e d n ó i c a m r o La f
s e l a i r e t a m s o v e u n
Para ti quizá resulte difícil imaginarlo, pero hace treinta años los objetos que ves en la fotografía no eran como los conoces o ni siquiera existían. Por ejemplo, Los materiales con los que se fabricaban los juguetes, eran porcelana, latón, madera y algodón; en los patios escolares se saltaba la reata, elaborada con cuerdas de yute; se jugaba futbol con balones de cuero y los aparatos electrónicos que tú usas con tanta familiaridad sólo eran el sueño de algunos. Si en este momento te preguntas, ¿por qué todo es tan diferente ahora? Las respuestas pueden ser variadas, pero desde el punto de vista de la química una de las razones es que, desde mediados del siglo XX, se comenzaron a fabricar o sintetizar materiales que an-
tes no existían en la Naturaleza. Estos materiales tienen propiedades que han permitido cambiar, entre otras cosas, nuestra forma de divertirnos, de conservar la comida o de curarnos. En este bloque trabajarás con algunas reacciones químicas para obtener productos a partir de otras sustancias. Veremos cómo algunos de estos productos son útiles o necesarios y otros nos causan problemas. Podrás aplicar lo que viste en el Bloque anterior y lograrás saber, en el caso de los ácidos y las bases, qué nuevo compuesto se formará cuando los hagas reaccionar y cómo algunas cosas se oxidan de forma espontánea y cambian sus propiedades.
161
QUÉ SÉ
MI PROYECTO Lo que estudiarás en el Bloque 1, te permitirá desarrollar un proyecto en el que integrarás tanto los nuevos conocimientos de esta asignatura, como los de otras, a partir de tus inquietudes e intereses (ver páginas XX).
QUÉ LOGRARÉ APRENDER El siguiente cuadro presenta los objetivos de este Bloque y algunos criterios para que evalúes tus logros, de acuerdo con el aprovechamiento que hayas alcanzado. A corresponde al mayor logro de comprensión, pero es necesario que acuerdes con tu maestra, o maestro, qué otros aspectos considerarán para la evaluación. En la página XX hallarás un ejemplo de evaluación para trabajos escritos.
Criterios Ácidos y bases
• En las reacciones químicas siempre se conserva la materia. • En los cambios químicos los reactivos (compuestos o elementos) reaccionan entre sí para formar los productos (compuestos o elementos). • El átomo está constituido por protones y neutrones en el núcleo y electrones. • Los enlaces químicos se forman con los electrones de valencia.La síntesis de nuevas sustancias es uno de los principales quehaceres de la química.
A • Comprendo por qué son importantes los dos tipos de sustancias.
• Identifico las fórmulas y los nombres de los ácidos y las bases y los productos comerciales que los contienen.
B • Identifico un ácido y una base por su fórmula . Sé que algunos son corrosivos y otros no
• Aplico la definición de
C • Conozco algunas características de las dos sustancias y las puedo identificar con indicadores.
Arrhenius.
• Entiendo la importancia del modelo de Arrhenius y sus limitaciones.
Neutralización
• Escribo de forma correcta las ecuaciones de neutralización.
• Propongo formas de neutralizar sustancias ácidas y básicas, sin peligro para la salud de los seres vivos o el ambiente.
Óxidoreducción
• Comprendo que estas reacciones son de gran importancia para la obtención de energía en las sociedades actuales y en los seres vivos.
• Asigno correctamente los números de oxidación de cada elemento en una ecuación química; distingo la especie que se oxida y la que se reduce.
• Entiendo que los electrones se intercambian en este tipo de reacciones.
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• Soy capaz de deducir el tipo de sal que se forma en algunas reacciones de neutralización al observar una ecuación.
• Conozco el significado de los conceptos oxidación y reducción y los entiendo como cambios químicos simultáneos.
• Se que en la pilas suceden reacciones químicas y se produce electricidad.
• Sé que las pilas son como reactores químicos en los que se produce electricidad.
• Sé que muchos metales se obtienen por reducción de los minerales.
• Sé que el consumo de alimentos ácidos provoca a veces malestar estomacal, que se puede aliviar con medicamentos llamados antiácidos.
• Sé que en una oxidación a veces interviene el oxígeno y que algunas sustancias son más fáciles de oxidar que otras.
• Entiendo que las pilas deben desecharse adecuadamente para impactar menos el medio ambiente.
LECCIÓN
1 Ácidos y bases
Ácidos y bases importantes en nuestra vida cotidiana Existen dos tipos de sustancias sumamente importantes y abundantes, son muy comunes y se llaman ácidos y bases. Como pudiste apreciar en la actividad anterior, muchas de las sustancias con las que convivimos todos los días son ácidas. Cuando probamos jugos de cítricos, vinagre o refrescos, distinguimos un sabor agrio que en general es agradable al paladar; inclusive en los dulces existen esos saborizantes. Al terminar este bloque serás capaz de decidir en forma correcta sobre el consumo o no de dichas golosinas. Te sorprenderá que algunos ácidos (como el acetilsalicílico) funcionen como analgésicos (la aspirina) y otros se utilicen para la limpieza, como el ácido muriático, que sí puede ser muy peligroso. En la ilustración también se observan productos de uso cotidiano como pastillas antiácidas, leche de magnesia, destapacaños y limpiahornos. Todos ellos tienen sustancias químicas conocidas como bases.
