng� �� s��?

(4) ¿Q�� b��? (3) ¿Q�� v�� ha�� c�m�?

3. ¿Qué quiero conocer? es la pregunta central a partir de la cual se desarrolla todo el resto del trabajo. Lo primero que debe definirse es el problema de investigación, ya que orientará las tareas a seguir. Una vez que lo tengas resuelto, puedes continuar completando la V. 4. En el extremo izquierdo de la V vas a escribir todo aquello que necesitas saber. Por ejemplo: (2) ¿Q�� ng� �� s��?

¿Qué leyes o principios están involucrados en lo que voy a investigar?

(4) ¿Q�� b��? (3) ¿Q�� v�� ha�� c�m�?

¿Cuáles son los conceptos clave que debo manejar? ¿Cuáles son las variables del problema que propuse?

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Anexos

(1) ¿Q�� r� c�no��?

(2) ¿Q�� ng� �� s��?

¿Qué leyes o principios están involucrados en lo que voy a investigar? ¿Cuáles son los conceptos clave que debo manejar?

(3) ¿Q�� v�� ha�� c�m�?

(4) ¿Q�� b��?

¿Qué necesito?

ANEXOS

5. Luego de que completes lo anterior, podrás responder la sección procedimental de la V, es decir, qué vas a hacer, qué materiales necesitas para ello y los pasos que debes seguir.

¿De qué forma puedo hacerlo? ¿Quién me puede ayudar y en qué?

¿Cuáles son las variables del problema que propuse? (1) ¿Q�� r� c�no��?

6. Finalmente, en el extremo derecho de la V vas a escribir los resultados de tu investigación. Por ejemplo:

(2) ¿Q�� ng� �� s��?

¿Qué leyes o principios están involucrados en lo que voy a investigar? ¿Cuáles son los conceptos clave que debo manejar?

(3) ¿Q�� v�� ha�� c�m�?

¿Qué necesito? ¿De qué forma puedo hacerlo? ¿Quién me puede ayudar y en qué?

(4) ¿Q�� b��?

¿Qué resultados obtuve en el experimento o investigación? ¿Cuáles son mis conclusiones? ¿Qué aprendí?

¿Cuáles son las variables del problema que propuse? (1) ¿Q�� r� c�no��?

Aplica lo aprendido en estas páginas para llevar a cabo tus actividades de investigación. Puedes incluir la V en cada informe de laboratorio que realices, ya que te permitirá organizar tus ideas y presentar tu trabajo de manera clara y ordenada.

Química • 1.° Medio

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ANEXOS ¿Qué son los organizadores gráficos y cómo utilizarlos? Aprender a organizar información mediante distintas técnicas de representación gráfica te va a permitir establecer conexiones entre ideas, las que podrás usar como referencia para estudiar. ¿Cómo se completa un organizador gráfico? Veamos algunos ejemplos.

Mapa mental 1. Escribe una idea principal en el centro. 2. Define distintos temas, en este caso tres, que se desprendan de la idea principal.

3. Registra información relevante que se relacione con cada tema y con la idea central.

C�rac��ís�ica� �� l� t��l� ��ió�ic�

Pr��eda�e� aso�iada� � lo� ��nto� ��ico�

Afinidad electrónica

Muestra los elementos químicos

Energía de ionización

Entrega información de cada elemento

Electronegatividad T��l� ��ió�ic� Inf��ma�i�� n��eg�

Se ordena según números atómicos

Símbolo y nombre del elemento Masa atómica y número atómico

Diagrama de Venn 1. Dibuja dos círculos que se superpongan. Cada uno 2. En la sección que se superponen, anota las caracde ellos representa los conceptos que estás comterísticas que son compartidas por ambos. parando. Anota su nombre, en este caso, cambios 3. En las zonas externas, anota las características químicos y cambios físicos. que son peculiares para cada uno. 4. Escribe un resumen que describa la información presentada en el diagrama de Venn. C��io� � í�ico�

C��io� ��ico�

Procesos que involucran transformaciones en las sustancias, las que dan como resultado otras diferentes.

Procesos que ocurren en las sustancias.

Procesos en los que las sustancias siguen siendo las mismas, solo varía su aspecto o estado de agregación.

