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FÍSICA Y QUÍMICA 2.º ESO Enrique Andrés del Río Francisco Larrondo Almeda Ángel Rodríguez Cardona Francisco Martínez Salmerón

Coordinador y asesor didáctico Enrique Andrés del Río Revisores técnicos Diego Molinera Galán Daniel Esteban Sanzol Revisor pedagógico Pablo Sócrates Domínguez Lorenzo

MADRID · BUENOS AIRES · CARACAS · GUATEMALA · LISBOA · MÉXICO NUEVA YORK · PANAMÁ · SAN JUAN · BOGOTÁ · SÃO PAULO · AUCKLAND HAMBURGO · LONDRES · MILÁN · MONTREAL · NUEVA DELHI · PARÍS SAN FRANCISCO · SÍDNEY · SINGAPUR · SAINT LOUIS · TOKIO · TORONTO

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TABLA DE CONTENIDOS unidad 1

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 6 1. Introducción al método científico........................................................................................................................ 8 La actividad científica 2. Magnitudes................................................................................................................................................................... 12 3. El laboratorio................................................................................................................................................................ 16 4. La ciencia en la sociedad......................................................................................................................................... 18 5. Tu primer proyecto de investigación.................................................................................................................. 22 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 24 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 24 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 25 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 26 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 28

unidad 2

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 30 1. La materia y sus propiedades................................................................................................................................ 32 Propiedades 2. La densidad................................................................................................................................................................... 36 de la materia 3. Estados de agregación............................................................................................................................................. 38 4. Teoría cinética de la materia.................................................................................................................................. 40 5. Leyes de los gases...................................................................................................................................................... 46 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 50 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 50 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 51 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 52 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 54

Proyecto de investigación I

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 56 1.ª fase: Planteamiento del problema............................................................................................................................ 56 Jugando con la densidad 2.ª fase: Formulación de hipótesis................................................................................................................................. 56 3.ª fase: Investigación.......................................................................................................................................................... 56 4.ª fase: Desarrollo................................................................................................................................................................ 57 5.ª fase: Conclusión.............................................................................................................................................................. 57

unidad 3

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 58 1. Clasificando la materia............................................................................................................................................. 60 Sistemas materiales 2. Las disoluciones.......................................................................................................................................................... 64 3. Tipos de disoluciones .............................................................................................................................................. 66 4. Concentración de las disoluciones..................................................................................................................... 70 5. Técnicas de separación de mezclas.................................................................................................................... 72 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 74 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 74 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 75 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 76 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 78

unidad 4

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 80 1. Sustancias puras: sustancias simples y compuestos................................................................................... 82 Estructura de la materia 2. Átomo y partículas subatómicas.......................................................................................................................... 83 3. Modelos atómicos...................................................................................................................................................... 86 4. Números atómico y másico..................................................................................................................................... 88 5. Introducción al sistema periódico....................................................................................................................... 92 6. Enlace químico: moléculas y cristales................................................................................................................ 94 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 98 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 98 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 99 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 100 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 102

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unidad 5

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 104 1. Cambios en la materia.............................................................................................................................................. 106 La reacción química 2. La reacción química................................................................................................................................................... 108 3. Ley de conservación de la masa........................................................................................................................... 110 4. La energía en las reacciones.................................................................................................................................. 112 5. Velocidad de reacción.............................................................................................................................................. 114 6. Reacciones químicas importantes....................................................................................................................... 116 7. La química en nuestra vida..................................................................................................................................... 118 8. Química y medio ambiente..................................................................................................................................... 120 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 124 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 124 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 125 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 126 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 128

unidad 6

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 130 1. La cinemática................................................................................................................................................................ 132 Fuerzas y movimiento 2. El concepto de fuerza............................................................................................................................................... 138 3. El rozamiento................................................................................................................................................................ 143 4. La fuerza de la gravedad......................................................................................................................................... 144 5. La fuerza eléctrica...................................................................................................................................................... 148 6. La fuerza magnética.................................................................................................................................................. 150 7. Electricidad y magnetismo..................................................................................................................................... 151 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 152 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 152 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 153 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 154 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 156

Proyecto de investigación II

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 158 1.ª fase: Planteamiento del problema............................................................................................................................ 158 Dos experimentos que 2.ª fase: Formulación de hipótesis................................................................................................................................. 158 cambiaron el mundo 3.ª fase: Investigación.......................................................................................................................................................... 158 4.ª fase: Desarrollo................................................................................................................................................................ 159 5.ª fase: Conclusión.............................................................................................................................................................. 159

unidad 7

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 160 1. La energía...................................................................................................................................................................... 162 La energía 2. Energía, calor y temperatura ................................................................................................................................ 166 3. Dilatación térmica...................................................................................................................................................... 170 4. La energía en nuestras vidas................................................................................................................................. 172 5. El necesario ahorro de energía............................................................................................................................ 178 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 180 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 180 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 181 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 182 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 184

unidad 8

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 186 1. La corriente eléctrica................................................................................................................................................ 188 La corriente eléctrica 2. Magnitudes eléctricas.............................................................................................................................................. 189 3. Circuitos eléctricos.................................................................................................................................................... 192 4. Máquinas eléctricas................................................................................................................................................... 198 5. ¿Cómo se produce la energía eléctrica que llega a nuestras casas?.................................................. 199 6. La revolución electrónica........................................................................................................................................ 204 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 206 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 206 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 207 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 208 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 210

Anexo

Formulación química............................................................................................................................................................ 212

Presentación de la unidad

CÓMO SE UTILIZA ESTE LIBRO

2

Te proponemos un reto

PROPIEDADES DE LA MATERIA

Vamos a montar un pequeño arcoíris de colores en un vaso. Para ello, necesitamos lo siguiente: sirope, miel, aceite de girasol, aceite de oliva, agua y alcohol. Vamos a mezclar todo en una copa de cava, ayudándonos de una cuchara. 1. Vierte el sirope, ayudándote de la cuchara. 2. Echa un poco de miel. 3. A continuación, añade un poco de agua. 4. Después, aceite de girasol y, luego, aceite de oliva. 5. Por último, vierte el alcohol de 96º. Responde a las siguientes cuestiones:

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a) Si cambiáramos el orden para añadir los elementos, ¿el resultado sería diferente? Compruébalo. b) ¿Sabrías explicar lo que ha pasado?

La pregunta «¿qué es materia?» ya se la plantearon los filósofos griegos hace miles de años. Todo empezó con el filósofo Demócrito, hacia el año 400 a. C., y llegar hasta la definición actual no fue fácil. Se necesitaron miles de años para poder establecerla. Al finalizar esta unidad serás capaz de entender qué es la materia y distinguir qué es materia y qué no lo es. Nos servirá de base para ir construyendo, poco a poco, nuevos conocimientos científicos que serán útiles en tu vida cotidiana. Los cristales de un coche al empañarse, la evaporación del agua en una olla o los cubitos de hielo son tres ejemplos de fenómenos que trataremos en esta unidad. A lo largo de ella te encontrarás con la primera teoría científica que verás en este curso. El esfuerzo y la paciencia son dos características de todo científico. Es posible que notes más dificultad en esta unidad, pero no debe asustarte, el esfuerzo merecerá la pena, no lo olvides; la ciencia merece la pena. «Únicamente el que hace, aprende.»

Un texto introductorio te presenta cada unidad y la acerca a tu entorno. En el sumario tienes un avance de los contenidos.

1 2 3 4 5

La materia y sus propiedades La densidad Estados de agregación Teoría cinética de la materia Leyes de los gases

Antes de empezar te proponemos un reto: una actividad motivadora y experimental sobre los nuevos contenidos.

Desarrollo de contenidos PIENSA Y RAZONA

Estudiar será divertido con este libro. La teoría es clara y concisa, y el texto está acompañado de imágenes e infografías que te van a ayudar a entenderlo todo de forma fácil y muy visual.

8 Química y medio ambiente La industria química nos aporta infinidad de ventajas al suministrar nuevos materiales con propiedades más adecuadas o innovadoras. Pero también tiene ciertos aspectos negativos que, hasta hace poco, no se han tenido en cuenta.

El volumen de un cuerpo se puede calcular según su forma. Si se trata de una forma regular, como por ejemplo una esfera o un cilindro, podemos calcular su volumen matemáticamente con las fórmulas correspondientes. r

V = π · r2 · h

Origen

CH4

CIENCIA 2.0 Aprende a realizar distintos tipos de medición de volúmenes con esta animación: goo.gl/SLNuxr

Fuente de CO2 : el abuso de los combustibles fósiles (carbón y petróleo).

EXPERIMENTA Imitando la lluvia ácida Consecuencias • Descenso en la capa de hielos, aumento del nivel del mar y modificación de las corrientes oceánicas. • Modificación del clima con el incremento de la sequía y fenómenos atmosféricos violentos. • Incremento del riesgo de incendios. • Desaparición de especies por destrucción de su entorno.

Fuente de CH4: emisiones procedentes de la digestión del ganado. Existe una fuente de origen submarino, procedente de bolsas de metano atrapadas en los fondos y que, a causa del calentamiento del océano y de movimientos tectónicos, son liberadas.

ACTIVIDADES 4. Convierte las siguientes unidades: a ) 500 g a kg. b ) 250 cm3 a L. c ) 1200 dg a Hg.

Puedes ver el incremento de la concentración de CO2 en goo.gl/Tp2HZd

d ) 1960 m3 a mL.

5. Calcula el volumen en el SI de una esfera de 10 cm de radio.

Experimentos diseñados para realizar en el aula, que te enseñarán a resolver en la práctica lo que has aprendido.

Soluciones • Reducir el uso de combustibles fósiles mediante la promoción de energías renovables. • Controlar la cantidad de ganado para alimentación mediante un consumo responsable.

UNIDAD 5

1. Vamos a determinar el volumen de un objeto irregular como una piedra de mármol. Necesitamos una probeta, agua y una piedra de mármol: a) Llenamos la probeta con agua hasta que ocupe aproximadamente la mitad. Apuntamos el nivel del agua. b) Introducimos la piedra de mármol y anotamos el nuevo volumen. c) La diferencia entre ambos volúmenes es el volumen del objeto.

LABORATORIO EN EL AULA

CH4

H2 O

El vapor de agua corresponde a un ciclo natural y no es de origen humano.

UNIDAD 5

4 · π · r3 3

EL LABORATORIO EN EL AULA El volumen de una piedra

SO2 SO3 NxOy

Soluciones • Disminuir el consumo de combustibles fósiles. • Eliminar el azufre antes de utilizar el combustible. • Eliminar los óxidos antes de emitirlos a la atmósfera.

V=

Para estos casos, no hay ninguna fórmula matemática que pueda ayudarnos. Nos basamos en un principio fundamental de la ciencia: «dos materias no pueden ocupar el mismo espacio». Cuando sumergimos un objeto en un líquido, el volumen de este asciende, como en el caso de la bañera. El volumen que introducimos, es decir, el volumen del objeto, es exactamente el volumen que ha ascendido.