Ácidos
Bases
Sabor agrio (si están diluidos de manera correcta)
Sabor amargo (si están diluidos de manera correcta)
Conducen la electricidad en disolución acuosa.
Conducen la electricidad en disolución acuosa.
Cambian el color del papel tornasol a rojo.
Cambian el color del papel tornasol a azul.
Algunos son peligrosos en altas concentraciones
Algunas son peligrosas en altas concentraciones Son resbalosas al tacto.
En el siguiente cuadro se muestran las propiedades físicas más importantes de los ácidos y las bases. En los inicios de la química era común probar con la lengua las sustancias con las que se trabajaba, por fortuna esto ya no se hace pues es sumamente peligroso. Los ácidos y las bases son sustancias muy cotidianas y es posible reconocerlas con facilidad.
… cuando haces más ejercicio del acostumbrado se forma en tus músculos ácido láctico? Contrario a lo que muchas personas creen, no es el responsable de los dolores musculares al día siguiente. Sin embargo, sí es una de las sustancias responsables del rigor mortis en los cadáveres, pues las células musculares lo producen al intentar sobrevivir en ausencia de oxígeno. La fermentación del ácido láctico también la producen las bacterias lactobacillus. ¿Recuerdas lo que sucedió cuando elaboraste yogurt casero? Estos organismos pueden encontrarse en la boca, y ser responsables de la caries.
163
En el Ateneo
Inicia el reconocimiento y la clasificación • Organiza un equipo con tres o cuatro compañeros y observen la fotografía. • Hagan una lista en la bitácora de las cosas que podrían clasificar como ácidas y explica por qué. • ¿Son peligrosas todas? ¿En qué condiciones? Explica por qué. • ¿Cómo clasificarías las demás sustancias que no son ácidas? • ¿Cuáles propiedades les atribuyes a esas sustancias? • ¿Alguna queda fuera de la clasificación que hiciste? ¿Por qué? • Entre todos analicen si las sustancias son peligrosas para la salud y en qué condiciones. • Apunten todo en su libreta.
Experiencias alrededor de los ácidos y las bases
Los líquenes del genero Crozophora y sustancias presentes en los rábanos, fresas y en los pétalos de algunas flores pueden usarse como indicadores ácido-base. Existen también indicadores sintéticos como la fenoftaleina.
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En el cuadro anterior se menciona que una característica de los ácidos y las bases es cambiar de color el papel tornasol. Este papel se vende en tiras y está impregnado con el jugo del liquen que lleva el mismo nombre; cambia a color rojo si se mezcla con una sustancia ácida y a color azul cuando se añade a una base o álcali. En la actualidad la industria química sintetiza muchos compuestos con esta propiedad y se les llama indicadores ácido-base. También existen otros que se encuentran de manera natural en plantas como la flor de jamaica, o en legumbres como la col morada. Después de la actividad anterior, quizá te preguntes ¿qué tienen en común las sustancias que contiene el jugo de limón, la aspirina y el vinagre que cuando las ponemos en agua, en presencia del indicador, lo cam-
En el Ateneo
Esta actividad te ayudará a identificar ácidos y bases de uso cotidiano y puedes realizarla en el laboratorio o en el salón de clases. Toma precauciones para evitar que alguna sustancia dañe tu piel. Forma un equipo de 3 o 4 integrantes y consigue lo siguiente.
Necesitas • 11 recipientes pequeños de plástico transparente, desechables o de vidrio • 10 cucharitas desechables o agitadores • Agua de jamaica concentrada • Un refresco de limón sin colorantes • Vinagre de caña • Leche de magnesia
• Destapacaños • Limpiahornos • Jugo de limón • Una tableta de antiácido masticable disuelta en agua • Una tableta de aspirina disuelta en agua • Una tableta de vitamina C disuelta en agua • Leche
Procedimiento • Numera con un plumón indeleble los 11 recipientes • Agrega aproximadamente 5 mL (una cucharadita) del agua de jamaica en cada uno de los recipientes • Deja aparte el recipiente número 1 y agrega con cuidado 20 mL de cada una de las sustancias. Ten cuidado de no intercambiar las cucharas, y agita las mezclas con ellas. »»¿Qué cambios de color observas? »»¿Por qué algunas sustancias no cambian el color del agua de jamaica? »»¿Por qué crees que no se le agregó nada al recipiente número 1? • Apunta todos los cambios y observaciones en tu libreta. • Compartan los resultados con el grupo y clasifiquen entre todos las sustancias en dos grupos : ácidas y básicas.