En las sustancias se producen diferentes cambios o transformaciones, los cuales pueden ser químicos o físicos. La gran diferencia es que en los cambios químicos hay una transformación de la materia; en cambio, en los cambios físicos, solo hay un cambio de estado o apariencia.

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Anexos

1. En el extremo izquierdo de una hoja escribe una 2. En el extremo derecho de la hoja dibuja una repreidea o concepto, en este caso reaciones químicas, sentación visual de tus anotaciones anteriores. y luego su definición o algunas de sus característi3. Dobla la hoja por la mitad y tendrás una tarjeta de cas principales. síntesis. Construye tu mazo y úsalo para estudiar con tus compañeros y compañeras.

ANEXOS

Tarjetas con notas combinadas

Reac�i��e� ��ica�

Reacción de síntesis del amoníaco Ecuación de síntesis del amoníaco

N2(�) + H2 (�) → NH3 (�) + c�l��

Ecuación balanceada

N2(�) + 3 H2 (�) → 2 NH3 (�) + c�l��

Pro�es� �� H��-Bos��

1 mol de nitrógeno reacciona con 3 mol de hidrógeno para formar 2 mol de amoníaco

Esquema de ideas principales 1. Escribe en el centro una idea o concepto clave. En este caso, la nomenclatura de compuestos binarios.

2. Añade cajas con información relacionada al concepto central. Pueden ser definiciones, características, fórmulas, o lo que resulte necesario según el caso.

C��p��n�e�

Compuestos oxigenados: óxidos metálicos y óxidos no metálicos.

I�e� ��n�r��

C��p��n�e�

Compuestos hidrogenados: hidruros metálicos, hidruros no metálicos, hidrácidos.

Nomenclatura de compuestos binarios C��p��n�e�

Sales binarias

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Glosario A Ácidos Sustancias que en disolución acuosa forman iones H+. Afinidad electrónica Es la energía liberada cuando un electrón se agrega a un átomo gaseoso en estado neutro.

B Bases Sustancias que, disueltas en agua, se disocian produciendo iones OH–.

C Cambio físico Las sustancias no cambian internamente, solo varía su aspecto o su estado de agregación Cambios químicos Transformaciones de la materia que permiten obtener sustancias diferentes. También conocidas como reacciones químicas. Cantidad de sustancia Cantidad que relaciona la masa con la masa molar. Catalizador Sustancia que afecta la velocidad de una reacción química, pero no participa de ella, es decir, no es parte de los reactantes ni de los productos. Catalizadores negativos Catalizadores que aumentan la energía de activación, por lo que disminuyen la velocidad de una reacción. Catalizadores positivos Catalizadores que disminuyen la energía de activación, por lo que aumentan la velocidad de una reacción Coeficiente atómico Indica el número de átomos de los elementos. Coeficiente estequiométrico Indica el número de moléculas de las sustancias que participan en la reacción. Compuestos binarios Compuestos formados por dos elementos. Compuestos hidrogenados Compuestos resultantes de la combinación de hidrógeno con un metal o no metal. Compuestos inorgánicos Compuestos formados por la unión de otros elementos que no sean el carbono, y que solo en algunos casos el carbono se encuentra presente. Compuestos orgánicos Compuestos que presentan carbono en su composición unido con hidrógeno como base y, en algunas ocasiones con oxígeno, nitrógeno y azufre. Compuestos oxigenados Compuestos resultantes de la combinación del oxígeno con un metal o no metal.

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Anexos

GLOSARIO

Compuestos químicos Sustancias formadas por átomos de dos o más elementos unidos mediante enlaces químicos. Compuestos ternarios Compuestos formados por tres elementos. Constante de Avogadro Cantidad de átomos, moléculas u otras partículas que hay en un mol de las mismas. NA = 6,022 x 1023 EE mol–1.

