CIENCIAS NATURALES 7 – RECORRIDOS SANTILLANA – CABA by María Candelaria Pagella

7 Ciencias naturales

&LXGDG GH %XHQRV $LUHV

Transformaciones químicas. Evidencias de las trasformaciones químicas. Representación. Oxidación. Combustión. Historia del oxígeno. Productos de la combustión. Combustión incompleta. Corrosión.

Las transformaciones de los materiales

En estos cambios, ¿hay algo que no cambia? Indicá en cada caso si la materia que

A ver qué sé…

forma estos cuerpos es la misma antes y después de ocurrida la transformación.

Se tuesta

Se derrite

Se oxida

Pasa de un lado al otro de la cancha

“Cambia, todo cambia”. La leche se transforma en dulce de leche cuando le agregamos azúcar y la calentamos; si lo tostamos, el pan adquiere un aspecto que antes no tenía... ¿Por qué ocurren estas transformaciones? ¿Por qué se consume la madera del fósforo cuando se quema? ¿Qué es el fuego? En este capítulo trataremos de responder estas y otras preguntas, como: ¿por qué ciertos metales se corroen?, ¿qué es una combustión?, ¿la presencia del aire es importante en las combustiones? o ¿por qué algunas combustiones son completas y otras incompletas?

16 16

Se quema

Los cambios químicos en la materia ¿Qué ocurre si empujamos un bollito de papel? ¿Qué sucede si una gota de lavandina cae sobre la ropa? Es evidente que, en ambos casos, se produce un cambio. Sin embargo, el tipo de cambio es diferente en cada una de esas situaciones. Mientras que en la primera hay solo un desplazamiento de un lugar a otro, en la segunda se modifica la coloración de la tela debido a la acción de la lavandina. Aunque ahora se encuentre en otra posición, el papel del bollito sigue siendo papel. Pero el color de la tela ya no es el mismo, hubo un cambio en el colorante que la teñía. Como viste en el capítulo anterior, a este proceso lo denominamos cambio o transformación química.

Aunque empujemos, aplastemos o estiremos el bollito, el papel del que está hecho seguirá siendo papel.

Si dejamos caer unas gotas de lavandina sobre un trozo de tela azul, esta adquirirá una tonalidad blanco amarillenta.

Veamos otros ejemplos. Pasemos por la cocina. ¿Qué pasa cuando cocinamos un bizcochuelo? Se desprenden gases que hacen que quede esponjoso, parte de la harina cambia de color (se tuesta), la clara del huevo deja de ser transparente y líquida, etcétera. La preparación de dulce de leche a partir de leche y azúcar es otro ejemplo. Y si indagamos cómo se fabrica el jabón que usamos para lavarnos las manos, descubriremos que es el producto de una transformación química que se genera cuando mezclamos un aceite vegetal o una grasa animal con un compuesto llamado hidróxido de sodio. Gracias a estos cambios, los materiales se modifican y dan origen a nuevas clases de materiales. ¿Cómo se evidencian estos cambios? De muchas formas; andá pensando cuáles pueden ser las evidencias de que se ha producido una transformación química ya que en la página siguiente lo veremos en detalle.

Cuando cocinamos galletitas, los materiales originales se modifican y dan lugar a nuevos materiales.

17 17

Evidencias de las transformaciones químicas Ya sabés que mediante los cambios químicos, los materiales se transforman y dan origen a nuevas clases de materiales. Hay varias señales que permiten darnos cuenta de que se ha producido una transformación química; las más fáciles de percibir son una variación de color, la liberación de gases o la aparición de sólidos. Cambios de temperatura, como cuando la madera arde y libera calor. También se produce luz.

Aparición de un sólido, como el que se produce al agregar limón a la leche.

Cambios de color, como cuando se oscurece un trozo de manzana al ratito de cortalo.

Emisión de luz, como la que se desprende al quemar pólvora en los fuegos artificiales.