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GLOSARIO Corrosivo: Sustancia que reacciona con los materiales destruyendo o desgastando su superficie.
bian al mismo color típico de los ácidos? Algo similar debe ocurrir con el limpiahornos, el destapacaños o la leche de magnesia, ¿no lo crees así? Como estudiaste en el bloque 3 la estructura química de las sustancias determina sus propiedades lo cual, veremos con un poco más de profundidad en este bloque. Por lo pronto revisaremos que los ácidos y las bases, como todas las sustancias que conocemos, tienen asociada una fórmula química y un nombre para distinguirlas unas de otras. Además de poder distinguir algunos ácidos y/o su nombre hay dos reacciones químicas que nos permiten saber si una sustancia es un ácido: Ácido + Algunos metales
Hidrógeno(g) + sal
Si al poner un trocito de un metal de la familia 1 o 2 de la tabla periódica en una disolución acuosa, ésta desprende un gas que se inflama con facilidad, dicha disolución contiene un ácido. Por ejemplo: Mg(s) + Esta reacción se usa mucho en las ferias de ciencias para simular la erupción de un volcán, aunque no es la que ocurre en las erupciones verdaderas. Es lo mismo que sucede cuando pones una tableta efervescente en agua.
magnesio
2 HCl(ac)
H2(g)
+ MgCl2 (ac)
ácido clorhídrico
hidrógeno
cloruro de magnesio
Analizaremos con mayor detalle este tipo de reacción en el tema de reacciones de óxido-reducción. Ácido + Carbonato o bicarbonato
… los jugos gástricos tienen en su composición ácido clorhídrico, HCl? Así es, este ácido participa en la digestión de los alimentos. Además, el interior de nuestro estómago no se daña por el contacto con dicha sustancia, ya que de forma continua se regeneran las paredes estomacales, a menos que se padezca alguna enfermedad. Hasta hace unos años se creía que las comidas picantes y muy condimentadas producían úlceras o heridas en el estómago; sin embargo, hoy sabemos que son ocasionadas por la bacteria Helicobacter pylori, la cual es resistente al ácido y sólo puede eliminarse con antibióticos. Se cree que la mitad de la población adulta tiene esa bacteria en el estómago, aunque se desconocen las razones por las que sólo algunas personas enferman y otras no.
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dióxido de carbono (g) + agua + sal
Si a un sólido como el mármol o la piedra caliza, que son carbonatos de calcio, o a un polvo como el bicarbonato de sodio se les agrega una disolución acuosa y comienza a burbujear un gas que no es inflamable, entonces la disolución contiene un ácido. Un ejemplo es la reacción del “volcán en erupción” donde se simula este proceso: NaHCO3 + CH3COOH (ac)
CO2(g)+ H2O(1) + CH3COONa(ac)
Clasificar las sustancias como ácidos o bases no es suficiente pues, como verás más adelante, algunas son mucho más fuertes y corrosivas que otras. Para distinguirlas se necesitan otros tipos de indicadores como el jugo de col morada. Éste se puede preparar moliendo un trozo de col morada con un poco de agua en la licuadora, por un minuto. Después se cuela. Si está muy concentrado, lo cual notarás por la intensidad del color, se le agrega agua. En la siguiente actividad podrás observar el comportamiento del jugo de col morada como indicador.
En el siguiente cuadro se muestran los nombres y fórmulas de algunos de los ácidos y bases más comunes, léelas con detenimiento y luego responde las preguntas en tu bitácora.
con CIENCIA Bases
Ácidos Nombre
Fórmula
Se encuentran en:
Nombre
Fórmula
Se encuentran en:
Ácido clorhídrico
HCl
Jugo gástrico
Hidróxido de sodio
NaOH
Limpiahornos
Ácido sulfúrico
H2SO4
Fábricas de fertilizantes
Hidróxido de potasio
KOH
Fábricas de jabón
Ácido fosfórico
H3PO4
Algunos refrescos
Hidróxido de magnesio
Mg(OH)2
Leche de magnesia
Ácido carbónico
H2CO3
Agua gasificada
Hidróxido de aluminio
Al(OH)3
Algunos antiácidos
Ácido acético
CH3COOH
Vinagre
Hidróxido de calcio
Ca(OH)2
Fabricación de hormigón
Ácido cítrico
C3H5O(COOH)3
Limones y naranjas
Ácido láctico
C2H5OCOOH
Yogures
1. ¿Qué tienen en común todos los nombres del primer cuadro? 2. ¿Cómo se nombra a todas las bases del segundo cuadro? 3. Observa las fórmulas de las bases, ¿qué es lo que tienen todas ellas? 4. En los ácidos es un poco más difícil, pero fíjate bien ¿qué tienen en común todas sus fórmulas? En la lección siguiente se detallan las razones. 5. Escribe con tus propias palabras dos reglas que te permitirán saber si una sustancia es un ácido o una base, si conoces su fórmula o su nombre científico. Con los ácidos y las bases se fabrican cosas de gran importancia en la vida actual.