E Ecuación química Representación simbólica y abreviada de una reacción química. Electronegatividad Es la medida de la capacidad que tiene un átomo para atraer los electrones en un enlace químico. Elementos químicos Sustancias que no pueden separarse en sustancias más simples por medios físicos o químicos. Energía de activación Energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química. Energía de ionización Es la energía mínima necesaria para liberar el electrón más externo de un átomo gaseoso en estado neutro. Enlace covalente Enlace en que dos átomos comparten dos electrones. Enlace iónico Fuerzas electrostática que mantiene unidos a los iones en un compuesto iónico. Enlaces químicos Fuerzas que se producen entre los átomos o iones para formar compuestos estables. Estado de agregación Abreviación del estado físico en que se encuentran las sustancias. Estado o número de oxidación Cantidad de electrones cedidos o aceptados por un átomo en un determinado compuesto. Estequiometría Rama de la química que estudia las relaciones cuantitativas entre los reactantes y los productos de una reacción química. Estructura de Lewis Sistema de representación de los enlaces químicos.

F Fermentación Reacciones que ocurren sin la presencia de oxígeno o cuando este es muy escaso en el ambiente. Fórmula empírica Representa la proporción más simple en la que están presentes los átomos que forman un compuesto químico.

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Glosario Fórmula molecular Indica el número exacto de átomos de cada elemento que están presentes en la unidad más pequeña de una sustancia. Fotosíntesis Proceso que se produce en las plantas y en algunos organismos que tienen clorofila, como algas y bacterias, y que permiten junto a la luz, transformar sustancias inorgánicas en orgánicas.

H Hidrácidos Compuestos formados por un no metal de los grupos 16 (VI A) o 17 (VII A), y el hidrógeno con estado de oxidación +1. Hidróxidos Compuestos formados por el ion hidroxilo (OH–) y un ion metálico. Hidruros metálicos Compuestos binarios formados por la unión de hidrógeno y un elemento metálico (catión). Hidruros no metálicos Compuestos binarios formados por hidrógeno y un no metal (anión), perteneciente a los grupos 13 (III A), 14 (IV A) y 15 (V A) de la tabla periódica.

L Ley de conservación de la materia En toda reacción química, la suma de las masas de los reactantes es igual a la suma de las masas de los productos; es decir, la masa se conserva. Ley de las proporciones definidas En un compuesto químico, la proporción de las masas de los elementos que lo forman es fija e independiente del origen del compuesto o de su modo de preparación. Ley de las proporciones múltiples Cuando dos elementos forman una serie de compuestos distintos, la masa de uno que se combina con una masa fija del otro, están en una relación de números enteros y sencillos. Ley de las proporciones recíprocas Las masas de dos elementos diferentes que se combinan con una misma cantidad de un tercer elemento, guardan la misma relación que las masas de aquellos elementos cuando se combinan entre sí. Ley de volúmenes de combinación Dos gases reaccionan entre sí, a la misma temperatura y presión, los volúmenes de cada gas están en relación de números enteros y sencillos.

M Masa atómica Masa de los elementos tomando como referencia la masa del isótopo de carbono-12. A esta se llama unidad de masa atómica (uma), la cual corresponde a la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12. Masa molar Corresponde a la masa, en gramos, contenida en un mol de un determinado elemento o sustancia y se expresa en g/mol.

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Anexos

GLOSARIO

Masa molecular Suma de las masas atómicas de los elementos que forman una molécula, expresada en unidades de masa atómicas. Método algebraico Método que se emplea, principalmente, cuando las ecuaciones son complejas. Requieren procedimientos matemáticos de ajuste para cumplir con la ley de conservación. Método de tanteo Método que consiste en anteponer números enteros y sencillos que permitan igualar los átomos de los reactantes y los de los productos. Modelo molecular Representación de la estructura molecular de las sustancias que participan en una reacción química. mol Cantidad de sustancia que hay en 6,022 x 1023 entidades elementales (átomos, iones, moléculas, electrones, entre otras).

N Nomenclatura Conjunto de normas y recomendaciones, establecidas de acuerdo a un consenso, para nombrar compuestos químicos.

O Oxácidos Compuestos formados por oxígeno, hidrógeno y un no metal, o un metal de transición. Óxidos metálicos Compuestos binarios que se forman por la unión de un metal (catión) y oxígeno, dando el óxido del metal. Óxidos no metálicos Compuestos binarios que se forman por la unión de un no metal (anión) y oxígeno, dando el óxido del no metal.

P Precipitado Sólido insoluble en la disolución que lo contiene, y se forma al combinar dos sustancias líquidas. Propiedades periódicas Variaciones que experimentan las propiedades físicas de los elementos que pertenecen a un mismo grupo o período. Se relacionan directamente con las fuerzas que mantienen unidos a los átomos.