CO2

Ácidos H2SO4 HNO3

Consecuencias Se acidifican los suelos y las aguas de ríos y lagos. Los árboles acaban enfermando y muriendo. Ataca y disuelve las piedras calizas (básicas), que forman edificios, monumentos y el paisaje en general.

r

Si llenas completamente una bañera hasta el final y te introduces en ella: a) ¿Qué es lo que le pasa al agua? b) Una vez introducido en la bañera completamente, si te sumerges hasta el fondo, ¿pasará lo mismo?

El problema surge cuando la presencia de CO2, CH4 y H2O en la atmósfera aumenta más de lo habitual, produciendo un efecto invernadero «extra».

Efecto En los últimos años se ha detectado un incremento de este efecto a causa del aumento de la concentración de estos gases en la atmósfera.

Origen Los combustibles utilizados para la locomoción y la producción eléctrica emiten óxidos de azufre y nitrógeno que reaccionan con el agua de las nubes y producen ácidos.

h

Sin embargo, es poco habitual encontrarnos en la naturaleza con cuerpos de forma regular. Habitualmente, la forma es irregular, como una piedra o incluso nosotros mismos. ¿Cómo podrías calcular tu propio volumen?

El efecto invernadero

La lluvia ácida

6. Para imitar el efecto de la lluvia ácida de forma acelerada, toma una roca caliza como el mármol y déjala en vinagre (o salfumán) durante dos días. Realiza un mural con fotografías del proceso donde muestres el aspecto del mármol antes y después.

Planteamientos que van a despertar tu curiosidad y te motivarán hacia el aprendizaje.

PIENSA Y RAZONA Historia La Tierra posee una temperatura media de unos 14,3  ºC gracias a la presencia en su atmósfera de dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y vapor de agua. Estos gases actúan impidiendo que las emisiones de calor que emite el planeta en forma de radiación lleguen al espacio, de modo que provocan un calentamiento general. Sin la presencia de este efecto, nuestro plantea tendría una temperatura de –19 ºC.

El progreso del ser humano está vinculado a la forma de obtener energía y a los materiales que utiliza hasta el punto de que las edades de la historia se nombran en función del material predominante: Edad de Piedra, de Bronce, de Hierro. Incluso, en la actualidad, se habla de la edad del plástico.

Efecto Se incrementa la acidez del agua de lluvia hasta alcanzar valores de pH inferiores a 5,6.

120

Friedrich Nietzsche

Sumario

UNIDAD 2

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN I: Jugando con la densidad

1.ª FASE: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA IMPORTANTE

121

Para realizar la investigación es interesante saber que la densidad del agua es: 1 kg/L

En la unidad has estudiado lo que entendemos por densidad. ¿Serás capaz ahora de aplicar tus conocimientos a una investigación? En este caso, vamos a utilizar un simulador muy divertido, que puedes encontrar en goo.gl/dJqQb5. Tu misión consistirá en resolver los cuerpos misteriosos que se ocultan al final de la simulación y responder al problema: ¿QUÉ HA DE CUMPLIR UN CUERPO PARA QUE FLOTE EN AGUA?

2.ª FASE: FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS

EXPERIMENTA

Aunque las posibilidades son muchas, plantéate, a partir de tus conocimientos actuales, algunas hipótesis (posibles respuestas) a estas preguntas: [H1] Para que un cuerpo flote, ¿cuánto ha de valer su densidad?

Demostraciones sencillas de pocos minutos que puedes llevar a cabo con material casero y están acompañadas de actividades.

[H2] Si tengo dos cuerpos de la misma masa y solo uno flota en el agua, ¿cuál será, el grande o el pequeño?

[H3] Si tengo dos cuerpos del mismo volumen y solo uno flota en agua, ¿cuál será, el de mayor o el de menor masa?

3.ª FASE: INVESTIGACIÓN

PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN

Experimento 1: Toma de o Primero, debes familiarizarte con el instrumental. En este caso es la simulación. 1. Toma el objeto de madera y juega con él: húndelo, déjalo caer, sumérgelo. Haz con él lo que quieras. Después, déjalo en reposo, sigue las indicaciones y calcula lo siguiente: a) Deja la masa a 2 kg, lee su volumen y calcula su densidad. b) ¿Cómo puedes averiguar el volumen sumergido? c) ¿Cuál sería su densidad si únicamente ocupase el volumen sumergido? d) Aumenta su masa a 4 kg y vuelve a contestar las preguntas anteriores.

Actuarás como un auténtico investigador y tendrás que llevar a cabo tu misión aplicando el método científico.

2. Convierte el objeto en hielo y repite el experimento. 3. Repítelo una última vez con aluminio. ¿Qué sucede? 4. Marca la opción A medida y, después, a la izquierda, la opción Mi bloque. Modifica la masa y/o el volumen para conseguir cuerpos que floten o que se hundan. Verifica la hipótesis [H1] que habías planteado. Redáctala de nuevo si hace falta.

56

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN I

35

SIMULACIONES Y APLICACIONES 2.0

¿SABÍAS QUE...?

Mercurio

2,8 m/s2

Tierra

9,8 m/s2

Luna

1,6 m/s2

Marte

3,7 m/s2

Jupiter

22,9 m/s2

Sol

274 m/s2

4.3. Las distancias en el universo

Observa que no es lo mismo masa y peso. La masa es una medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo. Se mide en kilogramos y no depende del lugar donde la determines.

Antiguamente, el ser humano medía las grandes distancias según el tiempo que tardaba en recorrerlas: a un día de viaje, a dos semanas de travesía… Con la aparición de nuevos medios de transporte, fue necesario determinarlas en kilómetros para evitar la mención del vehículo.

El peso es la fuerza con la que nos atrae un planeta, por lo que se mide en newtons y su valor depende del lugar donde te encuentres.

Resuelve la ecuación La gravedad de cada planeta depende de su masa. Observa sus valores

m = 80 kg P = 128 N

Si estamos lejos de cualquier cuerpo con masa, no sentiremos la fuerza de atracción. Se dice que estamos ingrávidos.

m = 80 kg P=0N

La siguiente simulación te ayuda a visualizar la distancia a la que se encuentra Marte a partir de las medidas de tu pantalla de vídeo. www.distancetomars.com La siguiente simulación te ayuda a moverte a lo largo del sistema solar, utilizando la rueda del ratón o la barra espaciadora. goo.gl/K1RJLM ¿A que cuesta ir a Saturno?

Sin embargo, las distancias en el espacio son tan grandes que trabajar en kilómetros es inviable y, al igual que en el pasado, es más fácil utilizar el tiempo de viaje como referencia. En esta ocasión, nuestro viajero será la luz, que viaja a la increíble velocidad de 300 000 km/s. Tenemos así una nueva medida de distancia:

m = 80 kg P = 784 N

m = 80 kg

P = 1832 N La fuerza de atracción gravitatoria también actúa entre planetas y estrellas siendo la responsable de la forma del universo: desde la formación de las estrellas y planetas hasta la constitución de los sistemas solares y las galaxias.

Si los cuerpos giran con la suficiente velocidad, la fuerza de la gravedad impedirá que se separen y continuarán girando para siempre.

EJEMPLOS RESUELTOS

FÍSICA 2.0

Se define al tiempo-luz como el espacio que recorre la luz en ese determinado tiempo.

EJEMPLOS RESUELTOS 5. La Luna se encuentra a 384 400 km de la Tierra. ¿A qué tiempo-luz se encuentra? Solución Conocida la distancia y la velocidad, solo tenemos que aplicar cinemática: e e = v ·t t= e = 384 400 km v 384 400 km t =  = 1,28  s v = 300 000 km/s 300 000 km/s La Luna se encuentra a 1,28 s-luz; es decir, su luz tarda en llegar 1,28 s. Está tan lejos que todos los planetas del sistema solar cabrían en dicha distancia (goo.gl/21t3yd).

Acompañan a la teoría cuando los conocimientos matemáticos lo requieren.



Ciencia 2.0 y otros. A lo largo de todo el libro podrás acceder a applets relacionadas con los procesos químicos y físicos más interesantes.

4.2. Masa, peso, gravedad y universo

A partir del tiempo-luz llegamos a la siguiente unidad de distancia:

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FÍSICA 2.0

Un año-luz se define como el espacio que recorre la luz en un año y equivale a 9 461 000 000 000 km.

Puedes observar una simulación de las órbitas de los planetas en el siguiente enlace: goo.gl/F5EzVu Activa Mostrar fuerza de la gravedad y trayectoria y emula el sistema Sol-Tierra-Luna. Prueba a eliminar la gravedad por menos de un segundo. ¿Vuelve la Tierra?

FÍSICA 2.0

ACTIVIDADES ACTIVIDADES 18. Calcula tu masa y tu peso en la Tierra, Luna, Marte, Júpiter y Sol.

21. El Sol se encuentra a 149 600 000 km. ¿Cuánto tiempo tarda su luz en llegar a la Tierra? Si el Sol desapareciera a las 12:00 am, ¿qué observarías durante los siguientes diez minutos?

19. El cuello puede resistir hasta unos 80 y 100 kg con práctica. Si la cabeza pesa unos cinco kilogramos, ¿cuál es la máxima gravedad que puede soportar el cuello? (Recuerda que la fuerza se mide en newtons.)

22. ¿Qué distancia en kilómetros nos separa de nuestra estrella más cercana, Alfa Centauri, si está a 4,3 años-luz? Actualmente, la nave espacial más rápida viaja a 17 km/s, ¿cuánto tiempo tardaría en llegar a dicha estrella?

20. Determina la gravedad de un planeta, sabiendo que 5,3 kg pesan 23,32 N. Si es un planeta rocoso, ¿tendrá más masa que la Tierra?

23. La galaxia más próxima a la nuestra es Andrómeda. ¿A qué distancia se encuentra? ¿Existía el Homo sapiens cuando salió la luz que ahora nos llega?

Una estupenda manera de visualizar el tamaño de nuestro sistema solar, de los planetas que lo componen y del universo es en la siguiente página de vídeos: goo.gl/Lnf8Kz ¿Era como te imaginabas?

UNIDAD 6

146

ACTIVIDADES

UNIDAD 6

Ejercicios que consolidan los conceptos aprendidos en la teoría.

147

Cierre de unidad MAPA CONCEPTUAL

MAPA CONCEPTUAL Contesta a las siguientes cuestiones: Según el estado físico de los componentes, ¿qué tipos de mezclas podrías incorporar al  mapa? ¿Dónde incluirías los sistemas coloidales? ¿Dónde colocarías los conceptos disolución concentrada, diluida, saturada y sobresaturada que no aparecen? Indica las unidades de concentración y coloca en el mapa las técnicas para separar mezclas.

Sustancias puras

Mapa de los conceptos más importantes en el que te invitamos a completarlo con otros que has estudiado.