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En el Ateneo
Necesitas
• 12 tubos de ensayo • un plumón indeleble • 12 pipetas Beral de plástico de 3 mL • Disolución de HCl al 10% • Vinagre de caña • Jugo de limón • Refresco incoloro • Agua • Leche de magnesia
• Disolución de una tableta de aspirina • Disolución de una tableta de antiácido masticable • Disolución de una tableta de vitamina C • Leche • Disolución de destapacaños comercial • Disolución de limpiahornos comercial
Procedimiento • Forma equipos de 3 o 4 integrantes. • Numera los tubos usando el plumón indeleble. • Agrega 3 mL de jugo de col morada en cada uno de ellos. • Deja el tubo 1 como referencia y agrega 3 mL de cada disolución a los tubos que contienen el jugo de col. Estas pipetas de plástico son muy útiles para el tipo de experimentos como éste y se pueden usar muchas veces, si se lavan bien.
• Agita los tubos y observa lo que ocurre. • Compara tus resultados con la escala colorimétrica que se muestra a continuación. • Registra esta comparación en tu bitácora y clasifica las diferentes sustancias como muy ácidas, ácidas, neutras, básicas y muy básicas. • Compara tus resultados con la actividad anterior donde utilizaste como indicador agua de jamaica. • Con ayuda de tu profesor redacta conclusiones sobre la información que proporciona cada indicador, la importancia de mantener un tubo de referencia y la conveniencia de usar uno u otro indicador.
Ésta es la escala de colores que produce el jugo de col morada cuando se mezcla con sustancias ácidas o básicas.
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• Hagan una sesión de cierre comparando las conclusiones de todos los equipos del salón.
Neutralización Otra característica química de los ácidos y las bases es que reaccionan entre sí. Esto significa que cuando entran en contacto se transforman y dan lugar a nuevas sustancias. Este proceso se conoce como neutralización. De modo que cuando un ácido reacciona con una base se produce una sal y agua. base + ácido
sal +
agua + calor
La neutralización se usa de forma cotidiana por las empresas, industrias o los laboratorios que generan desechos ácidos o básicos contaminantes. Más adelante estudiarás reacciones de neutralización que se realizan dentro de nuestros cuerpos. Las sustancias muy ácidas o muy básicas pueden ser altamente corrosivas. La reacción de neutralización es también una manera de producir o sintetizar sales. En química llamamos sales a un conjunto de sustancias iónicas formadas por un metal y un no metal, como KBr, bromuro de potasio; o un metal, un no metal y oxígeno como Na2SO4, sulfato de sodio. Quizá la sal más conocida es la sal de mesa o cloruro de sodio, NaCl, empleada para cocinar y dar sabor a los alimentos. Pero no es la única, existe un gran número de sustancias de esta clase con muchas y muy distintas utilidades en la vida diaria y en las industrias. Por ejemplo: el cloruro de calcio, CaCl2, es el sólido blanco que se envasa en bolsas pequeñas, se coloca en los empaques de aparatos electrónicos y se usa como agente desecante. El cloruro de potasio, KCl, se vende como
Escribe en tu bitácora las siguientes ecuaciones y, mediante lo aprendido en el bloque 3 sobre balanceo, complétalas. Sigue el ejemplo propuesto y no olvides balancear y poner el nombre de todos los reactivos y productos.
A menudo se dice que el abuso en el empleo de fertilizantes produce contaminación. Investiga a qué clase de contaminación se refiere y cómo ocurre.
con CIENCIA
NH4OH(ac) +
2 HCl(ac)
NH4Cl (ac)
hidróxido de amonio
ácido clorhídrico
cloruro de amonio agua
NaOH (ac)
+
HCl (ac)
Ca(OH)2 (ac) +
HCl (ac)
KOH (ac)
+ +
H3PO4 (ac) +
HNO3 (ac) Ca(OH)2(ac)
+ H2O (l)
+ H2O (1) H2O (1)
+
H2O (1)
+ KCl (ac)
KNO3 (ac)
+ H2O (1) +
.
.
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GLOSARIO Desecante:
Sustancia que ayuda a mantener equipos libres de humedad.
Situada en Baja California Sur, la salina de Guerrero Negro, la más grande del mundo, tiene capacidad para producir 7 millones de toneladas de sal al año.
… la nixtamalización del maíz evita la enfermedad conocida como pelagra? Este padecimiento se presenta por la falta de vitamina B. Los europeos tomaron de México el maíz, pero no la nixtamalización (quizá por razones culturales). La consecuencia fue que, hasta 1950, había brotes de pelagra en las poblaciones que consumían el maíz sin nixtamalizar. La carencia de tequesquite fue motivo de guerra entre aztecas y tlaxcaltecas. Además, el comercio de esta mezcla salina se hacía en Iztapalapa, nombre que significa pueblo donde se recoge la sal.