Desprendimiento de gases, como los que liberan los automóviles cuando consumen nafta.

Técnica

Al realizar un trabajo de laboratorio, ¿es lo mismo observar un fenómeno que realizar una inferencia? ¿Por qué?

18 18

¿Todas las transformaciones químicas suceden de igual manera? ¿Cómo nos damos cuenta de que ocurrieron? Reunite con tus compañeros y consigan un trocito de mármol; algunos gramos de cal viva; solución de azul de metileno; un sobre de sal de frutas; leche; jugo de limón; vinagre; agua; cinco tubos de ensayo; una gradilla; una pipeta; una espátula; un gotero y una cucharita. 1.º Numeren los tubos del 1 al 5. 2.º En el primer tubo viertan 5 ml de vinagre (usen la pipeta) y sumerjan el trocito de mármol; en el segundo echen 5 ml de agua y, con la espátula, agreguen una pizca de cal viva; en el tercer tubo pongan 5 ml de leche y añadan unas gotas de vinagre; en el cuarto viertan 5 ml de azul de metileno y agreguen unas gotas de jugo de limón. En el quinto tubo, pongan 5 ml de agua y echen parte del contenido del sobre de sal de frutas. 3.º Observen y registren qué ocurre en cada uno de los tubos. a) ¿Qué sucedió en cada caso? Armen en sus carpetas una tabla para registrar los resultados. b) ¿Podrían decir que, después de lo que observaron, en cada tubo se conservan los mismos materiales que pusieron? ¿Por qué?

Ciencia a la vista

Análisis de evidencias

Representación de las transformaciones químicas Como viste en la página 17, a diferencia de lo que sucedió con el bollito de papel, que no sufrió ningún cambio en su composición, en el colorante que teñía la tela hubo una transformación química provocada por la lavandina. ¿Cómo podemos representar esta transformación? Debemos señalar cuáles son los materiales iniciales o reactivos y los materiales obtenidos al final, llamados productos. Así, por ejemplo: Reactivos

Productos

Para nuestro ejemplo de la página 17, sería: Tela teñida + Lavandina

Tela decolorada

Esta forma de expresar una transformación química se denomina ecuación química.

La oxidación Alguna vez te habrá sucedido que cortaste una manzana al medio para comerla y, justo cuando estabas por morderla, un amigo te llamó a los gritos pidiéndote que fueras a la habitación para ver algo en la televisión. Después te “enganchaste” con el programa y te olvidaste de la manzana. Cuando volviste, luego de una hora, la pulpa de la manzana, que en un principio lucía blanca y jugosa, estaba completamente amarronada. Intentaste lavarla, pero no hubo caso: esa coloración que había adoptado por dejarla al aire no salía. Lo mismo suele ocurrir con las papas. Si las dejamos expuestas al aire después de pelarlas y cortarlas, se oscurecen. En cambio, cuando las colocamos dentro de un recipiente cubiertas con agua mantienen su aspecto original. ¿Qué ocurre en esos casos? ¿Tiene algo que ver el aire en la ocurrencia de esos cambios? En cuanto a la manzana o a la papa, es muy común que escuchemos decir que “se oxidaron”. Y esto es verdad: el oxígeno contenido en el aire causa esta transformación química llamada oxidación. Sin embargo, es importante tener en cuenta que existen otros reactivos que producen la oxidación de determinados materiales. ¿Cómo podríamos escribir la ecuación química correspondiente a esta transformación? Fijate: Pulpa de la manzana blanca + Oxígeno

Si sumergimos papas en agua, evitamos su oxidación porque no están expuestas al oxígeno del aire en forma directa.

Pulpa de la manzana oscurecida

19 19

La combustión: una oxidación rápida

En el plato de la izquierda, la vela está ardiendo. Cuando le entregamos energía (la encendemos), el material que forma la vela (el combustible) reacciona con algún otro material para que la combustión ocurra. Si tapamos la vela encendida con un vaso, al cabo de unos minutos se apaga.