Estado físico de los componentes

MATERIA Mezclas heterogéneas

Mezclas homogéneas

Proporción entre sus componentes

Técnicas de separación

Concentración

MIRA A TU ALREDEDOR

¿Cómo afecta el alcohol a la conducción? No desciende el porcentaje de conductores muertos que habían bebido Beber antes de conducir es una de las principales % de conductores analizados Conductores muertos causas de accidente. El alcohol produce alteracio% de conductores tasa superior a 0,3 g/L. 3,5 nes en el comportamiento y reduce los reflejos, 3320 3140 3196 por lo que afecta a casi todas las capacidades que 3,0 2861 necesitamos para una conducción segura. 2738 2569 Alcohol y conducción: de cada 100 accidentes, en2425 2,5 tre 30 y 50 tienen que ver con el alcohol. A partir de una alcoholemia de 0,5 g/L los efec1929 2,0 tos del alcohol en la mayoría de las personas son 1692 1511 evidentes. Además, por encima de la tasa legal, el 60 1,5 conductor no suele ser consciente del riesgo al que 54,6 56,6 50 51,2 52,9 51,9 50,5 50,7 se expone y no toma las precauciones adecuadas. 1,0 47,2 45,9 40 44,9 Los efectos que el alcohol puede producir en el conductor son muy variados en función del nivel 0,5 34,7 34,7 30 32 31 30,8 30,2 28,8 29,9 31 3o de alcoholemia. Una persona que ha bebido: 20 0,0 • Infravalora los efectos y alteraciones que el alco2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 hol produce, el típico «yo controlo». Fuente: DGT El Mundo • Disminuye el sentido sobre la responsabilidad. • El campo visual disminuye y aumenta el tiempo de reacción. Además, cuando consumes alcohol, uno de los cambios más peligrosos que sufres es que aumenta el tiempo de reacción, el tiempo de decisión (esquivar a un coche o frenar de repente) y el tiempo de respuesta (ejecutar la maniobra decidida). Irene Mendoza, 07/11/2013. Revista Mapfre-motor Cuestiones a) ¿Cuántos conductores fallecidos dieron más de 0,5 g/L entre 2005 y 2010? ¿Qué se expresa con 0,5 g/L? b) Escribe un ejemplo de actuaciones que muestren cada una de las alteraciones que se producen al beber.

MIRA A TU ALREDEDOR Lecturas, debates, investigaciones que te harán pensar y favorecerán tu espíritu crítico.

PRÁCTICA DE LABORATORIO

Preparación de disoluciones de diferentes concentraciones Objetivo Preparar disoluciones de distintas concentraciones.

Pasos que debes realizar 1. Calcula el número de gramos que necesitamos de cada uno de los compuestos. 2. Pésalos en la balanza. 3. Disuélvelos en el vaso de precipitados en un poco de agua destilada. 4. Vierte la disolución preparada en el matraz y añade agua suficiente hasta casi completar el volumen pedido de disolución. 5. Por último, tapa el matraz, agítalo y añade agua hasta el enrase. Cuestiones 1. Indica las cantidades de cada soluto que vas a utilizar. Para ello, copia y completa la siguiente tabla en tu cuaderno. Disolución

Pregunta 1 Pregunta 1

Pregunta 3Pregunta 3

Velocidad del viento

Velocidad del viento 0

Velocidad del viento

Velocidad del viento

Velocidad del viento

0

0

0

Pregunta 4Pregunta 4 Los parquesLos eólicos son conocidos par- como parparques eólicos soncomo conocidos ques onshore. Existe otro tipo de otro parques ques onshore. Existe tipo eóde parques eólicos, conocidos los offshore, que son licos,como conocidos como los offshore, que son instalados los maresen enlos vezmares de enen vez de en aquelloseninstalados tierra. tierra. a) ¿Qué características tiene el viento en el losviento en los a) ¿Qué características tiene mares? mares? b) Comenta b) unaComenta ventaja yuna un inconveniente de ventaja y un inconveniente de este tipo de parques este tipoeólicos. de parques eólicos.

E F M A M J J A ES FOM N J J A E FM N J J A S O Naquellos SO NA D M J J A ES FOM D Meses del año Meses del año Meses del año Meses del año

Velocidad del viento

0

Velocidad del viento

Velocidad del viento

Las gráficasLas siguientes la vegráficas representan siguientes representan la Especifica veuna ventaja una y una desventaja Especifica ventaja y una de desventaja de locidad media del viento locidad media en delcuatro viento lugares en cuatro lugares la producciónla producción de energía eléctrica a partir de laa partir de la de energía eléctrica diferentes endiferentes el transcurso un año. ¿Qué en elde transcurso de un año. ¿Qué energía eólica en comparación con la producenergía eólica en comparación con la producgráfica indica el lugar máselapropiado la gráfica indica lugar máspara apropiado paración la de energía a partir de los com- de los comción eléctrica de energía eléctrica a partir instalación de un aerogenerador? instalación de un aerogenerador? bustibles fósiles, comofósiles, el carbón y elelpetróleo. bustibles como carbón y el petróleo.

0

0

0

E F M A M J J A ES FOM N J J A E FM N J J A S O N D SO NA D M J J A ES FOM Meses del año Meses del año Meses del año Meses del año

A igual velocidad delvelocidad viento, sidel los viento, aerogeneraA igual si los aerogeneradores están situados a mayor altitud, giranaltitud, con giran con dores están situados a mayor mayor lentitud. mayor lentitud. Entre las razones es la que Entre siguientes, las razones ¿cuál siguientes, ¿cuál es la que mejor explicamejor por qué las palas de los aerogeexplica por qué las palas de los aerogeneradores giran más despacio en despacio los lugares neradores giran más en los lugares situados a mayor altitud, a igual velocidad delvelocidad del situados a mayor altitud, a igual viento? viento?

54

UNIDAD 54 2

Cantidad de soluto (g)

Cloruro de potasio al 3,5 % Sulfato de cobre de concentración 5 g/L 2. ¿Qué significado tiene el enrase del matraz? 3. Expresa las disoluciones a) y b) en g/L y c) en porcentaje en masa.

UNIDAD 3

75

ACTIVIDADES FINALES

Actividades básicas

Tarea competencial Tarea competencial

Objetivo Objetivo

Nombre común (ºC) Nombre p.f. común

En esta tareaEnteesta pedimos utilices tus tarea que te pedimos quenueutilices tus nue- Alcohol metílico − 97,8 Alcohol metílico vos conocimientos advos conocimientos adAlcohol etílico Alcohol etílico − 114,7 quiridos para ayudarpara a ayudar a quiridos Alcohol propílico − 126,5 Alcohol propílico nuestros agentes en agentes su nuestros en su Isopropanol Isopropanol − 89,5 caso. Cloruro de isopropilo − 117,2 caso. Cloruro de isopropilo Propano

p.eb. p.f. (ºC)

− 187,7

65,0 78,5 97,4 82,4 35,7 − 42,1 117,3 82,2 138 114

Daniel y Marcos vuelven a su casa que está a tres kilómetros desde la parada del autobús. Daniel se cansa de esperar y comienza a andar a las nueve en punto. A los diez minutos el autobús recoge a Marcos y cinco minutos después adelantan a Daniel, que se encuentra en la fuente del camino. A las nueve y veinte, Marcos llega a casa y se sienta a esperar a su hermano, que llega a las nueve y media. Realiza una gráfica que muestre sus desplazamientos y determina las velocidades de cada uno. ¿En qué lugar se encuentra la fuente del camino? 2. Dos móviles realizan el movimiento representado en la gráfica adjunta. Determina: a) ¿Cuántos movimientos diferentes experimenta cada uno? Nómbralos. b) Determina la velocidad de cada tramo. c) ¿Cuándo se encuentran? d) ¿Qué desplazamiento ha experimentado en total cada uno de los cuerpos?

Pasos que debes Pasos realizar que debes realizar

80

60 40

20

20

–20 –40

1. Con ayuda la gráfica, resuelve el caso. Ave-el caso. Ave1. de Con ayuda de la gráfica, resuelve rigua qué líquido la botella. Para ello, Para ello, riguacontenía qué líquido contenía la botella. debes observar la tabla con la lastabla temperaturas debes observar con las temperaturas de fusión y de deebullición. fusión y de ebullición.

Temperatura (ºC) Temperatura (ºC) 80

60 40

0

1

2

0 –20 –40

–60

–60

–80

–80

–100

–100

30

41

52

63

74

85 96 7 Tiempo (min)

e (m) 25

8 Tiempo (min)

0

2

4

6

8

10

5 0

0

2

4

6

8

10

12

14 t (s)

3. Determina las aceleraciones de cada uno de los tramos del siguiente gráfico.

55

154

12

14

−15

t (s)

4. Un coche que circula a 90 km/h necesita adelantar a un camión que circula a la misma velocidad, para lo que precisa alcanzar los 120 km/h en 3 segundos. Si su coche posee una aceleración de 1,6 m/s2 a dicha velocidad, ¿lo consigue? ¿Cuánto tiempo le ha costado en realidad? 5. ¿De cuántas formas pueden actuar las fuerzas y cuáles pueden ser sus efectos? Indica dos ejemplos de cada caso. 6. ¿Cómo se comportan los cuerpos bajo las fuerzas de deformación? Identifica en tu casa dos ejemplos de cada caso y realiza una fotografía donde muestres dicho comportamiento. 7. Determina la fuerza total que actúa sobre cada cuerpo, así como la aceleración que se observa: 2N

2N

4 kg 2 N

3N

A

10

4. Busca información las características del 4. Busca sobre información sobre las características del alcohol de la alcohol botella.de Dibuja los pictogramas de Para poder resolver esteresolver caso, eneste el laboratola botella. Dibuja los pictogramas de Para poder caso, en el laboratopeligrosidad que debería llevar la botella e indica rio disponenrio dedisponen una tablade con información de peligrosidad que debería llevar la botella e indica una tabla con información de cómo se debería actuar frenteactuar a dichos peligros. los alcoholeslos más utilizados como disolventes: cómo se debería frente a dichos peligros. alcoholes más utilizados como disolventes:

55 UNIDAD 2

c) Determina la velocidad media entre el segundo 5 y el 15.

5

−10

3N

15

3. En grupo,3.realiza una presentación, explican- explicanEn grupo, realiza una presentación, do las consecuencias de verter al de ríoverter conta-al río contado las consecuencias minantes como el de la botella. Consulta a tuConsulta a tu minantes como el de la botella. profesor cualquier duda, así como la duración profesor cualquier duda, así como la duración de la presentación. de la presentación.

UNIDAD 2

b) Determina la velocidad de cada tramo.

10

0

14. Un coche tarda 24 minutos en llegar desde la ciudad A a la B. ¿A qué velocidad se mueve?

a) ¿Cuántos movimientos diferentes experimenta? Nómbralos.