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sustituto de la sal de mesa para las personas que tienen alta presión arterial o problemas intestinales y no pueden absorber el ion K+ de forma eficiente. Una práctica común de los agricultores es abonar los campos agrícolas con excremento de animales, para regresar parte de los nutrientes que se toman de la tierra, pero dada la concentración de población en las ciudades y el agotamiento por sobreexplotación de los suelos, entre otros factores, se ha tenido que recurrir al uso de fertilizantes químicos. Hoy en día, en esta importante industria se sintetizan, cada año, miles de toneladas de sales como de nitrato de potasio, KNO3, el fosfato de calcio, Ca3(PO4)2, o el cloruro de amonio, NH4Cl. En todas las reacciones de neutralización se forma agua, H2O, sustancia muy estable y las sales permanecen disueltas en ella. Ahora te invitamos a resolver las ecuaciones anteriores sobre neutralización. Desde hace siglos “salar” las carnes (pescado o ternera) es una técnica común para conservar los alimentos sin descomponerse. La explicación de esto es que la sal absorbe el agua de la carne y los microorganismos patógenos no pueden sobrevivir en esas condiciones. También las diversas culturas prehispánicas mesoamericanas tenían conocimientos sobre el uso y la obtención de sales. En tiempo de secas los habitantes del valle de México recogían unas “costras” que se formaban en la superficie del suelo, llamadas tequesquite, del náhuatl: tetl = piedra, quizquitl = brotar. Por ejemplo, El suelo de Texcoco contiene 81% de sales, entre las que sobresale el carbonato de sodio, Na2CO3, con un 45% y el cloruro de sodio, NaCl, con 34%. La adición de tequesquite a la comida permitía su condimentación y facilitaba la cocción de las legumbres. Todavía muchas personas lo usan para el nixtamal o al cocer elotes pues contiene también hidróxido de calcio, Ca(OH)2, el cual junto con un aumento de temperatura ablanda las cascarilla que recubre los granos de maíz, lo cual facilita la molienda. La neutralización es una reacción que no sólo se produce en los laboratorios o en las fábricas, sino también de forma natural y en ocasiones es necesario llevarla a cabo en los lagos o en los campos. Es muy probable que hayas escuchado de los efectos de la lluvia ácida en el ambiente. Ésta se forma cuando las gotas de lluvia pasan a través de una atmósfera contaminada con sustancias resultantes de las combustiones de los motores que utilizamos. Una ecuación que ilustra este tipo de reacciones es: SO3 (g) + H2O (1)
H2SO4(1 )
donde el trióxido de azufre, que sale de los tubos de escape de los automóviles, reacciona con el agua y produce ácido sulfúrico. Los óxidos de nitrógeno (NO y NO2) y los de carbono (CO y CO2) también reaccionan con el agua. La lluvia ácida modifica el frágil equilibrio en el que viven las plantas y los animales en los lagos, ya que algunas especies son muy sensibles a los cambios en la acidez de su entorno. Algunos minerales que se encuentran en los suelos de los bosques, reaccionan con los ácidos y forman otras sustancias que se disuelven en el agua. Éstas son nocivas para la vegetación; además, se filtran al subsuelo y contaminan el agua de los mantos freáticos y los ríos.
En los lugares donde ocurren estos problemas las autoridades deben analizar la acidez de los lagos y suelos, y cuando su cantidad rebasa los límites, utilizan bases como el hidróxido de calcio para neutralizarlos. Sin embargo, los causantes de la contaminación también deben intervenir en el saneamiento y recuperación de las zonas afectadas y disminuir o evitar las emisiones que las producen.
Los arrecifes de coral Un arrecife de coral es una estructura de piedra caliza, formada principalmente por carbonato de calcio (CaCO3), que proporciona refugio a casi una cuarta parte de toda la vida marina. Así, estos grandes y complejos ecosistemas son hogar de más de 4 000 especies de peces, 700 especies de coral y otros miles de plantas y animales. Un arrecife de coral es una estructura de piedra caliza, formada principalmente por carbonato de calcio (CaCO3), que proporciona refugio a casi una cuarta parte de toda la vida marina. Así, estos grandes y complejos ecosistemas son hogar de más de 4 000 especies de peces, 700 especies de coral y otros miles de plantas y animales.
El proceso de neutralización de un lago debe ser muy cuidadoso para no llevar al agua a niveles básicos o producir sales que pudieran dañar el ecosistema.
• Ahora reflexiona y responde las siguientes preguntas »»¿Cómo afecta un cambio en la acidez del agua de mar un ecosistema como el descrito? »»¿Qué contribución ambiental hacen los corales del planeta? »»Investiga qué puedes hacer para proteger los arrecifes de coral.
México tiene arrecifes coralinos en sus aguas del océano Pacífico, del Golfo de México y del mar Caribe en la península de Yucatán. En esta última zona, el arrecife forma una barrera discontinua de casi mil kilómetros de longitud que se prolonga hasta Honduras. Es la segunda más grande del mundo después de la Gran Barrera de Arrecifes de Australia.))
Como puedes ver, la fortaleza de San Juan de Ulúa, en Veracruz, fue construida con restos de un arrecife coralino.
…que la sal de mesa, NaCl, ha acompañado desde hace mucho tiempo a la humanidad? En el antiguo Egipto ya se usaba como condimento para los alimentos y fue uno de los componentes más importantes del equipo de viaje de los soldados romanos; de hecho, la palabra salario deriva de ella.