Los fuegos artificiales son explosivos contenidos en dispositivos especiales que generan llamas y chispas de colores al entrar en combustión.

¿Por qué ocurrió esto? El oxígeno es el comburente (u oxidante), es decir, el gas que reacciona con el combustible durante la combustión. Al tapar la vela con el vaso, el oxígeno se consume y la vela se apaga. En definitiva, si no hay oxígeno en el aire no hay combustión. Uní con flechas cada palabra de la columna izquierda con la correspondiente

A ver cómo voy…

definición de la columna derecha. Producto Ignición Combustible Transformación química

20 20

Material que se quema o se consume en una combustión. Proceso en el que los materiales se modifican y se producen nuevos materiales. Material que se obtiene luego de una transformación química. Temperatura necesaria para iniciar una combustión.

Cuando se encienden las hornallas de la cocina se produce la combustión entre el gas natural y el oxígeno del aire.

A veces, las oxidaciones adquieren características muy diferentes del simple oscurecimiento de la pulpa de una manzana. Cuando encendemos la hornalla de la cocina, se genera fuego. Este proceso ocurre con mucha rapidez y, al hacerlo, desprende gran cantidad de luz y calor. Por otra parte, este fenómeno suele estar acompañado, en algunas oportunidades, de explosiones. ¿A qué te recuerda? Sí, a los fuegos artificiales que utilizamos para festejar determinados acontecimientos. En ambos casos decimos que se produce una clase particular de oxidación llamada combustión. ¿Qué se necesita para que ocurra este tipo de transformación química? Veamos... Para empezar se precisa un combustible, es decir, un material que se queme con facilidad. En la hornalla de la cocina, el combustible es el gas natural, pero también podría ser el carbón si encendemos el fuego para un asado. Luego se requiere una chispa o una pequeña llama que inicie la combustión, que se denomina temperatura de ignición. Sí, para producir calor, ¡hay que dar calor! ¿Y qué más hace falta? Mirá la siguiente experiencia.

El descubrimiento del oxígeno

Ya sabemos que sin oxígeno no hay combustión, pero ¿cómo apareció este gas en la atmósfera? Se cree que hace unos 2.500 millones de años surgieron las algas azules, los primeros seres vivos microscópicos capaces de aprovechar la luz solar para producir sus nutrientes. Gracias a esa actividad comenzó a formarse y acumularse oxígeno en el aire, y poco a poco aparecieron seres vivos capaces de usarlo para respirar. ¿Quién descubrió el oxígeno? Fueron varios los científicos que, con sus investigaciones, permitieron identificar su existencia. Veamos. Parece que, en forma ocasional, el químico danés Synder Borch obtuvo oxígeno en 1678, pero no pudo recogerlo ni comprendió su naturaleza, por lo que su hallazgo quedó en el olvido. Entonces, el descubrimiento de este gas se atribuyó al químico sueco Karl Scheele, quien, antes de 1773, obtuvo oxígeno mediante el calentamiento de diversas sustancias, vio que era inodoro e insípido y que, al acercarlo al fuego, avivaba la llama. Scheele no publicó su trabajo hasta 1777, pero tres años antes el inglés Joseph Priestley dio a conocer los resultados de sus estudios sobre el mismo gas. También lo obtenía calentando sustancias y, cuando acercaba el gas a una vela, esta ardía con llama muy brillante. Además, los ratones encerrados en una atmósfera de este gas se mostraban muy activos, cosa que notó el propio Priestley al inhalarlo. Y así se lo reconoció como el descubridor del oxígeno. Pero la historia no termina aquí, ya que Priestley comunicó sus observaciones al francés Antoine de Lavoisier, quien, tras unas pruebas, corroboró los datos de su colega y fue el primero en llamar “oxígeno” al gas hallado. Según parece, no resulta tan sencillo decidir quién fue el descubridor.