R Reacciones de combustión Reacciones que se producen entre un combustible, y el oxígeno, denominado comburente.

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Glosario Reacciones de descomposición Reacciones que consisten en la ruptura de un único reactante para formar dos o más productos. Reacciones de neutralización Reacciones en que un ácido reacciona con una base produciendo agua y una disolución acuosa de una sal. Reacciones de óxido-reducción Reacciones donde ocurre una transferencia de electrones entre los reactantes de una reacción química; una sustancia acepta electrones y otra los cede. Reacción de síntesis o combinación Son aquellas donde dos o más sustancias simples, elementos o compuestos, reaccionan para formar un único compuesto. Reacción de sustitución o de desplazamiento Reacción en que un elemento de un reactante se sustituye o intercambia por un elemento de otro reactante. Reacciones endergónicas Reacciones en que el entorno suministra energía al sistema en estudio para que ocurra la reacción. La energía absorbida se puede suministrar mediante calor, luz o energía eléctrica. Una reacción endergónica es un proceso no espontáneo y requiere energía para producirse. Reacciones endotérmicas Reacciones en las que se desprende energía calórica. La energía que poseen las moléculas de los reactantes es mayor que la que poseen las moléculas del o de los productos. Reacciones exergónicas Reacciones en que se transfiere energía desde el sistema en estudio hacia los alrededores. La energía desprendida se puede manifestar produciendo calor, energía eléctrica o también luz. Reacciones exotérmicas Reacciones que absorben energía calórica. En este caso, la energía que tienen las moléculas de los productos es mayor que la que poseen las moléculas de los reactantes. Reacción química Proceso en el que ocurre una reorganización de los átomos, que tienen los elementos o compuestos, para formar nuevas sustancias, y que necesariamente implican la ruptura de algunos enlaces y la generación de otros nuevos. Respiración celular Conjunto de reacciones bioquímicas que se producen en la mayoría de las células y que se lleva a cabo en las mitocondrias.

S Sales binarias Compuestos formados por un elemento metálico (catión) y uno no metálico (anión). Sales ternarias Compuestos formados por un metal, un no metal y oxígeno.

V Velocidad de reacción Cantidad de producto o productos que se forma o la cantidad de reactante que se consumen en una unidad de tiempo. 190

Anexos

ANEXOS

Tabla periódica de los elementos químicos

↑ Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, 2013. Química • 1.° Medio

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Bibliografía

Recomendada para tu lectura

Alvarez, M. (2007). Busca en el cuerpo humano. Madrid: Susaeta Ediciones. Fucito, S. y Lotersztain, I. (2011). Química hasta en la sopa. Buenos Aires, Argentina: Iamique. Garritz, A. y Chamizo, J.A. (1994). Química. México, D.F.: Addison Wesley Iberoamericana. Garrtiz, A. (2001). Tú y la química. México D. F.: Pearson Educación. Jennings, T. (1987). Química fácil. España: Ediciones SM. Kaplán, M. (2010). Poemas químicos. Santiago, Chile: Lom Ediciones. Long, G. y Forrest, H. (1991). Química general: problemas y ejercicios. (3.ª ed.). Argentina: Addison-Wesley Iberoamericana. VanCleave, J. (1998). Química para niños y jóvenes: 101 experimentos superdivertidos. México D. F.: Limusa.

Sitios webs recomendados http://www.explora.cl http://www.yoestudio.cl http://www.educarchile.cl http://www.salvalatierra.cl

http://www.iupac.org/ http://www.lenntech.es/periodica/tablaperiodica.htm

Bibliografía utilizada para la elaboración del texto Brown, T. (2004) Química, la ciencia central. (11.ª ed.). México: Prentice Hall. Chang, R. (2002). Química (7.ª ed.). México: McGraw-Hill. Kotz, J. Química y reactividad química. (6.ª ed.). Thomson Learning. Petrucci, R. y Harwood, W. (1999). Química general. (7.ª edición). Madrid: Prentice Hall. Whitten, K., Davis, R. y Peck, M. (1999). Química general. (5.ª edición). Madrid: McGraw Hill.

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Anexos