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con CIENCIA Necesitas • 1 frasco de vidrio con tapa • Polvo o pedacería de mármol • Disolución acuosa de ácido sulfúrico al 10% (Ten precaución al trabajar con el pues aunque esta diluido puede producir quemaduras en la piel) • 1 pipeta Beral de 3 mL • 1 vela
En los monumentos La lluvia ácida no sólo es un problema para los seres vivos en los lagos y en los bosques, también lo es para todos los monumentos y manifestaciones artísticas de civilizaciones anteriores a la nuestra, que se encuentran a la intemperie.Numera los tubos usando el plumón indeleble. • Investiga cuál es el compuesto principal del mármol y de la piedra caliza. Ambos son el principal material con que se crearon templos, pirámides y obras de arte en la antigüedad. • ¿Por qué se construyeron con estos materiales? • Escribe la ecuación de la reacción que se desarrolla cuando el ácido sulfúrico entra en contacto con dicho compuesto. • ¿En que se convierten las obras de arte cuando están en el exterior y entran en contacto con lluvia ácida? • ¿Cómo podemos protegerlas? Ahora te invitamos a convertir una piedra en gas.
Procedimiento • Pon el polvo o pedacería de mármol en el frasco de vidrio y agrégale despacio la disolución de ácido sulfúrico. • Observa lo que ocurre y anótalo en tu bitácora. • Después de hacer tus anotaciones, tapa el frasco y enciende la vela. • Acerca la vela a la boca del frasco y destápalo, ten cuidado de no quemarte. • Observa lo que ocurre y anótalo en tu bitácora. • Escribe la ecuación de la reacción que se realizó e investiga por qué el gas formado apagó la vela.
Disminuir la emisión de los óxidos que reaccionan con el agua, evitará el deterioro de estas maravillas creadas por la humanidad.
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En el Ateneo Como recordarás de tu curso de Ciencias I, durante la respiración los seres vivos eliminamos dióxido de carbono como residuo de nuestro metabolismo. Este gas, como otros que hemos estudiado, reacciona con el agua y cambia sus propiedades. Observa cómo reacciona el aire que exhalamos con un indicador.
Procedimiento
Necesitas • 1 tubo de ensayo • 1 popote de plástico para cada alumno • Jugo de col morada
• Forma un equipo de 3 o 4 integrantes. • Vierte 3 mL del jugo de col en cada uno de los tubos de ensayo y luego introduce el popote. • Sopla a través del popote de manera que el gas que exhalan burbujee en la disolución del indicador. • Hazlo hasta que observes un cambio de color. • Compara el color obtenido con la escala de colores del indicador de col morada de la página 166. • Discute con tus compañeros del grupo por qué ocurrió el cambio y cuál fue la reacción que se llevó a cabo. • ¿Cómo supones que este fenómeno afecta los mares y océanos de nuestro planeta?
Los museos resguardan del clima y la contaminación, a las obras de arte de civilizaciones antiguas.
Modelo de ácidos y bases Si bien los seres humanos comenzaron a producir reacciones químicas desde que aprendieron a dominar el fuego y curtieron las pieles de los animales para cubrirse con ellas, no fue sino hasta el siglo XVII cuando se empezaron a elaborar los conceptos químicos fundamentales, sólo entonces se hicieron las primeras descripciones precisas de algunas sustancias. No es de sorprender que en las primeras clasificaciones se hayan usado los sentidos, lo cual hoy en día parecería poco preciso, e incluso arriesgado.
En el siguiente sitio podrás investigar más sobre diferentes problemas ambientales en los que todos debemos ocuparnos. http://www.greenpeace.org/ mexico
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Ésta es otra manera de representar la ecuación de neutralización.
El primer intento de dar una explicación teórica del comportamiento de los ácidos y las bases fue hecho por Antoine L. Lavoisier, en el siglo XVIII, él proponía que todos los ácidos contenían oxígeno. Sin embargo, fue Humphy Daby quien afirmó, en 1815, que el elemento clave en el comportamiento de los ácidos era el hidrógeno, aunque no pudo explicar la reactividad de las bases y éstas fueron definidas en función de su capacidad para neutralizar los ácidos. Los científicos de todas las disciplinas usan modelos para comprender lo que ocurre a su alrededor y la química, desde luego, no es la excepción. A finales del siglo XIX se propuso el primer modelo para comprender la reactividad de estas sustancias.
Modelo de Arrhenius
Svante Arrhenius recibió el premio Nobel de Química en 1903.
…los ácidos y las bases tienen muchas aplicaciones en la vida cotidiana? Los ácidos se utilizan para fabricar detergentes, baterías de los automóviles y fertilizantes. Por ejemplo, el ácido sulfúrico es el producto industrial más importante del mundo, a tal punto que se considera un indicador del grado de industrialización de un país. Las bases se usan para fabricar jabones, celofán, papel, pilas y colorantes.