15

−5

Actividades avanzadas

11. Un móvil realiza un movimiento, que está representado en la gráfica adjunta. Determina:

v (m/s) 25 20

2N 20

2. Realiza un2.informe que detalles los pasos Realizaen unelinforme en el que detalles los pasos del método científico quecientífico has usado. del método que has usado. 9

UNIDAD 2

Actividades de consolidación

1. Identifica los móviles, el sistema de referencia, las posiciones y el desplazamiento en el siguiente texto.

p.eb. (ºC)

65,0 − 97,8 78,5 − 114,7 97,4 − 126,5 82,4 − 89,5 35,7 − 117,2 − 42,1 − 187,7 117,3 − 89,5 82,2 25,5 138 − 79 114 53

Propano Nuestro equipo de equipo inNuestro de inAlcohol butílicoAlcohol butílico − 89,5 vestigadoresvestigadores está muy está muy Alcohol ter-butílico 25,5 Alcohol ter-butílico concienciadoconcienciado con los con los Alcohol pentílico − 79 Alcohol pentílico problemas ambientales. En una de sus problemas ambientales. En visitas una de sus visitasAlcohol neopentílico 53 Alcohol neopentílico cotidianas al cotidianas río han encontrado botella de al río han una encontrado una botellaVariabilidad de de propiedades en los alcoholes. Variabilidad físicas de propiedades físicas en los alcoholes. plástico sin etiqueta en etiqueta el cauce.en Con plástico sin el rotulacauce. Con rotulador, alguien había puesto:había «disolvente dor, alguien puesto:orgánico «disolvente orgánico Producto final Producto final altamente inflamable». altamente inflamable». Tomarás conciencia los problemas Tomarás de conciencia de los amproblemas amEs necesarioEs averiguar el contenido decontenido la bote- de la botenecesario averiguar el bientales que genera el vertido bientales que generadeelproductos vertido de productos lla para poder a su lugar dea almacenalla llevarla para poder llevarla su lugar de almacenaorgánicos alorgánicos agua y aplicarás nuevos coal agua tus y aplicarás tus nuevos comiento correspondiente. La botella fue miento correspondiente. Lallevada botella fue llevada nocimientos nocimientos adquiridos en esta unidad paraunidad para adquiridos en esta rápidamenterápidamente al laboratorioalpara que lospara técnilaboratorio que los técnipoder solucionar caso. Valorarás la imporpodereste solucionar este caso. Valorarás la imporcos realizasen pruebas las pertinentes. Para coslas realizasen pruebas pertinentes. Para tancia de conocer las propiedades de la matetancia de conocer las propiedades de la mateello tomaronello unatomaron muestra una y realizaron gráfimuestra su y realizaron su gráfiria para poder riaidentificarla. para poder identificarla. ca de calentamiento. ca de calentamiento.

0

Pregunta 2Pregunta 2

Cantidad de disolución (g o mL)

Cloruro de sodio al 2 %

UNIDAD 3

74

La botellaLa misteriosa botella misteriosa

menos denso cuando aumenta la aumenta la El aire es menos denso cuando Mucha genteMucha piensagente que la energía es eólica a) piensa queeólica la energía es El aire es a) altitud. una fuente una de energía eléctrica que puede que puede altitud. fuente de energía eléctrica b) La temperatura es más baja cuando aumenb) La temperatura es más baja cuando aumenreemplazar las centraleslas térmicas de térmicas petróleo de petróleo reemplazar centrales y de carbón.y Las estructuras que se obserde carbón. Las estructuras que se obser- ta la altitud. ta la altitud. van en la foto son con palas con palas c) La gravedad disminuye aumenta la aumenta la van enaerogeneradores la foto son aerogeneradores c) La gravedadcuando disminuye cuando que el vientoque hace el girar. vientoEstos hacegiros girar.producen Estos giros producen altitud. altitud. energía eléctrica eneléctrica unos generadores que energía en unos generadores que d) Llueve más menudo aumenta la aumenta la d) aLlueve máscuando a menudo cuando son movidosson pormovidos las palaspor del las rotor. palas del rotor. altitud. altitud.

Con tareas asociadas.

Procedimiento Vamos a preparar distintas disoluciones: a) 500 g de cloruro de sodio al 2 % en masa. b) 100 g de cloruro de potasio al 3,5 % en masa. c) 100 mL de sulfato de cobre (II) de concentración 5 g/L.

PON EN MARCHA HABILIDADES PON ENTUS MARCHA TUS HABILIDADES

La energíaLaeólica energía eólica

PRÁCTICA DE LABORATORIO

Material • Matraz aforado de 500 mL. • Matraz de 100 mL. • Compuestos químicos: • Cloruro de potasio (KCl). • Cloruro de sodio (NaCl). • Sulfato de cobre(II) (CuSO4). • Balanza. • Vaso de precipitados. • Agua destilada.

2N 5N 5 kg 4N

B

8. Una amiga te comenta que pesa 60 kg. ¿Qué le dirías (desde el punto de vista de la física) y cuál es su peso en la Luna? 9. Urano se encuentra a 2,87 · 109 km del Sol. ¿Cuánto tiempo tarda en llegar la luz a él? 10. Identifica en tu casa tres situaciones donde observes la electricidad estática. Toma fotografías de cada una y describe lo que sucede en una presentación.

d) Realiza la gráfica velocidad-tiempo.

B

15. La constante elástica de un muelle es 150 N/m. a) ¿Qué fuerza hay que aplicar para estirarlo 30 cm? ¿Y para comprimirlo 30 cm? b) ¿Cuál es su elongación si aplico una fuerza de 25 N?

15 10 5 0

36 km

Representa ambos movimientos en una misma gráfica.

e (m) 25 20

−5

A

Si a los cuatro minutos de partir el coche sale una moto, ¿cuál ha de ser su velocidad mínima para llegar antes que el coche?

0

5

10

15

20

25

30

35

−10 t (s)

12. Se empuja un carrito con los datos de la figura. Dibuja las fuerzas. ¿Cuál es la aceleración que adquiere el carrito? ¿Qué velocidad posee en 5 s? Masa = 50 kg Fhombre = 1 250 N Frozamiento = 150 N Parte del reposo. 13. Pesas una roca en Io, una luna de Júpiter, y obtienes 36,2 N. La traes a la Tierra y pesa 196 N. ¿Qué gravedad posee Io?

UNIDAD 6

16. Calcula el valor de la fuerza de rozamiento que posee un cuerpo de 15 kg si al empujarlo con 300 N observamos que adquiere una aceleración de 15 m/s2. 17. ¿Cuál es la distancia de Io al Sol si la luz tarda 43 minutos y 14 segundos en llegar a ella? 18. Colocamos un cuerpo a una distancia de 300 km de la superficie terrestre. ¿Qué hemos de hacer para que no caiga a la Tierra? 19. Habrás oído hablar de los cargadores inalámbricos, habituales en algunos teléfonos inalámbricos y otros pequeños electrodomésticos. Investiga cuál es su funcionamiento, basándote en la conversión entre electricidad y magnetismo.

UNIDAD 6

PON EN MARCHA TUS HABILIDADES

ACTIVIDADES FINALES

Una actividad tipo PISA y una Tarea competencial por unidad, con las que podrás poner en juego tus conocimientos, habilidades y destrezas para resolverlas.

Divididas en básicas, de consolidación y avanzadas, con las que alcanzarás los conocimientos necesarios.

155

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4

ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Seguramente habrás visto cómo se construye un edificio. Hay cimientos, vigas, suelos, ventanas, paredes, tuberías, cuadros eléctricos, etc. Pues a la materia, tal y como la observas, le pasa algo parecido: tiene una estructura interna que permite construirla poco a poco. Las partículas más pequeñas forman átomos. Los átomos forman moléculas sencillas o estructuras más complejas. Muchas veces estas estructuras se agrupan en entramados aún más complejos para constituir todo lo que nos rodea. Pues todo, incluidos nosotros, somos eso, materia. «Todas las cosas están compuestas de átomos.» Richard Phillips Feynman

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Te proponemos un reto En esta unidad aprenderás cómo son los átomos que forman las sustancias que, a su vez, forman la materia. Nosotros mismos y todo lo que nos rodea está formado por átomos diferentes. Pero, para formar esas sustancias, los átomos deben unirse unos con otros mediante lo que llamamos enlaces. Estudiaremos los diferentes tipos de enlaces que existen y las propiedades de las sustancias que originan. Veamos una experiencia sencilla que nos permita comprobar las diferencias entre las sustancias por los efectos que pueden producir. Toma un trozo de hielo y vierte arena sobre él. ¿Qué es lo que ocurre? ¿Se mezcla la arena con el hielo, se disuelve en él? Describe lo que observas. Ahora, en lugar de arena, toma un poco de sal común y échala sobre el hielo. ¿Sucede algo diferente? ¿Qué le pasa a la sal? ¿Serías capaz de explicar el fenómeno que observas?

Sumario 1

2 3 4 5 6



Sustancias puras: sustancias simples y compuestos

Átomo y partículas subatómicas Modelos atómicos Números atómico y másico Introducción al sistema periódico Enlace químico: moléculas y cristales

Acabas de realizar un par de experiencias sencillas que te han mostrado cómo dos sustancias diferentes tienen distinto comportamiento cuando las enfrentamos a una misma sustancia, en este caso el hielo. En esta unidad podrás comprender el porqué de estos hechos y cómo es la estructura interna de la materia que provoca estos comportamientos dispares.

1 Sustancias puras: sustancias

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simples y compuestos



En la unidad anterior aprendimos a distinguir entre sustancia pura y mezcla. Pero ¿qué son en realidad las sustancias puras? ¿Las utilizamos en la vida diaria o solo son sustancias de laboratorio? Vamos a distinguir los tipos de sustancias puras, cómo son y cómo se pueden presentar.

PIENSA Y RAZONA Tienes las siguientes sustancias:

Clavo de hierro

QUÍMICA 2.0

La siguiente animación puede ayudarte a entender mejor la diferencia entre sustancias puras y mezclas, así como entre elemento y compuesto: goo.gl/YT1wMQ

Son las que no se pueden descomponer en otras porque están formadas por un solo elemento. Por ejemplo: plomo, calcio, cinc, oro, etcétera.

Cable de cobre

Agua

Cazo de aluminio

Aire

• ¿Son sustancias puras o mezclas? • ¿Cuáles son sustancias simples y cuáles, compuestos? • ¿Cómo podrías averiguarlo? Tal y como vimos en la unidad anterior, las sustancia puras son las que tienen propiedades físicas y químicas características, que permiten diferenciarlas de otras sustancias. Pero dentro de las sustancias puras podemos encontrar dos posibilidades:

Sustancias simples

Compuestos Son aquellas sustancias que pueden descomponerse en otras más simples al estar formadas por varios elementos. Por ejemplo: amoniaco, ácido sulfúrico, sal, pirita, etcétera.

ACTIVIDADES 1. Indica si son sustancias simples o compuestos: cloruro de sodio, azúcar, hilo de cobre, gas oxígeno y agua.

82

UNIDAD 4

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2 Átomo y partículas subatómicas Ya en la Grecia clásica, los sabios Leucipo y Demócrito consideraban que la materia estaba hecha de pequeñas partículas, por lo que no podía dividirse indefinidamente. Debía existir una unidad o bloque inseparable e indestructible. A esas partículas las llamaron átomos, que significa «indivisibles». Esta idea fue apartada por los científicos hasta 1808, cuando John Dalton formuló la hipótesis de que la materia estaba compuesta por unidades elementales, a las que denominó átomos, que eran inalterables e indivisibles. Hoy día, con la ayuda de avanzados microscopios, somos capaces de llegar a ver los átomos individualmente e, incluso, interaccionar con ellos.