La combustión completa

Lavoisier llamó “oxígeno” al gas descubierto por Priestley.

Priestley fue el primer científico que identificó el oxígeno.

Durante la combustión, ¿qué ocurre con los reactivos? Cuando se produce este cambio químico, el combustible “desaparece” y, por acción del oxígeno, se transforma en dióxido de carbono y vapor de agua. Junto con estos gases se libera gran cantidad de energía en forma de luz y calor (lo que denominamos llama). Los químicos expresan esta transformación así: Combustible + Oxígeno

Dióxido de carbono + Vapor de agua + Luz + Calor

Si la cantidad de oxígeno que interviene en la combustión es suficiente, decimos que la combustión es completa. La llama, entonces, se verá de color azul.

El color de la llama es un indicador de cuánto oxígeno hay disponible para la combustión. Si es azul, hay mucho oxígeno.

21 21

Temas en imágenes

Combustiones y viajes espaciales Las transformaciones químicas tienen múltiples aplicaciones tecnológicas. Por ejemplo, desde 1981, gracias a las transformaciones químicas de combustión, el ser humano pudo vencer la fuerza de gravedad y colocar en el espacio una de las más complejas máquinas inventadas por él: el transbordador espacial.

00 08 30: El tanque externo, prácticamente vacío, es liberado y cae según una trayectoria programada desintegrándose casi totalmente a causa de la fricción con el aire. La nave entra en órbita.

00 08 20: Se corta el abastecimiento proveniente del tanque externo.

00 02 00: Los cohetes se sueltan y caen en paracaídas para ser recogidos y usados en nuevos lanzamientos. Los motores principales continúan acelerando la nave.

00 00 00: Ignición. Los explosivos colocados dentro de los cohetes de combustible sólido incendian de arriba abajo la masa de combustible. Mil toneladas de esa mezcla se quemarán en dos minutos.

- 00 00 06: Motores principales encendidos.

22 22

1. Vehículo orbital Tiene 109 t en el lanzamiento más 25 t de carga.

3. Tanque externo Tiene 757 t (lleno). El tanque externo lleva 1,5 millones de litros de hidrógeno líquido y 500 litros de oxígeno líquido que se quemarán en los motores principales del vehículo orbital.

2. Cohetes de combustible sólido Tienen 590 t cada uno (llenos). Cada cohete quema casi 500 t de masa hecha de resina, oxidante (perclorato de amonio) y combustible en polvo (aluminio). Cada segundo, 4 t de gases son liberados a toda presión por el escape de cada cohete. Ambos cohetes generan cerca del 80% de la potencia de lanzamiento.

4. Motores principales En los tres motores, toneladas de hidrógeno y oxígeno, bombeados desde el tanque externo, se queman a 3.300 ºC produciendo una gigantesca descarga de vapor de agua con una potencia equivalente a la de casi 700.000 autos medianos.

1. Identificá el momento en el que se produce la ignición. Explicá su significado. 2. ¿Cuáles son el combustible y el comburente en el tanque externo? 3. ¿Qué producto de la combustión producida en los motores principales le otorga una enorme potencia al vehículo orbital?

23 23

La combustión incompleta Es posible realizar una simple comprobación de la combustión con un platito de cerámica y un mechero de laboratorio. Primero, encendemos el mechero y regulamos la entrada de oxígeno hasta que la llama sea azul. A continuación, colocamos (ayudándonos con una pinza) el platito sobre la llama. Luego, lo retiramos y observamos el lugar donde el plato estuvo en contacto con la llama: estará limpio. Repetimos la operación, pero ahora reducimos la entrada de oxígeno para lograr una llama amarilla. Veremos un residuo negro en el platito. Este residuo corresponde al carbono, uno de los productos de la combustión incompleta, transformación que ocurre cuando la cantidad de oxígeno es escasa. La ecuación que la representa es: Dióxido de carbono + Monóxido Combustible + Oxígeno insuficiente de carbono + Vapor de agua + Carbono + Hidrógeno + Luz + Calor El monóxido de carbono, un gas incoloro, inodoro e invisible, es uno de los enemigos más temibles de nuestro organismo. ¿Recordás que los glóbulos rojos de la sangre transportan el oxígeno a todas nuestras células? Bueno, resulta que si en el aire hay monóxido de carbono, los glóbulos rojos lo transportan en lugar del oxígeno. Las personas pueden sentir somnoliencia, pesadez y mareos. Aunque se respire, el oxígeno no llega a las células del cuerpo y podemos morir de asfixia.