174
En la década de 1880 el sueco Svante Arrhenius presentó lo que hoy se conoce como su modelo de los ácidos y las bases, el cual dio la primera explicación satisfactoria sobre el comportamiento de dichas sustancias. Arrhenius también afirmó que los ácidos son sustancias que producen iones H+(o protones), en presencia de agua, y que las bases aportan los iones OH-(iones hidróxido) a la disolución acuosa. Al paso de los años y con tus conocimientos de las fórmulas químicas no parece ser algo muy sorprendente, pero en aquel entonces causó toda una revolución; sobre todo porque fue la primera vez que se planteaba la posibilidad de generalizar y predecir reacciones. Lo que hoy conocemos como pila eléctrica se debe a las aportaciones de Luigi Galván, en 1780, y de Alessandro G. Volta, en 1800. A partir de entonces la electricidad y los fenómenos relacionados con ella formarían parte de todas las disciplinas científicas. En el campo de la química muchos científicos la utilizaron para separar compuestos en sus elementos, para conocer las proporciones de éstos en las distintas sustancias y para realizar muchas reacciones químicas que no se producen de manera espontánea. A principios del siglo XX ya se sabía que el agua pura no conduce la corriente eléctrica, pero si se le mezclaba con algunas sales se producía la conducción eléctrica. De hecho, Michael Faraday dio el nombre de electrólitos a este tipo de sustancias, y de no electrólitos a las que se disolvían en agua pero no la volvían conductora. Sin embargo, aún no existía una explicación para tales fenómenos. Arrhenius inicialmente trabajó con sales y en su tesis doctoral desarrolló una teoría sobre la conducción de los electrólitos, por la que años después se le otorgó el premio Nobel. Tiempo después, gracias a esta teoría propuso el primer modelo de reactividad entre los ácidos y las bases. Arrhenius había trabajado con sales y su disolución en agua, lo cual le permitió explicar cómo ocurría una reacción de neutralización. Mediante fórmulas químicas podemos representar los ácidos, según el modelo de Arrhenius, como HA
H2O
En este caso, A representa a cualquier anión.
H+1 (ac)
+ A-1 (ac)
Los ácidos pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. Ejemplos de este proceso son: HCl (g)
H2O
H+1 (ac) + Cl-1 (ac)
Ácido clorhídrico
protón
CH3COOH (l)
H2O
ion acetato
H+1 (ac) + CH3COO-1 (ac)
Ácido acético
protón
ion acetato
La cantidad de el ion H+ disminuye de 0 a 14 y en pH 7 la cantidad de H+ y OH- es igual. Esto ocurre en el agua pura.
Según el mismo modelo las bases se pueden representar como: XOH
H2O
OH-1 (ac) + X+1 (ac)
Donde X representa en este caso cualquier catión.
Un ejemplo de este proceso para una base es: KOH (s)
H2O
Hidróxido de potasio
OH-1 (ac) + Na+1 (ac) ion hidróxido ion sodio
A estos cambios, que ocurren cuando una sustancia se disuelve en agua, se les conoce como disociación. Lo anterior ayuda a explicar la neutralización como la reacción de la especie H+1(ac) con la especie OH-1(ac), en la cual se produce agua líquida y los otros iones, que forman la sal, quedan en disolución. La siguiente es la ecuación clásica que representa la neutralización: HCl (ac) Ácido clorhídrico
+
NaOH (ac)
Hidróxido de sodio
H+1(ac)+ Cl-1(ac)+ Na+1(ac)+ OH-1(ac) O bien
H2O (1)
+ NaCl (ac)
Agua
Cloruro de sodio
Las tiras indicadoras de pH son seguras y permiten conocer los valores en cualquier lugar, los pHmetros se usan en laboratorios cuando se necesita alta precisión.
H2O(l)+ Na+1(ac)+ Cl-1(ac)
No todas las ecuaciones de neutralización son tan simples pues, como habrás notado en las tablas de la página 165, algunos ácidos y bases tienen más de un protón (ácidos polipróticos) o más un ion hidróxido. Como recordarás, al inicio de la lección señalamos que no todos los ácidos y las bases se comportan igual, algunos son peligrosos pues pueden producir quemaduras en la piel, mientras que otros forman parte de nuestra dieta. Las sustancias corrosivas son aquellas que al disolverse en agua se disocian por completo; son los casos del ácido clorhídrico, nítrico y el sulfúrico, conocidos como ácidos fuertes. Lo mismo ocurre con el hidróxido de sodio o el de potasio, llamadas bases fuertes. A las sustancias que se disocian parcialmente en agua como el ácido acético, láctico y cítrico, así como el hidróxido de aluminio o de magnesio, se les denomina ácidos o bases débiles, y son las que podemos comer ya que en bajas concentraciones no provocan daños a nuestro organismo.
… por qué las bases, o álcalis, son resbalosas al tacto? Lo que hacen en realidad estas sustancias es disolver la piel y los dedos, por eso se siente como si hubiera aceite entre ellos. Por esta cualidad empleamos las bases fuertes para limpiar cañerías tapadas por restos orgánicos y para quitar el cochambre de hornos y parrillas.
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En el Ateneo
• Forma equipos de tres integrantes y balancea las siguientes ecuaciones de neutralización. • Recuerden que sólo deben anteponer los coeficientes estequiométricos sin dividir o cambiar las fórmulas.
Cuando el agua actúa como base acepta un protón, formando el ion hidronio, H3O+1, considerado como un protón hidratado.