CIENCIA 2.0 Aquí puedes ver un vídeo que muestra la evolución de tamaños en la materia, de lo más grande a lo más pequeño: htwins.net/scale2/ lang.html

PIENSA Y RAZONA Imagina que tienes un grano de café. • ¿Podrías decir qué tamaño tiene aproximadamente? • Y un grano de arroz, ¿cuánto mide? • ¿Podríamos seguir así indefinidamente buscando entidades más pequeñas? • ¿Hasta dónde crees que podrías llegar? • ¿Cuál es la forma más pequeña que se te ocurre? La materia puede medirse. Como ejemplos de formas cada vez más pequeñas podríamos indicar:

CIENCIA 2.0 Aquí tienes una animación que permite realizar un increíble viaje desde el mundo macroscópico al microscópico: goo.gl/u3t4

UNIDAD 4

83

2.1.  Átomos IMPORTANTE

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Símbolos de algunos elementos: Hidrógeno . . . . . . . . . H Carbono . . . . . . . . . . . C Nitrógeno . . . . . . . . . . N Oxígeno . . . . . . . . . . . O Flúor . . . . . . . . . . . . . . . F Sodio . . . . . . . . . . . . . . Na Cloro . . . . . . . . . . . . . . Cl Hierro . . . . . . . . . . . . . Fe

Ahora ya sabemos que, aunque invisibles a nuestra vista, la materia puede ser cada vez más pequeña hasta llegar a los átomos. El átomo se puede definir como la partícula más pequeña en que una sustancia simple puede ser dividida sin perder sus propiedades químicas. Decimos que un elemento químico es una sustancia que por ningún procedimiento, ni físico ni químico, puede descomponerse en otras sustancias más simples. O dicho de otra manera: Un elemento químico es un tipo de materia formada por el mismo tipo de átomos. Por ejemplo, el elemento carbono solo tiene átomos de carbono, el elemento oxígeno solo puede estar constituido por átomos de oxígeno. Tal y como comprobamos, la materia es neutra, así que nuestro razonamiento nos dice que el átomo también debe serlo.

EXPERIMENTA 1. Coge un globo inflado con aire, una lata de aluminio de cualquier refresco y una tela de lana. Frota el globo con la tela de lana y acércasela a la lata sin tocarla. Describe lo que ocurre.

• ¿Por qué crees que la lata se acerca al globo? • ¿Qué tipo de partículas crees que deben tener la lata y el globo en ese momento? • ¿Qué ocurre si acercas el globo a la lata sin frotarlo con la lana? • Si la lata y el globo están formados por partículas neutras, ¿qué consecuencia obtienes de nuestro experimento? Esta experiencia confirma que el átomo está compuesto de partículas cargadas eléctricamente. Son las partículas subatómicas.

84

UNIDAD 4

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2.2.  Partículas subatómicas Las partículas subatómicas que forman los átomos son tres: los electrones, los protones y los neutrones.

IMPORTANTE

El electrón fue la primera partícula en descubrirse. Lo hizo J. J. Thomson en 1897. Su carga negativa es la más pequeña conocida. Se considera la unidad de carga negativa y vale − 1,6 · 10−19 C. Electrón (e−)

Cualquier carga negativa es un múltiplo entero de la carga del electrón. Cualquier carga positiva es un múltiplo entero de la carga del protón.

Carga negativa: −1. Masa muy pequeña (9,11 · 10 −31 kg).

En 1919 fue Ernest Rutherford quien descubrió el protón. Su carga era la misma que la del electrón, pero positiva. Se la considera la unidad de carga positiva y vale + 1,6 · 10−19 C. Protón (p+)

Carga positiva: +1. Masa 1 836 veces mayor que la del electrón (1,67 · 10−27 kg).

Como la materia es neutra, los átomos que la forman deben tener el mismo número de electrones que de protones. Son átomos sin carga neta o neutros. James Chadwick descubrió en 1932 que el átomo contenía otro tipo de partículas que llamó neutrones, que no tenían carga, y cuya masa era prácticamente la misma que la del protón. Neutrón (n0)

Sin carga. Igual masa que el protón (1,67 · 10 −27 kg).

Entonces, los átomos no son la parte más pequeña de la materia. ¿Lo son las partículas que los forman? Los últimos descubrimientos indican que tanto los protones como los neutrones pueden descomponerse en partículas más pequeñas que denominamos quarks.

_ Electrón 10 18 m

Protón (neutrón) _ Quark 10 18 m

Átomo

_ 10 10 m

Núcleo

_ 10 14 m

_ 10 15 m

ACTIVIDADES 2. Un átomo tiene 3 protones, 3 electrones y 4 neutrones. a ) ¿Cuál es su masa? b ) ¿Qué masa tendría este átomo si no tuviese electrones? c ) ¿Qué carga tiene el átomo? d ) ¿Qué carga tendría si solo tuviera dos electrones?

3. Indica cuáles de las siguientes situaciones contienen átomos: a ) Un trozo de hierro. b ) Un rayo de luz. c ) Una bacteria. d ) El agua. e ) Un diamante. f ) Un trueno. g ) El aire.

UNIDAD 4

85

3 Modelos atómicos Ya sabemos que los átomos están formados por protones, electrones y neutrones, pero no sabemos cómo se colocan para formarlos.

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PIENSA Y RAZONA

«Masa» de carga positiva

86

UNIDAD 4

Imagina que tienes un grupo de canicas, unas rojas, cargadas negativamente, otras verdes, cargadas positivamente, y unas blancas, sin carga. • Si tomas un grupo de cinco canicas verdes, ¿cómo colocarías las blancas para que no se repelieran entre sí? • ¿Qué carga tendrá el conjunto de las canicas blancas y verdes? • Si quieres contrarrestar la carga de ese conjunto, ¿cuántas canicas rojas tendrías que coger? Electrones

El primer modelo atómico surge en 1898 y es debido a J. J. Thomson. El modelo supone la existencia de una esfera de electricidad positiva, ya que todavía no se habían descubierto los protones como partículas individuales, que incluye encajados tantos electrones como fueran necesarios para neutralizarla. Esta propuesta recibió el nombre coloquial de «budín de pasas», pues imaginaba que una masa protónica con forma esférica era capaz de incorporar unos gránulos negativos, los electrones, que la neutralizaban formando los átomos. Experimentos posteriores hicieron ver que este modelo atómico no se ajustaba a la realidad. Sucesivas experiencias condujeron al siguiente modelo, enunciado por Ernest Rutherford: si miramos a nuestro alrededor sabemos que los planetas son atraídos por el Sol, pero no llegan a caerse sobre él, sino que giran en órbitas estables circulares. El átomo se comporta de la misma manera. Los electrones, como los planetas, giran en órbitas alrededor de protones y neutrones que forman un bloque inmutable, similar al Sol.

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En el átomo de Rutherford, ese bloque central es el núcleo del átomo. Como los protones tienen carga positiva, se repelerán entre sí, pero, para que no ocurra, algo debe impedirlo. Los responsables son los neutrones, que se colocan en el núcleo como barrera entre los protones, aglutinándolos e impidiendo que se repelan entre sí, con lo que el núcleo es estable.

Protón Núcleo Neutrón

Átomo Corteza

Protones Electrón

Neutrones

Los electrones forman la corteza del átomo, moviéndose alrededor del núcleo, ya que si estuvieran quietos caerían sobre él por mera atracción eléctrica. Así contrarrestan la fuerza de atracción. Finalmente, el danés Niels Bohr descubrió que los electrones no se mueven desordenadamente, sino que giran alrededor del núcleo en órbitas estables. En cada órbita cabe una cantidad distinta de electrones, en mayor número cuanto más grandes sean las órbitas, lo que ocurre a medida que nos alejamos del núcleo.

_ 10 14 m

Núcleo

¿SABÍAS QUE...?

Electrón

_ 10 10 m

El núcleo tiene un tamaño aproximado de 10−14 m y los electrones se mueven a su alrededor a una distancia promedio de 10−10 m. Es decir, ocupan una esfera alrededor de 10 000 veces mayor, en radio, que la nuclear. En volumen, el átomo es ¡un billón —un millón de millones— de veces más grande que el núcleo!

Si el tamaño del núcleo fuera el de un balón de fútbol, el de la corteza sería el de un estadio, y el electrón sería el hueso de una aceituna moviéndose alrededor del estadio.

ACTIVIDADES 4. Dibuja un átomo con 5 protones y 6 neutrones en el núcleo. ¿Qué cantidad de electrones deberías incorporarle para que sea neutro? 5. ¿Crees que un átomo puede tener menos neutrones que protones? Explícalo.

6. En el texto hemos comentado la relación de tamaño entre el átomo y su núcleo. Si el tamaño de un núcleo fuera el de una pelota de 30 cm, ¿qué tamaño tendría el átomo?

UNIDAD 4

87

4 Números atómico y másico Como hemos explicado antes, cada tipo de átomos representa un determinado elemento químico. Eso quiere decir que debe haber algún integrante del átomo que sea el responsable de su diferenciación con cualquier otro átomo.

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PIENSA Y RAZONA



El elemento cobre tiene 29 protones, el elemento níquel, 28 protones y el elemento cinc, 30 protones. Cada uno tiene diferentes propiedades. ¿Qué consecuencia puedes sacar de ello? ¿SABÍAS QUE...?

Aunque para calcular la masa total del átomo sería preciso sumar la masa de protones, neutrones y electrones, la de estos últimos es del orden de 1 000 veces menor que la suma de los otros dos, por lo que su valor no afecta prácticamente a la masa total.

Entre 1913 y 1919 diversos experimentos llevados a cabo por los científicos Henry Moseley y Ernest Rutherford les llevaron a la conclusión de que es el número de protones que tiene un átomo en su núcleo lo que le caracteriza como tal y le diferencia de los demás. Este dato tan fundamental en el átomo lo denominamos número atómico. Es como la huella dactilar de cada elemento, lo hace único e identificable. El número atómico es el número de protones que hay en el núcleo de un átomo, y lo identifica como un determinado elemento. Se simboliza por la letra Z. Se representa por un número situado como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento. Por ejemplo: 8O, 17Cl, 26Fe. Cuando el átomo es eléctricamente neutro, el número de electrones coincide con el de protones; por ejemplo, un átomo con 6 protones será siempre el elemento carbono y tendrá otros 6 electrones si es neutro. Dado que los electrones tienen una masa muy pequeña, la masa del átomo se debe, casi exclusivamente, a los protones y a los neutrones que tiene, y permite definir: El número másico es el número de partículas que hay en el núcleo, protones y neutrones. Se simboliza con la letra A. Se representa por un número situado como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento. Por ejemplo: 16O, 35Cl, 56Fe. Número de protones (Z) + Número de neutrones = Número másico (A) De aquí se deduce que el número de neutrones se obtiene restando el número atómico del número másico: Número de neutrones = A − Z Número másico Número atómico

88

UNIDAD 4

C

12 6

Símbolo del elemento

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4.1.  Isótopos Algunas de las partículas que componen los átomos pueden alterar su número sin que varíe el tipo de elemento. Se trata de los electrones y los neutrones, tal y como veremos a continuación.

PIENSA Y RAZONA El átomo está formado por protones y neutrones en el núcleo, y electrones en la corteza. • ¿Qué te parece que ocurriría si quitamos o ponemos protones en el núcleo, seguirá siendo el mismo elemento? • Y si variamos su número de neutrones, ¿cambia el tipo de elemento? Los isótopos son variedades de átomos que tienen el mismo número atómico y que, por tanto, constituyen el mismo elemento, pero tienen diferente número másico, es decir, diferente número de neutrones en su núcleo.