Por un cambio

Solo el 1% de monóxido de carbono en el aire es suficiente para matar a una persona si lo respira durante ciinco minutos.

de actitud

El mundo que queremos Casi todos los inviernos aparecen en los diarios noticias sobre intoxicaciones debidas a la inhalación de monóxido de carbono. ¿Cómo podemos prevenir estas situaciones? Algunas recomendaciones para evitar una intoxicación con monóxido de carbono son las siguientes: controlar que los artefactos domésticos estén bien instalados; verificar que la llama de artefactos como calefones, termotanques, cocinas y estufas sea azul; y no usar calefones ni estufas de gas en ambientes cerrados o sin ventilación. r Investigá qué otras medidas pueden tomarse para evitar las graves consecuencias de la inhalación de monóxido de carbono.

24 24

Una llama de color amarillo indica que la cantidad de oxígeno es insuficiente.

La corrosión de los metales: una oxidación lenta Muchas veces habrás escuchado: “Hay que pintar las rejas de hierro para que no se oxiden”. Esta última palabra ya te resulta conocida. Pues bien, la corrosión es, al igual que la combustión, una oxidación, pero se desarrolla en forma mucho más lenta. ¿Y cuáles son los reactivos que intervienen? Uno es el oxígeno del aire y el otro es un metal (en general, el hierro). ¿Cómo ocurre la transformación química del hierro? El hierro reacciona químicamente con el oxígeno y el producto de esta reacción se deposita sobre la superficie del metal, que queda cubierta por un material polvoriento, pardo rojizo, muy áspero al tacto, al que llamamos herrumbre (óxido de hierro). Otros metales, como el cobre o el aluminio, se oxidan solo en la superficie. En estos casos, la capa de óxido que se forma actúa como protección que impide el avance de la corrosión. Por último, hay metales, como el oro y el titanio, que prácticamente no se corroen.

La corrosión es favorecida por la humedad.

La protección de los metales ¿Por qué se pintan las rejas, puertas o ventanas de hierro? ¿Solo para que luzcan más lindas? No, lo que sucede es que para proteger un metal de la corrosión es preciso aislarlo del oxígeno, y para ello existen diversas maneras: Cubrir el metal con pinturas u otros materiales. Por ejemplo, las puertas y rejas metálicas se pintan con pinturas antioxidantes. Recubrir el metal con otro más resistente a la corrosión. Por ejemplo, las latas que se utilizan para envasar conservas (arvejas, atún, etc.) están protegidas por una capa de estaño o las chapas para los techos de galpones y viviendas están recubiertas de cinc (galvanizadas). Fabricar materiales especiales. Algunos objetos, como los utensilios de cocina, se fabrican con un material llamado acero inoxidable, que es una mezcla de hierro y carbono (un no metal) con una pequeña cantidad de cromo. Este último material es el que evita la corrosión del hierro.

Los productos de la corrosión del bronce (una mezcla de cobre y estaño) aparecen como una película de color verde.

Las pinturas antioxidantes sirven para proteger los objetos de hierro de la corrosión.