H2SO4(ac) +
NaOH (ac)
Na2SO4 (ac)
+ H2O (1)
Al(OH)3 (ac) +
HCl (ac)
H2O (1)
+ AlCl3 (ac)
Ca(OH)2 (ac) +
H2CO3 (ac)
CaCO3 (ac)
+ H2O (1)
Es probable que hayas escuchado o visto anuncios de champús, o jabones, o cremas faciales en los que se mencionan ciertos “pH”, o bien análisis de orina o de sangre en los que se reporta el pH de los fluidos corporales, por mencionar algunos ejemplos del amplio uso de este concepto en la vida diaria. Profundizar en el pH está fuera de los objetivos de este curso, pero es importante saber que se usa para medir qué tan ácidas o básicas son las sustancias y que un valor de pH por debajo de 7 es considerado ácido, 7 es neutro y entre 7.1 y 14 es básico. Hay dos formas comunes de determinar el pH en disoluciones acuosas, una es a través de aparatos electrónicos conocidos como pHmetros que dan valores exactos. El otro es por medio de las tiras de papel sobre las que se impregnan indicadores como los que usaste antes. Los hay de diversas calidades, pero con todos ellos se pretende lo mismo: saber si una sustancia es un ácido o una base a través de un cambio de color. Las tiras de papel son más económicas y existen en muchas presentaciones; además, siempre vienen acompañadas de una
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• Usa esferas de unicel partidas por la mitad o plastilina de diferentes colores y palillos de madera, para representar una de las ecuaciones anteriores sobre un pedazo de cartón. Si tu maestro está de acuerdo, puedes pegarlas en las paredes del salón.
Las bases como el hidróxido de sodio, NaOH, también llamada sosa, y el hidróxido de potasio, KOH, o potasa, pueden producir fuertes quemaduras. Si alguna vez se te derraman en la piel lávate con abundante agua y luego agrega vinagre para neutralizarlas.
Sugiere que revisen en grupo el video El protón en química, de la colección “El mundo de la química”, vol. VIII. Les ayudará a reafirmar conceptos y aclarar posibles dudas.
escala de color para comparar el resultado. El modelo de ácidos y bases de Arrhenius tuvo, como siempre ocurre cuando se proponen modelos científicos, una vigencia limitada. No tardaron en surgir inconsistencias, especialmente en la definición de las bases, que hicieron evidente la necesidad de modificarlo. Hay sustancias que no contienen el grupo OH-1 en su composición y producen el cambio a color básico en los indicadores. Un ejemplo es el amoniaco, NH3, un gas soluble en agua que forma parte de los limpiadores que dicen tener “amonia”. Al modelo de Arrhenius le siguió el de Brönsted-Lowry , propuesto de manera independiente en 1923 por Brönsted en Dinamarca, y por Lowry en Inglaterra, el cual plantea que el agua participa de manera activa en los procesos ácido-base. Según este modelo, una reacción ácido-base es aquella en la que se transfiere un protón de una especie a otra. Las especies que ceden los protones son lo ácidos y la que los aceptan son las bases. De esta forma pudo darse explicación a la reactividad básica del amoniaco NH3(g)
+
base
H2O (1)
NH4+1 (ac)
+ OH-1 (ac)
H3O+1 (ac)
+ OH-1 (ac)
GLOSARIO Pesticida: Sustancia
destinada a combatir plagas.
ácido
y a la neutralidad de agua H2O (l) ácido
+
H2O(1) ácido
Si quieres saber más sobre las historia del café y el chocolate y los efectos de sus alcaloides en el cuerpo humano lee los números 72 y 98 de ¿cómoves?, revista de divulgación de la ciencia de la UNAM. O conéctate a revista.consumer.es/web/es/20050201/ alimentacion/ www.adieta.com/articulo.asp?id=36 www.aromaysabor.com/ La historia completa de ácido acetilsalicílico es fascinante, si quieres profundizar en ella consulta la página http://www.aspirina.com/aspirinaProf/default_ home.htm
Estas sustancias son estimulantes del sistema nervioso y son adictivas aun en muy pequeñas dosis.
...son los alcaloides? Son sustancias de sabor amargo que al disolverse en agua se comportan como bases (el sufijo griego oide significa semejante). Algunos alcaloides conocidos son la cafeína, que se encuentra en el café y los refrescos de cola y posee efectos estimulantes y diuréticos; la teobrombina, contenida en las semillas de cacao y por lo tanto en el chocolate; o la nicotina, uno de los componentes del tabaco que también sirve como pesticida .
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¿QUÉ APRENDÍ EN ESTA LECCIÓN? Los ácidos y las bases son sustancias químicas muy comunes, con las que estamos en estrecho contacto. Es fácil reconocerlas por sus propiedades físicas y químicas y por medio de indicadores coloridos. Interactúan entre sí en la reacción de neutralización y producen sales y agua. El aumento de combustiones en el planeta y la lluvia ácida producen efectos ambientales que pueden comprenderse a través del estudio de la química. El modelo de Arrhenius fue el primero que pudo dar explicaciones certeras a la reactividad de los ácidos y las bases aunque, como suele suceder en las ciencias, los modelos siempre son mejorados y superados con el tiempo.
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