QUÍMICA 2.0 Aquí puedes acceder a un ejercicio interactivo para construir átomos e isótopos: goo.gl/BLS5Ri

Por ejemplo, existen átomos de carbono (Z = 6) con números másicos: 12, 13 y 14, ya que contienen 6, 7 y 8 neutrones, respectivamente, cada uno; entre sí son isótopos. Los elementos, tal como se encuentran en la naturaleza, son una mezcla de isótopos. La mayoría de los elementos químicos tienen más de un isótopo. Solamente 21 elementos poseen un solo isótopo natural, como, por ejemplo, el flúor, el sodio, el fósforo, el cobalto y el oro. En contraste, el estaño es el elemento con más isótopos estables, ya que tiene 10. Los isótopos se identifican mediante el nombre (o símbolo) del elemento químico seguido de su número másico. Por ejemplo: hierro-57, uranio-238 y helio-3.

Neutrón Protón Electrón

Átomo de hidrógeno

Átomo de deuterio

Átomo de tritio

El elemento hidrógeno tiene tres isótopos con nombre específico: el protio (sin neutrones), el deuterio (con 1 neutrón) y el tritio (con 2 neutrones). UNIDAD 4

89

PIENSA Y RAZONA

QUÍMICA 2.0

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Los siguientes vídeos muestran el comportamiento del agua pesada: goo.gl/257gGj y el comportamiento de los isótopos: goo.gl/1meY8F



Hemos visto que el elemento hidrógeno está constituido por tres isótopos. Así que imagina que la molécula de agua (H2O) esté formada por átomos de deuterio, que tienen en su núcleo un protón y un neutrón, en lugar de por átomos de protio, con un solo protón en su núcleo. Estas moléculas existen y se denominan agua pesada. ¿Cómo podríamos diferenciar el agua del agua pesada? 1. Si tienes hielo, formado a partir de agua, y lo echas en un vaso que contiene agua líquida, ¿qué crees que pasará? Propón una explicación al suceso. 2. Y si tuvieras hielo de agua pesada, ¿qué crees que ocurriría al realizar la experiencia anterior, echándolo en un vaso de agua líquida? Sugiere una explicación. O

H2O Molécula de agua ordinaria

D2O Molécula de agua pesada

QUÍMICA 2.0

Vídeo que muestra las principales aplicaciones médicas de los isótopos radiactivos. goo.gl/JYzXng

H

H

O D

D

Además de los isótopos naturales que hasta ahora hemos descrito, también existen isótopos artificiales, que se preparan en el laboratorio, aumentando el número de neutrones de los átomos al bombardear sus núcleos con partículas que incluyen neutrones. Muchos isótopos son inestables y se desintegran fácilmente, lo que significa que emiten partículas, disgregándose los núcleos iniciales y formándose otros, es decir, creándose en este proceso nuevos elementos en muchos casos. Su utilidad es muy grande en medicina, arqueología, agricultura, etc. Un caso importantísimo es el del isótopo carbono-14, que nos sirve para conocer la antigüedad de los restos orgánicos de distintos seres vivos.

ACTIVIDADES 7. El elemento cloro tiene Z = 17 y A = 35. Calcula la composición de su núcleo y cuántos electrones tiene. 8. Un átomo con 20 protones y número másico 40, ¿cuántos neutrones y electrones contiene? 9. ¿Crees que un átomo de Z = 7 puede tener como isótopo a otro de Z = 8? Explícalo.

90

UNIDAD 4

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4.2.  Iones Has visto lo que le ocurre al átomo de un elemento cuando variamos su número de neutrones, pero ¿qué le pasa cuando quitamos o ponemos electrones?

PIENSA Y RAZONA Sabes que un átomo es neutro porque el número de protones y el de electrones coinciden. • ¿Qué crees que le ocurre a un átomo de un elemento que gana un electrón en su corteza? ¿Varía su carga eléctrica neta? ¿Sigue siendo el mismo elemento? • ¿Y qué le pasa a otro que pierde un electrón? ¿Qué carga eléctrica adquiere en ese caso? Iones son átomos que ganan o pierden electrones en su corteza. Se denominan cationes cuando son positivos y aniones cuando son negativos.

+ Átomo neutro

+ electrón

ion negativo

_

Átomo neutro

_ electrón

ion positivo

Así, cuando un átomo de flúor (Z = 9) gana un electrón sigue siendo flúor porque sigue teniendo 9 protones, pero tendrá 10 electrones, por lo que su carga neta será de − 1 (una carga negativa más que el número de cargas positivas). Decimos entonces que tenemos un ion de flúor (se denomina fluoruro) y lo representaremos como F−. Si es un átomo de sodio (Z = 11), que tiene 11 protones en el núcleo y 11 electrones en la corteza, cuando pierde uno de estos últimos tendrá una carga global de + 1 (una carga positiva más que el número de cargas negativas). Decimos que tenemos un ion de sodio y lo representamos como Na+.

QUÍMICA 2.0 El siguiente vídeo te permite ver el proceso de formación de iones. goo.gl/sVfaLu

ACTIVIDADES 10. ¿Cuántos electrones deben ganar o perder los átomos neutros de los elementos calcio y nitrógeno para transformarse en los iones Ca2+ y N3−?

11. Un ion de un átomo de aluminio (Z = 13 A = 27) contiene 10 electrones. Indica la carga del ion y cuántos neutrones tiene este átomo.

UNIDAD 4

91

5 Introducción al sistema periódico

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Existen muchos elementos químicos, pero algunas de sus propiedades permiten agruparlos. Una de ellas es la conductividad eléctrica, que nos ayuda a diferenciarlos en metales, que son conductores de la corriente, y no metales, no conductores.



EL LABORATORIO EN EL AULA  Metales y no metales 1. Prepara un circuito como el de la figura adjunta, de manera que vamos a cerrarlo intercalando en el hueco que queda diferentes materiales formados por un elemento químico: un clavo de hierro, una lata de aluminio de un refresco, un trozo de carbón, un anillo de oro, una cuchara de plata, un cable de cobre y un poco de azufre en polvo. Comprobaremos si se enciende la bombilla.

1. Indica lo que observas en cada prueba. 2. Clasifica los materiales en metales y no metales. Podemos agrupar algunas de sus propiedades en la siguiente tabla: Estado físico (a T ambiente)

Conductores del calor

Conductores de la electricidad

Metales

Sí

Sólidos (excepto mercurio)

Sí

Sí

No metales

No

Sólidos, líquidos y gases

No

No

QUÍMICA 2.0

Aquí encontrarás un vídeo que muestra las propiedades físicas y químicas, así como los usos más habituales de metales y no metales. goo.gl/aaDJ90

92

Brillo

UNIDAD 4

ACTIVIDADES 12. Busca cinco elementos que sean sólidos en su estado natural, e indica si son metales o no metales. 13. Una de las propiedades de los metales es que son dúctiles (se pueden deformar por la acción de una fuerza sin romperse). A partir de esa propiedad, indica si serán metales o no: aluminio, carbón, madera, plomo y oro.

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Este tipo de agrupación en metales y no metales es muy sencilla y no permite ordenar los elementos de manera más específica. Es preciso buscar algún otro método que permita una clasificación mejor. En la actualidad, los elementos se agrupan siguiendo dos criterios

Número atómico creciente

Similitud de propiedades físicas y químicas

Se ordenan en filas llamadas PERIODOS

Se ordenan en columnas llamadas GRUPOS

La peculiar forma que tiene la tabla periódica, como veremos a continuación, es para conseguir que elementos similares en cuanto a sus propiedades se encuentren en el mismo grupo, es decir, en la misma columna.

H

Metales

Semimetales

No metales

Gases nobles

Li

Be

Na

Mg

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Cs

Ba

La

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Fr

Ra

Ac

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

He B

C

N

O

F

Ne

Al

Si

P

S

Cl

Ar

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Ds

Rg

Cn Uut

Fl

Uup

Lv

Uus Uuo

Elementos de transición

ACTIVIDADES 14. Identifica por su nombre a los siguientes elementos químicos: S, K, Ag, Au, Mg, Al, Ca, P, Cu, Zn y Hg.

IMPORTANTE

15. Indica el símbolo y el estado físico en el que se presentan en la naturaleza los siguientes elementos: helio, carbono, oxígeno, silicio, plata, mercurio, cobalto y potasio.

Los elementos situados en la columna de la derecha son gases inertes, que no tienen las propiedades ni de los metales ni de los no metales.

16. Busca información en Internet que te permita saber cuáles son los cuatro elementos más abundantes en los seres vivos.

UNIDAD 4

93

6 Enlace químico: moléculas

y cristales

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IMPORTANTE El hidrógeno se combina con no metales también mediante enlace covalente.

94

UNIDAD 4

Las sustancias puras compuestas están formadas por varios tipos de átomos diferentes unidos entre sí de manera estable. Las uniones entre estos átomos es lo que denominamos enlaces. Pero no todos los elementos se enlazan. Existen unos pocos, llamados gases nobles o inertes, que son los situados a la derecha en la última columna de la tabla periódica, que permanecen aislados. Los más importantes son helio, argón y neón. Los enlaces se dan entre átomos iguales en diferentes cantidades o entre átomos distintos. 2 átomos de oxígeno unidos

3 átomos de oxígeno unidos O O O 2 átomos de oxígeno forman una molécula de gas oxígeno.

Gas oxígeno

Indispensable para respirar

Gas ozono

O

O

3 átomos de oxígeno forman una molécula de gas ozono.

Capa protectora de las radiaciones solares

1 átomo de oxígeno unido a 2 de hidrógeno

Agua

H

O

H

1 átomo de oxígeno y 2 átomos de hidrógeno forman una molécula de agua.

Indispensable para la vida

En la tabla inferior se indican los diferentes tipos de enlaces que se forman en función del tipo de átomos que se enlazan y la forma química en la que luego se presentan: Tipo de enlace

Átomos que se enlazan

Estructura que se obtiene

Covalente

No metal con no metal

Molécula / red cristalina

Iónico

Metal con no metal

Red cristalina

Metálico

Metal con metal

Red cristalina

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6.1.  Moléculas Las moléculas se forman cuando se unen una cantidad de átomos de carácter no metálico entre sí. Las moléculas constituyen la cantidad mínima de una sustancia pura que conserva todas sus propiedades. Existen moléculas pequeñas, formadas por un pequeño número de átomos, y otras que contienen un elevado número de ellos. Estas últimas se llaman macromoléculas. Las proteínas son un ejemplo y contienen cientos de átomos. La mayoría de las moléculas se presentan en estado gas o líquido, aunque algunas pueden ser sólidas, que funden a bajas temperaturas. Algunos ejemplos, a temperatura ambiente, son: Sólido

jemplo: yodo, E azufre, fósforo.

Líquido

jemplo: agua, E alcohol, ácido acético, acetona, aceite.

Se presentan en estado Gaseoso

Agua

La siguiente aplicación permite visualizar muchas moléculas en 3D: www.educaplus.org/ moleculas3d/ inorganicas.html

Oxígeno

Metano

jemplo: oxígeno, E nitrógeno, amoniaco, butano.