25 25

A ver qué aprendí… 1. Analizá cada una de estas situaciones y señalá con una F si se produce una transformación física y con una Q si se produce una transformación química. Justificá tus respuestas. a) Cuando colocamos agua oxigenada sobre una herida, se desprenden burbujas. b) La leche se deshidrata para obtener leche en polvo. c) El delantero ejecuta un tiro libre y la pelota pega en la barrera. d) Los metales se funden para formar aleaciones, por ejemplo, el bronce. e) A veces, utilizamos un poco de lavandina para blanquear algunas prendas cuando las lavamos. f) La madera se quema y produce carbón de leña. g) La masa para la pizza leva cuando mezclamos harina, levadura y un poco de azúcar, y la dejamos reposar en un lugar cálido. h) El gas se licua (se convierte en líquido) para envasarlo en garrafas. i) El maestro pastelero derrite chocolate para bañar la torta. 2. Solo algunas de las siguientes frases son correctas. Subrayalas, corregí las incorrectas y reescribilas en tu carpeta. a) Las transformaciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas. b) El producto tóxico de una combustión incompleta es el vapor de agua. c) Las combustiones se producen cuando interactúan un reactivo y un producto. d) La combustión es una transformación química que requiere, en general, la presencia de oxígeno. e) En algunas transformaciones químicas, los reactivos interactúan entre sí para dar uno o más productos. f) En las transformaciones químicas, los materiales que intervienen pueden volver fácilmente a su estado original.

g) En las combustiones completas se obtienen como productos dióxido de carbono y agua. h) La interacción entre un comburente y un combustible es suficiente para que se produzca una combustión. 3. Escribí la ecuación correspondiente para cada una de estas transformaciones químicas e indicá cuáles son los reactivos y los productos. a) El agua oxigenada se descompone en agua y oxígeno. b) El cinc reacciona con el sulfato de cobre para dar cobre metálico y sulfato de cinc. c) En presencia de ácido clorhídrico, el hierro se transforma en cloruro de hierro y se desprende hidrógeno. d) Si mezclamos cloruro de sodio con nitrato de plata, se forma un sólido blanco: el cloruro de plata. 4. Observá las fotografías. ¿Cuál es el combustible en cada caso? a)

Repaso

1.º Llenen uno de los frascos con agua de la canilla (A.C.) y el otro, con agua hervida (A.H.). Háganlo despacio para evitar que se formen burbujas. 2.º Coloquen un clavo de hierro dentro de cada frasco. 3.º Vuelquen sobre el agua un poco de aceite para que forme una capa protectora que impida la entrada de aire. 4.º Dejen reposar los frascos durante algunos días y observen qué pasó con los clavos. ¿Encuentran alguna diferencia entre los clavos? Si la hay, ¿cómo podrían explicarla?

5. Diseñá un folleto que explique cuáles son las prevenciones que hay que tomar para evitar la intoxicación con monóxido de carbono. Podés usar ilustraciones o fotografías. No olvides incluir los siguientes términos en el folleto: ventilación, calefones, azul, verificación. 6. En grupo, realicen esta experiencia. Necesitan: dos frascos; dos clavos de hierro; agua de la canilla; agua hervida fría; un poco de aceite vegetal.

Organizo mis ideas ¿Llegaste al final del capítulo algo “transformado”?

Químicas - Llama - Mezclas - Combustión

Esperemos que sí, con un poco más de conoci-

incompleta - Reactivos - Cambio de olor -

mientos.

Oxidación - Fuego - Físicas - Carbono - Vapor

Ahora, comprobá si entendiste los temas nuevos. A

de agua - Oxidación - Aparición de sólidos -

partir de la lista de términos que te damos a conti-

Productos - Combustión - Desprendimiento

nuación, armá un esquema de contenidos con los

de gas - Temperatura de ignición - Dióxido

temas que fuimos tratando en el capítulo, del más

de carbono - Combustible - Combustión

importante al menos importante. Obviamente, em-

completa - Monóxido de carbono -

pezá con Transformaciones de los materiales.

Cambios de estado - Mezcla.