QUÍMICA 2.0

Nitrógeno

Amoniaco Fósforo Dióxido de carbono

EL LABORATORIO EN EL AULA  Visualizar ADN Agua Agua Agua con 2. La molécula de ADN, que es responsable de la carga genética, es una con sal detergente con saliva molécula formada por otras moléculas diferentes. Por eso se denomina polímero. Para poder verla, necesitas lavavajillas, sal, agua destilada y alcohol. Disuelve una cucharada de sal en medio litro de agua. A B C En otro vaso, vierte un poco de agua, enjuágate la boca con ella y vuelve a verter el agua (que ya contiene tus propias células de la boca) en el vaso. Echa en él dos cucharadas del líquido del vaso que contiene la disolución salina. A continuación, añade un poco del jabón líquido disuelto en agua en el vaso que contiene tus células y remueve con una varilla. El jabón rompe las membranas celulares y deja libre tu ADN. A + B + C + Alcohol Ahora vierte un poco de alcohol en el vaso, espera un par de minutos a que se separen dos fases (la alcohólica y la acuosa) y verás cómo aparecen unos hilillos blancos en la fase alcohólica. Ese es tu ADN. Busca información acerca de la molécula de ADN: qué contiene, sus propiedades fisicoquímicas y su función en los organismos vivos.

UNIDAD 4

95

6.2.  Cristales

QUÍMICA 2.0

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La aplicación que mostramos permite visualizar algunos comportamientos del enlace metálico: goo.gl/LEnJ35

96

UNIDAD 4

Los cristales son agrupaciones ordenadas de átomos dentro de una red geométrica, un cubo, un prisma, una pirámide... Los cristales, tal y como los ves, por ejemplo en la sal, contienen una elevadísima cantidad de cristales unidad –también llamados celda unidad–, que son los más pequeños que se forman de esa sustancia. Cristales

Iónicos

Covalentes

Metálicos

Átomos de elementos metálicos con no metálicos

Átomos de elementos no metálicos entre sí

Átomos de elementos metálicos entre sí

Sal común (Cloruro de sodio NaCl)

Cuarzo (Dióxido de silicio SiO2)

Hierro (Fe)

Si Yeso (Sulfato de calcio CaSO4)

Ca

Si

O

Diamante (C)

Cobre (Cu)

O

Las propiedades de los cristales se pueden resumir en la siguiente tabla: Cristales

Solubles en agua

Funden a temperaturas

Conductores de la electricidad

Covalentes

No

Muy altas

No

Iónicos

Sí

Muy altas

Solo disueltos o fundidos

Metálicos

No

De bajas a elevadas

Sí

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ACTIVIDADES 17. Tenemos las siguientes moléculas: H2 (hidrógeno), Cl2 (cloro), O2 (oxígeno), N2 (nitrógeno) y NH3 (amoniaco). Indica su estado físico a temperatura ambiente, así como si serán capaces de conducir la corriente eléctrica. 18. Indica si las sustancias formadas por los siguientes átomos serán moléculas o cristales: a ) Cloro y calcio. c ) Nitrógeno e hidrógeno.

QUÍMICA 2.0 Vídeo que explica la formación de enlaces iónicos: goo.gl/8mkvJR

b ) Azufre e hidrógeno. d ) Oxígeno y hierro.

19. Copia el siguiente esquema en tu cuaderno y rellénalo para determinar la estructura (iónica, covalente molecular o cristalina, o metálica) de una sustancia química. ¿Es líquido o gas a temperatura ambiente?

SÍ

NO ¿Es sólido que funde a temperaturas bajas?

SÍ

NO ¿Conduce la electricidad en estado sólido?

SÍ

NO ¿Conduce la electricidad fundido o disuelto en agua?

SÍ

NO

20. Relaciona los términos siguientes con las frases: Átomos a ) b ) c ) d )

Moléculas

Cristales

Sustancias formadas solo por átomos de no metales. Son siempre sólidas a temperatura ambiente. Constituyen los gases inertes. Formados por un gran número de átomos.

UNIDAD 4

97

MAPA CONCEPTUAL Sustancias simples

Ordenación en tabla periódica

Compuestos

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ÁTOMO

98

Elemento

Corteza

Núcleo

Metales

Electrones

Protones y neutrones

Se unen por enlace metálico

Número atómico (Z)

Número másico (A)

No metales

Se unen por enlace iónico

Se unen por enlace covalente

¿Donde colocarías los términos iones e isótopos? Copia el mapa conceptual en tu cuaderno y coloca en él las moléculas y los cristales iónicos y covalentes.

MIRA A TU ALREDEDOR

   Las materias primas Hasta la más habitual de nuestras actividades cotidianas precisa una cierta cantidad de materias primas. Los recursos materiales han sido siempre fundamentales, pero nunca hasta el grado que han alcanzado en nuestra civilización actual con sus grandes necesidades de consumo. Materia prima es toda sustancia básica y elemental que se utiliza en la fabricación de productos y en la obtención de energía. Existen muchos tipos de materias primas que son la base de todo proceso industrial. Pueden ser de origen vegetal, animal (pieles, lana, grasas, alimentos, etc.) o mineral. Este último ámbito es el más abundante y su variedad es enorme: combustibles, metales, materiales de la construcción, productos químicos, agua, etc. Los yacimientos principales son: • Metales pesados: disponibles en toda la corteza terrestre. El hierro es el más importante (China). • Metales preciosos: África del Sur (oro). • Madera: bosques australes (Canadá y Rusia) y tropicales (Brasil). • Combustibles. Gas natural: África del Norte, América del Norte, Asia Central. Petróleo: Golfo Pérsico, Caribe, mar Caspio, Indonesia. Carbón: África del Sur, Europa y Asia centrales, América del Norte. Uranio: América del Norte, Australia, África del Sur. Dpto. de Educación, Política Lingüística y Cultura del Gobierno Vasco, www.hiru.com (adaptación) Cuestiones Sitúa en un mapamundi los principales yacimientos que se indican en el texto.

UNIDAD 4

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PRÁCTICA DE LABORATORIO

El enlace químico a partir de las propiedades de las sustancias Objetivo Comprobar algunas propiedades (solubilidad, conductividad eléctrica y temperatura de fusión) de varias sustancias para averiguar el tipo de enlaces que poseen. Material • Espátula. • Tubos de ensayo en gradilla. • Bombilla pequeña. • Crisol. • Electrodos de grafito. • Materiales: sulfato de • Mechero. • Pila y conexiones eléctricas. cobre, cloruro de potasio, mina de grafito y arena. Procedimiento 1. Ensayo de solubilidad Los cristales formados por la unión iónica de un metal y un no metal son solubles en agua. Coloca una pequeña muestra del sólido en un tubo de ensayo, añade un poco de agua, agita y observa si se disuelve. Repite con el otro disolvente. Anota los resultados en la tabla final.

Esquema del circuito para el ensayo de conductividad.

2. Ensayo de conductividad eléctrica Los cristales iónicos de metal y no metal conducen disueltos en agua, mientras que los cristales covalentes no la conducen nunca. Coloca un poco de muestra en el crisol, introduce los electrodos, cierra el circuito con la pila y la bombilla. Comprueba si pasa la corriente. Repite el ensayo con las disoluciones del ensayo anterior. 3. Ensayo de la temperatura de fusión Las sustancias cristalinas no funden con facilidad, mientras que las moForma de calentar un tubo leculares de tipo covalente lo hacen a bajas temperaturas. Coloca en de ensayo sin peligro. un tubo de ensayo una pequeña muestra del sólido y calienta con mucho cuidado por el fondo, manteniendo el tubo inclinado hasta que el sólido se funda. Si funde a menos de 100 °C, lo hará rápidamente, apenas iniciado el calentamiento. Si funde entre 100 °C y 300 °C, lo hará después de un cierto tiempo. Sustancia

Solubilidad En agua

En tolueno

Conductividad en agua

Temperatura de fusión < 100 °C

> 100 °C

Sulfato de cobre Cloruro de potasio Mina de grafito Arena

Analiza y responde Coteja los resultados que has ido recogiendo acerca de las características que has estudiado para los tres tipos de enlaces químicos, e indica, justificándolo, cuál de ellos será el que presente cada una de las sustancias incluidas en la experiencia.

UNIDAD 4

99

ACTIVIDADES FINALES

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Actividades básicas 1. Indica cuáles de estas sustancias son simples y cuáles, compuestas: oxígeno, amoniaco, ozono, mercurio, alcohol 96°, aceite, plástico, carbón y tubería de plomo.

6. Si un átomo neutro tiene 16 protones y 16 neutrones, ¿cuántos electrones tendrá? ¿Cuál será su número atómico? ¿Y su número másico?

2. La materia tiene propiedades eléctricas: a) Porque está constituida por partículas cargadas eléctricamente. b) Porque contiene electrones. c) Porque contiene protones. d) Nulas, porque no contiene partículas cargadas.

7. El elemento potasio (K) tiene Z = 19 y A = 39. Calcula la cantidad de protones, neutrones y electrones que contiene.

3. Indica cómo crees que son los átomos: a) ¿Esferas positivas con cargas negativas incrustadas en ellas? b) ¿Esferas negativas con cargas positivas incrustadas en ellas? c) ¿Núcleos positivos con cargas negativas girando en torno a ellos? d) ¿Núcleos negativos con cargas positivas girando en torno a ellos? 4. Busca información sobre los quarks y su función en los átomos. 5. Indica cuáles de las siguientes situaciones contienen átomos: una chispa, una bacteria, un trozo de madera, una flor, el eco, las gotas de lluvia y un pelo de tu cabeza.

8. El elemento cobre (Cu) tiene Z = 29 y 30 neutrones. Calcula el número de protones y electrones que contiene, así como el valor de su número atómico (A). 9. Indica qué son los isótopos: a) Átomos que tienen entre sí diferente número de electrones. b) Átomos que tienen entre sí diferente número de protones. c) Átomos que tienen entre sí diferente número de neutrones. d) Átomos que tienen entre sí diferente número de estas tres partículas. 10. Explica la diferencia que hay entre los isótopos naturales y los artificiales. 11. Busca información en Internet acerca de tres isótopos artificiales que sean empleados en medicina, y comenta sus aplicaciones. 12. Indica qué son los iones: a) Átomos que han ganado o perdido electrones. b) Átomos que han ganado o perdido protones. c) Átomos que han ganado o perdido neutrones. 13. Identifica los siguientes elementos representados por sus símbolos, e indica de dónde proviene dicho símbolo: N, Ne, He, Cu, Ni y Pt. 14. Si tienes una sustancia que conduce bien la corriente eléctrica en estado sólido, ¿qué será, un metal o un no metal?

100

UNIDAD 4

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Actividades de consolidación 15. Si tienes los siguientes átomos: 147 N ; 1531P ; 108 Ag . 47 a) Indica la constitución de sus núcleos. b) ¿Cuántos electrones tiene cada uno?

23. Busca la fórmula de las siguientes sustancias de uso común: alcohol sanitario (etanol), azúcar, gas butano, tiza y bicarbonato de sodio.

16. Copia y completa la siguiente tabla en tu cuaderno. Átomo

Z

A

C

6

12

Zn

30

Protones

36

Hg Br

Neutrones Electrones

80

120

80

35

17. Un ion de un átomo de aluminio (Z = 13 A = 27) contiene 10 electrones. Indica la carga del ion y cuántos neutrones tiene este átomo. 18. ¿Cuáles de los siguientes átomos de elementos son isótopos entre sí? Justifícalo. 23 11

A 

19 9

B 

22 11

C 

39 19

D 

40 19

E

19. ¿Por qué crees que los cristales iónicos disueltos o fundidos son capaces de conducir la corriente eléctrica mientras que no lo son en estado sólido?

Actividades avanzadas 20. Explica la diferencia que hay cuando se habla de un átomo de oxígeno y cuando se menciona al elemento químico oxígeno. 21. Busca información en Internet y con ella prepara un mural para explicar cómo se emplea el isótopo C-14 para determinar la antigüedad de restos arqueológicos. 22. Busca información que te permita conocer las propiedades físicas y principales usos actuales de los siguientes elementos: magnesio, cobre y azufre. ¿En qué zona de la tabla periódica los colocarías, en la de los metales o en la de los no metales?

24. Indica qué tipos de enlaces formarían las siguientes parejas de elementos químicos: a) S y Na. b) Cl y O. c) K y Fe. d) F y Ca. e) H y Cl. 25. Indica cuáles de las siguientes sustancias se presentan en la naturaleza preferentemente como átomos aislados, moléculas o cristales: a) Diamante. b) Helio. c) Nitrógeno. d) Cuarzo. e) Dióxido de carbono. f) Oro. g) Hidrógeno. h) Sal común. 26. A partir de los datos de la siguiente tabla, indica cuáles de las sustancias serán iónicas y cuáles, covalentes: Sustancia

Solubilidad en agua

Conductividad Temperatura eléctrica de fusión

A

Sí

No

700 0C

B

No

No

−80 0C

C

No

No

1 250 0C

UNIDAD 4

101

PON EN MARCHA TUS HABILIDADES

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La lluvia ácida

102

A continuación se muestra una foto de las estatuas llamadas cariátides, que fueron erigidas en la Acrópolis de Atenas hace más de 2 500 años. Las estatuas están hechas de un tipo de roca llamada mármol. El mármol está compuesto de carbonato de calcio. En 1980, las estatuas originales fueron trasladadas al interior del museo de la Acrópolis y fueron sustituidas por copias. Las estatuas originales estaban siendo corroídas por la lluvia ácida.

Pregunta 1 La lluvia normal es ligeramente ácida porque ha absorbido algo del dióxido de carbono del aire. La lluvia ácida es más ácida que la lluvia normal porque, además, ha absorbido gases, como óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno. ¿De dónde vienen los óxidos de azufre y los óxidos de nitrógeno que hay en el aire?

Pregunta 2 El efecto de la lluvia ácida en el mármol puede simularse sumergiendo astillas de mármol en vinagre durante toda una noche. El vinagre y la lluvia ácida tienen prácticamente el mismo nivel de acidez. Cuando se pone una astilla de mármol en vinagre se forman burbujas de gas. Puede medirse la masa de la astilla de mármol seca antes y después del experimento.

UNIDAD 4

Una astilla de mármol tiene una masa de 2  g antes de ser sumergida en vinagre durante toda una noche. Al día siguiente, la astilla se extrae y se seca. ¿Cuál será la masa de la astilla de mármol seca? • Menos de 2 g. • Exactamente 2 g. • Entre 2 y 2,4 g. • Más de 2,4 g.

Pregunta 3 Los alumnos que llevaron a cabo este experimento también pusieron astillas de mármol en agua pura (destilada) durante toda una noche. Explica por qué los alumnos incluyeron este paso en su experimento.

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La huella de carbono Casi todas las actividades que realizamos y los bienes materiales que utilizamos implican consumir energía. Si esta energía proviene de fuentes de origen fósil (carbón, gas o petróleo), se generan emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Entre ellos destaca el dióxido de carbono (CO2), aunque no es el único. El cambio climático tiene su origen, esencialmente, en las emisiones a la atmósfera de gases de efecto invernadero como resultado de las actividades socioeconómicas. La huella de carbono es la medida de la contribución personal al cambio climático a partir del cómputo de las emisiones de CO2 que generan nuestras actividades cotidianas. En España el 25 % del total de emisiones de CO2 emitidas proviene del transporte.

Objetivo Calcular cuánto CO2 producen diversos tipos de viajes cotidianos.

Producto final Prepara un informe acerca de los principales gases que provocan el efecto invernadero y cómo se puede reducir su emisión. Indica qué otras actividades, además del transporte, provocan emisión de gases de CO2 y cómo se te ocurre que podrías disminuirlas.

Pasos que debes realizar Observa la gráfica. Te indica muchas cosas: en el eje vertical izquierdo se marcan cantidades de CO2 en gramos por kilómetro recorrido y persona, del 0 al 300. Las barras de la gráfica te muestran las emisiones que provocan diferentes medios de transporte.

Tarea competencial

Emisiones (g) de CO2 eq / km / persona

300

Bicicleta

250

Tren

200

Autobús Moto

150

Coche pequeño

100

Avión

50 0

Coche grande Emisiones g de CO2 eq / km / persona

Imagina que quieres conocer cuánto CO2 emites yendo en moto de tu casa al campo de fútbol que está a 5 km. La contaminación de la moto se indica en la cuarta columna: 80 g por km recorrido y persona. Así que si vas tú solo en ella durante 5 km producirás 5 km · 80 g/km =  = 400 g de CO2. Ahora, prueba tú: prepara una estimación calculada de cuánto CO2 se produce al viajar: a) En bicicleta a tu colegio. b) En autobús al centro de tu ciudad. c) En coche con tu familia a una población que diste de la tuya menos de 500 km. d) En avión con tu familia a una ciudad de Europa que elijas. Luego, con un grupo de compañeros, prepara el informe. Incluso, puedes grabar un vídeo o preparar una presentación en la que cada uno de los componentes del grupo pueda informar al resto de la clase de los resultados obtenidos en la tarea aquí presentada.

UNIDAD 4

103

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SmartBook®

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¿Qué es? SmartBook® es una herramienta de aprendizaje adaptativo que combina una revolucionaria tecnología desarrollada por McGraw-Hill Education con un libro digital interactivo. SmartBook® analiza la forma en la que lee y aprende el estudiante y, en función de sus respuestas a preguntas sobre lo estudiado y la seguridad sobre sus conocimientos, le va guiando a través de los contenidos del libro, de una manera personalizada y adaptada a su propio ritmo de aprendizaje, para que cada minuto que pasa el alumno estudiando sea lo más efectivo posible.

¿Cómo funciona? SmartBook® consta de varias fases:

Lee En la fase de lectura, el estudiante es guiado a través del texto para que lea de una manera adaptada a sus necesidades. En SmartBook® el estudiante tiene al texto completo, pero se le mostrarán áreas resaltadas en amarillo que indican el contenido en el que debería centrar su estudio en ese momento concreto. Las áreas resaltadas del texto van variando en función de sus respuestas en la parte práctica, subrayando nuevos temas y conceptos de más nivel, una vez que el estudiante ha demostrado el dominio de los conceptos esenciales del tema.

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Practica En la fase de práctica, los estudiantes afianzan lo aprendido hasta el momento realizando una serie de actividades de diversa tipología. Antes de responder, se pedirá al estudiante que evalúe el grado de seguridad sobre sus conocimientos: Sé la respuesta

Eso creo

No estoy seguro

Ni idea

En función de las respuestas a esas preguntas, el grado de seguridad que establezcan y otros datos que va recogiendo el sistema mientras los estudiantes trabajan, SmartBook® irá ajustando el camino de aprendizaje de cada estudiante adaptándolo a su ritmo y necesidades y determinando cuál será la siguiente pregunta.

Lee

Practica

De vuelta en la fase Lee, el estudiante se encontrará con nuevas partes del texto resaltadas en amarillo, que indican el nuevo contenido a estudiar, y otras resaltadas en verde, que son los temas o conceptos que el estudiante ha demostrado que domina al responder correctamente a las preguntas en la fase de práctica. Subrayado amarillo: muestra el contenido que es importante para el estudiante en este momento. Subrayado verde: muestra el contenido que el estudiante ha demostrado que domina realizando preguntas en la fase de práctica. La mejor manera de estudiar con SmartBook® es ir pasando de una fase a otra hasta completar la unidad. La propia herramienta ayudará al estudiante a identificar cuándo ha llegado el momento de cambiar de fase.

Repasa Para asegurar el dominio de los temas y la retención a largo plazo de los conceptos aprendidos, en esta fase el estudiante repasa en forma de actividades el contenido importante que el sistema ha identificado que es más probable que olvide.

Informes

Informes completos sobre el progreso del curso Profesor

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Los informes del profesor le permiten conocer en tiempo real las fortalezas y las debilidades de sus alumnos de manera individual y a nivel global, y adaptar así sus clases y tutorías.

Estudiante Los informes del estudiante proporcionan detalles sobre su progreso, sobre los temas que domina y los que necesita estudiar más, para que pueda maximizar su tiempo de estudio.

Beneficios

Todo son ventajas Para el profesor:

Para el estudiante:

• Mejora la calidad y la productividad de las clases.

• Ofrece el contenido adecuado para cada estudiante en el

• Facilita la adaptación de las clases al nivel y necesidades de los alumnos.

• Ayuda a prevenir el posible fracaso escolar y a remediarlo antes de que ocurra.

• Mejora el rendimiento de los alumnos y su nivel de notas.

momento preciso para maximizar el tiempo de estudio.

• Excelente preparación para clase y para los exámenes. • Ayuda a retener conceptos clave a largo plazo. • Ayuda a conseguir mejores notas. • Herramienta online: sin descargas, sin necesidad de grabar el progreso.

• en cualquier momento a través de una conexión a Internet y desde múltiples dispositivos.

• Interfaz intuitiva y atractiva. • Es divertido, porque permite competir con otros s.

Integra SmartBook® en tu curso

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La mejor manera de sacar el máximo provecho a las ventajas de SmartBook® es crear una clase a la que se apuntarán tus alumnos. Los estudiantes pueden trabajar independientemente o asociados a tu clase, pero la experiencia es mucho más positiva y productiva si se integra SmartBook® como una parte más de la asignatura. Te damos algunas opciones o ideas:

... ... antes de ir a clase Puedes decir a tus alumnos que estudien con SmartBook® antes de ir a clase. Así, podrás basar tus clases en los datos que obtengas con la herramienta.

... como deberes Puedes presentar el contenido en clase y después, a modo de deberes, decirles que estudien el tema con SmartBook®. Posteriormente, en función de los datos que obtengas sobre el progreso, las fortalezas y las debilidades de tus alumnos, podrás reforzar ciertos contenidos y hacer un seguimiento general e individual de lo que realmente se ha aprendido.

... antes del examen Puedes dar la unidad completa y recomendar a tus alumnos que utilicen SmartBook® para preparar el examen. Si tienen examen de final de curso, recuerda a tus alumnos que utilicen regularmente la fase Repasa para estar preparados cuando llegue el gran día.

Si tus alumnos tienen dificultades para acceder a Internet, una buena solución puede ser dedicar periódicamente tiempo de clase a SmartBook® en el aula de informática.

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